全扁平化移动网络架构的研究

【摘要】从运营商面临的主要问题入手，文章介绍了全扁平化网络架构，提出了一种基于同质化单节点的全扁平化网络架构，并针对其中的路由优化问题探讨了几种解决方案，以此为移动运营商向全扁平化的架构演进提供一定的参考。

【关键词】移动网络架构 全扁平化 路由优化 HIP LISP

1 引言

尽管移动通信产业处速发展阶段，然而移动运营商的发展却并非一帆风顺，许多问题不断涌现甚至持续恶化，这给运营商造成了极大困扰。要想摆脱当前不利局面，摆在运营商面前的首要任务是清醒认识到问题之所在，简要来说主要包含如下三方面：

（1）业务收入与业务流量之间的矛盾日益加剧：传统网络以语音业务收入为支柱，而现在数据业务的主导地位日益凸显；数据业务流量的暴涨极大地增加了网络负担，却并没有给运营商带来等值的收入。

（2）网络无法很好地适应业务应用发展：传统的层级化网络架构已经不能很好地适应互联网业务的发展（例如P2P/物联网/云计算业务应用），业务部署的分布化正驱使着网络功能向边缘靠近。

（3）收益空间逐渐缩小：网络成本下降速度慢于用户支付成本下降速度，从而导致运营商利润空间越来越小（如图1所示），每用户ARPU值呈逐年下滑趋势。

为了扭转这些不利局面，运营商急需一种更加智能的网络架构，既能够满足未来用户需求，也能够为运营商实现利润最大化。国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”中就设立了与网络架构相关的研究课题。

2 全扁平化网络架构

文献[1]回顾和总结了通信网络架构的发展历程，层级化和C/S模式依旧是传统网络设计的主流思路。在刚刚结束的ITU-R WP5D第9次会议上，LTE-Advanced已被评选为4G标准之一，4G的核心网基本上是依托EPC（Evolved Packet Core）[2]。尽管4G的大规模部署还未来临，但从国内外各大研究机构分析来看，4G仍远不能满足未来几年数据流量的疯狂增长。为了减轻核心网负载，2009年3GPP提出了LIPA/SIPTO研究课题。LIPA/SIPTO在一定程度上能够缓解这种压力，然而它只能看作是对传统网络的修修补补，并未从根本上解决现有的问题。

全扁平网络的概念由此应运而生。相比传统层级化网络，全扁平化网络架构有诸多好处：业务控制更加精细化和智能化，业务部署趋于分布化和边缘化，电信能力更加开放，多媒体业务更为丰富，网络自组织和管理能力进一步增强，用户的业务体验得到全面提升。很明显，全扁平化时代将会打造运营商和用户双赢的局面。

2.1 架构参考模型

网络架构参考图2所示。4G时期的网络架构主要包括网元eNB（负责无线接入）、MME（负责移动性管理）、S/P-GW（负责IP锚定）、HSS（负责用户数据管理）、CSCF（负责会话管理）和PCRF（负责策略制定）。这种层级化结构中的各个网元设备各司其职，处于一种集中式管理的模式，因而单点故障及拥塞等问题是在所难免的。另外，网络的扩展性也不够灵活。

图2全扁平化网络架构

本文提出基于同质化单一节点的全扁平化网络架构，顾名思义，就是将4G网络中的多个节点功能集成到一个节点上。也即，这样的一个节点身兼数职，通过分布式处理方式将所有这些同质化节点联结在一起。这种设计方式的一个突出优势是每个节点有一个IP出口，便于流量卸载。另外，每个节点具备自组织和自动配置功能，类似即插即用特性，因而网络扩展灵活多变，可有效降低OPEX。

2.2 关键问题

图3阐释了节点功能、实现流程和关键问题之间的关系。三者相辅相成，节点具备何种功能是寻找这些关键问题答案的前提，而关键问题的实现又是通过具体的流程呈现和验证的。因此，定义好节点功能后，要试图寻找这些问题的最终解决方案。现阶段，我们只专注于移动性管理、用户数据管理、会话管理、用户路由。当然，这些问题并不是孤立的，例如，在移动切换过程中，移动性管理和用户数据管理等问题都会涉及，评判一个系统的优劣也要从多方面进行考量。限于篇幅，本文仅探讨用户面数据路由问题。

3 扁平化网络中的用户面路由

在传统的TCP/IP体系结构中，IP地址既实现通信节点标识功能又实现路由功能。IP地址的这种双重功能模式决定了TCP/IP协议栈中的网络层和传输层的紧密耦合，一旦移动节点的IP地址发生变化，不仅路由要改变，移动终端的标识也可能发生变更，标识发生变更后，正在进行的会话将会中断。

在传统移动网络中，这一问题并不严重。因为每个用户的IP锚定点位于GGSN/P-GW上，只要它们不发生变化，用户会话的连续性也不会被中断。再者，每个GGSN/P-GW的覆盖范围较大，因此，跨GGSN/P-GW间的移动切换并不需要考虑。然而，在全扁平化网络中，每个节点既负责无线接入又负责IP锚定和IP地址分配。一旦进行无线切换，用户将获得一个新的IP地址，如果使用新的IP地址作为标识，会话的连续性将无法得到保证。因此，在保证业务连续进行的前提下，如何设计出适合全扁平化网络下的用户面路由将是不可回避的课题。目前，3GPP和IETF等国际标准组织都在积极进行相关问题的研究[4~7]。

大体上，全扁平化网络架构中有三种解决手段，分别是：基于固定锚定点的用户面路由、基于多锚定点的路由优化和基于动态锚定点的路由优化，下面将逐一讨论分析。

3.1 基于固定锚定点的用户面路由

基于固定锚定点的用户面路由沿用了传统网络的概念，正在进行通信的用户不论移动到哪里，IP锚定点始终不变，直到所有业务终止为止。

如图4所示，移动切换过程中的用户面路由解决方案大致过程为：

（a）用户最初锚定在Node A上，并且Node A负责IP Flow #1的路由；

（b）用户移动切换到Node B覆盖范围，为保持IP Flow #1业务的连续性，Node A与Node B之间需要建立隧道为其服务（类似于eNB与S-GW/P-GW之间的隧道，Node A充当P-GW，Node B充当eNB）；

（c）此时用户又有新的业务，则IP Flow #2与IP Flow #1路由方式一致；

（d）用户继续移动切换到Node C的覆盖范围，则需要在Node A与Node C之间建立隧道传输IP Flow #1和IP Flow #2，此时Node C充当eNB角色，Node A与Node B之间的隧道将被拆除；

（e）用户终止IP Flow #1，隧道只为IP Flow #2服务；

（f）当IP Flow #2也被终止后，则，用户的锚定点将迁移到Node C上，Node A与Node C间的隧道随之被拆除；如果用户此时开启新的业务（IP Flow #3），则Node C负责对外路由。

可见，基于固定锚定点的路由方案并未起到路由优化的效果。该方案的优点是设计起来相对简单，实现容易；其缺点也是显而易见的，隧道机制增加了用户面时延，有悖于Traffic offload思想。

3.2 基于多锚定点的路由优化

基于隧道的传输方式既增加了网络传输负担，又降低了用户体验。因此，可以考虑是否只有在需要时才为用户的IP Flow引入隧道机制，目前中国移动研究院网络技术研究所与IETF主导的分布式移动管理[4]概念与之类似。图5演示了多锚定点的设计思路。

移动切换过程中的用户面路由解决方案大致过程为：

（a）和（b）的情形与图4的情形一致；

（c）此时用户又有新的业务，与图4不同的是IP Flow #2的锚定点在Node B上，这样对于IP Flow #1来所，Node B充当eNB角色；而对于IP Flow #2来说，Node B充当eNB和P-GW的双重角色，从而很好地完成了对IP Flow #2的路由优化功能；

（d）用户继续移动切换到Node C的覆盖范围，Node A与Node B分别实现IP Flow #1和IP Flow #2的IP锚定功能，分别与Node C间建立隧道；

（e）用户又开启新的业务（IP Flow #3），路由方式类似于（c）中的IP Flow #2；

（f）如果用户又回到Node A的覆盖范围，则IP Flow #1可实现路由优化，IP Flow #2和IP Flow #3需要分别锚定在Node B和Node C上。

需要说明的是，由于用户可能获得多个IP地址和多个锚定点，则每当移动到新的节点后，该节点都需要为用户设置一个偏好IP地址，以此辅助完成路由优化功能；否则，数据会在多个节点间迂回。

该方案在一定程度上能够降低网络的传输负担，增加用户的业务体验；但相比基于固定锚定点的路由方案，该方案的实现方式增加了网络复杂度。

3.3 基于动态锚定点的路由优化

基于多锚定点的解决方法在一定程度上减轻了数据路由对隧道的依赖，然而并没有真正消除隧道机制，换句话，并未做到真正的路由优化。我们期望的结果是不论用户移动到哪里，在不中断业务的前提下实现IP锚定点的动态变更。如图6（b）所示，IP Flow #1锚定点需要迁移到Node B上，这样有利于Node A释放掉该用户占用的所有资源。基于动态锚定点的路由效率最高，然而实现难度也是最大的，大体有两种解决思路：

（1）基于终端的路由优化

该方案的典型代表是主机标识协议：HIP。HIP是由Robert Moskowitz等人于2001年提出的[6]，其基本思想是在TCP/IP体系结构中的网络层与传输层之间插入主机标识层，断开网络层与传输层的紧密耦合关系。HIP协议使用HI作为节点的主机标识，用于传输层的连接；使用IP地址作为节点的位置标识，用于网络层路由。这样主机标识层之上的协议层将不再使用IP作为接口，而是使用HI。详细的通信过程可参看文献[6]。

（2）基于网络的路由优化

基于网络的方案的设计目的是在保证优化路由的前提下，不需更改移动终端设置，接入节点起到的作用（如PMIPv6），帮助移动终端完成所有移动切换的任务。这样用户感觉不到自己是否在运动，从而用户的业务体验也不会受到影响。

该方案的实现可以基于传统的PMIPv6，不过PMIPv6属于区域移动解决方案，要想在扁平网络中实现全局移动切换，需要对其进行修改和扩展。另一种思路是Cisco提出的LISP[5]，实现标识与位置的分离。尽管该方案提出的初衷是要缓解骨干网IP路由表压力，不过LISP的研究思路可以扩展到本文的全扁平化的网络架构中：用户终端的IP地址作为通信标识，接入节点作为外部连接的路由器，实现身份标识和地址标识的分离。

（3）方案对比

HIP在移动终端侧实现了主机身份标识和位置标识的分离，在TCP/IP协议层的三、四层之间做一些修改。移动终端协议栈的改变必然会增加实际部署的难度（将现有的所有终端设备都进行升级是不现实的），兼容性也存在着很大的问题。LISP则在网络侧实现身份标识和位置标识的分离，仅仅需要修改接入节点（下一代基站）的路由工作方式，部署难度较小。另外，HIP协议本身将安全机制融入到了协议中，采用IPsec中的ESP传输模式来保护通信数据，安全度较高，可是对于轻量级（如Sensor/RFID等）和不需要过高可靠性的通信来说则无疑是一种负担。LISP协议本身虽没有考虑任何安全机制，不过由于移动终端的协议栈没有变动，因而传统的安全机制还可以继续利用。综合来看，基于网络的路由优化方案（如LISP）将是解决下一代移动网络路由优化的有力竞争者。

4 结束语

全扁平化的网络架构取消了层级的设计思路，各网元间实现分布式处理，既利于提升用户业务体验，又利于流量卸载。本文提出的基于同质化单一节点的移动网络架构是对现有网络的一次全面革新，传统的解决手段已经不再适应该网络架构，需要提出更加灵活有效的解决方案。本文重点分析了移动切换过程中的路由优化问题，对几种可行的解决方案进行了分析和比较。对于移动性管理、用户数据管理、会话管理等问题，我们将另文阐述。本文只是抛砖引玉，希望能够引起更多技术人员的兴趣和关注。只有多行业和多单位间的通力合作，才能打造出下一代高度智能的移动网络。

参考文献

[1]徐峰,严学强. 移动网络扁平化架构探讨[J]. 电信科学,

2010,26(7): 43-49.

[2]3GPP TS 23.401. General Packet Radio Service(GPRS) Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN) access[S].

[3]3GPP TR 23. 829. Local IP Access and Selected IP Traffic Offload[S].

[4]Liu D, Z Cao, et al. Distributed mobility management problem statement[R]. IETF Draft, work in progress, July 2010.

[5]Farinacci D, Fuller V, et al. Locator/ID separation protocol(LISP)[R]. IETF Draft, work in progress, October 2010.

[6]IETF RFC 5201. Host Identity Protocol[S].

[7]Kafle V P, Otsuki H, Inoue M. An ID/locator split architecture for future networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2010(2): 138-144.

【作者简介】

徐 峰：博士毕业于大连海事大学，现任职于上海贝尔股份有限公司战略部，主要从事LTE业务应用和未来扁平化移动网络架构研究。

严学强：博士毕业于浙江大学，现任上海贝尔股份有限公司战略部副总监，主要从事网络战略研究。