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。現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡是剛性固化的，傳統(tǒng)網(wǎng)絡往往更加關注網(wǎng)絡的底層傳送能力而忽略了網(wǎng)絡的能力向上層應用和業(yè)務開放，因此導致網(wǎng)絡缺少流程化的能力開放接口，業(yè)務很難靈活地調用網(wǎng)絡能力，這就導致承載網(wǎng)不能承載一些互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務和應用，而必須采用應用層專用的協(xié)議進行糾錯、應用加速和流量均衡等優(yōu)化設計。

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

2 網(wǎng)絡重構及SDN/NFV的引入

2.1 網(wǎng)絡重構的演進方向

首先，網(wǎng)絡重構將把網(wǎng)絡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)絡組織和運行方式，各個省市的網(wǎng)絡運營商均獨立建設和運營基礎網(wǎng)絡，因此導致網(wǎng)絡利用率低下、端到端業(yè)務體驗較差。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡用戶對網(wǎng)絡的運營模式提出了更高的要求，因此網(wǎng)絡必須具有“統(tǒng)一集約規(guī)劃”、“統(tǒng)一集約建設”和“統(tǒng)一集約管控”三大特征。

其次，傳統(tǒng)網(wǎng)絡更多關注網(wǎng)絡底層的傳送能力，而對于承載網(wǎng)絡能力向上層應用和新業(yè)務的創(chuàng)新開發(fā)并無過多的考慮，因此缺乏標準化的業(yè)務開放接口，業(yè)務調度不靈活。未來的網(wǎng)絡架構必須要達到網(wǎng)絡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)絡架構必須向業(yè)務、IT和網(wǎng)絡云化以及基于DC（Data Center，數(shù)據(jù)中心）集中部署并以DC為網(wǎng)絡核心的云網(wǎng)融合轉變。

最后，網(wǎng)絡要走向運營開發(fā)一體化，在現(xiàn)行的網(wǎng)絡運營模式下，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)絡需要達到用戶對網(wǎng)絡的定制化要求，通過分離網(wǎng)絡的軟件與硬件，引入IT設備等多種手段達到由簡單的售賣到創(chuàng)新驅動發(fā)展的目的。

2.2 SDN/NFV技術的引入

隨著通信技術的變革和發(fā)展，現(xiàn)有的網(wǎng)絡已經(jīng)不再適應現(xiàn)在高速發(fā)展的高速率時代，網(wǎng)絡架構的重構將減少網(wǎng)絡的層級、轉移網(wǎng)絡核心節(jié)點，同時也會將網(wǎng)絡軟化，網(wǎng)絡流量收斂比減少，基于SDN/NFV的新架構是網(wǎng)絡重構的要方式，它以網(wǎng)絡控制與轉發(fā)及網(wǎng)絡軟硬件雙解耦為基本特征，全局性、革命性的架構重構。

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、控制層和應用層。控制器運用南向接口對設備進行控制，運用北向接口支持應用開發(fā)，為業(yè)務提供服務。

（1）數(shù)據(jù)層

在數(shù)據(jù)層平面，首先離不開物理網(wǎng)絡基礎設施。其次，網(wǎng)絡虛擬化是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)絡限制；網(wǎng)絡Overlay方案（Fabric tunnels）支持物理資源池，滿足轉發(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，當前全世界供應商提出的控制器案例已大于25個。開源方案和供應商方案同步演進，依據(jù)客戶IT環(huán)境和需求，選擇最適當?shù)姆桨浮?/p>

（3）應用層

在應用層平面，包括4~7層的網(wǎng)絡服務，以及網(wǎng)絡關聯(lián)的管控和運行維護（M&O）功能?；赟DN結構，網(wǎng)絡應用層是重點，一方面，網(wǎng)絡應用直接反映用戶及業(yè)務需求；另一方面，原有的網(wǎng)絡服務、管理和維護方案都亟待換代升級，以滿足SDN架構需求。網(wǎng)絡應用生態(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)絡應用層部署。根據(jù)客戶需求場景，基于SDN技術的解決方案可歸結為網(wǎng)絡功能虛擬化、網(wǎng)絡監(jiān)控和網(wǎng)絡安全，分別對應網(wǎng)絡生命周期中的網(wǎng)絡交付（網(wǎng)絡功能虛擬化）、網(wǎng)絡運行維護（監(jiān)控和安全）。

（3）深度進化：SDN在網(wǎng)絡基礎設施和網(wǎng)絡服務的各個層面彰顯價值

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

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

按照網(wǎng)絡場景劃分，DCN、DCI、WAN、IPRAN等每個網(wǎng)絡場景的管理，都離不開網(wǎng)絡交付和網(wǎng)絡運維；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)絡的支撐。SDN需要為不同的網(wǎng)絡場景和IT環(huán)境提供相應的SDN解決方案。在數(shù)據(jù)和閉環(huán)的基礎上，面對巨大的網(wǎng)絡市場，打造更加智能化的網(wǎng)絡才是SDN的發(fā)展目標。網(wǎng)絡自動運營、智能化或自助監(jiān)管的網(wǎng)絡，把網(wǎng)絡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，就能夠進行網(wǎng)絡搭建、配置、監(jiān)控、安全保護以及運維等工作。讓人把關鍵時間用于理解業(yè)務、優(yōu)化網(wǎng)絡，致力于讓網(wǎng)絡更好地為業(yè)務服務。網(wǎng)絡智能化的關鍵在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)平臺，在此基礎上連續(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)絡配置和安全防御的策略、執(zhí)行網(wǎng)絡及安全策略，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)絡的自我學習、調整和保護。

3 網(wǎng)絡架構水平化重構

3.1 網(wǎng)絡演進的目標架構

網(wǎng)絡的演進方向是基于面向新型互聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡架構，網(wǎng)絡將會由垂直架構向水平架構演進，其網(wǎng)絡首先應有簡潔的結構，網(wǎng)絡應減少網(wǎng)絡層級（一二干融合），不大于30 ms的傳輸網(wǎng)時延；網(wǎng)絡的種類、網(wǎng)元的數(shù)量和局站數(shù)明顯減少。其次網(wǎng)絡應具有敏捷性，網(wǎng)絡具備軟件編程、資源分鐘級快速配置擴展的能力。然后網(wǎng)絡還應具有開放性，它既能豐富便捷開放能力，又能主動適應應用。最后網(wǎng)絡還應具有很好的集約性，網(wǎng)絡能夠達到80%的網(wǎng)絡功能軟件化，可以統(tǒng)一部署，全部業(yè)務平臺實現(xiàn)云化，業(yè)務可以全網(wǎng)統(tǒng)一調度，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)絡架的目標構將由“基礎設施層”、“網(wǎng)絡功能層”和“協(xié)議編排層構成”，其功能視圖如圖1所示：

圖1 網(wǎng)絡架構的功能性視圖

網(wǎng)絡將圍繞SDN/NFV，加快網(wǎng)絡資源集約控制，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)的資源調度，基于統(tǒng)一的云資源池承載網(wǎng)絡、IT和業(yè)務平臺，簡化端到端運營模式，其未來網(wǎng)絡架構的專業(yè)網(wǎng)視圖如圖2所示：

圖2 網(wǎng)絡架構的專業(yè)網(wǎng)視圖

3.2 水平網(wǎng)絡架構及其開放性

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

圖3 網(wǎng)絡架構水平化示意圖

開放性的網(wǎng)絡還需要開放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，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備制定規(guī)范和相應的軟件，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)絡架構水平化

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)絡將再次向分離式的核心網(wǎng)構架演進，目的是讓網(wǎng)絡用戶面功能擺脫“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，在“全分離式”構架下，SGW（Serving Gateway，服務網(wǎng)關）和PGW（Packet Data Network Gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關）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”水平構架示意圖

（1）大數(shù)據(jù)容量

5G時代，高清視頻、VR/AR等應用必然給網(wǎng)絡帶來超大數(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)絡架構是一個必然的選擇。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也強調功能軟件化和平臺開放化，以提升網(wǎng)絡敏捷性、靈活性，加快部署和創(chuàng)新。

在標準構架上，MEC和NFV看起來沒有差別，但它們是有區(qū)別的，區(qū)別主要在應用服務平臺和相關服務上。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，加速內容分發(fā)和下載，且向第三方提供開放接口以驅動創(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（虛擬基礎設施管理）、SDN和Orchestrator（編排器）控制管理。

（3）網(wǎng)絡切片

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

4 網(wǎng)絡架構重構面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡時代，網(wǎng)絡被動地響應業(yè)務上線、變更和故障處理的需求，基于經(jīng)驗解決各類網(wǎng)絡問題，一套網(wǎng)絡系統(tǒng)需要7x24小時待命。OpenFlow應用之后，流表控制的思想就賦予了細粒度控制網(wǎng)絡數(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)絡設備轉發(fā)的流量，流經(jīng)網(wǎng)絡的全部流量，都可以通過流表的方式來定義，每一個包每一條流的動作，都可以被精細設置并控制［3］。

與此同時，網(wǎng)絡的架構重構同樣面臨著挑戰(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)絡演進路線。網(wǎng)絡架構的重構對現(xiàn)有的網(wǎng)絡組織架構、網(wǎng)絡的規(guī)劃建設和運維思路、生產(chǎn)流程和人才提出巨大挑戰(zhàn)。

（1）組織架構方面：未來的網(wǎng)絡設施將逐步達到標準化和歸一化，除少數(shù)務必要采用特定的硬件設備和系統(tǒng)外，其余設備將大規(guī)模部署標準化和可云化的硬件設備，并與抽象層技術相結合，達到對于非云化部署，設備實現(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)域管控的組織架構帶來改變。

（2）運營能力方面：現(xiàn)有網(wǎng)絡運營多是剛性固化的，網(wǎng)絡擴容成本很高，擴容周期很長且系統(tǒng)復雜而封閉。未來的網(wǎng)絡架構做到按需伸縮，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、IT和網(wǎng)絡提出更高的挑戰(zhàn)。

（3）人才隊伍方面：現(xiàn)有設備廠商的技術人員大都是基于現(xiàn)網(wǎng)設備，未來SDN網(wǎng)絡將忽略基礎層硬件差異，因此需要加強設備廠家及運營商專業(yè)人員對軟件的業(yè)務創(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主要面臨技術欠成熟和現(xiàn)網(wǎng)如何演進兩大障礙，NFV主要面臨技術欠成熟、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)絡重構的進程。

面對以上諸多挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)網(wǎng)絡架構重構，在組織架構方面，要打破專業(yè)界限，順應技術發(fā)展；在運營能力方面，則需要加快建設快速響應、高效靈活的網(wǎng)絡運用體系，加強網(wǎng)絡的運營和管理；在人才隊伍方面，則需要培養(yǎng)新一代網(wǎng)絡技術人才，加強服務廠商與運營商之間的培訓質量，做好組織架構，運營管理和人才隊伍培養(yǎng)的協(xié)同工作。

5 結束語

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