控制和用户面分离架构的核心网容灾建设分析

宋鼎 中国联合网络通信有限公司河南省分公司网络发展部

一、引言

随着移动互联网的深入发展，以及“提速降费”政策的持续推进，各种移动创新业务如雨后春笋般蓬勃发展，这对网络带宽、时延、业务部署成本及效率提出了新的要求。

在现有网络架构中，传统GW 以集中的方式部署，媒体面数据传输距离长,转发时延大,新设备新业务上线周期长，导致用户体验不佳。

3GPP 提出了C/U 分离(CUPS)的解决方案，将GW-C 面和GW-U 面分离，各自独立部署。GW-C 面集中部署在中心数据中心；GW-U 可以靠近用户按需下沉部署。

对于5G 网络，其在设计之初就采纳了天然的C/U 分离架构，并结合了SBA(服务化架构)的理念。3GPP 定义的5GC 标准架构中，5G 核心网将用户面设计为独立的UPF（用户面功能）服务，而控制面进一步细分为各类服务，UPF 服务可以快速根据实际需要部署一个或者多个，其部署位置基于业务流量进行规划，可集中部署，也可下沉到边缘进行分布式部署，从而满足5G 大带宽和低时延的应用场景。

二、传统SAE-GW 网络现状以及问题分析

传统设备下沉存在着投资效率低、网络调整复杂、开通周期长、无法向5G 演进等缺点。

基于NFV 的CUPS 是解决当前网络问题的最佳解决方案。随着地市融合CDN 改造，以及OTT 视频cache 功能的实现，PGW-U 下沉到南阳本地流量优先从本地疏导。能够有效提升4G用户的业务体验、减少对承载网的压力。

NFV（Network Function Virtualization）是采用虚拟化技术、基于通用硬件实现电信功能节点的软件化，是未来通信网络的基础技术。核心网云化后可以有如下好处：

1、通过软硬件解耦，软硬件可以独立演进；

2、硬件基于通用COTS 设备来部署，硬件设备的更新速度也大幅加快；

3、云资源池的部署方式，大幅降低单位计算/网络/存储的成本（借助公有云降成本）；

4、解耦后更换软件，厂家硬件可以重用，避免厂家锁定；

5、解耦后软件的运行环境稳定，没有更换平台之忧，降低了软件开发难度，加快了软件的特性开发速度。

三、河南联通云化融合核心网CUPS 项目试点方案

为了验证NFV、CUPS 架构和性能，河南联通在2019 年初进行了CUPS 试点，试点基于NFV 架构的服务器部署融合核心网。本期项目在郑州建设一个资源池承载xGW 控制面，在南阳建设两个资源池承载xGW 媒体转发面，应用软件采用2G/3G/4G/5G 融合核心网（Common Core）版本。

郑州CUPS 控制面一个资源池、南阳CUPS 媒体转发面两个资源池，共44 台服务器，郑州和南阳共用一套NFVO/VNFM/vEMS。郑州为控制面，部署20 台服务器（17 台计算型服务器和3 台分布式存储服务器），部署MANO、vEMS、vCG 和vGW-C；南阳为媒体面，每个资源池部署12 台计算型服务器，部署CU 分离GW-U；

容灾方面考虑

（一）GW-C 的容灾

NFV 建设初期，在很长一段时间内，传统平台和NFV 平台将长期共存，将面临着传统网元和云化网元是独立组POOL 还是混合组POOL 的问题。混合组POOL 更加具备优势，无须改变现网POOL 结构，可以实现平滑改造，实现业务无损迁移，也具备灵活调整传统平台和云化平台的容量调整能力。

本次试点两个GW-C 与现网GW 组成POOL 进行容灾，现网MME 发现某GW-C 故障（如echo 消息长时间无响应）后，要求UE重新attach，而后选择其他可用的GW-C 接入业务。

本次试点验证传统平台和云化平台混合组POOL 场景。本期项目在郑州建设一个资源池承载xGW 控制面,应用软件采用中兴2G/3G/4G/5G 融合核心网（Common Core）版本。下沉到南阳的xGW 与洛阳大区xGW 组POOL，将南阳xGW 地址加入DNS 解析，南阳本地流量优先从本地xGW 疏导，洛阳xGW 作为容灾保障网络安全。下图红色轮廓区域（南阳市）使用CUPS 携带业务。混合组POOL 的情况为后续规模商用NFV 提供经验。

（二）GW-U 的容灾

本次试点所有C 面和U 面覆盖区域均为南阳，U 面有两个逻辑节点连接到同一个C上，这些UP 在图中对应U_Group，某个U_Group 只挂一个C 下。

U_Group下的GW-U 完全等价，当其中一个GW-U 宕机后，另外一个GW-U 可以完全接管业务。

GW-C 检测到其下所有GW-U 宕机时，释放在线用户，关闭echo 检测让MME 和其它GW 认为GW-C 宕机，回收在线用户，这样MME 就不再分担新接入的用户。

GW-C 的Recovery 增加，周期性尝试和UP 建立关联。后续,当GW-C 和UP再次成功建立关联，则由U 面可用，启用echo 功能（主动发/响应），携带变化后的recovery，让MME 知道GW-C 可用。

本次试点将验证U_Group 内的GW-U 容灾以及GW-C 下所有GW-U 宕机场景的容灾场景。

（三）DC 之间的容灾

除网元间容灾外，本次试点还验证了U 面DC 之间的容灾，在南阳张衡路机房和工业路机房各建立一个DC，将验证其中一个DC 宕机情况下，另外一个DC 内的GW-U 能否顺利的承接业务。

四、试点成果以及亮点

2019 年8 月初，该试点正式商用割接后，正式承接南阳地区40万用户业务。割接后设备运行平稳，各项业务指标正常，流量达到20Gbps。

割接期间，根据测试用例进行了多次容灾倒换测试，C 面之间的容灾与传统网元相同。U 面容灾着重验证了CU 之间瞬断、中断以及C 面对U 面的选择等情况，瞬断对业务无影响，中断对业务有影响，C面会自动选择可用的U 面。

用户规模割接上线后，各业务性能机容灾机制运行正常，能充分保障现有业务的平滑迁移；同时，取号平台业务实现顺利迁移，充分验证了CU 分离架构下对原有2I2C 业务架构影响，为后续规模部署提供了成熟的解决方案。