自第一代行動通訊(1G)到第四代行動通訊(4G)的發展過程中，在無線接取網絡(RAN)技術上，自FDMA、TDMA、CDMA、到OFDMA，每一世代都明顯地被視為一項革命性技術；但是在核心網絡(Core Network)技術上，革命性就不那么顯著。大約只在3G世代歷經過一次從電路交換到分封交換的一次重大變革。

考慮全球運營商在之前的核心網絡技術上投入了龐大的資金，大幅改變會影響服務持續性及收益，因此在3G階段的核心網絡技術革命，還很貼心地允許兩種交換模式共存并行了一整個世代，也就是運營商可以自由選擇采用電路抑或分封交換的技術，直到4G世代才正式接軌到全IP化的分封交換核心網絡體系。

SDN/NFV為5G網絡革命關鍵

這個革命性進程的意義是，核心網絡毋須再使用昂貴且復雜的專屬軟硬件設備，只要采用一般通用目的服務器(通常是x86 Server)和IP路由器、以太網絡交換器即可組成，使得核心網絡部署更進一步降低成本，也減少了對單一解決方案提供商的依靠或被捆綁。也因此，產業界公認無線接取網絡每一代幾乎都是一場革命(Revolution)，而核心網絡技術被認定是不斷的演進(Evaluation)。

面對2020年以后人類間甚至萬物間信息聯網社會的無線行動通訊需求，第五代行動通訊(5G)被業界視為一項寄以厚望地革命性技術，在無線接取技術面上的革新理所當然，但是在核心網絡上的面向上，會不會有稱之為革命性的改進呢？5G行動通訊系統將是一個全方位服務多技術融合的網絡，通過ICT技術的演進和創新，來滿足未來包含廣泛數據和連接的各種業務的快速發展需要，最終滿足以客戶端為中心的無線聯網需求，其中一個重要關鍵就在于軟件定義網絡(Software-Defined Networking, SDN)以及搭配網絡功能虛擬化(Network-Function Virtualization, NFV)兩項技術的發展。

傳統4G電信核心網絡設計與挑戰

在進入正題之前，我們先回顧一下傳統電信核心網絡是如何運作的？以及它有什么缺點需要改進？

首先請參考圖1，這是已經全IP化傳統4G電信核心網絡運作架構及示意，它是一套封閉式網絡系統，傾向單一設備負責單一專屬功能，網絡拓撲類似大型數據中心網絡的設計，最上層是核心路由器(Core Router)層，中間為邊緣或接取交換器(Edge/Access Switch)層，下層是服務器數組(Server Farm)或儲存媒體網絡(Storage Network)，所有EPC的網絡組件(Network Enteritis)譬如管理用戶注冊和移動性的MME、紀錄用戶帳戶就是在這些服務器上運行。

?

圖1 傳統上LTE EPC核心網絡運作在基于肥樹(Fat-Tree)的數據中心。

為避免單一節點或鏈路的損壞癱瘓整個網絡，因此采用肥樹(FAT Tree)為核心拓撲結構，這是一個兩層(2-Level)肥樹的示例，每任意網絡節點間都有四條路徑，真正在運作的網絡設計可能擴展到三層或四層結構，擁有更多的冗余備用路徑，以達到99.999%的高可用性(High Availability, HA)的可靠度要求。這個全封包(或稱全IP)網絡架構的首要設計目標，即為改善數據傳輸速率和網絡等待時間等性能，藉由將光纜或專線延伸到無線接取網絡來支持高速、大量的無線用戶接取服務。

先撇開專屬的電信機房的基礎設施和專線成本等造價不菲這件事，至少發現幾個問題。首先，考慮客戶的服務水平，必須展望未來中長期業務量需求，一次部署到位，否則未來的任何微小的設計變更就會造成服務暫停，進而減少收益和降低客戶滿意度。換言之即為缺乏部署彈性，網絡及運算資源調度困難甚至于無法調度的問題。以MME或S-GW為例，它必須接受成千上萬個用戶頻繁地注冊和高強度數據的轉送，一臺服務器可能無法負擔，因此勢必部署多臺，在它們前方還必須引進額外地服務器負載平衡(Server Load Balancer)主機用以平均分配用戶流量。

另一種極端的例子是管理QoS的PCRF，其天生被賦予的工作可能很「清閑」，專門為它準備一臺服務器又顯得有些浪費。實務上無可避免地會有設備損壞或升級需求；或是新興的應用服務導入，這些新興服務常需要與現行服務中網絡整合，愈多的軟硬件設備投資，復雜度高且整合測試耗時過長，需要大量的技術人力支撐，影響現有網絡的服務水平，難以實時推出這些新興服務，但支撐這些新興服務的專屬軟硬件設備生命周期卻又愈來愈短，這對傳統4G電信核心網絡都是一大挑戰。