5G核心網(wǎng)的負(fù)載均衡策略

史庭祥，方琰崴，李立平

（1.中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012；2.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055）

1 負(fù)載均衡的新挑戰(zhàn)

“負(fù)載均衡（LB,Load Balancing）”最初在IT 網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)為一種算法，以便實(shí)現(xiàn)集群的負(fù)載均衡，最直接的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)怎么選擇集群中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，把服務(wù)請(qǐng)求傳遞給該節(jié)點(diǎn)。最簡(jiǎn)單的算法比如輪詢(xún)法，當(dāng)算法不佳時(shí)，集群的負(fù)載就會(huì)失衡[1]。

隨著云計(jì)算技術(shù)的普及，負(fù)載均衡更多地體現(xiàn)一種服務(wù)，通過(guò)流量分發(fā)為客戶(hù)提升應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)能力，也包括提升系統(tǒng)的可用性、避免單點(diǎn)故障等。最初負(fù)載均衡提供的是面向網(wǎng)絡(luò)層的均衡場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)基于TCP/UDP 等L4 分發(fā)；之后增加對(duì)應(yīng)用層的分發(fā)能力，即L7 的流量分發(fā)能力，支持HTTP/HTTPS 等應(yīng)用層協(xié)議，而且具備彈性和大規(guī)模的分發(fā)性能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)生性的服務(wù)集成能力，進(jìn)一步提供專(zhuān)業(yè)化的負(fù)載均衡服務(wù)[2]。

然而運(yùn)營(yíng)商CT 網(wǎng)絡(luò)比IT 要復(fù)雜的多：5G 網(wǎng)絡(luò)相比2G/3G/4G 而言，不僅業(yè)務(wù)功能更加復(fù)雜，而且引入基于HTTP2 的服務(wù)化接口改變了網(wǎng)元之間傳統(tǒng)的信令消息通訊架構(gòu)[3-5]。2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層面的消息分發(fā)，采用“路由類(lèi)網(wǎng)元”實(shí)現(xiàn)，如2G/3G 網(wǎng)絡(luò)的STP、4G 網(wǎng)絡(luò)的DRA，后者比前者采用更加靈活和簡(jiǎn)化的Diameter 協(xié)議，進(jìn)一步有利于異廠家設(shè)備互通，滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放的要求。

如圖1 所示，2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)一般和5G 網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)，為表述清晰，具備消息交互架構(gòu)的網(wǎng)元一般分為如下幾類(lèi)：

（1）Provider_NF：即NF 提供者，提供服務(wù)的網(wǎng)元，取名Provider 是為套用5G 注冊(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

（2）Consumer_NF：即NF 消費(fèi)者，消費(fèi)服務(wù)的網(wǎng)元，取名Consumer 是為套用5G 注冊(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

（3） 相 鄰_NF：Provider_NF 和Consumer_NF 交互過(guò)程中的相關(guān)網(wǎng)元，比如網(wǎng)管、數(shù)據(jù)庫(kù)等服務(wù)提供者或調(diào)用者，或第三方的業(yè)務(wù)或服務(wù)等。

（4）路由_NF：即路由類(lèi)的網(wǎng)元，如STP、DRA 或者5G 的SCP（服務(wù)通信代理），或者是外部LB 等專(zhuān)用負(fù)載均衡設(shè)備。當(dāng)然可以不配置路由_NF，由Consumer_NF 根據(jù)自己的負(fù)載均衡策略選擇Provider_NF，這種情況等效為“路由_NF”內(nèi)置在Consumer_NF，而獨(dú)立的“路由_NF”更加復(fù)雜，本文僅討論獨(dú)立配置。

圖1 傳統(tǒng)負(fù)載均衡的部署場(chǎng)景

鑒于5G 網(wǎng)絡(luò)和2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期共存性，負(fù)載均衡需求有3 種場(chǎng)景：

（1）2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)中新老Provider_NF 的負(fù)載均衡問(wèn)題，包括擴(kuò)容和增加新的服務(wù)節(jié)點(diǎn)或新供應(yīng)商替換老供應(yīng)商的設(shè)備的過(guò)渡時(shí)期.

（2）5G 網(wǎng)絡(luò)中新老Provider_NF 的負(fù)載均衡問(wèn)題，包括擴(kuò)容和增加新的服務(wù)節(jié)點(diǎn)或新供應(yīng)商替換老供應(yīng)商的設(shè)備的過(guò)渡時(shí)期。

（3）2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)有老Provider_NF，新建5G 網(wǎng)絡(luò)有新Provider_NF，包括擴(kuò)容和增加新的服務(wù)節(jié)點(diǎn)或新供應(yīng)商替換老供應(yīng)商的設(shè)備的過(guò)渡時(shí)期。

同時(shí)，以上三種場(chǎng)景都存在新老“路由_NF”的協(xié)作問(wèn)題。作為可選項(xiàng)，為統(tǒng)一調(diào)度新老Provider_NF，新的路由_NF 一般也會(huì)連接老的Provider_NF。其二，當(dāng)然可以不引入新的路由_NF，但是一般會(huì)引入，原因有兩點(diǎn)：1）路由_NF 需要更多的功能甚至依賴(lài)改變產(chǎn)品架構(gòu)才能提供，比如信令轉(zhuǎn)發(fā)功能在5G 網(wǎng)絡(luò)定義為SCP新網(wǎng)元，無(wú)法在4G 的DRA 網(wǎng)元上升級(jí)支持；2）引入新供應(yīng)商的Provider_NF 時(shí)，相應(yīng)伴隨著帶入新的路由_NF，避免和老的路由_NF 對(duì)接風(fēng)險(xiǎn)。

可見(jiàn)，在2G/3G/4G 和5G 混合網(wǎng)絡(luò)情況下，負(fù)載均衡的復(fù)雜性遠(yuǎn)甚以往，不像IT 網(wǎng)絡(luò)僅僅提供外部負(fù)載均衡設(shè)備就能滿(mǎn)足應(yīng)用層設(shè)備的負(fù)載均衡需求。

2 負(fù)載均衡的多種方案的比較分析

負(fù)載均衡一直是無(wú)線核心網(wǎng)的組網(wǎng)方案面臨的重要議題和研究方向之一，僅從核心網(wǎng)的網(wǎng)元集群的角度，就有2G/3G/4G 的Pool 方案，還有5G 的NF Set 方案，可見(jiàn)，集群在各代網(wǎng)絡(luò)都有可靠性和容災(zāi)設(shè)計(jì)，此處不贅述[6-7]。

然而它的局限性在于對(duì)網(wǎng)元的要求較多，而且依據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。以NF Set 方案為例，組成集群的NF 要求具備相同類(lèi)型、相同服務(wù)，甚至相同切片的控制面NF，而且同一個(gè)Set 內(nèi)的不同NF 實(shí)例彼此共享在線業(yè)務(wù)的上下文數(shù)據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)Set 內(nèi)各NF 實(shí)例之間的相互冗余倒換，同時(shí)在線業(yè)務(wù)不中斷，新建業(yè)務(wù)不受影響，目前僅應(yīng)用于AMF Set 和SMF Set[8]。

而本文研究的是：不對(duì)NF 提出個(gè)性化需求，也不面向特定的業(yè)務(wù)場(chǎng)景的情況下，如何設(shè)計(jì)負(fù)載均衡方案和所依據(jù)的策略，以期具備更強(qiáng)的通用性。一般而言，有如下制約條件，用于評(píng)估負(fù)載均衡策略的優(yōu)劣性：

（1）專(zhuān)業(yè)化分工

負(fù)載均衡功能由獨(dú)立NF 或獨(dú)立組件完成。

（2）可用性的負(fù)面影響最小

負(fù)載均衡功能的目標(biāo)是最大化提升Provider_NF 集群的可用性，一方面避免單點(diǎn)故障，另一方面最大化分發(fā)性能。但是，若為此引入的負(fù)載均衡NF 或服務(wù)本身有可用性問(wèn)題，反而降低整個(gè)系統(tǒng)的可用性，結(jié)果可能得不償失。

（3）分發(fā)的靈活性

靈活性指的是：分發(fā)策略在哪些方面做到負(fù)載均衡，以及做到怎樣的程度。例如，集群中多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間負(fù)載均衡，依據(jù)哪些指標(biāo)評(píng)估均衡性。鑒于各節(jié)點(diǎn)的資源被動(dòng)態(tài)分配和釋放，因此，負(fù)載均衡從資源角度稱(chēng)為DRS（動(dòng)態(tài)資源均衡），一般有如下指標(biāo)：

1）CPU 利用率，避免負(fù)荷過(guò)高的節(jié)點(diǎn)；

2）存儲(chǔ)資源的空間占用率，均衡各節(jié)點(diǎn)的IOPS；

3）能耗監(jiān)控，極低能耗的節(jié)點(diǎn)退出服務(wù)，通過(guò)遷移方式調(diào)整負(fù)荷，減少能源浪費(fèi)。

負(fù)載均衡的程度，一方面和均衡算法有關(guān)，每次選擇哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，和決策過(guò)程類(lèi)似，由初始負(fù)載分布和當(dāng)期的事件輸入決定，另一方面和評(píng)估指標(biāo)綜合折算有關(guān)，單一指標(biāo)會(huì)導(dǎo)致實(shí)際負(fù)荷的不準(zhǔn)確性。

（4）分發(fā)的精準(zhǔn)性

某些應(yīng)用場(chǎng)景需要準(zhǔn)確分發(fā)到特定的節(jié)點(diǎn)，如響應(yīng)消息必須回到請(qǐng)求消息的處理節(jié)點(diǎn)完成處理；又如節(jié)點(diǎn)和用戶(hù)或會(huì)話(huà)有對(duì)應(yīng)關(guān)系的情況，當(dāng)選擇特定的用戶(hù)或會(huì)話(huà)時(shí)，必須分發(fā)到該節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)沒(méi)法處理。

下面將詳細(xì)描述三類(lèi)典型的負(fù)載均衡方案。

2.1 LB方式的負(fù)載均衡

LB 提供負(fù)載均衡功能，不僅實(shí)現(xiàn)NF 提供者集群（如圖2 的UPF Group）內(nèi)多個(gè)成員的負(fù)載均衡，還便于NF消費(fèi)者在不感知NF 提供者集群情況下獲得相關(guān)服務(wù)，并起到隱藏集群內(nèi)部拓?fù)涞淖饔谩?/p>

圖2 LB方式的負(fù)載均衡

5G NF 設(shè)計(jì)角度，一般LB 分為兩類(lèi)：（1）接口LB；（2）業(yè)務(wù)LB。前者實(shí)現(xiàn)對(duì)外單一接口或單一IP 地址，減少I(mǎi)P 多地址對(duì)服務(wù)請(qǐng)求NF 和路由系統(tǒng)的影響，后者對(duì)服務(wù)請(qǐng)求者屏蔽多個(gè)NF 提供者或多個(gè)業(yè)務(wù)處理模塊，并支撐多個(gè)NF 提供者或多個(gè)業(yè)務(wù)處理模塊之間的負(fù)載均衡。圖2 的例子是綜合這兩種類(lèi)型的LB。一般而言，內(nèi)置在NF 提供者集群的LB 用于業(yè)務(wù)模塊級(jí)別的負(fù)載均衡，稱(chēng)為SLB（業(yè)務(wù)負(fù)載均衡）。當(dāng)LB 外置，實(shí)現(xiàn)NF 級(jí)別的負(fù)荷均衡時(shí)，稱(chēng)為GSLB（全局負(fù)載均衡）。

服務(wù)請(qǐng)求的接收端：一般根據(jù)多個(gè)NF 提供者的CPU 占有率，LB 分發(fā)服務(wù)請(qǐng)求到適宜的NF 提供者，以滿(mǎn)足負(fù)載均衡或設(shè)定的均衡策略，為此，NF 提供者集群的管理面要和LB 打通，傳遞相關(guān)信息。

NF 提供者處理端：不只是被動(dòng)接受LB 分發(fā)的服務(wù)請(qǐng)求，還提供再均衡機(jī)制，當(dāng)接收服務(wù)請(qǐng)求的NF 提供者負(fù)載達(dá)到門(mén)限時(shí)，會(huì)將過(guò)量的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)到其他低負(fù)載的NF 提供者。

為此，NF 提供者之間的內(nèi)部通訊不可缺少，同時(shí)，傳統(tǒng)LB 方式所需的專(zhuān)用LB NF 或模塊，一般由NF 提供者一并提供，以便支持和LB 的內(nèi)部接口。這是電信網(wǎng)絡(luò)比IT 網(wǎng)絡(luò)有更高可用性的表現(xiàn)之一。

2.2 NRF方式的負(fù)載均衡

LB 方式是2G/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)常用的負(fù)載均衡方案。5G網(wǎng)絡(luò)的NF 之間通訊支持服務(wù)化接口，引入NRF 網(wǎng)元，提供注冊(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

如圖3 所示，SMF 和UPF 之間通訊服務(wù)設(shè)計(jì)中，作為服務(wù)提供者，UPF 集群內(nèi)的每個(gè)UPF 向NRF 注冊(cè)，提供UPF 的狀態(tài)信息，還通過(guò)更新流程將動(dòng)態(tài)負(fù)載信息實(shí)時(shí)同步給NRF；SMF 是服務(wù)消費(fèi)者，向NRF 發(fā)起簽約請(qǐng)求，簽約UPF 的狀態(tài)信息。

圖3 NRF方式的負(fù)載均衡

負(fù)載均衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程描述如下：

（1）服務(wù)消費(fèi)者SMF 通過(guò)簽約流程獲得UPF 的負(fù)載信息；

（2）高流量導(dǎo)致UPF1 負(fù)載偏高；

（3）UPF1 向NRF 發(fā)起更新流程，同步最新負(fù)載信息；

（4）NRF 通知SMF，其簽約的UPF1 的最新負(fù)載信息；

（5）SMF 調(diào)整路由策略，以便適應(yīng)UPF 負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，具體動(dòng)作是將UPF1 的業(yè)務(wù)流卸載到UPF2，以降低UPF1 偏高的負(fù)載。

上述通過(guò)設(shè)置NRF 和注冊(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的負(fù)載均衡，而且NRF 作為管理者角色，即使成為故障點(diǎn)，也不會(huì)導(dǎo)致NF 消費(fèi)者和NF 提供者之間的通訊中斷，這顯然優(yōu)于LB 方式的負(fù)載均衡方案。但是，NF 消費(fèi)者和NF 提供者是全拓?fù)溥B接，使得每個(gè)NF 的路由配置極其復(fù)雜，同時(shí)4G 和5G 融合網(wǎng)絡(luò)是5G 建設(shè)初期的必由之路。因此，針對(duì)NF 節(jié)點(diǎn)眾多的大規(guī)模4G/5G 網(wǎng)絡(luò)需要建立信令Hub 節(jié)點(diǎn)，即新NF：SCP，以便簡(jiǎn)化信令路由配置，并維持信令路由的靈活控制。為此，3GPP 23.501 R16 版本定義和SCP/NRF 交互的操作流程。

圖4 展示了業(yè)務(wù)NF 和NRF/SCP 的交互模式，圖的左側(cè)所示模式稱(chēng)為“Indirect communication without delegated discovery（無(wú)發(fā)現(xiàn)代理的非直接通訊）”，即規(guī)范定義的Option C，右側(cè)圖所示的模式稱(chēng)為“Indirect communication with delegated discovery（有發(fā)現(xiàn)代理的非直接通訊）”，即規(guī)范定義的Option D。這里的“發(fā)現(xiàn)代理”指：NF 消費(fèi)者對(duì)NRF 不可見(jiàn)，而直接和SCP通訊，由SCP 代理其和NRF 通訊；“非直接通訊”指的是：NF 消費(fèi)者和NF 提供者不直接通訊，而通過(guò)SCP 作為通信代理實(shí)現(xiàn)通訊。

圖4 3GPP 5GC標(biāo)準(zhǔn)定義的SCP/NRF實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡

對(duì)于Option C 和Option D 兩種模式如何選擇這個(gè)問(wèn)題，Option C 可看作是圖3 所示的NRF 方式的負(fù)載均衡，疊加SCP 實(shí)現(xiàn)NF 之間的非直接通訊。該模式中，NF 不必改變現(xiàn)有的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，而且SCP 的功能單一，對(duì)圖3 所示的NF 組網(wǎng)架構(gòu)只有輕微的改動(dòng)，因而更加成熟和穩(wěn)定。Option D 模式中，SCP 將向NRF 調(diào)用NF 服務(wù)發(fā)現(xiàn)能力，從而選擇合適的NF 提供者，相應(yīng)地，NF 消費(fèi)者不必參與服務(wù)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，也不必選擇NF 提供者，只需要向SCP 發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求即可，因此，該模式減輕NF 消費(fèi)者的處理負(fù)載和難度，把相關(guān)功能需求轉(zhuǎn)移到SCP。

但是，Option D 模式有兩個(gè)明顯的缺陷：

（1）SCP 會(huì)成為NF 組網(wǎng)架構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而且SCP 單點(diǎn)故障將導(dǎo)致通訊中斷。

（2）中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)簡(jiǎn)單，一般無(wú)須部署SCP，但是該模式必須部署SCP，造成不必要的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和不必要的資源浪費(fèi)。

所以，Option C 模式是更好的選擇。當(dāng)部署大規(guī)模5GC網(wǎng)絡(luò)時(shí)，保留SCP 以簡(jiǎn)化信令路由配置和信令鏈路，而部署中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時(shí)，SCP 不必部署，退化成圖3 的NF 直連方式。

2.3 負(fù)載均衡功能的擴(kuò)展方式

上述兩種負(fù)載均衡方案，配置均衡策略時(shí)，著眼于NF 集群內(nèi)多個(gè)NF 的平等性角色，未考慮特定方式下的NF 分工，然而包括5GC 在內(nèi)的無(wú)線核心網(wǎng)產(chǎn)品和組網(wǎng)需求恰恰包含一些特定方式下的NF 分工。

比如，網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)中，會(huì)考慮某些應(yīng)用分配給特定的NF 處理，即NF 實(shí)現(xiàn)切片間的分工，又比如，當(dāng)擴(kuò)展的新節(jié)點(diǎn)和老節(jié)點(diǎn)存在服務(wù)對(duì)象范圍的差異時(shí)，如新節(jié)點(diǎn)處理新用戶(hù)，老節(jié)點(diǎn)處理老用戶(hù)，或者新節(jié)點(diǎn)處理5G 用戶(hù)，老節(jié)點(diǎn)處理4G 用戶(hù)，這種情形下多個(gè)NF 的平等性被打破；還有像5G 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的會(huì)話(huà)過(guò)程，一般要求某個(gè)會(huì)話(huà)綁定在某個(gè)NF 上處理，相應(yīng)實(shí)施的均衡策略將考慮NF 如何分工。

這些例子都會(huì)導(dǎo)致NRF 以及NF 在完成注冊(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制時(shí)處理變得復(fù)雜，即本節(jié)所述的“負(fù)載均衡功能的擴(kuò)展方式”。圖5 給出BSF（綁定支持功能）充當(dāng)NRF 角色，支撐NF提供者——PCF（策略控制功能）集群負(fù)載均衡的例子。

圖5 負(fù)載均衡功能的擴(kuò)展方式

BSF 和PCF、NEF（網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能）和AF 等之間采用基于HTTP 協(xié)議的服務(wù)化接口Nbsf 通訊，用于BSF提供PDU 會(huì)話(huà)綁定功能和服務(wù)。該服務(wù)確保針對(duì)特定PDU 會(huì)話(huà)的AF 請(qǐng)求路由到保存該P(yáng)DU 會(huì)話(huà)信息的相關(guān)PCF。該服務(wù)允許NF 提供者（例如PCF）注冊(cè)、更新和刪除綁定信息，并允許NF 消費(fèi)者（例如AF、NEF、DRA）檢索綁定信息。

具體地，當(dāng)PDU 會(huì)話(huà)分配IP 地址后，PCF 通過(guò)發(fā)送帶有“PCF 會(huì)話(huà)綁定”的資源URI 的HTTP POST 請(qǐng)求，來(lái)調(diào)用Register 服務(wù)操作，以便BSF 在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)相應(yīng)的綁定信息。在HTTP 請(qǐng)求中提供的綁定信息可以包括UE地址、SUPI（唯一永久身份標(biāo)識(shí)：Subscription Permanent Identifier，類(lèi)似4G IMSI）、GPSI（通用公共用戶(hù)標(biāo)識(shí)：Generic Public Subscription Identifier，類(lèi)似4G MSISDN）、DNN（Data Network Name，類(lèi)似4G APN）、PCF id 等。當(dāng)PDU 會(huì)話(huà)釋放IP 地址時(shí)，PCF 調(diào)用DeRegister 服務(wù)操作。AF/NEF/DRA 等NF 消費(fèi)者則可以調(diào)用Discovery 服務(wù)操作，獲得BSF 中PDU 會(huì)話(huà)的所選PCF ID。

該例子不再?gòu)呢?fù)載量的均衡角度，向NF 消費(fèi)者提供如何選擇NF 提供者的指示信息，而是基于關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系選擇特定對(duì)象，作為中間人的BSF 比NRF 功能復(fù)雜。假設(shè)PCF 之間有備份關(guān)系，BSF 角色承擔(dān)的功能還會(huì)更復(fù)雜一些。

該擴(kuò)展方式的價(jià)值還在于，當(dāng)增加PCF 新節(jié)點(diǎn)，NF消費(fèi)者不必?fù)?dān)心如何在新老節(jié)點(diǎn)之間作負(fù)載均衡，甚至不像LB 和NRF 方式需要考慮新節(jié)點(diǎn)和老節(jié)點(diǎn)的容量比例來(lái)完成業(yè)務(wù)請(qǐng)求的分發(fā)，或者一些特定需求，比如5G用戶(hù)由新節(jié)點(diǎn)處理，其他用戶(hù)在老節(jié)點(diǎn)處理的時(shí)候，LB和NRF 還需要增加對(duì)用戶(hù)類(lèi)別的判斷，然而一般而言，LB 和NRF 這類(lèi)負(fù)載控制NF 將難以完成這類(lèi)業(yè)務(wù)相關(guān)的工作，甚至部分NF 消費(fèi)者也難以做出判斷。

可見(jiàn)，該方式更合適節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景，這正是稱(chēng)該方式為負(fù)載均衡功能的“擴(kuò)展方式”的原因。

3 擴(kuò)展新節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡策略

擴(kuò)展新節(jié)點(diǎn)需求不僅來(lái)自常見(jiàn)的擴(kuò)容需求，包括增加新型節(jié)點(diǎn)或同類(lèi)型節(jié)點(diǎn)兩類(lèi)情況，還見(jiàn)于引入新供應(yīng)商的節(jié)點(diǎn)，為此，如何實(shí)現(xiàn)新老節(jié)點(diǎn)共存，以及新老供應(yīng)商的節(jié)點(diǎn)共存，是負(fù)載均衡策略的另一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，擴(kuò)容或縮容導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)本身的處理能力變化，可看作是刪除老節(jié)點(diǎn)后增加新型節(jié)點(diǎn)的情況。

當(dāng)NF 提供者集群擴(kuò)展新節(jié)點(diǎn)，即增加新的NF 提供者，NF 提供者的集群的負(fù)載均衡狀態(tài)需要相應(yīng)調(diào)整，最簡(jiǎn)單情況是，現(xiàn)有只有一個(gè)NF 提供者，無(wú)須提供負(fù)載均衡策略，當(dāng)擴(kuò)展一個(gè)新的NF 提供者時(shí)，就需要達(dá)成負(fù)載均衡的初始態(tài)，同理，再擴(kuò)展一個(gè)新節(jié)點(diǎn)時(shí)，若把原有的兩個(gè)NF提供者作為整體看待，同樣需要達(dá)成負(fù)載均衡的初始態(tài)。

上節(jié)的擴(kuò)展方式?jīng)]有提供NF 提供者在初始狀態(tài)下如何達(dá)成負(fù)載均衡的策略，本節(jié)將對(duì)此作詳細(xì)闡述，既包括擴(kuò)展新節(jié)點(diǎn)，也包括刪除老節(jié)點(diǎn)的情況。以PCF 集群為例，一般要滿(mǎn)足如下幾點(diǎn)需求：

（1）各節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡或特定要求下，為PDU 會(huì)話(huà)分配IP 地址和相應(yīng)的PCF 節(jié)點(diǎn)。

（2）通過(guò)增加PCF 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)增加容量，特別是新供應(yīng)商的PCF 產(chǎn)品或現(xiàn)有供應(yīng)商的新型PCF。

（3）刪除PCF 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)減少容量，如下電老舊的PCF 節(jié)點(diǎn)。

此外，增刪改PCF 節(jié)點(diǎn)內(nèi)的容量等信息，即節(jié)點(diǎn)擴(kuò)容、節(jié)點(diǎn)縮容和節(jié)點(diǎn)能力變更等，也需要調(diào)整負(fù)載均衡策略。

為實(shí)現(xiàn)NF 節(jié)點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)均衡，圖6 給出一種加入管理控制的負(fù)載均衡設(shè)計(jì)方案。

以新增一個(gè)PCF 節(jié)點(diǎn)為例，描述PCF2 上線前的準(zhǔn)備過(guò)程：

（1）搭建PCF2 所需的軟硬件資源。

（2）新建Agent 作為管控代理：一方面服從O&M Center（運(yùn)維中心）的指揮，一方面代理O&M Center 完成和LB，PCF 等管理消息交互。

（3）改造現(xiàn)有PCF（圖中PCF1），打通和Agent的管理接口，支持實(shí)時(shí)上報(bào)容量等資源，以及負(fù)載等實(shí)時(shí)性能統(tǒng)計(jì)，并接收Agent 下發(fā)的控制信息，如業(yè)務(wù)能力上線和下電、業(yè)務(wù)處理能力調(diào)整等。

（4）PCF2 連接Agent，并向LB 發(fā)起注冊(cè)流程，其中和LB 的接口等同第2 節(jié)的描述，接著等待上線。

（5）改造現(xiàn)有LB，建立到Agent 的連接，準(zhǔn)備接收控制信息，如NF 提供者列表、負(fù)載均衡策略，并且支持上報(bào)相關(guān)性能統(tǒng)計(jì)。

PCF2 上線的業(yè)務(wù)處理過(guò)程如下：

（1）PCF2 通知Agent 可以處理業(yè)務(wù)請(qǐng)求，并報(bào)告相關(guān)容量和有效處理能力等信息。

（2）Agent 綜合PCF2 和PCF1 的容量和有效處理能力等信息，并按O&M Center 下發(fā)的負(fù)載均衡策略，如某個(gè)時(shí)間段后的用戶(hù)接入都由PCF2 處理，通知PCF2準(zhǔn)備處理業(yè)務(wù)，通知LB 如何分發(fā)業(yè)務(wù)。

（3）LB 分發(fā)一些業(yè)務(wù)到PCF2，PCF2 開(kāi)始處理業(yè)務(wù)，并向Agent 上報(bào)容量和負(fù)載實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息，Agent 確定PCF2 進(jìn)入服務(wù)。

刪除PCF2 節(jié)點(diǎn)，即PCF2 下線的業(yè)務(wù)處理過(guò)程如下：

（1）PCF2 通知Agent，申請(qǐng)退出“服務(wù)提供者”角色，并報(bào)告待退出的相關(guān)容量和處理能力等信息。

（2）Agent 綜合PCF2 和PCF1 的容量和有效處理能力等信息，并按O&M Center 下發(fā)的負(fù)載均衡策略，調(diào)整業(yè)務(wù)請(qǐng)求分發(fā)列表，如某個(gè)時(shí)間段后的用戶(hù)接入由PCF2 處理，改為通知PCF1 準(zhǔn)備處理業(yè)務(wù)，通知LB 如何分發(fā)業(yè)務(wù)。

（3）LB 取消分發(fā)業(yè)務(wù)到PCF2，改為分發(fā)給PCF1處理，并向Agent 上報(bào)容量和負(fù)載實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息，Agent確定PCF2 退出服務(wù)。

圖6 加入管控的負(fù)載均衡

當(dāng)PCF2 需要擴(kuò)容，如增加業(yè)務(wù)組件（Service Component）時(shí)，有如下交互過(guò)程：

（1）創(chuàng)建新的業(yè)務(wù)組件用于承接更多的業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

（2）PCF2 的控制組件通知Agent：新的業(yè)務(wù)組件已做好上線準(zhǔn)備，包括傳遞增加的處理能力等信息。

（3）Agent 根據(jù)最新的負(fù)載均衡策略，判斷需要啟用新增容量時(shí)，通知LB 和PCF2。若是相應(yīng)替換PCF1的部分容量，一般采用軟切換方式，即先啟用新節(jié)點(diǎn)PCF2 的新增容量，等負(fù)載均衡的性能統(tǒng)計(jì)達(dá)到要求并保持穩(wěn)定后再通知老節(jié)點(diǎn)PCF1 卸載其相關(guān)的業(yè)務(wù)組件，以縮減相應(yīng)的處理能力。

（4）LB 根據(jù)Agent 和PCF2 傳遞的負(fù)載調(diào)整信息，實(shí)施負(fù)載均衡控制，給PCF2 分發(fā)更多的業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

（5）PCF2 的新的業(yè)務(wù)組件達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行要求后，PCF2 和Agent 之間完成新容量的確認(rèn)，業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

（6）Agent 根據(jù)最新的負(fù)載均衡策略決定是否對(duì)PCF1 等其他現(xiàn)有資源作有效容量調(diào)整，比如卸載一部分處理能力。

當(dāng)PCF2 需要縮容，如減少業(yè)務(wù)組件（Service Component）時(shí)，有如下交互過(guò)程：

（1）確定即將下線的業(yè)務(wù)組件資源。

（2）PCF2 的控制組件通知Agent：一部分業(yè)務(wù)組件已做好下線準(zhǔn)備，包括傳遞減少的處理能力等信息。

（3）Agent 根據(jù)最新的負(fù)載均衡策略，判斷接受縮減這部分容量時(shí)，通知LB 和PCF2。若是相應(yīng)由PCF1來(lái)替代，一般采用軟切換方式，即先啟用PCF1 的替代容量，等負(fù)載均衡的性能統(tǒng)計(jì)達(dá)到要求并保持穩(wěn)定后再通知PCF2 卸載其相關(guān)的業(yè)務(wù)組件，以縮減相應(yīng)的處理能力。

（4）LB 根據(jù)Agent 和PCF2 傳遞的負(fù)載調(diào)整信息，實(shí)施負(fù)載均衡控制，相應(yīng)地減少向PCF2 分發(fā)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

（5）PCF2 的業(yè)務(wù)組件達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行要求后，PCF2和Agent 之間完成新容量的確認(rèn)，業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

（6）PCF2 釋放相應(yīng)部分的業(yè)務(wù)組件所占資源。

4 應(yīng)用負(fù)載均衡策略的案例分析

基于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容需求，擴(kuò)展新節(jié)點(diǎn)或者以新節(jié)點(diǎn)替換老節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景下，一般新老節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型不同，替換前需要共存較長(zhǎng)時(shí)間，負(fù)載均衡策略受到新老節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)的影響，既需要?jiǎng)討B(tài)控制，還需要支持人工干預(yù)，所以，采用同類(lèi)型節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載均衡策略無(wú)法滿(mǎn)足需求。那么，針對(duì)上述難題，特別當(dāng)5G 網(wǎng)絡(luò)部署之前，現(xiàn)有核心網(wǎng)等設(shè)備如何完善負(fù)載均衡策略是下文從案例角度給出分析的原因。

以移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)終端自動(dòng)開(kāi)通VoIP 業(yè)務(wù)為例。移動(dòng)終端APP 為獲得IMS 網(wǎng)絡(luò)提供的VoIP 或VoLTE 業(yè)務(wù)，首先要在IMS 網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)，為此要獲取相關(guān)注冊(cè)信息，包括P-CSCF IP 信息，用戶(hù)名和密碼等。

圖7 所示是某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的終端APP 和UDC（用戶(hù)數(shù)據(jù)中心）交換的放號(hào)業(yè)務(wù)流：

圖7 單節(jié)點(diǎn)UDC的自動(dòng)放號(hào)業(yè)務(wù)流

其中Prov_Ser 提供UDC 注冊(cè)的代理服務(wù)，所述業(yè)務(wù)過(guò)程如下：

（1）APP 向Prov_Ser 建立HTTP 服務(wù)過(guò)程，發(fā)送HTTP Get 消息，消息體包含MSISDN 和IMSI 號(hào)碼。

（2）Prov_Ser 依據(jù)MSISDN 和IMSI 生成IMPU（用戶(hù)公有標(biāo)識(shí)）和IMPI（用戶(hù)私有標(biāo)識(shí)），以及用戶(hù)名和密碼。

（3）Prov_Ser 生 成MML 指 令，向UDC 發(fā)送該P(yáng)VI（私有標(biāo)識(shí)）的修改鑒權(quán)信息請(qǐng)求、更新用戶(hù)名和密碼。

（4）UDC 向Prov_Ser 返回修改成功。

（5）Prov_Ser 向終端APP 返回HTTP 響應(yīng)消息，包含用戶(hù)名和密碼，以及P-CSCF IP 信息。

該流程結(jié)束后，移動(dòng)終端APP 使用該用戶(hù)名和密碼，向P-CSCF 發(fā)起注冊(cè)，完成鑒權(quán)流程，以便注冊(cè)到IMS 網(wǎng)絡(luò)。

如圖8 所示，當(dāng)引入新型UDC2 時(shí)，要求MML 指令在新老UDC 節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。新UDC2 和老UDC1 服務(wù)的用戶(hù)范圍不同，一般分配不同的IMSI 號(hào)段，而且隨著新UDC 容量增加，負(fù)載均衡策略有動(dòng)態(tài)和人工干預(yù)需求，因此，MML 指令分發(fā)采用傳統(tǒng)的LB 方式無(wú)法滿(mǎn)足需求，對(duì)代理注冊(cè)設(shè)備Prov_Ser 提出新挑戰(zhàn)。

圖8 兩節(jié)點(diǎn)UDC的自動(dòng)放號(hào)業(yè)務(wù)流

為此，結(jié)合上文提出的多種負(fù)載均衡策略以及擴(kuò)展新節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡策略研究，圖8 給出了采用LB 和Agent 融合設(shè)置的負(fù)載均衡方案，LB/Agent 對(duì)Prov_Ser屏蔽多UDC 即多個(gè)服務(wù)提供者的影響。該實(shí)例相比單節(jié)點(diǎn)UDC，當(dāng)Prov_Ser 發(fā)起某PVI 的鑒權(quán)信息修改請(qǐng)求時(shí)，其放號(hào)業(yè)務(wù)流區(qū)別在于，LB/Agent 實(shí)現(xiàn)MML 指令的智能分發(fā)，具體有兩種機(jī)制：

1）非5G SA 網(wǎng)絡(luò)不支持SBI 服務(wù)接口，即不支持注冊(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，為此，LB/Agent 默認(rèn)為Prov_Ser 簽約UDC1 和UDC2 的服務(wù)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)指定PVI 和UDC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)支持UDC1 和UDC2 向自己發(fā)起注冊(cè)，反饋實(shí)時(shí)的服務(wù)狀態(tài)。

2）若UDC 不支持注冊(cè)機(jī)制或Prov_Ser 不支持直接和多UDC 交互，則采用代理轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，LB/Agent 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)Prov_Ser 的修改鑒權(quán)信息的請(qǐng)求，該機(jī)制存在LB/Agent 單點(diǎn)故障，故不推薦。

無(wú)論哪種工作機(jī)制，LB/Agent 都需要支持如下功能：

（1）LB/Agent 建立數(shù)據(jù)庫(kù)，保存PVI 和UDC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及UDC1 和UDC2 的實(shí)時(shí)服務(wù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）LB/Agent 提供網(wǎng)管接口，支持第三方輸入人工干預(yù)指令，實(shí)時(shí)調(diào)整UDC1 和UDC2 的負(fù)載比例，以便適應(yīng)UDC2 上線容量和UDC1 下線容量的動(dòng)態(tài)配置要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)LB 方式依然是基本的負(fù)載均衡策略的實(shí)現(xiàn)方案，常常用于核心網(wǎng)網(wǎng)元的內(nèi)部組件的負(fù)載均衡。和4G核心網(wǎng)相比，3GPP 5GC 規(guī)范采用服務(wù)化接口和注冊(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，為網(wǎng)元的多個(gè)節(jié)點(diǎn)提供更加完善的負(fù)載均衡策略，典型應(yīng)用是NRF 方式。負(fù)載均衡方案一般對(duì)外呈現(xiàn)為組網(wǎng)的必要部分，而且隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和自動(dòng)化運(yùn)維等新技術(shù)新網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)，客觀上要求不再局限在集群內(nèi)多個(gè)網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡這樣的單一指標(biāo)，而能夠基于多維度的動(dòng)態(tài)控制，比如依據(jù)網(wǎng)元的運(yùn)行指標(biāo)，動(dòng)態(tài)調(diào)整參與網(wǎng)絡(luò)處理的網(wǎng)元在新老節(jié)點(diǎn)，新老設(shè)備商之間的分布。

為此，本文擴(kuò)展了注冊(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，使基于特定參數(shù)的性能分發(fā)策略成為可能。之后采用較大篇幅描述的是，在引入新設(shè)備供應(yīng)商的網(wǎng)元或現(xiàn)有設(shè)備供應(yīng)商的新型網(wǎng)元情況下，如何實(shí)現(xiàn)考慮人工指令干預(yù)影響下的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡。最后，該方面的研究還有許多方面的工作要展開(kāi)，比如遷移和割接的自動(dòng)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)運(yùn)維和負(fù)載均衡相結(jié)合的技術(shù)等，這些無(wú)疑將有助于運(yùn)營(yíng)商加速網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放，提升異廠家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備協(xié)同等網(wǎng)絡(luò)迭代和運(yùn)營(yíng)水平，而設(shè)計(jì)相關(guān)針對(duì)性的負(fù)載均衡策略和方案，將為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)更大效益。