關(guān)于5G核心網(wǎng)SCP網(wǎng)元負(fù)荷均衡優(yōu)化的分析研究

李佳　劉贏(yíng)　趙二寶

【摘要】隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，在3GPP R16版本中引入了SCP網(wǎng)元，考慮到中國(guó)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與演進(jìn)方向以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)和融合計(jì)費(fèi)等需求，在5G核心網(wǎng)部署SCP實(shí)現(xiàn)按需對(duì)部分接口消息特別是有漫游需求的接口消息，如Nudm、Npcf等消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)顯得尤為必要。通常在5G核心網(wǎng)融合計(jì)費(fèi)場(chǎng)景SPC主要負(fù)責(zé)SMF和CHF之間計(jì)費(fèi)請(qǐng)求和響應(yīng)消息的轉(zhuǎn)發(fā)。在采用全國(guó)全互聯(lián)組網(wǎng)模式情況下，SCP網(wǎng)元如何高效、平穩(wěn)運(yùn)行值得運(yùn)維人員深入思考，本文結(jié)合5G核心網(wǎng)以及SCP網(wǎng)元特點(diǎn)在維護(hù)優(yōu)化方面進(jìn)行了研究分析。

【關(guān)鍵詞】5G核心網(wǎng);SCP;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.09.018

我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)正逐步由導(dǎo)入期向成熟期快速演變，5G用戶(hù)持續(xù)高速增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是網(wǎng)絡(luò)壓力的增加。5G網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)、高效運(yùn)行顯得尤為重要，為此，3GPP組織在R16版本引入了SCP服務(wù)通信代理網(wǎng)元，主要用于SMF（會(huì)話(huà)管理功能）與CHF（計(jì)費(fèi)功能）的計(jì)費(fèi)請(qǐng)求與響應(yīng)消息的轉(zhuǎn)發(fā)。5G網(wǎng)絡(luò)商用初期SCP通常采用全互聯(lián)方式互通，在網(wǎng)絡(luò)扁平化提高效率的同時(shí)也帶來(lái)了一些運(yùn)維方面的難題。本文主要聚集SCP組網(wǎng)優(yōu)化方面的研究與探討，希望為5G網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量運(yùn)維提供借鑒。

1. 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與融合計(jì)費(fèi)介紹

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

5G核心網(wǎng)控制面采用服務(wù)化架構(gòu)，SCP（Service Communication Proxy）作為5G核心網(wǎng)間接通信HTTP消息轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)的重要網(wǎng)元，在5GC總線(xiàn)架構(gòu)中的位置如圖1所示。

SCP主要的功能包括：

1、間接通信，在服務(wù)消費(fèi)者網(wǎng)元和服務(wù)生產(chǎn)者網(wǎng)元之間轉(zhuǎn)發(fā)HTTP請(qǐng)求和響應(yīng)消息，支持Nchf接口消息轉(zhuǎn)發(fā)，可根據(jù)部署需求支撐Nudm、Npcf、Nausf接口消息轉(zhuǎn)發(fā)。

2、靈活路由能力，包括基于號(hào)段尋址UDM/PCF/AUSF/CHF等網(wǎng)元。

3、代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)，代理服務(wù)消費(fèi)者NF向NRF發(fā)起服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程。

4、負(fù)載均衡。

5、過(guò)載保護(hù)和流量控制。

6、切片部署。

7、信令監(jiān)控和通信安全等功能。

在3GPP R15階段，5G核心網(wǎng)各NF之間采用直接通信，服務(wù)消費(fèi)者（Service Consumer）NF與服務(wù)生產(chǎn)者（Service Producer）NF之間直連。如圖2所示：

3GPP R16階段引入了SCP和間接通信，由SCP轉(zhuǎn)接服務(wù)消費(fèi)者和服務(wù)生產(chǎn)者之間的HTTP請(qǐng)求和響應(yīng)消息，但SCP本身不對(duì)外暴露服務(wù)。如圖3所示：

1.2 融合計(jì)費(fèi)系統(tǒng)介紹

3GPP協(xié)議中，融合計(jì)費(fèi)系統(tǒng)CCS（Converged Charging System）是指將原離線(xiàn)計(jì)費(fèi)域在線(xiàn)計(jì)費(fèi)流程融合。網(wǎng)絡(luò)側(cè)不再生成離線(xiàn)話(huà)單，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)SMF（CTF）網(wǎng)元經(jīng)由CGF（計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)）與SCP調(diào)用統(tǒng)一的Nchf服務(wù)接口（N40）進(jìn)行計(jì)費(fèi)交互，該服務(wù)接口融合了離線(xiàn)計(jì)費(fèi)與在線(xiàn)計(jì)費(fèi)的消息，從協(xié)議上不再區(qū)分。

CHF（計(jì)費(fèi)功能）作為在線(xiàn)計(jì)費(fèi)的配額控制節(jié)點(diǎn)，對(duì)用戶(hù)的各種業(yè)務(wù)執(zhí)行在線(xiàn)計(jì)費(fèi)的費(fèi)率處理，完成用戶(hù)費(fèi)用的實(shí)時(shí)結(jié)算。

2. 融合計(jì)費(fèi)與CHF負(fù)荷均衡流程

2.1 運(yùn)營(yíng)商融合計(jì)費(fèi)流程

1、本省的用戶(hù)使用5G業(yè)務(wù)時(shí)，計(jì)費(fèi)消息由SMF1產(chǎn)生經(jīng)由省內(nèi)CGF1和SCP1計(jì)費(fèi)給CHF1;

2、如若CHF1異常，CGF1產(chǎn)生離線(xiàn)文件話(huà)單并最終發(fā)給CHF1;

3、外省漫游到省1的用戶(hù)，使用5G業(yè)務(wù)時(shí)，消息計(jì)費(fèi)由SMF1傳遞至SCP1，再經(jīng)SCP1-SCP2路由到歸屬省的CHF2;

4、外省漫游到省1的用戶(hù)，如計(jì)費(fèi)消息異常，CGF1出離線(xiàn)文件話(huà)單發(fā)送給CHF1，再通過(guò)FTP接口供集團(tuán)平臺(tái)獲取，最終由集團(tuán)平臺(tái)發(fā)給歸屬省CHF2;

5、5G所有用戶(hù)話(huà)單均由SMF生成，并由CGF生成全量計(jì)費(fèi)話(huà)單文件，這些文件可用于計(jì)費(fèi)結(jié)算和大數(shù)據(jù)分析等用途;

6、集團(tuán)結(jié)算平臺(tái)通常從各省CGF獲取結(jié)算話(huà)單文件用于省間結(jié)算處理。

2.2 融合計(jì)費(fèi)異常流程

CGF發(fā)送計(jì)費(fèi)請(qǐng)求（charging Data Request）消息，經(jīng)由SCP轉(zhuǎn)發(fā)給CHF，SCP如果等待主用CHF的響應(yīng)超時(shí)或者收到主用CHF的系統(tǒng)級(jí)錯(cuò)誤碼，SCP則選擇備用CHF，向備用CHF重新發(fā)送計(jì)費(fèi)請(qǐng)求（charging Data Request）消息。如果收到備用CHF的響應(yīng)消息，則正常轉(zhuǎn)發(fā)給CGF處理。

如果SCP等待備用CHF的響應(yīng)超時(shí)或者收到備用CHF的系統(tǒng)級(jí)錯(cuò)誤碼，SCP則向CGF返回路由響應(yīng)不可達(dá)錯(cuò)誤碼，CGF觸發(fā)消息計(jì)費(fèi)異常流程，將轉(zhuǎn)至文件計(jì)費(fèi)流程。

2.3 CHF負(fù)荷均衡流程

一般情況下運(yùn)營(yíng)商各省公司節(jié)點(diǎn)會(huì)配置多個(gè)CHF，新計(jì)費(fèi)會(huì)話(huà)創(chuàng)建時(shí)會(huì)對(duì)CHF進(jìn)行靈活選擇，達(dá)到CHF負(fù)荷分擔(dān)的目的。常用的選擇策略有以下兩種：

根據(jù)CHF的權(quán)重或優(yōu)先級(jí)、負(fù)荷等靈活選擇CHF;

根據(jù)SUPI、GPSI、CC配置靈活的選擇CHF。

3. 實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題與分析

3.1 SCP負(fù)荷異常

假設(shè)某計(jì)費(fèi)中心有4臺(tái)CHF網(wǎng)元組網(wǎng)方式采用主備方式，即一個(gè)DC中SCP路由出口配置四條鏈路，分兩組使用。

如果CHF網(wǎng)元工作不是很穩(wěn)定，常出現(xiàn)服務(wù)重啟或者停機(jī)狀態(tài)。通常當(dāng)某個(gè)SCP主鏈路斷的時(shí)候，會(huì)通過(guò)重選路由配置選擇備用CHF進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)這種情況發(fā)生的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)SCP的HTTP虛機(jī)CPU使用率過(guò)高問(wèn)題。

從圖5可以看出，當(dāng)CHF故障時(shí)兩臺(tái)SCP的CPU峰值利用率都很高，長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到了80%使用率以上，甚至一度達(dá)到100%。因此，對(duì)SCP進(jìn)行優(yōu)化降低CPU的負(fù)荷優(yōu)化勢(shì)在必行。

3.2 問(wèn)題原因分析

1、SCP位于CGF和CHF兩個(gè)網(wǎng)元中間，負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)消息路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。SCP作為服務(wù)端處理CGF送達(dá)的計(jì)費(fèi)消息請(qǐng)求是由SMP HTTP虛機(jī)處理，如客戶(hù)端鏈路集中開(kāi)在某一模塊，在CHF故障時(shí)過(guò)多的消息，可能會(huì)導(dǎo)致SCP CPU負(fù)荷快速升高。

2、如果SCP采用SUPI號(hào)段進(jìn)行路由選擇，在商用前期SUPI號(hào)段用戶(hù)數(shù)不均衡，有可能存在某個(gè)號(hào)段用戶(hù)量大而導(dǎo)致消息量多，從而引發(fā)負(fù)荷不均衡等問(wèn)題。

3.3 N40接口異常潛在的風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，終端在進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，PDU會(huì)話(huà)建立/更新階段需觸發(fā)計(jì)費(fèi)流程;SMF的N40流程交互正常，是PDU會(huì)話(huà)建立的前提。N40交互存在異常，如CHF性能不足導(dǎo)致處理N40消息異常超時(shí)，會(huì)影響計(jì)費(fèi)流程的正常交互，進(jìn)而影響SMF的會(huì)話(huà)建立成功率，導(dǎo)致用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò)失敗，無(wú)法正常進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

4. 解決思路

4.1 服務(wù)端模塊配置優(yōu)化

某些設(shè)備在一些老版本上存在網(wǎng)管配置限制。當(dāng)SCP作為服務(wù)端時(shí)，在IPv4/IPv6分發(fā)配置中的模塊分布只能選擇某一具體模塊，而此配置中的多個(gè)模塊又是主備配置，導(dǎo)致負(fù)荷始終集中到這個(gè)模塊上。

可以通過(guò)增加補(bǔ)丁方式去除此配置限制，在IPv4/IPv6分發(fā)配置中的模塊分布設(shè)置為0，表示不限制在某具體模塊上。調(diào)整后驗(yàn)證，負(fù)荷有所降低，峰值負(fù)荷可降低20%左右。

4.2 SCP到CHF的鏈路分布優(yōu)化

如果網(wǎng)絡(luò)配置有2套CHF，每臺(tái)CHF引用了2個(gè)客戶(hù)端模板，對(duì)應(yīng)2個(gè)模塊，那么只能用到了4個(gè)SCP HTTP模塊。如果SCP配置了16個(gè)SMP HTTP模塊，由于CHF引用過(guò)少無(wú)法均衡分布到每個(gè)模塊上。從而導(dǎo)致負(fù)荷虛高。

該問(wèn)題可以通過(guò)增加SCP-CHF的鏈路數(shù)量方式解決，另外每個(gè)CHF引用8個(gè)客戶(hù)端模板，每個(gè)客戶(hù)端模板建2條鏈路，這樣SCP與CHF總共建32條鏈路，每個(gè)模塊上都有2條到CHF的鏈路，從而達(dá)到負(fù)荷相對(duì)均衡。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，調(diào)整后負(fù)荷可以下降20%-25%左右。

4.3 CGF到SCP的鏈路數(shù)量?jī)?yōu)化

CGF到SCP的鏈路數(shù)量過(guò)少，如只有2條，而SMP HTTP模塊有16個(gè)，也會(huì)引發(fā)SCP負(fù)荷不均衡問(wèn)題。也可以通過(guò)擴(kuò)鏈路方式解決，SCP有n個(gè)模塊，那么需將CGF到SCP的鏈路擴(kuò)容到n條。確保每個(gè)模塊都有到CGF的鏈路。經(jīng)驗(yàn)證，調(diào)整后，SCP負(fù)荷進(jìn)一步均衡。

4.4 CGF到SCP的鏈路分布優(yōu)化

SCP作為服務(wù)端，新建鏈路的分布是由系統(tǒng)自動(dòng)控制的，如果在系統(tǒng)初始時(shí)只有一個(gè)模塊A且建了鏈，那么系統(tǒng)會(huì)盡保持在原模塊建鏈，因此CGF大部分鏈路會(huì)集中在A(yíng)模塊上，從而導(dǎo)致A模塊的負(fù)荷偏高。

CGF與SCP間的鏈路，CGF側(cè)作為客戶(hù)端端口是固定的，那么根據(jù)這一點(diǎn)，可以按照CGF的端口配置IPv4/IPv6分發(fā)，將CGF的鏈路固定到具體模塊，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡，但另一方面為保證每個(gè)模塊均分配到鏈路，則需要CGF的端口數(shù)量至少等于SCP的SMP模塊數(shù)量。

4.5 CHF擴(kuò)容

隨著5G用戶(hù)數(shù)量快速增加，CHF側(cè)的計(jì)費(fèi)處理能力要同步擴(kuò)容。否則會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷情況，從而導(dǎo)致N40接口消息處理變慢或丟棄N40消息，造成計(jì)費(fèi)流程異常。進(jìn)而造成PDU會(huì)話(huà)建立失敗，影響用戶(hù)正常使用。為確保CHF側(cè)的計(jì)費(fèi)處理性能穩(wěn)定，CHF容量和處理能力要與用戶(hù)實(shí)際發(fā)展情況同步完成擴(kuò)容。

5. 結(jié)論

5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面商用，2B和2C市場(chǎng)呈現(xiàn)出一片繁榮景象，5G技術(shù)由于通信性能指標(biāo)的大幅提升，未來(lái)一定會(huì)對(duì)個(gè)人用戶(hù)以及工廠(chǎng)、能源、交通、醫(yī)院、教育等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行是一切的基礎(chǔ)，本文重點(diǎn)聚焦SCP網(wǎng)元負(fù)荷均衡優(yōu)化，以解決實(shí)際運(yùn)維過(guò)程發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題為導(dǎo)向，對(duì)網(wǎng)絡(luò)潛在隱患進(jìn)行了深入分析，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)負(fù)荷均衡優(yōu)化要做的工作是多方面的，需整合周邊網(wǎng)元能力以及內(nèi)部模塊挖潛，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)理想的目標(biāo)。希望通過(guò)本文的介紹能為業(yè)界從事運(yùn)維工作的一線(xiàn)人員提供借鑒。

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