云原生5G核心網相關技術展望

唐來賢，張家晟，郝立波，陳贊旺，朱 林

（中移互聯網有限公司，廣東 廣州 510640）

5G技術作為打開信息通信新領域的新一代技術，可以為構件數字基礎設施、產業數字化轉型等工作提供核心支撐。近年來，5G技術與工業制造、醫療衛生、電力傳輸、交通運輸等產業相結合，涌現出一大批優秀案例。但是，由于設備點多面廣、資源的異構特性、資源零散等因素的制約，從嚴格意義上講，云計算解決方案對于5G網絡并不適用，構建更加靈活、敏捷、智能的網絡，實現5G與垂直行業應用的優化，是個亟待解決的問題[1-2]。

云計算技術發展至今已較為成熟，作為下一代云計算的技術內核，云原生技術具備高度的故障自愈能力、毫秒級的彈性響應、實現超量復制等特點，在推動5G技術在行業內的應用等方面發揮了重要作用。

1 云原生的發展現狀與5GC

1.1 云原生的發展現狀

云原生是Matt Stine首先提出的概念，它是計算機技術、工程管理方法等一系統技術的集合，不僅囊括了實現云原生的核心技術，也包括工程實踐的方法論。Matt Stine在《遷移到云原生架構》一書中定義了云原生的特征：自服務、微服務、API協作、抗脆弱性等[3]。隨著Kubernetes技術、容器技術等新技術的廣泛應用，云原生技術慢慢成熟，見圖1。

圖1 云原生架構關鍵技術

云原生已在云計算領域和企業IT架構內得到一定應用。從相關情況來看，目前應用較多的技術主要有兩大方面：云原生底層技術和云原生編排及管理技術。

（1）云原生底層技術。容器云原生技術不斷發展，Docker與宿主機共享內核導致Docker逃逸急需解決。安全容器以添加隔離層的方式為進程分配獨立操作系統內核。Serverless容器的出現為傳統應用轉到FaaS平臺提供了幫助，有效處理了遷移成本與函數拆分等問題。采用專門的卸載硬件承載非業務負載組件，有效增強了容器負載性能和穩定性。在裸金屬服務器上搭建容器服務成為部分用戶的選擇。云原生服務器的發展滿足了部分用戶的高性能計算需求，且具有一定的云服務器的管理功能。

（2）云原生編排及管理技術。編排與管理工具應用于云計算方面，可以實現彈性伸縮和自動化處理，因此云原生程序也有一定的擴展性。需注意的是，服務網格屬于支持工作負載實例通信的管理層，它使得服務治理和業務邏輯之間的聯系更密切，使異構系統處在統一模式下。與傳統微服務框架相比，服務網格具有諸多優勢：通信線路數據觀察性強；目標導向下的流量精確控制；微服務網絡安全性。無服務器實際上是一種架構思想，它把基礎設施抽象成多種服務，并用API接口的形式供使用者調用，能做到按使用付費，按需要伸縮。

1.2 云原生與5GC

5G具有增強移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠（uRLLC）、低功耗大連接（mMTC）三個業務場景。同時，3GPP在5G核心網規范中引入了無狀態、切片、MEC、SBA、CUPS等關鍵技術，實現了更為靈活多樣的場景需求[4-5]。云原生關鍵技術和5GC在需求上、技術理念上存在高度的一致性（如圖2所示），云原生技術包含的微服務、服務網格、不可變基礎設施等與5G核心網架構中的網絡切片、SBA、編排管理等高度匹配，采用云原生技術構建5G核心網已成為主流運營商、設備商的選擇。

圖2 云原生關鍵技術和5GC在需求上、技術理念上存在高度一致性

2 云原生5G核心網相關技術展望

目前，云計算技術已被應用于現有的通信網絡中，如基于開放的編排標準實現資源編排，基于OpenStack平臺實現網元虛擬化和快速部署等。但對5G時代的核心網需求而言，上述技術仍遠遠不夠，在NGMN、ETSI等發布的5G白皮書中，通信運營商、設備商都表達出把云原生技術引入5GC中以實現需求的諸多愿景[6-7]。

2.1 邊緣計算技術

邊緣計算技術作為一種新型技術，促進了5GC在多個行業的運用，既可以滿足多種終端的高算力要求，同時也符合工業互聯網、智能駕駛的低時延場景要求[8]。該技術除具備云計算的特征外，還有其獨特的特征，如多碎片、資源點多面廣、較高的異構性等，并且對算網協同的資源控制能力的要求更高，傳統的云計算解決方案很難滿足復雜性、不確定性、高動態等要求，而將云原生運用到邊緣計算平臺就能支持5GC落地各行各業。

將容器化技術運用到邊緣計算平臺，可以使底層物理計算資源變得抽象化與軟件化，符合邊緣計算技術在數據協同、應用管理協同等層面的需求。同時，容器技術具有標準的容器倉庫與格式，能為邊緣計算技術提供標準的應用分發，形成標準的控制接口，再配合云原生技術實現“云-邊-端”一體化，滿足多種設備超常規應用分發功能。

再者，容器技術和邊緣計算技術的結合也可增強工作負載環境的安全性，不但能為弱信號的恢復提供幫助，同時還能增強邊緣計算資源介入環境中的兼容性，使多異構網絡接入成為可能。

2.2 面向服務的5GC云原生核心網

該網包括云基礎設施、運營管理系統、虛擬化基礎設施管理器和NG核心網四個要素，依托容器技術、服務網絡、云原生技術、云原生調度系統實現5G核心網的個性化服務、大規模定制需求。

2.3 基于云原生的輕量級5GC方案

為達到各行業用戶不同的組網要求，推出輕量級5GC是各運營商大力研究的重要技術，云原生借助自身多樣的調度方法與容器技術去切合5GC核心網功能定制化裁剪的需要，各領域客戶可按照需要對網元功能進行定制開發、快速部署。

2.4 基于服務化架構技術的業務方案

（1）網元功能被逐步分解。網絡結構4G有固態柵極，可智能實現點對點連接，也可進行靈活調整、多功能固定，網絡4G經常使用EPC元素。但在5GC中，會將網絡元素從一個以上的領域通過API的挑戰，以不同的組合方式擴大網絡，并在網絡內擴大、升級自動化服務。同時，網絡接口也可自由連接到其他網絡上，靈活程度高，可適應不同的傳輸方案。

（2）全面管理網絡服務。網絡功能存儲（NRF）是5GC的重要組成部分，是非常靈活的網絡服務管理工具，能在管理模式下實現注冊、升級等功能，用戶應用網絡時可實現信息調用與授權，也可在用戶關閉網絡時自動停止，從而使網絡的應用變得更為快捷。

（3）通信網關協議。4G網絡采用EPC架構，與網絡各部分間的通信協議包括SCTP、SS7協議、GTPv1協議。5GC以互聯網和云計算為基礎，網絡連接主要以專業接頭進行連接，第三方可通過網絡和專業接口實現資料傳輸。

3 結束語

總而言之，云原生技術在開源技術的支持下不斷豐富和落地，并從容器技術、容器編排技術為核心的生態向微服務、自動化運維擴展，當前云原生技術用于5G核心網還處在起步階段，主要用于邊緣計算場景。相信隨著相關研究的深入和技術的進步，必將實現5G核心網與各相關產業的深度結合，促成通信網真正實現智能、敏捷、開放、云網融合的轉型，助推各產業的智能化、快捷化發展。■