基于SDN/NFV的演进移动核心网研究

夏 旭，毛聪杰，史 凡，孙震强，王 波

（1.中国电信股份有限公司北京研究院 北京100035；2.中国电信集团公司 北京100032）

1 引言

近年来，软件定义网络和虚拟化（SDN/NFV）在全球范围内是一个备受关注的网络技术热点，是继TCP/IP 协议后网络技术的又一个重大创新。不管是从互联网到电信业，还是从学术界到产业界，人们都在关注这项新技术会给信息通信网络产业带来哪些影响。

随着移动互联网和网络带宽的迅速发展，在新的应用和协议接连不断出现的情况下，为实现新应用和协议的控制与管理，网络需要具有灵活部署、快速升级等新的功能，同时需要以较低的成本来满足网络容量迅速增长的需求；短信和话音等传统业务的盈利在运营商整体盈利中的占比逐渐降低，需要开发网络新的功能，使得运营商在移动互联网浪潮中的发展更加有竞争力；运用软件定义网络和虚拟化技术，给移动核心网带来更大的弹性和绿色。为满足上述诉求，具体的实现方式体现在以下几个方面。

①控制面网元网络功能虚拟化，集中、云化部署；

②用户面网元控制转发分离，转发功能根据业务需求部署；

③引入资源管理与编排功能，实现资源管理和网络/业务编排；

④网关增强功能从网关中剥离，以业务链形式云化部署；

⑤面向应用需求，向上提供开放的网络能力调用接口。

2 移动运营商的实际诉求

为顺应多网络融合的需求及趋势、支持多种无线网络接入能力，同时有效地降低运营商的CAPEX值和OPEX值，提出移动运营商对于移动软件网络设计的总体要求。

（1）网络功能可以灵活升级

网络功能可实现软件化、组件化，网络功能之间具有相对的独立性，且网络功能与硬件平台松耦合。功能改进及新功能的引入对硬件平台的依赖性小，且具有较高的网络改造效率。

（2）可实现网络增值

在保障用户可靠的移动数据连接的同时，通过提供差异化的数据连接质量以及对流量数据进行加工处理，可以实现新的网络增值业务。

（3）较低的网络结构和处理复杂度

为避免功能冗余、重复处理、流量迂回和流量的多次汇聚，需要简化IP 数据分组的封装，提高数据处理的并行度，实现高效的转发和路由。

（4）具有良好的可扩展性

网络架构设计要合理，要尽可能地减少瓶颈点。网络容量可随资源的增加呈线性增加。不需要改变网络拓扑，就可以通过增加计算、存储、网络连接等资源实现网络扩容。

（5）具有较高的资源利用率

具有资源互补性或峰谷互补性的网络功能通过动态的平台共享，可以实现资源的节省和节能减排。网络硬件资源可根据业务需求，动态地进行分配和调整。采用高性能专用设备来实现相对基础且稳定的网络能力。

3 SDN/NFV 定义的移动核心网（EPC）

目前，多接入的移动网络架构如图1 所示。

基于SDN/NFV 重新构建移动核心控制网络，首先需要分析现行WLAN、2G/3G、LTE 以及未来5G 核心网的网络功能，整合抽象后再依据SDN/NFV的理念进行设计。基于SDN/NFV的移动核心控制网络可以融合多种无线接入制式，实现核心控制功能，并提供话音和数据业务，具体如图2 所示。

图2 右侧为新型的虚拟化移动分组核心网的示例，主要分为新型移动分组核心网SDN 控制器、NFV 数据中心和统一转发设备三大部分。

首先将移动核心网网元的控制与转发完全分离，剥离网元的控制功能，由控制面负责移动性管理和会话管理，转发面不再参与控制管理。新型移动核心网SDN 控制器控制统一转发设备，移动应用协议层以及移动应用功能层通过SDN 控制器构造控制逻辑，从而实现融合移动网络的基本应用，并能够支持多种接入方式。图2 所示的PS APP 即为软化后的MME、SGW-C、PGW-C、PCRF 等网元引入的新业务功能。新功能可作为SDN 控制器的应用来实现，建议它们与SDN 控制器之间的接口可参考ONF NBI 组的接口定义。使用虚拟化技术以实现标准的核心网网元功能（如PGW-C、SGW-C、PCRF、MME、HSS），网元间以及与传统网络互通时，仍然采用标准的3GPP 规范接口。

图1 多接入的移动网络架构

图2 基于SDN/NFV的移动核心网络

从2G/3G 分组域到4G/LTE 分组域，移动分组域的演进经历了控制面与用户面的分离。EPC 中MME 负责处理信令面功能，SGW 和PGW 负责处理用户面的数据转发。设备的通用性较差，使得研发、测试、入网和运维周期较长，可扩展性也不理想，且成本很难降低。传统网关的设置有如下几个方面。

①用户数据流处理集中在PDN 出口网关，网关设备功能繁杂，可扩展性差。

②网关类设备控制面与转发面高度耦合，不利于核心网平滑演进；转发面扩容需求频度高于控制面，紧耦合导致控制面和转发面同步扩容，设备更新周期短，导致复合成本增加。

③从eNodeB 到PGW，用户数据均以Overlay的方式进行传输，网络资源过度供给造成了网络资源的利用率较低；网络层数据转发很难识别用户和业务的特征，而仅能根据上层传递的QoS 进行转发，网络对数据流难以进行精细的控制。

④大量策略须手工配置，难以达到最优配置，因此需要不断地进行优化，既增加了出错概率，也增加了管理复杂度，OPEX值难以降低。

因此，需要进一步分离分组域网关中的控制功能与转发功能，通过标准接口控制通用转发设备的方式，实现移动分组域的移动性管理、计费、QoS 等功能，促使转发面功能演进及性能提升与移动分组域本身的功能演进去相关，在转发功能层面促进传送网、移动分组域及IP 承载网的融合和资源共享。按需在网络中使用通用的转发面，简化网络部署。

现有EPC 网络之外的业务组织方式是松散的，每提供一项新的业务就需要在网络外部增加相应的业务网元，这在无形中增加了新功能部署的难度和资源的浪费，维护复杂度也较高。虚拟化的数据中心以应用实例的方式组织网络资源。在虚拟机上实现业务网元功能不仅可以满足EPC 网络的业务需求，还可以按需分配为原则为EPC 网络提供高可用性、高扩展性的计算、存储资源。虚拟化技术将各种物理资源抽象为逻辑上的资源，隐藏了设备在物理上的各种限制，为在更细粒度上进行管理和应用提供了可能性。

采用NFV 技术实现控制功能与业务功能，可以将现有的不同类型的多种专用设备类型统一放置在数据中心中，使用通用设备来实现。此外，还可以进一步对控制网元功能进行分解，抽象出共同的原子功能模块，通过子功能模块的组合来实现现有的网元功能。由编排器Orchestrator 根据网络与业务需求，在数据中心中通过云管理系统CMS 按需进行资源的申请，使用NFV 技术生成相应的虚拟网络功能，并通过SDN 控制器完成网络功能转发链与业务链编排的实现。基于NFV 技术的云数据中心包括数据中心管理网元和NFV 计算资源池，在数据中心中引入SDN 技术可以使数据中心更加高效地运行，在实现数据传输路径优化以及负载均衡方面都具有较大的优势，从而使得数据交换也更加迅速。

统一转发设备是受控转发设备，如图2 所示的UGW，在新型移动核心网SDN 控制器集中控制下，可以灵活充当S-GW/PDN GW、SGSN/GGSN、WLAN AC 及BNG的转发面等多种设备。在实际部署中，可以按照需要将其部署在网络中的不同位置，简化网络部署。

基于SDN的网络建设中，云部署和资源管理是关键问题。本文建议在设计过程中使用开放协议，如OpenStack（Nova 和Neutron）。OpenStack 是一个云平台管理的自由软件和开放源代码项目，Nova 是其中最重要的一个组件，这个组件能够使用户将应用快速地部署在虚拟机上，并通过互联网访问虚拟磁盘镜像。该组件是一个基于Web的控制界面，在此界面下安装和部署虚拟机仅需要1 ～2 min。Neutron 是OpenStack的网络组件，在接口设备之间提供网络连接作为一种服务，这些接口设备主要依靠其他的OpenStack 服务（例如Nova）进行管理。

使用OpenStack 可以快速地构建一个全虚拟化的环境，这个环境可以是由多个相互连接的虚拟服务器组成，在处理冗余和解决规模化问题方面给用户带来了很大的方便。此外，灵活度是OpenStack的优势之一，用户可以根据自己的需要建立基础设施，轻松地增加集群规模。相比厂商的私有协议，OpenStack 在功能和成本上都具有明显的优势。

4 基于SDN/NFV 标准的进展

在SDN/NFV 标准国际组织发展部分，IETF 成立了IRS 等工作小组，致力于网络应用开放架构的研究，ITU SG13 成立了SDN 需求和架构研究工作小组，BBF、OIF、ETSI 等组织也相继宣布开展SDN的标 准 研 究 工 作。2009年12月，ONF 发 布OpenFlow 1.0 版，使得SDN 从学术研究层面推往产业化导向开发。截至目前，OpenFlow 从最先的1.0版、1.1 版、1.2 版，一路演进到目前的1.3 版、1.4 版。作为领先的移动标准组织，3GPP 在2014年2月结束的SA 全会上宣布2014年6月开展SDN 在3GPP SA1/SA2/SA3/SA5的标准化研究工作。作为3GPP的主要倡导者，中国电信从2013年11月就开始了SDN/NFV 在3GPP SA1 标准化上的立项工作，作为5G的关键技术，SDN/NFV 极有可能在3GPP R14 开启标准化研究工作。3GPP SA1 已完成“灵活的移动业务控制（Flexible Mobile Service Steering）”阶段1的需求甄别工作，阶段2的架构性工作也已在SA2 立项，并展开了初步讨论，预计在2015年7月之前完成。在国内标准组织部分，中国电信参与了CCSA TC5WG9《移动软网络需求及架构（SAME）研究》报告的撰写工作。SDN/NFV 国际/国内标准进展见表1。

通过对关键问题的研究及方案的分析，有如下建议供参考。

①参考3GPP、IETF、NFV、ETSI 等组织相关进展，对本报告中业务链的方案进行更全面的完善，并进行标准化。

②虚拟化技术在分组网中的应用方式及分组协议的优化设计，实现“虚拟化友好”的分组核心网。

表1 SDN/NFV 国际/国内标准进展

③网关的控制和转发分离后，功能的设计是关键。如何在控制和转发分离后避免其间产生高的信令，是设计的重点。

5 结束语

SDN/NFV 已经成为全球瞩目的网络技术热点，并逐渐从实验室走向产业化。本文主要探讨在可预见的一段时间内，SDN/NFV的应用部署给电信网或者移动互联网的基础架构带来的重大影响，持续研究如何发挥上述新型网络的优势，将移动运营商网络打造成可管可控的弹性和绿色网络。

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