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自第一代行動(dòng)通訊(1G)到第四代行動(dòng)通訊(4G)的發(fā)展過程中，在無線接取網(wǎng)絡(luò)(RAN)技術(shù)上，自FDMA、TDMA、CDMA、到OFDMA，每一世代都明顯地被視為一項(xiàng)革命性技術(shù)；但是在核心網(wǎng)絡(luò)(Core Network)技術(shù)上，革命性就不那么顯著。大約只在3G世代歷經(jīng)過一次從電路交換到分封交換的一次重大變革。
考慮全球運(yùn)營商在之前的核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上投入了龐大的資金，大幅改變會(huì)影響服務(wù)持續(xù)性及收益，因此在3G階段的核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)革命，還很貼心地允許兩種交換模式共存并行了一整個(gè)世代，也就是運(yùn)營商可以自由選擇采用電路抑或分封交換的技術(shù)，直到4G世代才正式接軌到全I(xiàn)P化的分封交換核心網(wǎng)絡(luò)體系。
SDN/NFV為5G網(wǎng)絡(luò)革命關(guān)鍵
這個(gè)革命性進(jìn)程的意義是，核心網(wǎng)絡(luò)毋須再使用昂貴且復(fù)雜的專屬軟硬件設(shè)備，只要采用一般通用目的服務(wù)器(通常是x86 Server)和IP路由器、以太網(wǎng)絡(luò)交換器即可組成，使得核心網(wǎng)絡(luò)部署更進(jìn)一步降低成本，也減少了對(duì)單一解決方案提供商的依靠或被捆綁。也因此，產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)無線接取網(wǎng)絡(luò)每一代幾乎都是一場(chǎng)革命(Revolution)，而核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被認(rèn)定是不斷的演進(jìn)(Evaluation)。
面對(duì)2020年以后人類間甚至萬物間信息聯(lián)網(wǎng)社會(huì)的無線行動(dòng)通訊需求，第五代行動(dòng)通訊(5G)被業(yè)界視為一項(xiàng)寄以厚望地革命性技術(shù)，在無線接取技術(shù)面上的革新理所當(dāng)然，但是在核心網(wǎng)絡(luò)上的面向上，會(huì)不會(huì)有稱之為革命性的改進(jìn)呢？5G行動(dòng)通訊系統(tǒng)將是一個(gè)全方位服務(wù)多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)，通過ICT技術(shù)的演進(jìn)和創(chuàng)新，來滿足未來包含廣泛數(shù)據(jù)和連接的各種業(yè)務(wù)的快速發(fā)展需要，最終滿足以客戶端為中心的無線聯(lián)網(wǎng)需求，其中一個(gè)重要關(guān)鍵就在于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking, SDN)以及搭配網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network-Function Virtualization, NFV)兩項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。
傳統(tǒng)4G電信核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與挑戰(zhàn)
在進(jìn)入正題之前，我們先回顧一下傳統(tǒng)電信核心網(wǎng)絡(luò)是如何運(yùn)作的？以及它有什么缺點(diǎn)需要改進(jìn)？
首先請(qǐng)參考圖1，這是已經(jīng)全I(xiàn)P化傳統(tǒng)4G電信核心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作架構(gòu)及示意，它是一套封閉式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傾向單一設(shè)備負(fù)責(zé)單一專屬功能，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愃拼笮蛿?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，最上層是核心路由器(Core Router)層，中間為邊緣或接取交換器(Edge/Access Switch)層，下層是服務(wù)器數(shù)組(Server Farm)或儲(chǔ)存媒體網(wǎng)絡(luò)(Storage Network)，所有EPC的網(wǎng)絡(luò)組件(Network Enteritis)譬如管理用戶注冊(cè)和移動(dòng)性的MME、紀(jì)錄用戶帳戶就是在這些服務(wù)器上運(yùn)行。
圖1 傳統(tǒng)上LTE EPC核心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作在基于肥樹(Fat-Tree)的數(shù)據(jù)中心。
為避免單一節(jié)點(diǎn)或鏈路的損壞癱瘓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此采用肥樹(FAT Tree)為核心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一個(gè)兩層(2-Level)肥樹的示例，每任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間都有四條路徑，真正在運(yùn)作的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可能擴(kuò)展到三層或四層結(jié)構(gòu)，擁有更多的冗余備用路徑，以達(dá)到99.999%的高可用性(High Availability, HA)的可靠度要求。這個(gè)全封包(或稱全I(xiàn)P)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，即為改善數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間等性能，藉由將光纜或?qū)＞�延伸到無線接取網(wǎng)絡(luò)來支持高速、大量的無線用戶接取服務(wù)。
先撇開專屬的電信機(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)施和專線成本等造價(jià)不菲這件事，至少發(fā)現(xiàn)幾個(gè)問題。首先，考慮客戶的服務(wù)水平，必須展望未來中長(zhǎng)期業(yè)務(wù)量需求，一次部署到位，否則未來的任何微小的設(shè)計(jì)變更就會(huì)造成服務(wù)暫停，進(jìn)而減少收益和降低客戶滿意度。換言之即為缺乏部署彈性，網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算資源調(diào)度困難甚至于無法調(diào)度的問題。以MME或S-GW為例，它必須接受成千上萬個(gè)用戶頻繁地注冊(cè)和高強(qiáng)度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)送，一臺(tái)服務(wù)器可能無法負(fù)擔(dān)，因此勢(shì)必部署多臺(tái)，在它們前方還必須引進(jìn)額外地服務(wù)器負(fù)載平衡(Server Load Balancer)主機(jī)用以平均分配用戶流量。
另一種極端的例子是管理QoS的PCRF，其天生被賦予的工作可能很「清閑」，專門為它準(zhǔn)備一臺(tái)服務(wù)器又顯得有些浪費(fèi)。實(shí)務(wù)上無可避免地會(huì)有設(shè)備損壞或升級(jí)需求；或是新興的應(yīng)用服務(wù)導(dǎo)入，這些新興服務(wù)常需要與現(xiàn)行服務(wù)中網(wǎng)絡(luò)整合，愈多的軟硬件設(shè)備投資，復(fù)雜度高且整合測(cè)試耗時(shí)過長(zhǎng)，需要大量的技術(shù)人力支撐，影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平，難以實(shí)時(shí)推出這些新興服務(wù)，但支撐這些新興服務(wù)的專屬軟硬件設(shè)備生命周期卻又愈來愈短，這對(duì)傳統(tǒng)4G電信核心網(wǎng)絡(luò)都是一大挑戰(zhàn)。
再者是缺乏效率的問題，各網(wǎng)絡(luò)組件(服務(wù)器)間有著各類復(fù)雜的電信信令界面要頻繁地交互溝通，在前述架構(gòu)中又引進(jìn)了乒乓繞徑(Pinball Routing)的問題，若兩個(gè)欲溝通的組件同屬一臺(tái)邊緣交換器還好，但實(shí)務(wù)上可能分屬不同邊緣交換器，就必須借重核心路由器來轉(zhuǎn)送，整個(gè)數(shù)據(jù)路徑跳數(shù)(Hop-count)增加。
如前所述，當(dāng)前電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商面臨成本和收入之間的差距逐步增大，運(yùn)營商面臨巨大的資金投入。傳統(tǒng)4G電信核心網(wǎng)絡(luò)的一次性資本支出成本(CAPEX)或日常維運(yùn)管理成本(OPEX)都還有降低空間。再者，所有控制及服務(wù)流量都需要回到中心端機(jī)房集中管控，它的效能和服務(wù)質(zhì)量也未臻完美，是否有解決方案可以響應(yīng)這些挑戰(zhàn)？云端虛擬化技術(shù)搭配軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能是一個(gè)選項(xiàng)。
SDN/NFV控制與數(shù)據(jù)分層優(yōu)化架構(gòu)
從整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)看，3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程已經(jīng)步入真正意義的4G LTE-A (Release 13/14)世代，而云端虛擬化技術(shù)在IT業(yè)的日益成熟及成功又驅(qū)使行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)采用新的實(shí)現(xiàn)方式及新的商業(yè)模式，同時(shí)前十年迅速發(fā)展的諸多IT新技術(shù)也啟發(fā)了對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及業(yè)務(wù)部署的重新思考。
軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的概念是讓軟件來控制網(wǎng)絡(luò)，充分開放網(wǎng)絡(luò)能力，是一種具有控制信令與用戶數(shù)據(jù)分離(C-U Split)、網(wǎng)絡(luò)功能集中控制、開放應(yīng)用程序界面API這三大特征的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過引進(jìn)SDN的概念，可以將封閉垂直一體的傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一舉轉(zhuǎn)為彈性化、開放、高度整合、服務(wù)導(dǎo)向及確保服務(wù)水平的分層架構(gòu)。在引入SDN后，面臨的新挑戰(zhàn)是如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)，如何設(shè)計(jì)新增接口協(xié)議，進(jìn)而基于SDN實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的優(yōu)化以及端到端信令流程的優(yōu)化。另一方面，大量的復(fù)雜控制機(jī)制集中到SDN控制器上運(yùn)行，也降低了SDN交換器的采購、管理與替換等成本，連帶解決了被單一網(wǎng)通設(shè)備制造商綁定的問題。
與SDN部分概念相仿，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的理念之一也是在于解除特定軟硬件功能組件，被市場(chǎng)支配性廠商綁定的問題；其采用云端虛擬化為主的IT手段改造4G/5G核心網(wǎng)絡(luò)，采用泛用型伺服平臺(tái)(General Purpose Platform, GPP)構(gòu)建電信基礎(chǔ)環(huán)境，GPP設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模遠(yuǎn)大于專用電信設(shè)備，單位計(jì)算性能價(jià)格比遠(yuǎn)低于電信設(shè)備，并且成本下降和更新周期的幅度數(shù)倍于電信設(shè)備，這樣能夠以更低成本更快地引進(jìn)新IT技術(shù)和新IT設(shè)備，維持硬設(shè)備性能優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
透過NFV，既有專用4G核心網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能以軟件的方式虛擬化，并經(jīng)由云計(jì)算(Cloud Computing)相關(guān)技術(shù)，硬件資源虛擬化為多個(gè)VM(Virtual Machine)，利用云端計(jì)算的快速部署能力，使得各個(gè)EPC軟件網(wǎng)絡(luò)組件(Network Entity)容量配置調(diào)整周期從數(shù)周縮短到數(shù)分鐘，大幅提升EPC網(wǎng)絡(luò)組件部署和更新的敏捷性，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備容量按需求(On Demand)動(dòng)態(tài)彈性擴(kuò)充，確保系統(tǒng)的可維護(hù)性，負(fù)載平衡機(jī)制提升系統(tǒng)服務(wù)水平，每個(gè)VM可以遷移和重生，在本地或異地相互熱備援，進(jìn)一步確保網(wǎng)絡(luò)的高可靠性能。
EPC的相關(guān)軟件網(wǎng)絡(luò)組件硬件基礎(chǔ)資源及環(huán)境，可以由運(yùn)營商向獨(dú)立軟件系統(tǒng)開發(fā)公司統(tǒng)一購置或局部客制化，新興網(wǎng)絡(luò)服務(wù)藉此可更快速、靈活與彈性的部署，服務(wù)部署時(shí)間大幅縮短，且大幅降低服務(wù)器硬件基礎(chǔ)設(shè)施建置與維運(yùn)成本。如此一來，4G/5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和設(shè)備商的重點(diǎn)就能轉(zhuǎn)移到服務(wù)創(chuàng)新上，進(jìn)一步為電信營運(yùn)商創(chuàng)造更高的加值盈利服務(wù)收益營收。
由于NFV與SDN技術(shù)雙方的核心概念頗有相通之處，兩者具備互補(bǔ)整合之高度條件，因此目前4G核心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)虛擬化的工作中，多將NFV與SDN相提并論，兩者間未來可能的發(fā)展出的協(xié)同運(yùn)作模式亦值得探討。SDN負(fù)責(zé)Layer-4以下的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施暨低層網(wǎng)絡(luò)流量轉(zhuǎn)送的處理；而NFV則專責(zé)Layer-4以上的網(wǎng)絡(luò)上層應(yīng)用服務(wù)設(shè)施彈性靈活的資源調(diào)度，兩者相輔相成，營造出未來高效優(yōu)化的運(yùn)營商整合服務(wù)平臺(tái)。
而SDN/NFV一旦崛起，勢(shì)必將沖擊既有電信網(wǎng)絡(luò)生態(tài)鏈。目前4G/5G核心網(wǎng)絡(luò)上最重要的功能除了EPC之外就是IMS，其虛擬化方案分別被稱為vEPC及vIMS，由于IMS功能相對(duì)單純的多，亦常常也將其視為vEPC的一部分看待。vEPC為近年已成為網(wǎng)絡(luò)通訊產(chǎn)業(yè)的熱門議題，有多家全球性大型營運(yùn)商看好其發(fā)展?jié)摿Γ呀?jīng)共同成立NFV標(biāo)準(zhǔn)及推動(dòng)組織，其主要目標(biāo)在提供4G/5G核心網(wǎng)絡(luò)彈性與資源的有效利用。
vEPC趁勢(shì)崛起 促進(jìn)4G/5G核心網(wǎng)絡(luò)有效利用
vEPC為近年網(wǎng)絡(luò)通訊產(chǎn)業(yè)的熱門議題，有多家全球性大型營運(yùn)商看好其發(fā)展?jié)摿�，已�?jīng)共同成立NFV標(biāo)準(zhǔn)及推動(dòng)組織。目前最主要的組織由ETSI(European Telecommunication Standards Institute)轄下的一個(gè)專責(zé)ISG(Industry Specification Group)負(fù)責(zé)推動(dòng)，其主要目標(biāo)在提供4G/5G核心網(wǎng)絡(luò)彈性與資源的有效利用。
ETSI ISG NFV在2012年底由十三個(gè)全球具指標(biāo)性營運(yùn)商所發(fā)起，包含AT&T、BT、CenturyLink、China Mobile、Colt、DT、KDDI、NTT、Orange、Telecom Italia、Telefonica、Telstra、Verizon等主導(dǎo)，目有NFV ISG的成員已發(fā)展到超過數(shù)百家廠商暨個(gè)人會(huì)員參與，其中包括世界上主要的資通訊服務(wù)供貨商，以及來自電信業(yè)的代表和IT廠商。 NFV ISG的主要職能就是制定支持這些虛擬功能硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施的要求和架構(gòu)規(guī)范，以及發(fā)展網(wǎng)絡(luò)功能的指南。工作組的工作將視情況整合現(xiàn)有的虛擬化技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，并與其他標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正在開展的工作相配合，并將深化推動(dòng)NFV相關(guān)技術(shù)的未來發(fā)展方向，以期建立全NFV化的電信運(yùn)營商先導(dǎo)示范網(wǎng)絡(luò)為主。
ETSI提出的NFV-MANO(NFV Management and Orchestration)參考架構(gòu)(圖2)，這個(gè)開放架構(gòu)為分層模塊化設(shè)計(jì)，階層之間的通訊和接口采用產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以確保模塊間的互操作性，這個(gè)平臺(tái)的開放和模塊化本質(zhì)，促成了互操作性和更大的客戶選擇性，允許客戶針對(duì)特定的vEPC需求，選擇搭配適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。
圖2 基于數(shù)據(jù)信令分層優(yōu)化的新式vEPC概念框架。
NFV-MANO分層管理三大核心系統(tǒng)：
1. 基礎(chǔ)設(shè)施層(NFV Infrastructure, NFVI)：將實(shí)體計(jì)算/儲(chǔ)存/網(wǎng)絡(luò)等資源通過虛擬化轉(zhuǎn)換為一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施資源池，以提供上層應(yīng)用程序運(yùn)行的虛擬化平臺(tái)。NFV-MANO參考模型中相對(duì)應(yīng)的管理模塊為Virtualized Infrastructure Manager(VIM)，功能與角色就是目前OpenStack最適合扮演的云端管理機(jī)能，但OpenStack目前與NFV協(xié)同作業(yè)能力仍不夠成熟，需要大量的功能擴(kuò)展來支持vEPC。
2. 虛擬網(wǎng)絡(luò)功能層(Virtual Network Functions, VNF)：為EPC核心網(wǎng)絡(luò)，只是每個(gè)原本實(shí)體化網(wǎng)絡(luò)組件都被映像為一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)組件，由NFVI來承載，并提供所需的虛擬化計(jì)算資源，VNF之間的接口依然采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)定義的信令接口(3GPP)，大多數(shù)既有EPC網(wǎng)絡(luò)組件都可以不須修改直接在VM上運(yùn)行。NFV-MANO參考模型中相對(duì)應(yīng)的管理模塊為VNF Manager(VNFM)，負(fù)責(zé)各VM的開啟與關(guān)閉，當(dāng)資源不足或過剩時(shí)并可加入(Add)或移除(Drop)相應(yīng)的運(yùn)算資源。
3. 營運(yùn)支持管理層(OSS)：為目前的OSS/BSS系統(tǒng)，提供管理層協(xié)作能力，并須要為虛擬化及商業(yè)/服務(wù)模式進(jìn)行必要的修改和調(diào)整，以應(yīng)付更多樣化的5G業(yè)務(wù)需求，如網(wǎng)絡(luò)切分(Network Slicing)、加值服務(wù)鏈(Value-added Service Chain)等。NFV-MANO參考模型中相對(duì)應(yīng)的管理模塊為NFV Orchestrator(NFVO)，負(fù)責(zé)各高層次的營運(yùn)管理流程，如服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和NFVI資源的關(guān)聯(lián)和映像，與新興服務(wù)部署的排程、關(guān)聯(lián)和映射等。
圖2左下部，原SGW/PGW的用戶平面功能(即SGW-u及PGW-u)，以SDN OpenFlow規(guī)則組(RuleSet)的形式被部署在SDN Switch上運(yùn)行，原有EPC接口如S5、S8等根本上消失了，80%以上的用戶數(shù)據(jù)流量可由SDN Switch直接轉(zhuǎn)送，提升Layer-3以下封包轉(zhuǎn)送效率，降低延遲、提高QoS；甚至進(jìn)一步可以將部分Layer-4的封包前置處理動(dòng)作，如EPC中重要的GTPv2穿隧協(xié)議(Tunneling/Detunneling)、控制層協(xié)議的識(shí)別和分類(Control-Plane Signaling Indicating & Classificating)，甚至封包表頭的進(jìn)階置換功能如電信等級(jí)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(CG-NAT)等。剩余不到20%的控制信令流量，在EPC中通常以SCTP協(xié)議的形式封裝，SDN Switch中的規(guī)則可以輕易在IP表頭中識(shí)別出來，并轉(zhuǎn)送給默認(rèn)的相應(yīng)EPC網(wǎng)絡(luò)組件處理即可。如此SDN架構(gòu)大幅減少乒乓繞徑現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量本地卸除，在最短路徑沿路上轉(zhuǎn)送過程中順帶完成EPC L2~L4加值功能，達(dá)成低延遲、QoS、SLA等服務(wù)需求。
圖2左上部，藉助NFV，大多的EPC網(wǎng)絡(luò)組件都已經(jīng)被虛擬化，原MME/HSS之功能，以VM型式在云端虛擬化平臺(tái)運(yùn)行，此架構(gòu)不再有實(shí)體上的MME/HSS等EPC網(wǎng)絡(luò)組件存在，原有EPC接口如S6a、S11等，可以直接在云端虛擬化平臺(tái)的虛擬網(wǎng)卡間，透過網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能如往常般運(yùn)行，若業(yè)者想追求更高效能，亦可考慮將這類接口改以VM間通訊VMCI(Virtual Machine Communication Interface)型式改寫，預(yù)期可進(jìn)一步優(yōu)化信令交換的效能。
vEPC運(yùn)轉(zhuǎn)效能和服務(wù)質(zhì)量
目前諸多被提出的5G新興應(yīng)用服務(wù)都需要極高的移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速率，而且對(duì)于傳輸延遲或延遲抖動(dòng)等QoS性能非常敏感，對(duì)于UE經(jīng)由RAN透過EPC最后到達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域(Application Field, AF)的端對(duì)端(End-to-End)延遲的要求極高。為此，未來的5G行動(dòng)通訊系統(tǒng)就應(yīng)該具有盡可能高的服務(wù)質(zhì)量，特別是傳輸速率和即低延遲的特性上，以適用未來的各種新樣態(tài)4G/5G行動(dòng)通訊應(yīng)用場(chǎng)景。
將EPC核心網(wǎng)絡(luò)上云端，當(dāng)三年前有人提到這項(xiàng)概念時(shí)，大概會(huì)被同業(yè)引為笑談，原因就在于電信產(chǎn)業(yè)的收益，高度倚靠高強(qiáng)建性、高可靠性的專屬電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而云端聯(lián)想到因特網(wǎng)這些名詞，給人不太可靠的刻板印象。時(shí)至今日，當(dāng)電信產(chǎn)業(yè)過半的收益來自于因特網(wǎng)接取時(shí)，EPC核心網(wǎng)絡(luò)上云端就不一定是個(gè)笑話了，為提供用戶更順暢的接取體驗(yàn)，傳統(tǒng)上客戶端手機(jī)(UE)經(jīng)由基站(eNB)再透過Backhaul接入后端機(jī)房的EPC，信令經(jīng)過MME、數(shù)據(jù)經(jīng)過S-GW/P-GW等設(shè)施后，最后經(jīng)由SGi接口接回網(wǎng)絡(luò)(Internet)。
這一段漫長(zhǎng)的旅途其實(shí)是相當(dāng)沒有效率的，因此，有業(yè)者靈機(jī)一動(dòng)，干脆把eNB后面直接拉個(gè)SGi接口可以直接接入Internet，省卻后頭一大堆繞路的動(dòng)作。這種概念在3GPP規(guī)范中已經(jīng)搭配小基站(Smell-cell/Femto-cell)的運(yùn)作被提出了：本地IP存取(Local IP Access, LIPA)與選擇IP流量卸除(Selected IP Traffic Offload, SIPTO)技術(shù)為，其概念上就好像有個(gè)簡(jiǎn)化的核心網(wǎng)功能被往前推進(jìn)到跟基站部署在一起，稱之為輕核網(wǎng)(EPC Lite)。
目前已知5G網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)高用戶密集度接取的需求，這類需求往往被產(chǎn)業(yè)聯(lián)想到云端無線電接取網(wǎng)絡(luò)(C-RAN)的概念上。以一臺(tái)x86服務(wù)器當(dāng)作Baseband Unit(BBU)，可控制多臺(tái)功能大幅簡(jiǎn)化的無線頭端Remote Radio Heads(RRHs)，非常適合小基站的部署情境需求，而這臺(tái)擔(dān)任BBU角色的一般用途服務(wù)器，正好也承擔(dān)了運(yùn)行輕核網(wǎng)功能的責(zé)任，使得高密度小基站的部署暨維運(yùn)成本進(jìn)一步降低，而用戶的經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量反而進(jìn)一步提高。
對(duì)后端核心網(wǎng)而言，選擇租用一因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心或稱之為云端數(shù)據(jù)中心的云端服務(wù)來運(yùn)作，可行性的就變得相對(duì)提升了，因?yàn)闊o線接取網(wǎng)絡(luò)(基站端)和核網(wǎng)間的信令交互和數(shù)據(jù)流量都變得沒有那么重負(fù)載(Heavy Loading)，頂多在用戶注冊(cè)登入網(wǎng)或移動(dòng)時(shí)，有小量信令交握，因此中間接續(xù)的專線或暗光纖(Dark Fiber)重要性就不若以往，改以印象中較「不可靠」的因特網(wǎng)接取鏈路就無可厚非了。
另一方面，一旦用戶移動(dòng)超過原本基地臺(tái)的覆蓋范圍，就必須進(jìn)行如前所述的復(fù)雜換手程序，倘若這些繁復(fù)的流程不再需要回到EPC，而可以在兩個(gè)基地臺(tái)間快速的完成溝通，僅需在換手成功后將必要的信息在事后對(duì)EPC回報(bào)即可，那么換手的速度就可以加快，一定程度改善了5G網(wǎng)絡(luò)在高速移動(dòng)方面的性能。圖3左半部說明了vEPC在運(yùn)作效能和服務(wù)質(zhì)量上可能的貢獻(xiàn)。
圖3 vEPC在效能、服務(wù)質(zhì)量、高效能暨高可靠性之運(yùn)作示例。
vEPC可靠性與高可用性
目前3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織研議中的諸多5G新型態(tài)之服務(wù)模式，所須處理的高密度、大量通訊聯(lián)結(jié)等問題，都在在顯示出5G核心網(wǎng)絡(luò)需要能夠承受之系統(tǒng)容量與穩(wěn)定度不可同日而語。在這方面，云端虛擬化的優(yōu)勢(shì)也就順勢(shì)發(fā)揮出來，在NFVI層次提供冗余保護(hù)，不再倚靠實(shí)體模塊；云端虛擬化資源的抽象屬性使得其上運(yùn)行的VNF不會(huì)由于某個(gè)實(shí)體服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)連接出錯(cuò)而產(chǎn)生服務(wù)中斷。
譬如說，EPC關(guān)鍵組件如MME的虛擬機(jī)(VM)可以運(yùn)行多份副本，其間以云端的熱備援(Hot Standby)技術(shù)互為N+1備援，一旦主要的VM出錯(cuò)，備用的VM在幾分之一秒內(nèi)就可以接手，用戶完全感覺不到EPC的服務(wù)曾經(jīng)短暫中斷過。如果擔(dān)心多個(gè)VM運(yùn)行在單一數(shù)據(jù)中心內(nèi)還是有「雞蛋放在同一個(gè)籃子」的隱憂，反正數(shù)據(jù)中心的服務(wù)價(jià)格低廉，業(yè)者可以再租用一個(gè)備用的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行備用虛擬核心網(wǎng)功能，一旦主要的虛擬數(shù)據(jù)中心(VDC)出錯(cuò)，備用的VDC也可以在幾秒內(nèi)完成異地備援的功能，對(duì)用戶服務(wù)持續(xù)性不至于有太大的沖擊。圖3右半部，這些熱備援能力無論是在本地還是異地，皆是云端虛擬化技術(shù)的基本功夫，毋需太大的建置成本投入即可達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。
特別值得一提的是，這類技術(shù)在3GPP建議中，RAN和EPC間最好能搭配群播(Multicast)、任意播(Anycast)這類先進(jìn)IP遞送技術(shù)才能進(jìn)一步地優(yōu)化，但是目前以IPv4為基礎(chǔ)的Internet主干，尚無法有效提供這類的遞送服務(wù)，而解決方案早已經(jīng)推動(dòng)一陣子了，就是大家耳熟能詳?shù)腎Pv6技術(shù)，目前Internet全面IPv6化的部署時(shí)程仍舊落后，這是因特網(wǎng)運(yùn)營商們有待加速推動(dòng)的問題，我們也期待vEPC的風(fēng)潮也許能對(duì)IPv6的普及化起到拉抬的效果。
vEPC連接性、可服務(wù)性與部署彈性
為了支持新興的服務(wù)模式與大量增加的性能要求，5G研究提出一些必要的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)特性，如部署大量的小型基地臺(tái)(Small-cell)，期望增進(jìn)其系統(tǒng)用戶容量與單位用戶密度，并支持大規(guī)模高達(dá)數(shù)十億個(gè)感測(cè)節(jié)點(diǎn)的資料收集和轉(zhuǎn)送，以滿足無線物聯(lián)網(wǎng)(Machine Type Communication, MTC)的大數(shù)據(jù)與巨量需求。這些需求勢(shì)必加重EPC網(wǎng)絡(luò)的在系統(tǒng)規(guī)模及延展性能上的負(fù)擔(dān)，由于這些要素都涉及大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建置成本，不是單一家行動(dòng)通訊運(yùn)營商能夠獨(dú)立負(fù)擔(dān)的，因此共同打造、分享網(wǎng)絡(luò)資源，譬如網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分離或機(jī)房、基站共構(gòu)等構(gòu)想，是公認(rèn)較為可行的辦法。
在未來的5G行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，MTC預(yù)期將成為一項(xiàng)重要的應(yīng)用。為了滲透到更多行業(yè)的MTC服務(wù)中，5G行動(dòng)通訊系統(tǒng)應(yīng)具備更強(qiáng)的靈活性與適應(yīng)性，以適應(yīng)巨量的終端設(shè)備連接(Massive Connection)與多樣化的用戶需求。為此，5G的MTC服務(wù)須按照一定政策將用戶流量分群(譬如同屬一個(gè)業(yè)者或應(yīng)用服務(wù)、具有同樣的QoS或SLA等級(jí)、有較重的相互通訊需求、在鄰接地理區(qū)域、有相仿的流量行為特征等)，歸屬到同一個(gè)虛擬區(qū)域網(wǎng)(VLAN)內(nèi)。
透過EPC中PCRF組件做為政策決策點(diǎn)(Policy Decision Points, PDP)，形成前述QoS政策，夠過OpenStack經(jīng)由SDN控制器轉(zhuǎn)換為SDN的Ruleset部署到每一臺(tái)SDN交換器，做為政策執(zhí)行點(diǎn)(Policy Enforcement Points, PEP)，以賦予不同VLAN所需要的QoS等級(jí)，vEPC可以為每一運(yùn)營商運(yùn)行獨(dú)立的VM Instance，除了保障各運(yùn)營商的業(yè)務(wù)私密性外，并可依不同的服務(wù)等級(jí)隔離各方的流量；除此之外，不同的服務(wù)模式(如MTC/UDN等)也可以依同樣概念予以分流，以滿足傳統(tǒng)行動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)中，完全不具備此類EPC基礎(chǔ)設(shè)施共構(gòu)服務(wù)提供能力的需求。
擁有了這類網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度的能力，未來運(yùn)營商可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求可彈性增加和控制虛擬設(shè)備及加值服務(wù)，毋須像目前一樣新增、改變每個(gè)服務(wù)都要相應(yīng)改變其網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等基礎(chǔ)設(shè)置，新興應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)周期將可大幅縮短。
圖4下半部說明了這種加值服務(wù)鏈(Value-Added Service Chain)的運(yùn)作釋例，用戶UE1經(jīng)由VLAN1提供CG-NAT服務(wù)，UE1的流量將被引導(dǎo)至提供服務(wù)的SDN交換器上，以預(yù)先部署之CG-NAT RuleSet完成NAT轉(zhuǎn)換動(dòng)作。用戶UE2很不幸地是一位被檢調(diào)機(jī)關(guān)列管的刑事案件嫌疑犯，系統(tǒng)必須在客戶本人不知情的狀況下，提供DPI(深度封包檢測(cè))或LEA(合法監(jiān)聽)服務(wù)，經(jīng)由VLAN2將UE2的流量引導(dǎo)至提供服務(wù)的SDN交換器上，以預(yù)先部署之Port Mirror RuleSet將封包復(fù)制到DPI/LEA VM服務(wù)器上，完成深度封包檢測(cè)或合法監(jiān)聽紀(jì)錄程序，而正常的用戶數(shù)據(jù)傳輸路徑不受影響。用戶UE3訂購了防火墻(FW)加值服務(wù)，經(jīng)由VLAN3，其流量被轉(zhuǎn)送至FW的VM，完成防火墻封包過濾動(dòng)作后，再轉(zhuǎn)送回?cái)?shù)據(jù)流正確路徑上。
圖4 vEPC在連接性、可服務(wù)性與部署彈性之運(yùn)作示例。
vEPC高度擴(kuò)展性與持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中可維護(hù)能力
電信產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施是要求高度擴(kuò)展性的，需要提供的數(shù)據(jù)容量越來越大、更復(fù)雜且需要更多數(shù)據(jù)的運(yùn)算能力和互聯(lián)設(shè)備數(shù)量也隨之越來越多，而且用戶要求的服務(wù)等級(jí)也變得越來越嚴(yán)格。
云端虛擬化對(duì)于上層運(yùn)行的應(yīng)用程序來說是一種理論上無限資源的概念，vEPC可根據(jù)需要增加或減少資源使用，在任何時(shí)候都僅使用正確大小的資源，達(dá)到高效利用整體資源的目的，而4G/5G運(yùn)營商們希望利用云端的這種特性來減少OPEX支出。在NFVI除了提供冗余保護(hù)機(jī)能外的另一面向，就是使得虛擬資源和VNF能動(dòng)態(tài)地被管理，包括VM的添加和移除，確保了運(yùn)行的每個(gè)vEPC功能都能夠一直保持正確的配置和運(yùn)行環(huán)境。
但是不幸地，前述動(dòng)態(tài)資源調(diào)度的美好概念，在既有應(yīng)用程序不改寫的前提下，其實(shí)是受限于單一服務(wù)器的整體資源�？紤]電信產(chǎn)業(yè)的NFV規(guī)模早已超越單一實(shí)體服務(wù)器，并無法適應(yīng)5G的vEPC所需的巨型規(guī)模。電信業(yè)需要的是匯集若干實(shí)體服務(wù)器的整體資源，提供一可擴(kuò)展的NFVI空間，在運(yùn)行的NFV不受影響的前提下，底層的NFVI資源可以動(dòng)態(tài)增加或減少，這在目前還是遙不可及的夢(mèng)想。因此，vEPC在設(shè)計(jì)上就要進(jìn)行額外地信令交握處理，才得以滿足擴(kuò)展性甚至可維護(hù)性的需求。
圖5顯示，一旦單一MME所需的VM資源需求，已經(jīng)超越一臺(tái)實(shí)體服務(wù)器所能提供的全部資源時(shí)，這時(shí)勢(shì)必要在另外一臺(tái)實(shí)體服務(wù)器上創(chuàng)建第二套以上的MME VM案例，形成一個(gè)MME池(Pool)，才能有效地承受更大的業(yè)務(wù)量，至于登入網(wǎng)的客戶端究竟要對(duì)哪一套MME副本注冊(cè)，就需要服務(wù)器負(fù)載平衡(Server Load Balancing, SLB)機(jī)制介入了。
圖5 vEPC在高度擴(kuò)展性與可維護(hù)能力之運(yùn)作示例。
傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必需有一套負(fù)載平衡服務(wù)器，主持對(duì)后方MME Pool中各個(gè)MME網(wǎng)絡(luò)流量的平均分配，這又構(gòu)成了流量瓶頸或單點(diǎn)失誤的可能性。所幸SDN的強(qiáng)項(xiàng)即在此處，SLB功能此時(shí)幻化為一虛擬功能，在S1-MME接口上進(jìn)行從簡(jiǎn)單地輪詢(Round-Robin)到更復(fù)雜的高階SLB RuleSet，完成入口信令對(duì)MME Pool的分配工作。
但是任務(wù)并未結(jié)束，由于對(duì)MME1注冊(cè)的用戶和注冊(cè)在MME2的用戶之間，會(huì)有相互尋找對(duì)方的需要，3GPP R10規(guī)范中已經(jīng)考慮到這個(gè)需求，創(chuàng)建了S10接口主其事，已完成在MME Pool內(nèi)部交換并同步用戶注冊(cè)信息的任務(wù)；在這個(gè)場(chǎng)景中，一旦有某臺(tái)實(shí)體服務(wù)器發(fā)生硬件錯(cuò)誤警示時(shí)，vEPC高層管理功能必須先將對(duì)其上層MME VM注冊(cè)的用戶進(jìn)行MME換手(MME Handoff)的動(dòng)作，透過S10接口的協(xié)調(diào)將其平均遷移到其他的MME VM上，此時(shí)管理人員就可將此MME VM連同損壞的實(shí)體服務(wù)器一起移除(Drop)。此時(shí)剩余的MME VM的負(fù)擔(dān)會(huì)加重，可能需要調(diào)度一臺(tái)正常的實(shí)體服務(wù)器加入(Add)Server Pool，創(chuàng)建新的MME VM后，再透過MME Handoff程序?qū)⒂脩粢苹�，重新達(dá)到各MME VM的負(fù)擔(dān)平衡狀態(tài)。
考慮SGW也有類似的需求，注意SGW-u的網(wǎng)絡(luò)組件已經(jīng)被虛擬化成為SDN的RuleSet了，類似SGW Handoff的動(dòng)作也可以在MME的指揮下完成，將歸屬于某臺(tái)SGW的用戶遷入或遷出，以滿足當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交換能量不足時(shí)添加、或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備損壞時(shí)替換SDN Switch的可行方法。
押寶vEPC市場(chǎng) 人才培育為首要任務(wù)
在數(shù)據(jù)流量大幅成長(zhǎng)、延遲敏感度應(yīng)用快速發(fā)展、聯(lián)網(wǎng)人口與裝置數(shù)量及空間密集度大幅增加，以及創(chuàng)新加值應(yīng)用快速發(fā)展等5G等級(jí)需求趨勢(shì)下，SDN搭配NFV的特質(zhì)勢(shì)必會(huì)讓電信產(chǎn)業(yè)的運(yùn)作帶來結(jié)構(gòu)性的改變，并沖擊現(xiàn)有的電信網(wǎng)通設(shè)備制造、電信系統(tǒng)整合(前兩者可合稱為電信解決方案提供產(chǎn)業(yè))，以及電信運(yùn)營等產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
在電信解決方案提供產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)階段諸多廠商為搶占市場(chǎng)話題性，先期將產(chǎn)品推出市場(chǎng)，其他族繁不及備載的實(shí)力派網(wǎng)通大廠有如過江之鯽，近兩年多來，可以說每一家都在積極布局vEPC市場(chǎng)，大家都摩拳擦掌，企圖在5G這關(guān)鍵一役中，將傳統(tǒng)4G的既有市場(chǎng)主導(dǎo)廠商如ALU、Ericsson、Nokia及華為等趕下寡占市場(chǎng)的寶座，當(dāng)然這些廠商也不會(huì)坐以待斃。在未來1～2年內(nèi)，預(yù)計(jì)隨時(shí)有新的5G vEPC的產(chǎn)品暨解決方案推陳出新。
在運(yùn)營商方面，原本復(fù)雜的電信核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用新的vEPC軟件架構(gòu)重新建構(gòu)后，對(duì)內(nèi)管理與對(duì)外應(yīng)用服務(wù)的推動(dòng)，其技術(shù)門坎仍需要時(shí)間研究克服與調(diào)整，所幸云端虛擬化和網(wǎng)通專業(yè)的人才市場(chǎng)活絡(luò)，相對(duì)于市場(chǎng)偏小的電信核心網(wǎng)絡(luò)工程暨維運(yùn)管理人才，顯得供給充裕。業(yè)者在引入vEPC后，面臨的新挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)組件功能面的合并與重整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化并由此而帶來的信令流程的優(yōu)化；至于電信網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)支持管理和新興服務(wù)類的工作負(fù)擔(dān)預(yù)期只會(huì)簡(jiǎn)化，這一點(diǎn)和傳統(tǒng)架構(gòu)的電信核心網(wǎng)絡(luò)需求取向大異其趣。
vEPC還在持續(xù)演進(jìn)中，目前還沒有專家敢斷言它未來會(huì)呈現(xiàn)何種樣貌，可以確定的是它被公認(rèn)將在2020年前掀起下一波電信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)新革命。它所帶動(dòng)的服務(wù)器、SDN交換器、云端虛擬化軟件、電信加值應(yīng)用服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈，一向都是臺(tái)灣資通訊產(chǎn)業(yè)界的強(qiáng)項(xiàng)，相信嗅覺敏銳的國內(nèi)廠商早已開始前瞻布局，但路程上仍有諸多挑戰(zhàn)及發(fā)展瓶頸尚待克服。
舉例來說，vEPC發(fā)展過程中所需要高能計(jì)算平臺(tái)、IP網(wǎng)絡(luò)、4G/5G接取技術(shù)、電信核心網(wǎng)絡(luò)、云端虛擬化、營運(yùn)支持與管理、創(chuàng)新應(yīng)用服務(wù)等跨領(lǐng)域的vEPC系統(tǒng)架構(gòu)師角色，由于傳統(tǒng)上前述各單一領(lǐng)域就已經(jīng)「幅員廣大」，單一領(lǐng)域內(nèi)的研發(fā)工程人才很難有跨領(lǐng)域的歷練，會(huì)是我國以代工為主軸的人才市場(chǎng)中，預(yù)期會(huì)非常短缺的高層次系統(tǒng)人才，而這類人才早需在二十年前即必須開始在多樣化業(yè)界間歷練培養(yǎng)，不是學(xué)�？梢耘嘤�(xùn)的出來，當(dāng)然也不是廠商現(xiàn)階段砸錢就可輕易搶得到手的。這項(xiàng)人才因素，將是我國資通訊產(chǎn)業(yè)在vEPC這一役中，能否掌握市場(chǎng)成功契機(jī)的關(guān)鍵。
作者系：資策會(huì)智通所并擔(dān)任5G vEPC計(jì)劃主持人 賈文康
作者：賈文康 來源：大話IT
