分組域網(wǎng)關(guān)運(yùn)行性能提升方案

劉國(guó)輝

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司 鄭州 450008）

1 引言

分組域網(wǎng)關(guān)GGSN（gateway GPRS support node，GPRS網(wǎng) 關(guān) 支 持 節(jié) 點(diǎn)）/SAE GW（system architecture evolution gateway，系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)網(wǎng)關(guān)）是2G/3G/4G分組域核心網(wǎng)的關(guān)鍵網(wǎng)元，隨著流量經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型，該網(wǎng)元的主要作用從初期的用戶地址分配、業(yè)務(wù)路由疏導(dǎo)擴(kuò)展到了內(nèi)容計(jì)費(fèi)、PCC（policy control and charging，策略控制和計(jì)費(fèi)）管控策略執(zhí)行、APN（access point name，接入點(diǎn)）融合、白名單判別、在線計(jì)費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)扁平化的隧道直連等八大重要功能。該設(shè)備內(nèi)部邏輯處理愈來(lái)愈復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行壓力越來(lái)越大，設(shè)備處理能力下降明顯。

通過(guò)對(duì)內(nèi)部處理邏輯的全面梳理優(yōu)化，從內(nèi)容計(jì)費(fèi)的URL（uniform resource locator，統(tǒng)一資源定位符）識(shí)別、PCC管控、OCS（online charging system，在線計(jì)費(fèi)系統(tǒng)）、APN融合、白名單判別、虛擬APN、自有業(yè)務(wù)填寫手機(jī)號(hào)、APN別名判定等方面，執(zhí)行APN歸一化處理、內(nèi)容計(jì)費(fèi)處理邏輯重構(gòu)、局?jǐn)?shù)據(jù)聚合三大優(yōu)化措施，有效地降低了設(shè)備處理負(fù)載，提升了處理能力，實(shí)現(xiàn)了挖潛增效。

2 分組域網(wǎng)關(guān)面臨的問(wèn)題

2.1 業(yè)務(wù)處理邏輯復(fù)雜性增加

GGSN的功能演進(jìn)如圖1所示，在初期的地址分配、路由疏導(dǎo)基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)容計(jì)費(fèi)、PCC管控策略執(zhí)行、APN融合、白名單判別、在線計(jì)費(fèi)等重要功能，內(nèi)部的處理邏輯復(fù)雜度大大增加。

內(nèi)容計(jì)費(fèi)主要滿足區(qū)分業(yè)務(wù)類型的計(jì)費(fèi)，近期還通過(guò)內(nèi)容計(jì)費(fèi)為淘寶等熱門網(wǎng)站進(jìn)行了流量統(tǒng)付的開通；PCC架構(gòu)是構(gòu)建智能管道的重要手段，同時(shí)GGSN/SAE GW是PCEF（policy and charging enforcement function，策略和計(jì)費(fèi)執(zhí)行功能）策略執(zhí)行點(diǎn)；為降低終端上網(wǎng)設(shè)置的門檻，APN融合后無(wú)論終端如何設(shè)置，CMNet和CMWAP訪問(wèn)業(yè)務(wù)均趨同，同時(shí)為滿足自有業(yè)務(wù)獲取手機(jī)號(hào)的需要，增加了白名單識(shí)別；在線計(jì)費(fèi)主要是進(jìn)行流量的欠費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)控制，減少惡意欠費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 會(huì)話管理壓力增加

隨著大帶寬、高流量無(wú)線技術(shù)的演進(jìn)，為減少時(shí)延，核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)逐步扁平化，在3GPP R7的3G網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（radio network controller，RNC）直連GGSN，在LTE網(wǎng)絡(luò)中眾多基站直連SAE GW，組網(wǎng)出現(xiàn)了較大的變化，SAE GW需要維護(hù)和面對(duì)終端的無(wú)線基站路由和數(shù)據(jù)傳送，會(huì)話管理的壓力較大。組網(wǎng)架構(gòu)的演進(jìn)趨勢(shì)如圖2所示。

隨著流量統(tǒng)付類業(yè)務(wù)量的增多、單用戶流量模型的增大、智能管道的構(gòu)建和在線計(jì)費(fèi)的全面實(shí)施，分組域網(wǎng)關(guān)GGSN/SAE GW各功能模塊的內(nèi)部邏輯處理愈來(lái)愈復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行壓力越來(lái)越大，如某廠商標(biāo)稱支持1 000萬(wàn)戶在線用戶的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在現(xiàn)網(wǎng)壓力測(cè)試后只能承諾滿足大約300萬(wàn)戶的峰值用戶，標(biāo)稱處理能力下降70%。再如，某廠商GGSN日常負(fù)荷正常，但用戶面U卡負(fù)荷在晚忙時(shí)只有60%左右；2014年“十一”期間，用戶數(shù)增長(zhǎng)30%，但用戶流量翻倍，導(dǎo)致GGSN負(fù)荷突增，數(shù)據(jù)顯示，晚忙時(shí)GGSN U卡負(fù)荷峰值達(dá)到95%，但用戶數(shù)尚未達(dá)到標(biāo)稱的40%，可見設(shè)備的性能遠(yuǎn)不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。

圖1 GGSN/SAEGW的功能演進(jìn)

圖2 組網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)

3 系統(tǒng)優(yōu)化思路和措施

為提高設(shè)備性能、降低設(shè)備運(yùn)行壓力，本著對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行瘦身減壓、實(shí)現(xiàn)挖潛增效的思路，對(duì)分組域網(wǎng)關(guān)GGSN/SAE GW的內(nèi)部處理邏輯進(jìn)行了梳理優(yōu)化，從內(nèi)容計(jì)費(fèi)的URL識(shí)別、PCC管控、OCS計(jì)費(fèi)、APN融合、白名單判別、虛擬APN、自有業(yè)務(wù)填寫手機(jī)號(hào)、APN別名判定等方面，執(zhí)行APN歸一化處理、內(nèi)容計(jì)費(fèi)處理邏輯重構(gòu)、局?jǐn)?shù)據(jù)聚合三大優(yōu)化措施，提升系統(tǒng)性能。

3.1 APN歸一化處理

APN歸一化實(shí)施原理如圖3所示。中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司擬定的APN融合方案中，GGSN配置單獨(dú)的CMNet和CMWAP兩個(gè)APN，并為兩個(gè)APN分別配置內(nèi)容計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)和白名單數(shù)據(jù)，通過(guò)在GGSN上配置業(yè)務(wù)APN和內(nèi)容APN，應(yīng)用DPI（deep packet inspection，深度分組檢測(cè)）技術(shù)和重定向技術(shù)重構(gòu)用戶業(yè)務(wù)請(qǐng)求，將CMNet和CMWAP兩個(gè)APN合并為一個(gè)APN，內(nèi)容計(jì)費(fèi)、代理地址判斷和白名單都只執(zhí)行一次，不再對(duì)APN進(jìn)行判別，優(yōu)化了設(shè)備處理邏輯。

3.2 內(nèi)容計(jì)費(fèi)處理邏輯重構(gòu)

GGSN/SAE GW的內(nèi)容計(jì)費(fèi)功能主要通過(guò)對(duì)用戶的業(yè)務(wù)報(bào)文進(jìn)行3/4層解析獲得五元組，利用DPI技術(shù)對(duì)終端用戶的業(yè)務(wù)報(bào)文進(jìn)行7層解析獲得目的URL、客戶端類型等有價(jià)值的信息，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)別性、差異化的計(jì)費(fèi)，目前配置為每個(gè)業(yè)務(wù)流的建立都要根據(jù)數(shù)據(jù)配置優(yōu)先級(jí)遍歷所有局?jǐn)?shù)據(jù)直至得以匹配，無(wú)任何匹配時(shí)使用默認(rèn)流量。GGSN/SAE GW的缺省內(nèi)容計(jì)費(fèi)處理流程如圖4所示。

圖3 APN歸一化實(shí)施原理

圖4 GGSN/SAE GW的缺省內(nèi)容計(jì)費(fèi)處理流程

圖5 主要優(yōu)化措施

現(xiàn)有的內(nèi)容計(jì)費(fèi)處理邏輯對(duì)設(shè)備的性能消耗較大，主要通過(guò)圖5所示的6種措施進(jìn)行優(yōu)化：修改NDPI（normal deep packet inspection，標(biāo)準(zhǔn)深度分組檢測(cè)）機(jī)制，由串行改為并行；合并service-set、header-rule，精簡(jiǎn)配置減少NDPI條目；統(tǒng)計(jì)訪問(wèn)頻次高的網(wǎng)站Top10，定義到NPI（network performance improvement，網(wǎng) 絡(luò) 性 能 改 善），配 置 在http-wsp-rule最前面，優(yōu)先匹配；分離HTTP和WSP，使用start-with語(yǔ)句，節(jié)省系統(tǒng)資源；微調(diào)優(yōu)先匹配大流量的term；內(nèi) 容 計(jì) 費(fèi) 數(shù) 據(jù) 聚 合，合 并URI（uniform resource identifier，統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符）數(shù)據(jù)。本文主要研究通過(guò)前5種方式優(yōu)化GGSN性能，提升用戶感知。

3.2.1 修改NDPI機(jī)制

在內(nèi)容計(jì)費(fèi)三層header-rule中，NDPI處理機(jī)制IP地址、URI數(shù)據(jù)流是采用串行處理，將其修改為并行處理機(jī)制，修改后的數(shù)據(jù)流處理流程如圖6、圖7所示。并行處理機(jī)制在數(shù)據(jù)流條目少時(shí)效果不明顯，但在現(xiàn)網(wǎng)對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，效率提升明顯。

將串行處理改為并行處理的方法如下：將header-rule-set中的3層內(nèi)容計(jì)費(fèi)header-rule合并為一條，將之前header-rule內(nèi)容計(jì)費(fèi)變?yōu)樾耯eader-rule cmnet-ip-hr中 的term。優(yōu) 化 后，GGSN header-rule-set配 置 包 含 的header-rule只 有 如 下6個(gè)：

rule hr-cxjs;

rule cmwap-wap2x-hr;

rule cmwap-wap1x-hr;

rule cmnet-ip-hr;

rule cmnet-url-hr;

rule default-unmatched-hr。

圖6 NDPI IP數(shù)據(jù)流串行、并行處理機(jī)制示意

圖7 NDPI URI數(shù)據(jù)流串行、并行處理機(jī)制示意

優(yōu) 化 后，GGSN header-rule cmnet-ip-hr中 的term配 置如下：

Possible completions:

term name

12530_01_01 term name

albb_00_01 term name

albb_00_02 term name

albb_00_03 term name

albb_00_04 term name

…

優(yōu)化前，每個(gè)term是一個(gè)header-rule配置，數(shù)據(jù)流串行處理；優(yōu)化后，僅有一個(gè)header-rule cmnet-ip-hr，業(yè)務(wù)流變?yōu)槊總€(gè)term，數(shù)據(jù)流并行處理，提高了GGSN處理效率。

統(tǒng)計(jì)優(yōu)化配置后，term由原來(lái)的4 654條減少到3 637條。

3.2.2 減少NDPI條目

GGSN內(nèi)容計(jì)費(fèi)配置的NDPI的順序以及數(shù)量對(duì)GGSN的處理有決定性作用。NDPI的條目和GGSN的U卡剩余空間存在一定的比例關(guān)系，若NDPI數(shù)目過(guò)多，必定影響GGSN性能；具體算法流程如下。

（1）計(jì)算NDPI條目

show services epg pgw inspection“show config classify”|save ndpi.conf?

cat ndpi.conf|wc-l

（2）計(jì)算所有U卡的剩余空間

show services epg pgw inspection“show ndpi memory”|match“Free space”

（3）比較方法

(NR×700+(2×1 024×1 024))×1.2<“smallest free space”

圖8 CMNet和CMWAP業(yè)務(wù)組合并

GGSN內(nèi)容計(jì)費(fèi)優(yōu)化前，NDPI條目數(shù)為18 584條，已經(jīng)超出了U卡剩余空間。采用的具體優(yōu)化方法如下。

（1）將APN調(diào) 用CMNet和CMWAP的header-rule合并 為一個(gè)，payload通過(guò)access-control-rule將service-ID重新map回原來(lái)的值，能減少數(shù)千行NDPI。

（2）精簡(jiǎn)配置，如將CMWAP和CMNet的service-set合并一起，如圖8所示。

7層中部分配置也可以合并，例如下面的配置可以僅保留第一條：

starts-with http://dm.monternet.com;

starts-with http://dm.monternet.com/;

3.2.3 優(yōu)先匹配統(tǒng)計(jì)訪問(wèn)頻次高的網(wǎng)站

根據(jù)GN信令檢測(cè)系統(tǒng)及GI抓取分組結(jié)果，統(tǒng)計(jì)訪問(wèn)頻次Top10網(wǎng)站，GN信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的訪問(wèn)頻次Top10的網(wǎng)站見表1。

表1 GN信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的訪問(wèn)頻次Top10

把表1中訪問(wèn)頻率最高的URI定義到NPI中，放置到http-wsp-rule最前面，使這些訪問(wèn)頻率最高的URI率先被命中，可有效降低GGSN的負(fù)荷。優(yōu)化后，NPI中主要添加包含QQ、微信、百度、新浪等18條數(shù)據(jù)。

3.2.4 分離HTTP和WSP

明確分離HTTP和WSP，每一個(gè)http-wsp-rule在默認(rèn)情況下均會(huì)使用3條NDPI rule、100條http-wsp-rule或者term將會(huì)在U卡上增加300條NDPI的消耗。

http-wsp-rule cmwap-1000-ur{

term 1{

from{

uri{

contains mmsc.monternet.com;

}

http;wsp;

}

then{

payload 1000;

}}}

將HTTP和WSP分離后，每一個(gè)HTTP的http-wsp-rule將會(huì)消耗一條NDPI rule；

http-wsp-rule cmwap-1000-ur{

term 1{

from{

uri{

contains mmsc.monternet.com;

}

wsp;

}

then{

payload 1000;

}

}

}

每一個(gè)WSP的http-wsp-rule將會(huì)消耗兩條NDPI rule；

http-wsp-rule cmwap2x-1000-ur{

term 1{

from{

uri{

contains mmsc.monternet.com;

}

http;

}

then{

payload 1000;

}

}

}

若HTTP、WSP寫在一起，GGSN在匹配時(shí)都會(huì)默認(rèn)消耗3條NDPI，若分開寫，GGSN在匹配7層http-wsp-rule之前會(huì)判斷是HTTP或者WSP，這樣能有效減少2/3或者1/3的NDPI條目，提升GGSN性能；根據(jù)內(nèi)容計(jì)費(fèi)程序匹配原則，contains的消耗要遠(yuǎn)大于start-with的，優(yōu)化配置，將可以使用start-with開頭匹配URI的更換為start-with。如內(nèi)容計(jì)費(fèi)信息*.fetion.com.cn/*，配置為contains.fetion.com.cn/，不能修改為starts-with；內(nèi)容計(jì)費(fèi)信息wapnews.i139.cn/*，配置為contains wapnews.i139.cn/，可以修改為starts-with http://wapnews.i139.cn/。在優(yōu)化部署拆分HTTP、WSP合并部分7層配置、刪除垃圾數(shù)據(jù)后，NDPI條目下降比例約減少200%。

3.2.5 優(yōu)先匹配大流量的term

根據(jù)GGSN統(tǒng)計(jì)的service-id的使用情況，不斷微調(diào)7層http-wsp-rule中term的順序，使大流量的term優(yōu)先被匹配中，降低GGSN負(fù)荷。

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量的使用情況（如圖9所示，這里隱去單位），調(diào)整這些流量對(duì)應(yīng)term的順序，將大流量業(yè)務(wù)的term放在對(duì)應(yīng)http-wsp-rule的前面，將小流量業(yè)務(wù)的term放在大業(yè)務(wù)流量term的后面，使大業(yè)務(wù)流量?jī)?yōu)先被匹配，降低GGSN低U卡負(fù)荷。

圖9 各類業(yè)務(wù)的流量情況統(tǒng)計(jì)

3.3 局?jǐn)?shù)據(jù)聚合

根據(jù)內(nèi)容計(jì)費(fèi)各類業(yè)務(wù)URI內(nèi)容進(jìn)行局?jǐn)?shù)據(jù)的聚合，合并沒(méi)有歧義的URI數(shù)據(jù)，減少內(nèi)容計(jì)費(fèi)條數(shù)。對(duì)于同類內(nèi)容計(jì)費(fèi)業(yè)務(wù)的多個(gè)7層URI數(shù)據(jù)，可以根據(jù)如下原則進(jìn)行合并：

·IP地址最后8位組的十進(jìn)制是3位數(shù)，可以聚合為IP*；

·IP地址最后8位組的十進(jìn)制是2位數(shù)，但是大于或等于26可以聚合為IP*；

·對(duì)于頂級(jí)域名如.cn的業(yè)務(wù)地址聚合為XXX.XXX.cn*。

3種情況的合并示例如圖10所示。

圖10 局?jǐn)?shù)據(jù)合并示例

4 方案主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本文所提方案的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

·通過(guò)梳理、優(yōu)化分組域網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部處理邏輯，實(shí)施了APN歸一化處理、內(nèi)容計(jì)費(fèi)處理流程的優(yōu)化，減少了設(shè)備繁雜的內(nèi)部處理流程，實(shí)現(xiàn)了瘦身減壓。

·根據(jù)局?jǐn)?shù)據(jù)IP地址及互聯(lián)網(wǎng)域名架構(gòu)體系的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)的聚合，減少了局?jǐn)?shù)據(jù)制作量和設(shè)備處理的壓力。

·瘦身減壓措施實(shí)現(xiàn)了對(duì)分組域網(wǎng)關(guān)的挖潛增效，設(shè)備處理性能提升40%。

·現(xiàn)網(wǎng)90%以上的流量為非內(nèi)容計(jì)費(fèi)流量，優(yōu)先疏導(dǎo)默認(rèn)的非內(nèi)容計(jì)費(fèi)流量的方法大大緩解了設(shè)備處理壓力，減少了URL匹配檢索的時(shí)間，降低了對(duì)設(shè)備性能的損耗。

5 實(shí)施效果

GGSN系統(tǒng)優(yōu)化的相關(guān)措施在現(xiàn)網(wǎng)實(shí)施后效果明顯。內(nèi)容計(jì)費(fèi)的識(shí)別term由原來(lái)的4 654條縮減到3 637條，減少了22%；NDPI由原來(lái)的20 930條縮減到了4 725條，減少了77%；優(yōu)先疏導(dǎo)QQ、微信、百度和新浪等默認(rèn)流量，一共增加了18條配置；設(shè)備配置腳本從11.1萬(wàn)條減少到4.55萬(wàn)條，減少了59%。上述措施的實(shí)施有效地降低了設(shè)備負(fù)載，在近期的業(yè)務(wù)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，承載等量用戶的GGSN/SAEGW設(shè)備負(fù)載降低了40%。

圖11 優(yōu)化前后效果對(duì)比

愛立信GGSN06優(yōu)化后的測(cè)試結(jié)果如圖11所示。優(yōu)化后比優(yōu)化前的負(fù)載用戶數(shù)約多2萬(wàn)戶、流量增大的情況下GGSN U卡負(fù)荷峰值為65%，優(yōu)化后GGSN U卡負(fù)荷下降超過(guò)40%，系統(tǒng)優(yōu)化效果非常突出。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)分組域網(wǎng)關(guān)GGSN/SAE GW的內(nèi)部處理邏輯進(jìn)行梳理優(yōu)化，并對(duì)非DPI內(nèi)容計(jì)費(fèi)Top流量進(jìn)行優(yōu)先疏導(dǎo)，愛立信GGSN06優(yōu)化后的測(cè)試結(jié)果表明，本文所提方案能有效地降低設(shè)備負(fù)載，提升網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行能力。