NFV和SDN在5G中的應用

pipipig428 2019-02-13

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1. 傳統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的不足

核心網(wǎng)從移動通信的誕生就是其不可缺少的重要的組成部分，隨著移動通信技術的生息更迭，從一開始的純粹的CS（Circuit Switched，電路）域的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)（比如MSC）到CS域與PS（Packet Switched）域結(jié)構(gòu)相結(jié)合，再在兩者的此消彼長的演化中，PS域核心網(wǎng)占統(tǒng)治地位的結(jié)構(gòu)（即4G LTE中的EPC），核心網(wǎng)一直演化到EPC，其在構(gòu)建之初并沒有從服務和基礎架構(gòu)的出發(fā)點去考慮問題，而是針對單一服務（使用場景）設計的集中式架構(gòu)，這就導致EPC架構(gòu)下物理組件之間的功能劃分非常耦合，功能的耦合也帶來部署的難度，同時功能的實現(xiàn)嚴重依賴于物理硬件，很多功能的實現(xiàn)必須建立在昂貴的專有設備基礎之上。

總結(jié)來講，傳統(tǒng)EPC網(wǎng)絡的耦合主要體現(xiàn)在兩個方面：

（1）控制平面和用戶平面的耦合；

（2）硬件和軟件的耦合。

這兩方面的耦合帶來三個方面的限制：

（1）這樣的傳統(tǒng)架構(gòu)為運營商部署網(wǎng)絡帶來成本和時間上的挑戰(zhàn)；

（2）隨著終端類型和數(shù)量以及服務類型越來越多，很難為這個“龐然大物”拓展新的功能和服務，并且無法高效地分配資源；

（3）降低用戶服務質(zhì)量體驗（QoS）。

我們以接下來的EPC網(wǎng)絡架構(gòu)圖來進一步說明上面提到的“耦合”問題。如圖所示：

從圖中的虛線和實線標記可以看出，MME僅承擔控制面功能，但是SGW和PGW既承擔大部分用戶平面功能，又承擔一部分控制平面功能，這就使得用戶平面和控制平面嚴重耦合，從而限制了EPC的開放性和靈活性。另一方面，在這種架構(gòu)下，很多網(wǎng)絡元素必須運行于配備專用硬件的多個刀片式服務器上，這對于運營商來說是極大的開銷。

2. SDN和NFV

SDN技術是一種將網(wǎng)絡設備的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，并將控制平面集中實現(xiàn)的軟件可編程的新型網(wǎng)絡體系架構(gòu)。我們知道，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，控制平面功能是分布式的運行在各個網(wǎng)絡節(jié)點（如集線器、交換機、路由器等）中的，因此如果要部署一個新的網(wǎng)絡功能，就必須將所有網(wǎng)絡設備進行升級，這極大地限制了網(wǎng)絡創(chuàng)新！從這個角度來看，SDN便是應運而生的“救星”！SDN采取了集中式的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，兩個平面相互分離，控制平面利用控制-轉(zhuǎn)發(fā)通信接口對轉(zhuǎn)發(fā)平面上的網(wǎng)絡設備進行集中控制，并向上提供靈活的可編程能力。由于具備這種“天賦”，于是SDN自然而然成為EPC控制面和用戶面耦合問題的“克星”。

NFV技術是一種將網(wǎng)絡功能整合到行業(yè)標準的服務器、交換機和存儲硬件上，并且提供優(yōu)化的虛擬化數(shù)據(jù)平面，可通過服務器上運行的軟件讓管理員取代傳統(tǒng)物理網(wǎng)絡設備的技術。從古至今都有這么一個道理：對于外界物理實體的依賴性越強，越不利于自身的發(fā)展。獨立性在我看來是一個意義重大的優(yōu)秀品質(zhì)，這同樣體現(xiàn)在網(wǎng)絡技術上。對專用網(wǎng)絡設備的依賴，將會導致我們在面對網(wǎng)絡創(chuàng)新時的無能為力，這一點在現(xiàn)階段的EPC中已經(jīng)得到了印證，因此我們必須謀求新的技術來擺脫對專用硬件的依賴！通過使用NFV可以減少甚至移除現(xiàn)有網(wǎng)絡中部署的中間件，它能夠讓單一的物理平臺運行于不同的應用程序，用戶和租戶可以通過多版本和多租戶使用網(wǎng)絡功能，從而促進軟件網(wǎng)絡環(huán)境中的新網(wǎng)絡功能和服務的創(chuàng)新，NFV適用于任何數(shù)據(jù)平面和控制平面功能、固定或移動網(wǎng)絡，也適合需要實現(xiàn)可伸縮性的自動化管理和配置。

通過以上對SDN和NFV的簡單介紹，可以大致概括：SDN技術是針對EPC控制平面與用戶平面耦合問題提出的解決方案，將用戶平面和控制平面解耦可以使得部署用戶平面功能變得更靈活，可以將用戶平面功能部署在離用戶無線接入網(wǎng)更近的地方，從而提高用戶服務質(zhì)量體驗，比如降低時延。NFV技術是針對EPC軟件與硬件嚴重耦合問題提出的解決方案，這使得運營商可以在那些通用的的服務器、交換機和存儲設備上部署網(wǎng)絡功能，極大地降低時間和成本。

3. 5G中的SDN和NFV

SDN和NFV技術催生了5G核心網(wǎng)架構(gòu)，如圖2所示：

在此基礎上，有的文獻提出5G架構(gòu)應該盡可能減少網(wǎng)絡實體，并取消服務網(wǎng)關和PDN網(wǎng)關的概念，而將其抽象成為控制平面網(wǎng)關和用戶平面網(wǎng)關,并且提議控制平面網(wǎng)關和用戶平面網(wǎng)關以軟件的形式運行于運營商的云系統(tǒng)中，而非使用專用的硬件設備。這一提議的架構(gòu)如圖3所示：