NFV和SDN在5G中的应用

pipipig428 2019-02-13

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1. 传统网络结构的不足

核心网从移动通信的诞生就是其不可缺少的重要的组成部分，随着移动通信技术的生息更迭，从一开始的纯粹的CS（Circuit Switched，电路）域的核心网结构（比如MSC）到CS域与PS（Packet Switched）域结构相结合，再在两者的此消彼长的演化中，PS域核心网占统治地位的结构（即4G LTE中的EPC），核心网一直演化到EPC，其在构建之初并没有从服务和基础架构的出发点去考虑问题，而是针对单一服务（使用场景）设计的集中式架构，这就导致EPC架构下物理组件之间的功能划分非常耦合，功能的耦合也带来部署的难度，同时功能的实现严重依赖于物理硬件，很多功能的实现必须建立在昂贵的专有设备基础之上。

总结来讲，传统EPC网络的耦合主要体现在两个方面：

（1）控制平面和用户平面的耦合；

（2）硬件和软件的耦合。

这两方面的耦合带来三个方面的限制：

（1）这样的传统架构为运营商部署网络带来成本和时间上的挑战；

（2）随着终端类型和数量以及服务类型越来越多，很难为这个“庞然大物”拓展新的功能和服务，并且无法高效地分配资源；

（3）降低用户服务质量体验（QoS）。

我们以接下来的EPC网络架构图来进一步说明上面提到的“耦合”问题。如图所示：

从图中的虚线和实线标记可以看出，MME仅承担控制面功能，但是SGW和PGW既承担大部分用户平面功能，又承担一部分控制平面功能，这就使得用户平面和控制平面严重耦合，从而限制了EPC的开放性和灵活性。另一方面，在这种架构下，很多网络元素必须运行于配备专用硬件的多个刀片式服务器上，这对于运营商来说是极大的开销。

2. SDN和NFV

SDN技术是一种将网络设备的控制平面与转发平面分离，并将控制平面集中实现的软件可编程的新型网络体系架构。我们知道，在传统网络中，控制平面功能是分布式的运行在各个网络节点（如集线器、交换机、路由器等）中的，因此如果要部署一个新的网络功能，就必须将所有网络设备进行升级，这极大地限制了网络创新！从这个角度来看，SDN便是应运而生的“救星”！SDN采取了集中式的控制平面和分布式的转发平面，两个平面相互分离，控制平面利用控制-转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中控制，并向上提供灵活的可编程能力。由于具备这种“天赋”，于是SDN自然而然成为EPC控制面和用户面耦合问题的“克星”。

NFV技术是一种将网络功能整合到行业标准的服务器、交换机和存储硬件上，并且提供优化的虚拟化数据平面，可通过服务器上运行的软件让管理员取代传统物理网络设备的技术。从古至今都有这么一个道理：对于外界物理实体的依赖性越强，越不利于自身的发展。独立性在我看来是一个意义重大的优秀品质，这同样体现在网络技术上。对专用网络设备的依赖，将会导致我们在面对网络创新时的无能为力，这一点在现阶段的EPC中已经得到了印证，因此我们必须谋求新的技术来摆脱对专用硬件的依赖！通过使用NFV可以减少甚至移除现有网络中部署的中间件，它能够让单一的物理平台运行于不同的应用程序，用户和租户可以通过多版本和多租户使用网络功能，从而促进软件网络环境中的新网络功能和服务的创新，NFV适用于任何数据平面和控制平面功能、固定或移动网络，也适合需要实现可伸缩性的自动化管理和配置。

通过以上对SDN和NFV的简单介绍，可以大致概括：SDN技术是针对EPC控制平面与用户平面耦合问题提出的解决方案，将用户平面和控制平面解耦可以使得部署用户平面功能变得更灵活，可以将用户平面功能部署在离用户无线接入网更近的地方，从而提高用户服务质量体验，比如降低时延。NFV技术是针对EPC软件与硬件严重耦合问题提出的解决方案，这使得运营商可以在那些通用的的服务器、交换机和存储设备上部署网络功能，极大地降低时间和成本。