写给互联网工程师的 5G 书 | 7. 云化接入网
早就想写一个系列，给互联网行业的朋友介绍一下移动通信网络，特别是 5G 移动通信系统，但一直没想好怎么写。最近看到 ONF 发布的开源书《5G Mobile Networks：A Systems Approach》，其目标读者正是互联网从业者，因此打算将全书翻译为中文，希望能让有兴趣的朋友们能够了解移动通信网络的一些基本概念、网络架构和演进方向。原文：5G Mobile Networks: A Systems Approach[1]。中文版 Github 仓库：https://github.com/yuff100/5GSystemApproachCHN。
7. 云化接入网（Cloudification of Access）
前几章以循序渐进的方式的方式介绍了 5G 相关内容。首先将 5G 分解为基本组件，然后展示如何以基于云的设计最佳实践将这些组件组装在一起，构建一个功能完整、符合 3GPP 规范的 5G 蜂窝网络。在这个过程中，我们很容易忽略蜂窝网络正在经历一场戏剧性变革这个大图景，而这才是 5G 的意义所在。最后，我们将对这一大趋势提供一些观察思考。
7.1. 多云部署（Multi-Cloud）
要理解将云技术应用于接入网的影响，首先要了解云。云计算从根本上改变了我们的计算方式，更重要的是，改变了创新的步伐。它通过以下组合来做到这一点：
分解（Disaggregation）：基于开放接口将垂直集成的系统分解成独立的组件。
虚拟化（Virtualization）：能够在通用硬件平台上运行这些组件的多个独立副本。
通用化（Commoditization）：能够根据工作负载的要求，在通用硬件上弹性伸缩这些虚拟组件。
同样的情况也会发生在接入网上，或者从另一个角度来看，云本质上就可以扩展到接入网。
图 37. 多租户云的集合——包括虚拟化的 RAN 资源以及传统的计算、存储和网络资源——托管的电信和 OTT 服务以及应用程序。
图 37 从一个较高的角度展示了最终有可能会演进成怎样的架构，整个云跨越了边缘云、私有电信云和公有云，我们将这种云的集合称为“多云（multi-cloud）”。每个独立的云站点都可能属于不同的组织（包括蜂窝基站），因此，每个站点都可能是多租户的，能够为其他人和组织托管（和隔离）应用程序。这些应用程序将包括 RAN 和核心网服务（如本书前面所述）的组合，在公有云中常见的 OTT（Over-the-Top）应用程序（现在也分布在边缘云上），以及新的电信管理应用程序（同样分布在中心和边缘位置上）。
最终，我们可以期待会有通用 API 出现，从而降低任何人（不仅仅是今天的网络运营商或云服务提供商）获取所需的存储、计算、网络和连接资源来跨多个站点部署应用程序的障碍。
7.2. 边缘云即服务（EdgeCloud-as-a-Service）
在上一节讨论的所有内容中，将支持 5G 的边缘云部署为集中管理的服务，正在获得越来越多的关注。如图 38 所示，其思想是在企业中部署边缘云，配置 RAN 和移动核心网的用户面组件（以及企业希望在本地运行的任何边缘服务），然后从中心云管理该边缘部署。中心云负责运行边缘云的管理门户，以及移动核心网的控制面。这类似于在 5.2 节中讨论的多云配置，只是增加了能够从单个中心位置管理多个边缘部署的特性。
图 38. EdgeCloud-as-a-Service 是一种托管服务，RAN 和移动核心网用户面组件运行在企业中，移动核心网的控制面(以及管理门户)集中运行在公有云中。
这种部署的价值在于将 5G 无线网的优势引入企业，包括支持实时控制大量移动设备所需的可预测、低延迟通信。工厂自动化是这种边缘云的一个重要用例，对物联网的支持是 ECaaS 发展的重要动力。
可以想到，最近的很多商业活动都和这个方向有关。不过现在也有这方面的开源项目，Aether 是一个典型，现在可供早期采用者评估和试验。Aether 是 ONF 运营的 ECaaS，支持 4G 和 5G，由本书中说介绍的开源组件构建。Aether 可以使用授权或者和非授权的频段（如 CBRS），当然非授权频段可以让这样的部署更容易。图 39 描述了 Aether 的集中管理、多站点部署的早期架构。
图 39. Aether 是由 ONF 运营的 EdgeCloud-as-a-Service，由 SD-RAN 和本书中介绍的解耦的移动核心网组件构建而成。Aether 包括一个运行在公有云中的集中管理平台。
请注意，图 39 中的每个边缘站点对应于第 6 章中描述的 CORD POD，该 POD 经过重新配置，从而将移动核心网的运维接口和控制组件卸载到中心云上。
延伸阅读：有关 Aether 的更多信息，请访问 Aether 官网[2]。
7.3. 研究方向（Research Opportunities）
还有大量问题需要研究解决，才能让本章描述的场景成为现实，其中许多问题是由于接入网络和边缘云之间界限模糊的结果，我们将其称为接入边缘（access-edge），下面我们通过例举一些挑战和机遇的例子来总结这些问题：
多接入（Multi-Access）：接入边缘将需要支持多种接入技术（如 WiFi、5G、光纤等），并允许用户在它们之间无缝移动。需要进行研究以打破现有技术壁垒，并为常见问题（如安全性、移动性、QoS 等）设计融合解决方案。
异构性（Heterogeneity）：由于接入边缘将会被要求支持低延迟和高带宽连接，许多边缘功能将通过可编程白盒交换机实现，使用特定领域处理器（例如 GPU、TPU 等）也将更为普遍。需要研究如何调整边缘服务以利用异构资源，以及如何利用这些构建块的集合构建端到端应用程序。
虚拟化（Virtualization）：接入边缘将使用一系列技术将底层硬件资源虚拟化，从虚拟机到容器到无服务器架构，通过一系列 L2、L3 和 L4/7 虚拟网络互连，其中某些部分将由 SDN 控制应用程序管理。关于如何虚拟化计算、存储和网络资源，需要对云原生服务和面向接入的 VNF（Virtualized Network Functions，虚拟化网络功能）的假设进行协调研究。
多租户（Multi-Tenancy）：接入边缘将支持多租户，可能有不同的相关方（运维人员、服务提供商、应用程序开发人员、企业等）负责管理不同的组件。由于不同的组件需要以不同的自治级别运行，因此不太可能在单个信任域中部署整个接入边缘。如何最小化租户隔离造成的额外开销，还需要进行研究。
定制化（Customization）：需要能够为不同类型的用户和应用程序提供差异化、定制的服务，才能最大程度提升接入边缘的变现价值。这被称为网络切片（参见第 5.3 节），涉及到在服务链粒度（代表支撑某些用户服务的功能组件）上支持性能隔离。需要进行研究以加强性能隔离，以保证服务质量。
近实时（Near-Real Time）：接入边缘将是一个高度动态的环境，具有不断适应移动性、工作负载和应用程序需求的能力。支持这样的环境需要严格的控制回路，控制软件将在边缘运行。需要研究和分析控制回路，定义基于分析的控制器，并设计动态适应机制。
数据规约（Data Reduction）：接入边缘将连接越来越多的设备（不仅仅是手机），所有这些设备都能够产生数据。支持数据规约将是至关重要的，这意味着在接入边缘需要消耗大量算力（可能包括特定领域处理器）。需要研究将应用程序重构为边缘规约和后端分析两个子组件的方法。
分布式服务（Distributed Services）：所有服务本质上都将是分布式的，一些功能运行在接入边缘，一些功能运行在数据中心，一些功能运行在本地或终端设备（例如车载设备）。支持这样的环境需要多云解决方案，从而与任何单一基础设施解耦。需要研究怎样以启发式方法进行功能布局。
可伸缩性（Scalability）：接入边缘可能会跨越数千甚至数万个边缘站点，与管理单个数据中心相比，远程协调许多边缘站点的能力（即使只是在基础设施级别）本质上是一个不同的挑战。需要研究怎样扩展边缘平台以及支持大规模部署的边缘服务。
延伸阅读：想要更好的理解在接入边缘的研究机会，可以参考 2019 年 4 月发表于 ACM SIGCOMM CCR 的《民主化的网络边缘（Democratizing the Network Edge）》[3]。
关于本书
本书的 Github 仓库[4]提供了 5G 移动网络:一种系统方法的源代码，遵循知识共享协议(CC BY-NC-ND 4.0)[5]许可条款。我们邀请社区一起在相同的条件下更正、改进、更新本书以及为本书提供新的素材。
如果你打算使用本书内容，请保留以下信息:
Title: 5G Mobile Networks: A Systems Approach
Authors: Larry Peterson and Oguz Sunay
Source: https://github.com/SystemsApproach/5G
License: CC BY-NC-ND 4.0[5]
阅读本书
本书是系统方法系列[6]的一部分，在线版本在https://5G.systemsapproach.org上发布。
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关于作者
Larry Peterson 是普林斯顿大学计算机科学系的 Robert E. Kahn 名誉教授（该教席以 TCP/IP 的发明人 Robert E. Kahn 命名），他在 2003 年到 2009 年担任该系主任。他是最畅销的网络教材《计算机网络：系统方法（Computer Networks: A Systems Approach）》（第六版）的合著者，该教材现已在 GitHub 上开源。他的研究重点是互联网级分布式系统的设计、实现和操作，包括广泛使用的 PlanetLab 和 MeasurementLab 平台。他目前在开放网络基金会（ONF）领导 CORD 和 Aether 接入边缘云项目，并担任首席技术官。Peterson 教授是美国国家工程院的院士，ACM 和 IEEE 研究员，2010 年 IEEE 小林计算机和通信奖的获得者，2013 年 ACM SIGCOMM 奖的获得者。他于 1985 年获得普渡大学博士学位。
Oguz Sunay 目前是 ONF 的研发副总裁，负责所有移动相关项目。在此之前，他曾担任 ONF 的移动网络首席架构师。在加入 ONF 之前，Sunay 是 Argela-USA 的首席技术官，他是 5G 可编程无线接入网架构（ProgRAN）的发明人，该架构实现了世界上第一个动态可编程 RAN 切片解决方案。他还曾在诺基亚研究中心和贝尔实验室工作，在那里他专注于 3G 和 4G 端到端系统架构，并参与和主持各种标准化活动。Sunay 在学术界工作了 10 多年，担任电气和计算机工程教授。他在 3G、4G 和 5G 的各个方面拥有许多美国和欧洲专利，并撰写了许多期刊和会议出版物。他在土耳其 METU 获得学士学位，在加拿大皇后大学获得硕士和博士学位。
Reference:
[1] https://5g.systemsapproach.org/index.html
[2] https://www.opennetworking.org/aether/
[3] https://ccronline.sigcomm.org/wp-content/uploads/2019/05/acmdl19-289.pdf
[4] https://github.com/SystemsApproach/5G
[5] https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
[6] https://www.systemsapproach.org/
[7] https://www.facebook.com/Computer-Networks-A-Systems-Approach-110933578952503/
[8] https://twitter.com/SystemsAppr
[9] https://systemsapproach.substack.com/
你好，我是俞凡，在 Motorola 做过研发，现在在 Mavenir 做技术总监，对通信、网络、后端架构、云原生、DevOps、CICD、区块链、AI 等技术始终保持着浓厚的兴趣，平时喜欢阅读、思考，相信持续学习、终身成长，欢迎一起交流学习。
微信公众号：DeepNoMind
还未添加个人签名 2017.10.18 加入
俞凡，Mavenir Systems研发狗，在上海、达拉斯生活的技术人，关注高可用架构、高性能服务、5G、人工智能、区块链、DevOps、Agile等。公众号：DeepNoMind
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