基于SDN 與NFV 的云通信軟交換能力切片化部署穩(wěn)定性研究*

陳 楊，劉 作，黎 聰，龍俊霖，趙群帥

（廣西東信易通科技有限公司，廣西 欽州 535000）

0 引言

隨著移動通信技術(shù)從2G、3G 發(fā)展到4G、5G，時分復(fù)用和報文交換技術(shù)也在持續(xù)迭代和發(fā)展。2G、3G 的發(fā)展應(yīng)用在解決了模擬信號質(zhì)量問題的同時，首次將分組交換和網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）的概念引入通信網(wǎng)絡(luò)。然而相較于電路交換，分組交換的實時性較低。隨著傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的成功應(yīng)用以及3網(wǎng)融合概念的推進，TCP/IP 在電信網(wǎng)絡(luò)中得到推廣和應(yīng)用。作為5G 兩大核心技術(shù)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）均離不開TCP/IP 協(xié)議。其中，NFV 是虛擬化云計算發(fā)展下提出的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化概念。隨著5G 萬物互聯(lián)時代的到來，各行業(yè)在互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)功能可定制性、可變更性、易擴容性提出了更加嚴苛的要求[1]。

本文提出的軟交換系統(tǒng)應(yīng)用于4G、5G 網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的控制與承載分離不同，該系統(tǒng)的主要控制方式是隨路信令。該信令與會話描述協(xié)議（Session Description Protocol，SDP）及交互 式連接設(shè)施（Interactive Connectivity Establishment，ICE）相結(jié)合，解決混合云化部署后所形成的內(nèi)外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）穿越問題。該信令與Docker 容器相結(jié)合，實現(xiàn)應(yīng)用pod 解決動態(tài)彈性伸縮擴容問題。

軟交換系統(tǒng)中的軟交換主要邏輯功能包括：用戶鑒權(quán)與接入、對接核心網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)互聯(lián)互通、媒體流的控制及轉(zhuǎn)碼、話單與計費能力[2]。

1 基于SDN 與NFV 的系統(tǒng)能力構(gòu)建及優(yōu)缺點分析

1.1 SDN 與NFV 技術(shù)

SDN 與NFV 是支撐5G 網(wǎng)絡(luò)切片的兩大核心技術(shù)，旨在顛覆傳統(tǒng)專用硬件組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)。SDN與NFV 優(yōu)勢如圖1 所示，將這兩種技術(shù)與云計算及IT 快速迭代敏捷開發(fā)相結(jié)合，能通過快速編排能力的方式輸出定制化需求，符合萬物互聯(lián)與移動互聯(lián)網(wǎng)時代下的核心網(wǎng)發(fā)展趨勢。

圖1 SDN 與NFV 技術(shù)的優(yōu)勢

隨著5G 技術(shù)的逐漸成熟，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)的應(yīng)用已具備成熟的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境[3]。然而，在SDN 與NFV 的底層技術(shù)以及頂層的互聯(lián)網(wǎng)化應(yīng)用需求的相關(guān)研究中，仍存在研究空白。電信運營商的通信產(chǎn)品離真正的“互聯(lián)網(wǎng)+”通信時代仍存在不小差距。

1.2 軟交換VNF 能力組建

軟交換虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtual Network Function，VNF）應(yīng)用包含5 個邏輯模塊。它們彼此之間可以靈活組網(wǎng)及均衡負載，并能夠根據(jù)業(yè)務(wù)形態(tài)需求進行定制化部署。該5 個邏輯模塊如圖2 所示。

圖2 媒體網(wǎng)關(guān)切片

圖中5 個模塊的主要功能如下文所述。

（1）媒體服務(wù)器（Media Server，MS）：負責(zé)實現(xiàn)媒體協(xié)商、轉(zhuǎn)碼、錄音以及放音等功能。

（2）信令網(wǎng)關(guān)（Signal Gateway，SG）：負責(zé)實現(xiàn)信令協(xié)議棧及呼叫過程控制，包括sip、ss7 和bicc 等。

（3）業(yè)務(wù)邏輯處理模塊（Service Control Function，SCF）：編排原子通信能力，定制化輸出服務(wù)給B 端客戶。

（4）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Data Base System，DBS）：存儲話單、錄音機放音文件。

（5）媒體服務(wù)器控制單元（Media Server Contrl Point，MSCP）：負責(zé)打造原子化通信能力。

1.3 軟交換切片

基于VNF 的軟交換應(yīng)用切片能夠定制化部署與承載業(yè)務(wù)，圖3 所示為軟交換切片內(nèi)服務(wù)調(diào)用過程。

圖3 一個切片內(nèi)的服務(wù)輸出

2 云通信系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

2.1 測試流程及指標

云通信系統(tǒng)測試與問題暴露遵循的框架流程如圖4 所示，包括私有云平臺搭建及網(wǎng)絡(luò)互通配置、系統(tǒng)上線部署及監(jiān)控采集搭建、問題暴露及調(diào)優(yōu)[4-6]。其中，監(jiān)控采集搭建所監(jiān)控的業(yè)務(wù)指標包含以下兩大領(lǐng)域。

圖4 系統(tǒng)建設(shè)與分析框架

（1）軟交換性能指標：私有云底層3 大資源指標、錄音監(jiān)聽轉(zhuǎn)碼、系統(tǒng)服務(wù)性能；

（2）核心網(wǎng)資源指標：Sigtran 耦連及電路識別碼(Circuit Identification Code，CIC）電路碼使用情況、媒體通道帶寬情況[7]。

2.2 系統(tǒng)能力部署

搭建私有云是構(gòu)建NFV 環(huán)境的基礎(chǔ)，本文研究的云通信平臺基于研究私有云部署與物理機部署服務(wù)的性能對比，旨在將通信技術(shù)（Communication Technology，CT）通信網(wǎng)的能力通過定制化編排實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)快速輸出云化的通信服務(wù)[8-10]。系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)劃如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

軟交換應(yīng)用部署采用小粒度大集群方式，單個粒度節(jié)點承載并發(fā)能力上限設(shè)置為600，單節(jié)點配置詳情如表1 所示。圖6 所示為到核心網(wǎng)偶聯(lián)建立過程。

表1 VNF 應(yīng)用部署粒度

圖6 到核心網(wǎng)偶聯(lián)建立

2.3 測試與問題暴露

本文旨在建設(shè)高穩(wěn)定性的云通信能力平臺，其中最重要的指標是使系統(tǒng)達到電信級穩(wěn)定性能，其次是系統(tǒng)總體延遲、各模塊協(xié)作實時性及系統(tǒng)易擴展性等性能指標。

2.3.1 話路監(jiān)聽轉(zhuǎn)碼服務(wù)掛死

錄音監(jiān)測機制的建立是為了捕捉線上出現(xiàn)問題的瞬間系統(tǒng)信息，以方便還原復(fù)盤定位問題。圖7為系統(tǒng)告警推送信息，系統(tǒng)通過監(jiān)測合成實時性效率，捕捉到隨機偶發(fā)話路轉(zhuǎn)碼服務(wù)被掛死現(xiàn)象其發(fā)生延遲的概率約為4.62%，信息捕獲如圖8 所示。經(jīng)分析，基于任務(wù)優(yōu)先級劃分以及虛擬調(diào)度層所產(chǎn)生的計算能力支出大概占CPU 能力的30%，當系統(tǒng)呼叫量并發(fā)達到峰值時，會出現(xiàn)系統(tǒng)瓶頸[11-12]。

圖7 錄音抽查報警

圖8 資源搶占導(dǎo)致線程掛死后捕獲到的信息捕獲到的信息

2.3.2 核心網(wǎng)鏈路中斷問題

在系統(tǒng)運行期間，系統(tǒng)支撐運行呼叫業(yè)務(wù)時而發(fā)生服務(wù)中斷，表現(xiàn)為存量呼叫無影響，但無法繼續(xù)增加呼叫，即無法獲取信令路由[13]。經(jīng)復(fù)盤定位，基于NFV 部署的軟交換系統(tǒng)與核心網(wǎng)對接的信令模塊所在底層資源，存在因故障Reboot 所引發(fā)的虛擬漂移、浮點IP 丟失、Sigtran 需要重新握手、信令通道中斷，導(dǎo)致無法正常路由，影響了增量的話路呼叫。圖9 為虛機遷移過程，圖10 為1 周時間內(nèi)統(tǒng)計閃斷數(shù)據(jù)，圖11 為閃斷發(fā)生時各資源使用情況。

圖9 虛擬機遷移

圖10 7 天閃斷統(tǒng)計結(jié)果

圖11 業(yè)務(wù)閃斷及底層物理資源使用數(shù)據(jù)

2.4 系統(tǒng)優(yōu)化及結(jié)論

2.4.1 解決虛擬化層計算資源搶占問題

通過7 天連續(xù)統(tǒng)計與觀測，當?shù)讓游锢碛嬎阗Y源使用率超過70%時，將有概率出現(xiàn)服務(wù)搶占線程導(dǎo)致的卡頓問題。解決辦法為：通過容器云引入pod 自動擴容方式進行優(yōu)化，及時擴充底層物理資源；通過優(yōu)化錄音轉(zhuǎn)碼組件，將服務(wù)綁定單線程改為多線程，比例由1:1 改為1:N后，組合策略觀測，問題延遲出現(xiàn)概率從4.62%降至0%。圖12 為優(yōu)化后的系統(tǒng)業(yè)務(wù)運行觀測圖。

圖12 采取優(yōu)化方案后業(yè)務(wù)連續(xù)性觀測

2.4.2 業(yè)務(wù)中斷問題解決

在定位出業(yè)務(wù)偶發(fā)中斷問題原因后，解決方案采用業(yè)務(wù)層面的負載均衡及邊緣分布式承載策略。將關(guān)鍵模塊業(yè)務(wù)節(jié)點鏡像部署于不同云環(huán)境中，應(yīng)用總數(shù)采用偶數(shù)，架構(gòu)層面50%互為主備，當出現(xiàn)該黑天鵝事件瞬間，實現(xiàn)自動業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移，達到容錯目的。經(jīng)優(yōu)化后連續(xù)觀測，系統(tǒng)穩(wěn)定運行無中斷。

綜上所述，在基于NFV 打造電信及穩(wěn)定性應(yīng)用時，可以聯(lián)合K8S 的pod 彈性伸縮與擴容以及優(yōu)化第3 方組件方式[14]，打磨電信級穩(wěn)定性應(yīng)用。然而，NFV 虛擬化底層的調(diào)度策略只能解決基礎(chǔ)可靠性，同時業(yè)務(wù)穩(wěn)定性的保障離不開業(yè)務(wù)層面的架構(gòu)設(shè)計，需要在運行中不斷打磨，長期來看架構(gòu)穩(wěn)定性是需要不斷修改的[15]。

3 結(jié)語

5G 的兩大核心技術(shù)均基于軟件及算法，提高了靈活性的同時，對網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化定義及部署提出了更嚴苛的要求。本文系統(tǒng)性建立了測試機制，構(gòu)建了SDN 與NFV 系統(tǒng)基礎(chǔ)組網(wǎng)環(huán)境，部署了VNF 應(yīng)用切片，并對實際承載業(yè)務(wù)進行觀測與統(tǒng)計分析，解決了系統(tǒng)閃斷及錄音延遲問題，為行業(yè)VNF 應(yīng)用切片運行穩(wěn)定性打磨提供了一定的經(jīng)驗與見解。