核心网的平台化架构研究*

张宏远，丁海峰，朱立洁

（1.上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200093；2.中国电信集团有限公司云网发展部，北京 100052；3.中国电信集团有限公司上海分公司，上海 200000）

0 引言

从程控电话网到现在的5G 移动通信网络，从固定语音通信到现在的移动多媒体通信，通信网络迅猛发展。数字中国建设离不开数据通信，通信网络为数字中国的政治、经济、文化、社会、生态提供基础通信能力。在数字产业发展的需求下，国内运营商也在努力建设融合、共享、高效的通信网络。中国电信在固移融合背景下，实现IP 城域网及无线回传网络统一承载[1]，广电的承载网融合则是为了最大化利用其丰富的机房、管道和光缆资源[2]。分析通信系统架构变革的历程，研究人员以服务为目标提出系统架构演进的规律和方向，提出“平台化服务网络”的发展理念[3]。

随着云计算技术的发展，核心网一直朝着云计算的方向演进。对于5G 来说已经有了开源系统，并支持Kubernetes 部署[4]，VoLTE 也可以通过开源无线接口平台项目（Open Air Inteface，OAI）及开源IMS 核心网项目（Open IMS Core）实现[5]。2020年，微软收购云原生网络解决方案提供商Affirmed Networks、核心网供应商Metaswitch，并着手与美国第二大移动运营商AT&T 达成协议，协助AT&T 将核心网部署在Azure 公有云上，计划像开超市一样向企业客户售卖核心网。作为通信网络的控制中枢，从核心网的功能出发，核心网的主要作用是进行终端鉴权、用户管理及交换控制等[6]，上云后没有了底层硬件的区别，则融合的核心网平台就成了一个选择。本文透过核心网的网元，直接从核心网的功能进行分析，探讨融合的核心网架构，在通信网络平台化演进的大趋势下，参考IT、业务系统架构，提出了核心网的平台化架构。

1 核心网功能分析

1.1 核心网功能演进

在程控交换机时代，固定核心网主要负责电路交换，随着接入终端类型的增加，固网业务类型增加，需要对终端进行接入鉴权，不同的业务需要进行鉴权。到了软交换、IMS 时期，业务承载演进到分组域，固定核心网不仅要鉴权、交换控制，还要负责链路的建立与切换。虽然固定核心网的主要任务是实现这些功能，但对于网络建设来说，核心网厂商一般把网络功能封装在不同的网元中，如软交换的媒体网关（Media Gateway，MGW）负责媒体交换，移动交换中心（Mobile Switch Center，MSC）负责业务控制、鉴权等功能，IMS 的呼叫业务与控制功能实体（Call Session Control Function，CSCF）网元负责呼叫业务与控制功能，归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）负责鉴权等。核心网设计就是根据业务需求对网元的布局、数量及配置进行规划设计，因此传统核心网的最小设计单元是网元。

移动核心网增加了移动性管理、移动切换、漫游等功能需求。如图1 所示，在2G、3G 时代，移动核心网的MGW、MSC 及归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）就实现了这些功能。4G 移动核心网演进为数据承载网，不同用户的业务承载QoS 需要不同的控制策略，因此移动核心网中叠加了PCC（策略控制与计费）功能。5G 核心网控制平面是在IT 服务架构基础上重新构建的移动核心网架构体系，网元之间以服务化接口进行互通[7-8]。5G 核心网的网元基本以功能命名，如接入管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、业务控制功能（Session Management Function，SMF）、网络切片管理功能（Network Slice Selection Function，NSSF）等，以前包含在MSC、移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）等核心网元中的用户鉴权功能单独由鉴权服务功能（Authentication Server Function，AUSF）来承接。

图1 移动核心网功能演进

1.2 以功能为核心的优势分析

从以上分析可以看出，核心网的本质是计费、鉴权认证、策略控制、话务控制、资源分配、接入控制等功能[9]，网元仅仅是封装这些功能的载体。在上云前，由于产品开发、设备管理、网络配置、运维等原因，利用网元概念可以简化核心网架构，快速进行网络建设，简化运维；上云后，每个网络功能作为可以云化部署的软件功能，核心网功能与业务平台、IT 等系统的软件功能并没有本质区别，因此核心网功能云化部署后，用网元对核心网功能进行封装就没有了必要性，直接对功能及能力进行规划设计，实现资源共享、弹性伸缩、快速部署，从而提高网络的效率和灵活性。在核心网中直接把网络功能作为网络设计、规划的对象，可以带来以下优势：

（1）把核心网功能作为网络规划、设计、部署的对象，让核心网规划、设计更贴近核心网的本质，避免网元中固定配置的多余功能封装，提高核心网的柔性及精确性。这种直接面向功能的核心网设计对于建设轻量化定制核心网具有重要意义。如图2 所示，4G 核心网MME、HSS 等网元封装了核心网功能，规划、设计颗粒度就只能是网元，如果以功能为目标则就可以更精细化地规划设计，有利于网络功能的演进与融合。

图2 核心网功能的归并

（2）直接以网络功能作为核心网的规划、设计对象符合核心网的服务化架构演进。服务化架构是以轻量级接口协议为基础，为网络功能、接口位置提供服务。不同垂直行业对核心网的差异化需求主要体现在功能的差别，若在建设核心网的过程中，仍使用传统的网元部署方式，容易忽略不同行业的功能区别，网元封装的功能难以适配不同垂直行业的定制化核心网业务特性。以网络功能作为目标后，核心网规划、设计就更容易体现行业功能要求[10]，并关注用户的上网要求，然后对网络功能进行分离设计，通过虚拟化技术提高网络功能。

（3）以功能作为核心网规划、设计的主要内容对核心网的布局与建设带来了新思路。目前核心网的规划设计的核心内容是网元的布局与配置，核心网容灾设计的主要内容是网元容灾。如果以功能为规划设计内容，有利于直接对网络功能制定合理的容灾策略，如鉴权认证功能就可以利用分布式数据存储、免鉴权、AI 智能鉴权、分级授权等方式来保障用户遇到核心网数据库故障时的基本业务。

（4）以功能为对象可以节省投资。每次网络升级换代后，网元类型会增加，网元功能也会有较大升级，因此从1G 到5G，每次升级都要新建核心网。核心网云化后，以功能为建设对象，则每次的网络升级换代都是一次功能升级。在功能升级的建设思路下，就可以利旧大部分的网络功能，仅需增补或升级部分功能，从而节省投资。

（5）以网络功能为对象有利于推进云网融合。传统核心网不仅软件功能与硬件紧密耦合，业务与网络也是耦合的，不同网元封装不同的功能，各网元之间采用不同的接口协议，如与HSS 交互需支持Diameter 协议。云网融合就是要充分利用云网资源，并结合云的高可用性、可扩展性及弹性扩缩容，此时以功能为对象更适合进行核心网与云的有效分工。

核心网向服务化架构演进，5G 核心网架构总体呈现出网元功能解耦、兼容万物互联、业务驱动的导向，但是核心网的标准架构还是单体架构[8]，只是借鉴了一些云原生的思路，如服务注册、服务发现等。厂商在实现的时候还是把每个功能体设计为封闭的网元，这显然不利于核心网的上云与云网融合。天地一体网络包含了多层次的异构子系统，其核心网的本质依然是交换控制、鉴权认证与资源调度，同时也对AI 智能控制提出了需求，从而实现算力度量、智能调度、实时编排[11]。因此，基于网元的核心网架构显然不能适应复杂多变的核心网需求，需要在通信网络平台化演进的大趋势下，对核心网架构进行创新研究。

2 核心网平台化架构

2.1 核心网平台化

平台化服务网络是移动通信的演进趋势[12]，并且平台化、服务化是移动通信网络服务能力拓展的必然要求。在1G 的时候，语音电话是移动通信的唯一业务，随后增加了短信业务；然后在2G 后期，随着数据能力的出现增加了多媒体消息；随着3G时期数据域增强能力，移动聊天、彩铃等业务也逐步开展；到了4G、5G 时期，大带宽、低时延、多链接的移动数据交换能力使得在线游戏、移动办公、直播等业务都能在通信网络上飞速发展。当承载少数几个业务时，移动通信网络可以为这些业务定制服务，当移动通信网络上承载了成百上千的业务后，移动通信网络已经不可能为单个业务去调整，此时移动通信网络已经变为一个平台，它为不同业务提供通用化的数据交换、基本位置能力等服务。

如图3 所示，互联互通的移动网络、卫星网络、固定网络共同构建了一个业务承载平台，其上承载了基础业务、融合业务及数字产业应用。

图3 通信网络的平台化

核心网是通信网络的控制与交换中心，最初的固定网络主要服务电报、电话业务，移动电路域也是与语音话务紧密结合。随着核心网承载、控制、业务的分离，现在的移动核心网、固定网也不再为单个业务服务，5G 核心网提供的AMF、SMF、用户数据管理（Unified Data Management，UDM）、AUSF 等都是与具体业务解耦的通用服务能力。在固网方面，IMS 也做到业务与控制的分离，每个业务都可以通过应用服务器提供相应的业务应用。综上所述，现在的移动核心网、固定核心网已经成为一个能力平台，以后随着固移融合，融合了固移能力的核心网平台将成为更大、更强的能力平台[9]。显然，核心网已经成为一个能力平台，在网络功能虚拟化（Network Function Visualization，NFV）、软件定义网络（Software Defined Network，SDN）等技术已经成熟的情况下，就应该按照平台化架构的目标去规划设计核心网，而不应该按照传统的网元单体架构去规划、设计。

核心网平台化演进将带来以下优势：

（1）支持多种应用场景。核心网平台化可以支持不同类型的应用场景，例如物联网、车联网、增强移动宽带等。平台化的核心网可以通过虚拟化、云化等技术来实现网络资源的共享和创新，为不同类型的应用场景提供更加灵活、可定制的网络服务。

（2）提高网络的灵活性和可扩展性。核心网平台化可以通过网络功能虚拟化、云化、软件化等技术的应用，提高网络的灵活性和可扩展性。这些技术可以帮助运营商更加方便地进行网络资源的配置和管理，提高网络的资源利用率和运行效率。

（3）降低网络运营成本。通过网络的平台化，可以实现网络资源的共享和协同工作，降低网络运营成本。平台化的核心网可以将网络资源虚拟化并统一管理，减少硬件设备的数量和维护成本，从而降低网络的运营成本。

（4）支持创新业务的快速推出。平台化的核心网可以通过开放接口、标准化协议等技术，支持创新业务的快速推出。开放接口和标准化协议可以降低新业务的接入门槛，为创新业务提供更加灵活、高效的接入方式。

（5）提高用户体验。平台化的核心网可以根据不同用户的需求和应用场景，提供更加个性化、定制化的服务。这可以提高用户的满意度和体验。

综上所述，核心网平台化有提高网络的灵活性、可扩展性，降低网络运营成本，支持创新业务的快速推出，提高用户体验等优势，具有重要的意义和价值。

2.2 平台化架构

网络体系架构被誉为网络研究“皇冠上的明珠”[13]，移动通信网络架构是数字世界的“三大架构”之一，我国的通信专家一直在探索核心网的新架构[3,14]，其中云化架构一直是他们研究的一个方向。云化架构强调的是核心网能力的分层解耦，解决的是核心网功能软件与硬件的解耦，目的是提升资源利用率和部署效率。云原生5G 核心网以实现现有网络功能的容器化为目的，重点是核心网功能的微服务化，在上云的基础上提高网络的弹性扩缩容能力[4,15]。核心网平台化架构是在云化的基础上实现核心网功能的分类归并，让核心网平台成为承载不同业务的通用能力平台。

核心网的平台化架构应该将核心网功能与业务应用解耦，对核心网功能进行归并管理，对业务进行柔性支撑。核心网需要支撑的业务众多，首先应按照业务应用对核心网的功能需求进行分析，对不同的核心网功能分而治之，让核心网平台以提供通用连接管理、话务管理、移动性管理为主，并在此基础上对通用的位置应用、消息转发、群组通话、预付费等提供开放能力。

如图4 所示，平台化的核心网架构包含接入层、核心功能层、开放能力层、智能运维、安全管理、公共数据等模块。接入层应满足宽带化、IP 化的接入能力，能满足政企专线、家庭网关、移动终端及卫星终端等不同通信终端的接入需求。核心网功能层是核心网通用能力的集合，媒体编码、转换，会话管理、移动性管理等在核心功能层按照系统功能架构重新组合，对外提供核心功能。在核心功能层之上，平台化的核心网可以提供开放能力层，对外部业务应用提供消息、定位、语音等业务能力。这些开放能力可以被外部的业务应用订阅或调用，并附加定制的其他功能形成不同的政企应用或信息通信融合（Information and Communication Technology，ICT）应用。智能运维模块负责核心网功能配置及管理，按应用需求配置功能实例或网络实例满足业务或网络切片的需求。核心网平台配备安全管理平台对用户数据、业务、网络进行安全管理。

图4 平台化核心网

2.3 核心网平台化架构的关键点

核心网还处于上云的初期，网元的虚拟化部署尚未普及，核心网平台化架构距离成熟部署还有很多技术问题需要解决，核心网的平台化架构建设也是一个逐步完善的过程。本文提出平台化架构是为了把核心网改造为一个开放的、融合的柔性网络能力平台。

2.3.1 开放性

核心网的架构一直是基于网元的单体架构，核心网产品被以网元的形态提供给运营商，网元对运营商来说就是黑箱。平台化架构就可以打开这种黑箱，让运营商不仅能够看到内部功能，还能编排功能，从而更精细地运营网络，让核心网从一个定制化的消费网络变成一个可以生产的网络。核心网平台化架构的开放性表现在以下几个方面：

（1）业务能力的开放。核心功能之间遵循开放的服务化接口，功能之间解耦，对新的业务可以通过能力编排来实现。

（2）平台软件、协议、代码的开放，保持核心网的长期升级与扩容。

（3）部署方式的开放。核心网平台不需要全部功能部署在一个资源池，不需要同样的容灾备份方式，每个功能按照其技术能力选择合适的部署地点与备份容灾方式。

2.3.2 融合性

“经”“权”关系的探讨源于孔子，孟子继承了孔子的经权学说并有所发展。孔子之所以成为儒家思想的集大成者，成为时之圣人，与其通权达变，灵活变通有着密不可分的关系。李有光（2011）认为，儒家正是因为从孔子始就强调“经”与“权”，即原则性和灵活性的对立统一、互动互存的关系，才使得儒术在历史长河中既坚守自己的伦理之道毫不动摇，又不断吸收新的思想成分，随着历史条件的变化而调整，从而最终确立了自身的国家意识形态和主流文化的地位。《论语》中多处体现着经主权辅，经权互变的思想。

平台化的核心网的融合性应体现在以下几个方面。

（1）核心网平台架构中应融合云、网、数、智、安等多要素，在融合云网技术的基础上提供数据、AI 及安全等多能力；

（2）融合性应体现在接入能力的多样性，无论移动终端还是固定终端，无论是中继接入还是Wi-Fi 接入，核心网平台应该提供融合的接入及控制能力；

（3）融合性体现在核心功能的融合，如接入鉴权功能应对所有接入方式的终端和用户提供鉴权能力。

2.3.3 柔 性

核心网平台要对外提供能力，而外部的需求具有不确定性，因此核心网平台应是一个柔性网络，能为不同的场景、不同的业务需求提供不同的基础能力，即通过“以应用服务为中心”渐进式重构3～7 层协议栈，实现应用服务“主动表达需求”，提供按需使用能力[13]。此外，柔性的核心网平台还应该能够在服务化的基础上提供定制化的切片网络实例，服务不同的客户。总之，平台化的核心网通过控制与转发的分离，分布式与集中式的融合，实现“全网可管控”，提供差异化能力[13]。

3 核心网平台化带来的新问题

3.1 建设方式

平台化核心网一定是部署在云上的软件系统，网络功能以NFV方式部署，云资源池提供硬件能力。平台比网元具有更长的生命周期，在系统架构允许的情况，平台只需要升级扩容功能，即使网络演进要6G，也不需要新建一个6G 核心网平台。

3.2 容灾方式

平台化后，容灾的对象是能力集，现有面向网元的1+1、N+1 及池化（pool）容灾方式不再适用。平台化后，核心网功能部署在云上，具体的核心网能力由云上的每台虚机或容器来完成，而这些虚机或容器本身具备了重生、迁移等能力。

此外，没有网元后，也就没有了网元门限、网元故障。平台化核心网的容灾需要考虑功能实例故障、单机故障及节点故障。这些故障容灾方式与现有的IT、业务平台容灾方式几乎相同，可选择的容灾技术也就多了。

3.3 运维方式

平台化的核心网应具备自动运维能力，包括自动化部署、自动化测试、自动化监控和自动化故障排除等功能。这些功能可以使运维人员更加高效地管理和运维网络，同时也能提高网络的可靠性和稳定性。

自动化运维所需要的这些功能或工具需要研究人员在平台化架构下不断研究、探索、试验，因此也对运维人员提出了更高的要求。

3.4 智慧核心网

平台化的核心网应具备数据分析能力，可以对网络中产生的大量数据进行分析和挖掘，让运营商及时、准确地了解用户的需求和行为，同时对网络运行数据进行分析，预测网络负荷，优化网络资源分配和使用，提高网络的用户体验和业务效益。

4 结语

通信网络是承载数字产业的基础平台，现有核心网的单体架构难以适应数字产业的多样化发展需求，本文从网络建设的角度对未来核心网的架构进行分析研究。作为通信网络的中心，核心网提供信令处理、用户数据传输、安全保障等功能。通过分析核心网的本质功能，再借鉴业务平台、IT 系统的架构优势，本文提出了核心网的平台化架构。核心网平台化架构是融合虚拟化、软件化、服务化等多种现有技术的面向数字产业的应用，满足多种接入方式的网络架构。核心网建设采用平台化架构后，各个核心网功能通过标准的应用程序接口（Application Programming Interface，API）互相调用，软件功能部署在虚拟化的服务器中，实现资源共享，同时能够进行自动化运维和智能数据分析。

虽然国内运营商都在推进核心网上云，但是核心网平台化架构的落地还需要解决服务功能之间的协作与通信问题，并需要实现自动化运维与数据分析。此外，核心网规划、设计目标从网元改为功能、系统架构，容灾方式也有了新的变化。核心网的平台化架构建设是一个逐渐推进的过程，功能上可以先从数据平台化建设、集中维护入手，并在小型的定制网中先行先试。