移動通信網(wǎng)絡(luò)的容災(zāi)技術(shù)

摘要：隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的普及，用戶對移動通信的服務(wù)質(zhì)量要求越來越高；運營商也要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)生故障后，網(wǎng)絡(luò)能夠繼續(xù)提供服務(wù)。為實現(xiàn)這一要求，雙點甚至多點備份被逐步應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)中，雙歸屬技術(shù)和IuFlex技術(shù)是其中比較成功的兩種容災(zāi)方式。雙歸屬技術(shù)是典型的雙點備份，備機在主機故障后接替主機。IuFlex技術(shù)則屬于多點備份，在單一交換節(jié)點故障后，其工作被交換池內(nèi)其他節(jié)點接替。

關(guān)鍵詞：移動通信網(wǎng)絡(luò);容災(zāi)技術(shù);雙歸屬；IuFlex

Abstract:Withthegrowingpopularization of mobile communication services, a growing demand for better Quality of Service (QoS) arises from the subscribers. An uninterrupted service provided with the network after a node failure is also expected from operators. To achieve this, duplex backup and even multiplex backup have been gradually introduced into the network. Among redundancy techniques, dual-home and IuFlex are more successful. Dual-home is a typical duplex backup system with activation of the backup server after the host server failure. IuFlex is one of the multi-backup techniques with overhead transference to other node in switching pool after single switching node failure.

Keywords:mobilecommunicationnetwork; redundancy technology; dual-home; IuFlex

網(wǎng)絡(luò)安全是移動通信服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，為了提高運營水平，移動運營商必須給用戶提供高品質(zhì)、不間斷的服務(wù)。而由于人為操作失誤、設(shè)備故障、自然災(zāi)害等原因，通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的故障往往不可避免。其中交換設(shè)備由于在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置較高，其故障帶來的損害往往影響較大，且故障恢復(fù)的時間也較長。為提高網(wǎng)絡(luò)安全，各廠商提出多種容災(zāi)技術(shù)，現(xiàn)有比較成熟的技術(shù)有雙歸屬技術(shù)和IuFlex技術(shù)，下文將對此兩種技術(shù)進行介紹和比較。

1  雙歸屬技術(shù)

雙歸屬技術(shù)是為網(wǎng)絡(luò)中運行的交換設(shè)備提供備份節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)方法。我們稱日常運行的設(shè)備為主用節(jié)點，為主用節(jié)點提供業(yè)務(wù)備份功能的節(jié)點是備份節(jié)點。主用節(jié)點故障后，備份節(jié)點檢測到故障發(fā)生，接替主用節(jié)點提供服務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，雙歸屬可以分為1+1主備、1+1互備、N +1主備、N +1互備。

1.1組網(wǎng)模式

(1)1+1主備

1+1主備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中服務(wù)器1(Server1)是主用節(jié)點，服務(wù)器2(Server2)是備用節(jié)點，備用節(jié)點和主用節(jié)點采用相同的容量配置。服務(wù)器(Server)和媒體網(wǎng)關(guān)(MG)之間的接口為媒體控制接口(Mc) [1]。正常工作情況下，媒體網(wǎng)關(guān)1(MG1)注冊在Server1下，Server1作為主用節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。故障發(fā)生后，Server2激活，MG1轉(zhuǎn)而注冊到Server2，Server2接替Server1提供服務(wù)。

(2)1+1互備

1+1互備的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中Server1和Server2都有自己的業(yè)務(wù)處理，MG1和媒體網(wǎng)關(guān)2(MG2)注冊在Server1，媒體網(wǎng)關(guān)3(MG3)注冊在Server2。MG之間的接口為Nb接口。正常工作時，Server1和Server2處理自身的業(yè)務(wù)。其中一個節(jié)點故障后，另一節(jié)點則接替故障節(jié)點的業(yè)務(wù)。 比如Server2故障，Server1將會接替Server2，Server2下的MG3會注冊到Server1上。

(3)N +1主備

N +1主備中有N 個主用節(jié)點和一個備份節(jié)點，備份節(jié)點為這N個主用節(jié)點提供冗余備份。正常情況下，N個主用節(jié)點處于工作狀態(tài)，當(dāng)其中一個節(jié)點故障后，備份節(jié)點激活接替該節(jié)點的業(yè)務(wù)。

圖3是N +1主備的示意圖，其中N =2，Server1和Server2是主用節(jié)點，Server3是備份節(jié)點，MG1注冊在Server1，MG2注冊在Server2。

(4)N +1互備

與N +1主備比較，N +1互備的備份節(jié)點除了為主用節(jié)點提供備份外，同時有自己的業(yè)務(wù)處理。

圖4是N +1互備的示意圖，其中N =2，Server1和Server2是主用節(jié)點，Server3是備份節(jié)點，MG1注冊在Server1，MG2注冊在Server2，由于Server3本身要處理業(yè)務(wù)，有MG3注冊在Server3。Server3本身的業(yè)務(wù)不受其他網(wǎng)元備份。

1.2業(yè)務(wù)流程

(1)故障檢測

為了讓備份節(jié)點能夠檢測主用節(jié)點的故障，備份節(jié)點和主用節(jié)點之間有心跳線連接。該心跳線可以是基于IP的，也可以基于時分復(fù)用(TDM)�？紤]到組網(wǎng)的便利性，推薦采用基于IP的心跳線。

當(dāng)采用基于IP的心跳線時，主備Server間可以通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)、傳輸控制協(xié)議(TCP)或流控制傳輸協(xié)議(SCTP)來承載心跳信號。這需要在兩端各配置一個IP地址，另外還有用于心跳線的UDP/TCP/SCTP的IP端口號。

心跳線建立好后，主備節(jié)點可以通過心跳線不斷地向?qū)Ψ桨l(fā)送心跳消息，并等待對端的回應(yīng)。如果沒有回應(yīng)，則失敗次數(shù)加1；如果失敗次數(shù)達到一定域值，則認為對端故障。

為了防止心跳線臨時故障所造成的錯誤倒換，在故障檢測中還加入MG注冊判決機制。心跳中斷后，備份節(jié)點檢測是否有原主用節(jié)點下的MG來注冊。如果注冊的MG數(shù)量超過一定門限，則認為主用節(jié)點確實發(fā)生故障，備份節(jié)點激活并接管主用業(yè)務(wù)。

(2)網(wǎng)關(guān)重新注冊

根據(jù)H.248協(xié)議，MG具有向多個Server注冊的能力，其中主用Server的優(yōu)先級高，備用Sever的優(yōu)先級低。故障發(fā)生前，MG向可用優(yōu)先級高的主用Server發(fā)送SeviceChange消息請求，進行注冊。如果收到注冊成功的命令，則完成了注冊，將主用Server設(shè)置為控制Server，隨后MG就受此主用Server控制[2]。

當(dāng)主用Server故障后，由于到主用Server的信令鏈路中斷，MG認為此Server不可用，于是按照啟動后的注冊流程注冊備份Server。

(3)信令備份

現(xiàn)在移動通信網(wǎng)絡(luò)上主要采用報文傳輸部分(MTP)和IP兩種信令方式，對這兩種方式，我們采用不同的備份方法。

對于采用MTP承載的信令，主要有移動應(yīng)用部分(MAP)、CAMEL應(yīng)用部分(CAP)、ISDN用戶部分(ISUP)、電話用戶部分(TUP)、A接口，備份方法有兩種[3]：

信令鏈路級備份

主備Server配置一個公共信令點，各鄰接局認為主備Server是一個局向，同時配置到主備Server的MTP鏈路，分別占用不同的信令鏈路編碼(SLC)。到主用節(jié)點的SLC一般是0~7，到備用節(jié)點的SLC一般是8~15。

正常工作時，主用節(jié)點鏈路是激活的，備用節(jié)點鏈路是閉塞的，于是MTP3采用主用節(jié)點鏈路傳送信令。當(dāng)主用Server故障時，主用節(jié)點鏈路閉塞，備份Server激活備用節(jié)點鏈路，于是MTP3采用備用節(jié)點鏈路來傳送信令。

路由級備份

主用Server配置一個信令點A，備份Server配置信令點A和信令點B。各鄰接局認為主用、備份Server是兩個局向，信令點分別為A和B。主用Server配置兩個信令路由，分別是到A的直連主用路由和經(jīng)過B點到A的備份路由。

正常工作時，MTP3采用主用路由傳送信令，在主用節(jié)點故障后，MTP3轉(zhuǎn)為使用備份路由。備份Server收到目標(biāo)點碼為A的MTP3信令后，替代主用Server在本地進行處理。

在IP承載上主要采用MTP3用戶適配(M3UA)信令，M3UA的倒換一般采用偶聯(lián)分擔(dān)方式。主用、備份Server配置同一個信令點A[4]，對于鄰接網(wǎng)元來說，可以將信令點A配置為一個應(yīng)用服務(wù)器(AS)。AS包含的偶聯(lián)分為兩組，一組是到主用Server，一組是到備用Server，兩組偶聯(lián)數(shù)量和帶寬配置完全相同。正常情況下，只有到主用Server的偶聯(lián)激活，到備份Server的偶聯(lián)是閉塞的，于是到本AS的信令被傳送給主用Server。當(dāng)主用Server故障時，備份Server激活偶聯(lián)，于是本AS的信令被傳送給備份Server。

(4)業(yè)務(wù)備份

備份Server接替主用Server提供服務(wù)，因此備份Server應(yīng)該有與主用Server一致的業(yè)務(wù)特性。為保障這一點，主用、備份Server之間需要支持業(yè)務(wù)配置數(shù)據(jù)同步。用戶在主用Server的操作維護平臺(O&M)修改配置數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)通過主備Server O&M間的IP網(wǎng)絡(luò)連接，同步到備份Server O&M。

2  IuFlex技術(shù)

IuFlex功能在3GPP R5引入，它允許一個無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)節(jié)點到多個核心網(wǎng)(CN)節(jié)點的域內(nèi)連接路由功能。用戶發(fā)起業(yè)務(wù)后，RAN節(jié)點把消息路由到不同的CN節(jié)點進行業(yè)務(wù)處理。其中，這些RAN節(jié)點和CN節(jié)點組成一個池域(Pool)。

2.1組網(wǎng)模式

圖5[5]是一個典型的Pool配置。圖中為簡略起見，沒有標(biāo)出核心網(wǎng)中的媒體網(wǎng)關(guān)。

2.2業(yè)務(wù)流程

(1)NNSF功能

非接入節(jié)點選擇功能(NNSF)是無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)節(jié)點從終端永久識別碼(IMSI)或者終端臨時識別碼(TMSI)選擇核心網(wǎng)絡(luò)(CN)節(jié)點的功能，使用戶進入Pool后始終接入同一個CN節(jié)點，避免用戶位置的變更引起Pool內(nèi)CN節(jié)點間的位置更新。

IMSI到CN節(jié)點之間的映射關(guān)系并不是固定的，RAN節(jié)點可以根據(jù)時間和負荷調(diào)整映射方式。

(2)NRI標(biāo)識

網(wǎng)絡(luò)資源標(biāo)示符(NRI)在Pool內(nèi)唯一標(biāo)識一個CN節(jié)點。在Pool以及相交的Pool內(nèi)，NRI不可以重用，但是協(xié)議允許一個CN節(jié)點有多個NRI[6]。

CN和RAN節(jié)點間通過TMSI來攜帶NRI信息。TMSI的長度共32bits，其中NRI的長度為0~10bits，位于TMSI的bit14到bit 23之間[7]。

對應(yīng)于NRI有NRI掩碼，它包含了NRI的比特長度和NRI在TMSI中的起始位信息，從TMSI和NRI掩碼可以推導(dǎo)出NRI。Pool內(nèi)NRI掩碼唯一。

在Pool內(nèi)有一種特殊的NRI被稱為Null NRI，它不屬于任何CN節(jié)點，用于Pool的用戶遷移流程。

(3)位置更新

Pool內(nèi)的用戶，如果使用IMSI發(fā)起位置更新，RAN節(jié)點使用NNSF功能從IMSI確定對應(yīng)的NRI，將信令路由到該NRI對應(yīng)的Server。Server收到并處理位置更新請求，位置更新之后，Server發(fā)起TMSI重分配流程。重分配的TMSI中包含Server的NRI信息，用戶的后續(xù)業(yè)務(wù)將使用該TMSI發(fā)起，并由RAN保證業(yè)務(wù)路由到同一個Server下進行處理[8]。

Pool用戶如果使用TMSI發(fā)起位置更新，RAN由TMSI和NRI掩碼得到NRI，并根據(jù)NRI得到該用戶注冊的Server，將消息路由到該Server，之后Server進行位置更新。

(4)主叫流程

Pool內(nèi)的用戶，如果使用IMSI發(fā)起呼叫，RAN節(jié)點使用NNSF功能獲取IMSI對應(yīng)的NRI，將信令路由到該NRI對應(yīng)的Server。Server處理呼叫請求，發(fā)起TMSI重分配流程。重分配的TMSI中包含Server的NRI信息，用戶的后續(xù)業(yè)務(wù)將使用該TMSI發(fā)起。

Pool內(nèi)用戶如果使用TMSI發(fā)起呼叫，RAN由TMSI和NRI掩碼得到NRI，并根據(jù)NRI得到該用戶注冊的Server，將消息路由到該Server，之后Server進行呼叫處理。

(5)被叫流程

Server發(fā)送的尋呼消息中帶有全球核心網(wǎng)標(biāo)識(Global-CN-ID)，如果尋呼消息中只有IMSI，RAN會臨時保存該IMSI和Global-CN-ID的關(guān)系。如果用戶使用IMSI返回尋呼應(yīng)答，RAN用Global-CN-ID找到下發(fā)尋呼的Server，并把尋呼應(yīng)答發(fā)送給Server處理。

如果Server尋呼時帶TMSI，則RAN根據(jù)TMSI中的NRI來識別所連接的MSC[9]。

(6)容災(zāi)處理

當(dāng)Pool 中某Server發(fā)生故障，RAN識別該Server不可達，會將本來分配給該Server的新發(fā)起的用戶業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到Pool中其他有效Server，從而實現(xiàn)Pool內(nèi)Server節(jié)點的容災(zāi)。

對于故障Server下注冊的用戶發(fā)起位置更新請求，新Server處理位置更新，并發(fā)起TMSI重分配流程。重分配的TMSI中包含新Server的NRI信息，用戶的后續(xù)業(yè)務(wù)將使用該TMSI發(fā)起。

當(dāng)故障Server下注冊的用戶發(fā)起主叫業(yè)務(wù)的時候，RAN將呼叫分配到Pool中其他有效Server處理，該Server因為TMSI非本局分配，以用戶未知為理由拒絕呼叫。用戶會重新以IMSI發(fā)起位置更新，從而通過NNSF過程，注冊到新Server下。

(7)用戶遷移

IuFlex網(wǎng)絡(luò)的另一種容災(zāi)方法是用戶遷移，即在Server開始維護前，通過用戶遷移過程將該Server下的用戶轉(zhuǎn)移到其他正常工作的Server下，并保證負荷平均。在Server維護結(jié)束后，同樣可以通過用戶遷移，將部分用戶重新轉(zhuǎn)移到該Server下。

用戶遷移由操作維護命令(O&M)觸發(fā)，其步驟如下：

通過O&M，在RAN節(jié)點和Pool內(nèi)各Server上配置維護Server的狀態(tài)，設(shè)置該Server的狀態(tài)為卸載狀態(tài)。

卸載狀態(tài)Server下的用戶發(fā)起業(yè)務(wù)，該卸載Server處理本次業(yè)務(wù)，重新分配帶有NullNRI的TMSI給用戶終端，同時攜帶位置區(qū)(LAI)為本局的非廣播位置區(qū)(Non-broadcastLAI)。

用戶結(jié)束當(dāng)前業(yè)務(wù)后，由于Non-broadcastLAI與用戶所在RAN廣播的LAI不同，用戶終端立即使用前面分配的TMSI發(fā)起位置更新。

RAN接收到位置更新消息，由于TMSI中的NRI為空NRI(NullNRI)，故根據(jù)Pool內(nèi)各剩余有效Server的容量選擇新Server，將消息發(fā)送到該Server處理。被選擇的Server處理用戶終端的位置更新業(yè)務(wù)，進行TMSI重分配流程，新TMSI中帶有本局NRI。在位置更新過程中，新 Server從位置更新請求的Non-broadcast LAI推導(dǎo)出用戶原來的Server，并到原來的Server獲取用戶IMSI和鑒權(quán)加密信息。

對一個Server的用戶遷移時間一般較長，需要約2-3個位置更新周期。除了對一個Server內(nèi)所有用戶的遷移，用戶遷移也可以針對部分用戶進行，從而達到調(diào)節(jié)Pool內(nèi)Server負荷的目的。

用戶遷移和普通容災(zāi)的區(qū)別在于，用戶遷移通過O&M 命令觸發(fā)，并且遷移過程中需要卸載Server的不斷參與。因此，用戶遷移不適用于突然災(zāi)難引起的節(jié)點宕機容災(zāi)。

3  IuFlex和雙歸屬技術(shù)比較

雙歸屬技術(shù)解決了Server節(jié)點的容災(zāi)問題，而且不需要外部網(wǎng)元的配合，因此更適用于跨地域大本地網(wǎng)組網(wǎng)模式。開局中，運營商按照當(dāng)?shù)氐慕M網(wǎng)規(guī)劃，可以適當(dāng)?shù)倪x取不同結(jié)構(gòu)的雙歸屬備份方案。

IuFlex技術(shù)需要接入網(wǎng)絡(luò)參與，物理上每個RNC的Iu接口同時連接到Pool內(nèi)多個MG，網(wǎng)絡(luò)升級和改造成本較高。但是IuFlex技術(shù)在解決容災(zāi)問題的同時，提供了網(wǎng)絡(luò)的負荷分擔(dān)和管理能力，并且降低網(wǎng)絡(luò)信令流量。因此，對用戶密集、需要建立多個局點的大城市，建議采用IuFlex技術(shù)。

以中興通訊在山東開局為例，當(dāng)?shù)赜袧鷮�，菏澤�?個地區(qū)需要建立局點，每個區(qū)域的用戶數(shù)量從10萬到20萬不等，為了提高運維效率，選擇在每個地區(qū)部署一個MG，同時在濟南和青島各部署一個Server，分別管理上述MG�，F(xiàn)場的組網(wǎng)示意圖如圖6，由于兩個Server下的容量都在50萬用戶以上，Server節(jié)點故障將造成大面積的網(wǎng)絡(luò)癱瘓，故根據(jù)該處組網(wǎng)的特點，采用1+1互備雙歸屬容災(zāi)。在濟南或者青島一處的Server故障后，另一處的Server將通過兩者間的心跳線檢測到故障發(fā)生，讓對方的MG注冊到本Server下， 從而接替故障Server提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。采用上述的雙歸屬組網(wǎng)，不但提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的安全性，同時該容災(zāi)方式也被用于軟/硬件升級等系統(tǒng)維護過程，減少Server維護所造成的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷。

4  WCN容災(zāi)性能

WCN交換機作為ZTE移動通信的核心產(chǎn)品，全方位的實現(xiàn)了雙歸屬和IuFlex技術(shù)，并且具備在大型網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的成功經(jīng)驗。

對雙歸屬組網(wǎng)，WCN作為備份節(jié)點可以支持對16個主用節(jié)點提供備份功能，故障檢測時間少于60s，業(yè)務(wù)恢復(fù)時間少于120s。

對于IuFlex技術(shù)，WCN支持Pool內(nèi)容納16個交換機以分擔(dān)負荷。

5  結(jié)束語

雙歸屬技術(shù)和IuFlex從不同的技術(shù)角度出發(fā)，解決了移動通信網(wǎng)絡(luò)的交換節(jié)點故障問題，提高了移動通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和服務(wù)質(zhì)量，正越來越為運營商所關(guān)注。

6  參考文獻

[1]3GPPTS23.002, Network Architecture[S].

[2]ITU-TH.248.1,Gateway Control Protocol[S].

[3]ITU-TQ.704,Signaling Network Functions and Messages[S].

[4]SignalingSystem7 (SS7) Message Transfer Part 3 (MTP3): User Adaptation Layer (M3UA) [R]. United States: RFC Editor, 2002.

[5]3GPPTS23.236, Intra-domain Connection of Radio Access Network (RAN) Nodes to Multiple Core Network (CN) Nodes[S].

[6]3GPPTR21.905, 3G Vocabulary[S].

[7]3GPPTS23.003, Numbering, Addressing and Identification[S].

[8]3GPPTS24.008, Mobile Radio Interface Layer 3 Specification; Core Network Protocols; Stage 3 [S].

[9]3GPPTS25.413, UTRAN Iu Interface RANAP Signaling[S].

作者簡介：

劉競翔，中興通訊股份有限公司工程師。碩士畢業(yè)于北京理工大學(xué)�，F(xiàn)從事中興通訊移動核心網(wǎng)電路域產(chǎn)品的研發(fā)。丁燕菁，中興通訊股份有限公司工程師。碩士畢業(yè)于東南大學(xué)。曾負責(zé)中興通訊移動核心網(wǎng)ZXWN-CS產(chǎn)品研發(fā)工作，現(xiàn)從事移動核心網(wǎng)分組域產(chǎn)品研發(fā)。劉峰，中興通訊股份有限公司工程師。碩士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)�，F(xiàn)從事中興通訊移動核心網(wǎng)電路域網(wǎng)管研發(fā)。曾發(fā)表專利：對移動通信設(shè)備中內(nèi)存數(shù)據(jù)庫定時監(jiān)控的方法。