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.移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，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，以便實現(xiàn)集群的負(fù)載均衡，最直接的目標(biāo)是實現(xiàn)怎么選擇集群中的下一個節(jié)點，把服務(wù)請求傳遞給該節(jié)點。最簡單的算法比如輪詢法，當(dāng)算法不佳時，集群的負(fù)載就會失衡[1]。

隨著云計算技術(shù)的普及，負(fù)載均衡更多地體現(xiàn)一種服務(wù)，通過流量分發(fā)為客戶提升應(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)層的均衡場景，實現(xiàn)基于TCP/UDP 等L4 分發(fā)；之后增加對應(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，實現(xiàn)內(nèi)生性的服務(wù)集成能力，進(jìn)一步提供專業(yè)化的負(fù)載均衡服務(wù)[2]。

然而運營商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)為實現(xiàn)業(yè)務(wù)層面的消息分發(fā)，采用“路由類網(wǎng)元”實現(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化的Diameter 協(xié)議，進(jìn)一步有利于異廠家設(shè)備互通，滿足網(wǎng)絡(luò)開放的要求。

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：

（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 注冊發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

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

（3） 相 鄰_NF：Provider_NF 和Consumer_NF 交互過程中的相關(guān)網(wǎng)元，比如網(wǎng)管、數(shù)據(jù)庫等服務(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，而獨立的“路由_NF”更加復(fù)雜，本文僅討論獨立配置。

圖1 傳統(tǒng)負(fù)載均衡的部署場景

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

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

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

（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)點或新供應(yīng)商替換老供應(yīng)商的設(shè)備的過渡時期。

同時，以上三種場景都存在新老“路由_NF”的協(xié)作問題。作為可選項，為統(tǒng)一調(diào)度新老Provider_NF，新的路由_NF 一般也會連接老的Provider_NF。其二，當(dāng)然可以不引入新的路由_NF，但是一般會引入，原因有兩點：1）路由_NF 需要更多的功能甚至依賴改變產(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，無法在4G 的DRA 網(wǎng)元上升級支持；2）引入新供應(yīng)商的Provider_NF 時，相應(yīng)伴隨著帶入新的路由_NF，避免和老的路由_NF 對接風(fēng)險。

可見，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，集群在各代網(wǎng)絡(luò)都有可靠性和容災(zāi)設(shè)計，此處不贅述[6-7]。

然而它的局限性在于對網(wǎng)元的要求較多，而且依據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)的特點進(jìn)行針對性的設(shè)計。以NF Set 方案為例，組成集群的NF 要求具備相同類型、相同服務(wù)，甚至相同切片的控制面NF，而且同一個Set 內(nèi)的不同NF 實例彼此共享在線業(yè)務(wù)的上下文數(shù)據(jù)，以便實現(xiàn)Set 內(nèi)各NF 實例之間的相互冗余倒換，同時在線業(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NF 提出個性化需求，也不面向特定的業(yè)務(wù)場景的情況下，如何設(shè)計負(fù)載均衡方案和所依據(jù)的策略，以期具備更強的通用性。一般而言，有如下制約條件，用于評估負(fù)載均衡策略的優(yōu)劣性：

（1）專業(yè)化分工

負(fù)載均衡功能由獨立NF 或獨立組件完成。

（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)本身有可用性問題，反而降低整個系統(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，集群中多個節(jié)點之間負(fù)載均衡，依據(jù)哪些指標(biāo)評估均衡性。鑒于各節(jié)點的資源被動態(tài)分配和釋放，因此，負(fù)載均衡從資源角度稱為DRS（動態(tài)資源均衡），一般有如下指標(biāo)：

1）CPU 利用率，避免負(fù)荷過高的節(jié)點；

2）存儲資源的空間占用率，均衡各節(jié)點的IOPS；

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

負(fù)載均衡的程度，一方面和均衡算法有關(guān)，每次選擇哪個節(jié)點，和決策過程類似，由初始負(fù)載分布和當(dāng)期的事件輸入決定，另一方面和評估指標(biāo)綜合折算有關(guān)，單一指標(biāo)會導(dǎo)致實際負(fù)荷的不準(zhǔn)確性。

（4）分發(fā)的精準(zhǔn)性

某些應(yīng)用場景需要準(zhǔn)確分發(fā)到特定的節(jié)點，如響應(yīng)消息必須回到請求消息的處理節(jié)點完成處理；又如節(jié)點和用戶或會話有對應(yīng)關(guān)系的情況，當(dāng)選擇特定的用戶或會話時，必須分發(fā)到該節(jié)點，其他節(jié)點沒法處理。

下面將詳細(xì)描述三類典型的負(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，不僅實現(xiàn)NF 提供者集群（如圖2 的UPF Group）內(nèi)多個成員的負(fù)載均衡，還便于NF消費者在不感知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)計角度，一般LB 分為兩類：（1）接口LB；（2）業(yè)務(wù)LB。前者實現(xiàn)對外單一接口或單一IP 地址，減少IP 多地址對服務(wù)請求NF 和路由系統(tǒng)的影響，后者對服務(wù)請求者屏蔽多個NF 提供者或多個業(yè)務(wù)處理模塊，并支撐多個NF 提供者或多個業(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)模塊級別的負(fù)載均衡，稱為SLB（業(yè)務(wù)負(fù)載均衡）。當(dāng)LB 外置，實現(xiàn)NF 級別的負(fù)荷均衡時，稱為GSLB（全局負(fù)載均衡）。

服務(wù)請求的接收端：一般根據(jù)多個NF 提供者的CPU 占有率，LB 分發(fā)服務(wù)請求到適宜的NF 提供者，以滿足負(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：不只是被動接受LB 分發(fā)的服務(wù)請求，還提供再均衡機(jī)制，當(dāng)接收服務(wù)請求的NF 提供者負(fù)載達(dá)到門限時，會將過量的業(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，傳統(tǒng)LB 方式所需的專用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)計中，作為服務(wù)提供者，UPF 集群內(nèi)的每個UPF 向NRF 注冊，提供UPF 的狀態(tài)信息，還通過更新流程將動態(tài)負(fù)載信息實時同步給NRF；SMF 是服務(wù)消費者，向NRF 發(fā)起簽約請求，簽約UPF 的狀態(tài)信息。

圖3 NRF方式的負(fù)載均衡

負(fù)載均衡的動態(tài)過程描述如下：

（1）服務(wù)消費者SMF 通過簽約流程獲得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)載的動態(tài)變化，具體動作是將UPF1 的業(yè)務(wù)流卸載到UPF2，以降低UPF1 偏高的負(fù)載。

上述通過設(shè)置NRF 和注冊發(fā)現(xiàn)機(jī)制，實現(xiàn)系統(tǒng)級的負(fù)載均衡，而且NRF 作為管理者角色，即使成為故障點，也不會導(dǎo)致NF 消費者和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 消費者和NF 提供者是全拓?fù)溥B接，使得每個NF 的路由配置極其復(fù)雜，同時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NF 節(jié)點眾多的大規(guī)模4G/5G 網(wǎng)絡(luò)需要建立信令Hub 節(jié)點，即新NF：SCP，以便簡化信令路由配置，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)所示模式稱為“Indirect communication without delegated discovery（無發(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 消費者對NRF 不可見，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 消費者和NF 提供者不直接通訊，而通過SCP 作為通信代理實現(xiàn)通訊。

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

對于Option C 和Option D 兩種模式如何選擇這個問題，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，對圖3 所示的NF 組網(wǎng)架構(gòu)只有輕微的改動，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 消費者不必參與服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程，也不必選擇NF 提供者，只需要向SCP 發(fā)送服務(wù)請求即可，因此，該模式減輕NF 消費者的處理負(fù)載和難度，把相關(guān)功能需求轉(zhuǎn)移到SCP。

但是，Option D 模式有兩個明顯的缺陷：

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

（2）中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬唵危话銦o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。

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，保留SCP 以簡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，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，著眼于NF 集群內(nèi)多個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)計中，會考慮某些應(yīng)用分配給特定的NF 處理，即NF 實現(xiàn)切片間的分工，又比如，當(dāng)擴(kuò)展的新節(jié)點和老節(jié)點存在服務(wù)對象范圍的差異時，如新節(jié)點處理新用戶，老節(jié)點處理老用戶，或者新節(jié)點處理5G 用戶，老節(jié)點處理4G 用戶，這種情形下多個NF 的平等性被打破；還有像5G 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的會話過程，一般要求某個會話綁定在某個NF 上處理，相應(yīng)實施的均衡策略將考慮NF 如何分工。

這些例子都會導(dǎo)致NRF 以及NF 在完成注冊發(fā)現(xiàn)機(jī)制時處理變得復(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 會話綁定功能和服務(wù)。該服務(wù)確保針對特定PDU 會話的AF 請求路由到保存該PDU 會話信息的相關(guān)PCF。該服務(wù)允許NF 提供者（例如PCF）注冊、更新和刪除綁定信息，并允許NF 消費者（例如AF、NEF、DRA）檢索綁定信息。

具體地，當(dāng)PDU 會話分配IP 地址后，PCF 通過發(fā)送帶有“PCF 會話綁定”的資源URI 的HTTP POST 請求，來調(diào)用Register 服務(wù)操作，以便BSF 在數(shù)據(jù)庫中存儲相應(yīng)的綁定信息。在HTTP 請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：Subscription Permanent Identifier，類似4G IMSI）、GPSI（通用公共用戶標(biāo)識：Generic Public Subscription Identifier，類似4G MSISDN）、DNN（Data Network Name，類似4G APN）、PCF id 等。當(dāng)PDU 會話釋放IP 地址時，PCF 調(diào)用DeRegister 服務(wù)操作。AF/NEF/DRA 等NF 消費者則可以調(diào)用Discovery 服務(wù)操作，獲得BSF 中PDU 會話的所選PCF ID。

該例子不再從負(fù)載量的均衡角度，向NF 消費者提供如何選擇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)的功能還會更復(fù)雜一些。

該擴(kuò)展方式的價值還在于，當(dāng)增加PCF 新節(jié)點，NF消費者不必?fù)?dān)心如何在新老節(jié)點之間作負(fù)載均衡，甚至不像LB 和NRF 方式需要考慮新節(jié)點和老節(jié)點的容量比例來完成業(yè)務(wù)請求的分發(fā)，或者一些特定需求，比如5G用戶由新節(jié)點處理，其他用戶在老節(jié)點處理的時候，LB和NRF 還需要增加對用戶類別的判斷，然而一般而言，LB 和NRF 這類負(fù)載控制NF 將難以完成這類業(yè)務(wù)相關(guān)的工作，甚至部分NF 消費者也難以做出判斷。

可見，該方式更合適節(jié)點數(shù)動態(tài)變化的場景，這正是稱該方式為負(fù)載均衡功能的“擴(kuò)展方式”的原因。

3 擴(kuò)展新節(jié)點的負(fù)載均衡策略

擴(kuò)展新節(jié)點需求不僅來自常見的擴(kuò)容需求，包括增加新型節(jié)點或同類型節(jié)點兩類情況，還見于引入新供應(yīng)商的節(jié)點，為此，如何實現(xiàn)新老節(jié)點共存，以及新老供應(yīng)商的節(jié)點共存，是負(fù)載均衡策略的另一個挑戰(zhàn)。此外，擴(kuò)容或縮容導(dǎo)致節(jié)點本身的處理能力變化，可看作是刪除老節(jié)點后增加新型節(jié)點的情況。

當(dāng)NF 提供者集群擴(kuò)展新節(jié)點，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，最簡單情況是，現(xiàn)有只有一個NF 提供者，無須提供負(fù)載均衡策略，當(dāng)擴(kuò)展一個新的NF 提供者時，就需要達(dá)成負(fù)載均衡的初始態(tài)，同理，再擴(kuò)展一個新節(jié)點時，若把原有的兩個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)將對此作詳細(xì)闡述，既包括擴(kuò)展新節(jié)點，也包括刪除老節(jié)點的情況。以PCF 集群為例，一般要滿足如下幾點需求：

（1）各節(jié)點負(fù)載均衡或特定要求下，為PDU 會話分配IP 地址和相應(yīng)的PCF 節(jié)點。

（2）通過增加PCF 節(jié)點實現(xiàn)動態(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)點實現(xiàn)動態(tài)減少容量，如下電老舊的PCF 節(jié)點。

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

為實現(xiàn)NF 節(jié)點之間的動態(tài)均衡，圖6 給出一種加入管理控制的負(fù)載均衡設(shè)計方案。

以新增一個PCF 節(jié)點為例，描述PCF2 上線前的準(zhǔn)備過程：

（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，支持實時上報容量等資源，以及負(fù)載等實時性能統(tǒng)計，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，并且支持上報相關(guān)性能統(tǒng)計。

PCF2 上線的業(yè)務(wù)處理過程如下：

（1）PCF2 通知Agent 可以處理業(yè)務(wù)請求，并報告相關(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，如某個時間段后的用戶接入都由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 開始處理業(yè)務(wù)，并向Agent 上報容量和負(fù)載實時統(tǒng)計信息，Agent 確定PCF2 進(jìn)入服務(wù)。

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

（1）PCF2 通知Agent，申請退出“服務(wù)提供者”角色，并報告待退出的相關(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)請求分發(fā)列表，如某個時間段后的用戶接入由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 上報容量和負(fù)載實時統(tǒng)計信息，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，有如下交互過程：

（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，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PCF2 的新增容量，等負(fù)載均衡的性能統(tǒng)計達(dá)到要求并保持穩(wěn)定后再通知老節(jié)點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，實施負(fù)載均衡控制，給PCF2 分發(fā)更多的業(yè)務(wù)請求。

（5）PCF2 的新的業(yè)務(wù)組件達(dá)到穩(wěn)定運行要求后，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，有如下交互過程：

（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，通知LB 和PCF2。若是相應(yīng)由PCF1來替代，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)請求。

（5）PCF2 的業(yè)務(wù)組件達(dá)到穩(wěn)定運行要求后，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)點或者以新節(jié)點替換老節(jié)點的場景下，一般新老節(jié)點的類型不同，替換前需要共存較長時間，負(fù)載均衡策略受到新老節(jié)點的運行狀態(tài)的影響，既需要動態(tài)控制，還需要支持人工干預(yù)，所以，采用同類型節(jié)點之間的負(fù)載均衡策略無法滿足需求。那么，針對上述難題，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。

以移動網(wǎng)絡(luò)的用戶終端自動開通VoIP 業(yè)務(wù)為例。移動終端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，為此要獲取相關(guān)注冊信息，包括P-CSCF IP 信息，用戶名和密碼等。

圖7 所示是某項目設(shè)計的終端APP 和UDC（用戶數(shù)據(jù)中心）交換的放號業(yè)務(wù)流：

圖7 單節(jié)點UDC的自動放號業(yè)務(wù)流

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

（1）APP 向Prov_Ser 建立HTTP 服務(wù)過程，發(fā)送HTTP Get 消息，消息體包含MSISDN 和IMSI 號碼。

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

（3）Prov_Ser 生 成MML 指 令，向UDC 發(fā)送該PVI（私有標(biāo)識）的修改鑒權(quán)信息請求、更新用戶名和密碼。

（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，包含用戶名和密碼，以及P-CSCF IP 信息。

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

如圖8 所示，當(dāng)引入新型UDC2 時，要求MML 指令在新老UDC 節(jié)點之間實現(xiàn)負(fù)載均衡。新UDC2 和老UDC1 服務(wù)的用戶范圍不同，一般分配不同的IMSI 號段，而且隨著新UDC 容量增加，負(fù)載均衡策略有動態(tài)和人工干預(yù)需求，因此，MML 指令分發(fā)采用傳統(tǒng)的LB 方式無法滿足需求，對代理注冊設(shè)備Prov_Ser 提出新挑戰(zhàn)。

圖8 兩節(jié)點UDC的自動放號業(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Prov_Ser屏蔽多UDC 即多個服務(wù)提供者的影響。該實例相比單節(jié)點UDC，當(dāng)Prov_Ser 發(fā)起某PVI 的鑒權(quán)信息修改請求時，其放號業(yè)務(wù)流區(qū)別在于，LB/Agent 實現(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)，并實時指定PVI 和UDC 的對應(yīng)關(guān)系；同時支持UDC1 和UDC2 向自己發(fā)起注冊，反饋實時的服務(wù)狀態(tài)。

2）若UDC 不支持注冊機(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 實時轉(zhuǎn)發(fā)Prov_Ser 的修改鑒權(quán)信息的請求，該機(jī)制存在LB/Agent 單點故障，故不推薦。

無論哪種工作機(jī)制，LB/Agent 都需要支持如下功能：

（1）LB/Agent 建立數(shù)據(jù)庫，保存PVI 和UDC 的對應(yīng)關(guān)系，以及UDC1 和UDC2 的實時服務(wù)狀態(tài)監(jiān)測。

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

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)LB 方式依然是基本的負(fù)載均衡策略的實現(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)化接口和注冊發(fā)現(xiàn)機(jī)制，為網(wǎng)元的多個節(jié)點提供更加完善的負(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)和自動化運維等新技術(shù)新網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)，客觀上要求不再局限在集群內(nèi)多個網(wǎng)元節(jié)點的負(fù)載均衡這樣的單一指標(biāo)，而能夠基于多維度的動態(tài)控制，比如依據(jù)網(wǎng)元的運行指標(biāo)，動態(tài)調(diào)整參與網(wǎng)絡(luò)處理的網(wǎng)元在新老節(jié)點，新老設(shè)備商之間的分布。

為此，本文擴(kuò)展了注冊發(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，如何實現(xiàn)考慮人工指令干預(yù)影響下的動態(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，比如遷移和割接的自動化設(shè)計、自動運維和負(fù)載均衡相結(jié)合的技術(shù)等，這些無疑將有助于運營商加速網(wǎng)絡(luò)開放，提升異廠家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備協(xié)同等網(wǎng)絡(luò)迭代和運營水平，而設(shè)計相關(guān)針對性的負(fù)載均衡策略和方案，將為運營商帶來更大效益。