鐘 旻

1 SDN 在5G 網(wǎng)絡(luò)中的應用

1.1 SDN 的基本概念和原理

圖1是一個簡單的通信網(wǎng)絡(luò)示意圖。為了實現(xiàn)用戶之間的互聯(lián)通，需要有中間（交換）節(jié)點和連接鏈路。這些節(jié)點的主要功就是轉(zhuǎn)發(fā)，它們可以是路由器，網(wǎng)關(guān)，交換機或子網(wǎng)等。

圖1 簡單的通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

在互聯(lián)網(wǎng)的OSI 分層中，網(wǎng)絡(luò)層處于第3層，其主要功能有：

（1）傳輸路徑確定：網(wǎng)絡(luò)層必需確定信息數(shù)據(jù)包（分組）從發(fā)送用戶到接收用戶所流經(jīng)的路徑，即路由的選擇。

（2）交換：以路由器作為交換節(jié)點為例，當某一數(shù)據(jù)分組到達一路由器的入口時，路由器必需將它送到適當?shù)妮敵龆丝诤玩溌?，也即將來自某一鏈路的?shù)據(jù)包交換輸出到另一鏈路去，最終轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

（3）建立呼叫：一般，在數(shù)據(jù)實際發(fā)送之前，發(fā)方與收方之間應先“握手”，以建立所需狀態(tài)信息（如序列號和初始流控制窗口的大小等）。

交換節(jié)點設(shè)備的組成包括硬件與軟件，仍以路由器為例，它包含一中央處理器（CPU），是路由器的核心；此外，還有多種內(nèi)存，用作存儲配置，路由器操作系統(tǒng)，路由協(xié)議軟件等內(nèi)容。

路由協(xié)議的核心是路由算法，用來確定所轉(zhuǎn)發(fā)分組的傳送路徑。對于給定的一組路由器，通過路由算法找到一條從源到目的地“好”的路徑，“好路徑”普遍公認的一條標準，是“成本最低”。當所有鏈路成本相同時，最低成本的路徑也就是最短路徑，即源與目的地之間的鏈路數(shù)最少。當然，考慮到網(wǎng)絡(luò)運行的動態(tài)變化，以及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先等級等，還有其他一些路由準則和算法。

一旦路由確定之后，便要指令數(shù)據(jù)（包）沿指定的路徑傳送，因此需要有一套控制功能。于是在網(wǎng)絡(luò)層中形成了控制與數(shù)據(jù)平面。通常，控制平面與數(shù)據(jù)平面是捆綁在一起的。對于規(guī)模很大、種類繁多的復雜網(wǎng)絡(luò)而言，會給制造商、運營商或來諸多挑戰(zhàn)，如為了擴展和增加新的業(yè)務，必需補充新的硬件和軟件，這就要增加資金和時間的投入。為有效應對諸如此類的挑戰(zhàn)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN，Software Defined Networking）便應運而生。

按照ONF（Open Networking Foundstion）的定義，SDN 是動態(tài)的、可管理的、高性價比的和適用性強的技術(shù)，這里，控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和基本的基礎(chǔ)設(shè)施分離（去耦），對于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務和應用是直接可編程的。SDN 的基本架構(gòu)概念如圖2所示[1]。

圖2 SDN的基本架構(gòu)概念

圖2中，管理平面包含功能，如路由、業(yè)務工程，利用該平面功能和應用程序接口（API）來管理和控制基礎(chǔ)設(shè)施；控制平面是控制數(shù)據(jù)的平面，邏輯上集中在控制器內(nèi)；數(shù)據(jù)平面是由互聯(lián)的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備是用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的硬件或軟件；北邊接口是由控制平面開發(fā)網(wǎng)絡(luò)控制和管理應用提供的應用接口；南邊接口是（對數(shù)據(jù)平面程序的指令集）+（控制與數(shù)據(jù)平面之間的協(xié)議）。據(jù)報導，Open Flow 是較早推出的一種用于南邊接口的軟件工具。

圖3給出了SDN 與傳統(tǒng)（常規(guī)）網(wǎng)絡(luò)基本組成的比較[2]。

圖3 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與SDN網(wǎng)絡(luò)基本組成的比較

由圖3可見，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是基于硬件構(gòu)成的，不同網(wǎng)絡(luò)種類的交換節(jié)點的硬件配備不同的支持軟件，這樣，就限制了運作的通用性。在SDN 中，用軟件來調(diào)度和管理網(wǎng)絡(luò)，其核心是控制平面與數(shù)據(jù)平面分離（去耦），將復雜的控制邏輯功能集中到控制平面。

進一步比較SDN 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的差別如表1所示[2]。

表1 SDN與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的差別

為了進一步理解SDN 的運作原理，以圖4為例說明如下[3]。

圖4 SDN運作應用舉例

在圖4中，SDN 控制器控制三個不同的OpenFlow 交換機的運作，連接到交換機#2的是兩個信息發(fā)生器。發(fā)生器A 產(chǎn)生“產(chǎn)品級”信息（如規(guī)則的業(yè)務），其目的地是用戶A；而發(fā)生器B則用于測試一個新的協(xié)議，開發(fā)該協(xié)議是用以評估某網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的性能。控制器通過此途徑檢測由發(fā)生器B 產(chǎn)生的業(yè)務協(xié)議。圖中的數(shù)字表示交換機端口的號碼。本例中，當業(yè)務從發(fā)生器B 到達交換機#2時，控制器利用OpenFlow 協(xié)議與之握手。控制器通過預構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓撲知識，能夠確定該種業(yè)務的目的地是用戶B 而非用戶A，于是產(chǎn)生一組OpenFlow指令給交換機#2和#3。對于前者，控制器通過軟件加一虛擬標志給由發(fā)生器B 產(chǎn)生的所有分組。對于后者，控制器構(gòu)造交換機#3，控制器指令具有上述標志的所有分組到達端口12轉(zhuǎn)到端口8，最后轉(zhuǎn)發(fā)給用戶B。這樣，不同的聯(lián)網(wǎng)機構(gòu)（即路由，轉(zhuǎn)發(fā)，接入控制）是網(wǎng)中的控制器可構(gòu)造的，它支持動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲再調(diào)整和重構(gòu)。此外，基礎(chǔ)設(shè)施演進成為一簡化的進程；因為網(wǎng)絡(luò)無需人工重構(gòu)，同時也去掉了復雜的支持硬件的程序，這樣，基礎(chǔ)設(shè)施很容易利用統(tǒng)一的抽象演進，還可用到新的由云計算、物聯(lián)網(wǎng)等聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)環(huán)境。

在圖3和圖4中，“流”是指信源與目的地之間的分組序列；“流表”則是將保存在交換機和按規(guī)則處理流分組（包）轉(zhuǎn)發(fā)的列表。

歸納起來，SDN 具有以下功能：

（1）可編程。因為控制平面與數(shù)據(jù)平面去耦（分離），根據(jù)用戶要求，網(wǎng)絡(luò)的管理運營商可通過控制平面，利用不同的軟件開發(fā)工具進行編程。

（2）集中管理。在SDN 中，控制器網(wǎng)絡(luò)邏輯上是集中式的，這就提供了網(wǎng)絡(luò)球形的、完整的視野，以邏輯設(shè)備形式呈現(xiàn)給應用商或用戶。

（3）靈活性。網(wǎng)絡(luò)運營商可以管理、構(gòu)造新的網(wǎng)絡(luò)，提供安全保密保障，通過動態(tài)的自動的SDN 程序，迅速優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，對業(yè)務變化作出合適的反應?？刂破魇抢密浖\作的，可在不同的物理或虛擬主機上通過操作系統(tǒng)實現(xiàn)同步。

（4）基于開放標準和中性供應商。采用開放標準，SDN 簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和操作，因為指令是由SDN 控制器提供的，它取代了多個供應商專有的協(xié)議。

1.2 SDN 在5G 網(wǎng)絡(luò)中的應用

SDN 最初應用于有線網(wǎng)絡(luò)，隨著移動通信的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)日趨繁多復雜，特別進入到5G 時代，超密集網(wǎng)絡(luò)、低時延、高可靠傳輸?shù)囊螅杂布榛A(chǔ)的原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已不能適應。如宏蜂窩區(qū)引入微小、微微小等小區(qū)后，基站數(shù)量將大為增加，眾多的節(jié)點交換，需要繁雜的信令和協(xié)議支持，信息傳輸時延增加，因此，需要改變以往的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計理念，采用SDN 勢在必行。5G 網(wǎng)絡(luò)的SDN 架構(gòu)如圖5所示[2]。

圖5 5G網(wǎng)絡(luò)中SDN的架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層：主要包括轉(zhuǎn)發(fā)元素（如物理和虛擬交換機，路由器，無線接入點）組成的數(shù)據(jù)平面，用于（1）收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，將其臨時儲存到局域網(wǎng)設(shè)備，之后將所儲存數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)控制器；（2）基于網(wǎng)絡(luò)控制器或管理者提供的規(guī)則管理數(shù)據(jù)包（分組），進而完成分組交換和通過開放接口發(fā)送。

（2）控制層：即前面所述的控制平面，提供應用層與基礎(chǔ)設(shè)施層之間的三個開放接口，使控制器與其他層交互，即南邊應用程序接口與基礎(chǔ)設(shè)施層交互，北邊應用程序接口與應用層交互，東/西應用程序接口與控制器群交互。其功能包括報告網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、重要的分組規(guī)則，和以各種形式提供各種服務接入點。

（3）應用層：包含所有用戶要求，末端用戶商業(yè)應用，這些應用包括網(wǎng)絡(luò)管理，動態(tài)接入控制，安全保密，移動性和遷移，云計算和負載平衡等，通過控制平面到數(shù)據(jù)層的接口，能控制和接入交換設(shè)備。

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)管理，據(jù)報導，有多于60%的網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生，是由于人工的構(gòu)造差錯和失敗所致，解決此問題的途徑是管理系統(tǒng)的自動化和綜合化，通過SDN 可提供一種球形的全網(wǎng)抽象視圖，使網(wǎng)絡(luò)管理更為靈活和自動化。網(wǎng)絡(luò)基于流表和流規(guī)則的集中式控制進行管理，通過接口分配網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，保證更為靈活和顆?；芾怼?/p>

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全性，在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，防火墻或代理服用于保護物理網(wǎng)絡(luò)；SDN 則采用一種集中式架構(gòu)，來應對網(wǎng)絡(luò)安全性問題。在SDN 中，可監(jiān)視通過整個網(wǎng)絡(luò)的流和用戶行為，進行檢測并防止受到損害。一旦檢測到攻擊，SDN 控制器能在交換機設(shè)備中安裝分組轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，來成功防止對網(wǎng)絡(luò)的攻擊；對于高網(wǎng)絡(luò)業(yè)務，因流表檢測可能欠充分，需增加一種實時的安全系統(tǒng)。

關(guān)于負載平衡，用于在線資源管理的一種重要技術(shù)，是控制來自不同應用的數(shù)據(jù)流，以保持鏈路利用處于較低的水平上。而選擇一條適當?shù)逆溌?，對于提升服務能力，增加吞吐量，避免網(wǎng)絡(luò)過載，成本最低，降低響應時間等，是非常重要的，已有一種基于OpenFlow 的負載平衡解決方案，對交換機進行綜合，無須使用孤立的設(shè)備，來進行網(wǎng)絡(luò)管理。

2 NFV 在5G 中的應用

2.1 NFV 的基本概念和原理[3]

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV，Network Function Virtualization），是通過軟件實現(xiàn)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能。其目標是將網(wǎng)絡(luò)功能中用專用硬件實現(xiàn)與軟件實現(xiàn)分離，從而降低成本和功耗。

在NFV 中，網(wǎng)絡(luò)提供存儲、處理和服務，即所謂的“網(wǎng)絡(luò)即服務”（NaaS），這意味著此虛擬化技術(shù)能用軟件獨立于基本服務器硬件之外運作，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。其基本概念和原理可用圖6來說明。

圖6 NFV的分層

在圖6中，網(wǎng)絡(luò)運管商向某用戶提供虛擬功能（如應用服務器），為此，運管商運用其物理資源層中基本組網(wǎng)、處理和存儲等資源來構(gòu)造、生成；這些資源作為原始的計算和組網(wǎng)元素聚合出現(xiàn)。利用預留接口，通過虛擬的執(zhí)行環(huán)境，可申請到這些資源并保存到硬件中，通過該層可構(gòu)成由運管商提供的更多的與硬件相關(guān)的功能。在邏輯上聚合成一個或若干個虛擬機和虛擬網(wǎng)絡(luò)（用以為虛擬機提供必要的連接，考慮不同的路由和商業(yè)政策），形成虛擬基底層。再通過虛擬化接口，配置不同的虛擬化功能，該層稱之為網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能層。

SDN 與NFV 是相互獨立但可以是互補的，SDN 提供轉(zhuǎn)發(fā)（信息流）的靈活性，NFV 則提供處理（網(wǎng)絡(luò)功能）的靈活性，二者結(jié)合，對網(wǎng)絡(luò)的開拓、更新將提供有力的支持。圖7給出了SDN與NFV 在5G 網(wǎng)絡(luò)中的應用[4]。

圖7 NFV和SDN在5G中應用

圖7中，網(wǎng)絡(luò)切片是按不同的服務需求將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為若干虛擬（邏輯）網(wǎng)絡(luò)，以靈活應對不同的網(wǎng)絡(luò)應用場合，例如增強移動寬帶（eMBB）切片、大量機器型通信（mMTC）切片、超可靠低時延通信（uMTC）切片等（圖8），這樣，同一物理網(wǎng)絡(luò)，可提供多種服務[5]。API 為應用程序接口，用以將各層有機連接。無線接入網(wǎng)的RAN VNF 為無線接入網(wǎng)虛擬功能，即網(wǎng)絡(luò)功能的軟件實現(xiàn)，可用虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施配置；而RAN PNF 則提供無線接入網(wǎng)的物理網(wǎng)絡(luò)功能，由物理基礎(chǔ)設(shè)施（包括計算，組網(wǎng)和存儲）實施，用于管理和執(zhí)行VNF 的硬件和軟件。

圖8 5G中三種場景的網(wǎng)絡(luò)切片

3 結(jié)束語

引入SDN 和NFV 是5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重大革新，SDN 將數(shù)據(jù)平面與控制平面分離，使網(wǎng)絡(luò)控制成為直接可編程、具有開放、靈活的特點，簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和操作；網(wǎng)絡(luò)運營商可動態(tài)地構(gòu)造、管理和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，適應5G 新應用和發(fā)展的需要。NFV 通過軟件實現(xiàn)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能，將路由器、交換機等硬件集中到遠處或云中，使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對于快速和自適應重構(gòu)是高度靈活的。將SDN 與NFV 結(jié)合，將使網(wǎng)絡(luò)更為靈活和簡化。