劉 作，陳 楊，黎 聰

（中國—東盟信息港股份有限公司，廣西 南寧 530200）

1 媒體網(wǎng)關(guān)主要功能

隨著向4G、5G核心網(wǎng)的演進，核心網(wǎng)網(wǎng)元功能在分組交換領(lǐng)域深度迭代。在模擬通信時代，信令與媒體不可分割。隨著對信令輕量化的需求，控制與承載分離成為2G、3G時代核心網(wǎng)架構(gòu)的標志。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)能力的提升和分組交換技術(shù)的深度發(fā)展，在當下的4G、5G時代，隨路信令再次回歸核心網(wǎng)架構(gòu)。隨著控制與承載分分合合幾十年，如今的輕量化部署與靈活應(yīng)用，對核心網(wǎng)功能網(wǎng)元的NFV化產(chǎn)生了硬性需求。

網(wǎng)關(guān)即完成兩個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間信息（包括媒體信息和用于控制的信令信息）相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（The Internet Engineering Task Force，簡稱IETF）在RFC2719提出了網(wǎng)關(guān)的總體模型，將網(wǎng)關(guān)的特征分為3個功能實體——媒體網(wǎng)關(guān)（MG）功能、媒體網(wǎng)關(guān)控制（MGC）功能和信令網(wǎng)關(guān)（SG）功能。

2 構(gòu)建媒體網(wǎng)關(guān)VNF應(yīng)用及切片能力

2.1 媒體網(wǎng)關(guān)NFV化部署及優(yōu)勢分析

5G網(wǎng)絡(luò)切片基于NFV和SDN技術(shù)，為了打破傳統(tǒng)核心網(wǎng)運行模式單一的狀況，采用各種運行業(yè)務(wù)綜合發(fā)展的模式，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先等級，能夠?qū)崿F(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)編排；基于NFV化的媒體網(wǎng)關(guān)，可以實現(xiàn)對用戶業(yè)務(wù)進行切片定制化，針對不同業(yè)務(wù)實現(xiàn)端到端業(yè)務(wù)編排能力，符合5G核心網(wǎng)的發(fā)展方向。

ETSI網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化行業(yè)規(guī)范工作組（NFV ISG）在GS NFV 002（Architectural Framework）中定義NFV基礎(chǔ)體系架構(gòu)[1]，整體架構(gòu)由3部分組成。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化設(shè)施（NFV Infrastructure，NFVI）基于傳統(tǒng)硬件的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)3大硬件模塊，將其組成節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)鏈路通過hypervisor管理程序，將物理資源能力抽象為VNF應(yīng)用調(diào)用，提供應(yīng)用部署支撐環(huán)境。

虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtualized Network Functions，VNFs）是已定義好外部接口和功能行為的功能模塊。一個VNF就是某網(wǎng)絡(luò)功能部署在虛擬資源如VM中的一個實例。實際上，單個VNF可以劃分多個內(nèi)部元件，部署在多個虛擬機中。每個虛擬機承載VNF的一個元件，打包作為方案向外提供定制化服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的管理與編排（NFV Management and Orchestration，NFV MANO），主要用于編排管理VNF組件、配置及基礎(chǔ)設(shè)施，并管理VNF的生命周期，主要聚焦于NFV架構(gòu)中所需的所有虛擬化相關(guān)的管理任務(wù)[2]。

2.2 媒體網(wǎng)關(guān)VNF應(yīng)用構(gòu)建

媒體網(wǎng)關(guān)VNF應(yīng)用基于為用戶提供定制化切片服務(wù)，將媒體網(wǎng)關(guān)整體功能進行劃分，由多個子VNF共同構(gòu)成基于VNF的微服務(wù)集群。

（1）MG_Core：輸出媒體轉(zhuǎn)碼、放音及錄音合成等核心媒體操控功能。

（2）Signaling Control：提供信令支撐功能，包括信令轉(zhuǎn)換、sdp媒體協(xié)商以及到核心網(wǎng)元偶聯(lián)的建立與維護。

（3）SCP（Service Control Point）：核心業(yè)務(wù)邏輯控制與編排單元，基于面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，對其他子VNF網(wǎng)元提供業(yè)務(wù)邏輯控制，以及根據(jù)不同客戶需求提供定制化業(yè)務(wù)邏輯編排。

（4）DBS：提供數(shù)據(jù)庫和存儲支撐。

（5）ACP（Access Control Point）：對接用戶，為用戶提供的切片入口用于滿足定制化需求請求及響應(yīng)。

3 承載電信級業(yè)務(wù)穩(wěn)定性研究

3.1 流程與觀測指標

本文的分析流程劃分為3個部分：NFV平臺搭建與核心網(wǎng)對接、VNF應(yīng)用部署、問題分析與改進總結(jié)。

媒體網(wǎng)關(guān)VNF應(yīng)用指標，包括媒體協(xié)商轉(zhuǎn)碼，計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲硬件指標，流媒體錄音生成，業(yè)務(wù)服務(wù)連續(xù)性；（2）核心網(wǎng)對接指標參數(shù)，包括M3UA偶聯(lián)、CIC使用率和流媒體帶寬占用率。

3.2 NFV環(huán)境搭建及VNF應(yīng)用部署

NFV環(huán)境搭建整體架構(gòu)劃分。本文所述應(yīng)用場景是一種基于語音通話的電信增值業(yè)務(wù)平臺，提供語音通話接續(xù)、錄音、彩鈴等定制化功能。為形成對比及方便測試，整體劃分為超融合NFV集群和基于物理機的VMWare資源池。參考論文《基于NFV的媒體網(wǎng)關(guān)軟化技術(shù)應(yīng)用測試研究》的測試結(jié)論，軟化媒體網(wǎng)關(guān)組件CPU線程個數(shù)與響應(yīng)網(wǎng)卡IRQ的線程個數(shù)最佳配置比為1:8的情況下，分配2個線程用于響應(yīng)網(wǎng)卡中斷，使網(wǎng)卡SI%穩(wěn)定在25%以下[3]。此外，與核心網(wǎng)T局、H/L局通過sigtran協(xié)議互配OPC、DPC、GT碼，互聯(lián)互通。

基于VNF應(yīng)用能力輸出的靈活性和定制化需求，單粒度應(yīng)用部署采取兩種應(yīng)用標準。單粒度MG_Core支撐500媒體話路并發(fā)能力，各VNF應(yīng)用均按錄音轉(zhuǎn)碼要求配置。

3.3 業(yè)務(wù)承載與問題分析

本文旨在研究基于NFV部署的VNF應(yīng)用，在承載電信級核心網(wǎng)媒體業(yè)務(wù)時的系統(tǒng)穩(wěn)定性，包括從Hypervisor抽象底層設(shè)施的能力輸出效果、底層變更對應(yīng)用的影響以及VNF應(yīng)用性能指標。

3.3.1 錄音合成延遲問題

基于系統(tǒng)周期性抽檢錄音合成監(jiān)控機制，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在業(yè)務(wù)高峰期存在錄音合成延遲問題。抽檢規(guī)模為500個隨機樣本，以失敗案例為分子進行統(tǒng)計，嚴重時刻能達到60%的延遲，通過對物理層資源的觀測顯示，部署MG_Core的子VNF應(yīng)用會存在個別線程CPUIdle跳0，而集中在CPUWait等待資源釋放，持續(xù)時間0～9 s，此時CPU利用率超過60%。基于錄音合成優(yōu)先級低于媒體轉(zhuǎn)碼、接續(xù)等優(yōu)先級。此外，由于Hypervisor抽象物理資源所消耗的計算資源占比大概為30%，在系統(tǒng)媒體話路并發(fā)增高時，會出現(xiàn)底層計算資源搶占問題。

3.3.2 業(yè)務(wù)偶發(fā)閃斷問題

在系統(tǒng)上線使用過程中，觀測業(yè)務(wù)穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)存在偶發(fā)閃斷現(xiàn)象。閃斷發(fā)生時表現(xiàn)為系統(tǒng)呼叫量從2 400媒體話路并發(fā)瞬間降至0，振鈴量由于存量呼叫的關(guān)系由2 300話路并發(fā)降至280，接通量由1 250降至150，部署的MG_Core的CPU空閑率從60%釋放至95%，網(wǎng)絡(luò)流入流量監(jiān)控顯示流入的流量從600 kb/s降至30 kb/s，網(wǎng)絡(luò)流出流量從12 Mb/s降至0。IOPS讀寫由于媒體業(yè)務(wù)中斷原因?qū)懭胱兙彛瑥?00 r/s降至90 r/s，CIC使用率從1 200降至160。

通過排查發(fā)現(xiàn)，最早時刻發(fā)生中斷告警的為到核心網(wǎng)H/L局的sigtran偶聯(lián)中斷，每次中斷時間0～5 min。由于偶聯(lián)是支撐信令交互的傳輸通道，在偶聯(lián)發(fā)生中斷后無法對話路進行路由，導致發(fā)生業(yè)務(wù)中斷和底層物理資源的釋放。經(jīng)研究排查，在sigtran偶聯(lián)閃斷時，Signaling Ctrl應(yīng)用模塊所在的物理機存在突發(fā)重啟導致的冷遷移，導致5 min內(nèi)的業(yè)務(wù)中斷。

3.4 改進與結(jié)論

3.4.1 錄音合成延遲問題解決

經(jīng)3.3.2節(jié)對MG_Core子VNF應(yīng)用的分析，它的承載業(yè)務(wù)擴容基線CPU利用率在60%。當高于60%時，系統(tǒng)會出現(xiàn)資源搶占問題導致的錄音合成延遲。由于其他子VNF應(yīng)用模塊資源與MG_Core子VNF應(yīng)用存在資源利用差值，在其他模塊資源未飽和之前，可以動態(tài)擴容MG_Core子VNF應(yīng)用，降低整體資源利用率，解決資源搶占問題。此外，由于錄音合成基于ffmpeg組件，為防止單個線程被強占導致錄音合成掛死現(xiàn)象，通過配置ffmpeg錄音合成采用多進程綁定可避免該問題的發(fā)生。綜上，在部署MG_Core子VNF應(yīng)用時，可調(diào)整ffmpeg配置綁定多線程工作，同時對虛擬機資源進行監(jiān)控基線添加，當CPU利用率超過60%時，即可考慮動態(tài)擴容子VNF應(yīng)用方案。

3.4.2 閃斷問題解決

雖然閃斷是基于物理層故障暴露出來的問題，但經(jīng)分析可以從VNF應(yīng)用部署角度盡力避免該問題，即采用分布式部署與負載均衡策略，將VNF應(yīng)用部署在不同物理機上，采用偶數(shù)部署機制形成彼此互為熱備。當某個底層物理資源宕機遷移期間，部署在其他底層物理機所制成的虛擬機上的VNF應(yīng)用即可起到熱備份作用。通過該解決方案策略部署VNF子應(yīng)用后，系統(tǒng)業(yè)務(wù)閃斷問題修復，經(jīng)數(shù)日觀測無閃斷發(fā)生。綜上，在部署VNF子應(yīng)用時，將子應(yīng)用針對底層物理機資源采取分布式部署與負載均衡策略，可極大提高對底層物理資源障礙的容錯性，提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

5G網(wǎng)絡(luò)是萬物互聯(lián)的時代。NFV作為5G網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵技術(shù)，是電信核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢。本文以NFV為基礎(chǔ)環(huán)境，對媒體網(wǎng)關(guān)進行以VNF應(yīng)用部署為目的的功能分解與部署，制定了核心網(wǎng)電信業(yè)務(wù)承載穩(wěn)定性分析流程和技術(shù)指標，以系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)所暴露出來的問題為基礎(chǔ)，分析得到了能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的VNF應(yīng)用部署方案和MG_Core擴容基線數(shù)值，為基于VNF的媒體網(wǎng)關(guān)承載電信級業(yè)務(wù)應(yīng)用部署提供了參考。