1 引言

5G（5th Generation，第五代移動通信系統(tǒng)）是一個端到端的生態(tài)通信系統(tǒng)，它將實現(xiàn)一個全連接和全移動的社會?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是剛性固化的，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)往往更加關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的底層傳送能力而忽略了網(wǎng)絡(luò)的能力向上層應(yīng)用和業(yè)務(wù)開放，因此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)缺少流程化的能力開放接口，業(yè)務(wù)很難靈活地調(diào)用網(wǎng)絡(luò)能力，這就導(dǎo)致承載網(wǎng)不能承載一些互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，而必須采用應(yīng)用層專用的協(xié)議進行糾錯、應(yīng)用加速和流量均衡等優(yōu)化設(shè)計。

此外，現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)更多地關(guān)注和加強技術(shù)從而局限在接入網(wǎng)及核心網(wǎng)上，而5G將會改變以往通信網(wǎng)絡(luò)格局，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的軟件和硬件的分離。5G架構(gòu)的重構(gòu)通過引入了NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)），將淘汰傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜度非常高的“煙囪”架構(gòu)，以充分展示基于SDN/NFV技術(shù)的創(chuàng)新型基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境在靈活組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)安全方面的潛力。為此，本文接下來將詳細闡述了面向5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的沿革與SDN/NFV的引入，并探討5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重構(gòu)及面臨的挑戰(zhàn)。

2 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及SDN/NFV的引入

2.1 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的演進方向

首先，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)將把網(wǎng)絡(luò)運營從分散型向集約型演進，由于歷史原因，傳統(tǒng)電信運營商一般沿襲了自上而下的網(wǎng)絡(luò)組織和運行方式，各個省市的網(wǎng)絡(luò)運營商均獨立建設(shè)和運營基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，因此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率低下、端到端業(yè)務(wù)體驗較差。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)用戶對網(wǎng)絡(luò)的運營模式提出了更高的要求，因此網(wǎng)絡(luò)必須具有“統(tǒng)一集約規(guī)劃”、“統(tǒng)一集約建設(shè)”和“統(tǒng)一集約管控”三大特征。

其次，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更多關(guān)注網(wǎng)絡(luò)底層的傳送能力，而對于承載網(wǎng)絡(luò)能力向上層應(yīng)用和新業(yè)務(wù)的創(chuàng)新開發(fā)并無過多的考慮，因此缺乏標準化的業(yè)務(wù)開放接口，業(yè)務(wù)調(diào)度不靈活。未來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須要達到網(wǎng)絡(luò)能力接口標準化及開放的要求。

再次，在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程里，基于云計算來提供業(yè)務(wù)已成為大勢所趨，但是目前云和網(wǎng)之間缺乏靈活的握手互動機制，通常計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源多是彼此之間獨立靜態(tài)配置，無法統(tǒng)一按需提供。未來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須向業(yè)務(wù)、IT和網(wǎng)絡(luò)云化以及基于DC（Data Center，數(shù)據(jù)中心）集中部署并以DC為網(wǎng)絡(luò)核心的云網(wǎng)融合轉(zhuǎn)變。

最后，網(wǎng)絡(luò)要走向運營開發(fā)一體化，在現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)運營模式下，廠家與運營商之間都是簡單的售賣方式，主要由“供給”決定“需求”，未來的網(wǎng)絡(luò)需要達到用戶對網(wǎng)絡(luò)的定制化要求，通過分離網(wǎng)絡(luò)的軟件與硬件，引入IT設(shè)備等多種手段達到由簡單的售賣到創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的目的。

2.2 SDN/NFV技術(shù)的引入

隨著通信技術(shù)的變革和發(fā)展，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)在高速發(fā)展的高速率時代，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重構(gòu)將減少網(wǎng)絡(luò)的層級、轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點，同時也會將網(wǎng)絡(luò)軟化，網(wǎng)絡(luò)流量收斂比減少，基于SDN/NFV的新架構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的要方式，它以網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)絡(luò)軟硬件雙解耦為基本特征，全局性、革命性的架構(gòu)重構(gòu)。

從SDN和NFV的定義出發(fā)，一套整體的SDN解決方案包括數(shù)據(jù)層、控制層和應(yīng)用層。控制器運用南向接口對設(shè)備進行控制，運用北向接口支持應(yīng)用開發(fā)，為業(yè)務(wù)提供服務(wù)。

（1）數(shù)據(jù)層

在數(shù)據(jù)層平面，首先離不開物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。其次，網(wǎng)絡(luò)虛擬化是SDN的重要特性，主機Overlay方案（Host Tunnels）適合全虛擬化環(huán)境，消除基于硬件的網(wǎng)絡(luò)限制；網(wǎng)絡(luò)Overlay方案（Fabric tunnels）支持物理資源池，滿足轉(zhuǎn)發(fā)的高性能需求；如果是物理和虛擬并存的環(huán)境，適合混合Overlay方案。不同的IT環(huán)境選用適合的虛擬網(wǎng)絡(luò)方案。

（2）控制層

在控制層平面，運用發(fā)展控制器軟件或軟硬一體的控制器形態(tài)，包含開源控制器和商用控制器。統(tǒng)計指出，當前全世界供應(yīng)商提出的控制器案例已大于25個。開源方案和供應(yīng)商方案同步演進，依據(jù)客戶IT環(huán)境和需求，選擇最適當?shù)姆桨浮?/p>

（3）應(yīng)用層

在應(yīng)用層平面，包括4~7層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以及網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的管控和運行維護（M&O）功能?；赟DN結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層是重點，一方面，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用直接反映用戶及業(yè)務(wù)需求；另一方面，原有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、管理和維護方案都亟待換代升級，以滿足SDN架構(gòu)需求。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用生態(tài)的多樣性、創(chuàng)造性都將無限龐大。當前為數(shù)眾多的SDN廠家、安全廠商在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層部署。根據(jù)客戶需求場景，基于SDN技術(shù)的解決方案可歸結(jié)為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)安全，分別對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)生命周期中的網(wǎng)絡(luò)交付（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）、網(wǎng)絡(luò)運行維護（監(jiān)控和安全）。

（3）深度進化：SDN在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的各個層面彰顯價值

除了NFV，SDN開始影響到更深層的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)安全方案。SDN視角下的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和安全，也必須綜合引入虛擬化、開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、云計算等設(shè)計。比如，符合SDN時代的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品打破封閉和專用的設(shè)備形態(tài)，是基于SDN和x86架構(gòu)的可編程軟件。

（4）廣度進化：SDN在各種網(wǎng)絡(luò)情景和各類IT場景中進行全方位配置

按照網(wǎng)絡(luò)場景劃分，DCN、DCI、WAN、IPRAN等每個網(wǎng)絡(luò)場景的管理，都離不開網(wǎng)絡(luò)交付和網(wǎng)絡(luò)運維；按照IT環(huán)境劃分，物理、虛擬化、容器、云四大環(huán)境都離不開網(wǎng)絡(luò)的支撐。SDN需要為不同的網(wǎng)絡(luò)場景和IT環(huán)境提供相應(yīng)的SDN解決方案。在數(shù)據(jù)和閉環(huán)的基礎(chǔ)上，面對巨大的網(wǎng)絡(luò)市場，打造更加智能化的網(wǎng)絡(luò)才是SDN的發(fā)展目標。網(wǎng)絡(luò)自動運營、智能化或自助監(jiān)管的網(wǎng)絡(luò)，把網(wǎng)絡(luò)操作人員從繁瑣的日常管理工作中解脫出來。僅通過很少、甚至無需人工干預(yù)，就能夠進行網(wǎng)絡(luò)搭建、配置、監(jiān)控、安全保護以及運維等工作。讓人把關(guān)鍵時間用于理解業(yè)務(wù)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，致力于讓網(wǎng)絡(luò)更好地為業(yè)務(wù)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)智能化的關(guān)鍵在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺，在此基礎(chǔ)上連續(xù)進行大量數(shù)據(jù)的收集，并對數(shù)據(jù)進行解析，逐步形成網(wǎng)絡(luò)配置和安全防御的策略、執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)及安全策略，并持續(xù)收集反饋信息，這樣的過程再不斷地循環(huán)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自我學(xué)習(xí)、調(diào)整和保護。

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)水平化重構(gòu)

3.1 網(wǎng)絡(luò)演進的目標架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)的演進方向是基于面向新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)將會由垂直架構(gòu)向水平架構(gòu)演進，其網(wǎng)絡(luò)首先應(yīng)有簡潔的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)減少網(wǎng)絡(luò)層級（一二干融合），不大于30 ms的傳輸網(wǎng)時延；網(wǎng)絡(luò)的種類、網(wǎng)元的數(shù)量和局站數(shù)明顯減少。其次網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有敏捷性，網(wǎng)絡(luò)具備軟件編程、資源分鐘級快速配置擴展的能力。然后網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有開放性，它既能豐富便捷開放能力，又能主動適應(yīng)應(yīng)用。最后網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有很好的集約性，網(wǎng)絡(luò)能夠達到80%的網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，可以統(tǒng)一部署，全部業(yè)務(wù)平臺實現(xiàn)云化，業(yè)務(wù)可以全網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，可以滿足配置和端到端的運營。為實現(xiàn)上述目標，未來的網(wǎng)絡(luò)架的目標構(gòu)將由“基礎(chǔ)設(shè)施層”、“網(wǎng)絡(luò)功能層”和“協(xié)議編排層構(gòu)成”，其功能視圖如圖1所示：

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的功能性視圖

網(wǎng)絡(luò)將圍繞SDN/NFV，加快網(wǎng)絡(luò)資源集約控制，減少專業(yè)網(wǎng)元和系統(tǒng)，突破專業(yè)界限，通過協(xié)同和編排層實現(xiàn)跨網(wǎng)的資源調(diào)度，基于統(tǒng)一的云資源池承載網(wǎng)絡(luò)、IT和業(yè)務(wù)平臺，簡化端到端運營模式，其未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的專業(yè)網(wǎng)視圖如圖2所示：

圖2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的專業(yè)網(wǎng)視圖

3.2 水平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其開放性

隨著網(wǎng)絡(luò)功能及應(yīng)用的改變，未來的網(wǎng)絡(luò)將會由垂直架構(gòu)向水平架構(gòu)演進，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也會由垂直協(xié)議棧向水平協(xié)議棧演進。網(wǎng)絡(luò)的開放能力是水平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的要點，開放性的目標網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有統(tǒng)一標準、接口協(xié)議開放、多層面的API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）的能力，最終使網(wǎng)絡(luò)從全開放到半開放再到內(nèi)部應(yīng)用，以便滿足各種不同專業(yè)和應(yīng)用者，此外網(wǎng)絡(luò)還需具備支持較為復(fù)雜的異廠家環(huán)境應(yīng)用和運營，如圖3所示：

圖3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)水平化示意圖

開放性的網(wǎng)絡(luò)還需要開放SDN/NFV的開源代碼，SDN/NFV的開源代碼的開發(fā)和維護正成為整個產(chǎn)業(yè)鏈的共同任務(wù)，現(xiàn)在國外已有運營商開始介入研究，大型運營商介入開源碼將有利于促進整個生態(tài)鏈的和諧發(fā)展，有利于吸引更多的開發(fā)者加入，開發(fā)出更加符合使用者需要的代碼。與此同時開放SDN與開源碼也同樣存在著挑戰(zhàn)，開放SDN主要缺乏強大的技術(shù)支撐，開源碼存在安全性的隱患，由于開發(fā)者可以對代碼進行修改，安全性也不容忽視，很容易被攻擊，此外不再有為特定的設(shè)備制定規(guī)范和相應(yīng)的軟件，使其難以整合現(xiàn)有的實際環(huán)境，代碼的法定擁有者缺位，也就不能確保有專人負責對代碼的維護。

3.3 核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)水平化

從2G時代的65 kbit·s-1的移動速率到4G時代的1 Gbit·s-1，移動速率的爆發(fā)式增長給移動核心網(wǎng)帶來了很大壓力，移動核心網(wǎng)也在這種大的通信變革中不斷創(chuàng)新、不斷適應(yīng)及不斷演進。

到了4.5G面向5G時代的R14階段，3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）確定網(wǎng)絡(luò)將再次向分離式的核心網(wǎng)構(gòu)架演進，目的是讓網(wǎng)絡(luò)用戶面功能擺脫“中心化”的約束，使其既可靈活部署于核心網(wǎng)，也可部署于接入網(wǎng)（或接近接入網(wǎng)），這就是核心網(wǎng)用戶面下沉，同時也保留了控制面功能的中心化。這一次核心網(wǎng)的演進將用戶面和控制面徹底分開，是“全分離式”架構(gòu)，在“全分離式”構(gòu)架下，SGW（Serving Gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）和PGW（Packet Data Network Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）被分離為控制面和用戶面兩部分，如圖4所示，SGW分離為SGW-C（控制面）和SGW-U（用戶名），PGW分離為PGW-C和PGW-U，同樣，SGSN也被分離為控制面（SGSN-C）和用戶面（SGSN-U）。

圖4 “全分離式”水平構(gòu)架示意圖

（1）大數(shù)據(jù)容量

5G時代，高清視頻、VR/AR等應(yīng)用必然給網(wǎng)絡(luò)帶來超大數(shù)據(jù)流量，這不但給回傳帶來沉重負擔，而且對核心網(wǎng)集中處理能力也是挑戰(zhàn)，只能核心網(wǎng)用戶面下沉，從集中式向分布式演進。另外，將內(nèi)容緩存于接入網(wǎng)，更接近用戶，還降低了時延。

（2）低時延

對于毫秒級的5G時延，水平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個必然的選擇。光纖傳播速度為200 km/ms，數(shù)據(jù)要在相距幾百公里以上的終端和核心網(wǎng)之間來回傳送，顯然是無法滿足5G毫秒級時延的。伴隨著用戶面與控制面分離、核心網(wǎng)下沉和分布而來的，是部署于接入網(wǎng)或接近接入網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)中心，并引入基于NFV的MEC（MobileEdge Computing，移動邊緣計算）。與NFV一樣，MEC也強調(diào)功能軟件化和平臺開放化，以提升網(wǎng)絡(luò)敏捷性、靈活性，加快部署和創(chuàng)新。

在標準構(gòu)架上，MEC和NFV看起來沒有差別，但它們是有區(qū)別的，區(qū)別主要在應(yīng)用服務(wù)平臺和相關(guān)服務(wù)上。MEC根據(jù)無線接入網(wǎng)環(huán)境對NFV進行了優(yōu)化，它將移動接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)深度融合，并將云計算和云存儲下沉到邊緣數(shù)據(jù)中心，加速內(nèi)容分發(fā)和下載，且向第三方提供開放接口以驅(qū)動創(chuàng)新。有了MEC，PGW/SGW的用戶面就下沉到了移動邊緣節(jié)點，且由NFV VIM（虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理）、SDN和Orchestrator（編排器）控制管理。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片

另一個與MEC、SDN/NFV并行而來的是網(wǎng)絡(luò)切片。所謂網(wǎng)絡(luò)切片，就是運營商為了滿足不同的商業(yè)應(yīng)用場景需求，量身打造多個端到端的虛擬子網(wǎng)絡(luò)。與2G/3G/4G單調(diào)的手機應(yīng)用不同，5G面向萬物聯(lián)接，將應(yīng)對不同的應(yīng)用場景。因此，水平化的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以為不同的場景切出相應(yīng)的虛擬子網(wǎng)絡(luò)。

4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時代，網(wǎng)絡(luò)被動地響應(yīng)業(yè)務(wù)上線、變更和故障處理的需求，基于經(jīng)驗解決各類網(wǎng)絡(luò)問題，一套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要7x24小時待命。OpenFlow應(yīng)用之后，流表控制的思想就賦予了細粒度控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的方式，也帶來了全局控制的思想。經(jīng)過每一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的流量，流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全部流量，都可以通過流表的方式來定義，每一個包每一條流的動作，都可以被精細設(shè)置并控制［3］。

與此同時，網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)重構(gòu)同樣面臨著挑戰(zhàn)，需要有長遠的戰(zhàn)略規(guī)劃，同時又要腳踏實地逐步推進網(wǎng)絡(luò)演進路線。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重構(gòu)對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)和運維思路、生產(chǎn)流程和人才提出巨大挑戰(zhàn)。

（1）組織架構(gòu)方面：未來的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施將逐步達到標準化和歸一化，除少數(shù)務(wù)必要采用特定的硬件設(shè)備和系統(tǒng)外，其余設(shè)備將大規(guī)模部署標準化和可云化的硬件設(shè)備，并與抽象層技術(shù)相結(jié)合，達到對于非云化部署，設(shè)備實現(xiàn)跨網(wǎng)、跨域、跨專業(yè)的端到端的資源管控和統(tǒng)一管理，這些都會對目前專業(yè)、行政區(qū)域管控的組織架構(gòu)帶來改變。

（2）運營能力方面：現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運營多是剛性固化的，網(wǎng)絡(luò)擴容成本很高，擴容周期很長且系統(tǒng)復(fù)雜而封閉。未來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做到按需伸縮，通過SDN和NFV的跨域協(xié)同，真正實現(xiàn)云網(wǎng)的深度協(xié)同，對業(yè)務(wù)、IT和網(wǎng)絡(luò)提出更高的挑戰(zhàn)。

（3）人才隊伍方面：現(xiàn)有設(shè)備廠商的技術(shù)人員大都是基于現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備，未來SDN網(wǎng)絡(luò)將忽略基礎(chǔ)層硬件差異，因此需要加強設(shè)備廠家及運營商專業(yè)人員對軟件的業(yè)務(wù)創(chuàng)新和開發(fā)能力，以及開源代碼的控制能力。

除此之外，當前的SDN主要面臨技術(shù)欠成熟和現(xiàn)網(wǎng)如何演進兩大障礙，NFV主要面臨技術(shù)欠成熟、現(xiàn)網(wǎng)如何演進和缺乏知識和經(jīng)驗三大障礙，這些也都會制約網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的進程。

面對以上諸多挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)，在組織架構(gòu)方面，要打破專業(yè)界限，順應(yīng)技術(shù)發(fā)展；在運營能力方面，則需要加快建設(shè)快速響應(yīng)、高效靈活的網(wǎng)絡(luò)運用體系，加強網(wǎng)絡(luò)的運營和管理；在人才隊伍方面，則需要培養(yǎng)新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人才，加強服務(wù)廠商與運營商之間的培訓(xùn)質(zhì)量，做好組織架構(gòu)，運營管理和人才隊伍培養(yǎng)的協(xié)同工作。

5 結(jié)束語

本文提出了控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制集中化、可編程的新的移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析闡述水平網(wǎng)絡(luò)及開放性的新含義，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的趨勢、戰(zhàn)略目標、演進方向和目標架構(gòu)，以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)的戰(zhàn)略意義和挑戰(zhàn)。相信通過網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及應(yīng)用，將會給人們帶來更加智能化的生活體驗，將來的網(wǎng)絡(luò)將會開啟通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活、開放、智能的新時代。