SDN、NFV成为5G网络革命关键

自第一代行动通讯(1G)到第四代行动通讯(4G)的发展过程中，在无线接取网络(RAN)技术上，自FDMA、TDMA、CDMA、到OFDMA，每一世代都明显地被视为一项革命性技术；但是在核心网络(Core Network)技术上，革命性就不那么显著。大约只在3G世代历经过一次从电路交换到分封交换的一次重大变革。

考虑全球运营商在之前的核心网络技术上投入了庞大的资金，大幅改变会影响服务持续性及收益，因此在3G阶段的核心网络技术革命，还很贴心地允许两种交换模式共存并行了一整个世代，也就是运营商可以自由选择采用电路抑或分封交换的技术，直到4G世代才正式接轨到全IP化的分封交换核心网络体系。

SDN/NFV为5G网络革命关键

这个革命性进程的意义是，核心网络毋须再使用昂贵且复杂的专属软硬件设备，只要采用一般通用目的服务器(通常是x86 Server)和IP路由器、以太网络交换器即可组成，使得核心网络部署更进一步降低成本，也减少了对单一解决方案提供商的依靠或被捆绑。也因此，产业界公认无线接取网络每一代几乎都是一场革命(RevoluTIon)，而核心网络技术被认定是不断的演进(EvaluaTIon)。

面对2020年以后人类间甚至万物间信息联网社会的无线行动通讯需求，第五代行动通讯(5G)被业界视为一项寄以厚望地革命性技术，在无线接取技术面上的革新理所当然，但是在核心网络上的面向上，会不会有称之为革命性的改进呢？5G行动通讯系统将是一个全方位服务多技术融合的网络，通过ICT技术的演进和创新，来满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，最终满足以客户端为中心的无线联网需求，其中一个重要关键就在于软件定义网络(Software-Defined Networking, SDN)以及搭配网络功能虚拟化(Network-FuncTIon VirtualizaTIon, NFV)两项技术的发展。

传统4G电信核心网络设计与挑战

在进入正题之前，我们先回顾一下传统电信核心网络是如何运作的？以及它有什么缺点需要改进？

首先请参考图1，这是已经全IP化传统4G电信核心网络运作架构及示意，它是一套封闭式网络系统，倾向单一设备负责单一专属功能，网络拓扑类似大型数据中心网络的设计，最上层是核心路由器(Core Router)层，中间为边缘或接取交换器(Edge/Access Switch)层，下层是服务器数组(Server Farm)或储存媒体网络(Storage Network)，所有EPC的网络组件(Network Enteritis)譬如管理用户注册和移动性的MME、纪录用户帐户就是在这些服务器上运行。

 

图1 传统上LTE EPC核心网络运作在基于肥树(Fat-Tree)的数据中心。

为避免单一节点或链路的损坏瘫痪整个网络，因此采用肥树(FAT Tree)为核心拓扑结构，这是一个两层(2-Level)肥树的示例，每任意网络节点间都有四条路径，真正在运作的网络设计可能扩展到三层或四层结构，拥有更多的冗余备用路径，以达到99.999%的高可用性(High Availability, HA)的可靠度要求。这个全封包(或称全IP)网络架构的首要设计目标，即为改善数据传输速率和网络等待时间等性能，藉由将光缆或专线延伸到无线接取网络来支持高速、大量的无线用户接取服务。

先撇开专属的电信机房的基础设施和专线成本等造价不菲这件事，至少发现几个问题。首先，考虑客户的服务水平，必须展望未来中长期业务量需求，一次部署到位，否则未来的任何微小的设计变更就会造成服务暂停，进而减少收益和降低客户满意度。换言之即为缺乏部署d性，网络及运算资源调度困难甚至于无法调度的问题。以MME或S-GW为例，它必须接受成千上万个用户频繁地注册和高强度数据的转送，一台服务器可能无法负担，因此势必部署多台，在它们前方还必须引进额外地服务器负载平衡(Server Load Balancer)主机用以平均分配用户流量。

另一种极端的例子是管理QoS的PCRF，其天生被赋予的工作可能很「清闲」，专门为它准备一台服务器又显得有些浪费。实务上无可避免地会有设备损坏或升级需求；或是新兴的应用服务导入，这些新兴服务常需要与现行服务中网络整合，愈多的软硬件设备投资，复杂度高且整合测试耗时过长，需要大量的技术人力支撑，影响现有网络的服务水平，难以实时推出这些新兴服务，但支撑这些新兴服务的专属软硬件设备生命周期却又愈来愈短，这对传统4G电信核心网络都是一大挑战。