软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）在5G 中的应用

钟 旻

1 SDN 在5G 网络中的应用

1.1 SDN 的基本概念和原理

图1是一个简单的通信网络示意图。为了实现用户之间的互联通，需要有中间（交换）节点和连接链路。这些节点的主要功就是转发，它们可以是路由器，网关，交换机或子网等。

图1 简单的通信网络示意图

在互联网的OSI 分层中，网络层处于第3层，其主要功能有：

（1）传输路径确定：网络层必需确定信息数据包（分组）从发送用户到接收用户所流经的路径，即路由的选择。

（2）交换：以路由器作为交换节点为例，当某一数据分组到达一路由器的入口时，路由器必需将它送到适当的输出端口和链路，也即将来自某一链路的数据包交换输出到另一链路去，最终转发到目的地。

（3）建立呼叫：一般，在数据实际发送之前，发方与收方之间应先“握手”，以建立所需状态信息（如序列号和初始流控制窗口的大小等）。

交换节点设备的组成包括硬件与软件，仍以路由器为例，它包含一中央处理器（CPU），是路由器的核心；此外，还有多种内存，用作存储配置，路由器操作系统，路由协议软件等内容。

路由协议的核心是路由算法，用来确定所转发分组的传送路径。对于给定的一组路由器，通过路由算法找到一条从源到目的地“好”的路径，“好路径”普遍公认的一条标准，是“成本最低”。当所有链路成本相同时，最低成本的路径也就是最短路径，即源与目的地之间的链路数最少。当然，考虑到网络运行的动态变化，以及数据流转发的优先等级等，还有其他一些路由准则和算法。

一旦路由确定之后，便要指令数据（包）沿指定的路径传送，因此需要有一套控制功能。于是在网络层中形成了控制与数据平面。通常，控制平面与数据平面是捆绑在一起的。对于规模很大、种类繁多的复杂网络而言，会给制造商、运营商或来诸多挑战，如为了扩展和增加新的业务，必需补充新的硬件和软件，这就要增加资金和时间的投入。为有效应对诸如此类的挑战，软件定义网络（SDN，Software Defined Networking）便应运而生。

按照ONF（Open Networking Foundstion）的定义，SDN 是动态的、可管理的、高性价比的和适用性强的技术，这里，控制与数据转发和基本的基础设施分离（去耦），对于网络业务和应用是直接可编程的。SDN 的基本架构概念如图2所示[1]。

图2 SDN的基本架构概念

图2中，管理平面包含功能，如路由、业务工程，利用该平面功能和应用程序接口（API）来管理和控制基础设施；控制平面是控制数据的平面，逻辑上集中在控制器内；数据平面是由互联的转发设备组成的网络基础设施，转发设备是用于数据转发的硬件或软件；北边接口是由控制平面开发网络控制和管理应用提供的应用接口；南边接口是（对数据平面程序的指令集）+（控制与数据平面之间的协议）。据报导，Open Flow 是较早推出的一种用于南边接口的软件工具。

图3给出了SDN 与传统（常规）网络基本组成的比较[2]。

图3 传统网络与SDN网络基本组成的比较

由图3可见，传统网络是基于硬件构成的，不同网络种类的交换节点的硬件配备不同的支持软件，这样，就限制了运作的通用性。在SDN 中，用软件来调度和管理网络，其核心是控制平面与数据平面分离（去耦），将复杂的控制逻辑功能集中到控制平面。

进一步比较SDN 与传统网络之间的差别如表1所示[2]。

表1 SDN与传统网络之间的差别

为了进一步理解SDN 的运作原理，以图4为例说明如下[3]。

图4 SDN运作应用举例

在图4中，SDN 控制器控制三个不同的OpenFlow 交换机的运作，连接到交换机#2的是两个信息发生器。发生器A 产生“产品级”信息（如规则的业务），其目的地是用户A；而发生器B则用于测试一个新的协议，开发该协议是用以评估某网络产品的性能。控制器通过此途径检测由发生器B 产生的业务协议。图中的数字表示交换机端口的号码。本例中，当业务从发生器B 到达交换机#2时，控制器利用OpenFlow 协议与之握手。控制器通过预构的网络拓扑知识，能够确定该种业务的目的地是用户B 而非用户A，于是产生一组OpenFlow指令给交换机#2和#3。对于前者，控制器通过软件加一虚拟标志给由发生器B 产生的所有分组。对于后者，控制器构造交换机#3，控制器指令具有上述标志的所有分组到达端口12转到端口8，最后转发给用户B。这样，不同的联网机构（即路由，转发，接入控制）是网中的控制器可构造的，它支持动态网络拓扑再调整和重构。此外，基础设施演进成为一简化的进程；因为网络无需人工重构，同时也去掉了复杂的支持硬件的程序，这样，基础设施很容易利用统一的抽象演进，还可用到新的由云计算、物联网等联网的组网环境。

在图3和图4中，“流”是指信源与目的地之间的分组序列；“流表”则是将保存在交换机和按规则处理流分组（包）转发的列表。

归纳起来，SDN 具有以下功能：

（1）可编程。因为控制平面与数据平面去耦（分离），根据用户要求，网络的管理运营商可通过控制平面，利用不同的软件开发工具进行编程。

（2）集中管理。在SDN 中，控制器网络逻辑上是集中式的，这就提供了网络球形的、完整的视野，以逻辑设备形式呈现给应用商或用户。

（3）灵活性。网络运营商可以管理、构造新的网络，提供安全保密保障，通过动态的自动的SDN 程序，迅速优化网络参数，对业务变化作出合适的反应。控制器是利用软件运作的，可在不同的物理或虚拟主机上通过操作系统实现同步。

（4）基于开放标准和中性供应商。采用开放标准，SDN 简化了网络设计和操作，因为指令是由SDN 控制器提供的，它取代了多个供应商专有的协议。

1.2 SDN 在5G 网络中的应用

SDN 最初应用于有线网络，随着移动通信的发展，网络日趋繁多复杂，特别进入到5G 时代，超密集网络、低时延、高可靠传输的要求，以硬件为基础的原有网络架构已不能适应。如宏蜂窝区引入微小、微微小等小区后，基站数量将大为增加，众多的节点交换，需要繁杂的信令和协议支持，信息传输时延增加，因此，需要改变以往的网络架构设计理念，采用SDN 势在必行。5G 网络的SDN 架构如图5所示[2]。

图5 5G网络中SDN的架构

（1）基础设施层：主要包括转发元素（如物理和虚拟交换机，路由器，无线接入点）组成的数据平面，用于（1）收集网络状态，将其临时储存到局域网设备，之后将所储存数据发送到网络控制器；（2）基于网络控制器或管理者提供的规则管理数据包（分组），进而完成分组交换和通过开放接口发送。

（2）控制层：即前面所述的控制平面，提供应用层与基础设施层之间的三个开放接口，使控制器与其他层交互，即南边应用程序接口与基础设施层交互，北边应用程序接口与应用层交互，东/西应用程序接口与控制器群交互。其功能包括报告网络状态、重要的分组规则，和以各种形式提供各种服务接入点。

（3）应用层：包含所有用户要求，末端用户商业应用，这些应用包括网络管理，动态接入控制，安全保密，移动性和迁移，云计算和负载平衡等，通过控制平面到数据层的接口，能控制和接入交换设备。

关于网络管理，据报导，有多于60%的网络故障发生，是由于人工的构造差错和失败所致，解决此问题的途径是管理系统的自动化和综合化，通过SDN 可提供一种球形的全网抽象视图，使网络管理更为灵活和自动化。网络基于流表和流规则的集中式控制进行管理，通过接口分配网络的吞吐量，保证更为灵活和颗粒化管理。

关于网络安全性，在传统的网络中，防火墙或代理服用于保护物理网络；SDN 则采用一种集中式架构，来应对网络安全性问题。在SDN 中，可监视通过整个网络的流和用户行为，进行检测并防止受到损害。一旦检测到攻击，SDN 控制器能在交换机设备中安装分组转发规则，来成功防止对网络的攻击；对于高网络业务，因流表检测可能欠充分，需增加一种实时的安全系统。

关于负载平衡，用于在线资源管理的一种重要技术，是控制来自不同应用的数据流，以保持链路利用处于较低的水平上。而选择一条适当的链路，对于提升服务能力，增加吞吐量，避免网络过载，成本最低，降低响应时间等，是非常重要的，已有一种基于OpenFlow 的负载平衡解决方案，对交换机进行综合，无须使用孤立的设备，来进行网络管理。

2 NFV 在5G 中的应用

2.1 NFV 的基本概念和原理[3]

网络功能虚拟化（NFV，Network Function Virtualization），是通过软件实现虚拟化的网络功能。其目标是将网络功能中用专用硬件实现与软件实现分离，从而降低成本和功耗。

在NFV 中，网络提供存储、处理和服务，即所谓的“网络即服务”（NaaS），这意味着此虚拟化技术能用软件独立于基本服务器硬件之外运作，实现网络功能。其基本概念和原理可用图6来说明。

图6 NFV的分层

在图6中，网络运管商向某用户提供虚拟功能（如应用服务器），为此，运管商运用其物理资源层中基本组网、处理和存储等资源来构造、生成；这些资源作为原始的计算和组网元素聚合出现。利用预留接口，通过虚拟的执行环境，可申请到这些资源并保存到硬件中，通过该层可构成由运管商提供的更多的与硬件相关的功能。在逻辑上聚合成一个或若干个虚拟机和虚拟网络（用以为虚拟机提供必要的连接，考虑不同的路由和商业政策），形成虚拟基底层。再通过虚拟化接口，配置不同的虚拟化功能，该层称之为网络虚拟化功能层。

SDN 与NFV 是相互独立但可以是互补的，SDN 提供转发（信息流）的灵活性，NFV 则提供处理（网络功能）的灵活性，二者结合，对网络的开拓、更新将提供有力的支持。图7给出了SDN与NFV 在5G 网络中的应用[4]。

图7 NFV和SDN在5G中应用

图7中，网络切片是按不同的服务需求将物理网络划分为若干虚拟（逻辑）网络，以灵活应对不同的网络应用场合，例如增强移动宽带（eMBB）切片、大量机器型通信（mMTC）切片、超可靠低时延通信（uMTC）切片等（图8），这样，同一物理网络，可提供多种服务[5]。API 为应用程序接口，用以将各层有机连接。无线接入网的RAN VNF 为无线接入网虚拟功能，即网络功能的软件实现，可用虚拟化基础设施配置；而RAN PNF 则提供无线接入网的物理网络功能，由物理基础设施（包括计算，组网和存储）实施，用于管理和执行VNF 的硬件和软件。

图8 5G中三种场景的网络切片

3 结束语

引入SDN 和NFV 是5G 网络架构的重大革新，SDN 将数据平面与控制平面分离，使网络控制成为直接可编程、具有开放、灵活的特点，简化了网络设计和操作；网络运营商可动态地构造、管理和优化网络资源，适应5G 新应用和发展的需要。NFV 通过软件实现虚拟化的网络功能，将路由器、交换机等硬件集中到远处或云中，使网络架构对于快速和自适应重构是高度灵活的。将SDN 与NFV 结合，将使网络更为灵活和简化。