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5G网络架构的重构与挑战

【摘要】首先详细阐述了面向5G网络架构的沿革与SDN/NFV的引入,并对现有网络采用解耦、抽象和重构的方法,提出了控制与转发分离、控制集中化、可编程的移动通信网络架构,最后分析阐述了水平网络及开放性的新含义,网络重构的趋势、战略目标、演进方向和目标架构,以及网络架构重构的战略意义和挑战。

【关键词】网络架构;网络重构;网络演进

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000中图分类号:TN929.533文献标志码:A文章编号:1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式:李聪. 5G网络架构的重构与挑战[J]. 移动通信, 2017,42(1): 00-00.

On the Reconstruction and Challenge of 5G Network Architecture

LI Cong

(Shanghai Posts Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

[Abstract] The network is the core resource of the operators, and also the key to realize the strategic transformation.The network architecture determines the competitiveness and development potential of the network, so the innovation of network architecture is fundamental and strategic innovation, which is also the key to solve the problems facing the current network.

[Key words] network architecture; refactoring; network evolution

1引言

5G(5th Generation,第五代移动通信系统)是一个端到端的生态通信系统,它将实现一个全连接和全移动的社会。现有的传统网络是刚性固化的,传统网络往往更加关注网络的底层传送能力而忽略了网络的能力向上层应用和业务开放,因此导致网络缺少流程化的能力开放接口,业务很难灵活地调用网络能力,这就导致承载网不能承载一些互联网的业务和应用,而必须采用应用层专用的协议进行纠错、应用加速和流量均衡等优化设计。

此外,现有2G/3G/4G网络更多地关注和加强技术从而局限在接入网及核心网上,而5G将会改变以往通信网络格局,实现网络的软件和硬件的分离。5G架构的重构通过引入了NFV(Network Function Virtualization,网络功能虚拟化)和SDN(Software Defined Network,软件定义网络),将淘汰传统网络建设复杂度非常高的网络重构及SDN/NFV的引入

2.1网络重构的演进方向

首先,网络重构将把网络运营从分散型向集约型演进,由于历史原因,传统电信运营商一般沿袭了自上而下的网络组织和运行方式,各个省市的网络运营商均独立建设和运营基础网络,因此导致网络利用率低下、端到端业务体验较差。随着互联网的发展,网络用户对网络的运营模式提出了更高的要求,因此网络必须具有SDN/NFV技术的引入

随着通信技术的变革和发展,现有的网络已经不再适应现在高速发展的高速率时代,网络架构的重构将减少网络的层级、转移网络核心节点,同时也会将网络软化,网络流量收敛比减少,基于SDN/NFV的新架构是网络重构的要方式,它以网络控制与转发及网络软硬件双解耦为基本特征,全局性、革命性的架构重构。

从SDN和NFV的定义出发,一套整体的SDN解决方案包括数据层、控制层和应用层。控制器运用南向接口对设备进行控制,运用北向接口支持应用开发,为业务提供服务。

(1)数据层

在数据层平面,首先离不开物理网络基础设施。其次,网络虚拟化是SDN的重要特性,主机Overlay方案(Host Tunnels)适合全虚拟化环境,消除基于硬件的网络限制;网络Overlay方案(Fabric tunnels)支持物理资源池,满足转发的高性能需求;如果是物理和虚拟并存的环境,适合混合Overlay方案。不同的IT环境选用适合的虚拟网络方案。

(2)控制层

在控制层平面,运用发展控制器软件或软硬一体的控制器形态,包含开源控制器和商用控制器。统计指出,当前全世界供应商提出的控制器案例已大于25个。开源方案和供应商方案同步演进,依据客户IT环境和需求,选择最适当的方案。

(3)应用层

在应用层平面,包括4~7层的网络服务,以及网络关联的管控和运行维护(M网络架构水平化重构

3.1网络演进的目标架构

网络的演进方向是基于面向新型互联网应用的网络架构,网络将会由垂直架构向水平架构演进,其网络首先应有简洁的结构,网络应减少网络层级(一二干融合),不大于30 ms的传输网时延;网络的种类、网元的数量和局站数明显减少。其次网络应具有敏捷性,网络具备软件编程、资源分钟级快速配置扩展的能力。然后网络还应具有开放性,它既能丰富便捷开放能力,又能主动适应应用。最后网络还应具有很好的集约性,网络能够达到80%的网络功能软件化,可以统一部署,全部业务平台实现云化,业务可以全网统一调度,可以满足配置和端到端的运营[5]。为实现上述目标,未来的网络架的目标构将由网络架构的功能性视图

网络将围绕SDN/NFV,加快网络资源集约控制,减少专业网元和系统,突破专业界限,通过协同和编排层实现跨网的资源调度,基于统一的云资源池承载网络、IT和业务平台,简化端到端运营模式,其未来网络架构的专业网视图如图2所示:

图2网络架构的专业网视图

3.2水平网络架构及其开放性

随着网络功能及应用的改变,未来的网络将会由垂直架构向水平架构演进,网络协议也会由垂直协议栈向水平协议栈演进。网络的开放能力是水平网络架构的要点,开放性的目标网络应具有统一标准、接口协议开放、多层面的API(Application Programming Interface,应用程序编程接口)的能力,最终使网络从全开放到半开放再到内部应用,以便满足各种不同专业和应用者,此外网络还需具备支持较为复杂的异厂家环境应用和运营,如图3所示:

图3网络架构水平化示意图

开放性的网络还需要开放SDN/NFV的开源代码,SDN/NFV的开源代码的开发和维护正成为整个产业链的共同任务,现在国外已有运营商开始介入研究,大型运营商介入开源码将有利于促进整个生态链的和谐发展,有利于吸引更多的开发者加入,开发出更加符合使用者需要的代码。与此同时开放SDN与开源码也同样存在着挑战,开放SDN主要缺乏强大的技术支撑,开源码存在安全性的隐患,由于开发者可以对代码进行修改,安全性也不容忽视,很容易被攻击,此外不再有为特定的设备制定规范和相应的软件,使其难以整合现有的实际环境,代码的法定拥有者缺位,也就不能确保有专人负责对代码的维护[2]。

3.3核心网的网络架构水平化

从2G时代的65 kbit网络架构重构面临的挑战

传统网络时代,网络被动地响应业务上线、变更和故障处理的需求,基于经验解决各类网络问题,一套网络系统需要7x24小时待命。OpenFlow应用之后,流表控制的思想就赋予了细粒度控制网络数据的方式,也带来了全局控制的思想。经过每一个网络设备转发的流量,流经网络的全部流量,都可以通过流表的方式来定义,每一个包每一条流的动作,都可以被精细设置并控制[3]。

与此同时,网络的架构重构同样面临着挑战,需要有长远的战略规划,同时又要脚踏实地逐步推进网络演进路线。网络架构的重构对现有的网络组织架构、网络的规划建设和运维思路、生产流程和人才提出巨大挑战。

(1)组织架构方面:未来的网络设施将逐步达到标准化和归一化,除少数务必要采用特定的硬件设备和系统外,其余设备将大规模部署标准化和可云化的硬件设备,并与抽象层技术相结合,达到对于非云化部署,设备实现跨网、跨域、跨专业的端到端的资源管控和统一管理,这些都会对目前专业、行政区域管控的组织架构带来改变。

(2)运营能力方面:现有网络运营多是刚性固化的,网络扩容成本很高,扩容周期很长且系统复杂而封闭。未来的网络架构做到按需伸缩,通过SDN和NFV的跨域协同,真正实现云网的深度协同,对业务、IT和网络提出更高的挑战。

(3)人才队伍方面:现有设备厂商的技术人员大都是基于现网设备,未来SDN网络将忽略基础层硬件差异,因此需要加强设备厂家及运营商专业人员对软件的业务创新和开发能力,以及开源代码的控制能力。

除此之外,当前的SDN主要面临技术欠成熟和现网如何演进两大障碍,NFV主要面临技术欠成熟、现网如何演进和缺乏知识和经验三大障碍,这些也都会制约网络重构的进程。

面对以上诸多挑战,要实现网络架构重构,在组织架构方面,要打破专业界限,顺应技术发展;在运营能力方面,则需要加快建设快速响应、高效灵活的网络运用体系,加强网络的运营和管理;在人才队伍方面,则需要培养新一代网络技术人才,加强服务厂商与运营商之间的培训质量,做好组织架构,运营管理和人才队伍培养的协同工作。

5结束语

本文提出了控制与转发分离、控制集中化、可编程的新的移动通信网络架构,分析阐述水平网络及开放性的新含义,网络重构的趋势、战略目标、演进方向和目标架构,以及网络架构重构的战略意义和挑战。相信通过网络的发展及应用,将会给人们带来更加智能化的生活体验,将来的网络将会开启通信网络更加灵活、开放、智能的新时代。

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作者简介

李聪:硕士毕业于长春理工大学,现任职于上海邮电设计咨询研究院有限公司,从事无线网规划和设计工作。

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