控制和用戶面分離架構的核心網(wǎng)容災建設分析

宋鼎 中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司河南省分公司網(wǎng)絡發(fā)展部

一、引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，以及“提速降費”政策的持續(xù)推進，各種移動創(chuàng)新業(yè)務如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，這對網(wǎng)絡帶寬、時延、業(yè)務部署成本及效率提出了新的要求。

在現(xiàn)有網(wǎng)絡架構中，傳統(tǒng)GW 以集中的方式部署，媒體面數(shù)據(jù)傳輸距離長,轉發(fā)時延大,新設備新業(yè)務上線周期長，導致用戶體驗不佳。

3GPP 提出了C/U 分離(CUPS)的解決方案，將GW-C 面和GW-U 面分離，各自獨立部署。GW-C 面集中部署在中心數(shù)據(jù)中心；GW-U 可以靠近用戶按需下沉部署。

對于5G 網(wǎng)絡，其在設計之初就采納了天然的C/U 分離架構，并結合了SBA(服務化架構)的理念。3GPP 定義的5GC 標準架構中，5G 核心網(wǎng)將用戶面設計為獨立的UPF（用戶面功能）服務，而控制面進一步細分為各類服務，UPF 服務可以快速根據(jù)實際需要部署一個或者多個，其部署位置基于業(yè)務流量進行規(guī)劃，可集中部署，也可下沉到邊緣進行分布式部署，從而滿足5G 大帶寬和低時延的應用場景。

二、傳統(tǒng)SAE-GW 網(wǎng)絡現(xiàn)狀以及問題分析

傳統(tǒng)設備下沉存在著投資效率低、網(wǎng)絡調整復雜、開通周期長、無法向5G 演進等缺點。

基于NFV 的CUPS 是解決當前網(wǎng)絡問題的最佳解決方案。隨著地市融合CDN 改造，以及OTT 視頻cache 功能的實現(xiàn)，PGW-U 下沉到南陽本地流量優(yōu)先從本地疏導。能夠有效提升4G用戶的業(yè)務體驗、減少對承載網(wǎng)的壓力。

NFV（Network Function Virtualization）是采用虛擬化技術、基于通用硬件實現(xiàn)電信功能節(jié)點的軟件化，是未來通信網(wǎng)絡的基礎技術。核心網(wǎng)云化后可以有如下好處：

1、通過軟硬件解耦，軟硬件可以獨立演進；

2、硬件基于通用COTS 設備來部署，硬件設備的更新速度也大幅加快；

3、云資源池的部署方式，大幅降低單位計算/網(wǎng)絡/存儲的成本（借助公有云降成本）；

4、解耦后更換軟件，廠家硬件可以重用，避免廠家鎖定；

5、解耦后軟件的運行環(huán)境穩(wěn)定，沒有更換平臺之憂，降低了軟件開發(fā)難度，加快了軟件的特性開發(fā)速度。

三、河南聯(lián)通云化融合核心網(wǎng)CUPS 項目試點方案

為了驗證NFV、CUPS 架構和性能，河南聯(lián)通在2019 年初進行了CUPS 試點，試點基于NFV 架構的服務器部署融合核心網(wǎng)。本期項目在鄭州建設一個資源池承載xGW 控制面，在南陽建設兩個資源池承載xGW 媒體轉發(fā)面，應用軟件采用2G/3G/4G/5G 融合核心網(wǎng)（Common Core）版本。

鄭州CUPS 控制面一個資源池、南陽CUPS 媒體轉發(fā)面兩個資源池，共44 臺服務器，鄭州和南陽共用一套NFVO/VNFM/vEMS。鄭州為控制面，部署20 臺服務器（17 臺計算型服務器和3 臺分布式存儲服務器），部署MANO、vEMS、vCG 和vGW-C；南陽為媒體面，每個資源池部署12 臺計算型服務器，部署CU 分離GW-U；

容災方面考慮

（一）GW-C 的容災

NFV 建設初期，在很長一段時間內，傳統(tǒng)平臺和NFV 平臺將長期共存，將面臨著傳統(tǒng)網(wǎng)元和云化網(wǎng)元是獨立組POOL 還是混合組POOL 的問題?；旌辖MPOOL 更加具備優(yōu)勢，無須改變現(xiàn)網(wǎng)POOL 結構，可以實現(xiàn)平滑改造，實現(xiàn)業(yè)務無損遷移，也具備靈活調整傳統(tǒng)平臺和云化平臺的容量調整能力。

本次試點兩個GW-C 與現(xiàn)網(wǎng)GW 組成POOL 進行容災，現(xiàn)網(wǎng)MME 發(fā)現(xiàn)某GW-C 故障（如echo 消息長時間無響應）后，要求UE重新attach，而后選擇其他可用的GW-C 接入業(yè)務。

本次試點驗證傳統(tǒng)平臺和云化平臺混合組POOL 場景。本期項目在鄭州建設一個資源池承載xGW 控制面,應用軟件采用中興2G/3G/4G/5G 融合核心網(wǎng)（Common Core）版本。下沉到南陽的xGW 與洛陽大區(qū)xGW 組POOL，將南陽xGW 地址加入DNS 解析，南陽本地流量優(yōu)先從本地xGW 疏導，洛陽xGW 作為容災保障網(wǎng)絡安全。下圖紅色輪廓區(qū)域（南陽市）使用CUPS 攜帶業(yè)務?；旌辖MPOOL 的情況為后續(xù)規(guī)模商用NFV 提供經(jīng)驗。

（二）GW-U 的容災

本次試點所有C 面和U 面覆蓋區(qū)域均為南陽，U 面有兩個邏輯節(jié)點連接到同一個C上，這些UP 在圖中對應U_Group，某個U_Group 只掛一個C 下。

U_Group下的GW-U 完全等價，當其中一個GW-U 宕機后，另外一個GW-U 可以完全接管業(yè)務。

GW-C 檢測到其下所有GW-U 宕機時，釋放在線用戶，關閉echo 檢測讓MME 和其它GW 認為GW-C 宕機，回收在線用戶，這樣MME 就不再分擔新接入的用戶。

GW-C 的Recovery 增加，周期性嘗試和UP 建立關聯(lián)。后續(xù),當GW-C 和UP再次成功建立關聯(lián)，則由U 面可用，啟用echo 功能（主動發(fā)/響應），攜帶變化后的recovery，讓MME 知道GW-C 可用。

本次試點將驗證U_Group 內的GW-U 容災以及GW-C 下所有GW-U 宕機場景的容災場景。

（三）DC 之間的容災

除網(wǎng)元間容災外，本次試點還驗證了U 面DC 之間的容災，在南陽張衡路機房和工業(yè)路機房各建立一個DC，將驗證其中一個DC 宕機情況下，另外一個DC 內的GW-U 能否順利的承接業(yè)務。

四、試點成果以及亮點

2019 年8 月初，該試點正式商用割接后，正式承接南陽地區(qū)40萬用戶業(yè)務。割接后設備運行平穩(wěn)，各項業(yè)務指標正常，流量達到20Gbps。

割接期間，根據(jù)測試用例進行了多次容災倒換測試，C 面之間的容災與傳統(tǒng)網(wǎng)元相同。U 面容災著重驗證了CU 之間瞬斷、中斷以及C 面對U 面的選擇等情況，瞬斷對業(yè)務無影響，中斷對業(yè)務有影響，C面會自動選擇可用的U 面。

用戶規(guī)模割接上線后，各業(yè)務性能機容災機制運行正常，能充分保障現(xiàn)有業(yè)務的平滑遷移；同時，取號平臺業(yè)務實現(xiàn)順利遷移，充分驗證了CU 分離架構下對原有2I2C 業(yè)務架構影響，為后續(xù)規(guī)模部署提供了成熟的解決方案。