控制和用戶面分離架構的核心網容災建設分析

宋鼎 中國聯合網絡通信有限公司河南省分公司網絡發展部

一、引言

隨著移動互聯網的深入發展，以及“提速降費”政策的持續推進，各種移動創新業務如雨后春筍般蓬勃發展，這對網絡帶寬、時延、業務部署成本及效率提出了新的要求。

在現有網絡架構中，傳統GW 以集中的方式部署，媒體面數據傳輸距離長,轉發時延大,新設備新業務上線周期長，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據中心；GW-U 可以靠近用戶按需下沉部署。

對于5G 網絡，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 服務可以快速根據實際需要部署一個或者多個，其部署位置基于業務流量進行規劃，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SAE-GW 網絡現狀以及問題分析

傳統設備下沉存在著投資效率低、網絡調整復雜、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，PGW-U 下沉到南陽本地流量優先從本地疏導。能夠有效提升4G用戶的業務體驗、減少對承載網的壓力。

NFV（Network Function Virtualization）是采用虛擬化技術、基于通用硬件實現電信功能節點的軟件化，是未來通信網絡的基礎技術。核心網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境穩定，沒有更換平臺之憂，降低了軟件開發難度，加快了軟件的特性開發速度。

三、河南聯通云化融合核心網CUPS 項目試點方案

為了驗證NFV、CUPS 架構和性能，河南聯通在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。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 媒體轉發面，應用軟件采用2G/3G/4G/5G 融合核心網（Common Core）版本。

鄭州CUPS 控制面一個資源池、南陽CUPS 媒體轉發面兩個資源池，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，傳統平臺和NFV 平臺將長期共存，將面臨著傳統網元和云化網元是獨立組POOL 還是混合組POOL 的問題。混合組POOL 更加具備優勢，無須改變現網POOL 結構，可以實現平滑改造，實現業務無損遷移，也具備靈活調整傳統平臺和云化平臺的容量調整能力。

本次試點兩個GW-C 與現網GW 組成POOL 進行容災，現網MME 發現某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 接入業務。

本次試點驗證傳統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（Common Core）版本。下沉到南陽的xGW 與洛陽大區xGW 組POOL，將南陽xGW 地址加入DNS 解析，南陽本地流量優先從本地xGW 疏導，洛陽xGW 作為容災保障網絡安全。下圖紅色輪廓區域（南陽市）使用CUPS 攜帶業務。混合組POOL 的情況為后續規模商用NFV 提供經驗。

（二）GW-U 的容災

本次試點所有C 面和U 面覆蓋區域均為南陽，U 面有兩個邏輯節點連接到同一個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。后續,當GW-C 和UP再次成功建立關聯，則由U 面可用，啟用echo 功能（主動發/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40萬用戶業務。割接后設備運行平穩，各項業務指標正常，流量達到20Gbps。

割接期間，根據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網元相同。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，瞬斷對業務無影響，中斷對業務有影響，C面會自動選擇可用的U 面。

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