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内容简介

本书是软件定义5G网络的一本学习参考书。全书共分为15章，简要介绍了5G网络的演进、软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）等关键技术，提出了软件定义5G网络架构及其关键技术，介绍了软件定义5G网络在车联网、智慧城市和智慧医疗中的应用。本书不仅介绍了软件定义5G网络架构如何解决传统网络问题，还对各架构的原型系统的部署进行了描述，并且对各种关键技术和应用场景进行了详细的分析和阐述。对于5G智能服务的相关研究领域和未来方向，为读者提供了参考。本书可作为计算机网络和通信专业高年级本科生和研究生的教材或参考书，也可供相关专业工程人员参考。

作者简介

陈敏，男，华中科技大学计算机学院教授、博士生导师，嵌入与普适计算实验室主任。曾任韩国首尔大学助理教授。2012 年入选国家第二批青年千人计划。从事 5G 网络、物联网感知、情感通信、大数据分析、认知计算等领域的研究，主持或参与多项科技部国际合作项目。在国际学术期刊和会议上发表论文240余篇，其中发表SCI期刊论文120余篇，IEEE/ACM 期刊论文 70 余篇，ESI高被引论文10篇，ESI热点论文2篇。发表论文谷歌学术引用总数超过 7700 次，单篇论文引用 860余次， H-index = 43 。任MDPI大数据与认知计算期刊总主编，IEEE计算机协会大数据专委会主席。2009 年入选IEEE高级会员。

目录

1软件定义5G网络概述(1)
1.15G的演进(1)
1.1.1移动通信的发展(1)
1.1.2国内外5G研究进展(1)
1.1.35G关键能力指标(3)
1.1.4现有移动网络结构的挑战(3)
1.25G关键技术(4)
1.2.15G无线关键技术(4)
1.2.25G网络关键技术(5)
1.2.3SDN和NFV(5)
1.3软件定义5G网络的架构(7)
1.4小结(8)
2软件定义网络(9)
2.1SDN概述(9)
2.1.1SDN发展历史(9)
2.1.2SDN标准化组织(10)
2.1.3SDN体系结构(11)
2.1.4SDN协议(12)
2.2数据层(13)
2.2.1交换机(13)
2.2.2转发规则(13)
2.3控制层(14)
2.3.1控制器设计问题(14)
2.3.2接口语言(14)
2.4SDN应用研究(15)
2.4.1企业网与校园网(15)
2.4.2数据中心与云(15)
2.4.3广域网(16)
2.4.4无线网络(17)
2.5小结(17)
3软件定义NFV架构(18)
3.1技术背景(18)
3.2软件定义网络功能虚拟化(19)
3.2.1网络功能虚拟化(19)
3.2.2NFV框架(20)
3.2.3NFV和SDN(21)
3.2.4软件定义NFV架构(21)
3.3从中间设备到NFV(22)
3.3.1中间设备概述(22)
3.3.2软件定义中间设备(22)
3.4服务链(23)
3.4.1基于SDN和中间设备的服务链(23)
3.4.2软件定义NFV架构中的服务链(24)
3.5网络功能虚拟化的挑战和难题(25)
3.5.1功能虚拟化(26)
3.5.2可移植性(26)
3.5.3标准接口(27)
3.5.4功能部署(27)
3.5.5流量导向(27)
3.6应用和未来方向(27)
3.6.1云计算(28)
3.6.2移动网络(28)
3.6.3企业网络(29)
3.7小结(29)
4软件定义物联网架构及路由(30)
4.1研究背景(30)
4.2软件定义物联网架构设计(31)
4.2.1软件定义物联网架构(31)
4.2.2物联网控制流与数据流(32)
4.3基于SDN的无线多跳网路由协议(33)
4.3.1面临挑战(33)
4.3.2设计思路(34)
4.3.3详细设计(34)
4.4SDN�睸PAN算法(43)
4.4.1拓扑控制(43)
4.4.2SPAN算法(43)
4.4.3基于SDN的SPAN算法改进（Cross�瞣ver�瞡et算法）(44)
4.4.4Cross�瞣ver�瞡et算法描述(47)
4.4.5仿真(47)
4.5小结(50)
软件定义5G网络——面向智能服务5G移动网络关键技术探索目录5软件定义无线蜂窝网络(51)
5.1技术背景(51)
5.1.1目前挑战(51)
5.1.2研究现状(52)
5.2软件定义5G网络架构设计(53)
5.2.1基于C�睷AN的5G无线接入网架构(53)
5.2.2上行和下行分离，动态调整(54)
5.3能量和频谱优化的基站合作(54)
5.4多种无线接入技术的融入(55)
6软件定义的5G核心网架构与设计(56)
6.1研究背景(56)
6.2SDN与NFV概述(57)
6.2.1SDN概述(57)
6.2.2NFV概述(58)
6.3相关研究现状(59)
6.4设计目标(60)
6.5系统架构设计(61)
6.5.1系统整体架构(61)
6.5.2控制平面结构(62)
6.5.3数据平面结构(64)
6.6系统实现(64)
6.7业务链概述(65)
6.8基于SDN/NFV的业务链设计与实现(66)
6.8.1已有实现方案(66)
6.8.2整体方案(69)
6.8.3优势分析(70)
6.9NF实例选取(71)
6.10小结(72)
7软件定义的5G核心网联动机制与系统(73)
7.1本章引言(73)
7.2问题描述(74)
7.3联动模块设计及其关键技术(75)
7.3.1联动模块架构(75)
7.3.2联动事件通用接口设计(75)
7.3.3联动策略与分发流程机制(77)
7.4联动场景时序设计(78)
7.4.1动态切换业务链(78)
7.4.2动态增加网元(79)
7.4.3动态业务部署(79)
7.5SDN/NFV移动核心网原型系统部署(80)
7.5.1整体架构与物理网络搭建(81)
7.5.2网络控制系统：SDN部署与业务链实现(82)
7.5.3计算控制系统：OpenStack与OpenDaylight互联(84)
7.5.4其他介绍：NF系统与Coordinator的部署(85)
7.6原型系统工作流程介绍(85)
7.7原型系统测试(86)
7.7.1业务链测试(86)
7.7.2联动场景测试(88)
7.8小结(94)
8软件定义的5G网络即服务原理与技术(95)
8.1研究背景(95)
8.2软件定义网络（SDN）概述(97)
8.3SDN相关研究与存在问题(98)
8.4网络即服务（Network as a Service, NaaS）技术概述(99)
8.5设备设计目标(100)
8.6开放式高性能网络设备解决方案(100)
8.7网络设备的设计与实现(102)
8.8设备性能评估与测试(103)
8.9SDN交换机设计(105)
8.9.1交换机功能分析(105)
8.9.2交换机设计方案(106)
8.9.3软件层面设计(106)
8.9.4硬件层面设计(107)
8.10SDN网络部署与测试(108)
8.10.1SDN网络部署(108)
8.10.2性能测试(108)
9网络即服务自动化系统(110)
9.1本章引言(110)
9.2问题的提出(111)
9.3系统设计目标(112)
9.4系统设计(113)
9.4.1面向应用的网络服务抽象模型基本服务类型(114)
9.4.2网络服务接口设计(115)
9.4.3南向兼容性设计(116)
9.4.4自动化编译子系统设计(117)
9.5系统测试与验证(121)
9.5.1运行环境部署与系统启动(121)
9.5.2基本服务请求测试(122)
9.6小结(124)
10软件定义的5G网络即服务系统与部署(125)
10.1本章引言(125)
10.2网络即服务平台设计与部署(126)
10.2.1物理网络层与网络管控层：SDN网络组网与配置(126)
10.2.2网络设备抽象层：OpenStack部署及Neutron与ODL互联(128)
10.2.3网络服务抽象层：NaaS自动化系统的部署与接口适配(128)
10.3平台工作流程介绍(129)
10.3.1网络初始化配置(129)
10.3.2提交服务请求(129)
10.3.3网络服务的部署(129)
10.4平台功能与性能评测(131)
10.4.1服务抽象(132)
10.4.2网络配置(132)
10.4.3服务提交与编译(132)
10.4.4自动部署结果(134)
10.4.5主机连通性测试(134)
10.4.6正在运行的服务的动态修改(135)
10.4.7相关数据分析(136)
10.5小结(137)
11软件定义5G车联网架构及关键技术(138)
11.1软件定义5G车联网基本架构(138)
11.1.1数据层(138)
11.1.2控制层(140)
11.1.3应用层(140)
11.2软件定义5G车内网络架构(141)
11.2.1数据采集(142)
11.2.2网内数据处理(143)
11.3软件定义5G车内网的跨网通信(144)
11.3.1车—云的通信(144)
11.3.2云—车的通信(144)
11.3.3车—车的通信(144)
11.4软件定义5G车联网边缘云的动态组网(145)
11.4.1评价指标(145)
11.4.2优化问题(146)
11.5车载云(147)
11.6软件定义5G车联网开放性问题(152)
11.7小结(155)
12软件定义网络在智慧城市中的应用(156)
12.1引言(156)
12.2SDN和智能城市之间的协同作用(157)
12.2.1应用举例(157)
12.2.2STLS场景中的SDN角色(157)
12.3智慧城市的网络挑战(158)
12.3.1无线虚拟化(159)
12.3.2高效路由(159)
12.3.3分布式与集中式网络控制与管理(159)
12.3.4无线监视(159)
12.3.5流量管理(160)
12.4基于SDN的无线网络架构(160)
12.4.1将路由器分为多个虚拟路由器(160)
12.4.2无线网络的复合路由(160)
12.4.3控制层的位置(162)
12.4.4使用Openflow监视路由器(162)
12.4.5支持负载均衡(163)
12.4.6评估网络开销(163)
12.5小结(165)
13软件定义医疗网络(166)
13.1技术背景(166)
13.2目前遇到的问题(168)
13.3SDHN架构设计(169)
13.3.1传感器平台和数据收集服务(169)
13.3.2网络和数据传输服务(171)
13.3.3云数据中心和数据处理服务(171)
13.3.4动作反馈服务(172)
13.4开放性问题以及可能的解决方法(172)
13.4.1南向接口设计(172)
13.4.2冲突解决以及传感器平台的优化(173)
13.4.3流量调度支持服务质量(173)
13.4.4云数据中心的资源映射(173)
13.5测试平台(174)
13.5.1如何分配SD�睷obot的智能(174)
13.6小结(176)
14软件定义网络物联网的半实物仿真(177)
14.1技术背景(177)
14.1.1SDN仿真(177)
14.1.2半实物仿真(179)
14.1.3软件定义物联网(181)
14.2模型设计(183)
14.2.1软件定义WSN(183)
14.2.2软件定义云数据中心(184)
14.3南向接口设计(185)
14.3.1云数据中心的南向接口设计(185)
14.3.2WSN的南向接口设计(185)
14.3.3WSN网关节点上控制程序实现(186)
14.3.4WSN软件定义任务包(186)
14.3.5源节点上控制程序(188)
14.3.6邻居节点的剩余能量发现(188)
14.4北向接口设计(189)
14.4.1云数据中心北向接口设计(189)
14.4.2传感网的北向接口实现(190)
14.4.3传感网网关WSN网关节点设计(190)
14.5仿真实验(191)
14.5.1多应用的多路设计(192)
14.5.2应用级数据共享(193)
14.5.3传感平台共享(193)
14.6小结(195)
155G主动缓存(196)
15.1研究动机(196)
15.2存储即服务（CaaS）(197)
15.2.1CaaS概念(197)
15.2.2CaaS应用(198)
15.2.3CaaS挑战(199)
15.3无线D2D网络中的移动感知缓存(200)
15.3.1无线D2D网络中的缓存(200)
15.3.2无线D2D网络中的计算卸载(203)
15.3.3缓存和计算的奖励机制(206)
15.3.4总结(207)
15.4以内容为中心的网络（CCN）(207)
15.4.1CCN简介(207)
15.4.2CCN内容命名(209)
15.4.3CCN基本流程(209)
15.5主动缓存替换策略研究(211)
15.5.1CCN仿真设置(211)
15.5.2CCN缓存替换策略(212)
15.5.3基于前缀预测的缓存替换策略（PP）(212)
15.5.4基于流行度的细粒度缓存替换策略（FGPC）(213)
15.5.5CCN动态缓存调节(213)
15.6面向CCN的缓存虚拟化(215)
15.7CCN的OPNET仿真实现(216)
15.7.1CCN模型设计(217)
15.7.2数据结构(218)
15.7.3包结构及说明(219)
15.7.4PPCC/PP仿真结果(220)
15.7.5FGPC/D�睩GPC仿真结果(222)
参考文献(225)

前言/序言

自从20世纪60年代ARPANET诞生以来，互联网经历了数十年的高速发展；至今，互联网已经成为人类社会在教育、经济、军事、科技、政治等各个方面的基础设施。移动通信网络更是以惊人的速度发展着，自20世纪80年代以来，我们先后经历了四代移动通信技术，第五代移动通信5G也即将到来。5G已经成为国内外移动通信领域的研究热点，由于频谱资源稀缺以及频谱效率提升空间受限于香农极限，业界逐渐认识到，5G的实现，除了需要空中接口技术的突破以外，网络架构的创新也是5G的关键推动力之一。
为了满足5G网络速度更快、时延更低、连接更多、效率更高的愿景，有必要对现有的网络架构、网元功能形态等进行全新的设计。此外，5G对移动互联网和物联网的功能和业务需求提出了许多新的挑战。在此背景下，软件定义网络SDN基于控制和转发相分离的思路，实现了网络和业务的可编程，给网络带来了极大的灵活性，使资源利用率低、网络传输转发性能受限、传统网络结构封闭僵化等问题得以有效地解决。因此将SDN引入5G网络构架成为研究热点，本书对软件定义5G网络的相关研究做了细致的介绍和探索。本书是一本全面系统论述软件定义5G网络关键技术及其应用的专著。在当前软件定义5G网络逐步走向成熟的时期，期望本书的出版能对国内外软件定义5G网络的研究、开发、应用和相关人才培养起到推动作用。
全书共分为15章，第1章是软件定义5G网络概述，介绍了5G网络的演进、关键技术及挑战等，引入软件定义5G网络的架构。第2章和第3章分别介绍其中的两个关键技术，即软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV），详细介绍了SDN的发展、体系结构以及SDN的应用研究, 并提出软件定义NFV架构，给出NFV的全面概述，介绍NFV和SDN的关系，还展示了软件定义NFV的挑战和可能的解决方案，说明了有前景的研究领域和提出了未来方向。第4章提出了软件定义物联网架构，通过软件定义网络的概念，将物联网的硬件和软件分离出来，同时提出基于此构架下的无线多跳路由，以及SDN�睸PAN算法的设计与仿真实现。第5章介绍软件定义无线蜂窝网，提出了在频谱资源和能耗的双重约束下，如何利用软件定义的概念设计超蜂窝网络的体系架构，并由此提高网络容量。第6章和第7章主要介绍软件定义的5G核心网，其中第6章主要提出一种基于SDN/NFV的移动核心网架构，实现了按需的网络功能部署；第7章实现并部署了第6章提出的架构的原型系统，重点是提出了适配于系统的联动架构并对其中的关键技术和应用场景进行详细的分析和阐述。第8章、第9章和第10章详细介绍了软件定义5G网络即服务，其中第8章说明网络即服务的原理和技术，提出了一种开放式的高性能网络设备的解决方案；第9章提出网络即服务自动化系统，实现网络服务的抽象化以及网络服务的自动化运维部署；第10章为网络即服务的系统与部署，SDN提供底层的网络控制方案，NaaS自动化系统提供网络服务能力的应用层抽象，两种技术相辅相成，提供了一种新型的网络服务提供平台。第11章、第12章和第13章分别介绍了软件定义5G网络在车联网、智慧城市和智慧医疗中的应用。第14章介绍软件定义网络的仿真，结合测试平台和软件仿真，提出了一种新的半实物仿真软件定义网络的方法（SDN�睠PS）。第15章介绍5G主动缓存的相关研究。
本书在编写过程中广泛参考了许多专家、学者的文章著作以及相关技术文献，作者在此表示衷心感谢。软件定义5G网络是一门正在发展的新技术，有些内容、学术观点尚不成熟或无定论，同时由于作者水平有限，虽然尽了最大努力，疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。
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