校園場景下5G專網網關轉控分離架構及實踐

通信世界網消息（CWW）隨著5G技術的持續演進，其所具備的大帶寬、低時延和海量連接能力，與高校教育教學、科研創新、校園管理等場景的數字化需求高度契合[1]，有力推動校園網絡從“有線+Wi-Fi”的傳統架構向“以5G專網為主、多網絡協同”的融合型網絡升級。當前，5G專網已在遠程高清教學、智能實驗室監測、校園安防物聯網等場景實現深度部署，成為支撐智慧校園建設的重要基礎設施。

然而，當前校園5G專網建設面臨“三方協同困境”。運營商負責基礎網絡部署，學校提出個性化業務及安全需求，設備廠商提供硬件與核心軟件，由于缺乏統一的技術標準和接口規范，現網應用存在兩大核心問題：一是安全管控割裂，運營商、學校、網關廠商各自部署安全策略，易產生策略沖突與管控盲區；二是運維成本高昂，網關設備部署分散且管理界面不統一，運維人員需要熟悉不同廠家的操作邏輯，故障排查和維護效率較低。

轉控分離架構作為5G核心網的重要設計理念，通過將網絡的控制面與用戶面進行物理或邏輯分離，實現控制功能的集中化和用戶功能的分布式部署[2]，為上述問題的解決提供了可行路徑。基于此，本文結合校園場景的特殊需求，提出一種適配校園5G專網的網關轉控分離架構方案，明確控制面與用戶面的功能劃分，為校園5G專網的規范化建設提供技術參考。

1 相關技術與研究現狀

1.1 5G專網網關核心技術

5G專網網關是集成5G接入、路由轉發、安全管控、協議轉換等功能的一體化設備，其核心包括接入鑒權、流量轉發和安全防護三大模塊。接入鑒權模塊基于5G核心網的認證與密鑰協商（Authentication and Key Agreement?，AKA）協議，實現終端與網絡的雙向認證，確保接入終端的合法性；同時支持與校園統一身份認證體系（如RADIUS、OAuth2.0）的對接，滿足校園用戶的身份管理需求。流量轉發模塊支持IPv4/IPv6雙棧轉發，具備動態路由、負載均衡能力，可根據高清教學、科研數據傳輸等校園業務的服務質量（quality of service，QoS）需求，對高優先級業務進行優先調度。安全防護模塊集成防火墻、入侵檢測/防御、虛擬專用網絡等功能，用于防范外部網絡攻擊和內部數據泄露風險。

1.2 轉控分離技術原理

轉控分離技術是將網絡設備的控制功能與用戶數據轉發功能解耦，形成獨立的控制面與用戶面。控制面主要負責網絡的全局管理與決策，包括終端接入認證、路由策略制定、資源調度、狀態監測等，采用集中化部署模式，便于實現全局策略的統一管控；用戶面主要負責用戶數據的高速轉發，依據控制面下發的策略完成數據的接收、轉發與封裝，采用分布式部署模式，可根據業務流量需求靈活擴容。

在5G核心網中，轉控分離技術已較為成熟，通過AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能）、SMF（Session Management Function，會話管理功能）等核心網元實現控制面功能，通過UPF（User Plane Function，用戶面功能）實現用戶數據轉發[3]。將該技術引入5G專網網關設計，可實現網關控制功能的集中化管理與用戶面功能的分布式部署，從而有效破解傳統網關“分布式管控、兼容性差”的痛點。

1.3 校園5G專網研究現狀

當前，國內外關于校園5G專網的研究主要集中在應用場景拓展與網絡性能優化兩個方面。在應用場景拓展方面，國內外高校已開展“5G+遠程教學”“5G+智能科研”“5G+校園管理”等試點應用，驗證了5G技術在校園環境的適配性；在網絡性能優化方面，現有研究多聚焦網絡切片技術，通過劃分教學、科研、管理等各類切片，實現不同業務的隔離與資源保障。

然而，目前針對校園5G專網網關架構的研究尚不充分。現有方案多采用傳統一體化網關架構，未充分考慮校園場景下“多主體協同、多業務融合、高安全需求”的特點，導致網關部署后出現管控割裂、運維復雜等問題。部分研究雖引入了轉控分離理念，但尚未結合校園實際需求進行架構適配，也缺乏具體的接口定義及工程驗證，難以在校園場景中應用落地。因此，設計一種適配校園場景的5G專網網關轉控分離架構，成為智慧校園建設的迫切需求。

2 校園場景下5G專網網關轉控分離架構設計

2.1 整體架構設計

校園5G專網網關轉控分離架構由核心控制層（控制面）、邊緣轉發層（用戶面）、終端接入層三部分構成[4]。其中，核心控制層與邊緣轉發層構成轉控分離的主體，終端接入層負責各類校園終端的接入管理。校園5G專網網絡模型如圖1所示。

核心控制層采用集中化部署模式，部署于學校數據中心或運營商核心機房，承擔全局管控功能；邊緣轉發層采用分布式部署模式，部署于校園各樓宇、實驗室等終端密集區域，負責本地用戶數據的高速轉發；終端接入層涵蓋校園內的教學終端、科研設備、安防終端、移動終端等各類接入設備，通過5G無線接口或有線接口接入邊緣轉發層。

圖1 校園5G專網網絡模型

各層之間通過標準化接口進行通信：核心控制層與邊緣轉發層采用NETCONF?（Network Configuration Protocol?，網絡配置協議）接口實現策略下發和狀態上報，該接口支持配置數據的“增刪改查”及狀態信息的實時同步，數據采用XML（extensible markup language，可擴展標記語言）格式封裝，傳輸層基于SSH（secure shell，安全外殼）協議保障通信安全[5]；邊緣轉發層與終端接入層通過5G無線接口或以太網接口完成數據交互；核心控制層與校園統一管理平臺通過RESTful API（application program interface，應用程序接口）實現數據同步與指令交互。校園5G專網網關系統架構如圖2所示。

圖2 校園5G專網網關系統架構

2.2 核心控制面設計

核心控制面是架構的“大腦”，集成接入認證、策略管理、資源調度、運維監控等功能模塊，實現對整個專網網關系統的集中管控。

接入認證模塊：采用“5G AKA+校園統一身份”雙重認證機制。終端接入時，首先通過5G AKA協議與控制面完成雙向認證，獲取臨時接入權限；隨后控制面通過RADIUS或者OAuth 2.0接口調用校園統一身份認證平臺接口，對用戶身份進行二次認證，認證通過后下發最終接入策略。

策略管理模塊：支持安全策略、路由策略、QoS策略的統一制定與下發。在安全策略方面，集成防火墻規則管理、IDS（intrusion detection system，入侵檢測系統）/IPS（intrusion prevention system，入侵防御系統）策略配置功能，可根據校園不同區域（如教學區、科研區、辦公區）的安全需求，制定差異化安全策略；在路由策略方面，支持靜態路由、動態路由等多種路由協議，可根據業務需求動態調整路由方式；在QoS策略方面，支持基于業務類型、用戶等級的優先級劃分，確保滿足高清教學、科研數據傳輸等關鍵業務的帶寬需求。

運維監控模塊：通過SNMP（simple network management protocol，簡單網絡管理協議），實時采集邊緣轉發層的運行狀態數據（如CPU利用率、內存占用、故障告警等），并在管理界面進行可視化展示。支持故障自動告警功能，當出現設備故障或性能異常時，通過短信、郵件等方式通知運維人員；同時提供故障定位功能，輔助運維人員快速排查問題。

2.3 邊緣用戶面設計

邊緣用戶面是架構的“手腳”，主要負責用戶數據的高速轉發與本地業務處理，采用輕量化設計，聚焦數據轉發性能優化。其核心功能包括數據轉發、本地緩存、協議轉換等。

數據轉發模塊：基于DPDK（Data Plane Development Kit，數據平面開發套件）實現高速數據轉發，支持IPv4/IPv6雙棧轉發，轉發速率可達10 Gbit/s以上，滿足校園高清教學、科研數據傳輸等大帶寬業務需求。同時嚴格按照控制面下發的路由策略和QoS策略，完成數據的接收、轉發與優先級處理。

本地緩存模塊：針對校園高頻訪問資源（如教學視頻、課件資料）進行本地緩存，終端訪問此類資源時可直接從邊緣節點獲取，不需要回傳至核心網絡，從而緩解核心網絡帶寬壓力，提升資源訪問速度。

協議轉換模塊：支持多種異構網絡協議的轉換，包括5G協議、以太網協議、工業以太網協議（如Modbus、Profinet）等，實現校園內不同類型終端（如5G手機、PC機、智能傳感器等）的無縫接入。

2.4 接口標準化設計

為提升架構的兼容性，本研究明確了控制面與用戶面、控制面與校園管理平臺之間的標準化接口規格。

控制面與用戶面接口：作為架構的重要交互接口，嚴格遵循RFC 6241（2011年發布的網絡配置協議）與RFC 6242（2011年發布的傳輸層綁定標準），采用“配置+操作+數據”三層協議架構。配置層負責定義策略配置、會話參數等靜態數據的結構；操作層支持edit-config、delete-config等標準化操作指令，實現路由策略、QoS參數、安全規則等控制面指令下發；數據層采用XML格式封裝所有交互數據，定義統一的標簽規范（如policy-config），確保不同廠家設備之間的解析兼容性。

控制面與校園統一管理平臺接口：采用RESTful API，基于HTTP（hyper text transfer protocol，超文本傳輸協議）/HTTPS（hypertext transfer protocol secure，超文本傳輸安全協議）實現通信。接口定義了用戶身份認證、策略配置、狀態查詢等一系列標準化接口，支持JSON格式的數據交互。校園管理平臺可通過該接口查詢網關運行狀態、配置個性化策略，實現與校園現有管理系統的無縫對接。

3 系統部署和測試

3.1 系統部署

本次實踐選取3個高校智慧校園建設項目作為聯合試點，3所高校均包括教學區、科研區、宿舍區、辦公區四大重點區域。根據3所高校的地域分布、業務共性及終端規模，本次部署采用“集中控制+分布式轉發”架構：部署1臺核心控制服務器（統一部署于運營商數據中心），配套部署3個邊緣轉發網關（3所高校各部署1個，位于運營商邊緣計算節點）。核心控制服務器與各高校邊緣轉發網關通過骨干光纖網絡建立加密連接，形成跨校協同的5G專網網關系統；完成核心控制面與高校校園統一身份認證平臺的標準化接口對接，實現跨校業務的統一管控與個性化適配。3所高校試點項目系統部署如圖3所示。

圖3 3所高校試點項目系統部署

3.2 測試指標與方法

為驗證架構的可行性與優越性，本次測試選取安全管控效果、運維效率、整體性能三大維度，采用對比測試法進行驗證。主要測試指標如下：安全管控效果采用安全威脅攔截率、策略沖突率進行評估，運維效率采用故障排查時間、策略配置耗時進行評估，整體性能采用數據轉發速率、端到端時延、丟包率進行評估。

3.3 測試結果與分析

3.3.1 安全管控效果測試

通過安全掃描工具模擬多種網絡攻擊，如SQL（structured query language，結構化查詢語言）注入攻擊、DDoS（distributed denial of service，分布式拒絕服務）攻擊及端口掃描等，測試兩種架構的安全威脅攔截率，并統計兩種架構下不同安全策略沖突情況。測試結果顯示：轉控分離架構的安全威脅攔截率達到99.2%，較傳統一體化架構提升12.5個百分點；策略沖突率僅為0.3%，較傳統架構降低8.7個百分點。這表明轉控分離架構有效實現了安全策略的統一管控，提升了安全防護效果。安全管控效果測試數據詳見表1。

3.3.2 運維效率測試

統計兩種架構下相同數量設備（8個網關）的故障排查時間與策略配置耗時。測試結果顯示：轉控分離架構的平均故障排查時間為15分鐘，較傳統架構縮短70%；平均策略配置耗時為30分鐘，較傳統架構縮短65%。這得益于轉控分離架構的集中化管理平臺，運維人員不必逐一登錄設備進行操作，顯著提升了運維效率。

3.3.3 性能指標測

試通過網絡性能測試儀測試兩種架構在不同帶寬需求下的數據轉發速率、端到端時延及丟包率。測試結果顯示：在10 Gbit/s帶寬需求下，轉控分離架構的數據轉發速率達到9.8 Gbit/s，較傳統架構提升18%；端到端平均時延為12 ms，較傳統架構降低35%；丟包率僅為0.1%，較傳統架構降低0.8個百分點。這表明轉控分離架構的用戶面采用DPDK技術實現高速轉發，同時控制面的資源調度功能優化了網絡資源分配，有效提升了網絡性能。

4 結語

本文針對現有校園5G專網網關存在的安全管控割裂、運維成本高等問題，提出一種校園場景下5G專網網關轉控分離架構方案。該架構通過核心控制面與邊緣用戶面的解耦設計，實現了安全策略的統一管控、接口的標準化適配與運維的集中化管理。實際測試結果表明：該架構的安全威脅攔截率達到99.2%，故障排查時間縮短70%，數據轉發速率提升18%，能夠有效解決傳統架構的痛點，提升校園5G專網的穩定性、安全性與運維效率，為校園5G專網網關的規范化建設提供了可行技術方案，具有較高的推廣價值。