5G虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方案與技術(shù)研究

摘 要：在移動(dòng)無(wú)線通信中5G具有低時(shí)延、高速率特性，在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)局域網(wǎng)的應(yīng)用非常廣泛，如何融合兩種不同系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)于當(dāng)下傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造和5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)都有重要作用。通過(guò)重點(diǎn)分析研究5G虛擬網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施方案和技術(shù)，對(duì)5G核心網(wǎng)UPF網(wǎng)元設(shè)備與5G終端（CPE）設(shè)備的虛擬化技術(shù)改造和升級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建一種橫跨5G系統(tǒng)的虛擬局域網(wǎng)方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能夠?qū)⑻幱诓煌赜虻?G終端納入不同的局域網(wǎng)中，包括5G終端設(shè)備及其子網(wǎng)中的所有接入設(shè)備，方便了合理化地管理末端網(wǎng)絡(luò)、自由構(gòu)建虛擬局域網(wǎng)。此外，也提高了5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)兼容特性，為不同類型的5G終端，比如手機(jī)、PC、工業(yè)網(wǎng)關(guān)等，提供一種扁平化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

關(guān)鍵詞：5G虛擬網(wǎng)絡(luò)；終端二層接入；UPF局域網(wǎng)分發(fā)；異系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)融合

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）13-0001-04

Research on Implementation Scheme and Technology of 5G Virtual Network

ZHENG Ziyong

（Comba Network Systems Co.， Ltd.， Guangzhou 510663， China）

Abstract： 5G has the characteristics of low latency and high speed in mobile wireless communication. The popularization and application of traditional local area networks in traditional industrial fields are very extensive. How to integrate the network structures of two different systems plays a crucial role in the upgrading and transformation of traditional industrial networks and the construction of 5G industrial internet. By focusing on the analysis and research of the implementation scheme and technology of 5G virtual networks， it transforms and upgrades the virtualization technology of UPF network element devices and 5G terminal （CPE） devices in the 5G core network， which enables to achieve the construction of a virtual local area network method and system that spans 5G systems. And it enables the integration of 5G terminals in different regions into different local area networks， including 5G terminal devices and all access devices in their subnets. It facilitates the rational management of the end network and the free construction of virtual local area networks. In addition， it also provides network compatibility features for 5G systems， providing a flat industrial internet access service for different types of 5G terminals， including mobile phones， PCs， industrial gateways， and so on.

Keywords： 5G virtual network; terminal layer 2 access; UPF local area network distribution; network convergence of heterogeneous system

0 引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的豐富，在傳統(tǒng)垂直行業(yè)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，通信設(shè)備在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)存在有線接入移動(dòng)受限，Wi-Fi無(wú)線覆蓋干擾嚴(yán)重、安全性差、移動(dòng)性不足等問(wèn)題，因此諸多客戶希望采用高速低時(shí)延的5G NR接入網(wǎng)絡(luò)；此外，傳統(tǒng)局域網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在工程應(yīng)用上，往往即需要5G的高速、低時(shí)延特性，也需要兼容現(xiàn)有局域網(wǎng)的特性，而兩者之間存在著不兼容的地方，局域網(wǎng)數(shù)據(jù)特性無(wú)法穿透5G網(wǎng)絡(luò)；比如，現(xiàn)有局域網(wǎng)中的ARP報(bào)文數(shù)據(jù)無(wú)法在5G網(wǎng)絡(luò)中傳輸，現(xiàn)有5G系統(tǒng)也僅支持基于IP地址的數(shù)據(jù)傳輸，包括5G終端與5G核心網(wǎng)特性都有局限性。

為了兼容傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)特性，比如普及率很高的局域網(wǎng)，融合了5G核心網(wǎng)絡(luò)、5G終端的優(yōu)化與技術(shù)升級(jí)，構(gòu)建了一種橫跨5G系統(tǒng)的虛擬局域網(wǎng)方法及系統(tǒng)，將5G終端及其下屬子網(wǎng)的所有二層數(shù)據(jù)進(jìn)行特定封裝，進(jìn)而再在5G系統(tǒng)中平滑傳輸，形成高速低時(shí)延兼具傳統(tǒng)局域網(wǎng)特性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，其能夠?qū)⒉煌?G終端納入不同的虛擬化局域網(wǎng)絡(luò)，包括5G終端的下屬終端及其子網(wǎng)中的所有接入設(shè)備，方便了合理化地管理末端網(wǎng)絡(luò)，并且兼容了5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性，為局域網(wǎng)中不同類型的終端，包括手機(jī)、PC、工業(yè)網(wǎng)關(guān)等，提供5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支撐，達(dá)成了既有高速低時(shí)延特性，又能夠與傳統(tǒng)局域網(wǎng)平滑對(duì)接的工程實(shí)施目標(biāo)，極大地推進(jìn)的5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的落地推廣與通信技術(shù)革新。

1 5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題

在現(xiàn)有的工業(yè)環(huán)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)中運(yùn)營(yíng)的傳統(tǒng)局域網(wǎng)很難穿透5G移動(dòng)通信系統(tǒng)[1-3]，在網(wǎng)絡(luò)虛擬化方面存在很多不足，增加了網(wǎng)絡(luò)升級(jí)工程實(shí)施的難度，甚至造成無(wú)法升級(jí)的困境，主要問(wèn)題如下：

1）現(xiàn)有5G UPF未能直接對(duì)部分以太網(wǎng)/ IP報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到局域網(wǎng)，主要涉及ARP查詢、IP廣播請(qǐng)求、DHCP請(qǐng)求應(yīng)答等報(bào)文，僅僅執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的普通IP交互報(bào)文到核心設(shè)備。

2）現(xiàn)有5G UPF對(duì)以太網(wǎng)/IP會(huì)話的數(shù)據(jù)，并不進(jìn)行深度分析，也不感知虛擬局域網(wǎng)（VLan）的二層數(shù)據(jù)，進(jìn)而不存在相應(yīng)的分發(fā)與對(duì)接，致使傳統(tǒng)局域網(wǎng)不能夠平滑兼容5G。

3）現(xiàn)有5G終端無(wú)法支撐終端下屬子網(wǎng)用戶的局域網(wǎng)組網(wǎng)，更無(wú)法與異地終端跨界組網(wǎng)，與傳統(tǒng)局域網(wǎng)的兼容性不足，也僅僅轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的普通IP交互報(bào)文。

根據(jù)當(dāng)下5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)局域網(wǎng)面臨的整合困難[4-6]，實(shí)施方案重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了在5G終端及其下屬子網(wǎng)的所有接入設(shè)備、5G核心網(wǎng)UPF設(shè)備聚合與分發(fā)對(duì)接的有機(jī)結(jié)合，使得傳統(tǒng)局域網(wǎng)及設(shè)備可直接通過(guò)5G系統(tǒng)平滑組合拓?fù)洌瑯O大提高系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性，提升定制需求客戶的接入體驗(yàn)，即低時(shí)延高通、又平滑兼容傳統(tǒng)局域網(wǎng)。經(jīng)過(guò)深度整合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了5G虛擬網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐，為客戶提供了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)局域網(wǎng)的共融，支撐高層直通、快捷類型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。其應(yīng)用技術(shù)實(shí)施包括5G終端VLAN/EtherIP管理、5G終端二層封裝、UPF VLAN聚合分發(fā)，形成了特有的虛擬局域網(wǎng)的拓?fù)淙诤闲问剑瑯?gòu)成了5G虛擬網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)部件。

2 5G虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)施

2.1 5G虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概要

基于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)常用的部署框架[7-9]，實(shí)施方案旨在5G終端與UPF進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造，圖1描述了技術(shù)升級(jí)后的5G虛擬網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備節(jié)點(diǎn)的報(bào)文結(jié)構(gòu)，包括部分設(shè)備專用名與技術(shù)點(diǎn)命名：

1）NG（Next Generation）為下一代（網(wǎng)絡(luò)），即5G。

2）NG-eNB（Next Generation eNB）與NG-gNB指5G基站。

3）CPE（Customer Premise）為5G無(wú)線終端接入設(shè)備。

4）UPF（User Port Function）為用戶端口功能單元，即5G核心網(wǎng)網(wǎng)元。

5）VLAN（Virtual Local Area Network），為虛擬局域網(wǎng)。

圖1描述了數(shù)據(jù)流從右至左，以太網(wǎng)報(bào)文（數(shù)據(jù)包）從筆記本，經(jīng)Wi-Fi（或網(wǎng)線）到CPE（或手機(jī)），再在CPE（或手機(jī)）對(duì)以太網(wǎng)報(bào)文增加VLan頭、Ether IP頭、UE IP頭，在送入5G系統(tǒng)（5G基站與5G核心網(wǎng)），最后經(jīng)過(guò)5G系統(tǒng)后報(bào)文被分發(fā)至虛擬局域網(wǎng)中，至此單向數(shù)據(jù)流走完了全程。

5G虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方法側(cè)重于數(shù)據(jù)面，報(bào)文從UE（手機(jī)或CPE）及其發(fā)射Wi-Fi熱點(diǎn)（或有線網(wǎng)絡(luò)）下的所有接入終端，流向5G基站、UPF（5G核心網(wǎng)網(wǎng)元）、虛擬局域網(wǎng)；反方向的報(bào)文從虛擬局域網(wǎng)，流向UPF（5G核心網(wǎng)網(wǎng)元）、5G基站、UE（手機(jī)或CPE）及其發(fā)射Wi-Fi熱點(diǎn)（或有線網(wǎng)絡(luò)）下的接入終端，整體上實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的閉環(huán)數(shù)據(jù)流向與網(wǎng)絡(luò)連通性服務(wù)的技術(shù)支撐。

圖2描述的5G虛擬網(wǎng)絡(luò)中5G終端的升級(jí)改造架構(gòu)，左側(cè)是5G終端（UE），通過(guò)其有線或無(wú)線連接的局域網(wǎng)，將下屬筆記本等設(shè)備的數(shù)據(jù)傳至5G CPE或手機(jī)，均為UE（User Equipment），即用戶終端的一種。UE收到下屬設(shè)備的以太網(wǎng)報(bào)文（包含IP/ARP包等以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文），經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理與轉(zhuǎn)發(fā)，處理主要裝卸Vlan頭、EtherIP頭、UE IP頭；轉(zhuǎn)發(fā)即為，UE通過(guò)無(wú)線接入承載E-RAB（Evolved Radio Access Bearer）將報(bào)文傳輸至5G基站、再到5G核心網(wǎng)UPF，最后匯聚分發(fā)到不同的虛擬局域網(wǎng)中，通過(guò)不同的VLan ID，從而實(shí)現(xiàn)了5G虛擬網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施部署。

5G虛擬網(wǎng)絡(luò)的方案與技術(shù)依托用戶終端與核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF，在下游將用戶終端的下屬不同網(wǎng)絡(luò)下設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過(guò)不同的Vlan信息將其以太網(wǎng)報(bào)文進(jìn)行封裝傳輸，直至傳輸?shù)缴嫌蜺PF中，再經(jīng)過(guò)UPF的數(shù)據(jù)報(bào)文解析，將不同的Vlan網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)報(bào)文對(duì)接相對(duì)應(yīng)的局域網(wǎng)。至此，成功穿透了整個(gè)5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，將上游服務(wù)局域網(wǎng)與下游客戶設(shè)備直接進(jìn)行融合，形成了多樣化的5G虛擬網(wǎng)絡(luò)，具備低時(shí)延、高速率、局域網(wǎng)平滑接入的特性[10]。

2.2 5G終端的優(yōu)化處理流程

終端處理的目的在于針對(duì)虛擬局域網(wǎng)實(shí)施方案與技術(shù)，提供一種配套終端處理方法及流程，用于實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)的以太網(wǎng)頭部構(gòu)建與分發(fā)，即圖3、圖4所描述的上/下行處理內(nèi)容，包括以下步驟。

2.2.1 上行環(huán)節(jié)的處理步驟

步驟101，監(jiān)控LAN網(wǎng)絡(luò)（下屬子網(wǎng)）中的上行以太網(wǎng)報(bào)文，包括普通IP業(yè)務(wù)，ARP請(qǐng)求應(yīng)答，DHCP請(qǐng)求應(yīng)答等報(bào)文，對(duì)其進(jìn)行上行的封裝前篩選，即將傳統(tǒng)以太網(wǎng)的二層數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)納入。

步驟102，嵌入封裝VLAN頭部，對(duì)篩選的二層報(bào)文打上VLAN標(biāo)簽及頭部，根據(jù)VLAN協(xié)議，使得其在末端分發(fā)時(shí)刻，精準(zhǔn)對(duì)接不同的虛擬局域網(wǎng)。

步驟103，封裝終端IP頭部/EtherIP頭，其中Protocol：Ether in IP（97），源IP為：5G核心網(wǎng)分配的UE IP，例如UE IP 4.3.0.12，目標(biāo)IP 4.0.0.254，5G核心網(wǎng)UPF會(huì)將其拆解后再分發(fā)至局域網(wǎng)。

步驟104，將終端IP報(bào)文通過(guò)5G模組發(fā)至5G基站，至此上行報(bào)文正式進(jìn)入5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 下行環(huán)節(jié)的處理步驟

步驟201，接收5G模組的下行終端IP報(bào)文，其目標(biāo)IP為UE IP，例如：目標(biāo)IP 4.3.0.12，源IP 4.0.0.254，至此下行報(bào)文脫離了5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入5G終端及其下屬子網(wǎng)。

步驟202，剔除終端IP頭部/EtherIP頭，記錄IP Protocol（97）值，剔除后即可見(jiàn)，以太網(wǎng)報(bào)文攜帶著VLan標(biāo)簽及頭部，屬于傳統(tǒng)虛擬局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)。

步驟203，將IP Protocol：97的報(bào)文，繼續(xù)剔除VLAN頭部，呈現(xiàn)出的是傳統(tǒng)局域網(wǎng)二層報(bào)文（不含VLAN）的數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)，從而報(bào)文能夠進(jìn)入傳統(tǒng)局域網(wǎng)。

步驟204，將下行以太網(wǎng)報(bào)文發(fā)往LAN網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)二層網(wǎng)橋自由連通下屬子網(wǎng)的所有接入設(shè)備。

其中，5G終端（手機(jī)或CPE）負(fù)責(zé)將來(lái)自下游子網(wǎng)所有接入設(shè)備的以太網(wǎng)報(bào)文進(jìn)行VLAN頭、終端IP頭、EtherIP頭封裝，再對(duì)接5G系統(tǒng)分發(fā)傳輸，形成了以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸模型，能夠?qū)?G終端及其子網(wǎng)接入設(shè)備的二層信息透?jìng)髦?G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，并穿透5G系統(tǒng)形成以太網(wǎng)的深度延伸，從而構(gòu)建了云端5G虛擬網(wǎng)絡(luò)、5G智能云等商用服務(wù)體系的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施基礎(chǔ)。

2.3 5G UPF的優(yōu)化處理流程

UPF處理的目的在于針對(duì)5G虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方案與技術(shù)，提供一種配套UPF處理方法及流程，用于實(shí)現(xiàn)5G虛擬網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)絡(luò)側(cè)的VLAN頭部構(gòu)建與分發(fā)，即圖5、圖6所描述的上/下行處理內(nèi)容，包括以下步驟。

2.3.1 上行環(huán)節(jié)的處理步驟

步驟301，監(jiān)控UPF N6口的上行終端IP報(bào)文，此處的數(shù)據(jù)報(bào)文來(lái)自5G終端，與其對(duì)等。

步驟302，判斷IP頭的協(xié)議字段是否為< Protocol：Ether in IP（97）>，如果符合判斷，即進(jìn)行步驟303的處理，如果不符合判斷，則進(jìn)行步驟304的處理。

步驟303，剔除終端IP頭/ EtherIP頭，記錄UE IP/MAC地址/VLAN ID/GTP對(duì)應(yīng)信息，通過(guò)上行特征信息的記錄，能夠行之有效地按照記錄信息，執(zhí)行下行的逆向報(bào)文處理流程。

步驟304，將報(bào)文發(fā)往外部虛擬局域網(wǎng)，此處報(bào)文為攜帶著VLAN標(biāo)簽及頭部的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文，其已經(jīng)滿足傳統(tǒng)虛擬局域網(wǎng)的報(bào)文結(jié)構(gòu)，符合轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)接要求，將不同VLAN的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)虛擬局域網(wǎng)。

2.3.2 下行環(huán)節(jié)的處理步驟

步驟401，N6接口接收外部網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)報(bào)文，外部網(wǎng)絡(luò)為虛擬局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中充斥著帶有VLAN標(biāo)簽及頭部的以太網(wǎng)報(bào)文。

步驟402，根據(jù)VLAN ID/目標(biāo)MAC地址，檢索記錄的UE IP/GTP信息，相同VLAN屬于同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)，結(jié)合目標(biāo)MAC地址的二層通信原理，即可鎖定UE 5G承載的所需的封裝信息。

步驟403，是否成功檢索到記錄，如果成功檢索歷史記錄，即進(jìn)行步驟405的處理，否則進(jìn)行步驟404的處理，此處決定進(jìn)入5G系統(tǒng)的下行報(bào)文封裝形式，或傳統(tǒng)5G封裝、或5G虛擬網(wǎng)絡(luò)封裝。

步驟404，根據(jù)目標(biāo)IP封裝GTP頭，目標(biāo)IP為UE的IP地址，將IP報(bào)文進(jìn)行封裝，再進(jìn)行步驟406的處理，此為傳統(tǒng)的5G封裝方式，即目標(biāo)IP地址為某在線5G終端IP地址，不再攜帶以太網(wǎng)頭。

步驟405，封裝EtherIP頭/終端IP頭/GTP頭，將以太網(wǎng)報(bào)文進(jìn)行封裝，此為5G虛擬網(wǎng)絡(luò)的封裝方式，其訪問(wèn)IP地址直接為5G終端下屬子網(wǎng)的接入設(shè)備，屬于穿透5G的二層通信。

步驟406，將封裝后報(bào)文發(fā)往5G基站，經(jīng)過(guò)5G基站即可達(dá)到5G終端，進(jìn)而進(jìn)入終端下屬子網(wǎng)。

其中，UPF針對(duì)來(lái)自下游基站下CPE終端的VLAN和以太網(wǎng)報(bào)文，進(jìn)行識(shí)別、記錄、剝離、分發(fā)等處理，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)適配與融合的相關(guān)處理，在銜接工業(yè)環(huán)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、公有云、私有云等具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)，起到至關(guān)重要的作用；至此，來(lái)自終端CPE下屬子網(wǎng)接入設(shè)備的虛擬以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，合理地適配到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)了5G虛擬網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)施，將不同終端下的設(shè)備編織到不同的網(wǎng)絡(luò)中，不限物理距離。

3 結(jié) 論

基于傳統(tǒng)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合UPF、終端的兩者綜合深度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了端到端穿透5G的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，為末端客戶提供更為扁平化的網(wǎng)絡(luò)覆蓋形式，充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，并兼容傳統(tǒng)局域網(wǎng)；共同完成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的共融，為工業(yè)環(huán)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等客戶的快速升級(jí)改造，提供了一條全新的方案，且實(shí)際體驗(yàn)效果顯著，具有很高的商業(yè)價(jià)值，能夠極大推進(jìn)工業(yè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與實(shí)施。

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作者簡(jiǎn)介：鄭自永（1986.09—），男，漢族，河南商丘人，主任協(xié)議軟件工程師，中級(jí)電子技術(shù)工程師，碩士研究生，研究方向：無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)軟件、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。