4.8 负载均衡

爱卫生

4.8.1 概述
   网络安全是移动通信服务质量的关键因素之一，为了提高运营水平，移动运营商必须给用户提供高品质、不间断的服务，而由于人为操作失误、设备故障、自然灾害等原因，通信网络中的节点故障往往不可避免，因此如何确保网络中关键设备的可靠性，尽可能不间断地工作是设备厂家必须解决的问题。
   传统的网络结构为树形结构，一个BSC/RNC只能被一个核心网节点（SGSN/MSC）控制，如果核心网节点发生故障，其所管理的RNC就不能正常工作。为了避免点到多点的连接限制，3GPP在R5中提出了Iu-Flex技术，引入了“池区”（Pool Area）的概念，即核心网节点作为资源池，RNC可以连接多个MSC/SGSN网元、池区。RNC被池中的多个网元同时管理，RNC的终端用户可以按照负载均衡的原则注册到池中的任意一个节点。
   在LTE/SAE系统中，继承Iu-Flex机制采用了相似的S1-Flex机制，eNB跟RNC一样，可以连到池区的多个MME，在某个MME发生故障的时候，该MME的业务能够由池区内的其他MME接管，这样能够避免由于单个MME故障引起的通信中断。
由于S1-Flex的引入，运营商在建设网络的时候，必须要考虑池区内所有网元的负载均衡，无线侧设备应能根据池区中的核心网设备的负荷情况，控制用户接入到池区的网元，保证池区的网元之间的负载均衡，也要考虑在池区网元发生故障的情况，如何快速准确地将故障网元的业务切换到其他网元上去，还需要考虑设备在过载情况下，如何既保证现有的业务不中断，又保证设备不会因过载而崩溃，并且能及时从过载状态中恢复。
   设备的可靠性除了负载均衡外，还包括设备的容灾备份。容灾备份指的是如何有效地对关键设备进行数据备份，在发生设备故障的情况下，能够快速、准确地将系统中的业务切换到备用设备中去。容灾备份是保证网络整体性能的重要方式之一，实际系统中包括设备级的备份以及设备内的板卡间备份，备份方式都有1 + 1备份和N + 1备份。
   MME作为EPC系统中的控制面关键设备，在实际部署的时候，通常会集中设置，一旦MME设备发生故障，带来的损害往往影响较大，其故障恢复的时间较长。因此，3GPP针对MME的可靠性保护，提出了多种方案，包括MME间的负载均衡、MME间的负载重分配和MME过载控制等方案。
   S-GW和P-GW是用户面设备，根据现有的PS域网络运营经验，对其容灾的要求会相对低一些。从运营商的角度考虑，当然希望其设备能够承受相当的负荷和容灾要求，但如果因引入容灾机制而使得设备功能过于复杂，而且有可能影响各厂家设备之间的互操作，则运营商可能会选择其他更简单的方式避免故障和过载，比如，负载均衡通过简单的轮询方式实现，而过载控制通过设备扩容实现，设备容灾则通过1 + 1冗余备份就可实现。另外，由于S-GW和P-GW是在用户层面，可以通过MME的控制来达到一定的过载控制和负荷重分配。基于这个考虑，S-GW和P-GW的可靠性要求相对MME要低些，在SAE体系中，仅考虑了S-GW的负载均衡技术。
   SAE系统中的核心网设备除MME/S-GW/P-GW之外，还有用户数据管理设备HSS。HSS通常可以采用现有的HLR相同的容灾机制，即1 + 1容灾或N + 1容灾，优先选择1 + 1容灾方式。

4.8.2 MME的负载均衡
1 MME间负载均衡
   MME间负载均衡功能是以均衡Pool内MME间负载为目的。MME间负载均衡功能允许新进入MME Pool内的UE根据Pool内MME间负载均衡，定向到Pool内合适的MME上。eNB为了根据MME间的负载均衡选择MME，需要获知Pool内MME的负载情况，为Pool内每个MME设置一个权重，权重是根据MME的容量相对于Pool内其他MME的容量来设置。
   eNB能够根据MME的指示来设置eNB上的该MME的权重信息，比如MME Pool内新加入一个MME，该MME启动之后向池内所有的eNB发起权重修改，将该MME的权重值设为很高的值，以尽快增加该MME的负载；当负载达到设定值的时候，该MME再通知eNB将权重降低。另外，eNB也应能够通过操作维护系统设置eNB上的MME的权重信息。

2 MME间负载重分配
   MME间负载重分配功能允许将注册在某MME的部分或者全部UE迁移到MME Pool内其他MME。比如由于运营商策略引起的MME间负载重分配或者由于MME的维护引起的负载重分配。由于MME负载均衡是依照权重来为接入网络的用户选择服务MME的，因此Pool内每个MME的负载情况应该相似，所以，Pool内MME过载时不采用MME间负载重分配机制。
   如果运营商需要将某个MME间的负载迁移到池内的其他MME上，则首先让该MME通知池内所有eNB，该MME停止服务（可以通过将该MME的权重降为0的方式实现），阻止新接入的用户选择该MME接入。
   如果要卸载ECM-CONNECTED模式的UE，MME会发起释放原因值为“因负载均衡需要TA更新”的S1释放流程。S1和RRC连接释放后，UE发起TAU流程，并指示eNB该RRC连接建立是因为负载均衡。MME不应该立即释放所有的S1连接。MME可以等待S1连接释放。当MME的负载需要全部卸载，MME可以为所有余下的UE发起S1释放流程来完成卸载。
   卸载执行TAU或者附着的UE，MME会正常完成该流程，随后MME发起S1释放流程，释放原因值为“因负载均衡需要TA更新”。随后UE发起TAU流程，并指示eNB该RRC连接建立是因为负载均衡。
   当UE指示eNB该RRC连接建立是因为负载均衡时，eNB会选择一个不同GUMMEI（Globally Unique MME Identifier，全球唯一MME标识符）的MME。为了卸载ECM-IDLE状态的UE，MME首先将该UE寻呼至ECM-CONNECTED状态，然后按照ECM-CONNECTED状态的UE的卸载方式来卸载UE。
   如果寻呼UE失败并且ISR激活了，则MME考虑UE可能在GERAN、UTRAN覆盖区，则会调整寻呼重传策略（比如限制重传数）。

3 MME过载控制
   MME的过载控制是指eNB根据过载控制策略，减少转发给过载的MME的消息数量，甚至不向过载的MME转发NAS消息，从而使MME从过载状态恢复正常。
   当MME发生过载时，MME发送Overload Start，通知eNB该MME过载。如果用户发起NAS信令，则eNB根据池中其他MME的负荷状况，为该UE选择池内的其他非过载MME接入。一旦收到MME发送的Overload Stop消息，eNB认为该MME恢复正常服务。
MME可以通过Overload Start消息，请求eNB在一段时间内拒绝以下消息。
（1）拒绝非紧急的移动始发的数据传输引起的RRC连接建立或者非紧急的移动始发的CS业务的RRC连接建立。
（2）拒绝所有用于EPS移动性管理信令的新的RRC连接建立请求（如TAU请求或者Attach请求）。
（3）只允许紧急会话的RRC连接建立。

4.8.3 S-GW的负载均衡
   核心网移动性管理实体在为UE选择服务S-GW时，必须考虑S-GW的服务能力，以此达到S-GW服务区内各个S-GW间的负载均衡。在MME上可以配置S-GW服务区中的各个S-GW的权重信息。为了保证S-GW服务区内各个S-GW之间的负载均衡，S-GW服务区内的S-GW可以周期性地将自身的负载状态信息（例如，可以是负载百分比）发送给有连接关系的MME。MME能根据S-GW的负载状况和权重信息选择S-GW建立承载，从而达到S-GW间的负载均衡的目的。

apollo0687

好好学习，天天向上。