之于5G——浅谈SDN和NFV

在我刚开始了解5G核心网架构的时候，我注意到软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）作为两种新兴技术被多次提及。然而，对于SDN和NFV技术在5G中扮演着的重要角色，很多文献在这方面仅仅一笔带过，很多技术博客也是从专业的运营商角度来强调SDN和NFV的引入为运营商带来的时间和成本上的节省，这其实让我很困惑，因为我依旧不明白为什么SDN和NFV技术可以具有这么大的潜力，无法从根本上来理解这两种技术对于5G至关重要的意义。作为初级入门者，如果不能从本质上理解这一点的话，我认为对于整个5G核心网技术系统的完整性认识是不会有帮助的。因此在这里把我的一点理解归纳整理，希望对初学者有所帮助，如果有理解不到位的地方，欢迎各位批评指正。

接下来我将从我理解的角度来讨论为什么要为5G引进SND技术和NFV技术。

这首先要从当前的核心网EPC的一大缺陷讲起，这个缺陷就是耦合！EPC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：

☘    控制平面和用户平面的耦合；

☘    硬件和软件的耦合。

这两方面的耦合带来三个方面的限制：

☘    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；

☘    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；

☘    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1，EPC中有四大组件：

☘    MME：移动管理实体，负责网络连通性的管理，主要包括用户终端的认证和授权、会话建立以及移动性管理；

☘    HSS：归属用户服务器，作为用户数据集为MME提供用户相关的数据，以此来协助MME的管理工作；

☘    SGW：服务网关，负责数据包路由和转发，将接收到的用户数据转发给指定的PGW，并将返回的数据交付给eNB；

☘    PGW：PDN网关，负责为接入的用户分配IP地址以及进行用户平面QoS的管理，并且是PND网络的进入点。

从图1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。

详细介绍完EPC的耦合缺陷之后，我们来简要介绍一下SDN技术和NFV的基本概念。

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。

SDN和NFV技术催生了5G核心网架构，如图2所示：

在此基础上，有的文献提出5G架构应该尽可能减少网络实体，并取消服务网关和PDN网关的概念，而将其抽象成为控制平面网关和用户平面网关,并且提议控制平面网关和用户平面网关以软件的形式运行于运营商的云系统中，而非使用专用的硬件设备。这一提议的架构如图3所示：

总之，不论未来5G核心网采用何种架构，SDN技术和NFV技术的结合使用，都会使得5G核心网在高效性、可编程性和灵活性上发生质的飞跃！对于运营商部署网络和用户享受更优质服务来说都是巨大的福音！

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