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中国联通 5G 服务化网络 白皮书 中国 联合 网络通信有限公司 网络技术研究院 2018 年 6 月 中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 I 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 目 录 1 5G 服务化网络发展背景 . 1 1.1 5G 时代多元化的业务需求 . 1 1.2 当前移动网络面临的困难和挑战 . 2 2 5G 服务化网络关键功能 . 3 2.1 服务化网络系统框架 . 3 2.2 服务化网络的能力开放 . 5 2.3 服务化网络的管理维护 . 6 3 5G 服务化网络云化实现 . 6 3.1 云化架构是服务化网络的基础 . 6 3.2 服务化网络的 NFV 模版设计 . 7 4 5G 服务化网络演进思路 . 9 5 总结与展望 . 10 中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 1 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 中国联通 5G 服务化网络 白皮书 1 5G 服务化网络发展背景 1.1 5G 时代多元化的业务需求 5G 时代，移动网络将不仅为传统 的人人通信提供支持，同时将提供大量前所未有的新兴行业的后向合作，业务的发展趋势逐渐由 基于现有技术和大众市场的核心应用 ，转向 基于全新技术和 面向垂直行业研发和 探索 的 应用 。 图 1-1 5G 技术框架 未来不同服务对于网络的要求是多样化的，例如智能家居、智能电网、智能农业和智能秒表需要大量的额外连接和频繁传输小型数据包的服务支撑，自动驾驶和工业控制要求毫秒级 时延 和趋于 100%的可靠性，而娱乐信息服务则要求固定 或移动宽带连接。上述服务需求表明 5G 网络需要更加灵活以支撑不同环境下的 业务需求 。 为适配未来不同服务的需求， 5G 网络需要更灵活更开放的弹性架构， 能快速部署和变更，并提供高效灵活的管理能力， 以便为未来的不同行业需求做出快速 的 响应和调整。 核 心 业 务移 动 宽 带V H B B 互 联 网接 入I M S 业 务语 音 / 短 信 业 务云 服 务延 伸 业 务拟 真 视 频 通 信虚 拟 现 实增 强 现 实现 场 急 救 连 接专 用 网 络U H D 内 容交 付自 动 控 制电 子 健 康智 能 测 量远 程 控 制智 能 安 防实 时 远 程信 息 处 理新 兴 业 务自 动 驾 驶人 对 人 人 对 物 物 对 物中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 2 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 1.2 当前移动网络面临的困难和挑战 现有的移动网络架构是为语音通信以及常规的 数据 业务而设计，而且经历了 3GPP 各个版本的升级，网元众多，网元功能相互重叠，网元间接口复杂，其灵活性不足以支撑 5G 时代的多业务场景 网元功能耦合 图 1-2 EPC 网元功能分布 3GPP 协议定义的 EPC 网元功能组合复杂，网络功能同网元强耦合， 而且存在功能重叠，所有不同的业务 共用同一套逻辑控制功能， 无法做到为某一种特定的业务类型定制控制功能组合。 众多控制功能间的紧耦合性以及复杂接口 缺乏必要的灵活性，造成新 业务的上线周期长 ，网络的运维 成本高等问题 。 而 灵活组合、个性化定义 、动态部署 以及灵活扩展能力将是下一代移动网络的必要特性， 以现有 EPC 系统的情况， 很难适应未来 5G 复杂多变的应用场景。 协议定义固化 EPC 的网络协议 多实现为二进制编码格式， 基于严格、固定的接口消息格式定义， 某些网络协议的传输和编解码开销相对较大。 业务的上线周期比较长，这将限制网络 和新业务的 快速创新能力。 而为 满足针对各类业务的快速组网定义和灵活部署 ， 急需网络定义更新、更灵活、更轻量化的网络 协议， 以 实现新业务的部署商用， 进而通过网络创造更多的价值。 网络拓扑 复杂 H S S S P R签 约 上 下 文 用 户 数 据M M E安 全 认 证移 动 性 管 理网 关 选 择接 入 控 制会 话 管 理Q o SS / P - G W计 费地 址 分 配报 文 转 发P C R FR x会 话 管 理中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 3 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 现有 EPC 网络下，随着运营商网络的不断发展和迭代，网元和接口功能的复杂度逐步随着接口数量的增加而增加： 从 2G、 3G 到 4G 网络，每增加一个新的网元，就需要考虑引入该网元的接口 ，以及其 与现有网络兼容的问题，往往一个网元和接口的引入 会影响到 其他多个现有网元和接口 ，并进一步影响到 后期的 端到端的网络 维护。传统的“点到点”架构下的固有的连接模式导致后续 新网元和新功能的引入 容易造成“牵一发而动全身”的问题。在后续功能增强中，一个消息参数的修改需要端到端的考虑整个信令流程的兼容性，导致前向演进的复杂度会随着新版本的产生而增加。 网络运维的人工依赖 现有移动网络的大量运维活动仍然依赖人工参与，自动化程度较低。例如通过人工来打通不同环节，操作部门需要在 EMS 对设备进行维护，维护模式是针对逐个网元设备，并且需要理解大量设备相关信息，操作效率很低。 在 5G 时代， 对网络自动化提出了极大的需求，根据需要可以自动定义组网结构、自动部署、灵活扩充。并且， 同一张网络中 可以 存在若干个网络切片，每 一个 网络切片都将拥有特定的拓扑结构，网络功能以及资源分配模型，如果像 当前的网络运维一 样大量依赖人工的方式对网络进行设计和部署，将对运营商的运维系统 带来极大的挑战。 网络功能开放性 国内外运营商 都希望 开放网络能力以提供更多增值服务 ，但至今能力开放 的商业成果仍不能满足运营商日益迫切的转型需求 。导致这种结果的原因，除了 商业模型限制外，还有本身网络架构 的局限性。 3GPP 前期网络架构 在设计的过程中并 没有考虑能力开放，虽然通过网元修改也能够实现 部分 网络能力开放，但无法满足电信级 API 快速创新需求。 普通的 Web API 创新周期为几小时或者几天， 而由于网络架构的限制， 电信级 API 创新周期往往需要数月 甚至更长的时间 ，严重阻碍了网络能力开放的发展。 当前架构中，能力开放使能网元（ Enabler）通过私有接口连接各网元，为了增加一个新的 API，往往要修改 Enabler 和提供能力的所有网元，周期 很长 。另一方面为解决Multi-Vendor 场景，还面临标准化问题，多数运营商要求商用部署前先标准化，但这种从定义规范、开发产品、网络部署上线流程要经过几年时间， 远远 无法满足新业务创新需求。 2 5G 服务化网络 关键功能 2.1 服务化网络 系统框架 在面向业务的 5G 网络架构中，我们可以将现有网络侧的控制面功能进行融合和统一，同时将控制面功能 分解 成为多个独立的网络服务，这些独立的网络服务可以根据业务需求进中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 4 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 行灵活的组合。每个网络服务和其他服务在业务功能上解耦，并且对外提供 统一类型的 服务化接口，向其它调用者提供服务，将多个耦合接口转变为单一服务接口 ， 可以有效 减少 接口数量 ， 并统一服务调用方式 ，进而 提升了网络的灵活性 。 服务化网络提供了基于服务化的调用接口，服务化接口基于 TCP/HTTP 2.0 进行通讯，使用 JSON 作为应用层通信协议的封装。基于 TCP/HTTP 2.0/JSON 的调用方式，使用轻量化 IT 技术框架，可以适应 5G 网络灵活组网定义、快速开发、动态部署的需求。在将来，服务化接口还可以使用 QUIC/HTTP 2.0 进行通讯，相比较 TCP/HTTP 2.0 方式，可以获得更高的通讯效率。 图 2-1 网络功能 服务化 在网络功能服务化的应用中，所有的服务调用、交互过程均在服务管理框架内进行，5G 服务化网络在 控制面和转发面分离的情况下，进一步对控制面网元进行 了“总线式”连接，所谓的“总线”在实际部署中是一台或几台路由器， 与目前的 4G 网络中 DRA 不同的是， DRA 本身是感知上层协议的，如 用户的号段、签约信息等 3GPP 层消息 ，并基于这些信息 进行 消息的 转发，但 5G 服务化网络中的控制面“总线”只进行基于路由器 3/4 层协议的转发，而不会感知上层的协议。 服务 控制器 提供网络服务功能的注册，发现， 授权， 更新，监控等管理功能， 其本身也是网络服务的一种，对应 5GC 标准网元 NRF（ Network Repository Function）。 服务功能相互独立的特性确保了在新增或升级业务功能的过程中现有的网络服务不受影响 ，只需要服务控制器针对单个服务进行相应的更新即可 。相比现有的紧耦合网络 控制功能，服务化的控制面架构通过服务的灵活编排大大简化了新业务的拓展及上线 流程 ，为 5G 网络 业务的发展打下了基础 。 NRF 是 5G 网络能力开放的重要组成部分，也是区别于 4G 网络能力开放的显著标志。 NRF 的引入意味着运营商进一步深层次网络能力开放的可能性，通过其提供的功能，第三方可以 间接的 通过 NRF 提供的服务注册、发现、授权操作获得运营商内部其它网元提供的服务，这里的第三方一方面指 OTT 厂家，另一方面指其它运营商的访问。 网元提供的服务包含 接入管理、 鉴权 管理 、会话管理、用户数据管理、策略 管理 、 QoS管理、计费管理、 定位管理 等，一方面实现了 通过 一个融合化接口管理多个 不同 模块的功能，另一方面第三方可通过能力开放平台访问 /调用 不同 服务，为实现深度网络能力开放打下基服 务 管 理 框 架外 部 接口 功 能数 据 服 务控 制 面 服 务控 制 器移 动 性 管 理 服 务 会 话 管 理 服 务其 他 服 务（ 如 位 置 服 务 等 ）控 制 面 服 务 组 合基 本 控 制 面 服 务用 户 数 据管 理安 全 管 理 接 入 控 制 策 略 管 理 其 他中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 5 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 础。 2.2 服务化网络的能力开放 5G 服务化网络的“总线式”设计将使所有控制面网元接口协议的统一成为必然 ， 5G网路架构将摒弃 GTP-C、 Diameter 等传统移动网络协议，采用更灵活、更轻量的 HTTP 协议，使移动网络内外无缝交互成为可能，从而进一步 为 深层次的 5G 能力开放 提供了更方便的 API 开发和调用能力 。 面向垂直行业的业务需求将是多样化、定制化的。 5G 网络架构的设计需要通过将自身的能力开放给垂直行业和 OTT 应用以满足其灵活的定制化需求。网络能力开放的目的是更好的满足 OTT 的应用业务需求。通过能力开放 5G 网络将应用需求与网络的能力、用户的属性、网络的策略形成双向互动，从而提升用户的端到端体验、增强网络价值、使能更立体的业务场景。 5G 网络架构设计将满足网络的全方位能力开放和 OTT 互动能力。为实现该能力，需要考虑部署专有的能力开放功能，提供一种安全和统一的内部功能开放方法，与外部应用对接，形成特色解决方案。通过服务化网络实现其与其他核心网服务的自动发现和全互 联，网络中的各个网元都可以通过能力开放功能开放自身的能力。 图 2-2 基于 服务化网络的 5G 能力开放 5G 服务化网络有助于业务的快速上线， 进一步提升 能力开放的灵活性。例如通过能力开放功能可以直接对接外部的应用实体，并通过网络内部业务功能实体的服务化接口，灵活地获取和处理统计信息、位置信息、计费信息等，或者干涉内部处理的策略。一方面减少了定制开发的周期和复杂度，另一方面也便于对不同的数据进行组合应用，产生新的商业价值。 网 络 能 力 开 放 功 能视 频 优 化 .定 向 加 速用 户 轨 迹 .实 时 位 置业 务 优 化 能 力 实 时 位 置 能 力差 异 化 计 费 .流 量 统 付计 费 能 力业 务 防 欺 诈 .用 户 行 为 特 征其 他 能 力5 G 网 络 功 能 1 5 G 网 络 功 能 2 5 G 网 络 功 能 3 5 G 网 络 功 能 4 5 G 网 络 功 能 n. . .中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 6 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 2.3 服务化网络的管理维护 服务化网络下，每个控制面网元 可以包含多种服务，在网元上线时需要在服务可用之后将服务 实例 注册到 NRF 上以供服务的消费者获取。完整的服务实例注册的内容至少需要包括服务的名字、服务的数字证书、服务的通信地址、服务的版本号、服务的实例标识。其中服务的数字证书用于服务的身份认证； 服务的通信地址是一个 URI，可以包含一个 FQDN、一个 IP 地址或者多个 IP 地址 。 具体网元可自己发起到 NRF 的服务实例注册而不是交给 OAM 系统代为注册，这样可以简化 OAM 的管理功能，增加网元管理效率和速度，同时更加方便第三方服务提供者的集成。因为是网元自身发起服务的注册 ，无法保证在故障时能够及时调用服务的去注册功能，因此需要 NRF 提供服务实例的心跳时间，网元在心跳时间到达之前重复注册 。在网元故障时 NRF 可以根据注册实例的有效时长自动 释放 不可用的资源，避免将不可用的服务实例信息扩散到服务的消费者，增强了系统在异常场景下的可用性。 服务的消费者通过 NRF 发起服务实例发现过程，需要传递的内容包括待发现的服务名称、服务消费者的数字证书。服务消费者的数字证书用于服务消费者的身份认证。 NRF 根据服务名称返回已经注册的一个或者多个实例的注册信息。服务的消费者需要根据业务 需求从多个注册实例中选择一个或者多个实例发起业务请求。 NRF 无法保证返回给服务消费者的每个服务实例信息都是可用的，因此在 服务消费者需要建立多个服务实例的连接并在 发现不能和选择的某个服务实例建立业务通道时，需要重新选择其他可用的服务实例。 在网元决定对一个服务进行升级时，需要将已经注册的服务实例去注册，升级完毕后再重新注册。在服务升级过程中，短暂不能提供服务，已经建立连接的服务消费者在连接不可用时，将从 NRF 重新获取服务实例列表，重新选择可用的服务实例保证业务的连续性 。 3 5G 服务化网络云化实现 3.1 云化架构是服务 化网络的基础 服务化网络将天然 适合 云化架构，其网络功能需要基于云化平台进行整体变革，使网络更加弹性， 业务上线更加灵活，同时满足敏捷、可用性、性能和运维等方面的电信级 要求。为实现这一系列要求，云化网络功能需要基于三大原则重新设计系统，分别是前端无状态、横向可扩展性、单点失效不影响业务 。 为了满足服务化网络下各网元彼此开放自身的服务能力的需求，需要将业务处理单元和中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 7 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 存储节点进行分离，计算节点 不再保存需要持久化的用户状态信息 ，只负责对到来的信令进行处理。而在业务处理单元前端，需要 具备 负责业务报文分发和数据面消息负载均衡的组件。业务处理单元，分布式数据库，以及分布式负载均衡，形成了 服务化网络 云化的优化 VNF结构。这样的架构保证了单个业务处理节点故障、业务消息被负载均衡分发到其他正常状态的业务处理节点后，新的业务处理节点与后台数据库交互获得用户状态后，仍然可以正常处理用户的业务消息。新扩容的业务处理节点与数据库交互获得用户状态，也能够 正常处理用户的业务消息 。 图 3-1 服务化网络 云化架构 基于三层云化的 VNF 设计，可以实现更快的业务扩展、更高的容错能力和可靠性、以及更加专业的模块设计。 3.2 服务化网络的 NFV 模版设计 服务化 架构 的重要功能在于每个网元在控制平面上提供不同的“服务”，通过串联不同网元提供的“服务”，最终实现注册、会话管理、移动性管理、鉴权及密钥协商等端到端的移动网络信令流程。每个网元都可以 在作为服务请求者的同时 为其它 NF 提供 服务。网元模块主要包括访问和移动性管理功能、会话管理功能、认证服务器功能、网络曝光功能、 NF库功能、策略控制功能和统一数据管理功能。 SOABUS分 布 式 数 据 库无 状 态 的 处 理 单 元分 布 式 负 载 均 衡D C 故 障 业 务 不 中 断D C 故 障 业 务 不 中 断D C 故 障 业 务 不 中 断D C 故 障 业 务 不 中 断D C 故 障 业 务 不 中 断D C 故 障 业 务 不 中 断中国 联通 5G 服务化网络 白皮书 8 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2018 图 3-2 服务化模版设计层次 服务化按能力 可以 划分成网络、模块、服务、运行四个层级粒 度 ： 网络粒度 ： 是实现不同网络切片的模版，对应于 NFV MANO 中的 NS 模版设计，主要管理 网络切片的内部拓扑、 VNF 之间的接口关系等。 模块粒度 ： 是用来规定一个网络切片中包含的各种 NF 模块，对应于 NFV MANO 中的VNF 模版，包括业务处理单元、性能管理单元、网络管理单元等。 服务粒度 ： 是具体到一个 NF 模块下的每个具体的业务处理单元，与原有的 VNF 设计不同，业务处理单元在服务化网络的模版设计中将会被进一步细分出来，按照移动网络不 同的信息和功能种类，可以划分成用户签约、会话、移动性、安全、策略等不同的业务处理单元，每个业务处 理单元仅对该具体业务相关的信息进行维护和处理，形成一个 NF 下可提供的不同服务类别。 运行粒度 ： 是基于服务粒度，对 NF 内的资源的具体操作进行 的 进一步区分。按照对NF 内资源的影响不同，服务化网络中对服务在运行粒度上是按照“改变性”和“完整性”两个方面进行考虑和划分的。“改变性”是指当服务提供者为服务请求者提供服务时，此类服务不会改变服务提供者自身的存储状态。“完整性”服务表示的情况是当服务请求者多次向服务提供者发送相同的指令（可能由于网络堵塞产生），服务提供者每次回复相同的信息。不具有“完整性”的服务是指当服务 请求者多次向服务 提供者发送相同的指令，服务提供者将多次重复指令且回复不同的信息。 例如，当服务请求者多次向服务提供者请求建立新的会话时，服务提供者会多次建立新的不同的会话并将其反馈给服务请求者。 根据服务的“改变性”、“完整性”可以将运行不同资源的 NF 模块提供的服务分为 “订阅类”、 “访问类”、“创建类”、“修改类”、以及“删除类”： “订阅类”： 服务提供者根据服务请求者的订阅指令为其监视相关的订阅条件，当请求者的订阅条件触发时，服务提供者向服务请求者发送通知消息。 “访问类”： 服务提供者只为服务请求者提供相关 的数据，此类服务并不会影响到服务提供者的自身存储状态。 网 络 1 网 络 2 网 络 3. . .N F 模 块 2N F 模 块 1 N F 模 块 3 N F 模 块 n签 约 信 息 安 全 管 理 移 动 性 管 理会 话 管 理. . . . .创 建访 问 删 除 订 阅. . .修 改网 络 粒 度模 块 粒 度服 务 粒 度运 行 粒 度