5G NGC — 关键技术 — R16 eSBA
目录
文章目录
- 目录
- R15 SBA 导致的问题
- R16 电子型SBA
- SCP导致NFs之间的通信模式得到增强
-
模型C
- 模型D
- 模型C与模型D
-
NF / NF Service Set 带来的可靠性增强
-
R15 SBA 带来的问题
基于 SBA 架构的 5G 核心 NFs 数量众多，全网各 NFs 之间通过直接互联通信连接，各 NFs 之间的 HTTP 链接数量极大，对 NF 的性能规格要求更为严格。特别地，省际 NFs 之间的信令链路，在采用直连通信的情况下，占据了过大的承载网带宽资源。
伴随5G网络的持续发展，4G用户向5G网络迁移过程中的大规模迁移，使得业务承载能力持续提升。通过全网NFs直连通信方式的引入，网络将面临前所未有的挑战。
另外，5G移动通信网正面临OICT深度融合的挑战，对网络质量要求不断提升。R15标准下的5G Core NFs实现了计算功能与存储功能的分离，但仍存在业务功能模块与数据处理模块尚未完全分离的情况。在实际网络部署中，若采用传统池式架构的容灾备份机制，不仅不支持热备冗余，且会导致业务中断时间过长。此外，还采用N+1热备冗余方案，这不仅增加了网络资源的冗余配置，还导致整个网络的资源利用率下降。
R16 eSBA
R16 引入了 eSBA（enhanced SBA，增强的服务化架构），提供了 2 个增强：
该系统引入了无状态的备份容灾机制，主要包含以下核心组成部分：首先，实现了网元集合的动态管理；其次，构建了服务集合的多层次架构；再次，优化了上下文迁移机制；最后，完善了服务上下文迁移机制。
该文采用了 SCP（Service Communication Proxy，服务通信代理）作为服务化网元之间通信的桥梁，使得 NFs 之间能够借助 SCP 实现非直接通信。
SCP 带来的 NFs 间通信模式增强
随着网络规模的不断扩大，直连组网的连接管理复杂度也随之上升。尽管运营商通过NF提升连接管理能力，但快速有效解决连接数量及灵活适配需求仍显困难，因此需要考虑引入SCP以实现连接汇聚。
SCP 可支持新型的信令寻址与路由方案。基于 SCP 的信令集中路由和转发机制，简化了网络架构，使运营商的信令网从网状结构优化为星型架构，减少了需要维护的信令连接数量，降低了信令链路总数，同时降低了 NF 的信令组网能力要求，便于集中管控业务功能。此外，SCP 的引入还能够屏蔽区域内 NF 的拓扑结构，适用于运营商间漫游场景。SCP 代理服务或 HTTP 代理模式可实现对整个运营商网络的集中管控，汇聚省间 HTTP 信令链路，优化生产者负载和过载控制，实现了网络负载均衡和信令风暴的收敛。
SCP 网元，主要负责间接通信和代理发现。定义了 2 大类、共 4 种通信模式：
直接通信模式：基于本地策略，Consumer能够识别NRF并探测到Producer，随后，该Producer与Target Producer之间建立通信连接。
- Model A：无服务发现直接通信模式；
- Model B：服务发现直接通信模式；
间接通信类型：Consumer 和 Producer 采用 SCP 实现间接通信。SCP 在消息转发过程中完成链路汇聚、消息转发、代理服务发现，并提供部分增值业务功能。
Model C 采用无代理发现的间接通信模式；
Model D 采用代理发现的间接通信模式。
Model C
Model C方案支持从3GPP R15直连模式到R16非直连模式的最平滑升级过程，对服务消费者的影响最小。
根据服务发现结果，消费者将根据发现到的NF Set或NF Set中的一个NF Instance进行选择。消费者将通过网络向Service Provider（SCP）发送业务请求消息，消息中将包含指向NF Service或NF Service Set的生产者地址。当地址指向NF Service Set时，SCP将选择一个NF Service Instance。如果满足相关条件，SCP将通过网络与NRF进行交互，以获取选择参数，例如位置、容量等信息。随后，SCP将服务请求消息路由给所选的生产者。
Model D
Model D的Consumer不参与任何服务发现或选择流程。该Consumer将服务请求发送至SCP，并在服务请求消息中包含必要的服务发现参数和选择参数。SCP将利用请求消息中的地址、服务发现参数和选择参数向NRF发起服务发现操作。根据SCP通过服务发现所获取的结果信息，将服务请求消息路由至相应的Producer。
基于运营商制定的策略，SCP 采用 NRF 作为服务发现的手段。按照 SCP 本地策略，将请求消息路由至服务生产者实例。
Model C v.s. Model D
在Model C框架下，SCP主要负责实现信令消息的转发功能，其中部分消息经由SCP进行处理，而另一部分则未经过SCP的参与，因此SCP在该模型中的性能要求相对较低。在Model D框架下，SCP除了负责信令消息的转发外，还需承担代理服务发现的任务，同时关注其他网元的状态信息，导致需要处理的信令消息数量显著增加，因此SCP在该模型中的性能要求显著提高。
当 SCP 发生故障时，在 Model C 下，Consumer 仍可通过简单的机制直接选择 Producer 来完成业务流程的处理，对整个网络的影响较小，风险可控；而在 Model D 下，由于业务流程的特殊性，Consumer 无法直接选择 Producer，导致业务流程失败，对网络的影响较大，风险较高。Model D 在简化了 Consumer 的处理逻辑的同时，实质上改变了其行为模式，从而增加了网络整体演进的复杂性。
无论采用 Model C 还是 Model D，NF 的服务注册、注销、更新等操作均直接与 NRF 进行交互。在 NRF 功能实现、部署架构以及业务处理等方面，与引入 SCP 前相比基本未发生变化。因此，运营商在实际网络部署中应充分考虑实际组网情况，直连模式、Model C 模式及 Model D 模式需要综合考虑，采用并存部署策略。
NF / NF Service Set 带来的可靠性增强
在传统的移动核心网部署中，采用资源池（POOL）的容灾备份机制，将多个 CP NFs 组成一个 POOL，实现网络资源的均衡分配与共享，从而确保了网络的安全性、可靠性、高效性以及维护的便捷性。对于 R15 的 5GC CP（如 AMF），虽然采用了资源池的策略，但不提供热备功能，实际部署中可采用 N+1 方案、链式备份等方式以实现网络的冗余与稳定性。
R15的5GC NF采用无状态设计，实现了计算与存储的分离。UDSF将NF的数据存储功能独立化，天然具备的数据备份优势使其在数据备份方面具有显著优势。在此之上，R16的5GC首次提出了NF集合（NF Set）和NF服务集合（NF Service Set）两个核心概念。
多个NFs可组成为一个NF Set，多个NF Service可组成为一个NF Service Set。一个Set内部的NF或NF Service具有完全相同的功能，并共享所有数据。当Set内部任意一个网元或服务出现异常时，其余网元或服务均可接管相关业务，从而实现快速业务迁移和恢复，提升系统可靠性。
无状态机制的核心概念是以计算与存储分离为基础的数据共享机制，可以采用两种不同的实现路径。
第一种是 UDR/UDSF 的集中存储数据。其中，UDM、AUSF、PCF、NEF 将数据存储至 UDR，而其他类型 NF 则将数据存储至 UDSF；
第二种是集合内的数据共享，例如：链式备份等。运营商可基于已部署的主备、池组等现有容灾备份机制，依据网络可靠性需求，按网元类型逐步引入。
如图所示，部署NF instances和NF Service Instane均可采用Set方式进行部署。Set内的NF / NF Service之间可以互换，这得益于Set内所有NFs / NF Services共享相同的上下文数据。且可部署于不同的位置。Set的定义则提供了NFs / NF Services间共享用户上下文的机制，实现了NF / NF Service故障时用户不在线，支持在线业务热备的功能。实际上可作为一种增强POOL方案在实际网络中部署，从而显著提升了网络的可靠性。
Set 机制通过实现了分布、冗余和可伸缩的网络特性。在故障发生、负载均衡或负载重均衡的情况下，同一个 Set 内的备选NF或NF Service可替换正在工作的NF或NF Service。
这种网络的可靠性设计需要同时工作在两种通信模式，即：
在直接通信模式中，Consumer 参与其中，完成可靠性相关流程。在间接通信模式中，SCP 参与其中，完成可靠性相关流程。
