李沛然，周達飛，馬 赫，姜 暉，王 茹

（1.中國移動通信集團黑龍江有限公司網(wǎng)絡管理部，黑龍江 哈爾濱 150028；2.中國移動通信集團黑龍江有限公司計劃建設部，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引 言

隨著技術的演進，基于5G網(wǎng)絡的垂直行業(yè)發(fā)展迅猛，3GPP最新發(fā)布的R16版本也逐漸廣泛部署。R16版本引入大量新技術，使得5G整體網(wǎng)絡構架以及垂直行業(yè)各業(yè)務應用均有明顯的性能提升。從網(wǎng)絡構架上來說，網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）將傳統(tǒng)電信設備功能通過軟件實現(xiàn)，運行于通用硬件設備上，并采用虛擬化技術實現(xiàn)業(yè)務敏捷迭代、支撐網(wǎng)絡演進以及降低整體成本的目標，是應對移動互聯(lián)網(wǎng)時代業(yè)務快速變化的有效手段[1]。在NFV構架的基礎上，5G局域網(wǎng)（5G Local Area Network，LAN）作為最新的技術，通過引入5G LAN組管理實現(xiàn)與普通用戶的隔離與靈活管理，引入二層、三層的點到點及點到多點的通信模式繼承工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)需求，并采用基于N6、N3/N9、N19的流量轉發(fā)模式進一步豐富流量轉發(fā)種類，提升業(yè)務容災能力。NFV和5G LAN技術的結合更能豐富5G業(yè)務種類，完善其保障體系，更好地促進5G垂直業(yè)務發(fā)展。

1 NFV技術分析

1.1 NFV技術簡介

網(wǎng)絡功能虛擬化是一種在標準通用服務器、存儲器以及交換機等設備上實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡功能的一種技術。在NFV技術出現(xiàn)之前，移動通信網(wǎng)內各類設備的專業(yè)化程度非常高，均采用專用功能硬件實現(xiàn)，具有“豎井式”網(wǎng)絡構架特征，但這種網(wǎng)絡構架存在維護費用高、網(wǎng)絡演進慢等問題[2]。為解決該網(wǎng)絡構架痛點，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）、歐洲電信標準協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）等標準化組織提出控制平面（C面）與媒體平面（U面）分離解耦，實現(xiàn)CU兩平面獨立演進的目的。其中控制平面由運行在云操作系統(tǒng)上的各類虛擬機（虛機）構成。當需要部署新業(yè)務時，只需在云操作平臺基礎上增加新類型業(yè)務虛機并進行必要的數(shù)據(jù)配置，形成新的服務能力匯聚至原有網(wǎng)絡節(jié)點上即可。另外，NFV技術是基于5G獨立組網(wǎng)（Stand Alone，SA）實現(xiàn)切片技術的必備技術。

1.2 NFV網(wǎng)絡架構

從網(wǎng)絡構架上來說，NFV采用ETSI提出的“三層一系統(tǒng)”參考架構，如圖1所示。其中，“三層一系統(tǒng)”是指硬件層、虛擬層、虛擬網(wǎng)元層以及管理和編排系統(tǒng)。

圖1 NFV系統(tǒng)構架

（1）硬件層是NFV構架的最底層物理基礎，具體是指計算、存儲、網(wǎng)絡等物理設備，是整個虛擬化網(wǎng)絡構架的底座。

（2）虛擬層的作用是通過虛擬化平臺將物理計算、存儲、網(wǎng)絡資源進行虛擬化操作，形成虛擬的計算、存儲、網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)硬件層各類設備從物理到虛擬化的解耦與隔離。同時，虛擬層利用虛擬化資源組成相當于傳統(tǒng)網(wǎng)元功能板卡的各種類型虛擬機（Virtual Machine，VM），并將各種類型的虛擬機依據(jù)業(yè)務屬性聚合，構成虛擬化網(wǎng)元（Virtualized Network Function，VNF），實現(xiàn)業(yè)務能力。

（3）虛擬網(wǎng)元層包括虛擬化網(wǎng)元和網(wǎng)元管理（Element Management System，EMS）兩類網(wǎng)絡設備。其中虛擬化網(wǎng)元由各類業(yè)務虛機組成，部署在網(wǎng)絡功能虛擬化基礎設施（NFV Infrastructure，NFVI）上，實現(xiàn)軟件化移動通信網(wǎng)的網(wǎng)元功能。EMS與傳統(tǒng)網(wǎng)元操作和管理中心（Operation and Management Center，OMC）管理功能相同，實現(xiàn)各類虛擬化網(wǎng)元的集中化配置、告警分級呈現(xiàn)、設備級性能分析等功能。

（4）管理和編排系統(tǒng)（Management and Orchestration，MANO）是云管理核心決策者。由NFV構架編排器（NFV Orchestrator，NFVO）、VNF管理器（VNF Manager，VNFM）和虛擬資源管理器（Virtualized Infrastructure Manager，VIM）3部分構成。NFV構架編排器實現(xiàn)網(wǎng)絡服務、虛擬網(wǎng)絡生命周期管理及全局資源管理，實現(xiàn)對虛擬化網(wǎng)元的故障、配置、計費、性能以及安全等方面的管理。VNF管理器實現(xiàn)虛擬網(wǎng)元生命周期管理，是虛擬化功能管理的執(zhí)行者。虛擬資源管理器是各類虛擬資源及硬件資源管理的最終執(zhí)行者。

1.3 NFV技術優(yōu)點

（1）降低研發(fā)成本，加速網(wǎng)絡迭代。通過軟件和硬件的解耦，進一步開放網(wǎng)絡設備，軟硬件分層獨立演進。因NFV技術采用通用計算、存儲、網(wǎng)絡設備，大幅度降低專用硬件設備的研發(fā)成本，同時通用硬件設備的更新速度也大幅加快，快速提升網(wǎng)絡算力。

（2）縮短運營與業(yè)務演進周期。充分利用IT的規(guī)模化經濟，減少設備成本、能源開銷的優(yōu)勢，加速業(yè)務投放市場的速度，提升業(yè)務產品級的更新?lián)Q代效能，縮短業(yè)務需求建設投產時間。

（3）提升業(yè)務級兼容能力。在虛擬化網(wǎng)絡中，設備可實現(xiàn)多版本、多租戶共存狀態(tài)。從業(yè)務產品層面的角度，基于虛擬化的業(yè)務為不同的租戶、產品、應用、用戶提供服務，且允許多服務屬性、多客戶群聚類共享物理資源和虛擬化資源，有效提升多元業(yè)務兼容能力。

（4）提升精準服務保障能力。通過對資源池的合理規(guī)劃，可實現(xiàn)業(yè)務屬性、地理位置、用戶群體等維度的精準服務，同時繼承網(wǎng)元級容災機制，通過虛擬機分散部署將單個網(wǎng)元分散到整個資源池中，形成多層次分散冗余架構，提升整體網(wǎng)絡容災能力。

2 5G LAN技術分析

2.1 5G LAN技術概述

在5G LAN技術出現(xiàn)之前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實際應用中就已經廣泛存在二層MAC通信、APN/DNN專線和D2D的解決方案，但一直有組網(wǎng)及配置復雜、投資大、通信能力單一等問題[3,4]。因此在3GPP的R16版本中增加了5G LAN技術的研究，以5G核心網(wǎng)中的用戶面功能（User Plane Function，UPF）設備虛擬成業(yè)務交換機為基礎，形成5G局域網(wǎng)類型服務能力。

5G局域網(wǎng)類型服務可充分利用5G大帶寬、海量連接以及低時延等多種增強特性，為特定終端組（企業(yè)級）提供辦公區(qū)、住宅區(qū)、工業(yè)園區(qū)、寫字樓、企業(yè)等特定場景的點到點、點到多點終端上網(wǎng)業(yè)務。

2.2 5G LAN的VN組管理技術

在5G LAN技術中，引入5G虛擬網(wǎng)組（Virtual Network Group，VNG）作為5G專屬局域網(wǎng)的基礎，組建不同業(yè)務用途的組，如生產組、管理組等。不同組內的客戶可靈活訂購所需的網(wǎng)絡切片，以獲得特定的服務等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）保障。與網(wǎng)絡切片技術相比，5G虛擬網(wǎng)組管理側重于組用戶和組拓撲管理，網(wǎng)絡切片技術更偏重網(wǎng)絡資源調配和業(yè)務服務質量保障能力[5]。5G虛擬網(wǎng)組管理共包括5G虛擬組標識、5G虛擬組終端和5G虛擬組數(shù)據(jù)3個方面的管理。

（1）5G虛擬組標識管理。5G虛擬組標識由外部組標識和內部組標識組成，外部標識由外部網(wǎng)絡節(jié)點分配，內部標識由通用數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡節(jié)點分配，兩者匯總后由通用數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡節(jié)點完成內部和外部標識映射并形成5G虛擬組標識管理能力。（2）5G虛擬組終端管理。以5G手機號碼為唯一標識進行終端管理。（3）5G虛擬組數(shù)據(jù)管理。根據(jù)虛擬組成員的上網(wǎng)業(yè)務的會話類型、數(shù)據(jù)接入網(wǎng)類型、網(wǎng)絡切片信息和應用描述符信息為標識進行管理。

2.3 基于5G LAN的二層和三層接入模型分析

2.3.1 基于5G LAN技術的二層Ethernet接入模型分析

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用中，絕大多數(shù)的應用場景為點到點和點到多點通信方式，存在應用數(shù)據(jù)不能出工業(yè)園區(qū)的缺點，而5G LAN技術則可實現(xiàn)跨工業(yè)園區(qū)的二層通信。如圖2所示，企業(yè)內網(wǎng)中的末端設備生成應用數(shù)據(jù)并依靠二層Ethernet方式傳輸至用戶終端、基站、核心網(wǎng)UPF設備。由于UPF內置二層本地交換機功能，可基于二層Ethernet方式路由轉發(fā)至目標網(wǎng)絡及設備。在此流程中，用戶設備（User Equipment，UE）或客戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）為橋接設備可同時掛載多個終端，SMF設備負責二層路徑路由管理并識別轉發(fā)抑制環(huán)路問題。

圖2 二層Ethernet接入示意

2.3.2 基于5G LAN技術的三層IP組播/廣播接入模型分析

如圖3所示，用戶終端、核心網(wǎng)UPF設備具備5G LAN訂閱外部網(wǎng)絡組播或廣播的能力。5G LAN網(wǎng)絡內的服務器和UE終端周期性發(fā)送心跳消息用于發(fā)現(xiàn)相鄰組播/廣播設備，若新增用戶注冊成功后觸發(fā)業(yè)務，則組播/廣播服務器或源UE/CPE發(fā)起數(shù)據(jù)建立流程，占用網(wǎng)絡資源（包括UPF隧道建立、基站資源、無線資源）后完成業(yè)務疏通。

圖3 3層IP組播/廣播接入示意

2.4 5G LAN流量轉發(fā)技術

5G LAN技術充分借鑒軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）技術，依托5G核心網(wǎng)在會話管理層面控制和媒體分離構架，由SMF網(wǎng)元進行路徑控制，用戶面轉發(fā)設備執(zhí)行媒體轉發(fā)，實現(xiàn)靈活流量疏通能力。5G LAN流量轉發(fā)有基于N6接口、基于N3/N9接口、基于N19接口共3種流量轉發(fā)模式。

2.4.1 基于N6接口的流量轉發(fā)

如圖4所示，5G虛擬組終端的流量由N6接口轉發(fā)至數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（Data Network，DN），再通過DN網(wǎng)絡轉發(fā)目的終端實現(xiàn)流量信息互通。具體流程為5G虛擬組內用戶通過基站的N3接口、用戶面設備N6接口接入DN網(wǎng)絡，DN網(wǎng)絡依據(jù)IP地址、MAC地址等條件尋址，經過N6、N3及基站路由到達目標終端，完成數(shù)據(jù)疏通流程。該方式的優(yōu)點在于實現(xiàn)方式簡單，不必設置I-UPF、PSA UPF等特殊角色，減少流程中的網(wǎng)元數(shù)量，從而降低業(yè)務故障的風險。

圖4 基于N6接口的流量轉發(fā)

2.4.2 基于N3/N9接口的流量轉發(fā)

因為在PSA UPF內引入Local SWitch，所以又稱本地交換機轉發(fā)方式，該方式最大的特點是5G LAN VN用戶移動性能力進一步提升，根據(jù)簽約的專用DNN確定SMF和PSA UPF后，可以靈活根據(jù)用戶的所在位置動態(tài)插入I-UPF實現(xiàn)擴大5G LAN的業(yè)務接入范圍。5G虛擬組內用戶間流量轉發(fā)方式如圖5所示，終端所在位置由PSA UPF所覆蓋，則插入I-UPF后使用N9接口進行流量疏通。因N3、N9接口均部署在承載網(wǎng)內，上網(wǎng)類業(yè)務指標如時延和抖動較N6接口疏通的方式會有明顯提升。

圖5 基于N3/N9接口的流量轉發(fā)

2.4.3 基于N19接口的流量轉發(fā)

基于N19接口轉發(fā)方式是N3/N9接口轉發(fā)方式的進一步擴展，如圖6所示。在這種方式下，含有Local SWitch的PSA UPF可以同時存在兩個，且兩個PSA UPF之間通過新定義的N19接口實現(xiàn)流量疏通。引入N19接口的主要作用有兩個，一是將原有的局域網(wǎng)覆蓋范圍進一步擴大，二是解決N3/N9接口轉發(fā)方式容災困難的問題。

圖6 基于N19接口的流量轉發(fā)

3 結 論

5G LAN技術是3GPP組織在R16中新引入并構建在NFV構架上的全新技術，兩者技術的融合必將有力促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展。5G LAN技術最大的特點是在5G網(wǎng)絡制式下實現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡2層Ethernet和3層IP組播/廣播的接入，同時基于N6、N3/N9、N19等多樣流量轉發(fā)場景滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求。靈活的5G虛擬組管理技術能夠實現(xiàn)5G LAN VN用戶與5G普通用戶上網(wǎng)相互隔離，最大程度降低業(yè)務風險。但5G LAN做為一項新技術尚有以下兩方面工作需要進一步完善和解決。（1）協(xié)議規(guī)范方面，5G核心網(wǎng)中跨SMF場景下的N4接口仍未解耦，SMF廠家決定UPF情況在一定程度上阻礙5G LAN應用推廣。（2）技術應用方面，組播/廣播方式的流量風暴問題仍未徹底解決，存在網(wǎng)絡安全隱患。以上兩方面問題將是5G LAN技術在下一階段需要重點解決的問題。