自第一代行动通讯(1G)到第四代行动通讯(4G)的发展过程中，在无线接取网络(RAN)技术上，自FDMA、TDMA、CDMA、到OFDMA，每一世代都明显地被视为一项革命性技术；但是在核心网络(Core Network)技术上，革命性就不那么显著。大约只在3G世代历经过一次从电路交换到分封交换的一次重大变革。

考虑全球运营商在之前的核心网络技术上投入了庞大的资金，大幅改变会影响服务持续性及收益，因此在3G阶段的核心网络技术革命，还很贴心地允许两种交换模式共存并行了一整个世代，也就是运营商可以自由选择采用电路抑或分封交换的技术，直到4G世代才正式接轨到全IP化的分封交换核心网络体系。

SDN/NFV为5G网络革命关键

这个革命性进程的意义是，核心网络毋须再使用昂贵且复杂的专属软硬件设备，只要采用一般通用目的服务器(通常是x86 Server)和IP路由器、以太网络交换器即可组成，使得核心网络部署更进一步降低成本，也减少了对单一解决方案提供商的依靠或被捆绑。也因此，产业界公认无线接取网络每一代几乎都是一场革命(Revolution)，而核心网络技术被认定是不断的演进(Evaluation)。

面对2020年以后人类间甚至万物间信息联网社会的无线行动通讯需求，第五代行动通讯(5G)被业界视为一项寄以厚望地革命性技术，在无线接取技术面上的革新理所当然，但是在核心网络上的面向上，会不会有称之为革命性的改进呢？5G行动通讯系统将是一个全方位服务多技术融合的网络，通过ICT技术的演进和创新，来满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，最终满足以客户端为中心的无线联网需求，其中一个重要关键就在于软件定义网络(Software-Defined Networking, SDN)以及搭配网络功能虚拟化(Network-Function Virtualization, NFV)两项技术的发展。

传统4G电信核心网络设计与挑战

在进入正题之前，我们先回顾一下传统电信核心网络是如何运作的？以及它有什么缺点需要改进？

首先请参考图1，这是已经全IP化传统4G电信核心网络运作架构及示意，它是一套封闭式网络系统，倾向单一设备负责单一专属功能，网络拓扑类似大型数据中心网络的设计，最上层是核心路由器(Core Router)层，中间为边缘或接取交换器(Edge/Access Switch)层，下层是服务器数组(Server Farm)或储存媒体网络(Storage Network)，所有EPC的网络组件(Network Enteritis)譬如管理用户注册和移动性的MME、纪录用户帐户就是在这些服务器上运行。

图1 传统上LTE EPC核心网络运作在基于肥树(Fat-Tree)的数据中心。

为避免单一节点或链路的损坏瘫痪整个网络，因此采用肥树(FAT Tree)为核心拓扑结构，这是一个两层(2-Level)肥树的示例，每任意网络节点间都有四条路径，真正在运作的网络设计可能扩展到三层或四层结构，拥有更多的冗余备用路径，以达到99.999%的高可用性(High Availability, HA)的可靠度要求。这个全封包(或称全IP)网络架构的首要设计目标，即为改善数据传输速率和网络等待时间等性能，藉由将光缆或专线延伸到无线接取网络来支持高速、大量的无线用户接取服务。

先撇开专属的电信机房的基础设施和专线成本等造价不菲这件事，至少发现几个问题。首先，考虑客户的服务水平，必须展望未来中长期业务量需求，一次部署到位，否则未来的任何微小的设计变更就会造成服务暂停，进而减少收益和降低客户满意度。换言之即为缺乏部署弹性，网络及运算资源调度困难甚至于无法调度的问题。以MME或S-GW为例，它必须接受成千上万个用户频繁地注册和高强度数据的转送，一台服务器可能无法负担，因此势必部署多台，在它们前方还必须引进额外地服务器负载平衡(Server Load Balancer)主机用以平均分配用户流量。

另一种极端的例子是管理QoS的PCRF，其天生被赋予的工作可能很「清闲」，专门为它准备一台服务器又显得有些浪费。实务上无可避免地会有设备损坏或升级需求；或是新兴的应用服务导入，这些新兴服务常需要与现行服务中网络整合，愈多的软硬件设备投资，复杂度高且整合测试耗时过长，需要大量的技术人力支撑，影响现有网络的服务水平，难以实时推出这些新兴服务，但支撑这些新兴服务的专属软硬件设备生命周期却又愈来愈短，这对传统4G电信核心网络都是一大挑战。

再者是缺乏效率的问题，各网络组件(服务器)间有着各类复杂的电信信令界面要频繁地交互沟通，在前述架构中又引进了乒乓绕径(Pinball Routing)的问题，若两个欲沟通的组件同属一台边缘交换器还好，但实务上可能分属不同边缘交换器，就必须借重核心路由器来转送，整个数据路径跳数(Hop-count)增加。

如前所述，当前电信网络运营商面临成本和收入之间的差距逐步增大，运营商面临巨大的资金投入。传统4G电信核心网络的一次性资本支出成本(CAPEX)或日常维运管理成本(OPEX)都还有降低空间。再者，所有控制及服务流量都需要回到中心端机房集中管控，它的效能和服务质量也未臻完美，是否有解决方案可以响应这些挑战？云端虚拟化技术搭配软件定义网络技术可能是一个选项。

SDN/NFV控制与数据分层优化架构

从整个产业发展趋势看，3GPP标准制定进程已经步入真正意义的4G LTE-A (Release 13/14)世代，而云端虚拟化技术在IT业的日益成熟及成功又驱使行动网络采用新的实现方式及新的商业模式，同时前十年迅速发展的诸多IT新技术也启发了对移动网络架构及业务部署的重新思考。

软件定义网络(SDN)的概念是让软件来控制网络，充分开放网络能力，是一种具有控制信令与用户数据分离(C-U Split)、网络功能集中控制、开放应用程序界面API这三大特征的新型网络架构和网络技术。通过引进SDN的概念，可以将封闭垂直一体的传统电信网络架构一举转为弹性化、开放、高度整合、服务导向及确保服务水平的分层架构。在引入SDN后，面临的新挑战是如何进行网络功能重构，如何设计新增接口协议，进而基于SDN实现架构的优化以及端到端信令流程的优化。另一方面，大量的复杂控制机制集中到SDN控制器上运行，也降低了SDN交换器的采购、管理与替换等成本，连带解决了被单一网通设备制造商绑定的问题。

与SDN部分概念相仿，网络功能虚拟化(NFV)的理念之一也是在于解除特定软硬件功能组件，被市场支配性厂商绑定的问题；其采用云端虚拟化为主的IT手段改造4G/5G核心网络，采用泛用型伺服平台(General Purpose Platform, GPP)构建电信基础环境，GPP设备市场规模远大于专用电信设备，单位计算性能价格比远低于电信设备，并且成本下降和更新周期的幅度数倍于电信设备，这样能够以更低成本更快地引进新IT技术和新IT设备，维持硬设备性能优于竞争对手。