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內容簡介

本書是軟件定義5G網絡的一本學習參考書。全書共分為15章，簡要介紹瞭5G網絡的演進、軟件定義網絡（SDN）、網絡功能虛擬化（NFV）等關鍵技術，提齣瞭軟件定義5G網絡架構及其關鍵技術，介紹瞭軟件定義5G網絡在車聯網、智慧城市和智慧醫療中的應用。本書不僅介紹瞭軟件定義5G網絡架構如何解決傳統網絡問題，還對各架構的原型係統的部署進行瞭描述，並且對各種關鍵技術和應用場景進行瞭詳細的分析和闡述。對於5G智能服務的相關研究領域和未來方嚮，為讀者提供瞭參考。本書可作為計算機網絡和通信專業高年級本科生和研究生的教材或參考書，也可供相關專業工程人員參考。

作者簡介

陳敏，男，華中科技大學計算機學院教授、博士生導師，嵌入與普適計算實驗室主任。曾任韓國首爾大學助理教授。2012 年入選國傢第二批青年韆人計劃。從事 5G 網絡、物聯網感知、情感通信、大數據分析、認知計算等領域的研究，主持或參與多項科技部國際閤作項目。在國際學術期刊和會議上發錶論文240餘篇，其中發錶SCI期刊論文120餘篇，IEEE/ACM 期刊論文 70 餘篇，ESI高被引論文10篇，ESI熱點論文2篇。發錶論文榖歌學術引用總數超過 7700 次，單篇論文引用 860餘次， H-index = 43 。任MDPI大數據與認知計算期刊總主編，IEEE計算機協會大數據專委會主席。2009 年入選IEEE高級會員。

目錄

1軟件定義5G網絡概述(1)
1.15G的演進(1)
1.1.1移動通信的發展(1)
1.1.2國內外5G研究進展(1)
1.1.35G關鍵能力指標(3)
1.1.4現有移動網絡結構的挑戰(3)
1.25G關鍵技術(4)
1.2.15G無綫關鍵技術(4)
1.2.25G網絡關鍵技術(5)
1.2.3SDN和NFV(5)
1.3軟件定義5G網絡的架構(7)
1.4小結(8)
2軟件定義網絡(9)
2.1SDN概述(9)
2.1.1SDN發展曆史(9)
2.1.2SDN標準化組織(10)
2.1.3SDN體係結構(11)
2.1.4SDN協議(12)
2.2數據層(13)
2.2.1交換機(13)
2.2.2轉發規則(13)
2.3控製層(14)
2.3.1控製器設計問題(14)
2.3.2接口語言(14)
2.4SDN應用研究(15)
2.4.1企業網與校園網(15)
2.4.2數據中心與雲(15)
2.4.3廣域網(16)
2.4.4無綫網絡(17)
2.5小結(17)
3軟件定義NFV架構(18)
3.1技術背景(18)
3.2軟件定義網絡功能虛擬化(19)
3.2.1網絡功能虛擬化(19)
3.2.2NFV框架(20)
3.2.3NFV和SDN(21)
3.2.4軟件定義NFV架構(21)
3.3從中間設備到NFV(22)
3.3.1中間設備概述(22)
3.3.2軟件定義中間設備(22)
3.4服務鏈(23)
3.4.1基於SDN和中間設備的服務鏈(23)
3.4.2軟件定義NFV架構中的服務鏈(24)
3.5網絡功能虛擬化的挑戰和難題(25)
3.5.1功能虛擬化(26)
3.5.2可移植性(26)
3.5.3標準接口(27)
3.5.4功能部署(27)
3.5.5流量導嚮(27)
3.6應用和未來方嚮(27)
3.6.1雲計算(28)
3.6.2移動網絡(28)
3.6.3企業網絡(29)
3.7小結(29)
4軟件定義物聯網架構及路由(30)
4.1研究背景(30)
4.2軟件定義物聯網架構設計(31)
4.2.1軟件定義物聯網架構(31)
4.2.2物聯網控製流與數據流(32)
4.3基於SDN的無綫多跳網路由協議(33)
4.3.1麵臨挑戰(33)
4.3.2設計思路(34)
4.3.3詳細設計(34)
4.4SDN�睸PAN算法(43)
4.4.1拓撲控製(43)
4.4.2SPAN算法(43)
4.4.3基於SDN的SPAN算法改進（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小結(50)
軟件定義5G網絡——麵嚮智能服務5G移動網絡關鍵技術探索目錄5軟件定義無綫蜂窩網絡(51)
5.1技術背景(51)
5.1.1目前挑戰(51)
5.1.2研究現狀(52)
5.2軟件定義5G網絡架構設計(53)
5.2.1基於C�睷AN的5G無綫接入網架構(53)
5.2.2上行和下行分離，動態調整(54)
5.3能量和頻譜優化的基站閤作(54)
5.4多種無綫接入技術的融入(55)
6軟件定義的5G核心網架構與設計(56)
6.1研究背景(56)
6.2SDN與NFV概述(57)
6.2.1SDN概述(57)
6.2.2NFV概述(58)
6.3相關研究現狀(59)
6.4設計目標(60)
6.5係統架構設計(61)
6.5.1係統整體架構(61)
6.5.2控製平麵結構(62)
6.5.3數據平麵結構(64)
6.6係統實現(64)
6.7業務鏈概述(65)
6.8基於SDN/NFV的業務鏈設計與實現(66)
6.8.1已有實現方案(66)
6.8.2整體方案(69)
6.8.3優勢分析(70)
6.9NF實例選取(71)
6.10小結(72)
7軟件定義的5G核心網聯動機製與係統(73)
7.1本章引言(73)
7.2問題描述(74)
7.3聯動模塊設計及其關鍵技術(75)
7.3.1聯動模塊架構(75)
7.3.2聯動事件通用接口設計(75)
7.3.3聯動策略與分發流程機製(77)
7.4聯動場景時序設計(78)
7.4.1動態切換業務鏈(78)
7.4.2動態增加網元(79)
7.4.3動態業務部署(79)
7.5SDN/NFV移動核心網原型係統部署(80)
7.5.1整體架構與物理網絡搭建(81)
7.5.2網絡控製係統：SDN部署與業務鏈實現(82)
7.5.3計算控製係統：OpenStack與OpenDaylight互聯(84)
7.5.4其他介紹：NF係統與Coordinator的部署(85)
7.6原型係統工作流程介紹(85)
7.7原型係統測試(86)
7.7.1業務鏈測試(86)
7.7.2聯動場景測試(88)
7.8小結(94)
8軟件定義的5G網絡即服務原理與技術(95)
8.1研究背景(95)
8.2軟件定義網絡（SDN）概述(97)
8.3SDN相關研究與存在問題(98)
8.4網絡即服務（Network as a Service, NaaS）技術概述(99)
8.5設備設計目標(100)
8.6開放式高性能網絡設備解決方案(100)
8.7網絡設備的設計與實現(102)
8.8設備性能評估與測試(103)
8.9SDN交換機設計(105)
8.9.1交換機功能分析(105)
8.9.2交換機設計方案(106)
8.9.3軟件層麵設計(106)
8.9.4硬件層麵設計(107)
8.10SDN網絡部署與測試(108)
8.10.1SDN網絡部署(108)
8.10.2性能測試(108)
9網絡即服務自動化係統(110)
9.1本章引言(110)
9.2問題的提齣(111)
9.3係統設計目標(112)
9.4係統設計(113)
9.4.1麵嚮應用的網絡服務抽象模型基本服務類型(114)
9.4.2網絡服務接口設計(115)
9.4.3南嚮兼容性設計(116)
9.4.4自動化編譯子係統設計(117)
9.5係統測試與驗證(121)
9.5.1運行環境部署與係統啓動(121)
9.5.2基本服務請求測試(122)
9.6小結(124)
10軟件定義的5G網絡即服務係統與部署(125)
10.1本章引言(125)
10.2網絡即服務平颱設計與部署(126)
10.2.1物理網絡層與網絡管控層：SDN網絡組網與配置(126)
10.2.2網絡設備抽象層：OpenStack部署及Neutron與ODL互聯(128)
10.2.3網絡服務抽象層：NaaS自動化係統的部署與接口適配(128)
10.3平颱工作流程介紹(129)
10.3.1網絡初始化配置(129)
10.3.2提交服務請求(129)
10.3.3網絡服務的部署(129)
10.4平颱功能與性能評測(131)
10.4.1服務抽象(132)
10.4.2網絡配置(132)
10.4.3服務提交與編譯(132)
10.4.4自動部署結果(134)
10.4.5主機連通性測試(134)
10.4.6正在運行的服務的動態修改(135)
10.4.7相關數據分析(136)
10.5小結(137)
11軟件定義5G車聯網架構及關鍵技術(138)
11.1軟件定義5G車聯網基本架構(138)
11.1.1數據層(138)
11.1.2控製層(140)
11.1.3應用層(140)
11.2軟件定義5G車內網絡架構(141)
11.2.1數據采集(142)
11.2.2網內數據處理(143)
11.3軟件定義5G車內網的跨網通信(144)
11.3.1車—雲的通信(144)
11.3.2雲—車的通信(144)
11.3.3車—車的通信(144)
11.4軟件定義5G車聯網邊緣雲的動態組網(145)
11.4.1評價指標(145)
11.4.2優化問題(146)
11.5車載雲(147)
11.6軟件定義5G車聯網開放性問題(152)
11.7小結(155)
12軟件定義網絡在智慧城市中的應用(156)
12.1引言(156)
12.2SDN和智能城市之間的協同作用(157)
12.2.1應用舉例(157)
12.2.2STLS場景中的SDN角色(157)
12.3智慧城市的網絡挑戰(158)
12.3.1無綫虛擬化(159)
12.3.2高效路由(159)
12.3.3分布式與集中式網絡控製與管理(159)
12.3.4無綫監視(159)
12.3.5流量管理(160)
12.4基於SDN的無綫網絡架構(160)
12.4.1將路由器分為多個虛擬路由器(160)
12.4.2無綫網絡的復閤路由(160)
12.4.3控製層的位置(162)
12.4.4使用Openflow監視路由器(162)
12.4.5支持負載均衡(163)
12.4.6評估網絡開銷(163)
12.5小結(165)
13軟件定義醫療網絡(166)
13.1技術背景(166)
13.2目前遇到的問題(168)
13.3SDHN架構設計(169)
13.3.1傳感器平颱和數據收集服務(169)
13.3.2網絡和數據傳輸服務(171)
13.3.3雲數據中心和數據處理服務(171)
13.3.4動作反饋服務(172)
13.4開放性問題以及可能的解決方法(172)
13.4.1南嚮接口設計(172)
13.4.2衝突解決以及傳感器平颱的優化(173)
13.4.3流量調度支持服務質量(173)
13.4.4雲數據中心的資源映射(173)
13.5測試平颱(174)
13.5.1如何分配SD�睷obot的智能(174)
13.6小結(176)
14軟件定義網絡物聯網的半實物仿真(177)
14.1技術背景(177)
14.1.1SDN仿真(177)
14.1.2半實物仿真(179)
14.1.3軟件定義物聯網(181)
14.2模型設計(183)
14.2.1軟件定義WSN(183)
14.2.2軟件定義雲數據中心(184)
14.3南嚮接口設計(185)
14.3.1雲數據中心的南嚮接口設計(185)
14.3.2WSN的南嚮接口設計(185)
14.3.3WSN網關節點上控製程序實現(186)
14.3.4WSN軟件定義任務包(186)
14.3.5源節點上控製程序(188)
14.3.6鄰居節點的剩餘能量發現(188)
14.4北嚮接口設計(189)
14.4.1雲數據中心北嚮接口設計(189)
14.4.2傳感網的北嚮接口實現(190)
14.4.3傳感網網關WSN網關節點設計(190)
14.5仿真實驗(191)
14.5.1多應用的多路設計(192)
14.5.2應用級數據共享(193)
14.5.3傳感平颱共享(193)
14.6小結(195)
155G主動緩存(196)
15.1研究動機(196)
15.2存儲即服務（CaaS）(197)
15.2.1CaaS概念(197)
15.2.2CaaS應用(198)
15.2.3CaaS挑戰(199)
15.3無綫D2D網絡中的移動感知緩存(200)
15.3.1無綫D2D網絡中的緩存(200)
15.3.2無綫D2D網絡中的計算卸載(203)
15.3.3緩存和計算的奬勵機製(206)
15.3.4總結(207)
15.4以內容為中心的網絡（CCN）(207)
15.4.1CCN簡介(207)
15.4.2CCN內容命名(209)
15.4.3CCN基本流程(209)
15.5主動緩存替換策略研究(211)
15.5.1CCN仿真設置(211)
15.5.2CCN緩存替換策略(212)
15.5.3基於前綴預測的緩存替換策略（PP）(212)
15.5.4基於流行度的細粒度緩存替換策略（FGPC）(213)
15.5.5CCN動態緩存調節(213)
15.6麵嚮CCN的緩存虛擬化(215)
15.7CCN的OPNET仿真實現(216)
15.7.1CCN模型設計(217)
15.7.2數據結構(218)
15.7.3包結構及說明(219)
15.7.4PPCC/PP仿真結果(220)
15.7.5FGPC/D�睩GPC仿真結果(222)
參考文獻(225)

前言/序言

自從20世紀60年代ARPANET誕生以來，互聯網經曆瞭數十年的高速發展；至今，互聯網已經成為人類社會在教育、經濟、軍事、科技、政治等各個方麵的基礎設施。移動通信網絡更是以驚人的速度發展著，自20世紀80年代以來，我們先後經曆瞭四代移動通信技術，第五代移動通信5G也即將到來。5G已經成為國內外移動通信領域的研究熱點，由於頻譜資源稀缺以及頻譜效率提升空間受限於香農極限，業界逐漸認識到，5G的實現，除瞭需要空中接口技術的突破以外，網絡架構的創新也是5G的關鍵推動力之一。
為瞭滿足5G網絡速度更快、時延更低、連接更多、效率更高的願景，有必要對現有的網絡架構、網元功能形態等進行全新的設計。此外，5G對移動互聯網和物聯網的功能和業務需求提齣瞭許多新的挑戰。在此背景下，軟件定義網絡SDN基於控製和轉發相分離的思路，實現瞭網絡和業務的可編程，給網絡帶來瞭極大的靈活性，使資源利用率低、網絡傳輸轉發性能受限、傳統網絡結構封閉僵化等問題得以有效地解決。因此將SDN引入5G網絡構架成為研究熱點，本書對軟件定義5G網絡的相關研究做瞭細緻的介紹和探索。本書是一本全麵係統論述軟件定義5G網絡關鍵技術及其應用的專著。在當前軟件定義5G網絡逐步走嚮成熟的時期，期望本書的齣版能對國內外軟件定義5G網絡的研究、開發、應用和相關人纔培養起到推動作用。
全書共分為15章，第1章是軟件定義5G網絡概述，介紹瞭5G網絡的演進、關鍵技術及挑戰等，引入軟件定義5G網絡的架構。第2章和第3章分彆介紹其中的兩個關鍵技術，即軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV），詳細介紹瞭SDN的發展、體係結構以及SDN的應用研究, 並提齣軟件定義NFV架構，給齣NFV的全麵概述，介紹NFV和SDN的關係，還展示瞭軟件定義NFV的挑戰和可能的解決方案，說明瞭有前景的研究領域和提齣瞭未來方嚮。第4章提齣瞭軟件定義物聯網架構，通過軟件定義網絡的概念，將物聯網的硬件和軟件分離齣來，同時提齣基於此構架下的無綫多跳路由，以及SDN�睸PAN算法的設計與仿真實現。第5章介紹軟件定義無綫蜂窩網，提齣瞭在頻譜資源和能耗的雙重約束下，如何利用軟件定義的概念設計超蜂窩網絡的體係架構，並由此提高網絡容量。第6章和第7章主要介紹軟件定義的5G核心網，其中第6章主要提齣一種基於SDN/NFV的移動核心網架構，實現瞭按需的網絡功能部署；第7章實現並部署瞭第6章提齣的架構的原型係統，重點是提齣瞭適配於係統的聯動架構並對其中的關鍵技術和應用場景進行詳細的分析和闡述。第8章、第9章和第10章詳細介紹瞭軟件定義5G網絡即服務，其中第8章說明網絡即服務的原理和技術，提齣瞭一種開放式的高性能網絡設備的解決方案；第9章提齣網絡即服務自動化係統，實現網絡服務的抽象化以及網絡服務的自動化運維部署；第10章為網絡即服務的係統與部署，SDN提供底層的網絡控製方案，NaaS自動化係統提供網絡服務能力的應用層抽象，兩種技術相輔相成，提供瞭一種新型的網絡服務提供平颱。第11章、第12章和第13章分彆介紹瞭軟件定義5G網絡在車聯網、智慧城市和智慧醫療中的應用。第14章介紹軟件定義網絡的仿真，結閤測試平颱和軟件仿真，提齣瞭一種新的半實物仿真軟件定義網絡的方法（SDN�睠PS）。第15章介紹5G主動緩存的相關研究。
本書在編寫過程中廣泛參考瞭許多專傢、學者的文章著作以及相關技術文獻，作者在此錶示衷心感謝。軟件定義5G網絡是一門正在發展的新技術，有些內容、學術觀點尚不成熟或無定論，同時由於作者水平有限，雖然盡瞭最大努力，疏漏之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

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