面向云原生的5G核心網云化架構和演進策略

楊文強，王友祥，唐雄燕，王立文（中國聯通研究院，北京 100176）

0 引言

互聯網業務和IT 技術的快速發展，正改變消費者的理念和行為，并推動所有行業與企業的數字化進程，實時、按需提供、永遠在線、自助服務等已逐漸成為數字時代新的用戶體驗標準［1］。運營商作為通信服務提供的主體，其業務內容和服務對象也發生了深刻變化，構建以DC 為核心的全云化網絡以滿足未來業務的發展訴求，已成為業界的廣泛共識。

5G標準的完善和商用的加速推進，對網絡提出了更高的要求。一方面，5G 業務包含高速率、大連接和低時延等場景，將使移動通信深入到行業領域，業務的不確定性要求網絡架構具備差異化服務和靈活的資源調度能力；另一方面，IT 技術的快速迭代驅動網絡不斷變革，5G系統架構借鑒IT領域“微服務”的設計理念，采用服務化架構（SBA）將網絡功能拆解為獨立的NF（Network Function），對外提供自包含、自管理、可重用的網絡功能服務［2］，服務間在業務功能上解耦，并通過統一類型的服務化接口實現調用，使網絡具備敏捷部署、彈性伸縮和靈活編排能力。

運營商正在進行5G網絡建設，構筑敏捷、開放、彈性、靈活的全云化網絡是運營成功的基礎。云原生（Cloud Native）技術作為云計算的最新成果，必然成為網絡云化過程中的核心理念。結合電信業務需求和網絡功能要求，探究云原生在網絡中的應用方式和引入路徑是電信領域面臨的重大課題［3］。

1 云原生和5G網絡云化

1.1 云原生概述

云原生概念由Matt Stine 首先提出，是一系列云計算技術體系和工程管理方法的集合，既包含實現云原生的關鍵技術，也包含工程實踐的方法論。其在2015年《遷移到云原生架構》一書中定義了云原生架構的特征：12 因素、微服務、自服務、基于API 協作、扛脆弱性等。隨著容器、Kubernetes 的等技術在IT 領域的廣泛應用，以及CNCF 等社區的不斷完善，云原生逐漸走向成熟。通常認為，云原生架構包括容器、微服務、服務網格、DevOps等關鍵技術［4］，如圖1所示。

圖1 云原生架構關鍵技術

云原生作為下一代云計算的核心特征獲得了業界的廣泛認同，并在云計算領域和企業的IT 架構中加速落地。在電信領域，云原生給出的技術體系和工程方法是網絡建設需要考慮的關鍵要素和方向指引。

1.2 5G網絡云原生

當前運營商網絡面臨諸多方面的挑戰：一是業務需求的變化，從面向人和人互聯需求的語音、數據業務，到面向人和物、物和物互聯的行業需求，業務需求多樣化；二是網絡建設巨大的投資需求和收益不均衡間的市場壓力；三是云計算、人工智能、大數據等技術不斷迭代演進，給網絡帶來的挑戰和動力［5］。在這種情況下，建設業務敏捷發放、資源高效利用、網絡按需部署等具備云化特征的網絡是網絡轉型的目標。

為滿足5G 業務需求，在5G 架構設計之初（如圖2所示），就體現了原生云的核心理念，包含以下關鍵特征。

圖2 5G服務化系統架構

a）網絡架構服務化。5G 核心網控制面采用服務化架構設計，將網絡功能進行模塊化拆解，抽象為獨立的NF，各NF 可獨立擴容、獨立演進、按需部署；NF間通過服務化接口向其他調用者提供不同的網絡功能服務（NFS），并實現服務的自發現、自治理。

b）軟件架構微服務化。每個NF 定義為一種類型的能力，通常包含幾個網絡功能服務，網絡功能服務間相對獨立，通過一系列服務的調用可以完成一個完整的系統流程。5G 核心網軟件可基于微服務架構實現業務敏捷和彈性，微服務間松耦合，具備獨立發布、部署、升級、運維等特征；從產品實現角度，業務處理、數據處理、業務轉發等可基于微服務解耦實現無狀態設計，業務處理單元按需彈性伸縮。

通過網絡架構服務化和軟件微服務設計，5G 核心網天然具備了云原生的部署能力，基于云原生技術進行5G核心網建設，可以最大發揮5G網絡優勢。

1.3 網絡云化演進趨勢

網絡云化的本質是通過網絡重構把電信網絡和IT 技術深度融合，使得網絡架構更加敏捷開放，網絡運營更加集約自動化，網絡部署更加靈活低成本［6］。作為電信網絡應用IT 虛擬化和云計算技術的方案框架，NFV 本身也隨著IT 新引入而不斷完善，NFV 發展的每個階段都是IT 技術在電信網絡應用的體現。基于IT 技術迭代的典型特征，網絡云化的過程可分為以下3個階段［7］。

第1階段：軟硬解耦的虛擬化，基于軟硬解耦方式，硬件采用通用COTS 服務器，軟件基于虛擬化方式并與硬件實現解耦。

第2階段：統一云平臺的資源池化，基于統一的云平臺逐步實現DC 內資源的統一調度和編排，具備云化網絡的能力和特征。

第3階段：基于云原生的功能組件化，通過微服務架構，為上層應用提供包含通用業務即服務（aPaaS）和通用技術即服務（iPaaS）等的統一PaaS平臺能力。

當前傳統運營商的網絡建設處在虛擬化到資源池化的優化階段，從規劃和部署情況看，仍面臨多廠商煙囪式部署、統一云平臺集成、網絡自動化水平等多方面挑戰，尚未充分發揮云化網絡所帶來的全部優勢。基于網絡云化目標和趨勢，需要分析云原生在NFV應用的關鍵技術和引入路徑。

2 基于云原生的5G核心網部署

2.1 5G核心網的云化部署要求

核心網的云化部署以NFV為基礎，5G核心網的建設和架構設計除考慮5GC（5G Core）的網絡功能外，還需要考慮已有業務上云的遷移要求、資源統一編排和調度能力、業務創新對平臺支撐能力要求等，主要包括以下幾個方面［8］。

2.1.1 5GC功能

5G 核心網功能建設，支持網絡服務化架構和軟件微服務能力，引入容器技術。

2.1.2 現網業務遷移上云

a）網關控制承載分離（CUPS）形態的EPC 功能虛機化（vEPC）。

b）vIMS語音業務功能。

c）邊緣及匯聚網絡設備，如vBNG/vBRAS、vSBC等。

2.1.3 資源統一編排和調度能力

核心網云化平臺支持包括容器、虛機等在內的虛擬化資源的統一編排和調度，未來考慮引入FPGA/GPU/AI等虛擬化技術，支持多形態計算單元共資源池能力，更好地實現全網絡范圍內的資源共享和彈性部署。

2.1.4 業務創新的PaaS能力

5G的價值將更多地體現在賦能千行百業的2B場景，面臨的最大挑戰是業務不確定性和靈活部署要求，核心網云化平臺需考慮構筑統一的PaaS平臺，為上層應用的開放、創新提供一個統一集約的支撐平臺。

核心網云化部署應以NFV/SDN 定義的架構為基礎，綜合考慮上述業務部署和創新需求，構筑統一的資源調度平臺和上層應用支撐平臺。

2.2 5G核心網云化部署架構

基于以上分析，以NFV 定義的框架為基礎，構建網絡云原生能力為牽引，支撐上層業務靈活部署和彈性為目標，提出5G 核心網云化部署總體架構如圖3 所示。架構關鍵點如下。

圖3 5G核心網云化部署架構

a）構建基礎設施資源能力，支持虛機和容器（基于虛機或裸機）類型的虛擬化資源，虛機和容器共享硬件資源，按需調整服務規模，上層網元/應用依據部署形態選擇對應的虛擬資源。

b）統一資源管理和編排能力，引入容器基礎設施服務管理（CISM）實現容器對象的管理和調度，可部署于VIM 中，也可以獨立存在；同時與MANO 各組件互通，實現資源的統一編排和調度。

c）在核心網云化平臺上構筑統一的PaaS能力，將業務層通用能力以組件或通用API的形態沉淀至相對獨立的PaaS 層，并提供統一注冊、能力發布等PaaS 管理功能，為業務應用提供敏捷、開放的運行環境。

2.3 核心網云化建設現狀及挑戰

傳統運營商在NFV 商用部署上大多采取相對穩健的做法，NFV 初期建設以軟硬解耦為主，底層IDC設施依賴廠商自上而下構建，在統一資源管理、規范成熟度和開放創新方面尚存在以下不足［9］。

a）統一資源管理平臺。NFV 軟硬解耦部署下，虛擬層平臺未實現與上層應用解耦，I 層資源基于VNF廠商單獨分配，造成資源被獨占且難以被共享，不利于基于業務需求統一規劃資源池建設，發揮資源統一調度的優勢。

b）實施依賴規范和組件成熟度。電信網絡的建設需依賴標準規范的制定，ETSI IFA029、IFA040 等相關規范定義了容器技術棧引入NFV 架構標準化工作，相關的標準和接口仍需要完善；核心網云化平臺引入GPU/FPGA/AI 等虛擬化技術，需要依賴OpenStack 和Kubernetes相關管理組件的商用成熟度。

c）開放創新能力亟待加強。5G 核心網服務化能力通過NF 定義網絡功能實現，網絡開放功能著眼于基于5G標準規范實現，難以滿足上層業務對網絡層以及運營相關能力的服務化調用，構筑開放、敏捷的應用運行和開發環境任重道遠。

3 5G核心網云化演進策略

3.1 5G核心網云化架構演進步驟

5G 核心網云化架構應以云原生理念為牽引，基于5GC 部署和業務創新要求，充分考慮網絡云資源池的建設現狀和技術成熟度，完善相關標準規范，逐步推動面向云原生的核心網云化架構部署，核心網云化架構演進步驟，如圖4所示。

圖4 5G核心網云化架構演進步驟

階段1：支持5G 規模商用部署。5G 商用初期，聚焦5GC 基礎功能的實現。基于NFV 建設現狀，5GC 采用虛機或虛機容器形態。虛機容器形態下，容器架構為虛擬化VNF 內部實現，容器層對外不可見，利于網元實現微服務架構。

階段2：引入容器平臺層（CaaS）。5G 商用發展階段，依據云原生NFV 架構，引入容器平臺層，5GC 基于容器實現，容器平臺層對外可見，增加NFVO/VNFM 和CaaS 層間的接口，實現對容器化網元的資源管理和編排功能。

階段3：構筑開放PaaS 能力平臺。5G 商用成熟期，構筑統一、開放的PaaS 平臺層，使核心網具備靈活的功能重構的能力，實現從資源為核心到應用為核心的轉變。

3.2 核心網云化關鍵問題探討

從云原生的技術內涵看，平臺建設和軟件工程能力是關鍵，在核心網云化建設的過程中，需要重點考慮以下2方面的問題。

a）平臺的自主可控。從建設歷程看，當前核心網云化部署依據廠商自上而下分割，沒有形成統一的資源能力管理能力。從核心網云化平臺的需求和目標看，運營商間高度一致，基于開源、合作模式來建設是值得探索的有效方向。

b）軟件工程能力。5G 面向千行百業，運營商要想成為云服務的提供者，云時代的運營者，軟件自研的能力至關重要。電信網絡的網絡功能由廠商提供，而網絡運營由運營商負責，開發和運營天然分割，尚未形成一個有效的全生命周期DevOps 流程。5G 時代業務的不確定性和差異化運營，也要求運營商具備一定的軟件開發和服務能力。因此加快培養自主研發支撐力量，提升軟件工程能力，是運營商面對的一個重要課題。

4 結束語

面對5G的機遇和挑戰，在網絡建設中引入云原生技術，探索5G 核心網云化平臺的部署架構和應用方式，規劃合理可實施的演進路徑，直面自主創新的時代要求，將為實現網絡云化和企業數字化轉型打下堅實基礎。