云原生5G核心网相关技术展望

唐来贤，张家晟，郝立波，陈赞旺，朱 林

（中移互联网有限公司，广东 广州 510640）

5G技术作为打开信息通信新领域的新一代技术，可以为构件数字基础设施、产业数字化转型等工作提供核心支撑。近年来，5G技术与工业制造、医疗卫生、电力传输、交通运输等产业相结合，涌现出一大批优秀案例。但是，由于设备点多面广、资源的异构特性、资源零散等因素的制约，从严格意义上讲，云计算解决方案对于5G网络并不适用，构建更加灵活、敏捷、智能的网络，实现5G与垂直行业应用的优化，是个亟待解决的问题[1-2]。

云计算技术发展至今已较为成熟，作为下一代云计算的技术内核，云原生技术具备高度的故障自愈能力、毫秒级的弹性响应、实现超量复制等特点，在推动5G技术在行业内的应用等方面发挥了重要作用。

1 云原生的发展现状与5GC

1.1 云原生的发展现状

云原生是Matt Stine首先提出的概念，它是计算机技术、工程管理方法等一系统技术的集合，不仅囊括了实现云原生的核心技术，也包括工程实践的方法论。Matt Stine在《迁移到云原生架构》一书中定义了云原生的特征：自服务、微服务、API协作、抗脆弱性等[3]。随着Kubernetes技术、容器技术等新技术的广泛应用，云原生技术慢慢成熟，见图1。

图1 云原生架构关键技术

云原生已在云计算领域和企业IT架构内得到一定应用。从相关情况来看，目前应用较多的技术主要有两大方面：云原生底层技术和云原生编排及管理技术。

（1）云原生底层技术。容器云原生技术不断发展，Docker与宿主机共享内核导致Docker逃逸急需解决。安全容器以添加隔离层的方式为进程分配独立操作系统内核。Serverless容器的出现为传统应用转到FaaS平台提供了帮助，有效处理了迁移成本与函数拆分等问题。采用专门的卸载硬件承载非业务负载组件，有效增强了容器负载性能和稳定性。在裸金属服务器上搭建容器服务成为部分用户的选择。云原生服务器的发展满足了部分用户的高性能计算需求，且具有一定的云服务器的管理功能。

（2）云原生编排及管理技术。编排与管理工具应用于云计算方面，可以实现弹性伸缩和自动化处理，因此云原生程序也有一定的扩展性。需注意的是，服务网格属于支持工作负载实例通信的管理层，它使得服务治理和业务逻辑之间的联系更密切，使异构系统处在统一模式下。与传统微服务框架相比，服务网格具有诸多优势：通信线路数据观察性强；目标导向下的流量精确控制；微服务网络安全性。无服务器实际上是一种架构思想，它把基础设施抽象成多种服务，并用API接口的形式供使用者调用，能做到按使用付费，按需要伸缩。

1.2 云原生与5GC

5G具有增强移动宽带（eMBB）、低时延高可靠（uRLLC）、低功耗大连接（mMTC）三个业务场景。同时，3GPP在5G核心网规范中引入了无状态、切片、MEC、SBA、CUPS等关键技术，实现了更为灵活多样的场景需求[4-5]。云原生关键技术和5GC在需求上、技术理念上存在高度的一致性（如图2所示），云原生技术包含的微服务、服务网格、不可变基础设施等与5G核心网架构中的网络切片、SBA、编排管理等高度匹配，采用云原生技术构建5G核心网已成为主流运营商、设备商的选择。

图2 云原生关键技术和5GC在需求上、技术理念上存在高度一致性

2 云原生5G核心网相关技术展望

目前，云计算技术已被应用于现有的通信网络中，如基于开放的编排标准实现资源编排，基于OpenStack平台实现网元虚拟化和快速部署等。但对5G时代的核心网需求而言，上述技术仍远远不够，在NGMN、ETSI等发布的5G白皮书中，通信运营商、设备商都表达出把云原生技术引入5GC中以实现需求的诸多愿景[6-7]。

2.1 边缘计算技术

边缘计算技术作为一种新型技术，促进了5GC在多个行业的运用，既可以满足多种终端的高算力要求，同时也符合工业互联网、智能驾驶的低时延场景要求[8]。该技术除具备云计算的特征外，还有其独特的特征，如多碎片、资源点多面广、较高的异构性等，并且对算网协同的资源控制能力的要求更高，传统的云计算解决方案很难满足复杂性、不确定性、高动态等要求，而将云原生运用到边缘计算平台就能支持5GC落地各行各业。

将容器化技术运用到边缘计算平台，可以使底层物理计算资源变得抽象化与软件化，符合边缘计算技术在数据协同、应用管理协同等层面的需求。同时，容器技术具有标准的容器仓库与格式，能为边缘计算技术提供标准的应用分发，形成标准的控制接口，再配合云原生技术实现“云-边-端”一体化，满足多种设备超常规应用分发功能。

再者，容器技术和边缘计算技术的结合也可增强工作负载环境的安全性，不但能为弱信号的恢复提供帮助，同时还能增强边缘计算资源介入环境中的兼容性，使多异构网络接入成为可能。

2.2 面向服务的5GC云原生核心网

该网包括云基础设施、运营管理系统、虚拟化基础设施管理器和NG核心网四个要素，依托容器技术、服务网络、云原生技术、云原生调度系统实现5G核心网的个性化服务、大规模定制需求。

2.3 基于云原生的轻量级5GC方案

为达到各行业用户不同的组网要求，推出轻量级5GC是各运营商大力研究的重要技术，云原生借助自身多样的调度方法与容器技术去切合5GC核心网功能定制化裁剪的需要，各领域客户可按照需要对网元功能进行定制开发、快速部署。

2.4 基于服务化架构技术的业务方案

（1）网元功能被逐步分解。网络结构4G有固态栅极，可智能实现点对点连接，也可进行灵活调整、多功能固定，网络4G经常使用EPC元素。但在5GC中，会将网络元素从一个以上的领域通过API的挑战，以不同的组合方式扩大网络，并在网络内扩大、升级自动化服务。同时，网络接口也可自由连接到其他网络上，灵活程度高，可适应不同的传输方案。

（2）全面管理网络服务。网络功能存储（NRF）是5GC的重要组成部分，是非常灵活的网络服务管理工具，能在管理模式下实现注册、升级等功能，用户应用网络时可实现信息调用与授权，也可在用户关闭网络时自动停止，从而使网络的应用变得更为快捷。

（3）通信网关协议。4G网络采用EPC架构，与网络各部分间的通信协议包括SCTP、SS7协议、GTPv1协议。5GC以互联网和云计算为基础，网络连接主要以专业接头进行连接，第三方可通过网络和专业接口实现资料传输。

3 结束语

总而言之，云原生技术在开源技术的支持下不断丰富和落地，并从容器技术、容器编排技术为核心的生态向微服务、自动化运维扩展，当前云原生技术用于5G核心网还处在起步阶段，主要用于边缘计算场景。相信随着相关研究的深入和技术的进步，必将实现5G核心网与各相关产业的深度结合，促成通信网真正实现智能、敏捷、开放、云网融合的转型，助推各产业的智能化、快捷化发展。■