5G边缘计算MEC节点容灾组网部署方案研究

首发：5G工业物联【摘要】边缘计算是实现eMBB（大带宽、高速率）、mMTC（低功耗、大连接）、uRLLC（高可靠、低时延）等5G网络性能目标的重要技术手段，而5G各种应用场景对低成本实...

边缘计算社区

5598人浏览 · 2021-03-19 21:21:00

边缘计算社区 · 2021-03-19 21:21:00 发布

首发：5G工业物联

【摘要】边缘计算是实现eMBB（大带宽、高速率）、mMTC（低功耗、大连接）、uRLLC（高可靠、低时延）等5G网络性能目标的重要技术手段，而5G各种应用场景对低成本实现网络安全又提出了很高的要求。如何在保证网络性能的前提下，提升5G边缘计算网络安全性并控制建网成本，以达到5个9的电信级可靠性要求，是边缘计算网络建设的一个重要课题。本文在对边缘计算组网架构和路由组织的研究基础上，对MEC节点容灾组网部署方案进行了分析，并给出方案建议。

【关键词】5G；边缘计算；MEC；容灾；POOL。

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2021.01.006

引用格式：梁冰, 杨旭, 姜瑞峰. 5G边缘计算MEC节点容灾组网部署方案研究[J]. 广东通信技术, 2021, 40(1): 28-32.

1 背景介绍

边缘计算即在靠近移动用户的位置提供信息技术服务环境和云计算能力。随着5G、物联网时代的到来以及IT类云计算应用的迅速增长，集中式的云已经渐渐无法满足终端侧“大连接，低时延，高带宽”的云资源需求。结合边缘计算的概念，云计算必然将发展到下一个技术阶段，逐步将云计算的能力拓展至距离终端更近的边缘侧，并通过云、边、网、端的统一管控实现云计算服务的下沉，提供端到端的云服务。

5G网络除了满足人接入网络的需求，还需要满足物接入网络，实现物和人、物和物通信的需求。随着5G时代的到来，接入网络的设备数量以及单设备产生的流量需求都将快速增加。同时，垂直行业将与5G网络深度融合，提出数据不出场、网络高可靠、确定性SLA、超低时延、安全管控、极简部署运维等等典型诉求，如图1所示。这些因素，都推动了5G边缘计算网络的蓬勃发展。

5G网络各种应用场景都对网络安全提出了很高的要求，同时面对众多中小企业用户，又必须严格控制成本，如何在保证网络性能的前提下，提升5G边缘计算网络安全性并控制建网成本，以达到5个9的电信级可靠性要求，是边缘计算网络建设的一个重要课题。目前，基于5G SA的边缘计算网络还处于商用初期的摸索阶段，国内运营商在浙江、广东等省份初步推出了面向2B的边缘计算商用网络服务，本文结合这些商用案例对边缘计算网络的容灾组网方案进行研究和探讨。

图1 边缘计算业务需求发展分析

2 边缘计算组网架构和路由组织

2.1 边缘计算总体架构

边缘计算总体架构建议主要分四个层级：集团、大区中心、省中心、地市，如图2所示。

图2 边缘计算总体架构

各层级主要网元和功能如下：

（1）集团：边缘计算运营平台ECM（一级）、业务编排中心（一级）、总部OSS。

（2）大区中心：核心网控制面网元，包括AMF、PCF、SMF、UDM、UDR等。

（3）省中心：运营平台ECM（二级）、业务编排中心（二级）、MEC能力管理平台、运维管理域（MEO、MEPM、OMC等）、专线UPF等。

（4）地市：按需分层部署共享式/入驻式MEC节点，包括UPF、边缘PaaS（ECP）、边缘应用（ECA）、边缘云基础设施层（ECI），以及边缘云设施内部管理VIM/CIM/PIM

关键部件说明:

(1) ECM：边缘计算业务运营平台，统一门户，应用上架、能力管理、自服务等，实现边缘计算业务开通流程。

(2) ECP：边缘计算PaaS平台，统一服务框架，为应用提供网络能力和垂直行业能力，代理开放大网能力。

(3) ECA：边缘应用，可以是运营商自有或第三方。

(4) ECI：边缘虚拟化基础设。

(5) MEC能力管理平台：北向面向商城，支持把网络产品上架到商城，面向最终企业进行产品销售和拓展；南向面向运维管理域，支持把企业的业务需求自动转换为网络需求，并构建灵活的业务敏捷开通能力，实现ToB产商品的商业闭环。

2.2 边缘UPF相关路由组织原则

（1）边缘UPF服务发现

UPF负责用户面转发和策略执行等功能，由SMF根据本地配置，主要基于切片信息、DNN、用户位置、UPF权重等因素选择。

（2）SSC模式的选择策略

为提供更多业务连续性模式，5G引入三种会话管理的SSC模式，应用于业务相关的会话和服务连续模式的类型。

① SSC模式1（锚点不变）：PDU会话建立后，锚点UPF保持不变。

② SSC模式2（先断后建）：PDU会话的锚点UPF可以改变，但需要释放当前PDU会话后再重建新PDU会话。

③ SSC模式3（先建后断）：PDU会话的锚点UPF可以改变，先新建PDU会话后再释放老的PDU会话。

运营商可以向UE提供SSC模式选择策略（SSCMSP，基于URSP动态下发流程），UE使用SSCMSP来确定与UE的应用或应用组关联的会话类型和服务连续性模式。UE可以基于终端配置选择SSC模式，如果UE不能选择SSC模式，UE可以在不提供SSC模式的情况下请求PDU会话。

基于用户订阅中的允许SSC模式（作为签约信息的一部分，SMF从UDM接收允许的SSC模式列表和每个S-NSSAI的每个DNN的缺省SSC模式）以及UE的请求SSC模式（PDU会话建立过程中，UE通过在N1 SM容器内发送包含PDU会话建立请求（包括一个请求SSC模式）的NAS消息来发起PDU会话建立）：

①如果请求SSC模式属于用户订阅中的允许SSC模式，SMF选择请求SSC模式；

②如果请求SSC模式不属于用户订阅中的允许SSC模式，SMF返回拒绝PDU连接建立请求并携带一个合适的原因值和根据签约（或本地配置）允许使用的SSC模式，UE重新发起一个PDU会话并携带允许的SSC模式。（或使用另一个URSP规则）

如果UE在请求建立PDU会话时没有提供一个SSC模式，SMF根据签约信息（允许的SSC模式列表和每个S-NSSAI的每个DNN的缺省SSC模式）选择缺省SSC模式或根据本地配置选择SSC模式。

当根据签约数据中DNN和S-NSSAI的静态地址IP/前缀来为一个PDU会话分配静态IP地址/前缀时使用SSC模式1。

（3）边缘UPF分流策略

5G边缘计算本地分流方式共有三种：上行分流，IP源地址选择以及本地数据网，三种分流方式对终端要求依次升高，目前主要采用UL/CL方式。

①分流方式1：UL/CL UL-CL根据SMF下发的过滤①规则，通过检查数据包目的IP地址进行分流

②分流方式2：IP源地址选择BP根据SMF下发的过滤规则，通过检查数据包源IP地址进行分流

③分流方式3：本地数据网终端判断自身位置，如终端处在LADN服务范围，则发起携带LADNDNN的会话建立请求

UL/CL分流流程：SMF根据分流触发条件（位置、业务等），插入ULCL UPF，并将分流策略下发至ULCL UPF。

①上行分流：UPF ULCL作为分流器，针对RAN通过N3接口上送的上行GTP隧道里的IP报文，做L34（IP地址+端口号）、或L7（DNS域名）规则匹配。对于匹配规则的业务流，将通过N9接口传递到UPF PSA2（UPF ULCL和PSA2可以分设或合设、现网合设为主），再通过N6接口访问到本地DN。对于未匹配规则的业务流，则通过N9接口传递到UPF PSA1主锚点，之后经过主锚点的N6接口访问到中心DN（一般情况下是Internet）。

②下行聚合：上行分流到本地DN的数据包对应的下行报文，通过UPF PSA2后的NAT发布的网段路由，或者通过N6接口隧道返回UPF PSA2，UPF PSA2完成GTP隧道封装后发送给UPF ULCL；上行路由到中心DN（Internet）的数据包对应的下行报文，通过UPF PSA1主锚点后的NAT发布的网段路由返回UPF PSA1，UPF PSA1完成N9接口的GTP隧道封装后发送给UPF ULCL；UPF ULCL聚合来自PSA1和PSA2的下行数据报文，统一封装到N3接口的GTP隧道中传递给RAN。

（4）UPF锚点下沉的业务流程

UPF锚点下沉到边缘部署也是边缘计算部署用户面的一种方式，UPP锚点下沉后，本地流量和Intrenet流量均通过边缘部署的UPF锚点的N6接口路由。

上行方向，对于下沉的UPF锚点，通过N3接口从（R）AN接收上行数据，解GTP-U封装获得用户上行数据报文后，进行业务处理，然后查路由表将报文转发给DN侧。

路由顺序：gNB→（N3）→UPF锚点→（N6）→DN

下行方向，UPF从DN侧接收用户下行报文，进行业务处理后加GTP-U封装后转发给（R）AN或ULCL UPF。

路由顺序：DN→（N6）→UPF锚点→（N3）→gNB

3 MEC节点容灾组网部署方案

MEC节点容灾方案主要包括端口容灾、板卡容灾、网元容灾等，一般情况下，MEC节点硬件配置时都会默认考虑端口、板卡级的容灾备份，本文主要针对MEC节点的网元级容灾组网部署方案进行讨论。

3.1 边缘部署UPF IP锚点，Local DN是公网或局域网

UPF IP锚点采用双主负荷分担部署。故障前，UE1通过UPF PSA1访问和UE2通过UPF PSA2访问，均由SMF选择和控制，SMF需支持边缘两个UPF IP锚点之间基于相同选择策略，相同的权重负荷分担选择创建用户会话。UE1通过UPF PSA1同时访问本地DN和Internet；UE2通过UPF PSA2同时访问本地DN和Internet。故障后，SMF基于N4心跳探测到UPF PSA1故障，则去活UPF PSA1上的用户，用户重新激活时，选择UPF PSA2创建用户会话。UE1通过UPF PSA2同时访问本地DN和Internet；UE2通过UPF PSA2同时访问本地DN和Internet。路由情况如图3所示。

图3 PSA UPF故障前后路由情况

此容灾方案一般适用于2个或多个共享式边缘UPF节点（多个行业客户共用设备，一般部署于运营商地市核心机房）组POOL容灾场景。

3.2 边缘部署UPF ULCL+PSA，Local DN是公网

UPF部署采用ULCL+PSA单节点部署。故障前，UE在UPF PSA0上激活创建会话、分配IP；UE通过UPF PSA0访问Internet；UE通过UPF ULCL+PSA1访问本地DN。故障后，UPF ULCL+PSA1从用户会话中被移除。UE通过UPF PSA0访问Internet和本地DN。要求本地DN只能是公网IP，是局域网时，UPF PSA0到本地DN路由不通，除非通过专线互联。路由情况如图4所示。

图4 ULCL UPF故障前后路由情况

（公网访问Local DN）

此容灾方案一般适用于单个入驻式边缘UPF节点（单个行业客户独享设备，一般部署于企业客户园区机房），地市共享式边缘UPF作为容灾节点场景。地市共享式UPF作为入驻式UPF的锚点UPF。

3.3 边缘部署UPF ULCL+PSA，Local DN是局域网

UPF ULCL+PSA双主负荷分担部署。故障前，UE1通过UPF ULCL+PSA1访问本地DN，通过UPF ULCL+PSA1分流后经过UPF PSA0访问Internet；UE2通过UPF ULCL+PSA2访问本地DN，通过UPF ULCL+PSA2分流后经过UPF PSA0访问Internet。故障后，UE1通过UPF ULCL+PSA2访问本地DN，通过UPF ULCL+PSA2分流后经过UPF PSA0访问Internet；UE2通过UPF ULCL+PSA2访问本地DN，通过UPF ULCL+PSA2分流后经过UPF PSA0访问Internet。路由情况如图5所示。

图5 ULCL UPF故障前后路由情况

（局域网访问Local DN）

此容灾方案一般适用于2个或多个入驻式边缘UPF节点（单个行业客户独享设备，一般部署于企业客户园区机房）组POOL容灾场景。地市共享式UPF作为入驻式UPF的锚点UPF。

3.4 MEC节点部署容灾建议方案

结合运营商已推出的边缘计算商用网络方案，提出如下MEC节点部署容灾方案建议。

多个行业客户共用即共享式MEC节点建议在地市核心机房异局址部署，并采用异局址组POOL的方式容灾，当POOL内其中1套边缘UPF故障时，故障UPF上的用户承载自动切换到POOL内其他正常运行的边缘UPF上。另外，共享式MEC节点的DC GW之间建议采用传输专线进行互联，当POOL内其中1套边缘UPF故障时，POOL内其他边缘UPF可以通过DCGW之间的传输专线互联访问故障节点的APP资源，保障UPF故障时业务受损最小。

单个行业客户专享即入驻式MEC节点根据用户需求，一般以入驻到园区部署为主，设置单点无容灾、N+1主备容灾（入驻式节点与共享式主备容灾）、入驻式异局址组POOL容灾等容灾方式。N+1主备容灾即当某园区只有1套入驻式边缘UPF时，入驻式边缘UPF作为主用，地市核心机房共享式UPF作为备用，当入驻式边缘UPF故障时，用户承载自动切换到共享式UPF上。当某园区内设置多套入驻式边缘UPF时，可采用组POOL的方式容灾，当其中1套入驻式边缘UPF故障时，用户承载自动切换至POOL内正常运行的入驻式边缘UPF。共享式/入驻式MEC节点容灾方案拓扑如图6所示。

面对不同政企客户的各种不同业务，必然存在着不同的容灾等级要求，对建网成本的敏感性也有很大差别，因此，运营商应能提供不同层级的容灾方案供政企客户进行选择。

图6 共享式/入驻式MEC节点部署容灾方案建议

4 结束语

5G未来就在眼前，其三大应用场景eMBB、uRLLC、mMTC在应用性上相比前几代无线通信技术有着巨大提升，它必将带来很多甚至我们目前还无法想象的应用。5G三大应用场景都和边缘计算技术密切相关，其应用特性又对网络的安全性可靠性提出了极致要求，同时，由于MEC需大量部署在边缘节点的特点，必须控制其建设成本。因此，如何高效构建更加安全可靠的边缘计算网络，还需要通信工作者们作更深入的研究。

★原文发表于《广东通信技术》2021年第1期★

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2021.01.006

引用格式：梁冰, 杨旭, 姜瑞峰. 5G边缘计算MEC节点容灾组网部署方案研究[J]. 广东通信技术, 2021, 40(1): 28-32.