以可靠信令網應對5G時代信令風暴的挑戰(zhàn)

近日，在泰國結束的第13屆全球移動寬帶論壇（MBBF 2022）上，如何抵御信令風暴沖擊，保障業(yè)務永遠在線，成論壇上最為關注的話題之一，獲得參展各方的熱烈討論。

兩年來，全球發(fā)生多起由于網絡異常引發(fā)的信令風暴，從而導致全網業(yè)務長時間癱瘓，范圍波及中東、美洲、亞太的多家運營商。例如，2022年7月，加拿大R運營商發(fā)生大規(guī)模網絡中斷，時長約19個小時；同月，日本K運營商發(fā)生全網業(yè)務癱瘓，中斷時間長達62個小時。業(yè)務穩(wěn)定是通信產業(yè)的根基，網絡癱瘓不僅會造成運營商直接收入損失和巨額賠償，還會影響到運營商的品牌聲譽乃至生存發(fā)展。

深入剖析發(fā)生重大事故的通信服務商，都是網絡誤操作或者設備異常等原因引發(fā)網絡信令風暴，信令網的收斂和保護功能不夠完善，網元收受到沖擊后無法快速恢復，最終導致全網癱瘓。

隨著全球5G網絡建設高速發(fā)展，移動寬帶用戶和數(shù)據(jù)業(yè)務呈爆發(fā)式增長，5G網絡中的信令風暴問題也日趨凸顯。

為什么5G時代，信令風暴更頻繁？

1、技術方面

5G時代，核心網基礎設施開始從專用平臺向云化和分層解耦轉型。云化網絡在增加敏捷性的同時，也帶來可靠性的風險；分層解耦帶來的多廠家協(xié)同部署網絡，更容易引入健壯性不足的問題。

網絡架構方面，為使5G網絡解耦和彈性擴容，大量網元功能被模塊化，這也增加了網元間的鏈路數(shù)量和信令網絡的復雜性。信令網是一個端到端的系統(tǒng)工程，涉及各個子模塊的韌性設計，以及全局的可靠性保護設置，信令網絡變得龐大和繁雜后，可靠性規(guī)劃往往難以面面俱到，容易出現(xiàn)各種網絡隱患。

2、 業(yè)務演進方面

5G網絡基于SBA（基于服務架構）的軟件架構，在可路由性方面有所提升，但是在擁塞管理、路由實時負載均衡調配，以及可靠性保障等方面，存在很多不夠完善的地方。

通信網絡演進到5G時代后，新業(yè)務層出不窮，網絡對信令消息數(shù)量、包長和處理能力有了更進一步的的要求。新應用上量后，網絡流量倍增，由于網元異常等原因引發(fā)的信令風暴沖擊，強度相比過去將會翻倍，網絡后端用戶數(shù)據(jù)、計費、策略控制等業(yè)務網元承受到的信令浪涌壓力將前所未有，而這些網元一旦被信令風暴沖垮，整網的業(yè)務就會中斷。

5G時代，如何增強網絡的可靠性？

1、基于SCP實現(xiàn)信令網架構簡化，夯實網絡可靠性

3GPP在5G的第二個演進版本R16中，引入SCP（服務通信代理）網元，定義了間接通信方式：模式C和模式D（如下圖所示）。

3GPP對5G網元信令交互方式定義了A/B/C/D四種模式

R15版本直接通信方式（模式A和模式B）和R16版本間接通信方式（模式C和模式D）的主要區(qū)別如下： 

模式A：網元功能分為服務提供者和服務使用者，所有網元都直接相連。

模式B：增加NRF（網絡存儲功能）網元，提供服務發(fā)現(xiàn)和尋址，服務使用者使用服務前，先到NRF獲取服務提供者的地址。其他連接方式和模式A相同。

模式C：在R15版本基礎上，增加SCP網元，服務使用者去NRF尋址無需經過SCP，獲得服務提供者的地區(qū)后，和服務提供者之間的信令交互都通過SCP路由和轉發(fā)。

模式D：在R15版本基礎上，增加SCP網元，服務使用者去NRF尋址需要經過SCP，獲得服務提供者的地區(qū)后，和服務提供者之間的信令交互也通過SCP路由和轉發(fā)。

R16版本的模式C和模式D，在網元鏈路建立、路由信息獲取、整網流量轉發(fā)、控制管理和負載均衡等方面都有了升級，更有利于異常流量場景管控。

從簡化網絡角度來看，相比模式 A和B，模式D可實現(xiàn)90%以上的鏈路數(shù)量減少，均衡各個局向的實時負載，實現(xiàn)網絡連接簡化。相比模式C，模式D又能進一步減少NF(網絡功能)間頻繁的訂閱和通知交互，降低網絡流量負荷，實現(xiàn)信令路由和負載均衡在SCP的集中化管理。 

模式D引入后網絡拓撲變化

此外，模式D通過大幅減少網絡實時連接，降低網絡架構復雜度，使信令網更容易維護，故障可以快速定位。SCP的靈活對接還可以屏蔽異廠家網元間不同，大幅減少不同廠家網元對接時的集成工作量，縮短新業(yè)務上線時間，增強企業(yè)競爭力。

2、以高韌性、智能流控和快速恢復支撐可依賴信令網

今年7月，日本K運營商全網癱瘓事故的起因是路由器割接，割接失敗后操作回退，大量終端重新發(fā)起位置注冊消息，海量信令集中突發(fā)，很快引發(fā)VOLTE節(jié)點和用戶數(shù)據(jù)節(jié)點擁塞。由于網絡架構復雜且缺少自動化的流量控制手段，運維團隊的故障排查和恢復時間長達3天。

根據(jù)近年來的信令風暴事故分析，90%以上事故的崩潰點都在網絡后端的用戶數(shù)據(jù)（HSS）/ 策略控制（PCF）/計費系統(tǒng)（CHF）等數(shù)據(jù)庫型網元。信令網SCP方案除了需要自身扛得住高強度流量沖擊外，還要有適配后端網元的處理能力，對前端流量進行智能流控，削峰整流，保護后端HSS/UDM/PCF等關鍵網元，維持整網業(yè)務實時在線。

此外，SCP基于星型架構的網絡設計，能夠提供流量可視和智能化分析，協(xié)助運維中心快速定位故障，排除異常模塊，將業(yè)務恢復時間縮短至分鐘級，在網絡處于擁塞的極端情況下，也可為運營商快速挽回損失。

5G時代運營商信令建網展望

隨著移動用戶的和數(shù)據(jù)業(yè)務的增長，特別是5G網絡的全面普及，網絡承載的信令流量將呈現(xiàn)指數(shù)增長。信令網是運營商通信網絡的神經中樞，為應對可能的流量激增，海內外多家運營商已經開始未雨綢繆，測試并引入SCP信令網，把SCP作為簡化網絡、提高效率、保障安全的網絡基礎設施，重點投入。

2021年，泰國A運營商率先引入SCP，作為5G網絡信令路由和管理網元。新的SCP網元使網絡信令路由大幅減少，免除運營商上萬個離散號段的路由配置和維護工作，網絡架構的簡化不僅增強了網絡的健壯性，而且可以實現(xiàn)新業(yè)務的快速上線。

5G網絡賦能千行百業(yè)已經初具規(guī)模，網絡承載的業(yè)務也將更加豐富。在網絡不斷演進過程中，信令網也需同步進行規(guī)劃和建設，發(fā)揮信令網核心中樞的作用，保護網絡穩(wěn)定，提升維護效率，支撐5G網絡在社會生活中發(fā)揮更大價值。

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