Diameter信令網(wǎng)業(yè)務(wù)模型研究及展望

宋小明，邵永平，李雪芳，王海陶（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

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Diameter信令網(wǎng)業(yè)務(wù)模型研究及展望

宋小明，邵永平，李雪芳，王海陶
（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

隨著4G業(yè)務(wù)的發(fā)展，控制面網(wǎng)元對Diameter信令網(wǎng)的支撐要求與日俱增；本文分析了Diameter信令網(wǎng)面臨的問題，提出了應(yīng)對策略及建議，同時，分析了目前中國移動的S6a接口業(yè)務(wù)特性，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及信令流程特征，提出了業(yè)務(wù)模型的核定方法，使得Diameter信令網(wǎng)資源配置能夠更符合未來4G業(yè)務(wù)發(fā)展的實際需求，最后展望了Diameter信令網(wǎng)未來演進(jìn)方向。

Diameter信令網(wǎng)；S6a接口；業(yè)務(wù)模型；虛擬化

1 中國移動Diameter信令網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 中國移動Diameter信令網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中國移動Diameter信令網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，省際層面采用大區(qū)中心節(jié)點方式部署HDRA，負(fù)責(zé)所管轄大區(qū)內(nèi)省際信令消息轉(zhuǎn)接。HDRA之間采用異廠家雙平面組網(wǎng)方式，同平面內(nèi)HDRA設(shè)備網(wǎng)狀相連，不同平面的成對HDRA間通過設(shè)置C鏈路相連，并與所轄區(qū)域內(nèi)的信令點相連；省內(nèi)采用LDRA轉(zhuǎn)接信令消息，各省相關(guān)核心網(wǎng)信令網(wǎng)元與本省LDRA相連。中國移動Diameter信令網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 Diameter信令網(wǎng)承載的信令接口

Diameter信令主要應(yīng)用于演進(jìn)的分組域核心網(wǎng)EPC系統(tǒng)、策略及計費控制系統(tǒng)PCC和IMS域。PC、PCC、IMS系統(tǒng)中信令協(xié)議全部采用IP技術(shù)，其中負(fù)責(zé)用戶鑒權(quán)、數(shù)據(jù)、策略、計費管理等功能的網(wǎng)元間都采用基于IP的 Diameter信令協(xié)議。Diameter信令協(xié)議是新一代AAA協(xié)議，它是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展對Radius協(xié)議的升級版本，具有AVP （Attribute Value Pairs）的傳送、能力協(xié)商、錯誤通知、通過附加新的命令和AVP進(jìn)行擴(kuò)展、基本的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求（如處理用戶會話和賬戶）等能力，采用TCP或SCTP協(xié)議提供可靠的底層傳輸。EPC、PCC、IMS網(wǎng)絡(luò)中使用Diameter信令的接口如下。

圖1　中國移動Diameter信令網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（1） S6a接口：HSS與MME網(wǎng)關(guān)的接口，完成用戶接入認(rèn)證、插入用戶簽約數(shù)據(jù)、對用戶接入PDN進(jìn)行授權(quán)。

（2） Gx接口： PCRF與PCEF間的接口，為PCRF和P-GW中 的PCEF（Policy and Charging Enforcement Function）提供QoS準(zhǔn)則和計費標(biāo)準(zhǔn)的傳輸。

（3） Rx接口：P-CSCF和PCRF之間的接口。

（4） Cx接口：I/S-CSCF和IMS-HSS之間的接口。

（5） Sh接口：AS和IMS-HSS之間的接口以及IP-SM-GW和IMS-HSS之間的接口。

（6） Zh接口：BSF（業(yè)務(wù)設(shè)置網(wǎng)關(guān)）和IMS-HSS之間的接口。

（7） SLh接口：定位平臺與HSS之間的接口。

（8） SLg接口：定位平臺與MME之間的接口。

2 Diameter信令網(wǎng)面臨的問題及解決策略

2.1 Diameter信令網(wǎng)面臨的問題

隨著技術(shù)的發(fā)展及信令網(wǎng)承載業(yè)務(wù)的增加，Diameter信令網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中將遇到以下幾個問題。

2.1.1 問題1：LDRA信令區(qū)分裂

隨著4G和VoLTE業(yè)務(wù)量的增長，LDRA需要大幅提升容量，但如果已有的LDRA容量已經(jīng)不能滿足信令業(yè)務(wù)需求，則需要省內(nèi)新建LDRA來應(yīng)對增加的信令網(wǎng)絡(luò)容量并提高信令疏通能力。分裂后新建LDRA與原有LDRA需要對信令網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行劃分，將涉及到網(wǎng)絡(luò)的大量調(diào)整與割接，組網(wǎng)也相應(yīng)變得復(fù)雜，對LDRA設(shè)備也有了更高的要求。

另外，若一對LDRA承載全省用戶，網(wǎng)絡(luò)故障帶來影響較大，網(wǎng)絡(luò)可靠性難以得到保障。

2.1.2 問題2：SIP信令對Diameter信令網(wǎng)需求劇增

隨著業(yè)務(wù)的多樣性和VoLTE終端的普及，未來SIP信令將逐漸基于有連接的TCP或SCTP，網(wǎng)絡(luò)中的連接數(shù)呈指數(shù)級上升，對Diameter信令網(wǎng)帶來巨大的承載壓力。

目前SIP消息在有些場景下已經(jīng)超出了RFC 3261協(xié)議規(guī)定的1 300個字節(jié)，SIP消息越來越長的原因如下。

（1） 經(jīng)過越來越多的AS，VIA頭域變長。

（2） VoLTE終端本身攜帶各種能力集，Contact變長。

（3） 經(jīng)過SBC， 增加能力信息，例如支持SRVCC等，消息變長。

（4） 漫游時，未來支持OMR（Optimal Media Routing）后，SDP變長。

超長的SIP消息帶來了諸多問題，比如IP層切片，報文在網(wǎng)間可能會被防火墻攔截，導(dǎo)致對接失??；協(xié)議規(guī)定超過1 300個字節(jié)的SIP消息轉(zhuǎn)用TCP，效率低，連接數(shù)變多等。

2.1.3 問題3：信令風(fēng)暴引起的網(wǎng)絡(luò)可靠性降低

DRA主要負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)層信令風(fēng)暴，從保護(hù)DRA信令設(shè)備自身和對等端設(shè)備角度考慮，進(jìn)而保證整網(wǎng)可靠性。按照中國移動的組網(wǎng)和路由策略，需要打開路由重選，路由層信令風(fēng)暴一般在消息循環(huán)、路由配置錯誤、路由或設(shè)備故障等情況下發(fā)生，發(fā)生場景例如SAEGW重啟時、HSS故障切換、修改MME配置參數(shù)等，有可能會導(dǎo)致S6a接口消息流量突增，影響了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2.2 解決策略

針對Diameter信令網(wǎng)存在的以上問題，提出相應(yīng)策略。

2.2.1 LDRA信令區(qū)分裂（如圖2所示）

需考慮各端局SP與LDRA信令連接區(qū)域的一致性，以減少信令迂回，如IMS域CSCF組Pool時，建議盡量采用與DRA覆蓋片區(qū)相同的分區(qū)組Pool方式；PCRF組Pool時，建議采用分區(qū)組Pool的方式。

省內(nèi)按照匹配IMS/ EPC/PCC匯接區(qū)建設(shè)LDRA：

（1）匹配每個匯接區(qū)的VoLTE，分別建設(shè)一對LDRA，各區(qū)網(wǎng)元都統(tǒng)一接入到本區(qū)LDRA，實現(xiàn)信令轉(zhuǎn)接和匯聚。

（2）不同匯接區(qū)的LDRA新建B鏈路，對于LDRA轉(zhuǎn)接的Gx/Rx/Cx/Sh/Zh接口，建設(shè)多對LDRA后，需要重點考慮對Gx/Rx會話綁定、Cx接口路由帶來的變化。

（3）在劃分LDRA區(qū)域時，建議P-CSCF選擇I-CSCF時也按照區(qū)域進(jìn)行劃分。

（4）如果全省I-CSCF組Pool，將IMS-HSS和兩對LDRA都連接。

2.2.2 SIP信令對DRA信令網(wǎng)需求劇增

引入高效路由器，目標(biāo)組網(wǎng)實現(xiàn)支持域間和域內(nèi)的SIP匯聚和互通。同時簡化網(wǎng)絡(luò)管理，建議使用SCTP，減少網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)；減少異廠家設(shè)備對接的風(fēng)險；并增強流量控制。

2.2.3 信令風(fēng)暴引起的網(wǎng)絡(luò)可靠性降低

由于應(yīng)用層的開銷遠(yuǎn)比路由層開銷大，在應(yīng)用層發(fā)生信令風(fēng)暴或錯誤時，可通過Diameter_Too_Busy等錯誤信息通知到Diameter路由層，在路由層進(jìn)行處理，可減少對整個網(wǎng)絡(luò)的性能開銷。

為避免無效路由重選引發(fā)信令風(fēng)暴問題，DRA應(yīng)支持無效路由重選抑制功能，如DRA收到攜帶路由重選原因參數(shù)時，應(yīng)檢查響應(yīng)消息的源主機(jī)名，當(dāng)源主機(jī)名標(biāo)識為配對DRA，將發(fā)起路由重選，判斷是否有其它可用路由，如有可用路由但重選仍失敗，或沒有其它可用路由用于重選，將產(chǎn)生永久錯誤原因參數(shù)，進(jìn)而避免進(jìn)行路由重選。

圖2　LDRA信令區(qū)分裂組網(wǎng)圖

3 中國移動S6a接口業(yè)務(wù)模型研究

S6a接口為MME設(shè)備和HSS設(shè)備之間的接口，主要負(fù)責(zé)通信過程中UE的鑒權(quán)、移動性管理、簽約信息處理和用戶狀態(tài)變更通知等。通信領(lǐng)域業(yè)務(wù)模型分析常見的方法有現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)法、業(yè)務(wù)特征類比法、信令流程分析法和其他運營商數(shù)據(jù)參考法。工程中比較常用的是現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)法和信令流程分析法。

3.1 現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)法

隨著4G業(yè)務(wù)的發(fā)展，4G手機(jī)終端增長迅速，S6a接口信令負(fù)荷將逐漸加大，采樣中國移動某省2015年歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到S6a接口一天中每小時消息數(shù)的信令負(fù)荷峰值時間點為17點?，F(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)法即采集S6a接口歷史數(shù)據(jù)忙時消息條數(shù)，結(jié)合對應(yīng)時期的承載用戶數(shù)，計算得到忙時每用戶消息數(shù)，此參數(shù)可作為核定Diameter信令網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的主要指標(biāo)。

3.2 信令流程分析法

S6a接口的信令流程主要包括ATTACH、TAU、RAU、Service Request、DETACH、專有承載激活、承載修改、承載去激活、多PDN連接、Intra EUTRAN切換、Inter RAT切換等。S6a接口信令模型的建立主要針對以上信令流程進(jìn)行。通過分析4G相關(guān)話務(wù)模型參數(shù)，結(jié)合S6a接口主要承載的信令消息類型，將各信令包含的消息條數(shù)乘以各信令流程每小時發(fā)生的次數(shù)，再進(jìn)行求和，得到忙時每用戶消息數(shù)。

業(yè)務(wù)模型的最終取定值需結(jié)合以上兩種方法，由于S6a接口已有現(xiàn)網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)，因此建議在取定S6a接口業(yè)務(wù)模型時可以結(jié)合業(yè)務(wù)未來發(fā)展情況，以現(xiàn)網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)法為主，信令流程分析法為輔，綜合取定參數(shù)值。

4 Diameter信令網(wǎng)長期演進(jìn)方向——虛擬化

4.1 Diameter信令網(wǎng)虛擬化的必要性

根據(jù)技術(shù)發(fā)展策略，未來核心網(wǎng)將引入NFV，實現(xiàn)虛擬化，媒體、控制、數(shù)據(jù)和應(yīng)用分層，軟硬件解耦，可由不同廠家提供。而信令網(wǎng)是控制面的核心骨干網(wǎng)絡(luò)，控制面對計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源無特殊要求，架構(gòu)成熟穩(wěn)定，控制面網(wǎng)元未來虛擬化已成為演進(jìn)趨勢，服務(wù)于控制面的Diameter信令網(wǎng)虛擬化必將緊隨其后，同步實現(xiàn)軟硬件分離，硬件資源隨需分配，從而降低了Diameter信令網(wǎng)硬件成本、縮短了工程建設(shè)周期，同時提高了Diameter信令網(wǎng)設(shè)備的維護(hù)效率。

4.2 Diameter信令網(wǎng)虛擬化可選方案

核心網(wǎng)虛擬化引入由虛擬功能網(wǎng)元層、虛擬資源層、硬件資源層組成的NFV 3層架構(gòu)，根據(jù)NFV 3層架構(gòu)是否由同廠家提供，可將核心網(wǎng)虛擬化平臺引入策略分為單廠家、共享資源池、硬件獨立、3層全解耦4種方案，如表1所示。

方案1（單廠家）：硬件資源、虛擬化軟件、上層虛擬功能網(wǎng)元由同一廠商提供，同廠家完成系統(tǒng)集成，并負(fù)責(zé)確保系統(tǒng)的性能穩(wěn)定及可靠性。

方案2（共享資源池）：硬件資源和虛擬化軟件由同一廠商提供，確保虛擬資源的性能、可靠性滿足要求，其他廠商提供上層虛擬功能網(wǎng)元軟件，并負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成，保證業(yè)務(wù)質(zhì)量和可靠性。

方案3（硬件獨立）：硬件資源由第三方廠商（COTS）提供，虛擬化軟件和虛擬功能網(wǎng)元由同一廠商提供，廠商負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的集成，并保證業(yè)務(wù)質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。

方案4（3層全解耦）：3層由不同廠商提供，虛擬化軟件提供商在硬件資源上做系統(tǒng)集成，并保證虛擬資源的性能、可靠性滿足要求，虛擬功能網(wǎng)元廠商在虛擬資源上做系統(tǒng)集成，保證業(yè)務(wù)質(zhì)量和可靠性。

方案3的硬件資源由第三方廠商提供，便于整合物理資源，降低成本，提高設(shè)備利用率；虛擬化軟件和虛擬功能網(wǎng)元由同一廠商提供，真正實現(xiàn)了軟硬件解耦，利于產(chǎn)業(yè)鏈開放，同時便于網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)，也為云化技術(shù)成熟和部署預(yù)留緩沖空間。因此方案3適合于Diameter信令網(wǎng)虛擬化的初級階段。

表1　信令網(wǎng)虛擬化方案對比

4.3 虛擬化后對業(yè)務(wù)模型的影響分析

Diameter信令網(wǎng)通常是以它所承載的所有接口業(yè)務(wù)量來核算各個物理功能模塊建設(shè)規(guī)模， Diameter信令網(wǎng)虛擬化以后，虛擬網(wǎng)元部署方式將從部署于硬件資源上變?yōu)椴渴鸬教摂M資源上，由于業(yè)務(wù)特性、信令流程沒有變化，業(yè)務(wù)模型核定方法仍可繼續(xù)延用，只是在信令網(wǎng)網(wǎng)元的配置形態(tài)上有較大變化，由原來的需要多少單板變?yōu)楹硕總€功能模塊的資源需求、備份方式、虛機(jī)規(guī)格，虛機(jī)/物理機(jī)數(shù)量等。

5 結(jié)束語

中國移動目前正處在TD-LTE大規(guī)模部署階段，對Diameter信令網(wǎng)的業(yè)務(wù)支撐能力提出了越來越高的要求，本文結(jié)合實際工程經(jīng)驗，提出了信令網(wǎng)發(fā)展過程中將面臨的問題，并給出相應(yīng)的解決策略。分析了S6a接口信令特征，提出了S6a接口業(yè)務(wù)模型核定方法，為以后建設(shè)穩(wěn)定、高效的Diameter信令網(wǎng)提供參考。Diameter信令網(wǎng)虛擬化是網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)的必然趨勢，建議虛擬化節(jié)奏放在控制面網(wǎng)元全面虛擬化完成之后進(jìn)行，以確保Diameter信令網(wǎng)高效、經(jīng)濟(jì)、安全的平滑演進(jìn)。

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英特爾為面向互聯(lián)家庭的全新家庭網(wǎng)關(guān)解決方案提供動力

近日，英特爾發(fā)布了英特爾AnyWAN GRX 750 SoC；英特爾XWAY WAV500 Wi-Fi芯片組，英特爾的第五代11ac MU-MIMO Wi-Fi系列產(chǎn)品；以及主要OEM廠商為零售網(wǎng)絡(luò)行業(yè)推出的家庭網(wǎng)關(guān)系列產(chǎn)品。英特爾為互聯(lián)家庭提供的連接解決方案為越來越多的互聯(lián)“物”和互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)奠定了基礎(chǔ)，它們?yōu)橄M者和小型企業(yè)帶來順滑體驗。

通過面向家庭網(wǎng)關(guān)的英特爾AnyWAN GRX750 SoC系列連接家庭：英特爾AnyWAN GRX750 SoC系列是一款高性能、低功率寬帶與通信處理器SoC，基于英特爾凌動微架構(gòu)。英特爾最新的SoC讓服務(wù)提供商和零售OEM廠商得以快速地為互聯(lián)家庭提供創(chuàng)新，同時節(jié)約成本、簡化運營、開發(fā)新服務(wù)和運營，并滿足不斷演進(jìn)的客戶期待。 （劉瀅冰）

Research of Diameter signal network business model and the net future

SONG Xiao-ming， SHAO Yong-ping， LI Xue-fang WANG Hai-tao
（China Mobile Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

With the development of 4G business， the demand of Diameter signal network which serve for control network elements is increasing， this article analyzed the problem of Diameter signal network， and proposed strategies and recommendations. At the same time， this article analyzed China Mobile S6a interface business characteristic， proposed the method of how to calculate business model. At last， this paper prospected the future of Diameter signal network.

Diameter signal network； S6a interface； business model； network functions virtualization

TN929.5

A

1008-5599（2016）06-0060-05

2015-12-09