1.移動核心控制網(wǎng)絡(luò)目前面臨的問題
隨著智能手機(jī)的普及,移動業(yè)務(wù)呈現(xiàn)從以語音l短信業(yè)務(wù)為主的模式向以移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)為主的模式的發(fā)展趨勢。而且移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)增長迅速,移動互聯(lián)網(wǎng)占全球互聯(lián)網(wǎng)流量的比例年增1.5倍,瀏覽、搜索、購物等業(yè)務(wù)逐步從PC轉(zhuǎn)向手機(jī)。移動互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來。
移動網(wǎng)絡(luò)空口技術(shù)不斷刷新,無線接人網(wǎng)絡(luò)目前有多種制式,包括2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)及Wi-Fi接人等,國際國內(nèi)運(yùn)營商目前正關(guān)注LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。無線側(cè)技術(shù)的演進(jìn)勢必成多種制式并存的無線接人網(wǎng),相應(yīng)核心網(wǎng)也需建設(shè)不同的網(wǎng)絡(luò),而移動核心網(wǎng)絡(luò)的心功能相似,一定程度上造成了網(wǎng)絡(luò)資源的重復(fù)建,造成運(yùn)營商CAPEX(capitalexpenditure)增加。
網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營方面,多種制式的網(wǎng)絡(luò)并存,提供類似的業(yè)務(wù),而網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維部門需同時維護(hù)多張網(wǎng)絡(luò),在運(yùn)維人員、設(shè)備維保費(fèi)用、網(wǎng)絡(luò)故障定位排查等方面提升了運(yùn)營商的OPEX(operating expense)。
不同的無線技術(shù)造成多種制式網(wǎng)絡(luò)并存,各制式網(wǎng)絡(luò)縱向分布,相互封閉。同一用戶有可能同時是多種網(wǎng)絡(luò)的用戶,但用戶申請的業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)感受無法統(tǒng)一。目前的網(wǎng)絡(luò)雖然希望對第三方開放網(wǎng)絡(luò)能力,但復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)部署一直限制網(wǎng)絡(luò)能力開放的進(jìn)程,造成運(yùn)營商自營業(yè)務(wù)或者SP/CP業(yè)務(wù)無法快速部署,無法與OTT(over thetop)業(yè)務(wù)抗衡。
在目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,很難統(tǒng)籌部署網(wǎng)絡(luò)感知能力,無法感知網(wǎng)絡(luò)情況、用戶分布情況,也無法提升網(wǎng)絡(luò)智能進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整或策略部署,而智能管道能力是移動互聯(lián)網(wǎng)時代對移動核心網(wǎng)的重要需求。
在移動互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時代,對海量數(shù)據(jù)的處理能力是對移動核心網(wǎng)的另一個新需求,目前各自為政的封閉架構(gòu)無法滿足資源統(tǒng)籌調(diào)度應(yīng)對流量峰值的需求。
總的來說,移動互聯(lián)網(wǎng)時代,運(yùn)營商有降低CAPER,OPEX,提升網(wǎng)絡(luò)開放性并快速提供業(yè)務(wù)的需求,有提升網(wǎng)絡(luò)智能、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)控制能力的需求,也有提升網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分擔(dān)、容量統(tǒng)籌調(diào)度、核心控制網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性的需求。而SDN(software defined networking,軟件定義網(wǎng)絡(luò))的理念可以很好地契合目前移動核心控制網(wǎng)絡(luò)的新需求。
2.SDN架構(gòu)介紹
SDN的概念為網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新帶來了新的契機(jī),它最初起源于斯坦福大學(xué)提出的OpenFlow協(xié)議,應(yīng)用于校園網(wǎng)絡(luò),解決網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新和封閉設(shè)備體系之間的矛盾,后逐步推廣到商用網(wǎng)絡(luò),至今已發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
2006年,由斯坦福大學(xué)主導(dǎo)的CLEAN Slate項(xiàng)目啟動,該項(xiàng)目希望創(chuàng)建一個全新的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。Casado M博士提出的Ethane架構(gòu)是SDN概念及OpenFlow技術(shù)的發(fā)展源頭,該架構(gòu)構(gòu)建了一個中央控制器,向基于流的以太網(wǎng)交換機(jī)下發(fā)策略,對流的準(zhǔn)入及路由進(jìn)行統(tǒng)一管控。
SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),SDN的精髓理念有2點(diǎn):一是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離;二是網(wǎng)絡(luò)集中控制,并具備可編程的能力。SDN架構(gòu)如圖1所示。
圖1 SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意
在SDN架構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)被劃分為3個層面,分別是應(yīng)用層、控制層及基礎(chǔ)設(shè)施層。
其中,應(yīng)用層包括各種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用;控制層主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)平面資源的編排,維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)、狀態(tài)信息等;基礎(chǔ)設(shè)施層(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層)負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。
基礎(chǔ)設(shè)施層為轉(zhuǎn)發(fā)面,是一個無智能的快速轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)的所有智能設(shè)備集中在網(wǎng)絡(luò)控制層,由控制器對轉(zhuǎn)發(fā)面進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)策略的調(diào)度和管理,支持運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)控制器之上的不同業(yè)務(wù)。
目前在SDN技術(shù)中經(jīng)常引人網(wǎng)絡(luò)虛擬化(network function virtualization,NFV)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化通常指將網(wǎng)絡(luò)資源及網(wǎng)絡(luò)功能集成到一個單一的以軟件為基礎(chǔ)的管理實(shí)體的過程,即一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)。通過虛擬化技術(shù),不同的業(yè)務(wù)或者控制邏輯可以共享相同的物理基礎(chǔ)設(shè)施。
軟件定義的網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)虛擬化提供了一個極具吸引力的平臺,因?yàn)樗械目刂七壿嬁梢赃\(yùn)行在控制器上,而不是物理的交換機(jī)上。而且OpenFlow提供了一類標(biāo)準(zhǔn)的接口用于安裝包的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則,查詢流量統(tǒng)計(jì)信息和獲取拓?fù)錉顟B(tài)變化。建立在SDN技術(shù)上的虛擬化方案提供了一種有效的可擴(kuò)展的虛擬化方法,可以對網(wǎng)絡(luò)化的交換機(jī)進(jìn)行編程控制,同時,可以可擴(kuò)展地實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)的映射。
基于SDN技術(shù)及NFV的理念,可以構(gòu)建融合的、虛擬化的移動核心控制網(wǎng)絡(luò)。
3.基于SDN的虛擬化移動控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
目前多制式的移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 現(xiàn)行多制式移功網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖
基于SDN重新構(gòu)建移動核心控制網(wǎng)絡(luò),需要分析現(xiàn)行的2G/3G,Wi-Fi及未來LTE核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能,整合抽象后依據(jù)SDN的理念進(jìn)行設(shè)計(jì);赟DN的移動核心控制網(wǎng)絡(luò)可以融合多種無線接人制式,并可實(shí)現(xiàn)核心控制功能,提供語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);赟DN的虛擬化融合移動核心控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 基于SDN的虛擬化的移動核心控制網(wǎng)絡(luò)示意圖
圖3的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包括4層,分別為接人層、轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層及業(yè)務(wù)層。
接人層包括目前2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)及未來的無線接人網(wǎng)。在接人層及轉(zhuǎn)發(fā)層之間部署虛擬化的接人適配網(wǎng)元。接人適配網(wǎng)元北向與轉(zhuǎn)發(fā)層接口,采用標(biāo)準(zhǔn)接口;南向與各無線接人網(wǎng)絡(luò)接口,適配各接入制式,如無線側(cè)未來有新的接人制式,只需增強(qiáng)適配網(wǎng)元能力即可。
轉(zhuǎn)發(fā)層在控制層的調(diào)度下,只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)流量包。實(shí)現(xiàn)目前網(wǎng)絡(luò)中MGW,GGSN,PDSN ,SGW/PGW的媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能,F(xiàn)網(wǎng)移動軟交換網(wǎng)絡(luò)及LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了控制平面與媒體平面的分流,而且網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)IP化。上述現(xiàn)狀為基于SDN構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)層奠定了基礎(chǔ),增強(qiáng)了實(shí)現(xiàn)的可行性。
控制層包括控制網(wǎng)元及數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元?刂凭W(wǎng)元將實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)所有的控制功能,如呼叫控制、路由選擇、網(wǎng)絡(luò)感知、策略部署等功能,將涵蓋MSCE,SGSN,PDSN,MME,PCRF,DPI等網(wǎng)元的控制功能。數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲、用戶數(shù)據(jù)的存儲、用戶接人認(rèn)證、鑒權(quán)等功能。涵蓋現(xiàn)網(wǎng)HLR,HSS及AAA服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)功能?刂凭W(wǎng)元或者數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元可以依據(jù)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)部署策略進(jìn)行虛擬化,類似pool的概念,pool內(nèi)網(wǎng)元進(jìn)行負(fù)荷分擔(dān),可以全網(wǎng)調(diào)度資源,提升控制層網(wǎng)元可擴(kuò)展性,實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)籌調(diào)度。
控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層間采用標(biāo)準(zhǔn)接口及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議?刂茖优c轉(zhuǎn)發(fā)層基于統(tǒng)一的硬件平臺,改善設(shè)備商設(shè)備間的互通性,提升設(shè)備部署的可擴(kuò)展性,并為轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化奠定基礎(chǔ)。
業(yè)務(wù)層為運(yùn)營商自營的業(yè)務(wù)或者SP/CP提供的業(yè)務(wù),通過與控制層的南向接口可與控制層協(xié)同,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯?刂茖涌梢脖毕蚨x開放AM、供SP/CP調(diào)用,豐富網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。
4.架構(gòu)優(yōu)勢
基于SDN融合的虛擬化移動核心控制網(wǎng)絡(luò)在以下幾方面具有優(yōu)勢。
(1)滿足大數(shù)據(jù)處理需求
移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)同樣呈現(xiàn)數(shù)據(jù)量不均衡的問題,在特定的時間點(diǎn)有可能形成流量高峰。現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)無法很好地解決該問題,當(dāng)容量不足時,只能進(jìn)行流量限制,造成用戶體驗(yàn)下降;赟DN的虛擬化移動核心控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)資源的虛擬化,可全網(wǎng)調(diào)度資源,可以較好地解決流量高峰沖擊的問題。
(2)避免網(wǎng)絡(luò)重復(fù)建設(shè)
基于SDN的融合移動控制網(wǎng)絡(luò)支持2G/3G,LTE,Wi-Fi等多種無線接人方式,多種制式可共用統(tǒng)一的融合的核心網(wǎng),避免各種制式的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)多個核心網(wǎng)絡(luò),有利于降低運(yùn)營商的CAPEX及OPEX。
(3)提升網(wǎng)絡(luò)智能
SDN的架構(gòu)特點(diǎn)是將控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離,控制面具有可編程的能力。在所構(gòu)建的移動核心控制網(wǎng)絡(luò)中,增加了網(wǎng)絡(luò)感知能力及策略控制能力,通過SDN架構(gòu)傳遞給轉(zhuǎn)發(fā)層面,提升網(wǎng)絡(luò)智能,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的控制能力。
(4)快速部署業(yè)務(wù)
基于SDN的融合移動控制網(wǎng)絡(luò)有統(tǒng)一的硬件轉(zhuǎn)發(fā)平臺,便于設(shè)備商間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互通,也有利于促進(jìn)業(yè)務(wù)的快速調(diào)試及部署。另一方面,基于SDN的融合移動控制網(wǎng)絡(luò),采用標(biāo)準(zhǔn)的接口及協(xié)議,同時簡化了核心網(wǎng)絡(luò),有利于提升移動核心控制網(wǎng)絡(luò)能力的開放,同樣有利于業(yè)務(wù)快速部署。SDN控制面的可編程性,亦便于將新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用引人網(wǎng)絡(luò)。
5.結(jié)束語
本文介紹了目前移動網(wǎng)絡(luò)在移動互聯(lián)網(wǎng)時代面臨的問題,并提出一種基于SDN的融合的虛擬化移動核心控制網(wǎng)絡(luò),隨后分析了新型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)提供、網(wǎng)絡(luò)智能提升方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢.后續(xù)將研究如何發(fā)揮上述新型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢,將移動核心網(wǎng)打造成可控的高智能網(wǎng)絡(luò)。
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本文標(biāo)題:基于SDN融合的虛擬化移動核心網(wǎng)絡(luò)研究
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