云環(huán)境下VoLTE核心網(wǎng)負載均衡及高可用性研究

徐伶伶 張欣 張淑蓮

摘 要：VoLTE可將全部業(yè)務(wù)承載于4G網(wǎng)絡(luò)上，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)與語音業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)下的統(tǒng)一。由此，本文研究運行在云計算環(huán)境下的VoLTE核心網(wǎng)的可行性、可靠性、負載均衡能力和高可用性，并提出采用N+K模式和NoSQL DB作為數(shù)據(jù)存儲方式實現(xiàn)負載均衡的可行性，以期為相關(guān)學者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：VoLTE核心網(wǎng);N+K模式;高可靠性

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0015-03

Study of Load Balancing and High Availability of Volte Core

Network under Cloud Environment

XU Lingling ZHANG Xin ZHANG Shulian

（Qingdao Institute of Technology，Qingdao Shandong 266300）

Abstract： VoLTE can carry all services on 4G network， and realize the unification of data and voice services in the same network. Therefore， this paper studied the feasibility， reliability， load balancing capability and high availability of the VoLTE core network running in the cloud computing environment， and proposed the feasibility of using N+K mode and NoSQL DB as the data storage mode to achieve load balancing， in order to provide reference for the research of relevant scholars.

Keywords： VoLTE core network;N+K mode;high reliability

1 研究背景

4G網(wǎng)絡(luò)，無論是TD-LTE還是FDD-LTE，采用的都是分組交換技術(shù)，即全IP網(wǎng)絡(luò)，不再提供專門的語音信道。4G時代的到來讓移動上網(wǎng)的速度進入了一個嶄新的時代，但對移動通信最基本的業(yè)務(wù)，即語音通話卻沒有提供足夠的支持。對于該問題，目前，各運營商給出的解決方案大部分都是雙待機或電路域回落（Circuit Switched Fallback，CSFB）。雙待機技術(shù)即一部手機在4G和2G網(wǎng)絡(luò)下同時待機（與雙卡雙待的區(qū)別是只使用一張SIM卡），4G網(wǎng)絡(luò)負責上網(wǎng)，2G網(wǎng)絡(luò)負責打電話，互不影響。這種方式由于需要兩套射頻發(fā)射系統(tǒng)，因此，功耗是最大的問題。電路域回落方案只使用一套射頻系統(tǒng)，通話時進行切換并接入2G網(wǎng)絡(luò)，此時4G網(wǎng)絡(luò)會斷開，通話結(jié)束后再切換回4G網(wǎng)絡(luò)。這一方案的最大問題是切換網(wǎng)絡(luò)需要時間，這一時間可能長達十幾秒，只能作為犧牲用戶體驗為代價的權(quán)宜之計。無論是雙待機還是電路域回落，打電話都必須通過2G網(wǎng)絡(luò)完成。對運營商來說，必須同時維護2G和4G兩個網(wǎng)絡(luò)，成本太高，非常不劃算，而且從長遠來看，2G/3G網(wǎng)絡(luò)必然會被4G所淘汰。因此，在4G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實現(xiàn)語音通話功能是必然趨勢。由于4G是純IP網(wǎng)絡(luò)，因此VoIP（Voice over IP）技術(shù)自然而然地成為解決這一問題的首選方案，VoLTE（Voice over LTE）技術(shù)應(yīng)運而生。VoLTE是基于IP多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）的語音業(yè)務(wù)[1]。IMS由于支持多種接入和豐富的多媒體業(yè)務(wù)，成為全IP時代的核心網(wǎng)標準架構(gòu)[2]。經(jīng)過幾年的發(fā)展成熟后，如今IMS已經(jīng)跨越接入方式，成為固定話音領(lǐng)域VoBB、PSTN網(wǎng)改的主流選擇，而且也被3GPP、GSMA確定為移動語音的標準架構(gòu)[3]。VoLTE無須2G/3G網(wǎng)絡(luò)，全部業(yè)務(wù)承載于4G網(wǎng)絡(luò)上，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)與語音業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)下的統(tǒng)一。

2 電信設(shè)備的云化

隨著云技術(shù)的發(fā)展和人們對云技術(shù)的接受程度不斷提高，運營商越來越傾向于搭建自己的云平臺或租用云提供商的平臺來部署IMS網(wǎng)絡(luò)，運營商不用再花大價錢購買硬件，而是將服務(wù)器搭建在云端的虛擬機里。為了適應(yīng)這一變化，通信設(shè)備制造商也轉(zhuǎn)型成為純軟件提供商，不再出售硬件，而改為出售可以部署在云端的軟件服務(wù)。這樣做對運營商的好處是顯而易見的，一方面節(jié)省了硬件投資，另一方面提高了靈活性和可擴展性。為了應(yīng)對偶發(fā)的大話務(wù)量，如春節(jié)拜年、全國性的觀眾參與活動等，需要準備大量的硬件余量，從而占用大量的機房。而如果將IMS網(wǎng)絡(luò)部署在云端，擴容只需要創(chuàng)建新的虛擬機實例，進行簡單的配置即可。這使得運營商不必再按照最大話務(wù)量來準備資源，可以根據(jù)需要，隨時增加和減少資源，靈活性更強，且提高了資源利用效率，大大降低了成本。

3 采用N+K模式和NoSQL DB作為數(shù)據(jù)存儲方式來實現(xiàn)負載均衡及高可用性

將電信軟件成功移植到云平臺使電信設(shè)備制造商完成了向軟件提供商轉(zhuǎn)型的第一步，也是最重要的一步，使SaaS（Software as a Service）成為現(xiàn)實。但是，并不是完成這一步就萬事大吉了，仍然還有很多可以改進的余地。其中最顯著的問題就是原來的設(shè)備是1+1冗余備份的，移植到云平臺后，依然保持了1+1冗余備份的特點，即一半虛擬機是備份設(shè)備，在主用設(shè)備（虛擬機）正常工作時不參與話務(wù)處理，這就意味著一半虛擬機資源在正常情況下被白白浪費。1+1冗余備份的另一個特點是如果主用和備用虛擬機同時出現(xiàn)問題，其他虛擬機是幫不上忙的，因為數(shù)據(jù)只在這一對主用/備用虛擬機之間備份，其他機器并沒有這些數(shù)據(jù)。這種情況在傳統(tǒng)電信設(shè)備上出現(xiàn)的可能性很小，但在云環(huán)境下卻有可能出現(xiàn)。比如，主用和備用虛擬機運行在同一個物理實體機器上，如果這個物理實體機器出現(xiàn)故障，將影響所有運行在該物理實體機器上的虛擬機。因此，1+1冗余備份并不適合在云環(huán)境下使用，而N+K冗余才是適用于云環(huán)境的備份方式。

在N+K模式下，一共有N+K個虛擬機實例在運行，其全都是主用設(shè)備，正常進行話務(wù)處理，但每臺設(shè)備并不是100%的資源都被使用，而是都留有一些余量。如果某一個或幾個虛擬機實例發(fā)生故障，不能正常運行，其他正常運行的虛擬機實例可以接替它們繼續(xù)工作。當同時故障的設(shè)備數(shù)不超過K時，不影響系統(tǒng)的目標處理容量和穩(wěn)定性。如果失效的實例超過K時，系統(tǒng)將無法達到設(shè)計的目標處理能力，造成系統(tǒng)過載，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。運營商可根據(jù)實際情況和需要的處理容量來調(diào)節(jié)N和K的具體配置。

同時，N和K并不是一旦部署就不可改變，運營商可根據(jù)話務(wù)量的大小動態(tài)地增加或減少虛擬機的實例，這個過程可以人為調(diào)整。比如，在重大節(jié)日或活動開始前，人為增加虛擬機的實例以提高處理能力，節(jié)日或活動結(jié)束后再減少虛擬機的實例，擴容非常靈活。這個過程也可以是自動的，當系統(tǒng)檢測到話務(wù)量增加，處理能力不足時，動態(tài)增加虛擬機的數(shù)量;當系統(tǒng)檢測到話務(wù)量較低，有大量處理資源閑置時，可以動態(tài)減少處理機的數(shù)量。

但要做到這一點，需要解決一個根本問題，即數(shù)據(jù)存儲。虛擬機實例A要接替另一個虛擬機B運行，那么實例A必須要擁有或者能訪問到虛擬機B原有的數(shù)據(jù)。在1+1冗余備份的模式下，主用設(shè)備的數(shù)據(jù)是完全備份在備用設(shè)備上的，這樣，當主用設(shè)備出現(xiàn)故障時，備用設(shè)備可以輕松接手，因為其擁有所有需要的數(shù)據(jù)，而且只有這一個備用設(shè)備可以接替，其他設(shè)備即使空閑也無法接手，因為其他設(shè)備沒有數(shù)據(jù)。而在N+K模式下，任何一個設(shè)備失效，要求其他任何一個實例都能接替其工作，這就對數(shù)據(jù)的存儲和訪問提出了要求：每一個設(shè)備都可以訪問其他設(shè)備所生成的數(shù)據(jù)。

通信設(shè)備處理的話務(wù)量是巨大的，在忙時，每秒鐘有數(shù)以萬計的呼叫在進行，與話務(wù)量相關(guān)的數(shù)據(jù)隨著呼叫的發(fā)起和結(jié)束不斷地發(fā)生著動態(tài)變化，如果使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來處理這些數(shù)據(jù)顯然不可行，需要新的機制來存儲這些動態(tài)變化的數(shù)據(jù)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，大數(shù)據(jù)廣泛存在，同時也產(chǎn)生出了許多云環(huán)境下的各種新型應(yīng)用，如移動服務(wù)、社交平臺、協(xié)作編輯等。這些新型應(yīng)用對海量數(shù)據(jù)管理/云數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也提出了新的需求，如事務(wù)支持、系統(tǒng)彈性等。同時，云計算時代海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計目標為可擴展性、彈性、容錯性、自管理性和“強一致性”。隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起，傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫在應(yīng)付超大規(guī)模和高并發(fā)SNS類型的動態(tài)網(wǎng)站已經(jīng)顯得力不從心，暴露出了很多難以克服的問題，而非關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫則由于本身的特點得到了迅速發(fā)展。NoSQL數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生就是為了解決大規(guī)模數(shù)據(jù)集合多重數(shù)據(jù)種類帶來的挑戰(zhàn)，尤其是大數(shù)據(jù)應(yīng)用難題，因此NoSQL數(shù)據(jù)庫非常適用于存儲所有節(jié)點的會話數(shù)據(jù)。

4 實驗仿真

通過MATLAB軟件對1+1模式和N+K模式的可靠性進行仿真，模擬大話務(wù)量情況下不同數(shù)量虛擬機失效情況以及總體呼叫的接通率，兩種模式均采用20個VM，[N]=15，[K]=5，得出如圖1所示的結(jié)果。

從以上仿真結(jié)果可以看出，N+K模式在節(jié)省硬件成本的同時，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語

本文研究運行在云計算環(huán)境下的VoLTE核心網(wǎng)能否滿足電信設(shè)備對高可靠性和容災能力的要求，提出采用N+K模式和NoSQL DB作為數(shù)據(jù)存儲方式來實現(xiàn)負載均衡以及高可用性。通過虛擬機實時遷移、服務(wù)節(jié)點故障自動恢復、分布式部署等獲得集群級別的高可用性和容災能力，達到比設(shè)備級備份更高的可靠性。

參考文獻：

[1]中國電信股份有限公司.中國電信IMS網(wǎng)絡(luò)容災技術(shù)要求[Z].2013.

[2]王麗瑛.IMS網(wǎng)絡(luò)容災實現(xiàn)方案研究[J].電信技術(shù)，2014（21）：146-150.

[3]許盛宏，李力卡，劉智德.IMS核心網(wǎng)元準POOL容災方案研究[J].移動通信，2015（13）：19-23.