核心网络如何定义您的物联网连接服务提供商的能力

插图：© IoT For All --> 与可以被看到的无线接入网（如蜂窝塔）不同，核心网通常仍然是蜂窝通信系统的不可见部分。然而，它在连接方面起着关键作用。除了其主要功能——路由和转发数据流量外，核心网还负责识别设备及其位置、设备的认证与授权以使用特定服务、跟踪服务使用情况并计费。正是核心网允许应用诸如流量限制、限速、漫游限制或仅部分设备可使用的服务等策略。但核心网的作用不仅仅是在执行所有关键功能，因为大量关键连接特性都依赖于它的架构、组件和所用的网络解决方案。对于物联网部署来说，这一点可能更加重要，因为它们的设备需求通常与普通移动用户不同，例如设备或应用场景的特定需求。在很大程度上，服务提供商满足这些需求的能力由核心网决定。虽然提供连接服务不需要拥有所有网络元素，但那些构建了自己的核心网的运营商具有重大优势。谁拥有和使用核心网 蜂窝网络运营商，也称为移动网络运营商（MNO），是既构建了核心网又构建了无线接入网，并使用它们为其客户提供连接服务的公司。除移动网络运营商外，其他提供商也会利用MNO网络提供蜂窝连接服务，被称为移动虚拟网络运营商（MVNO）。与MNO不同，这些提供商通常专注于特定的市场细分，并提供定制的连接解决方案，例如针对汽车行业的解决方案。虽然虚拟连接提供商如其名称所示通常会使用由其他公司构建并拥有的基础设施，但这个概念更为复杂。有多种类型的MVNO，它们根据所拥有的基础设施比例和随后所能提供的服务数量而有所不同。一些MVNO选择不需要拥有任何基础设施的商业模式，如品牌经销商，还有一些轻型MVNO可能拥有部分核心网元素，但它们在一定程度上都依赖于其他运营商的核心网。这在投资方面可能要求较低，但意味着在技术和商业方面控制权有限，影响其价值主张。全功能MVNO是拥有完整核心网的提供商，它仅使用其他运营商的无线接入网将设备连接到核心网。构建和维护核心网并不是一项容易的任务：它成本高昂、耗时且需要大量专业知识。但在服务方面，它使全功能MVNO在其连接服务中具有灵活性，并能够满足某些特定应用场景的需求，这对于物联网部署至关重要。有本地和全球型的全功能MVNO，它们之间最大的区别在于其网络的物理位置。本地MVNO的所有网络节点都在其本国。全球型MVNO没有“本国”概念，其核心网元素分散在全球各地。这需要在许多遥远地点维护设备并进行故障排除，但同时也带来了一些优势。拥有网络意味着什么 为了拥有对核心网的全面控制，提供商需要拥有几个关键节点。首先是所有订阅者数据库，在3G中称为HLR，在4G中称为HSS，在5G中称为UDM。它包含用户信息、用户注册了哪些服务、最后已知位置、是否允许漫游，以及对用户可能使用的各项服务是否存在其他限制。每当订阅者尝试访问网络时，都会向该数据库发送查询以确定是否允许其使用特定服务。另一个元素是4G中的PGW（分组网关）或3G中的GGSN。从技术上讲，它是用于将订阅者数据流量路由到目的地的路由器。拥有网络的这一部分确保了提供商可以控制流量的流向，可以实施不同的限制和策略，实施防火墙和DPI解决方案，或进行流量整形、限速或修改QoS等级。拥有认证、授权与计费（AAA）模块也有助于控制对网络的访问。每当订阅者尝试访问网络时，必须对其进行认证和授权以使用服务。AAA的一部分功能可以通过RADIUS服务器来实现，它可以控制网络访问并分配IP地址。然而，特定MVNO可以提供的连接服务范围和质量不仅取决于其拥有哪些网络元素。提供商的网络构建方式和配置方式在物联网部署中可能起到关键作用。诸如延迟、可靠性、可扩展性和法规遵从性等关键特性都取决于这一点。延迟 可接受的最大延迟可能会根据使用场景和设备类型而有所不同，但重要的是要理解实际延迟水平是由核心网架构定义的。每当物联网设备使用蜂窝连接发送数据时，数据会通过移动核心网传输到目的地。如果设备处于漫游状态，其发送的数据在到达接收点之前需要先传输到连接提供商的数据中心。在某些情况下，这可能会显著增加延迟，特别是在全球部署时，这使得核心网的地理架构成为一个重要的考量因素。对于漫游用户来说，全球型MVNO在这一点上具有优势：通过在世界各地不同国家部署PGW，可以确保用户的流量不会路由到其家乡地区，而是由靠近其实际位置的网关处理。一个MVNO在全球范围内拥有的PGW越多，其在延迟方面的服务就越好。可靠性 由于核心网在流量路由中起着至关重要的作用，因此它必须可靠并具有冗余性。核心网运营商会实施特定的架构、组件和协议来分配流量，以确保高可用性并避免故障。然而，能否处理各种问题以及更关键的响应速度将取决于提供商是否能立即访问网络或是否需要联系合作伙伴来处理问题。完全控制其核心网的全功能MVNO能够及时分析其性能并作出必要的更改。提供商所拥有的PGW的数量和地理位置直接影响延迟，但它们也对网络的可靠性至关重要。从技术上讲，网关可以设置为冗余模式，如果连接到某个PGW失败，或者网关完全关闭，流量可以被路由到另一个PGW。虽然这可能会略微增加延迟，但这比本地提供商通常只有一两个PGW处理所有外来流量的情况要好得多。HLR/HSS必须始终可用，如果它失败将是灾难性的，因此提供商通常会采用冗余设置，即一个节点处于活动状态，另一个处于备用状态，或者两者都处于活动状态但不断同步。还有地理冗余：如果节点放置在两个不同的位置，它们因断电、自然灾害或其他原因同时失败的可能性会更低。但硬币的另一面总是成本，因此并不是很多提供商真正实现了地理冗余。可扩展性 在某些物联网部署中，核心网必须准备好应对流量的指数增长或地理扩张。随着网络的发展和将硬件和软件元素分离，扩展变得更加容易。所有核心网设备通常存储在数据中心，过去这些设备是专门硬件单元，运行特定软件提供特定功能，而如今数据中心主要由运行特定软件的标准服务器组成。因此，几乎所有的扩展流程——无论是添加另一个网关、扩展PGW容量，还是扩大HLR规模——从技术上讲都可以通过租用同一数据中心的额外服务器并安装必要的软件立即完成。通过在架构上将连接实体与中央连接节点（如交换机和集线器）相连接，全功能MVNO可以提供快速扩展能力，通过在现有层级上添加更多层级的设备，确保适用于任何物联网部署的可扩展性。合规性 大多数国家已经出台了数据本地化和数据主权的立法，这可能会禁止在国内产生的数据离开国境。这可能对全球物联网部署构成严重挑战，因为要遵守当地法规，核心网的某些元素应在设备部署的每个国家都可用。这意味着要么与其他拥有本地基础设施的运营商达成协议，要么在连接提供商的核心网中添加必要的元素，而只有全功能MVNO才能做到这一点。在监管严格的国家，例如土耳其，MVNO可能还需要与本地授权实体进行额外整合，以提供无缝连接。同样，提供商在全球范围内拥有的网关越多，就越容易满足监管要求。定制服务 从商业角度来看，拥有核心网使全功能MVNO能够摆脱基础设施所有者的依赖，使其服务更加灵活，并可以为每位客户量身定制，而不是使用一刀切的方法。这可能对具有行业或设备依赖性使用场景的物联网客户尤为有价值。虽然只有大型企业可能需要特定的基础设施解决方案，理论上一个全功能MVNO可以轻松在客户的本地中心部署一个PGW。然而，通常情况下，物联网客户的需求更多与服务相关，而非网络基础设施本身。因此，由于客户通常要求的是IP地址范围或VPN设置，定制能力实际上归结为MVNO是否能提供特定服务。全球型MVNO更有可能具备灵活性并提供各种定制服务。除了最小延迟和完全符合监管要求外，全球全功能MVNO还有许多其他优势：更好的覆盖范围、集中管理功能以及对数据使用和网络事件的可见性。此外，鉴于物联网设备的生命周期最长可达15年，而技术和监管环境都可能发生变化，确保部署具备前瞻性非常重要，而谁拥有核心网是关键。总而言之，即使某个物联网部署的规模和配置不需要特定的地理架构，也存在许多良好理由说明为何拥有全球分布的冗余核心网的连接提供商是更好的选择。