SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用研究

汤晓金



SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用研究

汤晓金

中国电信股份有限公司上海嘉定电信局，上海 201800

为贯彻落实网络强国战略，国家最近几年一直加强对5G移动通信网络的建设。5G移动通信网络以满足客户需求为导向，网速快、延时小。软件定义网络（SDN）和网络虚拟化技术（NFV）是5G移动网络中的两个关键技术。SDN是对网络连接进行集中管理和调度，而NFV是利用软件来操作硬件上的网络功能。因此，为了深入了解SDN和NFV，分析了SDN和NFV的优点、SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用以及SDN和NFV所面临的挑战。

SDN；NFV；5G；网络架构

1 SDN和NFV在5G移动通信中的研究现状

改革开放以来我国发展日新月异，特别是移动通信的发展提高了人们的信息化水平。移动通信对于国民经济发展具有推动作用，而且国家已将网络提高到发展战略的层面。我国网络经历了2G、3G和4G，一步一步演进，通信速度和容量也一步一步提升，现在发展到了5G。5G对技术的要求更高，因此对移动互联网来说又是一个新的挑战，特别是5G移动通信网络的架构问题。将软件定义网络（software defined networking，SDN）、网络功能虚拟化（network function virtualization，NFV）应用到5G移动网络的架构中，使网络架构更加智能化、更能灵活适应现代人对网络的需求。目前对SDN和NFV的研究还处于初级阶段，还需要进行进一步研究，开发出更多方便人们生活的功能。

2 SDN和NFV的定义和特点

SDN和NFV技术是最近几年才提出来的新技术，是一种应用在5G移动通信网络中的架构。SDN可以通过软件编程实现对通信网络的控制，使这种类型的网络操作起来更加灵活，而传统网络并不具有这种功能。NFV的作用是将网络功能虚拟化，将网络设备和软件分离开来。传统网络设备是专用型的，而NFV中网络设备是通用型的。移动通信运营商可以借助此项技术对比较昂贵的网络设备进行编程来开发网络功能，这样提高了运营商的成本。接下来一一介绍二者的特点。

2.1 SDN技术特点

利用软件将网络的控制和转发功能分离开来是SDN最大的特点，从而实现集中控制，并根据需要对所需的资源进行分配和优化。SDN具备开放的网络接口，正是因为有开放的网络接口以及通用的网络设备，所以使得网络更加简单，可以通过软件自由调配网络上的资源和开发一些自己需要的新业务。自由的开发环境，加快了新业务的形成，具有价值的新业务也更快地发展起来，促进社会的进步[1]。

2.2 NFV技术特点

对传统的网络业务进行开发比较笨拙，网络设备多且开发周期比较长，而NFV是利用软件虚拟化操作一台通用的网络设备，这样相比传统的移动通信网更加节省成本，有利于在激烈市场竞争取得胜利。NFV将软件和网络硬件设备分离开来，避免了每次安装设备都要进行配置带来的麻烦，使得网络更具有弹性，可以按照用户需要自由地对网络进行增、删、改、查等部署，灵活方便快捷，提高了网络服务质量和效率。由于NFV开发网络设备功能方便、快捷、灵活，因此加快了网络的创新。

总之，SDN和NFV之间相互独立没有必要依赖性，两种技术的侧重点不一样。SDN侧重的是控制、转发分离，而NFV侧重的是软件部分。SDN技术采用集中控制方式有利于统一调度，而NFV采用通用服务器和虚拟化技术降低SDN的成本。

3 SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用

最近几年，国家对5G的发展越来越重视，提出在2020年将5G全面商用，其中5G两个关键技术SDN和NFV起到了关键作用。随着人们对SDN和NFV研究的深入，总结出了它的架构。接下来一一介绍SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用。

3.1 SDN在5G移动通信网络架构中的应用

图1是SDN技术架构图。从图1可知，SDN架构分为三层，最底层是基础设施层，中间层是控制层，最上层是应用层。基础设施层包含网络设备等基础设备。这些设备完成各类数据的转发，像计算机网络各层一样，底层永远是服务于上一层的，基础设施层通过开放的接口服务于控制层。当接收到传来的信息和命令时，转发设备就对传来的相关数据进行分组转发或者增、删、改、查等操作。这种做法相比传统网络降低了网络的复杂度，同时还有利于开发者开发出适应不同用户口味的个性化网络，从而加速网络创新，实现网络虚拟化。

与基础设施层的作用类似，控制层也为上层应用层提供服务。服务信息来源于SDN基础设施层的数据。信息上报以后，然后获得设备状况，控制层通过控制/数据平面接口向基础设施层发送信息实现对基础设施层的控制，即实现对整个移动网络设备的管理和控制。

应用层是SDN的顶层，从图1可以看出顶层主要是各类业务应用，同理应用层和控制层之间也存在交互的接口，通过软件可以针对不同的用户提供他们想要的网络服务。

图1 SDN技术架构图

3.2 NFV在5G移动通信网络架构中的应用

NFV的网络功能虚拟化主要讲的是三种网络设备，第一种是处理移动用户在打电话时，对用户发出的信息进行分析和转发的设备；第二种是控制设备；第三种是用来发送处理信号的设备，例如基站、交换机等，而NFV在5G移动通信网络架构就是由这些设备组成的。如图2所示，NFV的网络管理和编排架构主要分为三个部分：第一个部分是网络功能，NFV提供了各种网络功能；第二部分是虚拟机；第三部分是Hypervisor，这是一种软件层，是NFV虚拟化的核心部分；第四部分则是标准服务器、标准交换设备以及标准存储设备[2]。

NFV是由通信运营商提出来的，因为运营商想解决传统网络设备笨拙、复杂的现状。NFV基于行业标准的x86服务器、存储以及交换机等传统设备，其架构思路主要是抽象网络功能、对网元功能进行分解、使网络进行重构等。

由SDN和NFV技术在5G移动通信网络架构中的应用可知其主要特性是将网络功能从硬件设备中解除，从而开发网络功能，但是由于受到传统网络设备架构影响，5G中的重构、解耦以及策略管理等都有一定的难度，需要后来人不断努力创新。

4 SDN和NFV面临的挑战

SDN和NFV两大技术被公认为是最具有潜力的技术，会对未来移动通信产生重大的影响。正是如此，SDN和NFV在关键技术、安全可靠方面等面临诸多挑战。

图2 NFV技术架构图

由于SDN是开放性接口，因此容易造成安全性问题。目前我国缺少安全监控机制，这些安全性问题存在于控制器、应用层及底层存储转发设备之间。

5G网络的传输速度空前提高，整个社会都期待它的呼之欲出。5G移动通信网络构架是一个急需解决的问题。将SDN和NFV应用于5G网络中，优化了5G通信网络的架构。

5 结论

5G移动网络项目最近几年一直是国家重点扶持的重要项目，也是整个社会关注的热点，是满足广大人民的需求、满足社会发展需要的技术。本文介绍了SDN和NFV技术在5G移动通信网络架构中的应用。SDN和NFV的应用将网络通信设备和软件分离开来，可以利用软件通用的服务器进行编程，实现网络资源配置，集中管控网络数据，促进网络资源的创新，提高传输速率和容量。研究结果表明，将SDN和NFV技术应用于5G克服了传统网络中的许多缺点，能够满足未来人们对各种新增业务的需求，促进社会发展。

[1]安琪，刘艳萍，孙茜，等. 基于SDN与NFV的网络切片架构[J]. 电信科学，2016（11）：119-126.

[2]柴蓉，胡恂，李海鹏，等. 基于SDN的5G移动通信网络架构[J]. 重庆邮电大学学报（自然科学版），2015（5）：569-576.

Application of SDN and NFV in 5G Mobile CommunicationNetwork Architecture

Tang Xiaojin

China Telecom Corporation Limited Shanghai Jiading Telecom Bureau, Shanghai 201800

In order to implement the strategy of building a strong nation on the Internet, the country has been strengthening the construction of 5G mobile communication networks in recent years. The 5G mobile communication network is oriented to meet customer needs, with fast speed and small delay. Software-defined networking (SDN) and network virtualization technology (NFV) are two key technologies in 5G mobile networks. SDN is the centralized management and scheduling of network connections, and NFV is the use of software to operate the network functions on the hardware. Therefore, in order to deeply understand SDN and NFV, the advantages of SDN and NFV, the application of SDN and NFV in the 5G mobile communication network architecture, and the challenges faced by SDN and NFV are analyzed.

SDN; NFV; 5G; network architecture

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