胡曉娟，張 園，夏 旭，鄧 桓

（中國電信股份有限公司北京研究院 北京 100035）

1 移動(dòng)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(dòng)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)從以語音/短信業(yè)務(wù)為主的模式向以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)為主的模式的發(fā)展趨勢。而且移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)增長迅速，移動(dòng)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)空口技術(shù)不斷刷新，無線接入網(wǎng)絡(luò)目前有多種制式，包括2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)及Wi-Fi接入等，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)勢必形成多種制式并存的無線接入網(wǎng)，相應(yīng)核心網(wǎng)也需建設(shè)不同的網(wǎng)絡(luò)，而移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)的核心功能相似，一定程度上造成了網(wǎng)絡(luò)資源的重復(fù)建設(shè)，造成運(yùn)營商CAPEX（capital expenditure）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(shí)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(shí)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 the top）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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對移動(dòng)核心網(wǎng)的重要需求。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，對海量數(shù)據(jù)的處理能力是對移動(dòng)核心網(wǎng)的另一個(gè)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。

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(dòng)，該項(xiàng)目希望創(chuàng)建一個(gè)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(gè)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。

在SDN架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為3個(gè)層面，分別是應(yīng)用層、控制層及基礎(chǔ)設(shè)施層。

圖1 SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

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)洹顟B(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(gè)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)常引入網(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(gè)單一的以軟件為基礎(chǔ)的管理實(shí)體的過程，即一個(gè)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。

高校學(xué)生管理是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，管理者要順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展趨勢，堅(jiān)持以人為本，與時(shí)俱進(jìn)。人本理念在高校學(xué)生管理中的運(yùn)用，最根本的是要解決觀念問題，正確指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行管理體制和方法的創(chuàng)新，要對理論知識進(jìn)行深入的研討，還要在實(shí)踐中不斷的完善管理經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生們轉(zhuǎn)變思想觀念，強(qiáng)化服務(wù)意識，逐步實(shí)現(xiàn)民主交流、平等溝通、和諧統(tǒng)一的校園生活環(huán)境。

軟件定義的網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)虛擬化提供了一個(gè)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(shí)，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(dòng)核心控制網(wǎng)絡(luò)。

3 基于SDN的虛擬化移動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前多制式的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

基于SDN重新構(gòu)建移動(dòng)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)。基于SDN的移動(dòng)核心控制網(wǎng)絡(luò)可以融合多種無線接入制式，并可實(shí)現(xiàn)核心控制功能，提供語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。基于SDN的虛擬化融合移動(dòng)核心控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包括4層，分別為接入層、轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層及業(yè)務(wù)層。

接入層包括目前2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)及未來的無線接入網(wǎng)。在接入層及轉(zhuǎn)發(fā)層之間部署虛擬化的接入適配網(wǎng)元。接入適配網(wǎng)元北向與轉(zhuǎn)發(fā)層接口，采用標(biāo)準(zhǔn)接口；南向與各無線接入網(wǎng)絡(luò)接口，適配各接入制式，如無線側(cè)未來有新的接入制式，只需增強(qiáng)適配網(wǎng)元能力即可。

圖 2 現(xiàn)行多制式移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

圖3 基于SDN的虛擬化的融合的移動(dòng)核心控制網(wǎng)絡(luò)示意

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。現(xiàn)網(wǎng)移動(dòng)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(dòng)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、用戶接入認(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。控制網(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?？刂茖右部杀毕蚨x開放API，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(dòng)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(dòng)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(shí)間點(diǎn)有可能形成流量高峰?，F(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)無法很好地解決該問題，當(dāng)容量不足時(shí)，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(dòng)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(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)支持 2G/3G、LTE、Wi-Fi等多種無線接入方式，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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)的接口及協(xié)議，同時(shí)簡化了核心網(wǎng)絡(luò)，有利于提升移動(dòng)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)用引入網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

本文介紹了目前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代面臨的問題，并提出一種基于SDN的融合的虛擬化移動(dòng)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(dòng)核心網(wǎng)打造成可管可控的高智能網(wǎng)絡(luò)。

1 McKeown N,Anderson T,Balakrishnan H,et al.OpenFlow:enabling innovation in campus networks.ACM Communications Review,2008(3)

2 OpenFlow.OpenFlow Switch Specication Version1.3.0 Implemented,2013

3 Koponen T,Casado M.Onix:a distributed control platform for large-scale production networks.Proceedings of OSDI,USENIX,Vancouver,BC,Canada,2010

4 Nicira.Network virtualization platform.http://nicira.xom/en/network-virtualization-platform,2012