基于VNF應(yīng)用切片的媒體網(wǎng)關(guān)承載電信級(jí)業(yè)務(wù)穩(wěn)定性研究

劉 作，陳 楊，黎 聰

（中國(guó)—東盟信息港股份有限公司，廣西 南寧 530200）

1 媒體網(wǎng)關(guān)主要功能

隨著向4G、5G核心網(wǎng)的演進(jìn)，核心網(wǎng)網(wǎng)元功能在分組交換領(lǐng)域深度迭代。在模擬通信時(shí)代，信令與媒體不可分割。隨著對(duì)信令輕量化的需求，控制與承載分離成為2G、3G時(shí)代核心網(wǎng)架構(gòu)的標(biāo)志。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)能力的提升和分組交換技術(shù)的深度發(fā)展，在當(dāng)下的4G、5G時(shí)代，隨路信令再次回歸核心網(wǎng)架構(gòu)。隨著控制與承載分分合合幾十年，如今的輕量化部署與靈活應(yīng)用，對(duì)核心網(wǎng)功能網(wǎng)元的NFV化產(chǎn)生了硬性需求。

網(wǎng)關(guān)即完成兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間信息（包括媒體信息和用于控制的信令信息）相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（The Internet Engineering Task Force，簡(jiǎn)稱(chēng)IETF）在RFC2719提出了網(wǎng)關(guān)的總體模型，將網(wǎng)關(guān)的特征分為3個(gè)功能實(shí)體——媒體網(wǎng)關(guān)（MG）功能、媒體網(wǎng)關(guān)控制（MGC）功能和信令網(wǎng)關(guān)（SG）功能。

2 構(gòu)建媒體網(wǎng)關(guān)VNF應(yīng)用及切片能力

2.1 媒體網(wǎng)關(guān)NFV化部署及優(yōu)勢(shì)分析

5G網(wǎng)絡(luò)切片基于NFV和SDN技術(shù)，為了打破傳統(tǒng)核心網(wǎng)運(yùn)行模式單一的狀況，采用各種運(yùn)行業(yè)務(wù)綜合發(fā)展的模式，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先等級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)編排；基于NFV化的媒體網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)業(yè)務(wù)進(jìn)行切片定制化，針對(duì)不同業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)端到端業(yè)務(wù)編排能力，符合5G核心網(wǎng)的發(fā)展方向。

ETSI網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化行業(yè)規(guī)范工作組（NFV ISG）在GS NFV 002（Architectural Framework）中定義NFV基礎(chǔ)體系架構(gòu)[1]，整體架構(gòu)由3部分組成。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化設(shè)施（NFV Infrastructure，NFVI）基于傳統(tǒng)硬件的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)3大硬件模塊，將其組成節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)鏈路通過(guò)hypervisor管理程序，將物理資源能力抽象為VNF應(yīng)用調(diào)用，提供應(yīng)用部署支撐環(huán)境。

虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtualized Network Functions，VNFs）是已定義好外部接口和功能行為的功能模塊。一個(gè)VNF就是某網(wǎng)絡(luò)功能部署在虛擬資源如VM中的一個(gè)實(shí)例。實(shí)際上，單個(gè)VNF可以劃分多個(gè)內(nèi)部元件，部署在多個(gè)虛擬機(jī)中。每個(gè)虛擬機(jī)承載VNF的一個(gè)元件，打包作為方案向外提供定制化服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的管理與編排（NFV Management and Orchestration，NFV MANO），主要用于編排管理VNF組件、配置及基礎(chǔ)設(shè)施，并管理VNF的生命周期，主要聚焦于NFV架構(gòu)中所需的所有虛擬化相關(guān)的管理任務(wù)[2]。

2.2 媒體網(wǎng)關(guān)VNF應(yīng)用構(gòu)建

媒體網(wǎng)關(guān)VNF應(yīng)用基于為用戶(hù)提供定制化切片服務(wù)，將媒體網(wǎng)關(guān)整體功能進(jìn)行劃分，由多個(gè)子VNF共同構(gòu)成基于VNF的微服務(wù)集群。

（1）MG_Core：輸出媒體轉(zhuǎn)碼、放音及錄音合成等核心媒體操控功能。

（2）Signaling Control：提供信令支撐功能，包括信令轉(zhuǎn)換、sdp媒體協(xié)商以及到核心網(wǎng)元偶聯(lián)的建立與維護(hù)。

（3）SCP（Service Control Point）：核心業(yè)務(wù)邏輯控制與編排單元，基于面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其他子VNF網(wǎng)元提供業(yè)務(wù)邏輯控制，以及根據(jù)不同客戶(hù)需求提供定制化業(yè)務(wù)邏輯編排。

（4）DBS：提供數(shù)據(jù)庫(kù)和存儲(chǔ)支撐。

（5）ACP（Access Control Point）：對(duì)接用戶(hù)，為用戶(hù)提供的切片入口用于滿(mǎn)足定制化需求請(qǐng)求及響應(yīng)。

3 承載電信級(jí)業(yè)務(wù)穩(wěn)定性研究

3.1 流程與觀(guān)測(cè)指標(biāo)

本文的分析流程劃分為3個(gè)部分：NFV平臺(tái)搭建與核心網(wǎng)對(duì)接、VNF應(yīng)用部署、問(wèn)題分析與改進(jìn)總結(jié)。

媒體網(wǎng)關(guān)VNF應(yīng)用指標(biāo)，包括媒體協(xié)商轉(zhuǎn)碼，計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)硬件指標(biāo)，流媒體錄音生成，業(yè)務(wù)服務(wù)連續(xù)性；（2）核心網(wǎng)對(duì)接指標(biāo)參數(shù)，包括M3UA偶聯(lián)、CIC使用率和流媒體帶寬占用率。

3.2 NFV環(huán)境搭建及VNF應(yīng)用部署

NFV環(huán)境搭建整體架構(gòu)劃分。本文所述應(yīng)用場(chǎng)景是一種基于語(yǔ)音通話(huà)的電信增值業(yè)務(wù)平臺(tái)，提供語(yǔ)音通話(huà)接續(xù)、錄音、彩鈴等定制化功能。為形成對(duì)比及方便測(cè)試，整體劃分為超融合NFV集群和基于物理機(jī)的VMWare資源池。參考論文《基于NFV的媒體網(wǎng)關(guān)軟化技術(shù)應(yīng)用測(cè)試研究》的測(cè)試結(jié)論，軟化媒體網(wǎng)關(guān)組件CPU線(xiàn)程個(gè)數(shù)與響應(yīng)網(wǎng)卡IRQ的線(xiàn)程個(gè)數(shù)最佳配置比為1:8的情況下，分配2個(gè)線(xiàn)程用于響應(yīng)網(wǎng)卡中斷，使網(wǎng)卡SI%穩(wěn)定在25%以下[3]。此外，與核心網(wǎng)T局、H/L局通過(guò)sigtran協(xié)議互配OPC、DPC、GT碼，互聯(lián)互通。

基于VNF應(yīng)用能力輸出的靈活性和定制化需求，單粒度應(yīng)用部署采取兩種應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。單粒度MG_Core支撐500媒體話(huà)路并發(fā)能力，各VNF應(yīng)用均按錄音轉(zhuǎn)碼要求配置。

3.3 業(yè)務(wù)承載與問(wèn)題分析

本文旨在研究基于NFV部署的VNF應(yīng)用，在承載電信級(jí)核心網(wǎng)媒體業(yè)務(wù)時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，包括從Hypervisor抽象底層設(shè)施的能力輸出效果、底層變更對(duì)應(yīng)用的影響以及VNF應(yīng)用性能指標(biāo)。

3.3.1 錄音合成延遲問(wèn)題

基于系統(tǒng)周期性抽檢錄音合成監(jiān)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在業(yè)務(wù)高峰期存在錄音合成延遲問(wèn)題。抽檢規(guī)模為500個(gè)隨機(jī)樣本，以失敗案例為分子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，嚴(yán)重時(shí)刻能達(dá)到60%的延遲，通過(guò)對(duì)物理層資源的觀(guān)測(cè)顯示，部署MG_Core的子VNF應(yīng)用會(huì)存在個(gè)別線(xiàn)程CPUIdle跳0，而集中在CPUWait等待資源釋放，持續(xù)時(shí)間0～9 s，此時(shí)CPU利用率超過(guò)60%。基于錄音合成優(yōu)先級(jí)低于媒體轉(zhuǎn)碼、接續(xù)等優(yōu)先級(jí)。此外，由于Hypervisor抽象物理資源所消耗的計(jì)算資源占比大概為30%，在系統(tǒng)媒體話(huà)路并發(fā)增高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)底層計(jì)算資源搶占問(wèn)題。

3.3.2 業(yè)務(wù)偶發(fā)閃斷問(wèn)題

在系統(tǒng)上線(xiàn)使用過(guò)程中，觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)存在偶發(fā)閃斷現(xiàn)象。閃斷發(fā)生時(shí)表現(xiàn)為系統(tǒng)呼叫量從2 400媒體話(huà)路并發(fā)瞬間降至0，振鈴量由于存量呼叫的關(guān)系由2 300話(huà)路并發(fā)降至280，接通量由1 250降至150，部署的MG_Core的CPU空閑率從60%釋放至95%，網(wǎng)絡(luò)流入流量監(jiān)控顯示流入的流量從600 kb/s降至30 kb/s，網(wǎng)絡(luò)流出流量從12 Mb/s降至0。IOPS讀寫(xiě)由于媒體業(yè)務(wù)中斷原因?qū)懭胱兙彛瑥?00 r/s降至90 r/s，CIC使用率從1 200降至160。

通過(guò)排查發(fā)現(xiàn)，最早時(shí)刻發(fā)生中斷告警的為到核心網(wǎng)H/L局的sigtran偶聯(lián)中斷，每次中斷時(shí)間0～5 min。由于偶聯(lián)是支撐信令交互的傳輸通道，在偶聯(lián)發(fā)生中斷后無(wú)法對(duì)話(huà)路進(jìn)行路由，導(dǎo)致發(fā)生業(yè)務(wù)中斷和底層物理資源的釋放。經(jīng)研究排查，在sigtran偶聯(lián)閃斷時(shí)，Signaling Ctrl應(yīng)用模塊所在的物理機(jī)存在突發(fā)重啟導(dǎo)致的冷遷移，導(dǎo)致5 min內(nèi)的業(yè)務(wù)中斷。

3.4 改進(jìn)與結(jié)論

3.4.1 錄音合成延遲問(wèn)題解決

經(jīng)3.3.2節(jié)對(duì)MG_Core子VNF應(yīng)用的分析，它的承載業(yè)務(wù)擴(kuò)容基線(xiàn)CPU利用率在60%。當(dāng)高于60%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)資源搶占問(wèn)題導(dǎo)致的錄音合成延遲。由于其他子VNF應(yīng)用模塊資源與MG_Core子VNF應(yīng)用存在資源利用差值，在其他模塊資源未飽和之前，可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)容MG_Core子VNF應(yīng)用，降低整體資源利用率，解決資源搶占問(wèn)題。此外，由于錄音合成基于ffmpeg組件，為防止單個(gè)線(xiàn)程被強(qiáng)占導(dǎo)致錄音合成掛死現(xiàn)象，通過(guò)配置ffmpeg錄音合成采用多進(jìn)程綁定可避免該問(wèn)題的發(fā)生。綜上，在部署MG_Core子VNF應(yīng)用時(shí)，可調(diào)整ffmpeg配置綁定多線(xiàn)程工作，同時(shí)對(duì)虛擬機(jī)資源進(jìn)行監(jiān)控基線(xiàn)添加，當(dāng)CPU利用率超過(guò)60%時(shí)，即可考慮動(dòng)態(tài)擴(kuò)容子VNF應(yīng)用方案。

3.4.2 閃斷問(wèn)題解決

雖然閃斷是基于物理層故障暴露出來(lái)的問(wèn)題，但經(jīng)分析可以從VNF應(yīng)用部署角度盡力避免該問(wèn)題，即采用分布式部署與負(fù)載均衡策略，將VNF應(yīng)用部署在不同物理機(jī)上，采用偶數(shù)部署機(jī)制形成彼此互為熱備。當(dāng)某個(gè)底層物理資源宕機(jī)遷移期間，部署在其他底層物理機(jī)所制成的虛擬機(jī)上的VNF應(yīng)用即可起到熱備份作用。通過(guò)該解決方案策略部署VNF子應(yīng)用后，系統(tǒng)業(yè)務(wù)閃斷問(wèn)題修復(fù)，經(jīng)數(shù)日觀(guān)測(cè)無(wú)閃斷發(fā)生。綜上，在部署VNF子應(yīng)用時(shí)，將子應(yīng)用針對(duì)底層物理機(jī)資源采取分布式部署與負(fù)載均衡策略，可極大提高對(duì)底層物理資源障礙的容錯(cuò)性，提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

5G網(wǎng)絡(luò)是萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代。NFV作為5G網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵技術(shù)，是電信核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。本文以NFV為基礎(chǔ)環(huán)境，對(duì)媒體網(wǎng)關(guān)進(jìn)行以VNF應(yīng)用部署為目的的功能分解與部署，制定了核心網(wǎng)電信業(yè)務(wù)承載穩(wěn)定性分析流程和技術(shù)指標(biāo)，以系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)所暴露出來(lái)的問(wèn)題為基礎(chǔ)，分析得到了能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的VNF應(yīng)用部署方案和MG_Core擴(kuò)容基線(xiàn)數(shù)值，為基于VNF的媒體網(wǎng)關(guān)承載電信級(jí)業(yè)務(wù)應(yīng)用部署提供了參考。