CN114449583A - 一种5g核心网负载均衡优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G核心网负载均衡优化方法，包括步骤1：新增一个PCF2节点；步骤2，PCF2上线的业务处理过程；步骤3，删除PCF2节点，即PCF2下线的业务处理过程；步骤4，当PCF2要扩容，增加业务组件；步骤5，当PCF2要缩容，减少业务组件。本发明所述方法优化了CPU利用率并避免了负荷过高的节点；优化了存储资源的空间占用率，均衡各节点的IOPS，优化了能耗监控，通过迁移方式调整负荷，减少了能源浪费；本发明所述方法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。

Description

一种5G核心网负载均衡优化方法

技术领域

本发明属于5GC通信技术领域，具体涉及一种5G核心网负载均衡优化方法。

背景技术

负载均衡(LB,Load Balancing)建立在现有网络结构之上，提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。传统LB方式是基本的负载均衡策略实现方案，常用于核心网网元的内部组件的负载均衡，与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(提供注册和发现功能的网元)方式。负载均衡方案对外呈现为组网的必要部分，随着5G网络建设和自动化运维的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，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。

专利申请公开号CN108650685B公开了一种C/U分离的5G蜂窝异构网络控制平面优化方法，在C/U分离架构下，宏基站负责控制平面传输，处理网络的控制与广泛覆盖；小基站负责用户平面传输，在较高频段上为用户卸载数据。宏基站故障后，根据需求将故障宏基站的相邻宏基站进行覆盖范围扩增，故障宏基站覆盖区域下每个小基站选择相邻宏基站接入并进行控制平面传输。针对小基站的相邻宏基站选择方法进行优化，根据相邻宏基站的负载均衡指数和最大可扩增覆盖范围进行分析，形成最小化核心网信令负载的宏基站选择统计分析和优化部署。

随着云计算技术发展，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。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的四层分发；之后增加对应用层的分发能力，即七层的流量分发能力，支持HTTP/HTTPS的应用层协议，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。但七层负载均衡受到其所支持的协议限制，且检查HTTP报头会占用大量的系统资源，势必会影响到系统的性能，在大量连接请求的情况下，负载均衡设备自身容易成为网络整体性能的瓶颈。而且运营商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。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，进一步有利于异厂家设备互通，满足网络开放的要求。

2G/3G/4G网络和5G网络混合组网，具备消息交互架构的网元分为如下几类：

(1)Provider_NF：提供服务的网元，NF为网元；

(2)Consumer_NF：消费服务的网元；

(3)相邻_NF：Provider_NF和Consumer_NF交互过程中的相关网元，如网管、数据库的服务提供者或调用者，或第三方的业务/服务；

(4)路由_NF：即路由类网元，包括DRA(动态资源分配)或者5G的SCP(服务通信代理)，或是外部LB的专用负载均衡设备，当然可不配置路由_NF，由Consumer_NF根据自身的负载均衡策略选择Provider_NF。

在通讯网络中，负载均衡需求有以下三种情形：

(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，以上三种情形都存在新老“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也会连接老的Provider_NF，另外，当然也能不引入新的路由_NF，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。

因此，在2G/3G/4G和5G混合网络情况下，负载均衡非常复杂，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。

NRF负载均衡优于LB之处在于：即使NRF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，但弊端是：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，以便简化信令路由配置，并维持信令路由的灵活控制。

上述两种负载均衡方案，未考虑特定方式下的NF(网元)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特定方式下的NF分工，负载均衡功能的扩展方式的弊端在于：在一些特定需求下，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，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的5G核心网负载均衡优化方法，本发明所述方法包括以下步骤：

步骤1：新增一个PCF(策略控制网元)2节点：

步骤1.1：搭建PCF2所需的软硬件资源；

步骤1.2：新建管控代理，管控代理管控各个PCF网元，管控代理一方面负责控制策略信息的下发，控制策略信息包括：NF提供者列表信息、负载均衡策略信息、新业务能力上线信息、业务能力下电信息及业务处理能力调整信息，另一方面管控代理完成与LB、PCF的管理消息交互；

步骤1.3：PCF1上新增一个与管控代理连接的管理接口，管理接口负责接收管控代理下发的上述控制信息，并负责在管理接口上提供实时上报容量的资源和负载的性能统计；

步骤1.4：PCF2连接管控代理，并向LB发起注册流程，然后PCF2等待上线；

步骤1.5：LB上新建一个到管控代理的连接，准备接收步骤1.2所述的来自管控代理的控制策略信息，并支持相关的性能统计上报；

步骤2：PCF2上线的业务处理过程：

步骤2.1：PCF2通知管控代理处理业务请求，请求消息中携带容量信息和处理能力信息；

步骤2.2：管控代理综合PCF2和PCF1的容量和处理能力的信息并按网管中心下发的负载均衡策略，即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，网管中心用于下发负载均衡策略，处理能力的信息包括：接入与移动性相关策略、UE策略及计费控制策略；

步骤2.3：LB分发PDU会话策略控制请求业务到PCF2，PCF2开始处理业务，并向管控代理上报容量和负载实时统计信息，管控代理确定PCF2正在处理业务；

步骤3：删除PCF2节点，即PCF2下线的业务处理过程：

步骤3.1：PCF2通知管控代理不再负责业务的处理网元，并向管控代理上报之前处理业务期间产生的相关容量和处理能力信息；

步骤3.2：管控代理综合PCF2和PCF1的容量和处理能力的信息，并按网管中心下发的负载均衡策略，调整业务请求分发列表，即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；

步骤3.3：LB取消分发业务到PCF2，改为分发业务给PCF1处理，并向管控代理上报容量和负载实时统计信息，管控代理确定PCF2退出服务；

步骤4：当PCF2要求扩容，需增加业务组件(Service Component，支持某个业务功能的一组功能模块)时包括以下步骤：

步骤4.1：创建新的业务组件用于承接更多的业务请求；

步骤4.2：PCF2的控制组件通知管控代理，新的业务组件已做好上线准备，包括传递增加的处理能力的信息；

步骤4.3：管控代理根据最新的负载均衡策略，判断是否需要启用新增容量时，通知LB和PCF2，当需要启用新增容量时，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PCF1的处理功能；

步骤4.4：LB根据管控代理和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；

步骤4.5：PCF2的新的业务组件达到稳定运行要求后，PCF2和管控代理之间完成新容量的确认，整个包含PCF1、PCF2和管控代理的业务处理系统达到稳态；

步骤4.6：管控代理根据最新的负载均衡策略决定是否对PCF1的其他包含内存、硬盘资源的现有资源作有效容量调整，当需要调整则通过再卸载PCF1上的相关业务组件来实现；

步骤5：当PCF2要缩容，减少业务组件(Service Component)时，包括以下步骤：

步骤5.1：确定即将下线的业务组件资源；

步骤5.2：PCF2的控制组件通知管控代理：待下线业务的组件已做好下线准备，并向管控代理传递减少了多少处理能力信息；

步骤5.3：管控代理根据最新的负载均衡策略，判断是否接受缩减容量并通知LB和PCF2，当接受缩减容量，则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；

步骤5.4：LB根据管控代理和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；

步骤5.5：PCF2的业务组件达到稳定运行要求后，PCF2和管控代理之间完成新容量的确认，整个业务处理系统达到稳态；

步骤5.6：PCF2释放相应部分的业务组件所占资源。

本发明所述方法具有如下的有益效果：

1、本发明所述方法分工专业，负载均衡功能由独立NF或独立组件完成；

2、本发明所述方法可用性的负面影响小，最大化提升了NF集群的可用性，一方面避免了单点故障，另一方面能最大化分发性能；

3、本发明所述方法能够灵活分发，负载均衡从资源角度称为DRS即动态资源均衡，优化了CPU利用率并避免了负荷过高的节点；优化了存储资源的空间占用率，均衡各节点的IOPS，优化了能耗监控，通过迁移方式调整负荷，减少了能源浪费；

4、本发明所述方法能够精确分发，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，又例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，必须分发到节点，其他节点无法处理；

5、本发明所述方法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。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行详细描述。本发明所述方法包括以下步骤：

步骤1：新增一个PCF(策略控制网元)2节点：

步骤1.1：搭建PCF2所需的软硬件资源；

步骤1.2：新建管控代理，管控代理管控各个PCF网元，管控代理一方面负责控制策略信息的下发，控制策略信息包括：NF提供者列表信息、负载均衡策略信息、新业务能力上线信息、业务能力下电信息及业务处理能力调整信息，另一方面管控代理完成与LB、PCF的管理消息交互；

步骤1.3：PCF1上新增一个与管控代理连接的管理接口，管理接口负责接收管控代理下发的上述控制信息，并负责在管理接口上提供实时上报容量的资源和负载的性能统计；

步骤1.4：PCF2连接管控代理，并向LB发起注册流程，然后PCF2等待上线；

步骤1.5：LB上新建一个到管控代理的连接，准备接收步骤1.2所述的来自管控代理的控制策略信息，并支持相关的性能统计上报；

步骤2：PCF2上线的业务处理过程：

步骤2.1：PCF2通知管控代理处理业务请求，请求消息中携带容量信息和处理能力信息；

步骤2.2：管控代理综合PCF2和PCF1的容量和处理能力的信息并按网管中心下发的负载均衡策略，即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，网管中心用于下发负载均衡策略，处理能力的信息包括：接入与移动性相关策略、UE策略及计费控制策略；

步骤2.3：LB分发PDU会话策略控制请求业务到PCF2，PCF2开始处理业务，并向管控代理上报容量和负载实时统计信息，管控代理确定PCF2正在处理业务；

步骤3：删除PCF2节点，即PCF2下线的业务处理过程：

步骤3.1：PCF2通知管控代理不再负责业务的处理网元，并向管控代理上报之前处理业务期间产生的相关容量和处理能力信息；

步骤3.2：管控代理综合PCF2和PCF1的容量和处理能力的信息，并按网管中心下发的负载均衡策略，调整业务请求分发列表，即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；

步骤3.3：LB取消分发业务到PCF2，改为分发业务给PCF1处理，并向管控代理上报容量和负载实时统计信息，管控代理确定PCF2退出服务；

步骤4：当PCF2要扩容，需增加业务组件(Service Component，支持某个业务功能的一组功能模块)时包括以下步骤：

步骤4.1：创建新的业务组件用于承接更多的业务请求；

步骤4.2：PCF2的控制组件通知管控代理：新的业务组件已做好上线准备，包括传递增加的处理能力的信息；

步骤4.3：管控代理根据最新的负载均衡策略，判断是否需要启用新增容量时，通知LB和PCF2，当需要启用新增容量时，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PCF1的处理功能；

步骤4.4：LB根据管控代理和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；

步骤4.5：PCF2的新的业务组件达到稳定运行要求后，PCF2和管控代理之间完成新容量的确认，整个包含PCF1、PCF2和管控代理的业务处理系统达到稳态；

步骤4.6：管控代理根据最新的负载均衡策略决定是否对PCF1的其他包含内存、硬盘资源的现有资源作有效容量调整，当需要调整则通过再卸载PCF1上的相关业务组件来实现；

步骤5：当PCF2要缩容，减少业务组件(Service Component)时，包括以下步骤：

步骤5.1：确定即将下线的业务组件资源；

步骤5.2：PCF2的控制组件通知管控代理：待下线业务的组件已做好下线准备，并向管控代理传递减少了多少处理能力信息；

步骤5.3：管控代理根据最新的负载均衡策略，判断是否接受缩减容量并通知LB和PCF2，当接受缩减容量，则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；

步骤5.4：LB根据管控代理和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；

步骤5.5：PCF2的业务组件达到稳定运行要求后，PCF2和管控代理之间完成新容量的确认，整个业务处理系统达到稳态；

步骤5.6：PCF2释放相应部分的业务组件所占资源。

下面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(IP多媒体子系统)网络提供的VoIP或VoLTE业务，首先要在IMS网络注册，要获取相关注册信息，包括P-CSCF(代理呼叫会话控制功能)的IP信息，用户名和密码。业务流程如下：

步骤101，APP向Prov_Ser(注册代理，提供用户数据中心的注册代理服务)建立HTTP服务过程，发送HTTP Get消息，消息体包含MSISDN和IMSI号码；

步骤202，Prov_Ser依据MSISDN(移动用户号码)和IMSI(国际移动用户标识)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；

步骤303，Prov_Ser生成MML(人机命令)指令，向UDC(用户数据中心)发送PVI(私有标识)的修改鉴权信息请求、更新用户名和密码；

步骤404，UDC向Prov_Ser返回修改成功；

步骤505，Prov_Ser向终端APP返回HTTP响应消息，包含用户名和密码，以及P-CSCFIP信息。

上述步骤101--步骤505流程结束后，移动终端APP使用用户名和密码，向P-CSCF发起注册，完成鉴权流程，以便注册到IMS网络，当引入新型UDC2时，要求MML(人机命令)指令在新老UDC节点之间实现负载均衡，新UDC2和老的UDC1服务的用户范围不同，分配不同的IMSI号段，随着新UDC容量增加，负载均衡策略有动态和人工干预需求。

采用LB和代理Agent融合设置的负载均衡方案，LB和Agent对Prov_Ser屏蔽多UDC即多个服务提供者的影响，相比单节点UDC，当Prov_Ser发起某PVI的鉴权信息修改请求时的放号业务流区别在于LB和Agent实现了MML指令的智能分发。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种5G核心网负载均衡优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：新增一个PCF2节点：

步骤1.1：搭建PCF2所需的软硬件资源；

步骤1.2：新建管控代理，管控代理管控各个PCF网元，管控代理一方面负责控制策略信息的下发，控制策略信息包括：NF提供者列表信息、负载均衡策略信息、新业务能力上线信息、业务能力下电信息及业务处理能力调整信息，另一方面管控代理完成与LB、PCF的管理消息交互；

步骤1.3：PCF1上新增一个与管控代理连接的管理接口，管理接口负责接收管控代理下发的上述控制信息，并负责在管理接口上提供实时上报容量的资源和负载的性能统计；

步骤1.4：PCF2连接管控代理，并向LB发起注册流程，然后PCF2等待上线；

步骤1.5：LB上新建一个到管控代理的连接，准备接收步骤1.2所述的来自管控代理的控制策略信息，并支持相关的性能统计上报；

步骤2：PCF2上线的业务处理过程；

步骤3：删除PCF2节点，即PCF2下线的业务处理过程；

步骤4：当PCF2要扩容，需增加业务组件；

步骤5：当PCF2要缩容，减少业务组件。

2.根据权利要求1所述的一种5G核心网负载均衡优化方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：PCF2通知管控代理处理业务请求，请求消息中携带容量信息和处理能力信息；

步骤2.2：管控代理综合PCF2和PCF1的容量和处理能力的信息并按网管中心下发的负载均衡策略，即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，网管中心用于下发负载均衡策略，处理能力的信息包括接入与移动性相关策略、UE策略及计费控制策略；

步骤2.3：LB分发PDU会话策略控制请求业务到PCF2，PCF2开始处理业务，并向管控代理上报容量和负载实时统计信息，管控代理确定PCF2正在处理业务。

3.根据权利要求1所述的一种5G核心网负载均衡优化方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：PCF2通知管控代理不再负责业务的处理网元，并向管控代理上报之前处理业务期间产生的相关容量和处理能力信息；

步骤3.2：管控代理综合PCF2和PCF1的容量和处理能力的信息，并按网管中心下发的负载均衡策略，调整业务请求分发列表，即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；

步骤3.3：LB取消分发业务到PCF2，改为分发业务给PCF1处理，并向管控代理上报容量和负载实时统计信息，管控代理确定PCF2退出服务。

4.根据权利要求1所述的一种5G核心网负载均衡优化方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：创建新的业务组件用于承接更多的业务请求；

步骤4.2：PCF2的控制组件通知管控代理，新的业务组件已做好包括传递增加的处理能力信息的上线准备，；

步骤4.3：管控代理根据最新的负载均衡策略，判断是否需要启用新增容量时，通知LB和PCF2，当需要启用新增容量时，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PCF1的处理功能；

步骤4.4：LB根据管控代理和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；

步骤4.5：PCF2的新的业务组件达到稳定运行要求后，PCF2和管控代理之间完成新容量的确认，整个包含PCF1、PCF2和管控代理的业务处理系统达到稳态；

步骤4.6：管控代理根据最新的负载均衡策略决定是否对PCF1的其他包含内存、硬盘资源的现有资源作有效容量调整，当需要调整则通过再卸载PCF1上的相关业务组件来实现。

5.根据权利要求1所述的一种5G核心网负载均衡优化方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：确定即将下线的业务组件资源；

步骤5.2：PCF2的控制组件通知管控代理：待下线业务的组件已做好下线准备，并向管控代理传递减少了多少处理能力信息；

步骤5.3：管控代理根据最新的负载均衡策略，判断是否接受缩减容量并通知LB和PCF2，当接受缩减容量，则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；

步骤5.4：LB根据管控代理和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；

步骤5.5：PCF2的业务组件达到稳定运行要求后，PCF2和管控代理之间完成新容量的确认，整个业务处理系统达到稳态；

步骤5.6：PCF2释放相应部分的业务组件所占资源。