以可靠信令网应对5G时代信令风暴的挑战

近日，在泰国结束的第13届全球移动宽带论坛（MBBF 2022）上，如何抵御信令风暴冲击，保障业务永远在线，成论坛上最为关注的话题之一，获得参展各方的热烈讨论。

两年来，全球发生多起由于网络异常引发的信令风暴，从而导致全网业务长时间瘫痪，范围波及中东、美洲、亚太的多家运营商。例如，2022年7月，加拿大R运营商发生大规模网络中断，时长约19个小时；同月，日本K运营商发生全网业务瘫痪，中断时间长达62个小时。业务稳定是通信产业的根基，网络瘫痪不仅会造成运营商直接收入损失和巨额赔偿，还会影响到运营商的品牌声誉乃至生存发展。

深入剖析发生重大事故的通信服务商，都是网络误操作或者设备异常等原因引发网络信令风暴，信令网的收敛和保护功能不够完善，网元收受到冲击后无法快速恢复，最终导致全网瘫痪。

随着全球5G网络建设高速发展，移动宽带用户和数据业务呈爆发式增长，5G网络中的信令风暴问题也日趋凸显。

为什么5G时代，信令风暴更频繁？

1、技术方面

5G时代，核心网基础设施开始从专用平台向云化和分层解耦转型。云化网络在增加敏捷性的同时，也带来可靠性的风险；分层解耦带来的多厂家协同部署网络，更容易引入健壮性不足的问题。

网络架构方面，为使5G网络解耦和弹性扩容，大量网元功能被模块化，这也增加了网元间的链路数量和信令网络的复杂性。信令网是一个端到端的系统工程，涉及各个子模块的韧性设计，以及全局的可靠性保护设置，信令网络变得庞大和繁杂后，可靠性规划往往难以面面俱到，容易出现各种网络隐患。

2、 业务演进方面

5G网络基于SBA（基于服务架构）的软件架构，在可路由性方面有所提升，但是在拥塞管理、路由实时负载均衡调配，以及可靠性保障等方面，存在很多不够完善的地方。

通信网络演进到5G时代后，新业务层出不穷，网络对信令消息数量、包长和处理能力有了更进一步的的要求。新应用上量后，网络流量倍增，由于网元异常等原因引发的信令风暴冲击，强度相比过去将会翻倍，网络后端用户数据、计费、策略控制等业务网元承受到的信令浪涌压力将前所未有，而这些网元一旦被信令风暴冲垮，整网的业务就会中断。

5G时代，如何增强网络的可靠性？

1、基于SCP实现信令网架构简化，夯实网络可靠性

3GPP在5G的第二个演进版本R16中，引入SCP（服务通信代理）网元，定义了间接通信方式：模式C和模式D（如下图所示）。

3GPP对5G网元信令交互方式定义了A/B/C/D四种模式

R15版本直接通信方式（模式A和模式B）和R16版本间接通信方式（模式C和模式D）的主要区别如下： 

模式A：网元功能分为服务提供者和服务使用者，所有网元都直接相连。

模式B：增加NRF（网络存储功能）网元，提供服务发现和寻址，服务使用者使用服务前，先到NRF获取服务提供者的地址。其他连接方式和模式A相同。

模式C：在R15版本基础上，增加SCP网元，服务使用者去NRF寻址无需经过SCP，获得服务提供者的地区后，和服务提供者之间的信令交互都通过SCP路由和转发。

模式D：在R15版本基础上，增加SCP网元，服务使用者去NRF寻址需要经过SCP，获得服务提供者的地区后，和服务提供者之间的信令交互也通过SCP路由和转发。

R16版本的模式C和模式D，在网元链路建立、路由信息获取、整网流量转发、控制管理和负载均衡等方面都有了升级，更有利于异常流量场景管控。

从简化网络角度来看，相比模式 A和B，模式D可实现90%以上的链路数量减少，均衡各个局向的实时负载，实现网络连接简化。相比模式C，模式D又能进一步减少NF(网络功能)间频繁的订阅和通知交互，降低网络流量负荷，实现信令路由和负载均衡在SCP的集中化管理。 

模式D引入后网络拓扑变化

此外，模式D通过大幅减少网络实时连接，降低网络架构复杂度，使信令网更容易维护，故障可以快速定位。SCP的灵活对接还可以屏蔽异厂家网元间不同，大幅减少不同厂家网元对接时的集成工作量，缩短新业务上线时间，增强企业竞争力。

2、以高韧性、智能流控和快速恢复支撑可依赖信令网

今年7月，日本K运营商全网瘫痪事故的起因是路由器割接，割接失败后操作回退，大量终端重新发起位置注册消息，海量信令集中突发，很快引发VOLTE节点和用户数据节点拥塞。由于网络架构复杂且缺少自动化的流量控制手段，运维团队的故障排查和恢复时间长达3天。

根据近年来的信令风暴事故分析，90%以上事故的崩溃点都在网络后端的用户数据（HSS）/ 策略控制（PCF）/计费系统（CHF）等数据库型网元。信令网SCP方案除了需要自身扛得住高强度流量冲击外，还要有适配后端网元的处理能力，对前端流量进行智能流控，削峰整流，保护后端HSS/UDM/PCF等关键网元，维持整网业务实时在线。

此外，SCP基于星型架构的网络设计，能够提供流量可视和智能化分析，协助运维中心快速定位故障，排除异常模块，将业务恢复时间缩短至分钟级，在网络处于拥塞的极端情况下，也可为运营商快速挽回损失。

5G时代运营商信令建网展望

随着移动用户的和数据业务的增长，特别是5G网络的全面普及，网络承载的信令流量将呈现指数增长。信令网是运营商通信网络的神经中枢，为应对可能的流量激增，海内外多家运营商已经开始未雨绸缪，测试并引入SCP信令网，把SCP作为简化网络、提高效率、保障安全的网络基础设施，重点投入。

2021年，泰国A运营商率先引入SCP，作为5G网络信令路由和管理网元。新的SCP网元使网络信令路由大幅减少，免除运营商上万个离散号段的路由配置和维护工作，网络架构的简化不仅增强了网络的健壮性，而且可以实现新业务的快速上线。

5G网络赋能千行百业已经初具规模，网络承载的业务也将更加丰富。在网络不断演进过程中，信令网也需同步进行规划和建设，发挥信令网核心中枢的作用，保护网络稳定，提升维护效率，支撑5G网络在社会生活中发挥更大价值。

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