一种用于电信级数据融合的用户数据库网络

       摘要：网络和业务的发展对运营商提出了通信网络中的用户数据融合要求。本文提出了一种用于电信级 数据融合的用户数据库网络，用于实现网络和业务的融合。在分析了电信级数据融合的范畴、在物理实现和数据模型方面的技术需求、关键机制和技术关注点之后， 本文介绍了用户数据库网络的架构，及其在数据存储容量和访问性能、可用性和可靠性、可扩展性、开放能力、承载和数据模型方面的重要电信级优越性，最后通过 列举实验室仿真结果验证用户数据库网络的上述重要特性。

       I.介绍

       在过去十年中，诸如3G无线网络、WLAN（Wireless Local Area Network）、WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）网络、IMS（IP Multimedia Subsystem）网络等新兴网络不断涌现，并催生了一系列的新业务。在PSTN（Public Switched Telephone Network）、2G无线网络、IP宽带接入等已有网络的基础上，这些新网络将引起业务数量、单用户数据量、用户数据总量的突增。

       众多的业务及其相互独立的用户数据带来一系列挑战。单点业务的用户数据存储和访问面临容量和性能的瓶颈；各业务的用户数据可用性和可 靠性保障差异性较大，建设成本高；多点业务的用户数据之间容易出现冗余、不一致问题；数据管理在多点独立展开，维护成本随业务增加而升高；业务开发和部署 受制于杂乱的用户数据访问接口、甚至无法访问其他用户数据。而且，运营商、业务开发者和用户无法集成利用分散在不同业务平台的用户数据，进而无法利用这些 具有相互关联的用户数据达成商业数据挖掘、业务互动的目的。所有这些不足，为网络和业务的融合带来了极大的障碍。

       同时在过去的十年中，众多研究试图通过数据融合的方式来解决上述问题。相应的解决方案和产品也已在企业应用领域部署和运作。然而对电 信运营商而言，上述方案和产品在性能、可用性、可靠性和扩展性等方面仍不能达到电信级运营的需求。因此，数据融合亟需通过一种新的方法来存储、访问和管理 融合后的用户数据，以达到电信运营的要求。

       本论文提出的用户数据库网络（Subscriber Database Network ，SDN）用于提供电信级的数据融合。用户数据库网络作为一个由多种功能实体构成的网络，借助其分层、可扩展性、具有负荷分担和冗余备份特性的网络架构， 为运营商的电信级用户数据存储和访问提供了大容量高性能、高可用性和高可靠性、高可用性、统一开放数据访问接口、统一数据模型等技术特性。

       本论文按照如下结构展开。第Ⅱ节对概述了数据融合的定义、基本需求、机制和技术关注点；第Ⅲ节描述用户数据库网络的架构和重要特性；第Ⅳ节列举用户数据库网络部分特性的实验仿真结果。

       II.数据融合概述

       数据融合定义为对同一用户的多个异构网络中的多个业务提供统一的数据存储和访问服务，如图1所示。数据融合还可能包括与特定用户相关 的业务数据，例如用户特定业务逻辑、业务数据等；可能包括用户终端上的用户数据，例如个人通信录等。同时，数据融合的解决方案应该具备平滑演进、融合未来 可能出现用户数据的能力。

 
图1：数据融合中的网络和业务

       如图2所示，数据融合的关键机制是业务应用和用户数据的分离。从各种不同的业务平台中剥离的用户数据集中存储；剥离用户数据后的业务 逻辑、数据管理系统和营帐系统等作为服务使用者通过统一、单一的接口协议访问融合的用户数据。所有业务的用户数据在集中存储后相互关联，对外呈现统一的数 据模型。

 
图2：融合的用户数据及其用户

       因此，数据融合的关键技术点是融合数据的存储和访问。这两方面分别在物理实现和数据模型上产生了需求。物理实现的需求包括数据存储、 访问实体功能及其组网拓扑，数据访问性能，数据存储容量，存储、访问的可用性和可靠性，开放接口等；数据模型的需求包括数据模型的可扩展性与完备性，以有 效关联变化多样的用户数据、灵活呈现业务开发所需的数据视图。

       III.用户数据库网络

       本节主要介绍用户数据库网络，阐述其如何针对性地满足上述数据融合的需求。以用户数据库网络架构为基础，将介绍其重要技术特性。需要说明的是，本节没有穷尽用户数据库网络的众多且仍不断增加的技术特性。

       A.用户数据库网络架构

       如图3所示，用户数据库网络作为一个整体通过外部接口与各种业务系统、管理系统连接，而本身由多个子系统或设备通过内部接口组成。

 
图3：用户数据库网络架构

       其中，作为用户数据库网络的服务使用者，业务系统包括MAP（Mobile Application Part，移动应用部分）协议业务系统，例如交换网络中STP（Signaling Transfer Point，信令转接点系统）、交换机等，Diameter协议业务系统，例如IMS网络中的CSCF（Call Session Control Function，呼叫会话控制系统）等，SOAP（Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议）协议业务系统，例如营帐系统，应用服务器等。上述业务系统都是电信网络、尤其是移动通信网络常规的用户数据使用者。 其中应用服务器也可以扩展到Internet业务，以及未来出现的新业务；业务系统也可以通过统一开放接口直接接入数据库子系统。同时，可以通过网管系统 对用户数据进行管理。

       用户数据库网络本身是由多个子系统和设备组成的网络。其网络架构按照业务与数据分离的原则分为两层，其中应用网关层包括MAP、 Diameter和SOAP三种网关子系统及其OMC（Operation and  Maintenance Center）设备，数据库层包括数据库子系统及其OMC设备。两层之间采用统一的接口协议进行服务交互。MAP、Diameter和SOAP网关子系统 主要实现各种业务协议与统一接口协议之间转换，与用户数据独立，作为用户数据库网络的一部分以达成与遗留业务系统的兼容；数据库子系统主要实现用户数据的 存储和访问，是用户数据库网络的核心部分。

 
图4：MAP网管子系统及其组成实体

       网关子系统和数据库子系统由各种逻辑功能实体组成。其中，网关子系统由多个实现协议转换功能的网关功能实体（Geteway Functional Entity）组成，以MAP网关子系统为例其组成拓扑如图4所示。其中xm接口协议为MAP，im为统一协议接口，子系统内、子系统间的任意两个网关实 体相互独立，不存在直接交互接口。

       数据库子系统由多个数据路由功能实体（Data Routing Functional Entity）和存储备份功能实体（Replica Functional Entity）组成。数据路由实体主要实现对数据库操作请求的路由，存储备份实体主要实现用户数据的存储和备份。如图5所示，数据库子系统的数据路由实体 分别通过im、id和is接口为MAP、Diameter和SOAP网关子系统的网关实体提供数据访问服务；数据路由实体根据内部存储的路由信息将数据操 作请求动态路由至存储备份实体，并将其数据操作响应返回至网关子系统；处于同一备份关系之中的多个存储备份实体存储相同的用户数据，构成一个存储备份群， 并通过一定的机制进行实时同步；不同存储备份群一般存储不同的用户数据。

 
图5：数据库子系统及其组成实体

       业务系统与网关实体、业务系统与数据路由实体、网关实体与数据路由实体、数据路由实体与存储备份实体分别形成服务使用者和服务提供者关系，如图6所示。

 
图6：功能实体之间服务架构

       服务使用者功能实体和服务者提供者功能实体一般是1对N（N≥1）的数量关系，如图7所示。其中，P1、P2、… PN-1、 PN为为服务使用者实体到N个服务提供者实体的业务流量分布。

 
图7：实体服务关系中业务量的分布

       上述的MAP、Diameter和SOAP网关实体、数据路由实体、存储备份实体是一种逻辑功能，其具体实现为可以在物理主机上动态加载、控制、管理的进程或进程组。在理想的情况下，上述功能实体与主机硬件独立，其对应进程或进程组可以在任意主机上运行。

       本节下文将围绕上述功能实体及其功能、组成拓扑和服务架构讨论用户数据库网络的重要特性。

       B.数据存储容量和数据访问性能

       作为融合数据的存储和访问载体，用户数据库网络满足网络和业务融合带来的巨大数据存储和访问需求。

       理论上，用户数据库网络的数据存储容量不存在上限。随着用户数据的增加，当单个存储备份实体的存储容量达到极限时，可以通过增加存储 备份群来增加用户数据存储空间，并在线调整数据路由实体的数据路由信息。用户数据库网络的巨大容量空间将为网络和业务不断融合提供前提。

       同样，用户数据库网络的数据访问性能不存在瓶颈。随着用户数据和业务处理量的增加，当作为服务提供者的功能实体处理性能达到安全极限 时，可以通过横向扩展该功能实体数量来增加用户数据库网络的处理能力。如图4、图5所示，可以通过分别增加MAP、Diameter和SOAP网关实体来 增强对MAP、Diameter和SOAP协议业务系统的业务处理能力；通过增加数据路由实体来增强对各种网关子系统的业务处理能力；通过增加存储备份实 体来增强对数据路由实体的业务处理能力；多个网关、数据路由和存储备份实体分别对业务量进行负荷分担。巨大的数据访问性能为高效访问大容量用户数据提供保 障。

       需要说明的是，用户数据库网络的数据存储容量和数据访问性能扩展能力仍须进一步实践验证。

       C.可用性和可靠性

       用户数据库网络满足了电信级可用性和可靠性要求，为融合用户数据的存储和访问提供保障。

       一方面，用户数据库网络提供了多层面的N+K负荷分担和备份机制。如图7所示，N个服务提供者实体以负荷分担方式处理一个服务使用者 实体的业务流量，并且有K（K≤N）个服务提供者实体空载情况下为服务使用者实体提供服务，当N个服务提供者实体中的其一发生故障或服务不可达时，服务使 用者实体在业务无间断的前提下动态将其业务量倒换到一个空载服务提供者实体上。在此机制下，用户数据库网络能够在允许最多K个服务提供者实体失效或服务不 可达的情况下，保障业务系统到用户数据存储的访问通路，从而保持业务的连续性，极大地提高了可用性和可靠性。

       另一方面，用户数据库网络的功能实体可以地理分布部署，增加了用户数据访问和存储的容灾能力。从用户数据库网络架构来看，横向上处于 N+K负荷分担和备份机制同层实体、纵向上不同层实体可以通过异地部署来实现不同级别的地理容灾，如同城不同机房、城市之间、南北分置等，从而提高了存储 和访问的容灾能力。

       D.可扩展性

       用户数据库网络满足了电信级可扩展性要求，主要表在如下方面。

       第一，用户数据库网络具备业务系统扩展的能力。随着网络和业务的融合，将有更多的基于特定协议遗留业务系统需要访问融合用户数据。为 此，可以通过增加相应协议的业务网关子系统及其网关实体达成该业务系统对融合用户数据的访问。此外，基于统一开放接口，业务系统将随着业务增长而不断增 加。

       第二，用户数据库网络在架构横向层面具备功能实体的扩展能力。如上文所述，网关实体、数据路由实体、存储备份实体和存储备份群都可以根据数据存储容量和访问性能需要而增加。

       第三，用户数据库网络的硬件载体具备扩展能力。目前，用户数据库网络一般采用性价比较高的IT平台作为硬件载体，例如 ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture，高级电信级计算架构）刀片服务器等。上述计算平台在板卡、计算和存储资源、接口等方面都具有良好的扩展能力。

       第四，用户数据库网络的融合数据模型具备扩展能力。

       E.开放能力

       用户数据库网络具备开放的数据服务能力，以满足业务开发的需要。除了通过各种业务网关子系统为预留业务系统提供数据服务之外，用户数 据库网络通过数据库子系统的基于统一接口协议的开放接口为业务开发提供数据服务支持，进而分离业务与数据、简化网络、降低业务开发成本。用户数据库网络目 前采用LDAP（Lightweight Directory Access Protocol）协议作为统一接口协议。

       F.IP承载

       用户数据库网络的功能实体加载于用IP承载连接的物理主机之上，利用IP承载网络进行各种数据传输。IP承载网络固有的高效路由机制、性价比优势降低了用户数据库网络的建设投资成本、提高了部署灵活性。

       G.用户数据模型

       用户数据库网络提供了统一的用户数据模型，有效关联融合用户数据，减少数据冗余表示、存储，为业务开发提供统一数据界面。统一数据模型的可扩展性和完备性作为专题，是一个重要的研究领域。

       IV.仿真评估

       为了验证部分重要技术特性，本论文将介绍用户数据库网络的仿真评估结果。仿真环境及其配置如图8所示。此次仿真主要用于验证数据库子 系统的技术特性，因此采用多个仿真仪表模拟各种网关实体生成LDAP请求消息流量，并发往数据库子系统。多个数据路由实体和存储备份实体加载到ATCA单 板，分别构成了数据路由主机池和存储备份主机池。仿真仪表、数据路由主机和存储备份主机通过千兆以太网进行通信。其中，LDAP请求消息流量以单位时间内 活动用户为度量，每个存储备份群由两个存储备份实体组成。

 
图8：活动用户数量与实体数量的关系

       在上述仿真环境下，首先验证了数据库子系统访问和存储能力及其扩展性。如图9所示，数据库子系统支持的活动用户数量随着数据路由和存 储备份主机数量的增加而呈现线性增长。因此，数据库子系统访问性能和存储容量可以根据支持的活动用户数量需求而改变，具有极大的伸缩范围。

 
图9：活动用户数量与实体数量的关系

       注：横坐标为数据路由和存储备份主机的数量，竖坐标为数据库子系统支持的活动用户数量；上部直线反映活动用户数量与数据路由主机的数量的关系，下部直线反映活动用户数量与存储备份主机的数量的关系。

       在上述仿真环境下，还验证了数据库子系统的可用性和可靠性。仿真采用人工制造数据路由和存储备份主机故障或链路故障的方式，使其相应 功能实体服务失效。仿真结果表明，故障的检测时间以95%的概率在400ms以内；故障导致的业务流量在故障实体与空载实体之间的倒换以95%的概率在 400ms以内完成，最长时间不超过1s；故障检测和业务流量倒换过程中伴随着一定量的业务请求操作失败，但倒换完成后不再出现；整个过程中，仿真仪表对 实体失效无感知。由此可见，数据库子系统以备份为主可靠性机制保证了业务流量在故障场景下的实时倒换，具有较高的可用性。

       V.结论

       本文提出了一种用户数据库网络，通过分析其架构和重要技术特性，以及针对部分技术特性的仿真评估，验证了用户数据库网络有能力实现电信级数据融合。

       电信级数据融合有多个层面的需求，其中融合数据在物理层面的存储和访问时本文关注点。用户数据库网络通过其应用与数据分离、分层服务 架构、功能实体与物理部署分离，满足了电信级运营需要的大容量、高性能、高可用性和可靠性、高可扩展性、开放能力等需求，为通信领域的网络和业务融合奠定 基础。