5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中SDN和NFV的應(yīng)用策略

支敏慧，元 鑫，張華偉

（中移（蘇州）軟件技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215600）

1 SDN和NFV技術(shù)概述

1.1 SDN技術(shù)概述

SDN又叫作軟件定義網(wǎng)絡(luò)，它屬于轉(zhuǎn)型網(wǎng)絡(luò)的一種，通過(guò)SDN的應(yīng)用，可以讓網(wǎng)絡(luò)管理更加簡(jiǎn)單、應(yīng)用部署更加快捷，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化。借助于SDN，用戶可在云服務(wù)中進(jìn)行各種所需資源的選擇和功能應(yīng)用，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)存以及計(jì)算機(jī)等資源的智能化控制和利用，使其達(dá)到最佳配置，并實(shí)現(xiàn)更具直觀性的服務(wù)部署。圖1為SDN技術(shù)應(yīng)用中的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 SDN技術(shù)應(yīng)用中的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 NFV技術(shù)概述

NFV又叫作網(wǎng)絡(luò)虛擬化，其主要功能是以網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)為依托，實(shí)現(xiàn)通信商服務(wù)的有效簡(jiǎn)化。借助于互聯(lián)網(wǎng)中的自動(dòng)系列處理器，實(shí)現(xiàn)壓縮負(fù)荷、加密、虛擬化硬件加速以及多核計(jì)算性能的集成，再借助以太網(wǎng)接口，便可對(duì)一個(gè)軟件定義框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確保其堅(jiān)實(shí)可靠[1]。在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)信息領(lǐng)域中，借助NFV可實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的良好創(chuàng)建，從而確保虛擬機(jī)的可靠運(yùn)行。

2 SDN和NFV在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)效率的提升

將SDN及NFV技術(shù)應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，借助其開(kāi)放性特征，可對(duì)高級(jí)軟件設(shè)備和硬件設(shè)備進(jìn)行高效部署，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的進(jìn)一步降低。在具體部署中，借助于SDN與NFV技術(shù)，可讓5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)達(dá)到良好的虛擬化效果，并采用編程開(kāi)發(fā)的形式對(duì)通信目標(biāo)相同的網(wǎng)絡(luò)硬件進(jìn)行組合，從而為新的5G業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)以及軟件革新等工作提供足夠便利。同時(shí)，通過(guò)SDN與NFV技術(shù)的合理應(yīng)用，也可以讓5G網(wǎng)絡(luò)軟件達(dá)到集中化管理的效果，使其管理效率得以顯著提升。另外，通過(guò)SDN與NFV，能夠控制5G網(wǎng)絡(luò)中的全網(wǎng)流量，充分滿足其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的帶寬需求，從而實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)資源的高效、便捷、靈活調(diào)用，使其利用效率顯著提升[2]。在這樣的情況下，5G網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)也將會(huì)具有更高的效率。比如，在配置5G網(wǎng)絡(luò)通道中的承載參數(shù)時(shí)，為保障其通信效率，就需要對(duì)其通信隧道中的傳輸參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。表1為基于SDN與NFV的5G隧道傳輸配置要求。

表1 基于SDN與NFV的5G通信隧道傳輸配置要求

2.2 在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中達(dá)到良好的互補(bǔ)效果

借助SDN的編程功能，可對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)中的軟件進(jìn)行合理控制，而借助NFV技術(shù)，則可以對(duì)其硬件進(jìn)行合理控制。由此可見(jiàn)，在5G網(wǎng)絡(luò)中，SDN和NFV技術(shù)可以達(dá)到良好的互補(bǔ)效果，從而讓網(wǎng)絡(luò)通信在具有獨(dú)立性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的功能融合。在對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，可讓傳統(tǒng)形式的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在專用位置和通信硬件中被分離出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)其通信效率的顯著提升。比如，在對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)中的云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，借助于NFV技術(shù)便可對(duì)負(fù)載均衡器、防火墻以及路由器等設(shè)備進(jìn)行良好控制；然后再以此為基礎(chǔ)，借助SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的進(jìn)一步優(yōu)化與升級(jí)。通過(guò)這樣的方式，優(yōu)化5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器架構(gòu)。

2.3 實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)功能的全面編程

將SDN與NFV技術(shù)合理應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，可使其設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)面以及系統(tǒng)控制面得到分離控制。在通過(guò)SDN進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)控制的過(guò)程中，主要是通過(guò)獨(dú)立編程軟件對(duì)其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際邏輯控制需求來(lái)有效調(diào)整和控制其虛擬網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)資源的合理調(diào)配。在對(duì)其網(wǎng)絡(luò)智能功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要通過(guò)協(xié)議準(zhǔn)接口配合DPA協(xié)議統(tǒng)一分配的形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能的落實(shí)和調(diào)整。而通過(guò)NFV技術(shù)的應(yīng)用，則可以用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)設(shè)備的良好連接，并通過(guò)大容量交換機(jī)與服務(wù)器等設(shè)備控制和傳輸移動(dòng)通信數(shù)據(jù)[3]。這樣不僅可實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也可以使其數(shù)據(jù)達(dá)到智能化的控制和管理效果。

3 SDN和NFV在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的主要應(yīng)用策略

3.1 以SDN與NFV為基礎(chǔ)進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建

當(dāng)今，SDN及NFV技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了5G網(wǎng)絡(luò)中，并在其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建中發(fā)揮了顯著的優(yōu)勢(shì)。就目前來(lái)看，以SDN和NFV為基礎(chǔ)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括五個(gè)層次：一是應(yīng)用層，其主要功能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施一系列的管理，包括移動(dòng)管理、用戶管理、策略管理以及SON等。二是控制器層，其主要功能是通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的虛擬化控制，包括無(wú)線控制器以及SDN控制器。三是轉(zhuǎn)發(fā)層，其主要功能是對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，包括C-RAN、RRH、UDN、Macro Cell、Massive MIMO等[4]。四是無(wú)線層，其主要功能是通過(guò)5G技術(shù)對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。五是終端層，其主要功能是實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的信息獲取與展示，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和用戶之間的良好交互，主要包括智能終端、傳感器、D2D、M2M、V2X等。圖2是以SDN和NFV為基礎(chǔ)建設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。

圖2 以SDN和NFV為基礎(chǔ)建設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3.2 通過(guò)SDN和NFV進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元功能分解

傳統(tǒng)形式的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的很多都處于無(wú)序狀態(tài)，且一些功能也存在重復(fù)、沖突等問(wèn)題。基于此，在5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展中，就需要對(duì)其功能做好梳理與劃分。為達(dá)到這一目標(biāo)，就需要在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中對(duì)SDN及NFV技術(shù)加以合理應(yīng)用。在此過(guò)程中，一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容就是讓控制和轉(zhuǎn)發(fā)之間達(dá)到良好的分離效果，并實(shí)現(xiàn)軟件和硬件之間的科學(xué)解耦，為此，可在SDN控制器上將各種控制功能都集中到一起，將標(biāo)準(zhǔn)通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備用作轉(zhuǎn)發(fā)面，這樣便可在滿足轉(zhuǎn)發(fā)面實(shí)際應(yīng)用需求的同時(shí)進(jìn)一步節(jié)約成本。借助于南向接口，可實(shí)現(xiàn)SDN控制器和轉(zhuǎn)發(fā)面之間的有效連接，控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面都可以分別達(dá)到擴(kuò)容升級(jí)效果，這樣便可讓5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加靈活高效。

而通過(guò)軟件和硬件之間的解耦，可以讓網(wǎng)元設(shè)備中的各項(xiàng)功能劃分出專有的區(qū)域，以此達(dá)到良好的虛擬化效果。在具體設(shè)置中，此項(xiàng)功能可通過(guò)NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)該技術(shù)與軟件的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化，并使其在以x86為基礎(chǔ)且性能足夠優(yōu)越的硬件平臺(tái)上良好運(yùn)行[5]。因?yàn)橥ㄓ迷O(shè)備的造價(jià)成本十分低廉，所以通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)方式，可以讓運(yùn)營(yíng)商的投資成本得到大幅降低。

3.3 通過(guò)SDN和NFV進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)中的功能抽象

在分解了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的各個(gè)網(wǎng)元功能之后，還需要對(duì)其共性進(jìn)行科學(xué)提取，然后通過(guò)邏輯化的方式對(duì)其進(jìn)行抽象概括與封裝處理，對(duì)不同的子功能模塊進(jìn)行科學(xué)劃分，并實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊支架接口的標(biāo)準(zhǔn)化，這對(duì)于后續(xù)的功能重構(gòu)非常有利。相比較移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的原有功能而言，在分解之后，整體架構(gòu)中會(huì)具有更多的功能模塊，其協(xié)議與接口復(fù)雜度也可能會(huì)進(jìn)一步提升。但是通過(guò)組件化、軟件化以及私有化的功能模塊創(chuàng)建，則可以讓運(yùn)營(yíng)商相應(yīng)的業(yè)務(wù)部署更加靈活、便利。

基于此，運(yùn)營(yíng)商需要通過(guò)SDN與NFV進(jìn)行5G通信中的功能抽象。比如，在不同形式的接入系統(tǒng)中，其移動(dòng)性管理依然有很多的共同特征存在，如果通過(guò)SDN及NFV技術(shù)對(duì)這些具有共同特征的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備選擇、呼喚與跟蹤、合法偵聽(tīng)、切換管理等功能進(jìn)行重組，便可讓一個(gè)面向異構(gòu)接入系統(tǒng)的移動(dòng)性融合流管理功能得以實(shí)現(xiàn)。這對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的建設(shè)、應(yīng)用及其發(fā)展都將提供極大的便利。

3.4 通過(guò)SDN和NFV進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)

將SDN及NFV技術(shù)合理應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，對(duì)其開(kāi)放接口中的各個(gè)功能子模塊加以靈活組合，便可讓網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)功能、每一個(gè)組件都達(dá)到相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行效果。同時(shí)也可以5G網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的性能需求以及業(yè)務(wù)創(chuàng)新需求為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行快速地開(kāi)發(fā)與測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的靈活部署，以此來(lái)促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)新功能的實(shí)現(xiàn)，如故障隔離、故障自愈、彈性伸縮、自動(dòng)部署以及按需編排等。通過(guò)這樣的方式，可以讓5G網(wǎng)絡(luò)的功能重構(gòu)需求得以良好實(shí)現(xiàn)。

在通過(guò)SDN及NFV技術(shù)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能重構(gòu)的過(guò)程中，不應(yīng)該再使其被傳統(tǒng)的固定式、封閉式架構(gòu)所束縛，而是應(yīng)該將虛擬化技術(shù)作為基礎(chǔ)，對(duì)模塊化的功能組件與開(kāi)放性的API接口加以合理應(yīng)用，并以實(shí)際的業(yè)務(wù)需求作為依據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活組合。比如，可將某一類的業(yè)務(wù)、某一個(gè)用戶乃至于某一種業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)流需求作為依據(jù)，通過(guò)SDN及NFV技術(shù)為其提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源以及網(wǎng)絡(luò)功能[6]。在此過(guò)程中，也應(yīng)該設(shè)法減少5G網(wǎng)絡(luò)中的各種功能冗余情況，對(duì)于一些已經(jīng)達(dá)到了生命周期的網(wǎng)絡(luò)功能，應(yīng)及時(shí)將其從5G網(wǎng)絡(luò)中剔除。通過(guò)這樣的方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)功能重構(gòu)，從而充分滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需求，而且也能夠使其網(wǎng)絡(luò)資源得到最大化利用，從而節(jié)約現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)投資約。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和優(yōu)化升級(jí)的過(guò)程中，SDN及NFV技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)都十分顯著。因此，相關(guān)單位、研究者和技術(shù)人員應(yīng)高度注重SDN與NFV技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)際建設(shè)、應(yīng)用及發(fā)展需求，對(duì)SDN及NFV技術(shù)加以合理應(yīng)用，包括以SDN和NFV為基礎(chǔ)進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建、通過(guò)SDN和NFV進(jìn)行5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元功能分解、進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)中的功能抽象、進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)等。充分發(fā)揮SDN與NFV技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的良好應(yīng)用與發(fā)展。■