1.移動核心控制網(wǎng)絡目前面臨的問題
隨著智能手機的普及，移動業(yè)務呈現(xiàn)從以語音l短信業(yè)務為主的模式向以移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務為主的模式的發(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)務逐步從PC轉(zhuǎn)向手機。移動互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來。
移動網(wǎng)絡空口技術不斷刷新，無線接人網(wǎng)絡目前有多種制式，包括2G網(wǎng)絡、3G網(wǎng)及Wi-Fi接人等，國際國內(nèi)運營商目前正關注LTE網(wǎng)絡的建設。無線側(cè)技術的演進勢必成多種制式并存的無線接人網(wǎng)，相應核心網(wǎng)也需建設不同的網(wǎng)絡，而移動核心網(wǎng)絡的心功能相似，一定程度上造成了網(wǎng)絡資源的重復建，造成運營商CAPEX(capitalexpenditure)增加。
網(wǎng)絡運營方面，多種制式的網(wǎng)絡并存，提供類似的業(yè)務，而網(wǎng)絡運維部門需同時維護多張網(wǎng)絡，在運維人員、設備維保費用、網(wǎng)絡故障定位排查等方面提升了運營商的OPEX(operating expense)。
不同的無線技術造成多種制式網(wǎng)絡并存，各制式網(wǎng)絡縱向分布，相互封閉。同一用戶有可能同時是多種網(wǎng)絡的用戶，但用戶申請的業(yè)務、業(yè)務感受無法統(tǒng)一。目前的網(wǎng)絡雖然希望對第三方開放網(wǎng)絡能力，但復雜的網(wǎng)絡部署一直限制網(wǎng)絡能力開放的進程，造成運營商自營業(yè)務或者SP/CP業(yè)務無法快速部署，無法與OTT(over thetop)業(yè)務抗衡。
在目前的網(wǎng)絡架構下，很難統(tǒng)籌部署網(wǎng)絡感知能力，無法感知網(wǎng)絡情況、用戶分布情況，也無法提升網(wǎng)絡智能進行自適應調(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無法滿足資源統(tǒng)籌調(diào)度應對流量峰值的需求。
總的來說，移動互聯(lián)網(wǎng)時代，運營商有降低CAPER，OPEX，提升網(wǎng)絡開放性并快速提供業(yè)務的需求，有提升網(wǎng)絡智能、加強網(wǎng)絡控制能力的需求，也有提升網(wǎng)絡負載分擔、容量統(tǒng)籌調(diào)度、核心控制網(wǎng)絡擴展性的需求。而SDN(software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡)的理念可以很好地契合目前移動核心控制網(wǎng)絡的新需求。
2.SDN架構介紹
SDN的概念為網(wǎng)絡創(chuàng)新帶來了新的契機，它最初起源于斯坦福大學提出的OpenFlow協(xié)議，應用于校園網(wǎng)絡，解決網(wǎng)絡創(chuàng)新和封閉設備體系之間的矛盾，后逐步推廣到商用網(wǎng)絡，至今已發(fā)展成為網(wǎng)絡領域研究的熱點。
2006年，由斯坦福大學主導的CLEAN Slate項目啟動，該項目希望創(chuàng)建一個全新的互聯(lián)網(wǎng)絡。Casado M博士提出的Ethane架構是SDN概念及OpenFlow技術的發(fā)展源頭，該架構構建了一個中央控制器，向基于流的以太網(wǎng)交換機下發(fā)策略，對流的準入及路由進行統(tǒng)一管控。
SDN是一種新型的網(wǎng)絡架構，SDN的精髓理念有2點：一是將網(wǎng)絡的控制平面及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進行分離；二是網(wǎng)絡集中控制，并具備可編程的能力。SDN架構如圖1所示。
圖1 SDN的網(wǎng)絡架構示意
在SDN架構中，網(wǎng)絡被劃分為3個層面，分別是應用層、控制層及基礎設施層。
其中，應用層包括各種不同的業(yè)務和應用；控制層主要負責處理數(shù)據(jù)平面資源的編排，維護網(wǎng)絡拓撲、狀態(tài)信息等;基礎設施層(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層)負責基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。
基礎設施層為轉(zhuǎn)發(fā)面，是一個無智能的快速轉(zhuǎn)發(fā)設備，網(wǎng)絡的所有智能設備集中在網(wǎng)絡控制層，由控制器對轉(zhuǎn)發(fā)面進行轉(zhuǎn)發(fā)策略的調(diào)度和管理，支持運行在網(wǎng)絡控制器之上的不同業(yè)務。
目前在SDN技術中經(jīng)常引人網(wǎng)絡虛擬化(network function virtualization，NFV)技術。網(wǎng)絡虛擬化通常指將網(wǎng)絡資源及網(wǎng)絡功能集成到一個單一的以軟件為基礎的管理實體的過程，即一個虛擬的網(wǎng)絡。通過虛擬化技術，不同的業(yè)務或者控制邏輯可以共享相同的物理基礎設施。
軟件定義的網(wǎng)絡為網(wǎng)絡虛擬化提供了一個極具吸引力的平臺，因為所有的控制邏輯可以運行在控制器上，而不是物理的交換機上。而且OpenFlow提供了一類標準的接口用于安裝包的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，查詢流量統(tǒng)計信息和獲取拓撲狀態(tài)變化。建立在SDN技術上的虛擬化方案提供了一種有效的可擴展的虛擬化方法，可以對網(wǎng)絡化的交換機進行編程控制，同時，可以可擴展地實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡和物理網(wǎng)絡的映射。
基于SDN技術及NFV的理念，可以構建融合的、虛擬化的移動核心控制網(wǎng)絡。
3.基于SDN的虛擬化移動控制網(wǎng)絡架構
目前多制式的移動網(wǎng)絡架構如圖2所示。
圖2 現(xiàn)行多制式移功網(wǎng)絡架構示意圖
基于SDN重新構建移動核心控制網(wǎng)絡，需要分析現(xiàn)行的2G/3G，Wi-Fi及未來LTE核心網(wǎng)網(wǎng)絡功能，整合抽象后依據(jù)SDN的理念進行設計�；赟DN的移動核心控制網(wǎng)絡可以融合多種無線接人制式，并可實現(xiàn)核心控制功能，提供語音、數(shù)據(jù)業(yè)務�；赟DN的虛擬化融合移動核心控制網(wǎng)絡架構如圖3所示。
圖3 基于SDN的虛擬化的移動核心控制網(wǎng)絡示意圖
圖3的網(wǎng)絡架構中包括4層，分別為接人層、轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層及業(yè)務層。
接人層包括目前2G網(wǎng)絡、3G網(wǎng)絡、Wi-Fi網(wǎng)絡、LTE網(wǎng)絡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，采用標準接口；南向與各無線接人網(wǎng)絡接口，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，只負責轉(zhuǎn)發(fā)流量包。實現(xiàn)目前網(wǎng)絡中MGW，GGSN，PDSN ，SGW/PGW的媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能。現(xiàn)網(wǎng)移動軟交換網(wǎng)絡及LTE網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)了控制平面與媒體平面的分流，而且網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)IP化。上述現(xiàn)狀為基于SDN構建轉(zhuǎn)發(fā)層奠定了基礎，增強了實現(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)元將實現(xiàn)移動網(wǎng)絡所有的控制功能，如呼叫控制、路由選擇、網(wǎng)絡感知、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)元實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的存儲、用戶數(shù)據(jù)的存儲、用戶接人認證、鑒權等功能。涵蓋現(xiàn)網(wǎng)HLR，HSS及AAA服務器等網(wǎng)絡功能�？刂凭W(wǎng)元或者數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元可以依據(jù)運營商網(wǎng)絡部署策略進行虛擬化，類似pool的概念，pool內(nèi)網(wǎng)元進行負荷分擔，可以全網(wǎng)調(diào)度資源，提升控制層網(wǎng)元可擴展性，實現(xiàn)資源統(tǒng)籌調(diào)度。
控制層與轉(zhuǎn)發(fā)層間采用標準接口及標準協(xié)議�？刂茖优c轉(zhuǎn)發(fā)層基于統(tǒng)一的硬件平臺，改善設備商設備間的互通性，提升設備部署的可擴展性，并為轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層設備進行網(wǎng)絡設備虛擬化奠定基礎。
業(yè)務層為運營商自營的業(yè)務或者SP/CP提供的業(yè)務，通過與控制層的南向接口可與控制層協(xié)同，實現(xiàn)業(yè)務邏輯�？刂茖涌梢脖毕蚨x開放AM、供SP/CP調(diào)用，豐富網(wǎng)絡業(yè)務。
4.架構優(yōu)勢
基于SDN融合的虛擬化移動核心控制網(wǎng)絡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)務同樣呈現(xiàn)數(shù)據(jù)量不均衡的問題，在特定的時間點有可能形成流量高峰�，F(xiàn)行的網(wǎng)絡無法很好地解決該問題，當容量不足時，只能進行流量限制，造成用戶體驗下降。基于SDN的虛擬化移動核心控制網(wǎng)絡實現(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)絡重復建設
基于SDN的融合移動控制網(wǎng)絡支持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)絡建設多個核心網(wǎng)絡，有利于降低運營商的CAPEX及OPEX。
(3)提升網(wǎng)絡智能
SDN的架構特點是將控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，控制面具有可編程的能力。在所構建的移動核心控制網(wǎng)絡中，增加了網(wǎng)絡感知能力及策略控制能力，通過SDN架構傳遞給轉(zhuǎn)發(fā)層面，提升網(wǎng)絡智能，增強網(wǎng)絡的控制能力。
(4)快速部署業(yè)務
基于SDN的融合移動控制網(wǎng)絡有統(tǒng)一的硬件轉(zhuǎn)發(fā)平臺，便于設備商間網(wǎng)絡設備的互通，也有利于促進業(yè)務的快速調(diào)試及部署。另一方面，基于SDN的融合移動控制網(wǎng)絡，采用標準的接口及協(xié)議，同時簡化了核心網(wǎng)絡，有利于提升移動核心控制網(wǎng)絡能力的開放，同樣有利于業(yè)務快速部署。SDN控制面的可編程性，亦便于將新業(yè)務、新應用引人網(wǎng)絡。
5.結(jié)束語
本文介紹了目前移動網(wǎng)絡在移動互聯(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，隨后分析了新型網(wǎng)絡的優(yōu)勢。所構建的網(wǎng)絡在業(yè)務提供、網(wǎng)絡智能提升方面具有獨特的優(yōu)勢.后續(xù)將研究如何發(fā)揮上述新型網(wǎng)絡的優(yōu)勢，將移動核心網(wǎng)打造成可控的高智能網(wǎng)絡。
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本文標題：基于SDN融合的虛擬化移動核心網(wǎng)絡研究
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