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摘 要： 摘要：通過分析5G業(yè)務(wù)新需求，論述電信云網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方向是引入SDN/NFV/云計(jì)算等新技術(shù)，建設(shè)核心-邊緣-接入三級(jí)分布式電信云網(wǎng)絡(luò);介紹5G電信云網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組件以及業(yè)界主流的兩種電信云虛擬化組網(wǎng)方案，分析兩種組網(wǎng)方案的使用場景;分析5G電信云網(wǎng)絡(luò)中高可靠
摘要：通過分析5G業(yè)務(wù)新需求，論述電信云網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方向是引入SDN/NFV/云計(jì)算等新技術(shù)，建設(shè)“核心-邊緣-接入”三級(jí)分布式電信云網(wǎng)絡(luò);介紹5G電信云網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組件以及業(yè)界主流的兩種電信云虛擬化組網(wǎng)方案，分析兩種組網(wǎng)方案的使用場景;分析5G電信云網(wǎng)絡(luò)中高可靠、高安全、全智能等關(guān)鍵技術(shù)。未來電信云網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必定融合多種先進(jìn)技術(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)云化、自動(dòng)化和智能化能力，最終實(shí)現(xiàn)5G商業(yè)愿景。
關(guān)鍵詞：電信云;邊緣云;SDN;NFV;控制器
0引言
5G時(shí)代，移動(dòng)通信從人與人之間的通信，開始轉(zhuǎn)向人與物、物與物的通信。AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化、無人駕駛等業(yè)務(wù)將被大量引入，從而帶來高帶寬、低時(shí)延以及大連接的網(wǎng)絡(luò)需求，也就是3GPP定義的5G三大場景。面向5G的承載網(wǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)承載網(wǎng)，無論帶寬、時(shí)延等基本性能，還是轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面和管理面的總體架構(gòu)，都發(fā)生了一系列的重大變化。伴隨著用戶流量的迅速增長，核心網(wǎng)絡(luò)的虛擬化進(jìn)程加速，網(wǎng)絡(luò)管理運(yùn)維的難度指數(shù)級(jí)上升，在基礎(chǔ)設(shè)施層面引入SDN(SoftwareDefinedNetwork，軟件定義網(wǎng)絡(luò))技術(shù)，構(gòu)建云化數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成為全球運(yùn)營商的聚焦點(diǎn)[1]。
云技術(shù)的普及以及計(jì)算能力的提升，云的多租戶、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)管控、可視化運(yùn)維，以及5G技術(shù)采用的網(wǎng)絡(luò)切片功能的需求共同推動(dòng)了SDN技術(shù)，從而使得在IaaS層面計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的編排并即刻生效。隨著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)負(fù)載的類型和體量將不斷變化，網(wǎng)絡(luò)僅靠單純的協(xié)議優(yōu)化、功能完善已經(jīng)很難解決所面臨的問題。要想從根本上使網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)于上層業(yè)務(wù)，必須從根本上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革，讓網(wǎng)絡(luò)提升自動(dòng)化、自優(yōu)化能力，最終實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò)。通過SDN網(wǎng)絡(luò)的部署，一方面也可以通過網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化來加速新業(yè)務(wù)的面市周期、提升網(wǎng)絡(luò)的彈性、提升網(wǎng)絡(luò)的利用率以及峰值情況下的服務(wù)質(zhì)量，另外一方面使得網(wǎng)絡(luò)更加透明，運(yùn)維手段會(huì)更加人性和智能，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維更容易。
15G電信云建設(shè)思路
傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)采用集中建設(shè)模式，隨著業(yè)務(wù)規(guī)模擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)日益變得臃腫。而5G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)需要接入更多設(shè)備，數(shù)據(jù)處理的工作量劇增，集中式數(shù)據(jù)中心將難以滿足“大帶寬、低時(shí)延、廣連接”的業(yè)務(wù)需求。同時(shí)越來越多的網(wǎng)元設(shè)備開始將控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，進(jìn)行分層部署。為了適配網(wǎng)元的分布式部署以及MEC(Multi-AccessEdgeComputing)的邊緣部署[2]，建設(shè)云化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化部署，借助云化技術(shù)將集中式電信云進(jìn)行邊緣分布式重構(gòu)也將是必然選擇。
目前，各大運(yùn)營商聚焦通過SDN/NFV技術(shù)建設(shè)5G電信云網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建“核心DC-邊緣DC-接入DC”三級(jí)分布式數(shù)據(jù)中心，不同功能網(wǎng)元按照?qǐng)鼍靶枨蟛渴鹪诓煌?jí)別的數(shù)據(jù)中心，使得網(wǎng)絡(luò)滿足5G業(yè)務(wù)的需求[2]。分布式數(shù)據(jù)中心建設(shè)思路是：核心DC部署在大區(qū)域的核心城市，主要承載控制/管理以及集中化的媒體面網(wǎng)元、CDN省級(jí)節(jié)點(diǎn)，省級(jí)流量轉(zhuǎn)發(fā)，其具有資源池規(guī)模大、資源共享程度高的特點(diǎn);邊緣DC部署在各地市，主要承載低時(shí)延、高帶寬要求的用戶面網(wǎng)元和邊緣計(jì)算網(wǎng)元，其資源池規(guī)模居中，數(shù)量較多;接入DC主要部署在區(qū)縣，主要承載轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)元以實(shí)現(xiàn)流量快速卸載，DC數(shù)量多，規(guī)模小，資源多樣化，裸機(jī)/虛機(jī)/容器共存。
相關(guān)期刊推薦：《長江信息通信》(原名《信息通信》)創(chuàng)刊于1987年，我刊嚴(yán)格遵循“科學(xué)、創(chuàng)新、唯實(shí)”的辦刊原則，深受通信領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者、經(jīng)營管理及工程技術(shù)人員的肯定與支持。雜志致力于刊載信息和通信領(lǐng)域的科研探索、技術(shù)創(chuàng)新、運(yùn)營實(shí)務(wù)以及國內(nèi)外信息技術(shù)應(yīng)用方面的學(xué)術(shù)研究成果、理論方法探討以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等方面的論文，為國內(nèi)信息和通信領(lǐng)域同行提供學(xué)術(shù)交流的平臺(tái)。
通過構(gòu)建三級(jí)分布式電信云網(wǎng)絡(luò)，用戶面下沉至邊緣節(jié)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合MEC平臺(tái)的部署，有效地將云計(jì)算能力從中心延伸到邊緣，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速處理和就近轉(zhuǎn)發(fā)，滿足5G多樣化的應(yīng)用場景需求。運(yùn)營商在電信云基礎(chǔ)設(shè)施上可以更加靈活地根據(jù)用戶需要部署應(yīng)用，更快地響應(yīng)市場的最新變化。
25G電信云網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案探討
2.15G電信云網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)
5G電信云網(wǎng)絡(luò)將SDN/NFV技術(shù)引入數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，網(wǎng)絡(luò)承載基于虛擬化、云計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電信業(yè)務(wù)[4]。通過部署SDN控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化開通，業(yè)務(wù)自動(dòng)化部署，端到端業(yè)務(wù)自動(dòng)化編排，云化網(wǎng)絡(luò)具備電信級(jí)的可管可控可視能力。
5G電信云網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)如圖1，包括的關(guān)鍵組件有：
(1)NFVO(NetworkFunctionVirtualizationOrchestrator)NFV編排器
NFVO作為云網(wǎng)聯(lián)動(dòng)的核心大腦，負(fù)責(zé)管理和維護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參考點(diǎn)和接口，使組成服務(wù)的各個(gè)組件能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，從而對(duì)NFVI和VNF的運(yùn)行進(jìn)行編排協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)資源池網(wǎng)元對(duì)象和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)統(tǒng)一編排管理。
(2)VNFM(VNFManager)VNF管理網(wǎng)元
VNFM實(shí)現(xiàn)VNF生命周期管理(包括實(shí)例化/升級(jí)/擴(kuò)容/縮容/終止)，虛擬網(wǎng)元軟件自動(dòng)化部署和彈性伸縮控制。實(shí)現(xiàn)NFVI物理資源和虛擬資源故障和VNF生命周期相關(guān)告警關(guān)聯(lián)和上報(bào)給網(wǎng)管。
(3)VIM(VirtualizedInfrastructureManager)虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理
VIM是提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理的系統(tǒng)，常見的云管理平臺(tái)包括OpenStack，CloudStack等。VIM和SDN控制器交互，對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬化、流量進(jìn)行編程調(diào)度，管理虛擬網(wǎng)絡(luò)、對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)編排。
(4)SDN控制器SDN
控制器通過Openflow/OVSDB/Netconf協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)軟硬件轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的集中管理和配置，結(jié)合業(yè)務(wù)編排器和云平臺(tái)，提供電信級(jí)云網(wǎng)絡(luò)的端到端自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)開通和業(yè)務(wù)部署。
(5)EMS網(wǎng)管
EMS網(wǎng)管實(shí)現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)資源、SDN控制器、虛擬網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理和集中的操作維護(hù)。
(6)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層
轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備層是提供網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)能力的實(shí)體，包括vSwitch，TOR硬件交換機(jī)，負(fù)責(zé)VxLAN網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)互通的VxLANGW設(shè)備，以及負(fù)責(zé)提供網(wǎng)絡(luò)功能的軟件L4-L7設(shè)備或硬件L4-L7設(shè)備等。
(7)VNF
VNF是提供虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)體，包含5G業(yè)務(wù)的UPF，SMF，AMF等，以及4G業(yè)務(wù)的xGW，MME等。這些網(wǎng)元以虛機(jī)的形式部署在NFVI的虛擬機(jī)上。
2.25G電信云組網(wǎng)方案
5G電信云網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分為Underlay網(wǎng)絡(luò)和Overlay網(wǎng)絡(luò)。Underlay網(wǎng)絡(luò)就是數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部物理網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)底層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和報(bào)文的高速轉(zhuǎn)發(fā);Overlay網(wǎng)絡(luò)是由SDN控制器根據(jù)VIM傳遞的網(wǎng)絡(luò)需求構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)，承載在Underlay網(wǎng)絡(luò)之上。Overlay網(wǎng)絡(luò)通過VTEP和VxLAN網(wǎng)關(guān)之間建立VxLAN隧道，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端打通，支持多租戶、大二層以及按需配置和自動(dòng)化部署。
2.2.1Underlay組網(wǎng)方案
5G電信云網(wǎng)絡(luò)Underlay網(wǎng)絡(luò)采用Spine-Leaf架構(gòu)提供無阻塞網(wǎng)絡(luò)，基于L3組網(wǎng)防止網(wǎng)絡(luò)成環(huán)。Spine交換機(jī)根據(jù)組網(wǎng)規(guī)�？蛇x擇2-4臺(tái)設(shè)備，獨(dú)立部署;TOR/LEAF交換機(jī)采用堆疊/MC-LAG部署，提供高可靠性;VxLANGW雙活部署。TOR/LEAF交換機(jī)根據(jù)用途，分為業(yè)務(wù)LEAF，管理LEAF和存儲(chǔ)LEAF。OOB交換機(jī)用于納管所有的硬件設(shè)備的管理口，包括交換機(jī)，路由器，服務(wù)器等。管理面防火墻用于保護(hù)SDN控制器和Openstack云平臺(tái)的通信。
2.2.2Overlay組網(wǎng)方案
根據(jù)Overlay網(wǎng)絡(luò)中VTEP/VxLAN網(wǎng)關(guān)選擇設(shè)備不同以及控制面協(xié)議不同，Overlay組網(wǎng)分為硬件Overlay方案和混合Overlay方案。
(1)硬件Overlay組網(wǎng)方案
硬件Overlay組網(wǎng)方案中，選用硬件TOR(Leaf交換機(jī))作為VTEP，硬件路由器/交換機(jī)作為VxLAN網(wǎng)關(guān)，在VTEP和VxLANGW之間建立VxLAN隧道。硬件Overlay網(wǎng)絡(luò)方案采用EVPN為控制面協(xié)議，SDN控制器控制器通過Netconf協(xié)議在相應(yīng)交換機(jī)設(shè)備上配置。
(2)混合Overlay組網(wǎng)
混合Overlay組網(wǎng)方案中，VTEP選擇硬件交換機(jī)或者vSwitch上。通常情況下，普通虛機(jī)采用vSwitch作為VTEP，SR-IOV虛機(jī)和裸金屬服務(wù)器采用TOR交換機(jī)作為VTEP。采用硬件路由器/交換機(jī)作為VxLAN網(wǎng)關(guān)。對(duì)于vSwitch做VTEP，SDN控制器通過OVSDB和Openflow協(xié)議對(duì)vSwitch進(jìn)行配置下發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)控制;對(duì)于硬件交換機(jī)做VTEP，控制面基于EVPN+NetConf，控制器通過Netconf配置ToR和VxLANGW。
(3)組網(wǎng)方案比較
從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來講，硬件Overlay方案使用硬件交換機(jī)做VTEP，路由器做VxLAN網(wǎng)關(guān)，控制面是EVPN;控制器對(duì)硬件交換機(jī)只下發(fā)靜態(tài)配置，不參與控制面轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)計(jì)算，提升轉(zhuǎn)發(fā)性能和穩(wěn)定性。混合Overlay方案使用vSwitch或者硬件交換機(jī)做VTEP，使用路由器作VxLAN網(wǎng)關(guān)，控制面是Openflow+EVPN;混合Overlay方案支持裸金屬以及虛擬化服務(wù)器混合組網(wǎng)，提升組網(wǎng)靈活性，降低投資成本，同時(shí)控制器通過Openflow控制vSwitch，充分發(fā)揮Openflow協(xié)議的業(yè)務(wù)靈活性，輕松支持微分段、業(yè)務(wù)鏈、引流等高級(jí)網(wǎng)絡(luò)特性。
35G電信云網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
3.1高可靠性
5G電信云在組網(wǎng)架構(gòu)中部署諸多保障可靠性的措施：SDN控制器部署三機(jī)集群，VxLAN網(wǎng)關(guān)雙活部署，TOR堆疊/MC-LAG部署。路由器/交換機(jī)支持靜態(tài)路由/動(dòng)態(tài)路由，BFD快速檢測以及ECMP，vSwitch支持安全組。整體方案支持分布式網(wǎng)關(guān)，降低設(shè)備故障帶來的影響。各種可靠性技術(shù)的部署保證5G電信云網(wǎng)絡(luò)99.999%的高可靠性。
3.2高安全性
5G電信云網(wǎng)絡(luò)解決方案提供分級(jí)安全防護(hù)措施，為電信業(yè)務(wù)提供全面保障。從組網(wǎng)架構(gòu)的角度：將整網(wǎng)劃分為管理域、存儲(chǔ)域和業(yè)務(wù)域，三網(wǎng)物理隔離，域間通信需要經(jīng)過存儲(chǔ)/管理防火墻保護(hù);從業(yè)務(wù)網(wǎng)安全來看：劃分安全域，關(guān)鍵業(yè)務(wù)物理硬件隔離，部署東西向、南北向防火墻，防護(hù)安全域間流量，且東西向和南北向防火墻異構(gòu)，以免安全防護(hù)完全失效;從管理網(wǎng)安全來看：劃分邏輯網(wǎng)絡(luò)平面，不同的網(wǎng)絡(luò)平面嚴(yán)格禁止互訪，部署管理域防火墻，防護(hù)域外流量，區(qū)分不同角色設(shè)置不同的權(quán)限，分權(quán)分域，同時(shí)部署安全審計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)日志監(jiān)控、流量跟蹤等。
3.3全智能化
5G電信云網(wǎng)絡(luò)采用“統(tǒng)一云管理，資源全融合”的解決方案，通過統(tǒng)一網(wǎng)管實(shí)現(xiàn)虛機(jī)、容器、裸金屬多種負(fù)載的統(tǒng)一承載;兼容第三方廠家的異構(gòu)資源池;通過統(tǒng)一編排實(shí)現(xiàn)跨資源類型、跨異構(gòu)資源池、跨DC的統(tǒng)一編排;通過統(tǒng)一運(yùn)營實(shí)現(xiàn)Iaas/PaaS統(tǒng)一管理。通過統(tǒng)一云管理，提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本。
4結(jié)語
5G電信云網(wǎng)絡(luò)在支撐5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和承載5G業(yè)務(wù)方面起到非常重要的作用。面對(duì)5G應(yīng)用差異化需求和演進(jìn)挑戰(zhàn)，運(yùn)營商需要圍繞高安全、高可靠、智能化的理念建設(shè)電信云網(wǎng)絡(luò)，幫助其快速部署5G業(yè)務(wù)，為垂直行業(yè)的長期發(fā)展做好充分準(zhǔn)備。——論文作者：顧紅芳