楊文強，王友祥，唐雄燕，王立文（中國聯(lián)通研究院，北京 100176）

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和IT 技術(shù)的快速發(fā)展，正改變消費者的理念和行為，并推動所有行業(yè)與企業(yè)的數(shù)字化進程，實時、按需提供、永遠在線、自助服務(wù)等已逐漸成為數(shù)字時代新的用戶體驗標準［1］。運營商作為通信服務(wù)提供的主體，其業(yè)務(wù)內(nèi)容和服務(wù)對象也發(fā)生了深刻變化，構(gòu)建以DC 為核心的全云化網(wǎng)絡(luò)以滿足未來業(yè)務(wù)的發(fā)展訴求，已成為業(yè)界的廣泛共識。

5G標準的完善和商用的加速推進，對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。一方面，5G 業(yè)務(wù)包含高速率、大連接和低時延等場景，將使移動通信深入到行業(yè)領(lǐng)域，業(yè)務(wù)的不確定性要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備差異化服務(wù)和靈活的資源調(diào)度能力；另一方面，IT 技術(shù)的快速迭代驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)不斷變革，5G系統(tǒng)架構(gòu)借鑒IT領(lǐng)域“微服務(wù)”的設(shè)計理念，采用服務(wù)化架構(gòu)（SBA）將網(wǎng)絡(luò)功能拆解為獨立的NF（Network Function），對外提供自包含、自管理、可重用的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)［2］，服務(wù)間在業(yè)務(wù)功能上解耦，并通過統(tǒng)一類型的服務(wù)化接口實現(xiàn)調(diào)用，使網(wǎng)絡(luò)具備敏捷部署、彈性伸縮和靈活編排能力。

運營商正在進行5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，構(gòu)筑敏捷、開放、彈性、靈活的全云化網(wǎng)絡(luò)是運營成功的基礎(chǔ)。云原生（Cloud Native）技術(shù)作為云計算的最新成果，必然成為網(wǎng)絡(luò)云化過程中的核心理念。結(jié)合電信業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)功能要求，探究云原生在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用方式和引入路徑是電信領(lǐng)域面臨的重大課題［3］。

1 云原生和5G網(wǎng)絡(luò)云化

1.1 云原生概述

云原生概念由Matt Stine 首先提出，是一系列云計算技術(shù)體系和工程管理方法的集合，既包含實現(xiàn)云原生的關(guān)鍵技術(shù)，也包含工程實踐的方法論。其在2015年《遷移到云原生架構(gòu)》一書中定義了云原生架構(gòu)的特征：12 因素、微服務(wù)、自服務(wù)、基于API 協(xié)作、扛脆弱性等。隨著容器、Kubernetes 的等技術(shù)在IT 領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以及CNCF 等社區(qū)的不斷完善，云原生逐漸走向成熟。通常認為，云原生架構(gòu)包括容器、微服務(wù)、服務(wù)網(wǎng)格、DevOps等關(guān)鍵技術(shù)［4］，如圖1所示。

圖1 云原生架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

云原生作為下一代云計算的核心特征獲得了業(yè)界的廣泛認同，并在云計算領(lǐng)域和企業(yè)的IT 架構(gòu)中加速落地。在電信領(lǐng)域，云原生給出的技術(shù)體系和工程方法是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要考慮的關(guān)鍵要素和方向指引。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)云原生

當(dāng)前運營商網(wǎng)絡(luò)面臨諸多方面的挑戰(zhàn)：一是業(yè)務(wù)需求的變化，從面向人和人互聯(lián)需求的語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，到面向人和物、物和物互聯(lián)的行業(yè)需求，業(yè)務(wù)需求多樣化；二是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)巨大的投資需求和收益不均衡間的市場壓力；三是云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)不斷迭代演進，給網(wǎng)絡(luò)帶來的挑戰(zhàn)和動力［5］。在這種情況下，建設(shè)業(yè)務(wù)敏捷發(fā)放、資源高效利用、網(wǎng)絡(luò)按需部署等具備云化特征的網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的目標。

為滿足5G 業(yè)務(wù)需求，在5G 架構(gòu)設(shè)計之初（如圖2所示），就體現(xiàn)了原生云的核心理念，包含以下關(guān)鍵特征。

圖2 5G服務(wù)化系統(tǒng)架構(gòu)

a）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)服務(wù)化。5G 核心網(wǎng)控制面采用服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計，將網(wǎng)絡(luò)功能進行模塊化拆解，抽象為獨立的NF，各NF 可獨立擴容、獨立演進、按需部署；NF間通過服務(wù)化接口向其他調(diào)用者提供不同的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NFS），并實現(xiàn)服務(wù)的自發(fā)現(xiàn)、自治理。

b）軟件架構(gòu)微服務(wù)化。每個NF 定義為一種類型的能力，通常包含幾個網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)間相對獨立，通過一系列服務(wù)的調(diào)用可以完成一個完整的系統(tǒng)流程。5G 核心網(wǎng)軟件可基于微服務(wù)架構(gòu)實現(xiàn)業(yè)務(wù)敏捷和彈性，微服務(wù)間松耦合，具備獨立發(fā)布、部署、升級、運維等特征；從產(chǎn)品實現(xiàn)角度，業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)等可基于微服務(wù)解耦實現(xiàn)無狀態(tài)設(shè)計，業(yè)務(wù)處理單元按需彈性伸縮。

通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)服務(wù)化和軟件微服務(wù)設(shè)計，5G 核心網(wǎng)天然具備了云原生的部署能力，基于云原生技術(shù)進行5G核心網(wǎng)建設(shè)，可以最大發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。

1.3 網(wǎng)絡(luò)云化演進趨勢

網(wǎng)絡(luò)云化的本質(zhì)是通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)把電信網(wǎng)絡(luò)和IT 技術(shù)深度融合，使得網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加敏捷開放，網(wǎng)絡(luò)運營更加集約自動化，網(wǎng)絡(luò)部署更加靈活低成本［6］。作為電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用IT 虛擬化和云計算技術(shù)的方案框架，NFV 本身也隨著IT 新引入而不斷完善，NFV 發(fā)展的每個階段都是IT 技術(shù)在電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的體現(xiàn)。基于IT 技術(shù)迭代的典型特征，網(wǎng)絡(luò)云化的過程可分為以下3個階段［7］。

第1階段：軟硬解耦的虛擬化，基于軟硬解耦方式，硬件采用通用COTS 服務(wù)器，軟件基于虛擬化方式并與硬件實現(xiàn)解耦。

第2階段：統(tǒng)一云平臺的資源池化，基于統(tǒng)一的云平臺逐步實現(xiàn)DC 內(nèi)資源的統(tǒng)一調(diào)度和編排，具備云化網(wǎng)絡(luò)的能力和特征。

第3階段：基于云原生的功能組件化，通過微服務(wù)架構(gòu)，為上層應(yīng)用提供包含通用業(yè)務(wù)即服務(wù)（aPaaS）和通用技術(shù)即服務(wù)（iPaaS）等的統(tǒng)一PaaS平臺能力。

當(dāng)前傳統(tǒng)運營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)處在虛擬化到資源池化的優(yōu)化階段，從規(guī)劃和部署情況看，仍面臨多廠商煙囪式部署、統(tǒng)一云平臺集成、網(wǎng)絡(luò)自動化水平等多方面挑戰(zhàn)，尚未充分發(fā)揮云化網(wǎng)絡(luò)所帶來的全部優(yōu)勢?；诰W(wǎng)絡(luò)云化目標和趨勢，需要分析云原生在NFV應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和引入路徑。

2 基于云原生的5G核心網(wǎng)部署

2.1 5G核心網(wǎng)的云化部署要求

核心網(wǎng)的云化部署以NFV為基礎(chǔ)，5G核心網(wǎng)的建設(shè)和架構(gòu)設(shè)計除考慮5GC（5G Core）的網(wǎng)絡(luò)功能外，還需要考慮已有業(yè)務(wù)上云的遷移要求、資源統(tǒng)一編排和調(diào)度能力、業(yè)務(wù)創(chuàng)新對平臺支撐能力要求等，主要包括以下幾個方面［8］。

2.1.1 5GC功能

5G 核心網(wǎng)功能建設(shè)，支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)化架構(gòu)和軟件微服務(wù)能力，引入容器技術(shù)。

2.1.2 現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)遷移上云

a）網(wǎng)關(guān)控制承載分離（CUPS）形態(tài)的EPC 功能虛機化（vEPC）。

b）vIMS語音業(yè)務(wù)功能。

c）邊緣及匯聚網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如vBNG/vBRAS、vSBC等。

2.1.3 資源統(tǒng)一編排和調(diào)度能力

核心網(wǎng)云化平臺支持包括容器、虛機等在內(nèi)的虛擬化資源的統(tǒng)一編排和調(diào)度，未來考慮引入FPGA/GPU/AI等虛擬化技術(shù)，支持多形態(tài)計算單元共資源池能力，更好地實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的資源共享和彈性部署。

2.1.4 業(yè)務(wù)創(chuàng)新的PaaS能力

5G的價值將更多地體現(xiàn)在賦能千行百業(yè)的2B場景，面臨的最大挑戰(zhàn)是業(yè)務(wù)不確定性和靈活部署要求，核心網(wǎng)云化平臺需考慮構(gòu)筑統(tǒng)一的PaaS平臺，為上層應(yīng)用的開放、創(chuàng)新提供一個統(tǒng)一集約的支撐平臺。

核心網(wǎng)云化部署應(yīng)以NFV/SDN 定義的架構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合考慮上述業(yè)務(wù)部署和創(chuàng)新需求，構(gòu)筑統(tǒng)一的資源調(diào)度平臺和上層應(yīng)用支撐平臺。

2.2 5G核心網(wǎng)云化部署架構(gòu)

基于以上分析，以NFV 定義的框架為基礎(chǔ)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)云原生能力為牽引，支撐上層業(yè)務(wù)靈活部署和彈性為目標，提出5G 核心網(wǎng)云化部署總體架構(gòu)如圖3 所示。架構(gòu)關(guān)鍵點如下。

圖3 5G核心網(wǎng)云化部署架構(gòu)

a）構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施資源能力，支持虛機和容器（基于虛機或裸機）類型的虛擬化資源，虛機和容器共享硬件資源，按需調(diào)整服務(wù)規(guī)模，上層網(wǎng)元/應(yīng)用依據(jù)部署形態(tài)選擇對應(yīng)的虛擬資源。

b）統(tǒng)一資源管理和編排能力，引入容器基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)管理（CISM）實現(xiàn)容器對象的管理和調(diào)度，可部署于VIM 中，也可以獨立存在；同時與MANO 各組件互通，實現(xiàn)資源的統(tǒng)一編排和調(diào)度。

c）在核心網(wǎng)云化平臺上構(gòu)筑統(tǒng)一的PaaS能力，將業(yè)務(wù)層通用能力以組件或通用API的形態(tài)沉淀至相對獨立的PaaS 層，并提供統(tǒng)一注冊、能力發(fā)布等PaaS 管理功能，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供敏捷、開放的運行環(huán)境。

2.3 核心網(wǎng)云化建設(shè)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)運營商在NFV 商用部署上大多采取相對穩(wěn)健的做法，NFV 初期建設(shè)以軟硬解耦為主，底層IDC設(shè)施依賴廠商自上而下構(gòu)建，在統(tǒng)一資源管理、規(guī)范成熟度和開放創(chuàng)新方面尚存在以下不足［9］。

a）統(tǒng)一資源管理平臺。NFV 軟硬解耦部署下，虛擬層平臺未實現(xiàn)與上層應(yīng)用解耦，I 層資源基于VNF廠商單獨分配，造成資源被獨占且難以被共享，不利于基于業(yè)務(wù)需求統(tǒng)一規(guī)劃資源池建設(shè)，發(fā)揮資源統(tǒng)一調(diào)度的優(yōu)勢。

b）實施依賴規(guī)范和組件成熟度。電信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需依賴標準規(guī)范的制定，ETSI IFA029、IFA040 等相關(guān)規(guī)范定義了容器技術(shù)棧引入NFV 架構(gòu)標準化工作，相關(guān)的標準和接口仍需要完善；核心網(wǎng)云化平臺引入GPU/FPGA/AI 等虛擬化技術(shù)，需要依賴OpenStack 和Kubernetes相關(guān)管理組件的商用成熟度。

c）開放創(chuàng)新能力亟待加強。5G 核心網(wǎng)服務(wù)化能力通過NF 定義網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)開放功能著眼于基于5G標準規(guī)范實現(xiàn)，難以滿足上層業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)層以及運營相關(guān)能力的服務(wù)化調(diào)用，構(gòu)筑開放、敏捷的應(yīng)用運行和開發(fā)環(huán)境任重道遠。

3 5G核心網(wǎng)云化演進策略

3.1 5G核心網(wǎng)云化架構(gòu)演進步驟

5G 核心網(wǎng)云化架構(gòu)應(yīng)以云原生理念為牽引，基于5GC 部署和業(yè)務(wù)創(chuàng)新要求，充分考慮網(wǎng)絡(luò)云資源池的建設(shè)現(xiàn)狀和技術(shù)成熟度，完善相關(guān)標準規(guī)范，逐步推動面向云原生的核心網(wǎng)云化架構(gòu)部署，核心網(wǎng)云化架構(gòu)演進步驟，如圖4所示。

圖4 5G核心網(wǎng)云化架構(gòu)演進步驟

階段1：支持5G 規(guī)模商用部署。5G 商用初期，聚焦5GC 基礎(chǔ)功能的實現(xiàn)?；贜FV 建設(shè)現(xiàn)狀，5GC 采用虛機或虛機容器形態(tài)。虛機容器形態(tài)下，容器架構(gòu)為虛擬化VNF 內(nèi)部實現(xiàn)，容器層對外不可見，利于網(wǎng)元實現(xiàn)微服務(wù)架構(gòu)。

階段2：引入容器平臺層（CaaS）。5G 商用發(fā)展階段，依據(jù)云原生NFV 架構(gòu)，引入容器平臺層，5GC 基于容器實現(xiàn)，容器平臺層對外可見，增加NFVO/VNFM 和CaaS 層間的接口，實現(xiàn)對容器化網(wǎng)元的資源管理和編排功能。

階段3：構(gòu)筑開放PaaS 能力平臺。5G 商用成熟期，構(gòu)筑統(tǒng)一、開放的PaaS 平臺層，使核心網(wǎng)具備靈活的功能重構(gòu)的能力，實現(xiàn)從資源為核心到應(yīng)用為核心的轉(zhuǎn)變。

3.2 核心網(wǎng)云化關(guān)鍵問題探討

從云原生的技術(shù)內(nèi)涵看，平臺建設(shè)和軟件工程能力是關(guān)鍵，在核心網(wǎng)云化建設(shè)的過程中，需要重點考慮以下2方面的問題。

a）平臺的自主可控。從建設(shè)歷程看，當(dāng)前核心網(wǎng)云化部署依據(jù)廠商自上而下分割，沒有形成統(tǒng)一的資源能力管理能力。從核心網(wǎng)云化平臺的需求和目標看，運營商間高度一致，基于開源、合作模式來建設(shè)是值得探索的有效方向。

b）軟件工程能力。5G 面向千行百業(yè)，運營商要想成為云服務(wù)的提供者，云時代的運營者，軟件自研的能力至關(guān)重要。電信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)功能由廠商提供，而網(wǎng)絡(luò)運營由運營商負責(zé)，開發(fā)和運營天然分割，尚未形成一個有效的全生命周期DevOps 流程。5G 時代業(yè)務(wù)的不確定性和差異化運營，也要求運營商具備一定的軟件開發(fā)和服務(wù)能力。因此加快培養(yǎng)自主研發(fā)支撐力量，提升軟件工程能力，是運營商面對的一個重要課題。

4 結(jié)束語

面對5G的機遇和挑戰(zhàn)，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中引入云原生技術(shù)，探索5G 核心網(wǎng)云化平臺的部署架構(gòu)和應(yīng)用方式，規(guī)劃合理可實施的演進路徑，直面自主創(chuàng)新的時代要求，將為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云化和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型打下堅實基礎(chǔ)。