IMS核心網(wǎng)元準(zhǔn)POOL容災(zāi)方案研究

許盛宏 李力卡 劉智德

[摘要]P-CSCF、S-CSCF是IMS核心網(wǎng)元，其組網(wǎng)可靠性關(guān)系到IMSA務(wù)提供的穩(wěn)定性。文章分析了異地組網(wǎng)容災(zāi)方案的實(shí)現(xiàn)以及存在問題，然后提出P-CSCF、S-CSCF的準(zhǔn)POOL組網(wǎng)方案，并闡述組網(wǎng)要求、容災(zāi)數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)接管實(shí)現(xiàn)。該方案提高了容災(zāi)組網(wǎng)的可靠性，對(duì)IMS商用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、組網(wǎng)部署具有一定參考價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]準(zhǔn)POOLP-CSCFS-CSCF實(shí)時(shí)接管容災(zāi)方案

1引言

隨著網(wǎng)絡(luò)融合演進(jìn)趨勢的加快以及多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的增加，中國電信加緊部署IMS網(wǎng)絡(luò)，IMS網(wǎng)絡(luò)將成為未來融合核心網(wǎng)的新核心，其規(guī)模難以估量。IMS網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)系到整個(gè)電信網(wǎng)絡(luò)以及業(yè)務(wù)的安全，因此，有必要研究IMS網(wǎng)絡(luò)的安全組網(wǎng)方案。

P-CSCF是用戶接入IMS網(wǎng)絡(luò)的初始入口點(diǎn)，將拜訪地接入網(wǎng)絡(luò)的SIP事務(wù)轉(zhuǎn)接到其歸屬地的S-CSCF。S-CSCF是IMS的核心設(shè)備，位于用戶的歸屬網(wǎng)絡(luò)，為uE提供注冊管理和認(rèn)證鑒權(quán)，并為IP多媒體業(yè)務(wù)呼叫的建立、維持和釋放提供控制功能。因此，S-CSCF、P-CSCF是IMS網(wǎng)絡(luò)非常重要的核心網(wǎng)元。而目前組網(wǎng)方式無法滿足大規(guī)模商用的需求，一旦主用設(shè)備癱瘓后，會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)接管時(shí)間過長、對(duì)用戶影響非常大等問題。而采用準(zhǔn)POOL容災(zāi)組網(wǎng)方案，會(huì)進(jìn)一步提升IMS網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

2目前容災(zāi)方案分析

2.1容災(zāi)方案的實(shí)現(xiàn)

異地容災(zāi)組網(wǎng)的主要實(shí)現(xiàn)方式有：1+1主備、1+1互備、負(fù)荷分擔(dān)、POOL和N+1備份。目前P-CSCF和S-CSCF的組網(wǎng)方案如下：

P-CSCF采用負(fù)荷分擔(dān)方式，在正常情況下，相鄰網(wǎng)元按照一定比例將話務(wù)負(fù)荷分擔(dān)到N個(gè)設(shè)備；當(dāng)有一個(gè)設(shè)備故障失效，相鄰網(wǎng)元將所有話務(wù)負(fù)荷分擔(dān)到其它N-1個(gè)設(shè)備，接管設(shè)備非實(shí)時(shí)進(jìn)行容災(zāi)業(yè)務(wù)處理。

S-CSCF采用N+1備份方式，在正常情況下，相鄰網(wǎng)元按照一定比例將話務(wù)負(fù)荷分擔(dān)到N個(gè)S-CSCF設(shè)備，另一個(gè)處于冷備份狀態(tài)；當(dāng)一個(gè)主用的S-CSCF設(shè)備故障失效時(shí)，相鄰網(wǎng)元將故障設(shè)備所承擔(dān)的話務(wù)接續(xù)到備份S-CSCF，備份S-CSCF設(shè)備非實(shí)時(shí)接管業(yè)務(wù)。

2.2容災(zāi)方案存在問題

目前容災(zāi)方案主要存在如下問題：

(1)無法及時(shí)恢復(fù)業(yè)務(wù)。P-CSCF和S-CSCF所采用的組網(wǎng)方式，一旦用戶注冊所在的主用設(shè)備癱瘓后，需要等待用戶重新注冊才能恢復(fù)業(yè)務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)接管。

(2)無法確保接管有效性。S-CSCF采用的N+1備份方式，由于處于備份的設(shè)備在平常沒有負(fù)荷，難以保證在應(yīng)急情況下的有效接管。

(3)設(shè)備投資成本高。如這些網(wǎng)元采用1+1互備方式，可提高可靠性，但冗余度相當(dāng)高，投資成本高，而且設(shè)備之間需要實(shí)時(shí)同步容災(zāi)數(shù)據(jù)才能確保業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)接管，對(duì)設(shè)備性能開銷較大。

(4)用戶感知的影響大。目前方案通過用戶重新注冊來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)非實(shí)時(shí)接管，這樣就對(duì)用戶感知的影響很大，可能會(huì)導(dǎo)致用戶在一段時(shí)間內(nèi)無法通話。

3準(zhǔn)POOL方案的優(yōu)勢

為了解決上述問題，可以采用準(zhǔn)POOL組網(wǎng)方式。準(zhǔn)POOL組網(wǎng)方式是指N個(gè)設(shè)備組成一個(gè)池，池內(nèi)設(shè)備提供負(fù)荷分擔(dān)服務(wù)，網(wǎng)元之間通過非數(shù)據(jù)同步方式實(shí)現(xiàn)資源共享。當(dāng)一個(gè)設(shè)備癱瘓，其余N-1個(gè)可以通過一定方式獲取共享數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接管，不需要等待用戶重注冊。與POOL方式最大的不同是，容災(zāi)數(shù)據(jù)不再通過網(wǎng)元之間的數(shù)據(jù)同步實(shí)現(xiàn)，而是巧妙地通過HSS數(shù)據(jù)共享或者容災(zāi)查詢實(shí)現(xiàn)，一方面確保業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)接管，另一方面設(shè)備性能開銷很小，滿足集約化運(yùn)營需求。業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)接管是指接管設(shè)備能為已注冊用戶未進(jìn)行周期注冊更新時(shí)提供完整的業(yè)務(wù)服務(wù)。

異地容災(zāi)組網(wǎng)方式的容災(zāi)切換指標(biāo)分析如表1所示。

從表1可知，準(zhǔn)POOL技術(shù)比目前的容災(zāi)組網(wǎng)方式具有絕對(duì)優(yōu)勢：業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)接管、用戶基本無感知、設(shè)備利用率高、投資成本低和較為容易實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于需要容災(zāi)數(shù)據(jù)才能恢復(fù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)元，P-CSCF、S-CSCF建議采用準(zhǔn)POOL方案組網(wǎng)。

4P-CSCF準(zhǔn)POOL方案

4.1容災(zāi)組網(wǎng)要求

N個(gè)P-CSCF設(shè)備組成一個(gè)準(zhǔn)POOL，在正常情況下，BAC支持按照一定比例將話務(wù)負(fù)荷分擔(dān)到準(zhǔn)POOL的所有設(shè)備中；當(dāng)一個(gè)P-CSCF設(shè)備故障失效時(shí)。BAC和S—CSCF將故障P-CSCF承載的話務(wù)負(fù)荷分擔(dān)到準(zhǔn)POOL的剩余其他設(shè)備，接管的P-CSCF設(shè)備通過I-CSCF查詢獲取用戶當(dāng)前注冊的S-CSCF實(shí)時(shí)接管業(yè)務(wù)。

P-CSCF準(zhǔn)POOL(以N=3為例)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖1所示。

上述組網(wǎng)方式對(duì)于用戶初始注冊請求，BAC采用負(fù)荷分擔(dān)的方式選擇P-CSCF準(zhǔn)POOL內(nèi)的設(shè)備，可采用DNS配置方式：BAC在一個(gè)信令分組中，配置一個(gè)P-CSCF的域名。假設(shè)為PCSCF.CTCIMS.CQM.CN，用戶注冊時(shí)采用此域名進(jìn)行SRV查詢。DNS的SRV配置池內(nèi)所有設(shè)備的主機(jī)名，采用相同優(yōu)先級(jí)，權(quán)重可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置。為了實(shí)現(xiàn)容災(zāi)的負(fù)荷分擔(dān)，DNS對(duì)POOL中每一個(gè)P-CSCF主機(jī)都配置SRV查詢，對(duì)于本主機(jī)采用高優(yōu)先級(jí)，所有剩余主機(jī)都采用相同的低優(yōu)先級(jí)。DNS配置關(guān)系如表2所示。

假設(shè)用戶原來注冊在P-CSCF1故障失效，對(duì)于已經(jīng)注冊的用戶的呼叫、重注冊請求，BAC和S-CSCF根據(jù)DNS返回的序號(hào)為2的記錄，將話務(wù)負(fù)荷分擔(dān)到P-CSCF2和P-CSCF3，從而實(shí)現(xiàn)到N-1個(gè)設(shè)備上的負(fù)荷分擔(dān)。

4.2容災(zāi)數(shù)據(jù)備份

P-CSCF所需要容災(zāi)備份數(shù)據(jù)就是用戶當(dāng)前服務(wù)的S-CSCF，按照標(biāo)準(zhǔn)注冊流程，在用戶注冊時(shí)，S-CSCF通過信令與HSS進(jìn)行交互，HSS就會(huì)記錄用戶當(dāng)前服務(wù)的S-CSCF，不增加額外備份需求。

4.3容災(zāi)接管實(shí)現(xiàn)

P-CSCF容災(zāi)接管主要考慮已注冊用戶的主叫和被叫業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，已注冊用戶的重注冊、新用戶注冊與原有標(biāo)準(zhǔn)流程一致。

(1)已注冊用戶主叫業(yè)務(wù)接管

已注冊用戶尚未進(jìn)行周期更新而發(fā)起主叫業(yè)務(wù)時(shí)，通過如下流程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接管，假設(shè)P-CSCF1故障失效，P-CSCF2進(jìn)行業(yè)務(wù)接管：

◆已注冊在P-CSCF1的用戶向BAC發(fā)起呼叫，BAC將呼叫轉(zhuǎn)發(fā)到P-CSCF2。

◆P-CSCF2發(fā)現(xiàn)沒有用戶注冊數(shù)據(jù)，根據(jù)主叫用戶的域名查詢DNS，將呼叫請求發(fā)往主叫用戶歸屬的I-CSCF，在INVITE消息中提取PPI域的主叫號(hào)碼構(gòu)造PAl，并在INVITE消息的增加restore=1參數(shù)，標(biāo)識(shí)接入側(cè)P-CSCF/AGCF發(fā)來的消息。

◆I-CSCF根據(jù)restore=1參數(shù)構(gòu)造Cx接口的User-Authorization-Type取值為2，并根據(jù)orig參數(shù)提取主叫

號(hào)碼向HSS發(fā)送LIR消息。

◆HSS處理LIR請求時(shí)，根據(jù)User-Authorization-Type取值為2，返回主叫用戶的S-CSCF能力集和動(dòng)態(tài)S-CSCF name。

◆I-CSCF優(yōu)先使用動(dòng)態(tài)S-CSCF name路由，并呼叫請求消息送到S-CSCF。

◆S-CSCF收到呼叫請求后，根據(jù)restore=1參數(shù)識(shí)別是UE始呼流程，根據(jù)orig觸發(fā)主叫側(cè)業(yè)務(wù)，從而完成容災(zāi)業(yè)務(wù)接管。

(2)已注冊用戶的被叫業(yè)務(wù)接管

對(duì)于原來注冊在故障P-CSCFI的用戶的被叫接管，被叫S-CSCF將呼叫負(fù)荷分擔(dān)到P－CSCF準(zhǔn)POOL的其他設(shè)備：

◆S—CSCF收到MT呼叫，根據(jù)用戶的記錄主機(jī)名P-CSCF1進(jìn)行DNS查詢，DNS返回相應(yīng)的P-CSCF優(yōu)先級(jí)列表，S-CSCF檢測到優(yōu)先級(jí)最高的P-CSCF1故障失效后，S-CSCF在優(yōu)先級(jí)低的P-CSCF任選一個(gè)，假設(shè)為P-CSCF2。

◆根據(jù)SIP協(xié)議要求，S-CSCF將Request URI封裝為BAC的IP地址，將呼叫消息發(fā)送給P-CSCF2。

◆P-CSC-F2根據(jù)容災(zāi)策略放通呼叫，并根據(jù)Request URI將呼叫路由到用戶注冊的BAC，BAC按照正常呼叫進(jìn)行處理就可以完成業(yè)務(wù)接管。

5S—CSCF準(zhǔn)POOL方案

5.1容災(zāi)組網(wǎng)要求

N個(gè)S-CSCF設(shè)備組成一個(gè)池，池內(nèi)設(shè)備提供負(fù)荷分擔(dān)服務(wù)。在正常情況下，相鄰網(wǎng)元支持按照一定比例將話務(wù)負(fù)荷分擔(dān)到準(zhǔn)POOL的所有設(shè)備中，網(wǎng)元之間通過HSS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)容災(zāi)數(shù)據(jù)共享，當(dāng)一個(gè)S-CSCF癱瘓，其余N-1個(gè)S-CSCF設(shè)備進(jìn)行負(fù)荷分擔(dān)，可以通過HSS查詢獲取容災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接管，無需等待用戶的重注冊。

S-CSCF準(zhǔn)POOL(以N=3為例)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

上述組網(wǎng)方式對(duì)于用戶初始注冊請求，I-CSCF根據(jù)用戶的S-CSCF能力集采用負(fù)荷分擔(dān)的方式選擇S-CSCF準(zhǔn)POOL內(nèi)的設(shè)備；對(duì)于用戶的主叫和被叫，選擇用戶初始注冊選定的S-CSCF。

5.2容災(zāi)數(shù)據(jù)備份

在用戶開戶時(shí)，HSS已經(jīng)保存了用戶簽約數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)接管，在用戶注冊過程中，S-CSCF通過Cx接口將容災(zāi)數(shù)據(jù)以透明數(shù)據(jù)形式存放在HSS，需要備份的容災(zāi)數(shù)據(jù)包括：

(1)用戶注冊路由信息Path頭域：新的S-CSCF在處理被叫請求時(shí)，需要依靠它來找到正確的P-CSCF。

(2)用戶注冊的Contact地址：新的S-CSCF在處理被叫請求時(shí)，需要依靠它來構(gòu)造請求目的地。

(3)用戶鑒權(quán)的Authentication Method：新的S-CSCF在處理注冊或者呼叫鑒權(quán)時(shí)使用的鑒權(quán)參數(shù)。

5.3容災(zāi)接管實(shí)現(xiàn)

S-CSCF容災(zāi)接管主要考慮已注冊用戶的重注冊、主叫和被叫業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，新用戶注冊與原有流程一致。

(1)已注冊用戶的重注冊接管

已注冊用戶發(fā)起重注冊請求時(shí)，P-CSCF無法將重注冊消息送到故障的S-CSCF1，將通過I-CSCF查詢HSS獲取S-CSCF能力集，選擇一個(gè)可用的S-CSCF2注冊。后續(xù)發(fā)起的業(yè)務(wù)請求將由重注冊選定的S-CSCF2處理：

◆P-CSCF將重注冊消息轉(zhuǎn)發(fā)給I-CSCF，I-CSCF啟用UAR消息查詢HSS，其中User-Authorization-Type取值為0。

◆HSS返回用戶當(dāng)前服務(wù)的S-CSCF給I-CSCF，I-CSCF判斷當(dāng)前服務(wù)的S-CSCFB經(jīng)故障失效，重新發(fā)起UAR消息查詢HSS，其中User-Authorization-Type取值為2。

◆HSS返回注冊用戶的S-CSCF能力集，I-CSCF根據(jù)用戶的S-CSCF能力集選擇一個(gè)可用的S-CSCF2，從而由S-CSCF2接管容災(zāi)用戶。

(2)已注冊用戶的主叫業(yè)務(wù)接管

已注冊用戶未進(jìn)行周期更新時(shí)發(fā)起主叫業(yè)務(wù)請求，P-CSCF將業(yè)務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)到I-CSCF，I-CSCF通過與HSS的信令交互后選擇可用的S—CSCF2提供服務(wù)，S-CSCF2重新從HSS下載用戶簽約數(shù)據(jù)和容災(zāi)數(shù)據(jù)，從而恢復(fù)用戶業(yè)務(wù)：

◆已在S-CSCF1注冊用戶向P-CSCF發(fā)起呼叫請求，P-CSCF檢測到S-CSCF1故障失效后，根據(jù)用戶域名查詢DNS獲取用戶歸屬的I-CSCF，向I-CSCF發(fā)送呼叫請求。P-CSCF在INVITE消息中提取PPI的主叫號(hào)碼構(gòu)造PAI，并增加restore=1參數(shù)，標(biāo)識(shí)接入側(cè)P-CSCF/AGCF發(fā)來的消息。

◆I-CSCF根據(jù)restore=1參數(shù)構(gòu)造Cx接口的User-Authorization-Type取值為2，并根據(jù)oring參數(shù)提取主叫號(hào)碼向HSS發(fā)送LIR消息。

◆HSS處理LIR請求時(shí)，根據(jù)User-Authorization-Type取值為2，返回主叫用戶的S-CSCF能力集和動(dòng)態(tài)S-CSCF name。

◆I-CSCF優(yōu)先使用動(dòng)態(tài)S-CSCF name路由，并透傳Route頭域中的參數(shù)到S-CSCF。此時(shí)S-CSCF name對(duì)應(yīng)的S-CSCF1不可用，則根據(jù)S-CSCF能力集負(fù)荷分擔(dān)選擇準(zhǔn)POOL中一個(gè)可用的S-CSCF2。

◆s-CSCF2收到呼叫請求后，發(fā)現(xiàn)沒有注冊數(shù)據(jù)，向HSS發(fā)送查詢用戶數(shù)據(jù)SAR請求，Server-Assignment-Type取值為O。

◆HSS通過SAA將用戶簽約數(shù)據(jù)和容災(zāi)數(shù)據(jù)返回S-CSCF2，并將用戶注冊所在的S-CSCF1更新為S-CSCF2。

◆S-CSCF2根據(jù)restore=1參數(shù)識(shí)別是UE始呼流程，根據(jù)orig觸發(fā)主叫側(cè)業(yè)務(wù)，從而完成業(yè)務(wù)接管。

(3)已注冊用戶的被叫業(yè)務(wù)接管

已注冊用戶未進(jìn)行周期更新時(shí)接收被叫業(yè)務(wù)請求，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

◆主叫S—CSCF將呼叫送到被叫I-CSCF，被叫J-CSCF根據(jù)被叫用戶向HSS發(fā)起普通的LIR請求(不含User-Authorization-Type)，HSS返回用戶當(dāng)前故障的S-CSCF1。

◆1－CSOF發(fā)現(xiàn)S-CSCF1故障，再次向HSS發(fā)起特殊的LIR請求，攜帶User-Authorization-Type為2，HSS返回被叫用戶的S-CSCF能力集和動(dòng)態(tài)S-CSCF name。

◆I—CSCF根據(jù)S—CSCF能力集負(fù)荷分擔(dān)選擇準(zhǔn)POOL中一個(gè)可用的S-CSCF2。

◆S-CSCF2收到呼叫請求后，發(fā)現(xiàn)沒有注冊數(shù)據(jù)，向HSS發(fā)送查詢用戶數(shù)據(jù)SAR請求，Seryer-Assignment-Type取值為0。

◆HSS通過SAA將用戶簽約數(shù)據(jù)和容災(zāi)數(shù)據(jù)返回S-CSCF2，并將用戶注冊所在的S-CSCF1更新為S-CSCF2。

41，S-CSCF2根據(jù)獲取的簽約數(shù)據(jù)觸發(fā)被叫側(cè)業(yè)務(wù)，并根據(jù)path頭域發(fā)送到用戶注冊的P-CSCF進(jìn)行后續(xù)處理，從而完成容災(zāi)業(yè)務(wù)接管。

6結(jié)束語

本文所述的P-CSCF、S-CSCF的準(zhǔn)POOL組網(wǎng)方案進(jìn)一步提升了IMS網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，在確保容災(zāi)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)接管前提下，優(yōu)化了容災(zāi)數(shù)據(jù)備份和接管實(shí)現(xiàn)方法，降低投資成本和提升設(shè)備利用率，有力推動(dòng)IMS網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商用，對(duì)IMS網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、組網(wǎng)部署具有極高參考價(jià)值，對(duì)容災(zāi)組網(wǎng)技術(shù)的研究也具有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]國電信IMS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)要求中國電信集團(tuán)公司，2010年10月

[2]中國電信BAC設(shè)備技術(shù)要求中國電信集團(tuán)公司，2010年10月

作者簡介

許盛宏：畢業(yè)于重慶郵電學(xué)院通信工程系，工學(xué)學(xué)士，工程師，任職于中國電信廣東研究院網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營支撐部，主要負(fù)責(zé)IMS網(wǎng)絡(luò)、CDMA網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究。

李力卡：大學(xué)本科，高級(jí)工程師，任職于中國電信股份有限公司廣東研究院網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營支撐部工作，核心網(wǎng)絡(luò)室主任。

劉智德：畢業(yè)于北京郵電大學(xué)信息工程系，工學(xué)學(xué)士，工程師，任職于中國電信廣東研究院網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營支撐部，目前主要負(fù)責(zé)IMS網(wǎng)絡(luò)、CDMA網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究。