云環(huán)境下VoLTE核心網(wǎng)負(fù)載均衡及高可用性研究

徐伶伶 張欣 張淑蓮

摘 要：VoLTE可將全部業(yè)務(wù)承載于4G網(wǎng)絡(luò)上，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)下的統(tǒng)一。由此，本文研究運(yùn)行在云計(jì)算環(huán)境下的VoLTE核心網(wǎng)的可行性、可靠性、負(fù)載均衡能力和高可用性，并提出采用N+K模式和NoSQL DB作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的可行性，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：VoLTE核心網(wǎng);N+K模式;高可靠性

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）28-0015-03

Study of Load Balancing and High Availability of Volte Core

Network under Cloud Environment

XU Lingling ZHANG Xin ZHANG Shulian

（Qingdao Institute of Technology，Qingdao Shandong 266300）

Abstract： VoLTE can carry all services on 4G network， and realize the unification of data and voice services in the same network. Therefore， this paper studied the feasibility， reliability， load balancing capability and high availability of the VoLTE core network running in the cloud computing environment， and proposed the feasibility of using N+K mode and NoSQL DB as the data storage mode to achieve load balancing， in order to provide reference for the research of relevant scholars.

Keywords： VoLTE core network;N+K mode;high reliability

1 研究背景

4G網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論是TD-LTE還是FDD-LTE，采用的都是分組交換技術(shù)，即全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，不再提供專門的語(yǔ)音信道。4G時(shí)代的到來(lái)讓移動(dòng)上網(wǎng)的速度進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，但對(duì)移動(dòng)通信最基本的業(yè)務(wù)，即語(yǔ)音通話卻沒(méi)有提供足夠的支持。對(duì)于該問(wèn)題，目前，各運(yùn)營(yíng)商給出的解決方案大部分都是雙待機(jī)或電路域回落（Circuit Switched Fallback，CSFB）。雙待機(jī)技術(shù)即一部手機(jī)在4G和2G網(wǎng)絡(luò)下同時(shí)待機(jī)（與雙卡雙待的區(qū)別是只使用一張SIM卡），4G網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)上網(wǎng)，2G網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)打電話，互不影響。這種方式由于需要兩套射頻發(fā)射系統(tǒng)，因此，功耗是最大的問(wèn)題。電路域回落方案只使用一套射頻系統(tǒng)，通話時(shí)進(jìn)行切換并接入2G網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)4G網(wǎng)絡(luò)會(huì)斷開，通話結(jié)束后再切換回4G網(wǎng)絡(luò)。這一方案的最大問(wèn)題是切換網(wǎng)絡(luò)需要時(shí)間，這一時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)十幾秒，只能作為犧牲用戶體驗(yàn)為代價(jià)的權(quán)宜之計(jì)。無(wú)論是雙待機(jī)還是電路域回落，打電話都必須通過(guò)2G網(wǎng)絡(luò)完成。對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，必須同時(shí)維護(hù)2G和4G兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，成本太高，非常不劃算，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，2G/3G網(wǎng)絡(luò)必然會(huì)被4G所淘汰。因此，在4G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話功能是必然趨勢(shì)。由于4G是純IP網(wǎng)絡(luò)，因此VoIP（Voice over IP）技術(shù)自然而然地成為解決這一問(wèn)題的首選方案，VoLTE（Voice over LTE）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。VoLTE是基于IP多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）的語(yǔ)音業(yè)務(wù)[1]。IMS由于支持多種接入和豐富的多媒體業(yè)務(wù)，成為全I(xiàn)P時(shí)代的核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)[2]。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展成熟后，如今IMS已經(jīng)跨越接入方式，成為固定話音領(lǐng)域VoBB、PSTN網(wǎng)改的主流選擇，而且也被3GPP、GSMA確定為移動(dòng)語(yǔ)音的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)[3]。VoLTE無(wú)須2G/3G網(wǎng)絡(luò)，全部業(yè)務(wù)承載于4G網(wǎng)絡(luò)上，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音業(yè)務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)下的統(tǒng)一。

2 電信設(shè)備的云化

隨著云技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)云技術(shù)的接受程度不斷提高，運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越傾向于搭建自己的云平臺(tái)或租用云提供商的平臺(tái)來(lái)部署IMS網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商不用再花大價(jià)錢購(gòu)買硬件，而是將服務(wù)器搭建在云端的虛擬機(jī)里。為了適應(yīng)這一變化，通信設(shè)備制造商也轉(zhuǎn)型成為純軟件提供商，不再出售硬件，而改為出售可以部署在云端的軟件服務(wù)。這樣做對(duì)運(yùn)營(yíng)商的好處是顯而易見(jiàn)的，一方面節(jié)省了硬件投資，另一方面提高了靈活性和可擴(kuò)展性。為了應(yīng)對(duì)偶發(fā)的大話務(wù)量，如春節(jié)拜年、全國(guó)性的觀眾參與活動(dòng)等，需要準(zhǔn)備大量的硬件余量，從而占用大量的機(jī)房。而如果將IMS網(wǎng)絡(luò)部署在云端，擴(kuò)容只需要?jiǎng)?chuàng)建新的虛擬機(jī)實(shí)例，進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可。這使得運(yùn)營(yíng)商不必再按照最大話務(wù)量來(lái)準(zhǔn)備資源，可以根據(jù)需要，隨時(shí)增加和減少資源，靈活性更強(qiáng)，且提高了資源利用效率，大大降低了成本。

3 采用N+K模式和NoSQL DB作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡及高可用性

將電信軟件成功移植到云平臺(tái)使電信設(shè)備制造商完成了向軟件提供商轉(zhuǎn)型的第一步，也是最重要的一步，使SaaS（Software as a Service）成為現(xiàn)實(shí)。但是，并不是完成這一步就萬(wàn)事大吉了，仍然還有很多可以改進(jìn)的余地。其中最顯著的問(wèn)題就是原來(lái)的設(shè)備是1+1冗余備份的，移植到云平臺(tái)后，依然保持了1+1冗余備份的特點(diǎn)，即一半虛擬機(jī)是備份設(shè)備，在主用設(shè)備（虛擬機(jī)）正常工作時(shí)不參與話務(wù)處理，這就意味著一半虛擬機(jī)資源在正常情況下被白白浪費(fèi)。1+1冗余備份的另一個(gè)特點(diǎn)是如果主用和備用虛擬機(jī)同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，其他虛擬機(jī)是幫不上忙的，因?yàn)閿?shù)據(jù)只在這一對(duì)主用/備用虛擬機(jī)之間備份，其他機(jī)器并沒(méi)有這些數(shù)據(jù)。這種情況在傳統(tǒng)電信設(shè)備上出現(xiàn)的可能性很小，但在云環(huán)境下卻有可能出現(xiàn)。比如，主用和備用虛擬機(jī)運(yùn)行在同一個(gè)物理實(shí)體機(jī)器上，如果這個(gè)物理實(shí)體機(jī)器出現(xiàn)故障，將影響所有運(yùn)行在該物理實(shí)體機(jī)器上的虛擬機(jī)。因此，1+1冗余備份并不適合在云環(huán)境下使用，而N+K冗余才是適用于云環(huán)境的備份方式。

在N+K模式下，一共有N+K個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例在運(yùn)行，其全都是主用設(shè)備，正常進(jìn)行話務(wù)處理，但每臺(tái)設(shè)備并不是100%的資源都被使用，而是都留有一些余量。如果某一個(gè)或幾個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例發(fā)生故障，不能正常運(yùn)行，其他正常運(yùn)行的虛擬機(jī)實(shí)例可以接替它們繼續(xù)工作。當(dāng)同時(shí)故障的設(shè)備數(shù)不超過(guò)K時(shí)，不影響系統(tǒng)的目標(biāo)處理容量和穩(wěn)定性。如果失效的實(shí)例超過(guò)K時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)處理能力，造成系統(tǒng)過(guò)載，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)實(shí)際情況和需要的處理容量來(lái)調(diào)節(jié)N和K的具體配置。

同時(shí)，N和K并不是一旦部署就不可改變，運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)話務(wù)量的大小動(dòng)態(tài)地增加或減少虛擬機(jī)的實(shí)例，這個(gè)過(guò)程可以人為調(diào)整。比如，在重大節(jié)日或活動(dòng)開始前，人為增加虛擬機(jī)的實(shí)例以提高處理能力，節(jié)日或活動(dòng)結(jié)束后再減少虛擬機(jī)的實(shí)例，擴(kuò)容非常靈活。這個(gè)過(guò)程也可以是自動(dòng)的，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到話務(wù)量增加，處理能力不足時(shí)，動(dòng)態(tài)增加虛擬機(jī)的數(shù)量;當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到話務(wù)量較低，有大量處理資源閑置時(shí)，可以動(dòng)態(tài)減少處理機(jī)的數(shù)量。

但要做到這一點(diǎn)，需要解決一個(gè)根本問(wèn)題，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。虛擬機(jī)實(shí)例A要接替另一個(gè)虛擬機(jī)B運(yùn)行，那么實(shí)例A必須要擁有或者能訪問(wèn)到虛擬機(jī)B原有的數(shù)據(jù)。在1+1冗余備份的模式下，主用設(shè)備的數(shù)據(jù)是完全備份在備用設(shè)備上的，這樣，當(dāng)主用設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，備用設(shè)備可以輕松接手，因?yàn)槠鋼碛兴行枰臄?shù)據(jù)，而且只有這一個(gè)備用設(shè)備可以接替，其他設(shè)備即使空閑也無(wú)法接手，因?yàn)槠渌O(shè)備沒(méi)有數(shù)據(jù)。而在N+K模式下，任何一個(gè)設(shè)備失效，要求其他任何一個(gè)實(shí)例都能接替其工作，這就對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)提出了要求：每一個(gè)設(shè)備都可以訪問(wèn)其他設(shè)備所生成的數(shù)據(jù)。

通信設(shè)備處理的話務(wù)量是巨大的，在忙時(shí)，每秒鐘有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的呼叫在進(jìn)行，與話務(wù)量相關(guān)的數(shù)據(jù)隨著呼叫的發(fā)起和結(jié)束不斷地發(fā)生著動(dòng)態(tài)變化，如果使用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)處理這些數(shù)據(jù)顯然不可行，需要新的機(jī)制來(lái)存儲(chǔ)這些動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，大數(shù)據(jù)廣泛存在，同時(shí)也產(chǎn)生出了許多云環(huán)境下的各種新型應(yīng)用，如移動(dòng)服務(wù)、社交平臺(tái)、協(xié)作編輯等。這些新型應(yīng)用對(duì)海量數(shù)據(jù)管理/云數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也提出了新的需求，如事務(wù)支持、系統(tǒng)彈性等。同時(shí)，云計(jì)算時(shí)代海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為可擴(kuò)展性、彈性、容錯(cuò)性、自管理性和“強(qiáng)一致性”。隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起，傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在應(yīng)付超大規(guī)模和高并發(fā)SNS類型的動(dòng)態(tài)網(wǎng)站已經(jīng)顯得力不從心，暴露出了很多難以克服的問(wèn)題，而非關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)則由于本身的特點(diǎn)得到了迅速發(fā)展。NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生就是為了解決大規(guī)模數(shù)據(jù)集合多重?cái)?shù)據(jù)種類帶來(lái)的挑戰(zhàn)，尤其是大數(shù)據(jù)應(yīng)用難題，因此NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)非常適用于存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)的會(huì)話數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

通過(guò)MATLAB軟件對(duì)1+1模式和N+K模式的可靠性進(jìn)行仿真，模擬大話務(wù)量情況下不同數(shù)量虛擬機(jī)失效情況以及總體呼叫的接通率，兩種模式均采用20個(gè)VM，[N]=15，[K]=5，得出如圖1所示的結(jié)果。

從以上仿真結(jié)果可以看出，N+K模式在節(jié)省硬件成本的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究運(yùn)行在云計(jì)算環(huán)境下的VoLTE核心網(wǎng)能否滿足電信設(shè)備對(duì)高可靠性和容災(zāi)能力的要求，提出采用N+K模式和NoSQL DB作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡以及高可用性。通過(guò)虛擬機(jī)實(shí)時(shí)遷移、服務(wù)節(jié)點(diǎn)故障自動(dòng)恢復(fù)、分布式部署等獲得集群級(jí)別的高可用性和容災(zāi)能力，達(dá)到比設(shè)備級(jí)備份更高的可靠性。

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