基于NFV構(gòu)架的5G LAN技術(shù)研究

李沛然，周達(dá)飛，馬 赫，姜 暉，王 茹

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)黑龍江有限公司網(wǎng)絡(luò)管理部，黑龍江 哈爾濱 150028；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)黑龍江有限公司計(jì)劃建設(shè)部，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

隨著技術(shù)的演進(jìn)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的垂直行業(yè)發(fā)展迅猛，3GPP最新發(fā)布的R16版本也逐漸廣泛部署。R16版本引入大量新技術(shù)，使得5G整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架以及垂直行業(yè)各業(yè)務(wù)應(yīng)用均有明顯的性能提升。從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架上來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）將傳統(tǒng)電信設(shè)備功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行于通用硬件設(shè)備上，并采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)敏捷迭代、支撐網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)以及降低整體成本的目標(biāo)，是應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代業(yè)務(wù)快速變化的有效手段[1]。在NFV構(gòu)架的基礎(chǔ)上，5G局域網(wǎng)（5G Local Area Network，LAN）作為最新的技術(shù)，通過(guò)引入5G LAN組管理實(shí)現(xiàn)與普通用戶(hù)的隔離與靈活管理，引入二層、三層的點(diǎn)到點(diǎn)及點(diǎn)到多點(diǎn)的通信模式繼承工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)需求，并采用基于N6、N3/N9、N19的流量轉(zhuǎn)發(fā)模式進(jìn)一步豐富流量轉(zhuǎn)發(fā)種類(lèi)，提升業(yè)務(wù)容災(zāi)能力。NFV和5G LAN技術(shù)的結(jié)合更能豐富5G業(yè)務(wù)種類(lèi)，完善其保障體系，更好地促進(jìn)5G垂直業(yè)務(wù)發(fā)展。

1 NFV技術(shù)分析

1.1 NFV技術(shù)簡(jiǎn)介

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化是一種在標(biāo)準(zhǔn)通用服務(wù)器、存儲(chǔ)器以及交換機(jī)等設(shè)備上實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的一種技術(shù)。在NFV技術(shù)出現(xiàn)之前，移動(dòng)通信網(wǎng)內(nèi)各類(lèi)設(shè)備的專(zhuān)業(yè)化程度非常高，均采用專(zhuān)用功能硬件實(shí)現(xiàn)，具有“豎井式”網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架特征，但這種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架存在維護(hù)費(fèi)用高、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)慢等問(wèn)題[2]。為解決該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架痛點(diǎn)，第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）等標(biāo)準(zhǔn)化組織提出控制平面（C面）與媒體平面（U面）分離解耦，實(shí)現(xiàn)CU兩平面獨(dú)立演進(jìn)的目的。其中控制平面由運(yùn)行在云操作系統(tǒng)上的各類(lèi)虛擬機(jī)（虛機(jī)）構(gòu)成。當(dāng)需要部署新業(yè)務(wù)時(shí)，只需在云操作平臺(tái)基礎(chǔ)上增加新類(lèi)型業(yè)務(wù)虛機(jī)并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)配置，形成新的服務(wù)能力匯聚至原有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上即可。另外，NFV技術(shù)是基于5G獨(dú)立組網(wǎng)（Stand Alone，SA）實(shí)現(xiàn)切片技術(shù)的必備技術(shù)。

1.2 NFV網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架上來(lái)說(shuō)，NFV采用ETSI提出的“三層一系統(tǒng)”參考架構(gòu)，如圖1所示。其中，“三層一系統(tǒng)”是指硬件層、虛擬層、虛擬網(wǎng)元層以及管理和編排系統(tǒng)。

圖1 NFV系統(tǒng)構(gòu)架

（1）硬件層是NFV構(gòu)架的最底層物理基礎(chǔ)，具體是指計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等物理設(shè)備，是整個(gè)虛擬化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的底座。

（2）虛擬層的作用是通過(guò)虛擬化平臺(tái)將物理計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化操作，形成虛擬的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)硬件層各類(lèi)設(shè)備從物理到虛擬化的解耦與隔離。同時(shí)，虛擬層利用虛擬化資源組成相當(dāng)于傳統(tǒng)網(wǎng)元功能板卡的各種類(lèi)型虛擬機(jī)（Virtual Machine，VM），并將各種類(lèi)型的虛擬機(jī)依據(jù)業(yè)務(wù)屬性聚合，構(gòu)成虛擬化網(wǎng)元（Virtualized Network Function，VNF），實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)能力。

（3）虛擬網(wǎng)元層包括虛擬化網(wǎng)元和網(wǎng)元管理（Element Management System，EMS）兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其中虛擬化網(wǎng)元由各類(lèi)業(yè)務(wù)虛機(jī)組成，部署在網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施（NFV Infrastructure，NFVI）上，實(shí)現(xiàn)軟件化移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)元功能。EMS與傳統(tǒng)網(wǎng)元操作和管理中心（Operation and Management Center，OMC）管理功能相同，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)虛擬化網(wǎng)元的集中化配置、告警分級(jí)呈現(xiàn)、設(shè)備級(jí)性能分析等功能。

（4）管理和編排系統(tǒng)（Management and Orchestration，MANO）是云管理核心決策者。由NFV構(gòu)架編排器（NFV Orchestrator，NFVO）、VNF管理器（VNF Manager，VNFM）和虛擬資源管理器（Virtualized Infrastructure Manager，VIM）3部分構(gòu)成。NFV構(gòu)架編排器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、虛擬網(wǎng)絡(luò)生命周期管理及全局資源管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬化網(wǎng)元的故障、配置、計(jì)費(fèi)、性能以及安全等方面的管理。VNF管理器實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)元生命周期管理，是虛擬化功能管理的執(zhí)行者。虛擬資源管理器是各類(lèi)虛擬資源及硬件資源管理的最終執(zhí)行者。

1.3 NFV技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）降低研發(fā)成本，加速網(wǎng)絡(luò)迭代。通過(guò)軟件和硬件的解耦，進(jìn)一步開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，軟硬件分層獨(dú)立演進(jìn)。因NFV技術(shù)采用通用計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大幅度降低專(zhuān)用硬件設(shè)備的研發(fā)成本，同時(shí)通用硬件設(shè)備的更新速度也大幅加快，快速提升網(wǎng)絡(luò)算力。

（2）縮短運(yùn)營(yíng)與業(yè)務(wù)演進(jìn)周期。充分利用IT的規(guī)?；?jīng)濟(jì)，減少設(shè)備成本、能源開(kāi)銷(xiāo)的優(yōu)勢(shì)，加速業(yè)務(wù)投放市場(chǎng)的速度，提升業(yè)務(wù)產(chǎn)品級(jí)的更新?lián)Q代效能，縮短業(yè)務(wù)需求建設(shè)投產(chǎn)時(shí)間。

（3）提升業(yè)務(wù)級(jí)兼容能力。在虛擬化網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多版本、多租戶(hù)共存狀態(tài)。從業(yè)務(wù)產(chǎn)品層面的角度，基于虛擬化的業(yè)務(wù)為不同的租戶(hù)、產(chǎn)品、應(yīng)用、用戶(hù)提供服務(wù)，且允許多服務(wù)屬性、多客戶(hù)群聚類(lèi)共享物理資源和虛擬化資源，有效提升多元業(yè)務(wù)兼容能力。

（4）提升精準(zhǔn)服務(wù)保障能力。通過(guò)對(duì)資源池的合理規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)屬性、地理位置、用戶(hù)群體等維度的精準(zhǔn)服務(wù)，同時(shí)繼承網(wǎng)元級(jí)容災(zāi)機(jī)制，通過(guò)虛擬機(jī)分散部署將單個(gè)網(wǎng)元分散到整個(gè)資源池中，形成多層次分散冗余架構(gòu)，提升整體網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)能力。

2 5G LAN技術(shù)分析

2.1 5G LAN技術(shù)概述

在5G LAN技術(shù)出現(xiàn)之前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中就已經(jīng)廣泛存在二層MAC通信、APN/DNN專(zhuān)線和D2D的解決方案，但一直有組網(wǎng)及配置復(fù)雜、投資大、通信能力單一等問(wèn)題[3,4]。因此在3GPP的R16版本中增加了5G LAN技術(shù)的研究，以5G核心網(wǎng)中的用戶(hù)面功能（User Plane Function，UPF）設(shè)備虛擬成業(yè)務(wù)交換機(jī)為基礎(chǔ)，形成5G局域網(wǎng)類(lèi)型服務(wù)能力。

5G局域網(wǎng)類(lèi)型服務(wù)可充分利用5G大帶寬、海量連接以及低時(shí)延等多種增強(qiáng)特性，為特定終端組（企業(yè)級(jí)）提供辦公區(qū)、住宅區(qū)、工業(yè)園區(qū)、寫(xiě)字樓、企業(yè)等特定場(chǎng)景的點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)終端上網(wǎng)業(yè)務(wù)。

2.2 5G LAN的VN組管理技術(shù)

在5G LAN技術(shù)中，引入5G虛擬網(wǎng)組（Virtual Network Group，VNG）作為5G專(zhuān)屬局域網(wǎng)的基礎(chǔ)，組建不同業(yè)務(wù)用途的組，如生產(chǎn)組、管理組等。不同組內(nèi)的客戶(hù)可靈活訂購(gòu)所需的網(wǎng)絡(luò)切片，以獲得特定的服務(wù)等級(jí)協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）保障。與網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)相比，5G虛擬網(wǎng)組管理側(cè)重于組用戶(hù)和組拓?fù)涔芾恚W(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)更偏重網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障能力[5]。5G虛擬網(wǎng)組管理共包括5G虛擬組標(biāo)識(shí)、5G虛擬組終端和5G虛擬組數(shù)據(jù)3個(gè)方面的管理。

（1）5G虛擬組標(biāo)識(shí)管理。5G虛擬組標(biāo)識(shí)由外部組標(biāo)識(shí)和內(nèi)部組標(biāo)識(shí)組成，外部標(biāo)識(shí)由外部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配，內(nèi)部標(biāo)識(shí)由通用數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配，兩者匯總后由通用數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成內(nèi)部和外部標(biāo)識(shí)映射并形成5G虛擬組標(biāo)識(shí)管理能力。（2）5G虛擬組終端管理。以5G手機(jī)號(hào)碼為唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)行終端管理。（3）5G虛擬組數(shù)據(jù)管理。根據(jù)虛擬組成員的上網(wǎng)業(yè)務(wù)的會(huì)話類(lèi)型、數(shù)據(jù)接入網(wǎng)類(lèi)型、網(wǎng)絡(luò)切片信息和應(yīng)用描述符信息為標(biāo)識(shí)進(jìn)行管理。

2.3 基于5G LAN的二層和三層接入模型分析

2.3.1 基于5G LAN技術(shù)的二層Ethernet接入模型分析

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景為點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)通信方式，存在應(yīng)用數(shù)據(jù)不能出工業(yè)園區(qū)的缺點(diǎn)，而5G LAN技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)跨工業(yè)園區(qū)的二層通信。如圖2所示，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)中的末端設(shè)備生成應(yīng)用數(shù)據(jù)并依靠二層Ethernet方式傳輸至用戶(hù)終端、基站、核心網(wǎng)UPF設(shè)備。由于UPF內(nèi)置二層本地交換機(jī)功能，可基于二層Ethernet方式路由轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備。在此流程中，用戶(hù)設(shè)備（User Equipment，UE）或客戶(hù)終端設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）為橋接設(shè)備可同時(shí)掛載多個(gè)終端，SMF設(shè)備負(fù)責(zé)二層路徑路由管理并識(shí)別轉(zhuǎn)發(fā)抑制環(huán)路問(wèn)題。

圖2 二層Ethernet接入示意

2.3.2 基于5G LAN技術(shù)的三層IP組播/廣播接入模型分析

如圖3所示，用戶(hù)終端、核心網(wǎng)UPF設(shè)備具備5G LAN訂閱外部網(wǎng)絡(luò)組播或廣播的能力。5G LAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的服務(wù)器和UE終端周期性發(fā)送心跳消息用于發(fā)現(xiàn)相鄰組播/廣播設(shè)備，若新增用戶(hù)注冊(cè)成功后觸發(fā)業(yè)務(wù)，則組播/廣播服務(wù)器或源UE/CPE發(fā)起數(shù)據(jù)建立流程，占用網(wǎng)絡(luò)資源（包括UPF隧道建立、基站資源、無(wú)線資源）后完成業(yè)務(wù)疏通。

圖3 3層IP組播/廣播接入示意

2.4 5G LAN流量轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

5G LAN技術(shù)充分借鑒軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)，依托5G核心網(wǎng)在會(huì)話管理層面控制和媒體分離構(gòu)架，由SMF網(wǎng)元進(jìn)行路徑控制，用戶(hù)面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備執(zhí)行媒體轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)靈活流量疏通能力。5G LAN流量轉(zhuǎn)發(fā)有基于N6接口、基于N3/N9接口、基于N19接口共3種流量轉(zhuǎn)發(fā)模式。

2.4.1 基于N6接口的流量轉(zhuǎn)發(fā)

如圖4所示，5G虛擬組終端的流量由N6接口轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Data Network，DN），再通過(guò)DN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)目的終端實(shí)現(xiàn)流量信息互通。具體流程為5G虛擬組內(nèi)用戶(hù)通過(guò)基站的N3接口、用戶(hù)面設(shè)備N(xiāo)6接口接入DN網(wǎng)絡(luò)，DN網(wǎng)絡(luò)依據(jù)IP地址、MAC地址等條件尋址，經(jīng)過(guò)N6、N3及基站路由到達(dá)目標(biāo)終端，完成數(shù)據(jù)疏通流程。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，不必設(shè)置I-UPF、PSA UPF等特殊角色，減少流程中的網(wǎng)元數(shù)量，從而降低業(yè)務(wù)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 基于N6接口的流量轉(zhuǎn)發(fā)

2.4.2 基于N3/N9接口的流量轉(zhuǎn)發(fā)

因?yàn)樵赑SA UPF內(nèi)引入Local SWitch，所以又稱(chēng)本地交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)方式，該方式最大的特點(diǎn)是5G LAN VN用戶(hù)移動(dòng)性能力進(jìn)一步提升，根據(jù)簽約的專(zhuān)用DNN確定SMF和PSA UPF后，可以靈活根據(jù)用戶(hù)的所在位置動(dòng)態(tài)插入I-UPF實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大5G LAN的業(yè)務(wù)接入范圍。5G虛擬組內(nèi)用戶(hù)間流量轉(zhuǎn)發(fā)方式如圖5所示，終端所在位置由PSA UPF所覆蓋，則插入I-UPF后使用N9接口進(jìn)行流量疏通。因N3、N9接口均部署在承載網(wǎng)內(nèi)，上網(wǎng)類(lèi)業(yè)務(wù)指標(biāo)如時(shí)延和抖動(dòng)較N6接口疏通的方式會(huì)有明顯提升。

圖5 基于N3/N9接口的流量轉(zhuǎn)發(fā)

2.4.3 基于N19接口的流量轉(zhuǎn)發(fā)

基于N19接口轉(zhuǎn)發(fā)方式是N3/N9接口轉(zhuǎn)發(fā)方式的進(jìn)一步擴(kuò)展，如圖6所示。在這種方式下，含有Local SWitch的PSA UPF可以同時(shí)存在兩個(gè)，且兩個(gè)PSA UPF之間通過(guò)新定義的N19接口實(shí)現(xiàn)流量疏通。引入N19接口的主要作用有兩個(gè)，一是將原有的局域網(wǎng)覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，二是解決N3/N9接口轉(zhuǎn)發(fā)方式容災(zāi)困難的問(wèn)題。

圖6 基于N19接口的流量轉(zhuǎn)發(fā)

3 結(jié) 論

5G LAN技術(shù)是3GPP組織在R16中新引入并構(gòu)建在NFV構(gòu)架上的全新技術(shù)，兩者技術(shù)的融合必將有力促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展。5G LAN技術(shù)最大的特點(diǎn)是在5G網(wǎng)絡(luò)制式下實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)2層Ethernet和3層IP組播/廣播的接入，同時(shí)基于N6、N3/N9、N19等多樣流量轉(zhuǎn)發(fā)場(chǎng)景滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。靈活的5G虛擬組管理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)5G LAN VN用戶(hù)與5G普通用戶(hù)上網(wǎng)相互隔離，最大程度降低業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。但5G LAN做為一項(xiàng)新技術(shù)尚有以下兩方面工作需要進(jìn)一步完善和解決。（1）協(xié)議規(guī)范方面，5G核心網(wǎng)中跨SMF場(chǎng)景下的N4接口仍未解耦，SMF廠家決定UPF情況在一定程度上阻礙5G LAN應(yīng)用推廣。（2）技術(shù)應(yīng)用方面，組播/廣播方式的流量風(fēng)暴問(wèn)題仍未徹底解決，存在網(wǎng)絡(luò)安全隱患。以上兩方面問(wèn)題將是5G LAN技術(shù)在下一階段需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。