5G將開啟產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)變革的新篇章，推動5G融合應(yīng)用發(fā)展是業(yè)內(nèi)共識。GTI最新發(fā)布的《5G智能化網(wǎng)絡(luò)白皮書》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)部署和運營不可或缺的能力。如何為用戶提供更高質(zhì)量、更有保障的通信服務(wù)，成為運營商乃至整個社會信息化發(fā)展的重要課題。
5G核心網(wǎng)運維的新挑戰(zhàn)
5G核心網(wǎng)（5G Core）是電信運營商5G建設(shè)的重要組成部分，采用全新技術(shù)，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署、網(wǎng)絡(luò)功能、新業(yè)務(wù)開展的同時，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)計思想，以軟件化，模塊化、服務(wù)化的方式構(gòu)建核心網(wǎng)。對于全新核心網(wǎng)的運維保障，面臨如下挑戰(zhàn)：
網(wǎng)絡(luò)功能解耦使監(jiān)控對象數(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）在功能級別上解耦，拆分出若干個獨立的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)(NFS，Network Function Service)，這些網(wǎng)絡(luò)功能獨立運行，提供標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口，通過相互調(diào)用訪問實現(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，與此同時虛擬網(wǎng)元，虛擬機(jī)、容器POD的數(shù)量飛速增長，每個工作負(fù)載同時提供多個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實例數(shù)量以2個以上的數(shù)量級增長，需要監(jiān)控的對象數(shù)量巨大是5G核心網(wǎng)保障側(cè)第一個挑戰(zhàn)。
服務(wù)自動化增加了網(wǎng)絡(luò)追蹤的難度
通過網(wǎng)絡(luò)功能倉儲(NRF，NF Repository Function)，5G核心網(wǎng)的各類網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)得以自動化管理，實現(xiàn)服務(wù)的自動發(fā)現(xiàn)以及注冊、更新、狀態(tài)檢測等，避免服務(wù)訪問中進(jìn)行大量手動配置工作；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。自動化管理在生產(chǎn)側(cè)提升了管理效率，同時在核心網(wǎng)保障側(cè)增加了動態(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求者和響應(yīng)者的點對點模式，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)者和消費者模式，具備靈活可編排、解耦、開放等優(yōu)點，是5G時代迅速滿足垂直行業(yè)需求的一個重要基礎(chǔ)能力。各網(wǎng)絡(luò)功能在實際應(yīng)用過程中，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，訪問追蹤，性能分析，故障定位等也成為運維保障側(cè)的新挑戰(zhàn)。
DeepFlow 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)監(jiān)控方案實踐
DeepFlow是一款面向5G核心網(wǎng)，基于對服務(wù)NFS間的通信訪問流量進(jìn)行獲取分析，以保障核心網(wǎng)穩(wěn)定運行的軟件產(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，使整個監(jiān)控平臺具備可擴(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，實現(xiàn)服務(wù)間關(guān)聯(lián)依賴監(jiān)控。本文基于運營商實際5GC運行環(huán)境，化繁為簡并以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)開源軟件項目，總體架構(gòu)基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)、遵循SBA框架，采用虛擬化方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，可運行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)運行容器，創(chuàng)建Kubernetes集群，搭建5G核心網(wǎng)驗證環(huán)境，使能各網(wǎng)絡(luò)功能。通過云杉網(wǎng)絡(luò)的DeepFlow平臺實現(xiàn)對各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的監(jiān)控保障。實踐過程中部署的組件包括控制器、采集器以及數(shù)據(jù)節(jié)點。
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)控實踐中，由大到小，逐級有序地展示服務(wù)運行狀態(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平臺按照三類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、逐級的監(jiān)控跟蹤。下圖呈現(xiàn)的是各類型網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)運行及調(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)行自動繪制并呈現(xiàn)。
圖：功能服務(wù)全景圖
實踐過程中，關(guān)注服務(wù)間重點指標(biāo)，包括網(wǎng)絡(luò)層（吞吐、載荷），傳輸層（并發(fā)連接、TCP建連時延、TCP系統(tǒng)時延，TCP重傳、建連失?。?yīng)用層（HTTP請求、HTTP時延、HTTP異常），繪制訪問調(diào)用關(guān)系全景視圖后，在知識圖譜功能支持下，可以迅速關(guān)聯(lián)列舉相應(yīng)的知識維度。
分鐘級定位異常邊界范圍
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)間訪問示例
如上圖所示，一個簡單的邏輯調(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，這個過程中，并不是像傳統(tǒng)環(huán)境中直觀簡單。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)虛擬化實現(xiàn)，以全棧分段來梳理訪問調(diào)用，是應(yīng)對新環(huán)境運維排障挑戰(zhàn)所必須具備的。以全棧視角，展開以上調(diào)用，可以剖析NFS發(fā)起調(diào)用所經(jīng)過的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
全棧跟蹤針對云中服務(wù)間的調(diào)用訪問，將虛擬化所實現(xiàn)的邏輯通信進(jìn)行逐步展開，清晰便捷展示每段的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，性能，結(jié)合知識圖譜及豐富的指標(biāo)數(shù)據(jù)，快速定位性能異常的問題范圍邊界。以上所述訪問為例，如果排查調(diào)用延時故障，確定NFS調(diào)用服務(wù)雙端后，展開全棧跟蹤，直接定位延時所在的接口。如全棧跟蹤示例圖中，清晰展示出服務(wù)AMF服務(wù)實例至UDM服務(wù)實例兩端訪問延時瓶頸在UDM功能側(cè)，且聚焦在其運行所屬虛擬機(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
在沒有DeepFlow全棧跟蹤工具的情況下，排查服務(wù)訪問調(diào)用的性能將是一個頭緒紛亂、復(fù)雜繁瑣且冗長的過程，同時對于一線運維人員要求所掌握的技術(shù)棧相對較多、要求綜合能力強(qiáng)，很可能耽誤寶貴的運維窗口時間。
總結(jié)
以上Free5GC示例運行在實驗室環(huán)境，模擬運行了相應(yīng)的測試用例，實際生產(chǎn)場景較實驗室更加環(huán)境復(fù)雜且規(guī)模巨大，勢必對運維保障提出更高要求。經(jīng)過實際環(huán)境測試驗證，DeepFlow平臺也確實能為5G核心網(wǎng)填補(bǔ)監(jiān)控保障空白。
DeepFlow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，實現(xiàn)對訪問調(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)對云原生特點，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、運維、保障等難題。
