基于SDN 与NFV 的云通信软交换能力切片化部署稳定性研究*

陈 杨，刘 作，黎 聪，龙俊霖，赵群帅

（广西东信易通科技有限公司，广西 钦州 535000）

0 引言

随着移动通信技术从2G、3G 发展到4G、5G，时分复用和报文交换技术也在持续迭代和发展。2G、3G 的发展应用在解决了模拟信号质量问题的同时，首次将分组交换和网际互连协议（Internet Protocol，IP）的概念引入通信网络。然而相较于电路交换，分组交换的实时性较低。随着传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）在互联网领域的成功应用以及3网融合概念的推进，TCP/IP 在电信网络中得到推广和应用。作为5G 两大核心技术，软件定义网络（Software Defined Network，SDN）与网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）均离不开TCP/IP 协议。其中，NFV 是虚拟化云计算发展下提出的网络功能虚拟化概念。随着5G 万物互联时代的到来，各行业在互联网及物联网的应用对网络功能可定制性、可变更性、易扩容性提出了更加严苛的要求[1]。

本文提出的软交换系统应用于4G、5G 网络。与传统的控制与承载分离不同，该系统的主要控制方式是随路信令。该信令与会话描述协议（Session Description Protocol，SDP）及交互 式连接设施（Interactive Connectivity Establishment，ICE）相结合，解决混合云化部署后所形成的内外网网络地址转换（Network Address Translation，NAT）穿越问题。该信令与Docker 容器相结合，实现应用pod 解决动态弹性伸缩扩容问题。

软交换系统中的软交换主要逻辑功能包括：用户鉴权与接入、对接核心网络、实现互联互通、媒体流的控制及转码、话单与计费能力[2]。

1 基于SDN 与NFV 的系统能力构建及优缺点分析

1.1 SDN 与NFV 技术

SDN 与NFV 是支撑5G 网络切片的两大核心技术，旨在颠覆传统专用硬件组网的通信网络。SDN与NFV 优势如图1 所示，将这两种技术与云计算及IT 快速迭代敏捷开发相结合，能通过快速编排能力的方式输出定制化需求，符合万物互联与移动互联网时代下的核心网发展趋势。

图1 SDN 与NFV 技术的优势

随着5G 技术的逐渐成熟，网络功能虚拟化技术的应用已具备成熟的基础设施环境[3]。然而，在SDN 与NFV 的底层技术以及顶层的互联网化应用需求的相关研究中，仍存在研究空白。电信运营商的通信产品离真正的“互联网+”通信时代仍存在不小差距。

1.2 软交换VNF 能力组建

软交换虚拟网络功能（Virtual Network Function，VNF）应用包含5 个逻辑模块。它们彼此之间可以灵活组网及均衡负载，并能够根据业务形态需求进行定制化部署。该5 个逻辑模块如图2 所示。

图2 媒体网关切片

图中5 个模块的主要功能如下文所述。

（1）媒体服务器（Media Server，MS）：负责实现媒体协商、转码、录音以及放音等功能。

（2）信令网关（Signal Gateway，SG）：负责实现信令协议栈及呼叫过程控制，包括sip、ss7 和bicc 等。

（3）业务逻辑处理模块（Service Control Function，SCF）：编排原子通信能力，定制化输出服务给B 端客户。

（4）数据库系统（Data Base System，DBS）：存储话单、录音机放音文件。

（5）媒体服务器控制单元（Media Server Contrl Point，MSCP）：负责打造原子化通信能力。

1.3 软交换切片

基于VNF 的软交换应用切片能够定制化部署与承载业务，图3 所示为软交换切片内服务调用过程。

图3 一个切片内的服务输出

2 云通信系统稳定性研究

2.1 测试流程及指标

云通信系统测试与问题暴露遵循的框架流程如图4 所示，包括私有云平台搭建及网络互通配置、系统上线部署及监控采集搭建、问题暴露及调优[4-6]。其中，监控采集搭建所监控的业务指标包含以下两大领域。

图4 系统建设与分析框架

（1）软交换性能指标：私有云底层3 大资源指标、录音监听转码、系统服务性能；

（2）核心网资源指标：Sigtran 耦连及电路识别码(Circuit Identification Code，CIC）电路码使用情况、媒体通道带宽情况[7]。

2.2 系统能力部署

搭建私有云是构建NFV 环境的基础，本文研究的云通信平台基于研究私有云部署与物理机部署服务的性能对比，旨在将通信技术（Communication Technology，CT）通信网的能力通过定制化编排实现互联网快速输出云化的通信服务[8-10]。系统组网规划如图5 所示。

图5 系统组网架构

软交换应用部署采用小粒度大集群方式，单个粒度节点承载并发能力上限设置为600，单节点配置详情如表1 所示。图6 所示为到核心网偶联建立过程。

表1 VNF 应用部署粒度

图6 到核心网偶联建立

2.3 测试与问题暴露

本文旨在建设高稳定性的云通信能力平台，其中最重要的指标是使系统达到电信级稳定性能，其次是系统总体延迟、各模块协作实时性及系统易扩展性等性能指标。

2.3.1 话路监听转码服务挂死

录音监测机制的建立是为了捕捉线上出现问题的瞬间系统信息，以方便还原复盘定位问题。图7为系统告警推送信息，系统通过监测合成实时性效率，捕捉到随机偶发话路转码服务被挂死现象其发生延迟的概率约为4.62%，信息捕获如图8 所示。经分析，基于任务优先级划分以及虚拟调度层所产生的计算能力支出大概占CPU 能力的30%，当系统呼叫量并发达到峰值时，会出现系统瓶颈[11-12]。

图7 录音抽查报警

图8 资源抢占导致线程挂死后捕获到的信息捕获到的信息

2.3.2 核心网链路中断问题

在系统运行期间，系统支撑运行呼叫业务时而发生服务中断，表现为存量呼叫无影响，但无法继续增加呼叫，即无法获取信令路由[13]。经复盘定位，基于NFV 部署的软交换系统与核心网对接的信令模块所在底层资源，存在因故障Reboot 所引发的虚拟漂移、浮点IP 丢失、Sigtran 需要重新握手、信令通道中断，导致无法正常路由，影响了增量的话路呼叫。图9 为虚机迁移过程，图10 为1 周时间内统计闪断数据，图11 为闪断发生时各资源使用情况。

图9 虚拟机迁移

图10 7 天闪断统计结果

图11 业务闪断及底层物理资源使用数据

2.4 系统优化及结论

2.4.1 解决虚拟化层计算资源抢占问题

通过7 天连续统计与观测，当底层物理计算资源使用率超过70%时，将有概率出现服务抢占线程导致的卡顿问题。解决办法为：通过容器云引入pod 自动扩容方式进行优化，及时扩充底层物理资源；通过优化录音转码组件，将服务绑定单线程改为多线程，比例由1:1 改为1:N后，组合策略观测，问题延迟出现概率从4.62%降至0%。图12 为优化后的系统业务运行观测图。

图12 采取优化方案后业务连续性观测

2.4.2 业务中断问题解决

在定位出业务偶发中断问题原因后，解决方案采用业务层面的负载均衡及边缘分布式承载策略。将关键模块业务节点镜像部署于不同云环境中，应用总数采用偶数，架构层面50%互为主备，当出现该黑天鹅事件瞬间，实现自动业务转移，达到容错目的。经优化后连续观测，系统稳定运行无中断。

综上所述，在基于NFV 打造电信及稳定性应用时，可以联合K8S 的pod 弹性伸缩与扩容以及优化第3 方组件方式[14]，打磨电信级稳定性应用。然而，NFV 虚拟化底层的调度策略只能解决基础可靠性，同时业务稳定性的保障离不开业务层面的架构设计，需要在运行中不断打磨，长期来看架构稳定性是需要不断修改的[15]。

3 结语

5G 的两大核心技术均基于软件及算法，提高了灵活性的同时，对网络功能虚拟化定义及部署提出了更严苛的要求。本文系统性建立了测试机制，构建了SDN 与NFV 系统基础组网环境，部署了VNF 应用切片，并对实际承载业务进行观测与统计分析，解决了系统闪断及录音延迟问题，为行业VNF 应用切片运行稳定性打磨提供了一定的经验与见解。