5G將開(kāi)啟產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)變革的新篇章，推動(dòng)5G融合應(yīng)用發(fā)展是業(yè)內(nèi)共識(shí)。GTI最新發(fā)布的《5G智能化網(wǎng)絡(luò)白皮書(shū)》強(qiáng)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)智能化是5G網(wǎng)絡(luò)高效高質(zhì)建設(shè)部署和運(yùn)營(yíng)不可或缺的能力。如何為用戶提供更高質(zhì)量、更有保障的通信服務(wù)，成為運(yùn)營(yíng)商乃至整個(gè)社會(huì)信息化發(fā)展的重要課題。
5G核心網(wǎng)運(yùn)維的新挑戰(zhàn)
5G核心網(wǎng)(5G Core)是電信運(yùn)營(yíng)商5G建設(shè)的重要組成部分，采用全新技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署、網(wǎng)絡(luò)功能、新業(yè)務(wù)開(kāi)展的同時(shí)，監(jiān)控保障也面臨全新挑戰(zhàn)。在4G核心網(wǎng)(EPC，Evolved Packet Core)中，網(wǎng)元由專有設(shè)備承載，硬件屬性較強(qiáng)。而在5G核心網(wǎng)環(huán)境中采用基于服務(wù)架構(gòu)(SBA，Service Based Architecture)，融入云原生、微服務(wù)等設(shè)計(jì)思想， 以軟件化，模塊化、服務(wù)化的方式構(gòu)建核心網(wǎng)。對(duì)于全新核心網(wǎng)的運(yùn)維保障，面臨如下挑戰(zhàn)：
網(wǎng)絡(luò)功能解耦使監(jiān)控對(duì)象數(shù)量激增
依據(jù)3GPP定義，5G核心網(wǎng)的各網(wǎng)絡(luò)功能(NF，Network Function)在功能級(jí)別上解耦，拆分出若干個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)(NFS，Network Function Service)，這些網(wǎng)絡(luò)功能獨(dú)立運(yùn)行，提供標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口，通過(guò)相互調(diào)用訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。在5G核心網(wǎng)方案中，虛擬化、云原生技術(shù)的融入，使通用服務(wù)器取代專有硬件設(shè)備，與此同時(shí)虛擬網(wǎng)元，虛擬機(jī)、容器POD的數(shù)量飛速增長(zhǎng)，每個(gè)工作負(fù)載同時(shí)提供多個(gè)IPv4、IPv6工作平面。
相較4G EPC，由于眾多方面演進(jìn)疊加在一起，在5G核心網(wǎng)SBA架構(gòu)中虛擬化后的NFS實(shí)例數(shù)量以2個(gè)以上的數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)，需要監(jiān)控的對(duì)象數(shù)量巨大是5G核心網(wǎng)保障側(cè)第一個(gè)挑戰(zhàn)。
服務(wù)自動(dòng)化增加了網(wǎng)絡(luò)追蹤的難度
通過(guò)網(wǎng)絡(luò)功能倉(cāng)儲(chǔ)(NRF，NF Repository Function)，5G 核心網(wǎng)的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)得以自動(dòng)化管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)以及注冊(cè)、更新、狀態(tài)檢測(cè)等，避免服務(wù)訪問(wèn)中進(jìn)行大量手動(dòng)配置工作;集中控制面可以將大量跨區(qū)域的信令交互變成數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量，優(yōu)化信令處理時(shí)延;根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的變化，按需快速擴(kuò)縮網(wǎng)絡(luò)功能和服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)響應(yīng)速度。自動(dòng)化管理在生產(chǎn)側(cè)提升了管理效率，同時(shí)在核心網(wǎng)保障側(cè)增加了動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、難以跟蹤的新挑戰(zhàn)。
路徑優(yōu)化與交互解耦抬高了監(jiān)控復(fù)雜度
4G核心網(wǎng)的網(wǎng)元之間的通信遵循請(qǐng)求者和響應(yīng)者的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，是一種相互耦合的傳統(tǒng)模式。在 5G 核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)下，各網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)之間可以根據(jù)需求按需通信。5G 核心網(wǎng)架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)間通信機(jī)制進(jìn)一步解耦為生產(chǎn)者和消費(fèi)者模式，具備靈活可編排、解耦、開(kāi)放等優(yōu)點(diǎn)，是 5G 時(shí)代迅速滿足垂直行業(yè)需求的一個(gè)重要基礎(chǔ)能力。各網(wǎng)絡(luò)功能在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，避免了不必要的網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)，但服務(wù)間的調(diào)用依賴，訪問(wèn)追蹤，性能分析，故障定位等也成為運(yùn)維保障側(cè)的新挑戰(zhàn)。
DeepFlow 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)監(jiān)控方案實(shí)踐
DeepFlow是一款面向5G核心網(wǎng)，基于對(duì)服務(wù)NFS間的通信訪問(wèn)流量進(jìn)行獲取分析，以保障核心網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的軟件產(chǎn)品。在整體方案中，可按處理邏輯分為流量獲取、數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸、診斷分析三大部分，通過(guò)流量采集預(yù)處理抽象層，提供流量采集及預(yù)處理的北向管理接口，使整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)具備可擴(kuò)展的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取能力。
通常5G核心網(wǎng)環(huán)境中，主要涉及到KVM虛擬機(jī)與容器POD的網(wǎng)絡(luò)流量獲取。DeepFlow 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)監(jiān)控方案支持IPv4、IPv6協(xié)議環(huán)境，緊密結(jié)合HTTP v2協(xié)議，實(shí)現(xiàn)服務(wù)間關(guān)聯(lián)依賴監(jiān)控。本文基于運(yùn)營(yíng)商實(shí)際5GC運(yùn)行環(huán)境，化繁為簡(jiǎn)并以Free5GC環(huán)境為基礎(chǔ)進(jìn)行介紹。
What is free5GC?
The free5GC is an open-source project for 5th generation (5G) mobile core networks. The ultimate goal of this project is to implement the 5G core network (5GC) defined in 3GPP Release 15 (R15) and beyond. -- www.free5gc.org
Free5GC是5G核心網(wǎng)開(kāi)源軟件項(xiàng)目，總體架構(gòu)基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)、遵循SBA框架，采用虛擬化方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，可運(yùn)行5G核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，并且可以模擬相應(yīng)工作流程。在實(shí)際5G環(huán)境中，多數(shù)廠商已經(jīng)采用容器技術(shù)承載網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。在本文中，采用虛擬機(jī)運(yùn)行容器，創(chuàng)建Kubernetes集群， 搭建5G核心網(wǎng)驗(yàn)證環(huán)境，使能各網(wǎng)絡(luò)功能。通過(guò)云杉網(wǎng)絡(luò)的DeepFlow平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的監(jiān)控保障。實(shí)踐過(guò)程中部署的組件包括控制器、采集器以及數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。
圖：5G核心網(wǎng)監(jiān)控方案
由大到小追蹤網(wǎng)絡(luò)服務(wù)
在5G核心網(wǎng)的監(jiān)控實(shí)踐中，由大到小，逐級(jí)有序地展示服務(wù)運(yùn)行狀態(tài)及關(guān)聯(lián)關(guān)系。通常根據(jù)工作流程分為三大范圍，較大范圍以數(shù)據(jù)中心所屬區(qū)域或資源池劃分，其次為網(wǎng)絡(luò)功能或服務(wù)類(lèi)型，比如AMF、UDM、SMF等，最后將集中在IT單元，比如容器POD、宿主機(jī)、IP等。DeepFlow平臺(tái)按照三類(lèi)范圍由大到小的操作劃分，為核心網(wǎng)所涉及到的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)提供完整的、逐級(jí)的監(jiān)控跟蹤。下圖呈現(xiàn)的是各類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)運(yùn)行及調(diào)用關(guān)系全景視圖，將服務(wù)接口(SBI，service-based interface)中的網(wǎng)絡(luò)各功能間的調(diào)用通信，以及性能指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)繪制并呈現(xiàn)。
圖：功能服務(wù)全景圖
實(shí)踐過(guò)程中，關(guān)注服務(wù)間重點(diǎn)指標(biāo)，包括網(wǎng)絡(luò)層(吞吐、載荷)，傳輸層(并發(fā)連接、TCP建連時(shí)延、TCP系統(tǒng)時(shí)延，TCP重傳、建連失敗)應(yīng)用層(HTTP請(qǐng)求、HTTP時(shí)延、HTTP異常)，繪制訪問(wèn)調(diào)用關(guān)系全景視圖后，在知識(shí)圖譜功能支持下，可以迅速關(guān)聯(lián)列舉相應(yīng)的知識(shí)維度。
分鐘級(jí)定位異常邊界范圍
5G核心網(wǎng)中存在大量的、復(fù)雜的NFS間服務(wù)調(diào)用，具備有效的調(diào)用性能跟蹤能力尤為重要。
圖：服務(wù)間訪問(wèn)示例
如上圖所示，一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯調(diào)用，AMF(Access and Mobility Management Function)中的NFS調(diào)用UDM(Unified Data Management)中的NFS獲取用戶信息，這個(gè)過(guò)程中，并不是像傳統(tǒng)環(huán)境中直觀簡(jiǎn)單。在5G現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中，普遍涉及宿主機(jī)、虛擬機(jī)、容器的網(wǎng)絡(luò)虛擬化實(shí)現(xiàn)，以全棧分段來(lái)梳理訪問(wèn)調(diào)用，是應(yīng)對(duì)新環(huán)境運(yùn)維排障挑戰(zhàn)所必須具備的。以全棧視角，展開(kāi)以上調(diào)用，可以剖析NFS發(fā)起調(diào)用所經(jīng)過(guò)的POD接口、虛擬機(jī)接口、宿主機(jī)接口乃至網(wǎng)關(guān)等鏈路。
圖：服務(wù)調(diào)用全棧跟蹤示意圖
全棧跟蹤針對(duì)云中服務(wù)間的調(diào)用訪問(wèn)，將虛擬化所實(shí)現(xiàn)的邏輯通信進(jìn)行逐步展開(kāi)，清晰便捷展示每段的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，性能，結(jié)合知識(shí)圖譜及豐富的指標(biāo)數(shù)據(jù)，快速定位性能異常的問(wèn)題范圍邊界。以上所述訪問(wèn)為例，如果排查調(diào)用延時(shí)故障，確定NFS調(diào)用服務(wù)雙端后，展開(kāi)全棧跟蹤，直接定位延時(shí)所在的接口。如全棧跟蹤示例圖中，清晰展示出服務(wù)AMF服務(wù)實(shí)例至UDM服務(wù)實(shí)例兩端訪問(wèn)延時(shí)瓶頸在UDM功能側(cè)，且聚焦在其運(yùn)行所屬虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)絡(luò)接口處。而排除UDM服務(wù)實(shí)例的POD網(wǎng)絡(luò)接口及AMF所涵蓋的虛擬機(jī)、POD等眾多接口路徑。
圖：全棧跟蹤示例
在沒(méi)有DeepFlow全棧跟蹤工具的情況下，排查服務(wù)訪問(wèn)調(diào)用的性能將是一個(gè)頭緒紛亂、復(fù)雜繁瑣且冗長(zhǎng)的過(guò)程，同時(shí)對(duì)于一線運(yùn)維人員要求所掌握的技術(shù)棧相對(duì)較多、要求綜合能力強(qiáng)，很可能耽誤寶貴的運(yùn)維窗口時(shí)間。
總結(jié)
以上Free5GC示例運(yùn)行在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，模擬運(yùn)行了相應(yīng)的測(cè)試用例，實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景較實(shí)驗(yàn)室更加環(huán)境復(fù)雜且規(guī)模巨大，勢(shì)必對(duì)運(yùn)維保障提出更高要求。經(jīng)過(guò)實(shí)際環(huán)境測(cè)試驗(yàn)證，DeepFlow平臺(tái)也確實(shí)能為5G核心網(wǎng)填補(bǔ)監(jiān)控保障空白。
幫助5G核心網(wǎng)在基于服務(wù)架構(gòu)中統(tǒng)一采集服務(wù)間的網(wǎng)絡(luò)流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)訪問(wèn)調(diào)用的全面性能監(jiān)控，并提供容器化后的全棧路徑跟蹤，補(bǔ)齊5G核心網(wǎng)服務(wù)監(jiān)控空白，應(yīng)對(duì)云原生特點(diǎn)，緊密結(jié)合5G服務(wù)，解決5G核心網(wǎng)生產(chǎn)中遇到的監(jiān)控、運(yùn)維、保障等難題。
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