基于INT感知的5G核心网用户面流量调度系统.pdf

2023 年 10 月 Journal on Communications October 2023 第 44 卷第 10 期 通 信 学 报 Vol.44 No.10 基于 INT 感知的 5G 核心网用户面流量调度系统 王超，任蒙，王尚广（北京邮电大学网络与交换技术全国重点实验室，北京 100876）摘 要：为解决 5G 移动数据流量激增和新型网络应用不断涌现给网络运维造成巨大压力的问题，设计并实现一个面向 5G 核心网用户面的流量调度系统，包含网络状态信息感知子系统和路由决策子系统。在网络状态信息感知子系统中，传统带内网络遥测方法带宽开销高，而且不是专门为无线网络系统设计的，此外，在 5G 核心网中应用带内网络遥测还面临测量精度不高、QoS 无法保障等挑战。为此，提出了基于带内网络遥测的 5G 核心网用户面状态信息感知方案，将遥测信息插入 GTP-U 报文的扩展头部，实时检测 UPF 状态信息，实现网络状态动态随路测量。路由决策子系统实现了基于改进蚁群算法的流量调度算法，利用感知到的网络状态信息升级信息素函数更新方式，完成基于实时网络状态的路由决策。实际部署测试结果表明，网络状态信息感知子系统能正常感知网络信息，而且所做路由决策在时延、吞吐量和丢包率方面优于传统路由算法。关键词：5G 核心网；用户面；流量调度；带内网络遥测；改进蚁群算法 中图分类号：T393 文献标志码：A DOI:10.11959/j.issn.1000436x.2023208 Traffic scheduling system of the 5G core network user plane based on INT perception WANG Chao,REN Meng,WANG Shangguang State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China Abstract:To solve the problem of huge pressure on network operation caused by the surge of 5G mobile data traffic and the continuous emergence of new network applications,a traffic scheduling system of the 5G core network user plane was designed and implemented,including network state information perception subsystem and routing decision subsys-tem.In the network state information perception subsystem,traditional in-band network telemetry methods incurred high bandwidth overhead and were not specifically designed for wireless network systems.Furthermore,the application of in-band network telemetry in the 5G core network faced challenges such as low measurement accuracy and the inability to guarantee QoS.A 5G core network user plane state information perception scheme based on in-band network telemetry was proposed.The telemetry information was inserted into the extended header of GTP-U message realize the measure-ment of network state along the path.The routing decision subsystem implemented the traffic scheduling algorithm based on the improved ant colony algorithm.The update method of the pheromone function was promoted by the perceived status information to complete the routing decision based on the real-time network state.The deployment test results showed that the network state information perception subsystem can perceive network information normally,and the routing decisions were superior to traditional routing algorithms in terms of delay,throughput and packet loss rate.Keywords:5G core network,user plane,traffic scheduling,in-band network telemetry,improved ant colony algorithm 收稿日期：20230407；修回日期：20230703 通信作者：王尚广， 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.62032003,No.U21B2016）Foundation Item:The National Natural Science Foundation of China(No.62032003,No.U21B2016)150 通 信 学 报 第 44 卷 0 引言 在万物互联时代，5G 有效支持了大量新型应用接入和大规模机器类型通信，提供了毫秒级端到端通信时延、百万级连接密度和每秒数十吉比特的峰值速率，用户服务体验明显提升1。随着工业 4.0的到来，元宇宙、虚拟现实、移动游戏等新型移动网络业务不断涌现，移动通信数据流量急剧增长，据国际电信联盟报告，全球移动数据流量将在 2030 年达到每人每月 5 016 EB 2。5G 核心网用户面负责业务数据流量的处理和转发，如此庞大的流量负载会给 5G 网络运营及管理带来巨大压力。如果 5G 用户面不能及时路由数据流量，引起的高时延将会给无人驾驶、智慧医疗等业务带来灾难性后果。因此，对 5G 核心网用户面的流量调度机制进行改进与优化，提升网络服务质量，将对用户、服务提供商和基础设施提供商具有重要意义。为避免差异化新兴业务需求与海量数据流量给5G 网络造成网络拥塞和负载失衡等问题，对业务流量进行合理规划与调度是最直接的解决方案。等价多路径（ECMP,equal-cost multi-path）算法3是广泛应用于数据中心网络（DCN,data center networking）的流量调度算法，通过将不同流散列分配到多个等价路径上，实现负载均衡。但是 ECMP 算法通过计算哈希值静态分配数据流路径，容易将多数流分配到同一路径，造成拥塞。Ma 等4提出一种面向 DCN的基于蚁群算法的流量负载均衡调度算法，该算法提升了链路利用率和网络吞吐量。Silva 等5提出一种用于软件定义网络（SDN,software defined network）数据平面的动态负载均衡算法，通过动态调整流量路由路径，明显降低时延和丢包率。对于 5G 核心网的流量调度，Tan 等6提出一种面向用户面的智能路由选择机制，依据用户面流量负载选择开销最小的路由路径。此外，Nguyen 等7提出一种面向基于矢量包处理的 5G 核心网用户面设备的动态负载均衡算法，考虑了矢量包处理向量速率和会话数量并将它们作为性能指标。但是该算法是基于矢量包处理平台实现的，缺乏普适性。虽然上述流量调度算法不同程度地实现了时延、吞吐量、链路利用率等性能优化，但是在面向5G 核心网的流量调度算法中，只依靠某一时刻获取的用户面状态来制定流量调度决策，不能跟随时变的用户面状态信息来调整路由决策，缺乏连续性和实时性。为了准确且实时获取 5G 核心网用户面网络状态信息，使其作为路由决策依据，需要引入网络测量技术8。根据测量方式不同，网络测量可以分为主动测量、被动测量和混合测量9。主动测量将探测包注入网络，通过观察分析探测包状态，进而推测网络性能，如 Ping、Traceroute 等，但是这种测量方式仅能测量网络时延，局限性较大，而且，主动测量不能保证探测包与业务数据流流经同一条路径，引入了额外带宽开销，因此测量结果往往不准确。被动测量在网络交换设备上利用流量镜像或端口转发来记录并分析数据流量，如 NetFlow、sFlow、SNMP 等，但是该测量技术受到交换设备性能限制，测量精度较粗，而且仅能测量本地设备状态，缺乏对业务流量的端到端感知。混合测量则是尝试结合上述 2 种测量方式优点的一种网络测量技术，带内网络遥测（INT,in-band network telemetry）是其典型代表。INT 将报文转发与网络测量结合，通过在交换机、智能网卡等转发设备上收集设备状态元信息并将其插入报文，从而实现随路测量。INT 因实时性强、测量精度高、测量数据类型丰富等优点引起了业界的广泛关注。在基于 INT 的网络流量调度方面，Yao 等10提出一种 SDN 中的自学习策略控制架构，为动态生成控制策略，使用 INT 收集网络遥测信息，依据遥测信息运行深度强化学习算法，实现了网络的闭环控制。针对 IEEE 802.11 网络无法细粒度编程和管理多个网络的问题，Isolani 等11提出一种基于INT 的 SDN 框架来收集细粒度网络统计信息，之后基于INT测量的流量统计数据为应用需求进行网络切片，以提高服务质量（QoS,quality of service）交付。Katta 等12提出一种基于虚拟机监视器的可扩展负载均衡器机制，该机制采用路由追踪机制，利用INT获取的链路拥塞情况或链路利用率来发现可用路径，通过操纵报头字段，将流量引导到可用路径上，避免网络拥塞。上述 INT 原型系统或方案实现主要基于 SDN，以用户数据报协议（UDP,user datagram protocol）报文作为 INT 载体。INT 技术作为一种新型网络测量技术，为网络拥塞控制、负载均衡等网络管理任务提供了细粒度和高精度的实时网络状态信息。但是，INT 最初是针对有线网络设计的，将 INT 应用于 5G 核心网测量还是一个全新的尝试，面临诸多第 10 期 王超等：基于 INT 感知的 5G 核心网用户面流量调度系统 151 挑战。首先，INT 遥测报文携带遥测指令和遥测数据等固有信息，导致网络带宽开销较大；然后，5G核心网数据传输速率和复杂性较高，对网络性能进行准确测量难度较大，需要保障 INT 技术测量结果的准确性；此外，将 INT 引入 5G 核心网还可能影响不同服务的 QoS。因此，本文拟研究基于 INT 的5G 核心网用户面流量调度系统，以探究基于实时网络状态的流量调度增益。5G 核心网采用基于服务的架构（SBA,ser-vice-based architecture），将控制面与用户面分离，用户面分布下沉到网络边缘，实现了用户面功能（UPF,user plane function）灵活部署，为用户就近接入和规划用户面路径提供了可能。为保证用户面流量通信的可靠性，可以在用户设备（UE,user equipment）和数据网络（DN,data network）之间建立多条协议数据单元（PDU,protocol data unit）会话连接，以冗余链路方式保障通信可靠性。但随着PDU 会话数量增加，用户面流量负载增大，可能造成网络拥塞，而且第三代合作伙伴计划（3GPP,3rd generation partnership project）5G 核心网标准并没有为 PDU 会话制定负载均衡策略或标准。因此，为了提升 5G 核心网服务质量，保证用户面转发效率，本文拟设计并实现一个 5G 核心网用户面流量调度系统。利用 INT 技术实时高精度感知用户面状态信息，并基于该感知信息提出一种改进的路由算法，最终实现 PDU 会话高效转发。具体而言，本文主要研究内容如下。1)提出基于INT的5G核心网用户面网络状态信息感知方案。创新性地将 INT 技术引入 5G 核心网网络测量中，通过将网络遥测信息插入 GTP-U（GPRS tunnelling protocol user plane）报文中，实现用户面状态随路测量。同时，基于 INT 技术规范设计了遥测报文格式，保障遥测信息的添加不影响正常数据流量传输。2)提出基于改进蚁群算法的流量调度算法。优化传统蚁群算法的信息素初始化方式，提出基于最大最小蚁群系统和精英蚂蚁策略的信息素更新方式。基于感知的网络信息计算启发式函数和信息素函数，实现用户面路由路径规划。3)设计实现兼容网络状态信息感知和路由决策的 5G 核心网用户面流量调度系统。利用高精度、细粒度的实时感知信息辅助规划用户面 PDU 会话路由路径。该系统与Free5GC的联合部署测试表明，其不仅能有效感知 5G 核心网用户面相关网络状态信息，而且流量调度算法较传统算法实现了更低的端到端时延和丢包率，并确保负载均衡。1 系统组成 1.1 系统定位 应用功能（AF,application function）为 5G 核心网提供额外数据，影响 5G 核心网的策略控制，以及边缘计算应用等高级服务13。根据 AF 是否与5G 核心网网元处于同一可信域中（由运营商决定），AF 与 5G 核心网的交互有 2 种模式，如图 1 所示。图 1 AF 与 5G 核心网交互模式 当 AF 不可信时（AF 是由第三方服务提供商提供的服务），其必须通过网络开放功能（NEF,net-work exposure function）提供的接口将相关信息传输给其他网元，例如接入和移动性管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、策略控制功能（PCF）以及统一数据管理功能（UDM）。当 AF 可信时（AF 是网络运营商内部开发的功能），其可以通过服务化接口直接与其他网络通信。所提流量调度系统将作为 5G 核心网控制面中的一个 AF，其主要功能是对 UE 发起的 PDU 会话进行流量调度，同时考虑到当前开源 5G 核心网（Free5GC、Free5GS等）均未实现 NEF 相关功能，所以本文将所提系统作为一个可信AF，并将其部署于5G核心网控制面。1.2 流量调度系统架构 5G 核心网通过建立 PDU 会话提供 UE 与 DN间的数据连接，针对 PDU 会话规模急剧膨胀导致会话策略相互影响、网络拥塞，以及缺乏负载均衡策略等问题，本文依据“观察、判断、决策、执行”的网络控制环路思想14，设计面向 5G 核心网用户面的流量调度系统，主要包含用户面网络状态信息感知与路由决策 2 个子系统，如图 2 所示。网络状态信息感知子系统和路由决策子系统之间通过 RESTful 应用程序接口（API,application programming interface）交互，两者模块化的设计降152 通 信 学 报 第 44 卷 低了系统耦合性，并增强了系统的可扩展性。所提系统内部模块根据部署位置的不同分为控制面模块和用户面模块。流量调度系统部署于 5G 核心网控制面，直接与 SMF 通信，为其提供流量调度功能。流量调度系统用户面模块部署于 UPF 上，以实现对 5G 核心网用户面网络状态信息的实时感知。其中，网络状态信息感知子系统是路由决策子系统运行的基础，它通过 INT 感知并收集用户面网络状态信息，如 UPF 间传输时延、UPF 内处理时延、UPF 端口带宽等。网络状态信息感知子系统内部采用 gRPC15实现位于控制面的模块与位于用户面模块之间遥测信息的传输。路由决策子系统负责执行流量调度算法，确定当前 PDU 会话最佳路由路径，通过SMF更新相应UPF的包检测规则（PDR,packet detection rule）、操作转发规则（FAR,forwarding action rule），最终将决策下发给UPF。具体来说，控制面模块包含整个路由决策子系统以及网络状态信息感知子系统部分功能；用户面模块包含INT 信息发送模块和INT 信息更新模块。各模块具体功能如表1 所示。网络状态信息感知子系统和路由决策子系统分别解决核心网用户面的状态测量和路由调度问题，2 个子系统的功能相互补充、配合，最终实现高精度、细粒度的 5G 核心网用户面网络状态信息感知，并依据状态信息对新建立的 PDU 会话进行路由决策，最终提高核心网服务质量。1.3 流量调度系统流程 面向 5G 核心网用户面的流量调度系统运行流程如图 3 所示。网络状态信息感知子系统在系统启 图 2 面向 5G 核心网用户面的流量调度系统总体架构 表 1 模块功能 模块 功能 INT 信息更新模块 根据报文采样频率、INT 指令、UPF 角色等参数，对接收到的 GTP-U 报文进行 INT 报头插入、INT 元数据更新、INT 信息提取等 INT 信息发送模块 将收集到的 INT 信息发送给数据收集器并发送相应控制指令给 INT 信息更新模块 INT 信息接收模块 使用 gRPC 接收 INT 信息发送模块传输的 INT 信息，将其解析为 INT 原始报文 INT 信息解析模块 根据预先定义的 INT 报文格式，将 INT 原始报文各字段解析为对应含义的网络状态信息并转换成相应的数据结构 状态信息查询模块 根据其他系统或模块的调用请求，向存储模块查询对应网络状态信息并返回查询结果 存储模块 存储 INT 原始报文和解析后的网络状态信息，实现对网络状态信息的持久化存储 路由分析模块 接收用户面网络状态信息，运行相应的流量调度算法，实现 PDU 会话路由路径规划 调度执行模块 将路由决策发送给 SMF，由 SMF 根据路由决策更新 UPF 的 PDR、FAR，并执行决策 日志系统 保存系统运行日志，方便运维人员了解系统运行状态 第 10 期 王超等：基于 INT 感知的 5G 核心网用户面流量调度系统 153 动时便持续实时感知用户面网络状态信息。UE 向 5G 核心网控制面发起 PDU 会话建立请求。控制面解析 PDU 会话建立请求后确定 PDU 会话相关参数，如 DN 名称、UE 位置信息等，并向路由决策子系统请求 PDU 会话路由路径。路由决策子系统解析到达的请求，确定 PDU 会话的源节点和目的节点，之后向网络状态信息感知子系统请求当前的用户面网络状态信息。路由决策子系统基于状态信息执行流量调度算法，并将 PDU 会话路由决策返回给控制面。控制面解析该路由决策，生成相应的PDR、FAR，并使用包转发控制协议（PFCP,packet forwarding control protocol）向 UPF 发送调度指令。用户面将调度结果反馈给控制面，最终由控制面将 PDU 会话建立结果返回给 UE。1.4 存储机制设计 INT 元数据经解析后的网络状态信息，标识每个INT原始报文的唯一标识符等相关数据均需保存在数据库中。INT 原始报文是由作为 INT 接收节点的 UPF 传输给 INT 收集系统的 INT 信息，包括 INT报文头部和所历经的各个 UPF 插入的 INT 元数据，其大小受到当前流量带宽、测量频率、测量参数等因素影响。本文系统采用 MySQL 数据库实现可靠的数据存储和高效的数据写入。此外，当用户查询当前网络状态信息时，流量调度系统需快速响应以保证数据的实时性，因此，本文系统引入轻量级内存数据库 Redis 作为系统热点数据缓存，使用Key-Value 的方式存储用户最近查询的热点数据，实现对用户请求的快速响应。为防范因 SQL 注入攻击导致网络状态信息数据库泄露的风险，利用权限设置防止高风险语句执行，同时严格检查输入变量的类型和格式，防止 SQL 注入。针对外部用户恶意访问接口导致的系统能力下降的问题，可采用Token 授权认证或者黑白名单等方式实现鉴权。2 基于带内网络遥测的状态信息感知 2.1 网络状态信息感知子系统 网络状态信息感知子系统作为路由决策子系统的数据提供方，通过 INT 技术实现对 5G 核心网用户面状态信息的感知，并直接与 UPF 进行交互。由于该子系统需要与 Free5GC 联合部署，而Free5GC 中 UPF 的 GTP-U 报文处理模式是作为Linux内核模块开发使用的，因此为使UPF支持INT功能，位于用户面的 INT 信息更新模块作为 Linux内核模块进行开发，INT 信息发送模块位于 Linux用户空间，采用 Linux 系统中通用的 Netlink 功能16实现 2 个模块之间的通信。基于 INT 的网络状态信息感知流程如图 4 所示。其中，INT 源节点是指创建 INT 报头（INT Header）并将其插入报文的 UPF，INT 中间节点是指根据INT报头中包含的指令收集用户面遥测信息（元数据）的 UPF，INT 接收节点是指提取 INT 报头并收集遥测信息的锚点 UPF（PSA-UPF,PDU 图 3 面向 5G 核心网用户面的流量调度系统运行流程 154 通 信 学 报 第 44 卷 session anchor-UPF），INT 头部是 INT 遥测信息的报头，INT 元数据（INT Metadata）是需要收集的网络状态信息。2.2 INT 报文结构 5G 核心网用户面中承载用户报文的主要协议为 GTP-U，该协议为支持未来的应用程序，实现了一些可用于传输任意类型数据的 GTP-U 扩展头部，例如在 3GPP 5G 核心网标准中已定义了几个扩展值：PDU 会话容器、服务等级指示器等。完整 GTP-U报文格式请参考文献17。本文将所有 INT 信息，包括 INT 报文、INT 指令、INT 元数据，均放入 GTP-U 扩展头部，并将其作为一个新的 GTP-U 扩展报文类型。若 GTP-U 经过的部分路由器、交换机、UPF 不支持 INT，该部分网络设备或 UPF 能够自动忽略 GTP-U 扩展报头中的INT 信息并自动转发报文，保证数据流量的正常转发以及网络性能的准确测量。本文参考 P4.org 应用工作组提出的 INT 规范18，结合 5G 核心网用户面状态信息感知需求，设计图 5 所示的 INT 报文格式。协议版本号（4 bit）固定为 2；D（1 bit）代表丢弃标志位，该值为 1 时，INT 接收节点在读取报文 INT 元数据后不转发该报文并丢弃；E（1 bit）代表超过最大跳数标志位，当 INT 节点不能添加元数据且剩余跳数为 0 时，该值为 1；M（1 bit）代表超过最大传输单元（MTU,maximum transmission unit）限制标志位；Reserved（12 bit）代表保留位，在 INT 源节点该值为 1，在其余 INT 节点该字段被忽略；Hop ML（5 bit）代表 INT 元数据长度；Remaining Hop Count（8 bit）代表允许添加 INT 元数据的剩余跳数；Instruction Bitmap（16 bit）是 INT指令位图，每个比特位表示一种网络遥测数据类型；Domain Specific ID（16 bit）代表 INT 域 ID，规定当前 INT 指令适用的范围，INT 域 ID 为 0 时，表示所有INT节点均能根据INT指令插入对应INT元数据。INT 报头共 8 B，之后 INT 报文内容为 INT 元数据协议栈。INT 元数据的插入顺序受到 INT 指令位图的严格限制，以方便 INT 收集系统根据数据类型解析对应的 INT 元数据。该 INT 数据插入方式实现了较强的兼容性，当 UPF 不支持 INT 时，网络转发设备可以自动忽略 GTP-U 扩展头部中包含的不能识别的 INT 信息，继续进行 GTP-U 报文转发，逐步替换原有不支持 INT 的 UPF 设备，最终实现基于 INT 技术的 5G 核心网用户面网络状态信息感知。图 4 基于 INT 的网络状态信息感知流程 图 5 INT 报文格式 第 10 期 王超等：基于 INT 感知的 5G 核心网用户面流量调度系统 155 2.3 INT 报文处理 INT 报文在 INT 源节点、INT 中间节点和 INT接收节点中的处理方式如下。1)INT 源节点 INT 源节点根据预先设定的 INT 指令和测量频率对接收到的 GTP-U 报文进行封装，包括 INT 报头和 INT 元数据，生成并转发带有 INT 信息的 GTP-U报文。作为 INT 源节点的 UPF 收到 GTP-U 报文后，首先判断 GTP-U 报文是否满足预先设定的测量频率（设定测量频率为2f，其中 f 为 8 bit 的无符号十进制整数），若不满足则视为普通 GTP-U 报文进行转发；若满足则进入添加 INT 信息的流程。INT 源节点确认需向 GTP-U 报文添加 INT 信息后，首先检查该 GTP-U 报文是否有足够空间容纳 INT 信息，若空间充足，则向 GTP-U 扩展头部中添加 INT 报头，并将 INT 源节点元数据插入 INT 元数据栈中；若没有足够空间容纳 INT 信息或报文长度超过 MTU，则单独构造 GTP-U 格式的遥测报文，同时向该报文添加 INT 信息。之后将丢弃指示位 D 置 1，表示该报文为包含 INT 信息的遥测报文，需在 INT 接收节点丢弃。最后，更新 GTP-U 报文上层协议校验和（如 IP 报头校验和），通过 UPF 的 PDR、FAR 转发至下一跳 UPF。2)INT 中间节点 INT中间节点负责采集本地UPF的INT元数据，并将其插入具有INT报头的GTP-U报文的INT元数据栈中。作为 INT 中间节点的 UPF 首先对收到GTP-U 报文进行解析，若该报文不是包含 INT 信息的遥测报文，则根据 PDR、FAR 进行转发；若该报文是带 INT 信息的遥测报文，则根据 INT 指令判断GTP-U 报文是否有足够空间或当前长度是否超过MTU。如果空间不足或长度超过 MTU，则同样单独构建 GTP-U 格式的遥测报文，并将原 GTP-U 报文中的 INT 报头和所有 INT 元数据转移到新构建的GTP-U 报文中，同时将丢弃指示位 D 置 1；如果空间充足且长度不超过 MTU，则将本地 UPF 的 INT 元数据插入 INT 元数据栈中。最后，更新 GTP-U 报文上层协议校验和（如 IP 报头校验和），按照 UPF 的PDR、FAR 进行转发。3)INT 接收节点 INT接收节点除向GTP-U报文添加INT信息外，主要负责提取 GTP-U 报文中的 INT 报头和 INT 元数据，并通过gRPC 将 INT 信息发送给 INT 收集系统。作为INT接收节点的UPF收到GTP-U报文后进行解析，若该报文非遥测报文，则按照 PDR、FAR 进行转发；若该报文为遥测报文，可按照 INT 信息添加流程向该GTP-U报文添加INT信息，之后提取所有INT信息，将其通过 gRPC 发送给 INT 收集系统。若该GTP-U 报文非 INT 探测包，即丢弃标志位 D 不为 1，则删除包含的所有 INT 信息，同时更新 GTP-U 上层协议校验和，根据 PDR、FAR 进行转发；否则丢弃该 INT 探测包。2.4 基于 Netlink 的数据传输方案设计 在网络状态信息感知子系统实现层面，5G UPF的 GTP-U 报文解析与转发功能是以 Linux 内核模块的方式实现的，对应程序运行在 Linux 内核空间。UPF 转发用户面 GTP-U 报文时，所有 GTP-U 报文均在 Linux 内核空间中实现解析与转发。因此，网络状态信息感知子系统向GTP-U报文中添加INT报头和 INT 元数据的功能也必须在 Linux 内核空间实现，但 gRPC 框架只有处于 Linux 用户空间时才能使用。所以，本文系统基于 Netlink 通信框架将位于Linux内核空间的INT信息更新模块采集到的INT信息传输给位于 Linux 用户空间的 INT 信息发送模块。网络状态信息感知子系统实现的适用于INT的Netlink子协议号为31。该数据传输方案中，从Linux 用户空间向 Linux 内核空间发送的消息为控制信令，主要功能是设置 UPF 所对应的 INT 角色，设置测量频率和需要感知的网络状态信息类型，从Linux 内核空间向 Linux 用户空间发送的消息为UPF 作为 INT 接收节点提取到的所有 INT 信息。位于用户空间的 INT 信息发送模块和位于内核空间的 INT 信息更新模块之间的消息交互过程如图 6 所示。图 6 消息交互过程 156 通 信 学 报 第 44 卷 在该数据传输方案中，首先加载 INT 信息更新模块，使其创建内核空间的 Netlink 套接字，INT信息更新模块在内核空间采用netlink_unicast()函数对指定进程标识符（PID,process identifier）的用户空间进程进行通信，所以需要 INT 信息发送模块率先使用send()函数发送初始消息到内核空间，使INT信息更新模块能够获取 PID。3 基于改进蚁群算法的路由决策 3.1 路由决策子系统 路由决策子系统是 5G 核心网用户面流量调度系统的控制中枢，其与网络状态信息感知子系统交互获取 5G 核心网用户面状态信息，如 UPF 端口带宽、UPF 间链路时延、UPF 内处理时延等，通过运行流量调度算法，生成 PDU 会话路由决策，保障不同用户服务的 QoS。同时路由决策子系统直接与 5G 核心网控制面的 SMF 交互，获取流量调度请求并将流量调度决策下发。路由决策子系统逻辑架构如图 7 所示。图 7 路由决策子系统逻辑架构 3.2 路由决策子系统算法设计 路由决策子系统的目的是通过运行流量调度和路由算法，在 5G 核心网用户面现有时延和带宽等条件约束下，为新建的 PDU 会话规划一条合理路由路径，避免网络拥塞的同时提高用户面通信链路利用率与 PDU 会话吞吐量，降低 PDU 会话时延。本文借鉴蚁群算法在寻找最优路径方面的分布式计算、鲁棒性强、不需要全局信息等特点19-20，将5G 核心网用户面当前网络状态信息（链路时延、UPF 吞吐量等）加入蚂蚁寻路过程中。在已有的基于蚁群算法的网络路由相关工作中，网络状态信息是固定配置的，蚁群算法不能实时动态感知变化的网络环境。本文提出一种基于改进蚁群算法的流量调度（IAC-TS,traffic scheduling based on improved ant colony）算法，利用 INT 状态信息感知系统为蚁群算法提供动态网络信息，在一次迭代中每一只蚂蚁单独对从基站到 DN 的路径进行搜索，形成备选路径集合。之后，更新蚂蚁经过路径的信息素并开始下一次迭代。随着迭代次数增加，蚂蚁会集中到信息素浓度较高的几条路径上，直至到达指定迭代次数，获取最优路由路径集合。实现过程如下。1)信息素初始化 使用常数对信息素初始化的方式容易导致收敛速度过慢，为避免该问题，将网络链路的信息素初始值设为 maxTx(0)ijijijBT(1)其中，(0)ij表示初始链路(,)i j 上的信息素含量，在 5G 核心网用户面流量调度背景下，该值表示链路的可用带宽；maxijB表示链路(,)i j的最大可用带宽；Txij表示链路(,)i j在时间T内发送的字节数。2)蚂蚁转移 蚂蚁的初始位置均位于作为源节点的 UPF 上。规定蚂蚁路径不能形成环路，因此每只蚂蚁都会维护一个禁忌表，该表存放蚂蚁经过 UPF 节点 ID。蚂蚁依据链路信息素浓度计算转移到下一个节点的概率，计算方式为|()|(),()()()0,ikijijikkiuiuiju NttjNttPt其他(2)其中。i和j分别表示蚂蚁的当前节点和下一跳节点，()ijt表示时刻t链路(,)i j上的信息素浓度，()ijt表示时刻t链路(,)i j上的启发信息，和分别表示信息素浓度和启发信息的权重因子，ikN表示位于节点i的蚂蚁k所有未经过节点的集合。()ijt计算式为 1()()ijijtt(3)minmaxmaxmin()()()()(1)()()ijijijijD tDtB ttDtDtB(4)其中，()ijt是链路(,)i j的质量权衡因子，()ijD t和max()ijijB tB分别是链路(,)i j的时延和带宽利用率，min()Dt和max()Dt分别是所有链路中的时延最小值第 10 期 王超等：基于 INT 感知的 5G 核心网用户面流量调度系统 157 和最大值，01（）是权重因子。若蚂蚁所有相邻节点均在禁忌表中，则该蚂蚁的此次路径搜索失败。否则，蚂蚁通过轮盘赌方式选择下一跳节点，同时检查禁忌表中是否包含源节点和目的节点，若包含则搜索成功。否则，蚂蚁重新计算转移概率并选择下一跳节点。3)信息素更新 所有蚂蚁执行完一次路径搜索，即完成一次迭代后，将所得有效路径通过Top-k算法选择最优的k条路径添加到候选路径集中，之后，根据式(5)更新当前链路信息素浓度 ()(1)()ijijttt (5)其中，()ijtt 是经过时间t后链路(,)i j的信息素浓度，01（）是信息素挥发因子。为提升蚁群算法前期的搜索能力和后期的收敛速度，的取值方式为 maxmaxmaxmaxmax0.9,00.250.5,0.250.750.1,0.75IIIIIIII(6)其中，I 表示算法的当前迭代次数，maxI表示最大迭代次数。之后再次更新候选路径集中k 条链路的信息素浓度以增加优质链路的信息素浓度，保证链路质量，即 ()()(1)ijijijijttt (7)1()mnijijnt(8),(,)()nnijQni jLt第 只蚂蚁经过链路0，其他(9),0,ijijeP其他(10)其中，ij表示链路(,)i j新增的信息素浓度；()nijt表示第n只蚂蚁在链路(,)i j上释放的信息素浓度；m表示蚁群大小；nL表示第n只蚂蚁走过的路径总长度，以路径总时延表示；Q表示信息素总浓度，为一常量；eij表示以,i j为端点的UPF链路；P表示候选路径集；表示候选路径的信息素增量因子。为防止链路信息素浓度出现极端情况导致蚂蚁搜索路径不准确，基于最大最小蚁群思想对信息素增量ij进行限制，即 maxmaxminmaxminmin,()()(),(),()ijijijijijtttttttttt (11)其中，max、min分别表示链路(,)i j 的最大、最小信息素浓度。为模拟现实网络状态，本文仿真实验将可用带宽限制在5,12 Mbit/s。3.3 基于改进蚁群算法的流量调度方法 算法执行到最大迭代次数maxI后，在候选路径集中随机选择一条链路作为 PDU 会话的最终路由路径，算法的具体实现过程如算法 1 所示。算法 1 IAC-TS 算法 输入 maxI，蚂蚁数量num，蚂蚁索引ID，网络拓扑G，链路时延，带宽，源节点src，目标节点dest 输出 PDU路由路径 1)Func ANT_COLONY_OPT(G,src,dest)2)创建可选路径集合 3)fo