5G核心網(wǎng)容災(zāi)方案及部署策略研究

李延斌（中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 100176）

1 概述

隨著5G 商用步伐加快，5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入實(shí)際部署及商用階段，網(wǎng)絡(luò)面臨的各種安全問(wèn)題和隱患也越來(lái)越被重視。一方面，用戶及產(chǎn)業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求越來(lái)越高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴性越來(lái)越強(qiáng)，使得網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)了更多的使命和責(zé)任；另一方面，運(yùn)營(yíng)商自身的建設(shè)投資及運(yùn)維壓力較之前顯著增大。如何既能保證業(yè)務(wù)體驗(yàn)，又能降低成本，既能保證網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性，又可以靈活部署，是當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商面臨的重大課題之一。

5G 核心網(wǎng)容災(zāi)技術(shù)的研究本質(zhì)上是對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的平衡把控，也是在核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)虛擬化之后，對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)安全可靠性的探索。與此同時(shí)，對(duì)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)安全和健壯性的考量也不僅僅要求核心網(wǎng)應(yīng)用層網(wǎng)元具備相應(yīng)功能流程，而是一種基于網(wǎng)絡(luò)整體的綜合能力評(píng)估，其中可能包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體短板的判斷、對(duì)網(wǎng)絡(luò)沖擊的防御機(jī)制、對(duì)虛擬化網(wǎng)絡(luò)硬件層和虛擬層的容災(zāi)能力評(píng)估、對(duì)其他異常場(chǎng)景的模擬和預(yù)判等。

2 容災(zāi)總體原則

2.1 特性及優(yōu)勢(shì)

由于5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)于EPC、IMS 網(wǎng)絡(luò)，引入了服務(wù)化架構(gòu)、計(jì)算與存儲(chǔ)分離、控制面和用戶面分離?；谶@些新特性，5G容災(zāi)方案具有如下特性和優(yōu)勢(shì)。

a）服務(wù)化架構(gòu)。服務(wù)化架構(gòu)下，NF 網(wǎng)元容災(zāi)可以利用NRF的注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，具體如下。

（a）服務(wù)注冊(cè)時(shí)包含容災(zāi)節(jié)點(diǎn)信息。

（b）NRF 在服務(wù)發(fā)現(xiàn)時(shí)向消費(fèi)者提供生產(chǎn)者列表的同時(shí)包含容災(zāi)節(jié)點(diǎn)。

（c）消費(fèi)者向NRF訂閱生產(chǎn)者狀態(tài)變更通知。

（d）NRF輔助通知生產(chǎn)者退出服務(wù)。

b）計(jì)算與存儲(chǔ)分離。5GC 核心網(wǎng)NF 無(wú)狀態(tài)設(shè)計(jì)采用計(jì)算與存儲(chǔ)分離的技術(shù)，NF的狀態(tài)數(shù)據(jù)保存在外部UDSF 中。UDSF 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層容災(zāi)，將NF 保存的數(shù)據(jù)在USDF 容災(zāi)節(jié)點(diǎn)間同步。發(fā)生容災(zāi)切換后，NF 備用節(jié)點(diǎn)從USDF獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行業(yè)務(wù)恢復(fù)。

c）控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離。5G 是基于控制面和用戶面分離架構(gòu)（CUPS），SMF的用戶上下文等狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在UDSF 中，由UDSF 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份處理。在某SMF故障后，由其備份SMF 從UDSF 獲取上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)并繼續(xù)處理業(yè)務(wù)。

2.2 網(wǎng)元類型與容災(zāi)關(guān)系

同種類型網(wǎng)元的容災(zāi)方式也有一定相似性，如：

互聯(lián)互通：NRF、NEF、NSSF，考慮1+1 主備或者負(fù)荷分擔(dān)容災(zāi)方式。

接入管理：AMF、PCF、SMF、AUSF，建議組POOL且多DC部署。

存儲(chǔ)類：UDM、UDR、CDB（UDSF），建議采用組POOL或者負(fù)荷分擔(dān)等方式，并要求數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步。

3 主要網(wǎng)元容災(zāi)方式

3.1 AMF

AMF 提供POOL/SET（NF SET）容災(zāi)方式。同一個(gè)Region內(nèi)，同一個(gè)Set的AMF對(duì)應(yīng)一個(gè)POOL（見(jiàn)圖1）。

正常情況下，所有話務(wù)由POOL/SET 內(nèi)的所有AMF 共同承擔(dān)。用戶注冊(cè)時(shí)，RAN 按一定規(guī)則（如容量/權(quán)重）選擇AMF 完成用戶注冊(cè)及執(zhí)行后續(xù)業(yè)務(wù)流程。

圖1 AMF容災(zāi)

AMF 進(jìn)入工作狀態(tài)后，主動(dòng)向NRF 進(jìn)行注冊(cè)（通過(guò)Nnrf_NFManagement_NFRegister 攜帶GUAMI List 以及各GUAMI 對(duì)應(yīng)的備份AMF），并根據(jù)配置周期定時(shí)發(fā)送與NRF 之間的心跳消息（通過(guò)Nnrf_NFManagement_NFUpdate）。NRF 通過(guò)此心跳消息檢測(cè)以及維護(hù)AMF 的工作狀態(tài)。當(dāng)一定時(shí)間未接收心跳消息后，NRF將此AMF狀態(tài)設(shè)置為不可用，并向訂閱了此AMF狀態(tài)的CP NF 發(fā)送AMF 狀態(tài)通知消息，其他CP NF 由此獲知AMF故障，并觸發(fā)后續(xù)故障處理相關(guān)流程。

當(dāng)任何AMF 故障宕機(jī)時(shí)，其新話務(wù)由POOL/SET內(nèi)其他AMF共同分擔(dān)。

當(dāng)任何AMF 故障宕機(jī)時(shí)，其原承擔(dān)話務(wù)由NGRAN 或CP NF 選擇其備份AMF 接管繼續(xù)處理；備份關(guān)系以GUAMI 為粒度體現(xiàn)，根據(jù)配置，其原承擔(dān)話務(wù)可以由多個(gè)備份AMF（按GUAMI 區(qū)分）共同接管并分擔(dān)處理。

AMF 的用戶上下文等狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在UDSF 中，由UDSF 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份處理。在某AMF 故障后，由其備份AMF從UDSF獲取上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)并繼續(xù)處理業(yè)務(wù)。

3.2 SMF

SMF 提供POOL/SET（NF SET）容災(zāi)方式。一組SMF 組成一個(gè)POOL/SET，為一個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)域或一組業(yè)務(wù)區(qū)域的用戶提供服務(wù)（見(jiàn)圖2）。

正常情況下，所有話務(wù)由POOL/SET 內(nèi)的所有SMF 共同承擔(dān)。AMF 按一定規(guī)則（如SMF 的容量權(quán)重，運(yùn)行負(fù)荷）分擔(dān)選擇SMF執(zhí)行業(yè)務(wù)流程。

圖2 SMF容災(zāi)

SMF 進(jìn)入工作狀態(tài)后，主動(dòng)向NRF 進(jìn)行注冊(cè)（通過(guò)Nnrf_NFManagement_NFRegister），并根據(jù)配置周期定時(shí)發(fā)送與NRF 之間的心跳消息（通過(guò)Nnrf_NFManagement_NFUpdate）。NRF 通過(guò)此心跳消息檢測(cè)以及維護(hù)SMF 的工作狀態(tài)。當(dāng)一定時(shí)間未接收心跳消息后，NRF 將此SMF 狀態(tài)置為不可用，并向訂閱了此SMF 狀態(tài)的CP NF 發(fā)送SMF 狀態(tài)通知消息，其他CP NF 由此獲知SMF 故障，并觸發(fā)后續(xù)故障處理相關(guān)流程。

當(dāng)任何SMF 故障宕機(jī)時(shí)，其新話務(wù)由POOL/SET內(nèi)其他SMF共同分擔(dān)。

當(dāng)任何SMF 故障宕機(jī)時(shí)，其原承擔(dān)的會(huì)話，可通過(guò)會(huì)話遷移的方式由其備份SMF 繼續(xù)處理。其他NF如AMF、PCF等選擇其備份SMF繼續(xù)處理會(huì)話。

SMF 的用戶上下文等狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在UDSF 中，由UDSF 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份處理。在某SMF 故障后，由其備份SMF 從UDSF 獲取上下文狀態(tài)數(shù)據(jù)并繼續(xù)處理業(yè)務(wù)。

3.3 UPF

UPF 提供POOL 容災(zāi)方式。一組UPF 組成一個(gè)POOL，由SMF 進(jìn)行管理，負(fù)責(zé)一個(gè)或一組業(yè)務(wù)區(qū)域（見(jiàn)圖3）。

圖3 UPF容災(zāi)

正常情況下，所有話務(wù)由POOL 內(nèi)所有UPF 共同承擔(dān)。SMF按一定規(guī)則分擔(dān)選擇UPF執(zhí)行業(yè)務(wù)流程。

正常工作狀態(tài)，SMF 通過(guò)PFCP 接口的狀態(tài)檢測(cè)消息Heartbeat Request/Heartbeat Response 進(jìn)行UPF 狀態(tài)的檢測(cè)與維護(hù)，當(dāng)一定時(shí)間未正常接收到心跳響應(yīng)后，SMF 將此UPF 狀態(tài)置為故障，同時(shí)根據(jù)配置啟動(dòng)UPF的故障處理流程。

當(dāng)任何UPF 故障宕機(jī)時(shí)，由SMF 選擇UPF POOL內(nèi)其他的UPF執(zhí)行會(huì)話流程。

3.4 NRF

NRF提供1+1互備容災(zāi)方式（見(jiàn)圖4）。

圖4 NRF容災(zāi)

在正常情況下，所有話務(wù)由2 個(gè)NRF 共同承擔(dān)。對(duì)端NF（例如AMF、SMF）優(yōu)選本地NRF 執(zhí)行相關(guān)業(yè)務(wù)流程；只有當(dāng)此NRF 故障宕機(jī)時(shí)，對(duì)端NF 會(huì)將業(yè)務(wù)發(fā)送給另一個(gè)NRF進(jìn)行處理。

2臺(tái)互為備份的NRF設(shè)備之間支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)同步，接收到NF 數(shù)據(jù)的NRF 在完成本設(shè)備數(shù)據(jù)更新后，主動(dòng)將更新數(shù)據(jù)同步到另一臺(tái)NRF，確保2臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)完全一致。

3.5 UDM

UDM 容災(zāi)采用組POOL 的方式，此時(shí)業(yè)務(wù)查詢可采用負(fù)荷分擔(dān)方式。UDM 用戶數(shù)據(jù)保存在UDR 中，要求UDR節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)同步可靠性高（見(jiàn)圖5）。

圖5 UDM容災(zāi)

正常情況下，所有話務(wù)由POOL 內(nèi)的所有UDM 共同承擔(dān)。用戶請(qǐng)求時(shí)，消費(fèi)者NF 按一定規(guī)則分擔(dān)選擇UDM完成用戶鑒權(quán)及執(zhí)行后續(xù)業(yè)務(wù)流程。

UDM 進(jìn)入工作狀態(tài)后，主動(dòng)向NRF 進(jìn)行注冊(cè)（通過(guò)Nnrf_NFManagement_NFRegister 攜帶UDM Group ID。UDM Group ID 用于索引可支持相同SUPI 集合的一組UDM），并根據(jù)配置周期定時(shí)發(fā)送與NRF 之間的心跳消息（通過(guò)Nnrf_NFManagement_NFUpdate）。NRF通過(guò)此心跳消息檢測(cè)以及維護(hù)UDM的工作狀態(tài)。當(dāng)一定時(shí)間未接收心跳后，NRF將此UDM狀態(tài)置為不可用，并向訂閱了此UDM 狀態(tài)的CP NF 發(fā)送UDM 狀態(tài)通知消息，其他CP NF 由此獲知UDM 故障，并觸發(fā)后續(xù)故障處理相關(guān)流程。

當(dāng)任何UDM 故障宕機(jī)時(shí)，其新話務(wù)由POOL 內(nèi)其他UDM共同分擔(dān)。

當(dāng)任何UDM 故障宕機(jī)時(shí)，其原承擔(dān)話務(wù)由CP NF選擇其備份UDM 接管繼續(xù)處理。其原承擔(dān)話務(wù)可以由多個(gè)備份UDM共同接管并分擔(dān)處理。

4 容災(zāi)部署方案

4.1 容災(zāi)目標(biāo)架構(gòu)

如圖6 所示，5G 網(wǎng)絡(luò)采用分層部署的架構(gòu)，劃分區(qū)域DC、本地DC 和邊緣DC，基于5G 網(wǎng)元特性及業(yè)務(wù)需求將5GC、RAN部署在各個(gè)DC中。

圖6 容災(zāi)架構(gòu)

區(qū)域DC 出于容災(zāi)考慮，DC 站點(diǎn)間根據(jù)不同網(wǎng)元的特性，利用POOL組網(wǎng)、1+1負(fù)荷分擔(dān)、1+1主備等NF級(jí)容災(zāi)機(jī)制保證業(yè)務(wù)組網(wǎng)可靠性，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)中心發(fā)生故障后，通過(guò)VNF 內(nèi)軟件模塊的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)在異地的業(yè)務(wù)恢復(fù)；邊緣DC 主要用于uRLLC 業(yè)務(wù)的U 面接入，以做到流量本地轉(zhuǎn)發(fā)，達(dá)到時(shí)延最短。由于邊緣DC 承載的是uRLLC 業(yè)務(wù)，對(duì)時(shí)延要求高，統(tǒng)一考慮站內(nèi)容災(zāi)方式；本地DC 用于接入各地（市）的業(yè)務(wù)流，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源（如地（市）Internet 出口、CDN 等），將媒體面接入網(wǎng)元UPF部署在本地DC，減少控制面的業(yè)務(wù)時(shí)延；DC 內(nèi)則考慮通用硬件/虛擬化層池組化，利用VNF池化/N+M備份實(shí)現(xiàn)類似板卡級(jí)備份。

4.2 部署策略及建議

a）部署方案。大區(qū)DC 采用雙DC 節(jié)點(diǎn)建設(shè)，保證容災(zāi)和可靠性；5GC 商用建設(shè)時(shí)采用融合版本，兼容2G/3G/4G/5G 接入，業(yè)務(wù)開(kāi)通大區(qū)集中；平滑遷移用戶數(shù)據(jù)至大區(qū)DC融合UDM/UDR，保證數(shù)據(jù)安全可靠。

b）部署時(shí)間點(diǎn)。核心網(wǎng)容災(zāi)產(chǎn)品成熟時(shí)間點(diǎn)同SA 架構(gòu)，容災(zāi)主要在部署層面實(shí)施，部分容災(zāi)流程需進(jìn)一步驗(yàn)證。

c）引入建議。運(yùn)營(yíng)商在5G 部署階段應(yīng)緊密結(jié)合部署策略，按省部署及大區(qū)部署等方式分別給出容災(zāi)策略。部署應(yīng)考慮NFV 架構(gòu)及通信云建設(shè)方式以及容災(zāi)方案，減少對(duì)核心網(wǎng)的影響和投資。

5 總結(jié)及思考

SA 架構(gòu)容災(zāi)與網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)密切相關(guān)，不同組網(wǎng)不同網(wǎng)元有不同容災(zāi)方案。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)網(wǎng)元容災(zāi)方案及實(shí)現(xiàn)流程不做詳細(xì)規(guī)定，各個(gè)廠家實(shí)現(xiàn)方式、機(jī)制及流程有較多不同，這就給運(yùn)營(yíng)商部署帶來(lái)很大影響及風(fēng)險(xiǎn)。如何既能夠滿足5G 核心網(wǎng)商用部署要求及策略，又能滿足各種異廠家組合場(chǎng)景下的現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境容災(zāi)備份，是網(wǎng)絡(luò)部署中極難解決的問(wèn)題之一。

另一方面，5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)引入了服務(wù)化架構(gòu)、計(jì)算與存儲(chǔ)分離、控制面和用戶面分離，需要綜合考慮并利用新技術(shù)實(shí)施容災(zāi)，而不僅僅依靠某一層網(wǎng)絡(luò)或者某一種技術(shù)，充分利用技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)的安全性和可靠性，而不是被更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)所束縛。

總之，5G 核心網(wǎng)容災(zāi)技術(shù)面臨的問(wèn)題和困難比想象的要大的多，在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)部署及運(yùn)營(yíng)階段還會(huì)遇到各種問(wèn)題，需要持續(xù)關(guān)注。