云原生在5G中的应用探索及展望

作者：周立栋 2021-09-16 09:27:55

云计算

云原生 随着云计算的发展进入成熟期，以资源优化转向效能提升成为突出特点，云原生成为下一代云计算的技术“内核”。

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5G作为新一代信息通信技术领域的引领性技术，成为企业数字化转型、全面构建数字基础设施的强大推动力。

近几年，5G与交通、电力、医疗及工业制造相结合，涌现出一批又一批优秀的案例。但是，由于资源异构、设备分布广、资源碎片化等特点，传统云计算解决方案在应用于5G网络时局限性越来越明显，如何针对行业客户建设更加高效、灵活、弹性、敏捷、健壮、智能的网络，是5G与垂直行业应用结合面临的新课题。

随着云计算的发展进入成熟期，以资源优化转向效能提升成为突出特点，云原生成为下一代云计算的技术“内核”。云原生以其毫秒级的弹性响应、高度的服务自治故障自愈能力、可实现异构资源标准化、具备大规模复制能力，在促进5G行业应用中突显了巨大的价值。

云原生发展现状及趋势

近几年云原生技术进入快速发展期，已被更多的企业和用户引入到软件开发中。围绕云原生的关键技术趋向于多元化发展，可概括为两个方面：一是云原生底层技术，主要包括云原生服务器、存储、网络及容器技术;二是云原生编排与管理，主要包括云原生消息队列、服务网格(Service Mesh)、无服务器架构技术及云原生调度系统。

云原生底层技术

随着云原生技术被更多的企业应用，越来越多的互联网、数据库、消息队列等企业有状态核心应用逐步迁移到云原生平台，以适应时延、吞吐量及稳定性的要求。云原生存储是指通过整合多种云存储形态，完整匹配 Kubernetes 环境下的存储声明机制，提升存储的质量、稳定性及安全等能力，以满足不同应用场景下的存储使用需求的新型存储解决方案。

首先，随着容器云原生技术快速发展，Docker容器和宿主机共享内核的特点导致了Docker容器逃逸问题变得严峻。为解决普通容器由于内核Bug引发容器逃逸，安全容器通过添加隔离层，给进程分配了一个独立的操作系统内核，从而避免了让容器共享宿主机的内核。

其次，为了解决传统应用迁移到FaaS平台面临的函数拆分及迁移成本问题，Serverless容器脱颖而出，Serverless容器可以支持进程常驻的服务形态，不限运行时长，并扩大Serverless的应用场景。同时，Serverless容器在免运维的纯托管模式、以实际资源用量计费及秒级弹性伸缩响应等方面均进行了加强。

再次，在裸金属服务器上搭建容器服务成为一些对性能和实例隔离性要求较高用户的选择。

最后，为了进一步提高容器负载性能和稳定性，一些非业务负载组件也逐步由专门的卸载硬件来承载，这也促进了云原生服务器、云原生存储及云原生网络的发展。

此外，为进一步解决客户对高性能计算的强要求，云原生服务器应运而生，它既具备了物理机的性能优势，又具备了云服务器的管理能力。

云原生编排与管理

编排和管理层的工具可实现自动化和弹性伸缩，基于此云原生应用程序天然具有可扩展性。其中，服务网格是一个用于管理、观测、支持工作负载实例之间安全通信的管理层。服务网格使服务治理与业务逻辑解耦，可实现异构系统的统一治理。

服务网格相对于传统微服务框架拥有较多优势：一是超强的通信线路数据观察性;二是“面向目的地”的流量控制能力;三是微服务网络的增强安全特性。

无服务器是一种架构理念，其核心思想是将提供服务资源的基础设施抽象成各种服务，以API接口的方式供给用户按需调用，真正做到按需伸缩、按使用收费。

云原生在5G中的应用探索

云计算技术已应用于现有的通信网络，包括基于OpenStack平台实现网元虚拟化和快速部署，基于开放的编排标准实现资源编排。但这些能力对于 5G 网络愿景来说还远远未够，例如分钟级的网络能力部署和变更要求、与云计算主流的容器管理平台Kubernetes的互操作等。在ETSI、NGMN等机构发布的5G白皮书上，通信运营商、设备商都提出了引入云原生技术到5G网络中以实现其愿景。

云原生在边缘计算中应用

边缘计算加速了5G在各行各业的应用，不仅满足了海量终端对高算力的需求，也满足了以智能驾驶、工业互联网为代表的低时延应用场景需求。然而，与云计算相比较，边缘计算具有资源分布广、异构性高、多碎片等特征，对算网协同的资源管控能力提出了更高的要求，传统的云计算解决方案难以应对边缘计算复杂性、不确定性、高动态性的需求，而将云原生应用拓展至边缘计算平台可以更好地助力5G落地千行百业。

在边缘计算平台引入容器化技术，可以实现底层物理计算资源的抽象与软件化，满足边缘计算的资源协同、应用管理协同、智能协同、数据协同以及轻量化的发展需求。

容器技术采用统一标准的容器格式和容器仓库，可为边缘计算提供标准化的应用分发，打造统一的容器控制面接口，满足边缘计算丰富的应用开发。同时，边缘计算借助云原生技术还可实现“云-边-端”一体化的应用分发，满足边缘计算海量设备大规模应用分发的能力。

此外，边缘计算与容器技术的结合也可以提供更加安全的工作负载运行环境，能够有效保障边缘计算平台的安全性。利用边缘容器能力，不仅可以在网络信号差的情况下，提供有效的自恢复能力，还可大幅提升边缘计算资源接入环境的兼容能力，满足多异构的网络接入。

云原生在核心网中应用

5G核心网部署方式成为满足各行各业专网的关键技术。为适应核心网面向服务及轻量级的发展需求，云原生技术在核心网中的应用主要体现在两个方面：一是面向服务的5G云原生核心网;二是基于云原生的轻量级5GC。

面向服务的5G云原生核心网方案主要包括云基础设施、NG核心网、运营管理系统、虚拟化基础设施管理器等4个组件，利用云原生技术、容器技术、服务网格、无服务器架构技术及云原生调度系统，可实现5G核心网大规模定制化的个性服务需求。

为满足行业客户类型丰富的组网需求，打造轻量级5GC成为运营商积极推动的网络关键技术之一。云原生以其灵活的容器技术及调度策略，很好地满足了5GC核心网功能定制化裁剪，可支持行业客户按需对网络、网元功能进行灵活编排、定制开发及快速部署。

综上所述，云原生技术正以其灵活的组网及调度能力助力5G行业客户的发展，但是云原生技术应用于5G还处于初级阶段，如何针对5G的需求制定调度策略，如何更好地满足5G广链接的异构组网，如何构建边缘云、中心云一体化的应用服务，都是云原生技术面临的挑战。