5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)增強技術(shù)的研究

（中國信息通信研究院移動通信創(chuàng)新中心，北京 100191）

0 引言

通信網(wǎng)絡(luò)是一個不斷引入新技術(shù)、不斷顛覆發(fā)展的過程。基于獨立組網(wǎng)的5G 核心網(wǎng)在3GPP R15 第一個版本上，充分吸收了IT 技術(shù)優(yōu)勢，引入了面向云服務(wù)的概念，制定了基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（SBA），以軟件服務(wù)重構(gòu)核心網(wǎng)功能，形成了5G 網(wǎng)絡(luò)快速部署和彈性擴縮容能力。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)商用進程不斷擴大，SBA 架構(gòu)優(yōu)勢明顯的同時，也同樣給5G 網(wǎng)絡(luò)帶來了挑戰(zhàn)，網(wǎng)元數(shù)目增多，網(wǎng)間HTTP 信令負荷大大增加，微服務(wù)帶來的靈活擴展性，也讓網(wǎng)元間的互聯(lián)互通更加復(fù)雜，為此3GPP R16 提出了eSBA 技術(shù)，引入網(wǎng)絡(luò)實體服務(wù)通信代理（SCP），使每個網(wǎng)絡(luò)功能（NF）及其網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NF Service）可以通過SCP 與其他網(wǎng)絡(luò)功能及其網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)進行間接通信，大大降低了NF 間的信令交互和路由轉(zhuǎn)發(fā)，同時eSBA 還引入了網(wǎng)絡(luò)功能集（NF Set）和網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)集（NFS Set）的概念，可以更好地支持網(wǎng)元及網(wǎng)元服務(wù)間的熱備份功能，更充分利用了無狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，提高了整個系統(tǒng)的資源利用率以及系統(tǒng)可靠性。

1 R15版本服務(wù)化架構(gòu)及其帶來的問題

3GPP R15 定義的5G 核心網(wǎng)基于服務(wù)化架構(gòu)，打破了移動核心網(wǎng)點對點多接口協(xié)議棧的傳統(tǒng)架構(gòu)，每一個NF以服務(wù)的方式呈現(xiàn)出來，任何一個NF 都可以使用統(tǒng)一的HTTP 協(xié)議，調(diào)用或者提供相應(yīng)的服務(wù)來進行通信。這種微服務(wù)架構(gòu)借鑒了IT 領(lǐng)域云原生技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的后向兼容性極高，開放性更好，對于拉通ICT 領(lǐng)域的業(yè)務(wù)運營極其便利。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，用戶數(shù)增多，5G核心網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)實際部署中所面臨的一些挑戰(zhàn)逐步顯現(xiàn)。

基于服務(wù)化架構(gòu)的5G 核心網(wǎng)網(wǎng)元類型和網(wǎng)元數(shù)目眾多，服務(wù)規(guī)模遠大于4G 網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的4G 核心網(wǎng)系統(tǒng)在MME/HSS/PCRF 之間尚有DRA 做Diameter 信令的收斂和路由轉(zhuǎn)發(fā)，而R15 版本的5G 核心網(wǎng)全網(wǎng)所有NF 之間直接互聯(lián)通信，NF 間的HTTP 鏈接數(shù)目規(guī)模巨大，對NF 的性能規(guī)格要求較高，如圖1所示，尤其是省際NF間的信令鏈路，在直連通信情況下占用了過多的承載網(wǎng)帶寬資源，隨著后續(xù)5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，4G 用戶的大量遷移，業(yè)務(wù)容量不斷增多，全網(wǎng)NF 直連通信方式將會給網(wǎng)絡(luò)帶來極大的挑戰(zhàn)。

圖1 全網(wǎng)元直接互聯(lián)

5G 移動通信網(wǎng)面臨CT、IT 和OT 的深度融合，對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求越來越高，R15 版本的5G 核心網(wǎng)NF 實現(xiàn)了計算與存儲分離的無狀態(tài)功能，但仍存在業(yè)務(wù)功能和數(shù)據(jù)模塊尚未分離的情況，網(wǎng)絡(luò)實際部署中使用傳統(tǒng)POOL 的容災(zāi)備份機制，存在不支持熱容災(zāi)、業(yè)務(wù)中斷時間長的問題，或者使用N+1 熱備冗余，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的資源利用率降低。

2 R16版本服務(wù)化架構(gòu)增強及其演進

R16 版本的5G 核心網(wǎng)在架構(gòu)上引入SCP，使每個網(wǎng)絡(luò)功能及其網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)可以通過SCP 與其他網(wǎng)絡(luò)功能及其網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)進行間接通信。eSBA 系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示：

圖2 5G服務(wù)化架構(gòu)增強（eSBA）系統(tǒng)架構(gòu)圖

為提升5G 核心網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，eSBA 引入網(wǎng)絡(luò)功能集、網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)集、網(wǎng)絡(luò)功能上下文遷移、網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)上下文遷移。多個NF 可以組成NF 集、多個NF服務(wù)可以組成NF 服務(wù)集，一個集內(nèi)的NF 實例/NF 服務(wù)實例功能相同、共享上下文數(shù)據(jù)、或者實現(xiàn)上下文遷移。

2.1 SCP的引入，增強了服務(wù)化框架結(jié)構(gòu)

R16 版本的5G 核心網(wǎng)在服務(wù)框架上做了增強，引入SCP 網(wǎng)元，主要負責(zé)間接通信和代理發(fā)現(xiàn)。定義了4 種通信模式[1]：

（1）Model A，無服務(wù)發(fā)現(xiàn)直接通信模式；

（2）Model B，服務(wù)發(fā)現(xiàn)直接通信模式；

（3）Model C，無代理發(fā)現(xiàn)間接通信模；

（4）Model D，代理發(fā)現(xiàn)間接通信模式。

模式A 和模式B 為直接通信模式，服務(wù)消費者（Consumer）通過本地策略或者查詢NRF 服務(wù)發(fā)現(xiàn)服務(wù)生產(chǎn)者（Producer）信息后，直接與目標(biāo)服務(wù)生產(chǎn)者進行通信。模式A 和模式B 主要是R15 版本的直接通信模式，模式C 和模式D 為間接通信模式，服務(wù)消費者和服務(wù)生產(chǎn)者通過SCP 進行間接通信。SCP 在轉(zhuǎn)發(fā)消息的過程中實現(xiàn)鏈路匯聚、消息轉(zhuǎn)發(fā)、代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)，以及部分增值業(yè)務(wù)。

如圖3 所示，在模式C 下，服務(wù)消費者通過查詢NRF進行服務(wù)發(fā)現(xiàn)，服務(wù)消費者根據(jù)發(fā)現(xiàn)結(jié)果選擇一個NF 集或NF 集中的一個特定NF 實例。服務(wù)消費者向SCP 發(fā)送業(yè)務(wù)請求消息，消息中包含指向NF 服務(wù)實例或一組NF服務(wù)實例的所選服務(wù)生產(chǎn)者的地址。當(dāng)?shù)刂肥侵赶蛞唤MNF服務(wù)實例時，由SCP 選擇一個NF 服務(wù)實例。如果條件允許，SCP 可以與NRF 交互，獲取選擇參數(shù)，例如位置、容量等。SCP 將服務(wù)請求消息路由給所選的服務(wù)生產(chǎn)者實例。模式C 方案提供了從3GPP R15 直連模式到R16 非直連模式最平滑的升級，對服務(wù)消費者的影響最小。

圖3 模式C

如圖4 所示，在模式D 下，服務(wù)消費者不進行任何服務(wù)發(fā)現(xiàn)或選擇，服務(wù)消費者發(fā)送服務(wù)請求給SCP，在服務(wù)請求消息中攜帶必要的服務(wù)發(fā)現(xiàn)參數(shù)和選擇參數(shù)，SCP 使用請求消息中的地址、服務(wù)發(fā)現(xiàn)參數(shù)和選擇參數(shù)到NRF 進行服務(wù)發(fā)現(xiàn)，并且根據(jù)獲取的服務(wù)發(fā)現(xiàn)結(jié)果將請求消息路由至服務(wù)生產(chǎn)者實例。根據(jù)運營商策略，SCP可以使用NRF 進行服務(wù)發(fā)現(xiàn)，可以通過SCP 本地策略路由請求消息至服務(wù)生產(chǎn)者實例。

圖4 模式D

對比一下模式C 和模式D 對5G 網(wǎng)絡(luò)部署的影響，模式C 下，SCP 僅實現(xiàn)信令消息轉(zhuǎn)發(fā)，可部分消息經(jīng)過SCP，部分消息不經(jīng)過SCP，對SCP 性能要求較低。模式D 下，SCP 除了轉(zhuǎn)發(fā)信令消息外，還需要執(zhí)行代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)，訂閱其他網(wǎng)元狀態(tài)，需要處理的信令消息較多，對SCP 性能要求較高。當(dāng)SCP 故障時，在模式C 下，NF 消費者仍可通過簡單機制直接選擇目標(biāo)NF 完成業(yè)務(wù)流程處理，對于整個網(wǎng)絡(luò)的影響較小，風(fēng)險不大。模式D 下，由于業(yè)務(wù)流程不同，NF 消費者無法直接選擇目標(biāo)NF，導(dǎo)致業(yè)務(wù)失敗，對網(wǎng)絡(luò)的影響較大，風(fēng)險較大。模式D 簡化了服務(wù)消費者自身的處理邏輯，但從實質(zhì)上卻改變了服務(wù)消費者的行為，同時增加了網(wǎng)絡(luò)整體演進的復(fù)雜度。無論模式C 或模式D，NF 的服務(wù)注冊、注銷、更新等均直接與NRF 交互，對于NRF 功能實現(xiàn)、部署架構(gòu)以及業(yè)務(wù)處理與引入SCP 前基本無變化。所以運營商在實際網(wǎng)絡(luò)部署中，需要考慮實際組網(wǎng)情況，直連模式、C 模式、D 模式需要兼顧考慮，并存部署。

如圖5 所示，通過SCP 進行信令集中路由和轉(zhuǎn)發(fā)，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使運營商的信令網(wǎng)從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)簡化成星型網(wǎng)，減少了需要維護的信令連接關(guān)系，減少了信令鏈路數(shù)，同時降低了NF 網(wǎng)元的信令組網(wǎng)能力的要求，便于聚焦業(yè)務(wù)功能。同時SCP 的引入還可以屏蔽區(qū)域內(nèi)NF拓撲結(jié)構(gòu)，適用于運營商間漫游場景。SCP 代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)或者HTTP 代理模式可以對整個運營商網(wǎng)絡(luò)進行集中管控，匯聚省間HTTP 信令鏈路，生產(chǎn)者負載、過載控制，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)負載均衡和信令風(fēng)暴的收斂。

圖5 引入SCP非直連通信

2.2 NF集新技術(shù)，提高整系統(tǒng)可靠性

在傳統(tǒng)的移動核心網(wǎng)部署中使用了資源池（POOL）的容災(zāi)備份機制，多個控制網(wǎng)元組成一個POOL，網(wǎng)元間負荷均衡，資源共享，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠、高效、便于維護的核心網(wǎng)絡(luò)。R15 版本的5GC 在網(wǎng)絡(luò)實際部署中，AMF 也采用了相同策略。但是傳統(tǒng)的核心網(wǎng)控制網(wǎng)元組POOL 沒有標(biāo)準(zhǔn)的熱備份功能，在實際網(wǎng)絡(luò)部署中，有多種方式進行在線數(shù)據(jù)的實時備份，例如N+1 方式，或者鏈?zhǔn)絺浞莸取15 版本的5GC NF 的功能設(shè)計是無狀態(tài)的，即計算和存儲分離，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲功能（UDSF）把NF 的在線數(shù)據(jù)保存功能分離出來，主要負責(zé)NF 的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲，這使得NF 在數(shù)據(jù)備份上具有天然優(yōu)勢。

R16 版本的5GC 引入了NF 集的概念，如圖6 所示，部署NF 實例時可以采用NF 集，NF 集內(nèi)存在多個NF 實例，并作為一組NF 實例共同實現(xiàn)分布、冗余和可伸縮的網(wǎng)絡(luò)特性。NF 服務(wù)也支持同樣的部署方式。對等的NF實例和NF 服務(wù)實例，即同一個NF 集內(nèi)的NF 實例或同一個NF 服務(wù)集的NF 服務(wù)實例可以共享相同的上下文數(shù)據(jù)或進行上下文遷移流程。在出現(xiàn)故障、負載均衡、負載重均衡等情況下，同一個NF 集內(nèi)的備選NF 可替換正在工作的NF。

圖6 UDSF保存各NF的動態(tài)上下文數(shù)據(jù)

這種網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計需要同時工作在兩種通信模式，即直接通信和間接通信。在直接通信模式下，NF 服務(wù)消費者參與可靠性相關(guān)流程。在間接通信模式下，SCP 參與可靠性相關(guān)流程。多個對等的控制面NF 可以組合為NF 集，例如，將多個SMF 實例組合為SMF 集。NF 集內(nèi)的NF 可以互換，這是因為集內(nèi)所有NF 共享相同的上下文數(shù)據(jù)，且可以部署在不同的位置。NF 集的定義提供了NF 間共享用戶上下文的機制，實現(xiàn)了NF 故障時用戶不掉線，支持在線業(yè)務(wù)熱備的功能，實際上可作為一種增強POOL 方案在實際網(wǎng)絡(luò)中部署，極大地提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2.3 服務(wù)化架構(gòu)增強演進

5G 網(wǎng)絡(luò)處于IT 技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)展的時代，SBA和NFV 的引入，為5G 網(wǎng)絡(luò)在功能架構(gòu)和部署方面增加了極大的靈活性，SBA 體現(xiàn)了云計算特點的同時，還有更多優(yōu)化增強的空間，例如服務(wù)的自包含、可重用性，邏輯功能的內(nèi)聚和細分，基于服務(wù)的獨立生命周期管理，服務(wù)的自動化自愈性以及分布式擴展等，這些增強演進方向?qū)⒛芨玫刂С?G 網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的自動化和高可靠性。

3 結(jié)束語

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)部署的發(fā)展和擴大，5G 核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的研究和發(fā)展中，R16 在針對服務(wù)化架構(gòu)增強的研究中形成了多種解決方案，已經(jīng)寫入標(biāo)準(zhǔn)的方案將為網(wǎng)絡(luò)帶來極大的效益，展現(xiàn)出更多的價值。服務(wù)化架構(gòu)是5G 網(wǎng)絡(luò)邁向ICT 融合的首創(chuàng)，是新一代CN 架構(gòu)的起點，它會沿著IT 的方向逐漸完善和增強演進下去，為未來的云網(wǎng)融合開創(chuàng)先河。