5G核心网的负载均衡策略
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5G核心网的负载均衡策略
史庭祥1,2，方琰崴1,2，李立平1,2
（1.中兴通讯股份有限公司，江苏 南京 210012；
2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055）
【摘 要】网络运营效率和服务质量是5G网络建设的重要指标，有效的负载均衡策略将起到基础性作用，而基于服务化架构和接口的网元是5G核心网和4G的主要区别之一，因此在对其进行分析的基础上，给出了多种负载均衡方式，并引入新老设备供应商的网元和新型节点的场景，试图构建出新的负载均衡策略的网络架构和控制流程，最后对实际业务案例进行了分析。
【关键词】5G；核心网；负载均衡；注册发现；服务化接口
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.01.007
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2021)01-0035-07
引用格式：史庭祥,方琰崴,李立平. 5G核心网的负载均衡策略[J]. 移动通信, 2021,45(1): 35-41.
1 负载均衡的新挑战
“负载均衡（LB, Load Balancing）”最初在IT网络体现为一种算法，以便实现集群的负载均衡，最直接的目标是实现怎么选择集群中的下一个节点，把服务请求传递给该节点。最简单的算法比如轮询法，当算法不佳时，集群的负载就会失衡[1]。
随着云计算技术的普及，负载均衡更多地体现一种服务，通过流量分发为客户提升应用系统的服务能力，也包括提升系统的可用性、避免单点故障等。最初负载均衡提供的是面向网络层的均衡场景，实现基于TCP/UDP等L4分发；之后增加对应用层的分发能力，即L7的流量分发能力，支持HTTP/HTTPS等应用层协议，而且具备弹性和大规模的分发性能，实现内生性的服务集成能力，进一步提供专业化的负载均衡服务[2]。
然而运营商CT网络比IT要复杂的多：5G网络相比2G/3G/4G而言，不仅业务功能更加复杂，而且引入基于HTTP2的服务化接口改变了网元之间传统的信令消息通讯架构[3-5]。2G/3G/4G网络为实现业务层面的消息分发，采用“路由类网元”实现，如2G/3G网络的STP、4G网络的DRA，后者比前者采用更加灵活和简化的Diameter协议，进一步有利于异厂家设备互通，满足网络开放的要求。
如图1所示，2G/3G/4G网络一般和5G网络混合组网，为表述清晰，具备消息交互架构的网元一般分为如下几类：
（1）Provider_NF：即NF提供者，提供服务的网元，取名Provider是为套用5G注册发现机制。
（2）Consumer_NF：即NF消费者，消费服务的网元，取名Consumer是为套用5G注册发现机制。
（3）相邻_NF：Provider_NF和Consumer_NF交互过程中的相关网元，比如网管、数据库等服务提供者或调用者，或第三方的业务或服务等。
（4）路由_NF：即路由类的网元，如STP、DRA或者5G的SCP（服务通信代理），或者是外部LB等专用负载均衡设备。当然可以不配置路由_NF，由Consumer_NF根据自己的负载均衡策略选择Provider_NF，这种情况等效为“路由_NF”内置在Consumer_NF，而独立的“路由_NF”更加复杂，本文仅讨论独立配置。
鉴于5G网络和2G/3G/4G网络的长期共存性，负载均衡需求有3种场景：
（1）2G/3G/4G网络中新老Provider_NF的负载均衡问题，包括扩容和增加新的服务节点或新供应商替换老供应商的设备的过渡时期。
（2）5G网络中新老Provider_NF的负载均衡问题，包括扩容和增加新的服务节点或新供应商替换老供应商的设备的过渡时期。
（3）2G/3G/4G网络有老Provider_NF，新建5G网络有新Provider_NF，包括扩容和增加新的服务节点或新供应商替换老供应商的设备的过渡时期。
同时，以上三种场景都存在新老“路由_NF”的协作问题。作为可选项，为统一调度新老Provider_NF，新的路由_NF一般也会连接老的Provider_NF。其二，当然可以不引入新的路由_NF，但是一般会引入，原因有两点：1）路由_NF需要更多的功能甚至依赖改变产品架构才能提供，比如信令转发功能在5G网络定义为SCP新网元，无法在4G的DRA网元上升级支持；2）引入新供应商的Provider_NF时，相应伴随着带入新的路由_NF，避免和老的路由_NF对接风险。
可见，在2G/3G/4G和5G混合网络情况下，负载均衡的复杂性远甚以往，不像IT网络仅仅提供外部负载均衡设备就能满足应用层设备的负载均衡需求。
2 负载均衡的多种方案的比较分析
负载均衡一直是无线核心网的组网方案面临的重要议题和研究方向之一，仅从核心网的网元集群的角度，就有2G/3G/4G的Pool方案，还有5G的NF Set方案，可见，集群在各代网络都有可靠性和容灾设计，此处不赘述[6-7]。
然而它的局限性在于对网元的要求较多，而且依据业务实现的特点进行针对性的设计。以NF Set方案为例，组成集群的NF要求具备相同类型、相同服务，甚至相同切片的控制面NF，而且同一个Set内的不同NF实例彼此共享在线业务的上下文数据，以便实现Set内各NF实例之间的相互冗余倒换，同时在线业务不中断，新建业务不受影响，目前仅应用于AMF Set和SMF Set[8]。
而本文研究的是：不对NF提出个性化需求，也不面向特定的业务场景的情况下，如何设计负载均衡方案和所依据的策略，以期具备更强的通用性。一般而言，有如下制约条件，用于评估负载均衡策略的优劣性：
（1）专业化分工
负载均衡功能由独立NF或独立组件完成。
（2）可用性的负面影响最小
负载均衡功能的目标是最大化提升Provider_NF集群的可用性，一方面避免单点故障，另一方面最大化分发性能。但是，若为此引入的负载均衡NF或服务本身有可用性问题，反而降低整个系统的可用性，结果可能得不偿失。
（3）分发的灵活性
灵活性指的是：分发策略在哪些方面做到负载均衡，以及做到怎样的程度。例如，集群中多个节点之间负载均衡，依据哪些指标评估均衡性。鉴于各节点的资源被动态分配和释放，因此，负载均衡从资源角度称为DRS（动态资源均衡），一般有如下指标：
1）CPU利用率，避免负荷过高的节点；
2）存储资源的空间占用率，均衡各节点的IOPS；
3）能耗监控，极低能耗的节点退出服务，通过迁移方式调整负荷，减少能源浪费。
负载均衡的程度，一方面和均衡算法有关，每次选择哪个节点，和决策过程类似，由初始负载分布和当期的事件输入决定，另一方面和评估指标综合折算有关，单一指标会导致实际负荷的不准确性。
（4）分发的精准性
某些应用场景需要准确分发到特定的节点，如响应消息必须回到请求消息的处理节点完成处理；又如节点和用户或会话有对应关系的情况，当选择特定的用户或会话时，必须分发到该节点，其他节点没法处理。
下面将详细描述三类典型的负载均衡方案。
2.1 LB方式的负载均衡
LB提供负载均衡功能，不仅实现NF提供者集群（如图2的UPF Group）内多个成员的负载均衡，还便于NF消费者在不感知NF提供者集群情况下获得相关服务，并起到隐藏集群内部拓扑的作用。
服务请求的接收端：一般根据多个NF提供者的CPU占有率，LB分发服务请求到适宜的NF提供者，以满足负载均衡或设定的均衡策略，为此，NF提供者集群的管理面要和LB打通，传递相关信息。
NF提供者处理端：不只是被动接受LB分发的服务请求，还提供再均衡机制，当接收服务请求的NF提供者负载达到门限时，会将过量的业务流转发到其他低负载的NF提供者。
为此，NF提供者之间的内部通讯不可缺少，同时，传统LB方式所需的专用LB NF或模块，一般由NF提供者一并提供，以便支持和LB的内部接口。这是电信网络比IT网络有更高可用性的表现之一。
2.2 NRF方式的负载均衡
LB方式是2G/3G/4G网络常用的负载均衡方案。5G网络的NF之间通讯支持服务化接口，引入NRF网元，提供注册发现机制。
如图3所示，SMF和UPF之间通讯服务设计中，作为服务提供者，UPF集群内的每个UPF向NRF注册，提供UPF的状态信息，还通过更新流程将动态负载信息实时同步给NRF；SMF是服务消费者，向NRF发起签约请求，签约UPF的状态信息。
负载均衡的动态过程描述如下：
（1）服务消费者SMF通过签约流程获得UPF的负载信息；
（2）高流量导致UPF1负载偏高；
（3）UPF1向NRF发起更新流程，同步最新负载信息；
（4）NRF通知SMF，其签约的UPF1的最新负载信息；
（5）SMF调整路由策略，以便适应UPF负载的动态变化，具体动作是将UPF1的业务流卸载到UPF2，以降低UPF1偏高的负载。
上述通过设置NRF和注册发现机制，实现系统级的负载均衡，而且NRF作为管理者角色，即使成为故障点，也不会导致NF消费者和NF提供者之间的通讯中断，这显然优于LB方式的负载均衡方案。但是，NF消费者和NF提供者是全拓扑连接，使得每个NF的路由配置极其复杂，同时4G和5G融合网络是5G建设初期的必由之路。因此，针对NF节点众多的大规模4G/5G网络需要建立信令Hub节点，即新NF：SCP，以便简化信令路由配置，并维持信令路由的灵活控制。为此，3GPP 23.501 R16版本定义和SCP/NRF交互的操作流程。
图4展示了业务NF和NRF/SCP的交互模式，图的左侧所示模式称为“Indirect communication without delegated discovery（无发现代理的非直接通讯）”，即规范定义的Option C，右侧图所示的模式称为“Indirect communication with delegated discovery（有发现代理的非直接通讯）”，即规范定义的Option D。这里的“发现代理”指：NF消费者对NRF不可见，而直接和SCP通讯，由SCP代理其和NRF通讯；“非直接通讯”指的是：NF消费者和NF提供者不直接通讯，而通过SCP作为通信代理实现通讯。
对于Option C和Option D两种模式如何选择这个问题，Option C可看作是图3所示的NRF方式的负载均衡，叠加SCP实现NF之间的非直接通讯。该模式中，NF不必改变现有的服务发现机制，而且SCP的功能单一，对图3所示的NF组网架构只有轻微的改动，因而更加成熟和稳定。Option D模式中，SCP将向NRF调用NF服务发现能力，从而选择合适的NF提供者，相应地，NF消费者不必参与服务发现过程，也不必选择NF提供者，只需要向SCP发送服务请求即可，因此，该模式减轻NF消费者的处理负载和难度，把相关功能需求转移到SCP。
但是，Option D模式有两个明显的缺陷：
（1）SCP会成为NF组网架构的关键节点，而且SCP单点故障将导致通讯中断。
（2）中小规模网络拓扑相对简单，一般无须部署SCP，但是该模式必须部署SCP，造成不必要的网络复杂度和不必要的资源浪费。
所以，Option C模式是更好的选择。当部署大规模5GC网络时，保留SCP以简化信令路由配置和信令链路，而部署中小规模网络时，SCP不必部署，退化成图3的NF直连方式。
2.3 负载均衡功能的扩展方式
上述两种负载均衡方案，配置均衡策略时，着眼于NF集群内多个NF的平等性角色，未考虑特定方式下的NF分工，然而包括5GC在内的无线核心网产品和组网需求恰恰包含一些特定方式下的NF分工。
比如，网络切片设计中，会考虑某些应用分配给特定的NF处理，即NF实现切片间的分工，又比如，当扩展的新节点和老节点存在服务对象范围的差异时，如新节点处理新用户，老节点处理老用户，或者新节点处理5G用户，老节点处理4G用户，这种情形下多个NF的平等性被打破；还有像5G数据业务的会话过程，一般要求某个会话绑定在某个NF上处理，相应实施的均衡策略将考虑NF如何分工。
这些例子都会导致NRF以及NF在完成注册发现机制时处理变得复杂，即本节所述的“负载均衡功能的扩展方式”。图5给出BSF（绑定支持功能）充当NRF角色，支撑NF提供者——PCF（策略控制功能）集群负载均衡的例子。
BSF和PCF、NEF（网络开放功能）和AF等之间采用基于HTTP协议的服务化接口Nbsf通讯，用于BSF提供PDU会话绑定功能和服务。该服务确保针对特定PDU会话的AF请求路由到保存该PDU会话信息的相关PCF。该服务允许NF提供者（例如PCF）注册、更新和删除绑定信息，并允许NF消费者（例如AF、NEF、DRA）检索绑定信息。
AF/NEF/DRA等NF消费者则可以调用Discovery服务操作，获得BSF中PDU会话的所选PCF ID。
该例子不再从负载量的均衡角度，向NF消费者提供如何选择NF提供者的指示信息，而是基于关键参数的关联关系选择特定对象，作为中间人的BSF比NRF功能复杂。假设PCF之间有备份关系，BSF角色承担的功能还会更复杂一些。
该扩展方式的价值还在于，当增加PCF新节点，NF消费者不必担心如何在新老节点之间作负载均衡，甚至不像LB和NRF方式需要考虑新节点和老节点的容量比例来完成业务请求的分发，或者一些特定需求，比如5G用户由新节点处理，其他用户在老节点处理的时候，LB和NRF还需要增加对用户类别的判断，然而一般而言，LB和NRF这类负载控制NF将难以完成这类业务相关的工作，甚至部分NF消费者也难以做出判断。
可见，该方式更合适节点数动态变化的场景，这正是称该方式为负载均衡功能的“扩展方式”的原因。
3 扩展新节点的负载均衡策略
扩展新节点需求不仅来自常见的扩容需求，包括增加新型节点或同类型节点两类情况，还见于引入新供应商的节点，为此，如何实现新老节点共存，以及新老供应商的节点共存，是负载均衡策略的另一个挑战。此外，扩容或缩容导致节点本身的处理能力变化，可看作是删除老节点后增加新型节点的情况。
当NF提供者集群扩展新节点，即增加新的NF提供者，NF提供者的集群的负载均衡状态需要相应调整，最简单情况是，现有只有一个NF提供者，无须提供负载均衡策略，当扩展一个新的NF提供者时，就需要达成负载均衡的初始态，同理，再扩展一个新节点时，若把原有的两个NF提供者作为整体看待，同样需要达成负载均衡的初始态。
上节的扩展方式没有提供NF提供者在初始状态下如何达成负载均衡的策略，本节将对此作详细阐述，既包括扩展新节点，也包括删除老节点的情况。以PCF集群为例，一般要满足如下几点需求：
（2）通过增加PCF节点实现动态增加容量，特别是新供应商的PCF产品或现有供应商的新型PCF。
（3）删除PCF节点实现动态减少容量，如下电老旧的PCF节点。
此外，增删改PCF节点内的容量等信息，即节点扩容、节点缩容和节点能力变更等，也需要调整负载均衡策略。
为实现NF节点之间的动态均衡，图6给出一种加入管理控制的负载均衡设计方案。
以新增一个PCF节点为例，描述PCF2上线前的准备过程：
（1）搭建PCF2所需的软硬件资源。
（2）新建Agent作为管控代理：一方面服从O&M Center（运维中心）的指挥，一方面代理O&M Center完成和LB，PCF等管理消息交互。
（3）改造现有PCF（图中PCF1），打通和Agent的管理接口，支持实时上报容量等资源，以及负载等实时性能统计，并接收Agent下发的控制信息，如业务能力上线和下电、业务处理能力调整等。
（4）PCF2连接Agent，并向LB发起注册流程，其中和LB的接口等同第2节的描述，接着等待上线。
（5）改造现有LB，建立到Agent的连接，准备接收控制信息，如NF提供者列表、负载均衡策略，并且支持上报相关性能统计。
PCF2上线的业务处理过程如下：
（1）PCF2通知Agent可以处理业务请求，并报告相关容量和有效处理能力等信息。
（2）Agent综合PCF2和PCF1的容量和有效处理能力等信息，并按O&M Center下发的负载均衡策略，如某个时间段后的用户接入都由PCF2处理，通知PCF2准备处理业务，通知LB如何分发业务。
（3）LB分发一些业务到PCF2，PCF2开始处理业务，并向Agent上报容量和负载实时统计信息，Agent确定PCF2进入服务。
删除PCF2节点，即PCF2下线的业务处理过程如下：
（1）PCF2通知Agent，申请退出“服务提供者”角色，并报告待退出的相关容量和处理能力等信息。
（2）Agent综合PCF2和PCF1的容量和有效处理能力等信息，并按O&M Center下发的负载均衡策略，调整业务请求分发列表，如某个时间段后的用户接入由PCF2处理，改为通知PCF1准备处理业务，通知LB如何分发业务。
（3）LB取消分发业务到PCF2，改为分发给PCF1处理，并向Agent上报容量和负载实时统计信息，Agent确定PCF2退出服务。
当PCF2需要扩容，如增加业务组件（Service Component）时，有如下交互过程：
（1）创建新的业务组件用于承接更多的业务请求。
（2）PCF2的控制组件通知Agent：新的业务组件已做好上线准备，包括传递增加的处理能力等信息。
（3）Agent根据最新的负载均衡策略，判断需要启用新增容量时，通知LB和PCF2。若是相应替换PCF1的部分容量，一般采用软切换方式，即先启用新节点PCF2的新增容量，等负载均衡的性能统计达到要求并保持稳定后再通知老节点PCF1卸载其相关的业务组件，以缩减相应的处理能力。
（4）LB根据Agent和PCF2传递的负载调整信息，实施负载均衡控制，给PCF2分发更多的业务请求。
（5）PCF2的新的业务组件达到稳定运行要求后，PCF2和Agent之间完成新容量的确认，业务处理系统达到稳态。
（6）Agent根据最新的负载均衡策略决定是否对PCF1等其他现有资源作有效容量调整，比如卸载一部分处理能力。
当PCF2需要缩容，如减少业务组件（Service Component）时，有如下交互过程：
（1）确定即将下线的业务组件资源。
（2）PCF2的控制组件通知Agent：一部分业务组件已做好下线准备，包括传递减少的处理能力等信息。
（3）Agent根据最新的负载均衡策略，判断接受缩减这部分容量时，通知LB和PCF2。若是相应由PCF1来替代，一般采用软切换方式，即先启用PCF1的替代容量，等负载均衡的性能统计达到要求并保持稳定后再通知PCF2卸载其相关的业务组件，以缩减相应的处理能力。
（4）LB根据Agent和PCF2传递的负载调整信息，实施负载均衡控制，相应地减少向PCF2分发的业务请求。
（5）PCF2的业务组件达到稳定运行要求后，PCF2和Agent之间完成新容量的确认，业务处理系统达到稳态。
（6）PCF2释放相应部分的业务组件所占资源。
4 应用负载均衡策略的案例分析
基于网络扩容需求，扩展新节点或者以新节点替换老节点的场景下，一般新老节点的类型不同，替换前需要共存较长时间，负载均衡策略受到新老节点的运行状态的影响，既需要动态控制，还需要支持人工干预，所以，采用同类型节点之间的负载均衡策略无法满足需求。那么，针对上述难题，特别当5G网络部署之前，现有核心网等设备如何完善负载均衡策略是下文从案例角度给出分析的原因。
以移动网络的用户终端自动开通VoIP业务为例。移动终端APP为获得IMS网络提供的VoIP或VoLTE业务，首先要在IMS网络注册，为此要获取相关注册信息，包括P-CSCF IP信息，用户名和密码等。
图7所示是某项目设计的终端APP和UDC（用户数据中心）交换的放号业务流：
其中Prov_Ser提供UDC注册的代理服务，所述业务过程如下：
（1）APP向Prov_Ser建立HTTP服务过程，发送HTTP Get消息，消息体包含MSISDN和IMSI号码。
（2）Prov_Ser依据MSISDN和IMSI生成IMPU（用户公有标识）和IMPI（用户私有标识），以及用户名和密码。
（3）Prov_Ser生成MML指令，向UDC发送该PVI（私有标识）的修改鉴权信息请求、更新用户名和密码。
（4）UDC向Prov_Ser返回修改成功。
（5）Prov_Ser向终端APP返回HTTP响应消息，包含用户名和密码，以及P-CSCF IP信息。
该流程结束后，移动终端APP使用该用户名和密码，向P-CSCF发起注册，完成鉴权流程，以便注册到IMS网络。
如图8所示，当引入新型UDC2时，要求MML指令在新老UDC节点之间实现负载均衡。新UDC2和老UDC1服务的用户范围不同，一般分配不同的IMSI号段，而且随着新UDC容量增加，负载均衡策略有动态和人工干预需求，因此，MML指令分发采用传统的LB方式无法满足需求，对代理注册设备Prov_Ser提出新挑战。
为此，结合上文提出的多种负载均衡策略以及扩展新节点的负载均衡策略研究，图8给出了采用LB和Agent融合设置的负载均衡方案，LB/Agent对Prov_Ser屏蔽多UDC即多个服务提供者的影响。该实例相比单节点UDC，当Prov_Ser发起某PVI的鉴权信息修改请求时，其放号业务流区别在于，LB/Agent实现MML指令的智能分发，具体有两种机制：
1）非5G SA网络不支持SBI服务接口，即不支持注册发现机制，为此，LB/Agent默认为Prov_Ser签约UDC1和UDC2的服务状态，并实时指定PVI和UDC的对应关系；同时支持UDC1和UDC2向自己发起注册，反馈实时的服务状态。
2）若UDC不支持注册机制或Prov_Ser不支持直接和多UDC交互，则采用代理转发机制，LB/Agent实时转发Prov_Ser的修改鉴权信息的请求，该机制存在LB/Agent单点故障，故不推荐。
无论哪种工作机制，LB/Agent都需要支持如下功能：
（1）LB/Agent建立数据库，保存PVI和UDC的对应关系，以及UDC1和UDC2的实时服务状态监测。
（2）LB/Agent提供网管接口，支持第三方输入人工干预指令，实时调整UDC1和UDC2的负载比例，以便适应UDC2上线容量和UDC1下线容量的动态配置要求。
5 结束语
传统LB方式依然是基本的负载均衡策略的实现方案，常常用于核心网网元的内部组件的负载均衡。和4G核心网相比，3GPP 5GC规范采用服务化接口和注册发现机制，为网元的多个节点提供更加完善的负载均衡策略，典型应用是NRF方式。负载均衡方案一般对外呈现为组网的必要部分，而且随着5G网络建设和自动化运维等新技术新网络的推进，客观上要求不再局限在集群内多个网元节点的负载均衡这样的单一指标，而能够基于多维度的动态控制，比如依据网元的运行指标，动态调整参与网络处理的网元在新老节点，新老设备商之间的分布。
为此，本文扩展了注册发现机制，使基于特定参数的性能分发策略成为可能。之后采用较大篇幅描述的是，在引入新设备供应商的网元或现有设备供应商的新型网元情况下，如何实现考虑人工指令干预影响下的动态负载均衡。最后，该方面的研究还有许多方面的工作要展开，比如迁移和割接的自动化设计、自动运维和负载均衡相结合的技术等，这些无疑将有助于运营商加速网络开放，提升异厂家网络设备协同等网络迭代和运营水平，而设计相关针对性的负载均衡策略和方案，将为运营商带来更大效益。
★原文发表于《移动通信》2021年第1期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.01.007
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2021)01-0035-07
引用格式：史庭祥,方琰崴,李立平. 5G核心网的负载均衡策略[J]. 移动通信, 2021,45(1): 35-41.
史庭祥（orcid.org/0000-0001-5370-9409）：高级工程师，硕士毕业于南京航空航天大学，现任职于中兴通讯股份有限公司，从事电信云和核心网市场规划和方案设计工作，研究方向为云计算、核心网、虚拟运营和其关键技术，以及相关市场策划理论和实践，发表论文9篇，已获授权发明专利10余项，国际专利2项。
方琰崴：高级工程师，硕士毕业于南京航空航天大学信息学院，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总工、产品市场总监，移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室研究人员，研究方向为电信云与核心网的组网和关键技术，发表论文五十余篇，获四项专利。
李立平：工程师，硕士毕业于南京航空航天大学信息学院，现任中兴通讯股份有限公司电信云与核心网产品线产品规划总监，研究方向为电信云及核心网组网方案和关键技术，发表论文十多篇，获专利十多项。
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