关于5G核心网SCP网元负荷均衡优化的分析研究

李佳　刘赢　赵二宝

【摘要】随着5G网络的不断发展，在3GPP R16版本中引入了SCP网元，考虑到中国运营商网络规模与演进方向以及运营维护和融合计费等需求，在5G核心网部署SCP实现按需对部分接口消息特别是有漫游需求的接口消息，如Nudm、Npcf等消息进行转发显得尤为必要。通常在5G核心网融合计费场景SPC主要负责SMF和CHF之间计费请求和响应消息的转发。在采用全国全互联组网模式情况下，SCP网元如何高效、平稳运行值得运维人员深入思考，本文结合5G核心网以及SCP网元特点在维护优化方面进行了研究分析。

【关键词】5G核心网;SCP;网络优化

中图分类号：TN929                                  文献标识码：A                          DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.09.018

我国5G网络正逐步由导入期向成熟期快速演变，5G用户持续高速增长，随之而来的是网络压力的增加。5G网络平稳、高效运行显得尤为重要，为此，3GPP组织在R16版本引入了SCP服务通信代理网元，主要用于SMF（会话管理功能）与CHF（计费功能）的计费请求与响应消息的转发。5G网络商用初期SCP通常采用全互联方式互通，在网络扁平化提高效率的同时也带来了一些运维方面的难题。本文主要聚集SCP组网优化方面的研究与探讨，希望为5G网络的高质量运维提供借鉴。

1. 网络架构与融合计费介绍

1.1 网络架构介绍

5G核心网控制面采用服务化架构，SCP（Service Communication Proxy）作为5G核心网间接通信HTTP消息转发相关的重要网元，在5GC总线架构中的位置如图1所示。

SCP主要的功能包括：

1、间接通信，在服务消费者网元和服务生产者网元之间转发HTTP请求和响应消息，支持Nchf接口消息转发，可根据部署需求支撑Nudm、Npcf、Nausf接口消息转发。

2、灵活路由能力，包括基于号段寻址UDM/PCF/AUSF/CHF等网元。

3、代理服务发现，代理服务消费者NF向NRF发起服务发现流程。

4、负载均衡。

5、过载保护和流量控制。

6、切片部署。

7、信令监控和通信安全等功能。

在3GPP R15阶段，5G核心网各NF之间采用直接通信，服务消费者（Service Consumer）NF与服务生产者（Service Producer）NF之间直连。如图2所示：

3GPP R16阶段引入了SCP和间接通信，由SCP转接服务消费者和服务生产者之间的HTTP请求和响应消息，但SCP本身不对外暴露服务。如图3所示：

1.2 融合计费系统介绍

3GPP协议中，融合计费系统CCS（Converged Charging System）是指将原离线计费域在线计费流程融合。网络侧不再生成离线话单，由网络侧SMF（CTF）网元经由CGF（计费网关）与SCP调用统一的Nchf服务接口（N40）进行计费交互，该服务接口融合了离线计费与在线计费的消息，从协议上不再区分。

CHF（计费功能）作为在线计费的配额控制节点，对用户的各种业务执行在线计费的费率处理，完成用户费用的实时结算。

2. 融合计费与CHF负荷均衡流程

2.1 运营商融合计费流程

1、本省的用户使用5G业务时，计费消息由SMF1产生经由省内CGF1和SCP1计费给CHF1;

2、如若CHF1异常，CGF1产生离线文件话单并最终发给CHF1;

3、外省漫游到省1的用户，使用5G业务时，消息计费由SMF1传递至SCP1，再经SCP1-SCP2路由到归属省的CHF2;

4、外省漫游到省1的用户，如计费消息异常，CGF1出离线文件话单发送给CHF1，再通过FTP接口供集团平台获取，最终由集团平台发给归属省CHF2;

5、5G所有用户话单均由SMF生成，并由CGF生成全量计费话单文件，这些文件可用于计费结算和大数据分析等用途;

6、集团结算平台通常从各省CGF获取结算话单文件用于省间结算处理。

2.2 融合计费异常流程

CGF发送计费请求（charging Data Request）消息，经由SCP转发给CHF，SCP如果等待主用CHF的响应超时或者收到主用CHF的系统级错误码，SCP则选择备用CHF，向备用CHF重新发送计费请求（charging Data Request）消息。如果收到备用CHF的响应消息，则正常转发给CGF处理。

如果SCP等待備用CHF的响应超时或者收到备用CHF的系统级错误码，SCP则向CGF返回路由响应不可达错误码，CGF触发消息计费异常流程，将转至文件计费流程。

2.3 CHF负荷均衡流程

一般情况下运营商各省公司节点会配置多个CHF，新计费会话创建时会对CHF进行灵活选择，达到CHF负荷分担的目的。常用的选择策略有以下两种：

根据CHF的权重或优先级、负荷等灵活选择CHF;

根据SUPI、GPSI、CC配置灵活的选择CHF。

3. 实际生产中出现的问题与分析

3.1 SCP负荷异常

假设某计费中心有4台CHF网元组网方式采用主备方式，即一个DC中SCP路由出口配置四条链路，分两组使用。

如果CHF网元工作不是很稳定，常出现服务重启或者停机状态。通常当某个SCP主链路断的时候，会通过重选路由配置选择备用CHF进行消息的转发。当这种情况发生的时候，就会出现SCP的HTTP虚机CPU使用率过高问题。

从图5可以看出，当CHF故障时两台SCP的CPU峰值利用率都很高，长时间达到了80%使用率以上，甚至一度达到100%。因此，对SCP进行优化降低CPU的负荷优化势在必行。

3.2 问题原因分析

1、SCP位于CGF和CHF两个网元中间，负责计费消息路由转发的功能。SCP作为服务端处理CGF送达的计费消息请求是由SMP HTTP虚机处理，如客户端链路集中开在某一模块，在CHF故障时过多的消息，可能会导致SCP CPU负荷快速升高。

2、如果SCP采用SUPI号段进行路由选择，在商用前期SUPI号段用户数不均衡，有可能存在某个号段用户量大而导致消息量多，从而引发负荷不均衡等问题。

3.3 N40接口异常潜在的风险

根据5G核心网网络规范，终端在进行数据业务和语音业务时，PDU会话建立/更新阶段需触发计费流程;SMF的N40流程交互正常，是PDU会话建立的前提。N40交互存在异常，如CHF性能不足导致处理N40消息异常超时，会影响计费流程的正常交互，进而影响SMF的会话建立成功率，导致用户接入网络失败，无法正常进行业务交互。

4. 解决思路

4.1 服务端模块配置优化

某些设备在一些老版本上存在网管配置限制。当SCP作为服务端时，在IPv4/IPv6分发配置中的模块分布只能选择某一具体模块，而此配置中的多个模块又是主备配置，导致负荷始终集中到这个模块上。

可以通过增加补丁方式去除此配置限制，在IPv4/IPv6分发配置中的模块分布设置为0，表示不限制在某具体模块上。调整后验证，负荷有所降低，峰值负荷可降低20%左右。

4.2 SCP到CHF的链路分布优化

如果网络配置有2套CHF，每台CHF引用了2个客户端模板，对应2个模块，那么只能用到了4个SCP HTTP模块。如果SCP配置了16个SMP HTTP模块，由于CHF引用过少无法均衡分布到每个模块上。从而导致负荷虚高。

该问题可以通过增加SCP-CHF的链路数量方式解决，另外每个CHF引用8个客户端模板，每个客户端模板建2条链路，这样SCP与CHF总共建32条链路，每个模块上都有2条到CHF的链路，从而达到负荷相对均衡。经过测试验证，调整后负荷可以下降20%-25%左右。

4.3 CGF到SCP的链路数量优化

CGF到SCP的链路数量过少，如只有2条，而SMP HTTP模块有16个，也会引发SCP负荷不均衡问题。也可以通过扩链路方式解决，SCP有n个模块，那么需将CGF到SCP的链路扩容到n条。确保每个模块都有到CGF的链路。经验证，调整后，SCP负荷进一步均衡。

4.4 CGF到SCP的链路分布优化

SCP作为服务端，新建链路的分布是由系统自动控制的，如果在系统初始时只有一个模块A且建了链，那么系统会尽保持在原模块建链，因此CGF大部分链路会集中在A模块上，从而导致A模块的负荷偏高。

CGF与SCP间的链路，CGF侧作为客户端端口是固定的，那么根据这一点，可以按照CGF的端口配置IPv4/IPv6分发，将CGF的链路固定到具体模块，从而实现负荷均衡，但另一方面为保证每个模块均分配到链路，则需要CGF的端口数量至少等于SCP的SMP模块数量。

4.5 CHF扩容

随着5G用户数量快速增加，CHF侧的计费处理能力要同步扩容。否则会出现超负荷情况，从而导致N40接口消息处理变慢或丢弃N40消息，造成计费流程异常。进而造成PDU会话建立失败，影响用户正常使用。为确保CHF侧的计费处理性能稳定，CHF容量和处理能力要与用户实际发展情况同步完成扩容。

5. 结论

5G网络已经全面商用，2B和2C市场呈现出一片繁荣景象，5G技术由于通信性能指标的大幅提升，未来一定会对个人用户以及工厂、能源、交通、医院、教育等领域产生深远影响。网络的稳定运行是一切的基础，本文重点聚焦SCP网元负荷均衡优化，以解决实际运维过程发现的问题为导向，对网络潜在隐患进行了深入分析，通过研究发现负荷均衡优化要做的工作是多方面的，需整合周边网元能力以及内部模块挖潜，最终达到一个相对理想的目标。希望通过本文的介绍能为业界从事运维工作的一线人员提供借鉴。

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