5G新通信網絡架構安全保障技術研究

摘要：5G新通信是5G個人信息消費殺手锏應用，是對基礎通話業務的轉型升級，為用戶帶來語音與視頻一體、現實與虛擬互動、通信與AI融合的全新體驗，提升通話業務核心競爭力。該文對5G新通信平臺網絡架構從下至上的垂直容災可靠性進行研究，提出5G新通信平臺的各項容災、安全保障、通話業務放通等解決方案，保證大規模商用平臺的業務健壯性。

關鍵詞：5G新通信；網絡架構；可靠性；容災

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.014

中圖分類號：TN 929.53" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-00-04

Research on Security Guarantee Technology of 5G New Communication Network Architecture

WANG Rong1， SHANG Nan2

（1. China Unicom Shandong Branch， Ji’nan 250001， China;

2. China information Technology Designing amp; Consulting Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450007， China）

Abstract： 5G New Communication is a killer application for 5G personal information consumption， which is a transformation and upgrading of basic call services， bringing users a new experience of integrating voice and video， real and virtual interaction， communication and AI integration， and enhancing the core competitiveness of call services. This article studies the vertical disaster recovery reliability of the 5G new communication platform from bottom to top， and proposes various solutions for disaster recovery， security assurance， and call service release of the 5G new communication platform， ensuring the business robustness of large-scale commercial platforms.

Keywords： 5G new communication; network architecture; reliability; disaster recovery

0" "引言

5G新通信應用是基于VoLTE音視頻炫鈴業務衍生的全新業務，為用戶帶來語音與視頻一體、現實與虛擬互動、通信與AI融合的全新體驗，語音通話與豐富的增強功能相整合，提供多樣化的服務[1]，是5G業務發展的新突破口。

但是在云化架構時代，網元內部從物理機、虛擬機，到容器、再到微服務的容災重要性不可小覷，業務網元自身可用性的要求相較于傳統核心網產品要求變得更為重要。為保障網絡可靠性、柔韌性、健壯性，容災方案是非常重要的一環，需要考慮地理因素、網元間水平容災、路由雙平面容災以及網元自身容災等。本文通過對5G新通信平臺內部從下至上的垂直容災、安全可靠性進行研究論證，提出5G新通信平臺的容災方案。

1" "視頻彩鈴及5G新通信整體架構

5G新通信業務是在VoLTE/VoNR網絡上基于IMS核心網實現增強媒體體驗與實時交互式通話，無須額外下載APP應用程序或通過瀏覽器，具有獨特優勢[2]。國內已有從業者采用基于Data Channel[3]（DC）技術實現5G新通信方案，目前基于IMS Video Channel（VC）進行視頻媒體傳輸的方案也逐步成熟[4]。

5G新通信視頻能力平臺基于視頻彩鈴平臺現有能力，保留原有視頻彩鈴的架構基礎上，通過新增加XR通話功能模塊形成5G新通信視頻能力平臺。5G新通信業務管理平臺可以采用全國集中部署方式，視頻能力平臺采用大區建設方式，并由5G新通信業務管理平臺統一調度管理，為4G/5G用戶提供5G新通信XR通話個人通話業務[4]。如圖1所示。

2" "5G新通信可靠性

5G新通信平臺，采用云化分布式軟件架構，將業務處理單元、分布式數據庫和分布式負載均衡單元分離，并通過分布式部署方式，提供架構可靠性。

2.1 網元功能可靠性

網元運行過程中物理機、虛擬機和容器均有不可避免的故障機率。為提升系統的可靠性，網元部署階段通過冗余部署和反親和部署，降低單一對象故障導致整系統業務不可用的機率。

網元控制類處理單元要求容器-虛擬機-物理機兩層強反親和部署，當虛擬機或物理機故障時，均不會引發網元同類型控制類功能故障或性能急劇下降問題。

網元業務類處理單元隨性能增加需線形擴容，5G新通信網元針對可靠性要求需采用虛擬機級強反親和部署。

2.2 資源可靠性

網元中資源包括計算資源，如虛擬機、容器、進程；通信資源，如Base通信接口、TOR/EOR。資源的可靠性，可通過故障檢測、多級自愈、部署防腦裂集群/檢測集群/業務管理集群等機制來保障。

網元部署防腦裂集群、故障檢測集群、業務管理集群，統一管理系統中所有資源。防腦裂集群通過心跳實時檢測資源狀態，當檢測到資源異常時，上報告警。當發生網絡分裂時，防腦裂集群也可以快速將業務進行切換，確保業務正常運行。

對于持續故障、反復故障的資源，網元提供多級自愈手段，使資源恢復到可用狀態，消除故障資源對系統可靠性降低的影響。根據故障檢測的結果，觸發相應等級/類型的自愈機制。例如，進程級的故障，觸發進程本地的復位以實現自愈；如果進程本地的復位無法實現自愈，則觸發容器級的自愈機制；如果容器級的復位無法實現自愈，則觸發虛擬機級的自愈機制。

2.3 數據可靠性

網元數據包括系統運行數據和業務運行所需的數據（如用戶上下文信息）。系統應提供對兩類數據的備份和恢復功能，確保系統和業務的正常運行。另外，系統數據和業務數據在存儲設備存儲過程中利用分布式存儲、存儲空間防滿、存儲設備故障監測等技術提升存儲設備可靠性。

2.4 業務可靠性

由于網絡部署越來越廣泛，用戶量劇增，數據流量爆發式增長，網絡容量壓力不斷增大，造成信令風暴概率也越來越大。為了確保業務成功率、提供優質服務，需要部署相應流控措施來防止網絡信令風暴造成的5GC核心網元過載、周邊網元過載以及整網擁塞。通過平滑突發信令流量，降低對網絡的沖擊幅度，使整體信令量仍在網絡信令處理能力內，避免網絡過載；切斷信令量滾雪球的放大效應，避免信令風暴的產生。

2.5 網絡可靠性

在單一網元自身容災能力失效后，網絡級別的容災可確保用戶業務無感知。跨DC容災模式分為1+1主備、1+1互備、組Pool等方式。現有5G新通信網元采用雙平面負荷分擔方式，實現網絡對業務的容災能力。

3" "5G新通信容災機制

3.1 負荷分擔容災實現機制

5G新通信平臺采用負荷分擔的建設方案，在大區內對等部署A、B兩個5G新通信平臺節點，每個5G新通信平臺的硬件容量按承擔整個大區的5G新通信平臺業務呼叫話務量來配置。兩個平臺正常工作方式下負荷分擔大區的5G新通信平臺業務呼叫話務量，當其中一個平臺故障時，另一個平臺可以承擔大區的5G新通信平臺全部業務，實現業務的容災備份。平臺負荷分擔容災組網如圖2所示。

3.2 負荷分擔組網下的數據同步機制

A、B兩個5G新通信平臺數據同步，由BSS經集中管理平臺向5G新通信平臺發起開銷戶，兩個5G新通信平臺保留全量、一致的用戶數據。負荷分擔組網下的數據同步機制如圖3所示。

3.3 負荷分擔組網下的容災切換機制

核心網過來的呼叫話務量的容災切換機制，當A節點5G新通信平臺故障時，核心網的鏈路檢測機制發現到A節點的鏈路異常，啟動話務分擔比例控制機制，把話務量全部切換到B節點炫鈴平臺上來，由B節點來接管所有的呼叫話務量。A節點的AS數據和B節點的AS數據一致。當A節點的系統恢復后，核心網發現鏈路恢復正常，根據核心網的話務量分擔策略，重新把一半的話務量切回A節點炫鈴平臺。負荷分擔組網下的容災切換機制如圖4所示。

3.4 網元故障時周邊網元的切換機制

當A節點炫鈴平臺宕機時，A、B兩節點之間炫鈴平臺進行切換。負荷分擔方式周邊網元切換機制如圖5所示。

3.5 網元恢復后的容災切換恢復

A節點各模塊恢復正常，B節點數據庫全量復制到A節點；核心網恢復到A節點的呼叫，A、B節點各分擔一定比例的負荷；集中管理平臺恢復向兩個節點同步全量、一致的數據。

4" "5G新通信容災方案

4.1 大區內容災組網方案

（1）同一大區內建設兩套5G新通信平臺節點，采用負荷分擔方式部署，互相容災。

（2）5G新通信管理平臺與5G新通信平臺交互，采用主備方式，同時只與大區中的一個節點交互。

（3）核心網與視頻放音平臺交互，采用負荷分擔方式，輪循訪問。

（4）大區中的兩個放音節點各有一套自有網管模塊，各自管理本節點，同時與一級平臺網管/大區網管交互。大區內容災組網示意如圖6所示。

4.2 大區內容災機制

4.2.1 容災啟動條件

SIP PROXY與核心網之間心跳異常時，核心網自動將呼叫送到另一個節點，自動觸發容災切換。

SIP PROXY與SCP之間心跳異常，SIPPROXY判斷異常SCP數量超過配置的閾值（默認為3）時，就不再向核心網回心跳響應，從而自動觸發容災切換。

心跳正常，但出現呼叫成功率過低告警，經確認需手工進行容災切換。

心跳正常，但放音模塊業務性能中彩鈴放音失敗數較多，經確認需手工進行容災切換。

4.2.2 核心網對SIPProxy心跳檢測機制

正常情況下，核心網不向每個SIPProxy節點發送OPTION心跳檢測，只有當一個SIPProxy對核心網發送的INVITE返回503響應（或者超時無響應）后，核心網會將該SIPProxy節點加入黑名單而不向其發送INVITE消息，然后向該SIPProxy節點發送OPTION心跳檢測消息。只有該SIPProxy對核心網的OPTION返回200 OK響應，核心網才會將該SIPProxy節點從黑名單中移除，然后會將新呼叫的INVITE分發給該節點處理。

由于核心網不主動會檢測SIPProxy心跳狀態，故如果一個節點的一個SIPProxy節點突然停機，核心網無法預先檢測而仍會向該SIPProxy節點發送INVITE消息，但由于SIPProxy停機不會返回任何響應，核心網INVITE無響應超時后觸發SIP重發機制，需選擇向該節點的其他SIPProxy節點重發INVITE消息。

如果一個節點的大部分或所有SIPProxy節點都無法工作，那么核心網需將該節點的路由切換到備用路由，即觸發容災。

4.2.3 核心網多CSCF與AS通信機制

核心網側的多套CSCF與彩鈴放音平臺的AS通信機制為多對多；核心網側的多套SBC與彩鈴放音平臺的媒體服務器通信機制為多對多。大區內容災機制示意如圖7所示。

4.3 容災切換與恢復

（1）容災切換。當主節點出現故障時，5G新通信平臺集中管理平臺需自動或手工將對接的大區放音平臺切換到備節點；當主節點出現故障時，核心網需自動或手工將送到主節點的呼叫，全部路由到備節點。

（2）容災恢復。主節點故障時，故障排除后，根據故障發生時間的長短，可通過增量數據或者全量數據恢復的方式，將故障期間的數據在主節點恢復。恢復5G新通信平臺集中管理平臺到主節點的消息交互。恢復核心網到主節點的呼叫。

5" "結束語

5G新通信業務為用戶提供豐富的業務應用場景，能有效提高通話效率、通話質量，提升通話可信度，拓寬通話業務發展空間，滿足用戶多樣化、個性化需求，實現企業及用戶的雙贏[5]。5G新通信的建設是踐行科技創新理念、助力5G業務發展的重要手段，網絡可靠性、柔韌性、健壯性在中國5G新通業務的發展過程中尤為重要，各運營商應高度重視5G新通信平臺的容災建設，通過多種手段保障5G新通信平臺的安全運行，推動5G新通信業務的高質量發展！

參考文獻

[1] 康召飛．VoLTE關鍵技術研究[J]．廣東通信技術，2018，38（11）：32-34．

[2] 歐陽霞．基于VoLTE和IVVR的視頻客服系統研究[J]．中國新通信，2021，23（3）：79-80．

[3] 3GPP． Universal Mobile Telecommunications System（UMTS）；LTE; IP Multimedia Subsystem（IMS）；Multimedia telephony；Media han- dling and interaction：3GPP TS 26.114[S/OL]．[2023-07-14]．https：//www.3gpp.org/.

[4] 張晶晶，喬治，李雪欣．5G新通信能力平臺架構設計[J]．郵電設計技術，2023（10）：60-64．

[5] 秦蓁，劉牧寅，孫記明．5G消息與VoLTE視頻客服業務融合方案探討[J]．郵電設計技術，2021（5）：9-12．