虚拟化网络组件

5G架构：乐高积木般拼装的网络

无线网络正以迅雷不及掩耳的速度发展。10年前，你无法想象手机会如此普及；5年前，你无法想象数据业务会如此蓬勃发展；5年后，一定会有更多不可思议的事情发生。所谓“信息随心至，万物触手及”，科幻电影里出现的场景也许很快就会变成现实...

无线网络正以迅雷不及掩耳的速度发展。10年前，你无法想象手机会如此普及；5年前，你无法想象数据业务会如此蓬勃发展；5年后，一定会有更多不可思议的事情发生。所谓“信息随心至，万物触手及”，科幻电影里出现的场景也许很快就会变成现实，而且会比想象中来得快。

传统网络，无论是2G/3G，还是现在的4G，由于需求场景明确，为了提高硬件使用效率，设备供应商有自己的专有硬件和软件系统，除了标准定义的空口等接口，设备内部的接口定义都是私有的，设备无法单独运行。但到了5G时代，需求场景千差万别，有些需要大容量，比如体育场馆的视频直播；有些需要低时延，比如V2V车辆互联；有些数据传送量极少，比如智能抄表；有些要求实时高带宽，比如远程手术。面对如此多样化的需求，专有网络应接不暇，需要一个类似于智能手机领域的iOS或Android系统一样的基础平台，来适应各种需求。

如何满足性能指标差别如此之大的各类需求呢？电信设备商可以借鉴乐高积木的思路：先设计出自己的小积木块，以及标准的接口形式，然后通过工具，按照蓝图，拼出适应不同应用所需要的资源。

为了实现这一目标，有几个问题需要解决。第一是虚拟化（Network Function Virtualization），软件和硬件分离，以保证设计出的模块不必受硬件更新换代的制约；第二是组件化，把网络功能设计成一个一个独立的小模块，这样任何一个模块的变化更新，不会影响其他模块的运行；第三是编排，即提供一种能力，能够让这些小的组件，可以按照蓝图，像乐高积木一样拼接成一个或者多个完整的无线网络产品提供给运营商、虚拟运营商或其他垂直行业。

图1是NGMN提出的3层网络架构，该网络架构已经成为业界共识。这3层网络架构中，底层是基础设施层，包括接入节点、云节点和网络节点等。这一层是把物理网络虚拟化，向上层提供虚拟化资源。中间一层是业务使能层，这一层提供通用和业务的网络功能库，如控制面功能、用户面功能、RAT配置功能、信息功能等。最顶层是业务应用层，这一层给运营商、垂直行业、第三方OTT厂商提供业务服务。图的右侧表示了一个端到端的管理模块，负责整个网络架构的管理和编排功能。

图1 NGMN白皮书中提出的网络架构图.

中兴通讯提出的5G网络架构和NGMN网络架构相对应。这是一个软件定义的网络（见图2），最下层是SDI，软件定义的基础设施；中间一层是SDNF，软件定义的网络功能；最上层是SDNS，软件定义的网络切片。此外还有SDSI,，软件定义的服务接口，可以将以上3层开放出来的能力，通过数据接口或者API的方式提供给各个应用。

图2. 中兴通讯5G软网络架构.

SDI（软件定义的基础设施）和NGMN架构图里的基础设施资源层对应。传统网络RAN和核心网的硬件是专有的，有比较明显的界限。而在5G新网络中，物理基础设施实现了通用化，将硬件的计算、存储、网络资源虚拟化，上层应用可以按需灵活使用和释放这些资源。SDI层分为2个域（见图3），下层是物理域，提供物理资源设备，如接入节点、边缘节点和核心节点。上层是虚拟域，提供虚拟化的资源。物理设备的虚拟化有2个层次，首先，可以把计算、存储、网络组成一个资源池，按需组合成逻辑的服务器，服务器的资源配置情况可以根据上层软件的需求定义。然后，通过OpenStack等方式把资源虚拟化，形成虚拟化的计算、虚拟化的存储和虚拟化的网络。这是借鉴了IT界的IaaS（Infrastructure as a Service）理念。在电信领域，由于要提供电信级别的性能指标，有些无线资源暂时不能通用化处理，但这些资源同样可以作为资源池，同其他的虚拟化资源一样，被上层软件按需调度。图3中的VIM（Virtual Infrastructure Management）模块是虚拟化资源的管理模块，提供IaaS接口给上层软件，并对资源进行生命周期管理、调度、分配、加载升级等，同时也对电信级数据传输、加解密等专用硬件设备进行管理。

图3 软件定义的基础设施.

SDNF（软件定义的网络功能）层对应NGMN的业务使能层，SDNF提供电信云操作系统、通用功能组件，以及业务组件（见图4）。这个层次提供的服务借鉴了PaaS（Platform as a Service）概念。通用组件包括通信、负载均衡、数据库等服务，这些通用组件内嵌在电信云操作系统中，给上层业务软件提供服务。SDNF层的主要目的是提供各种业务组件，包括RAN侧业务组件和核心网业务组件。此处RAN和核心网已经没有明显的网元的区别，模块按照功能划分，如接入管理、会话管理等。这些功能模块称为网络功能组件（NFC），通过对这些NFC的编排，可以得到网络功能（NF）。这一层级提供了诸多的网络功能，给上层的应用提供服务。需要强调的是，这一层仅仅是这些网络功能的一个仓库，类似于手机应用商店，当用户还未下载这些应用到手机时，应用无法运行。所以这些网络功能目前还没有被实例化，没有实际运行在设备中。这一层也有管理模块，管理模块提供由NFC到NF的编排，以及部署之后的实例的生命周期管理、拓扑管理等功能。

图4 软件定义的网络功能.

SDNS（软件定义的网络切片）层对应NGMN里的业务应用层。网络切片层可以给运营商、垂直行业等客户提供所需要的网络功能。这一层包括网络切片的生成和部署。网络切片的生成类似于乐高积木的搭建过程，有一个类似于蓝图一样的配置文件，详细解释了各个网络功能（NF）是如何编排起来的。网络切片的部署就是实际提供一个端到端的应用网络，至此物理网络成功地被虚拟化、组件化、编排并形成一个个独立运营的虚拟网络。

如图5，灰色的矩形框表示网络切片的蓝图。网络功能（NF）1、2、3、4组成了网络切片蓝图A；网络功能1、5、6、3、4组成了网络切片的蓝图B。组件3和4被不同的网络切片蓝图重用，这也是组件化的一个优势。由不同的组件编排，可以得到对应功能的切片应用，只要灵活编排有限的NF，我们就可以得到众多性能指标要求不一的各种功能应用。图5中椭圆形是端到端切片实例的示意，由图可见，同样一个网络切片蓝图，生成不同的切片网络，给不同的垂直行业厂商提供服务。这里，红色的切片A和蓝色的切片B中，NF1是共享的，共享的NF有两种可能，NF1或者是无法切分的硬件资源，或者是共享的逻辑资源。3和4虽然在两个切片A、B中都存在，但属于相同功能的不同拷贝，这里不存在共享的问题。网络切片还可以非常方便地提供简化的功能组件，只需在编排的过程中把不需要的流程和功能去除。网络功能组件化对于运营商快速低成本地部署网络有很大的意义。