移動通信網絡的容災技術

摘要：隨著移動通信網絡的普及，用戶對移動通信的服務質量要求越來越高；運營商也要求網絡節點發生故障后，網絡能夠繼續提供服務。為實現這一要求，雙點甚至多點備份被逐步應用到網絡中，雙歸屬技術和IuFlex技術是其中比較成功的兩種容災方式。雙歸屬技術是典型的雙點備份，備機在主機故障后接替主機。IuFlex技術則屬于多點備份，在單一交換節點故障后，其工作被交換池內其他節點接替。

關鍵詞：移動通信網絡; 容災技術; 雙歸屬；IuFlex

網絡安全是移動通信服務質量的關鍵因素之一，為了提高運營水平，移動運營商必須給用戶提供高品質、不間斷的服務。而由于人為操作失誤、設備故障、自然災害等原因，通信網絡節點的故障往往不可避免。其中交換設備由于在網絡中所處的位置較高，其故障帶來的損害往往影響較大，且故障恢復的時間也較長。為提高網絡安全，各廠商提出多種容災技術，現有比較成熟的技術有雙歸屬技術和IuFlex技術，下文將對此兩種技術進行介紹和比較。

1 雙歸屬技術

雙歸屬技術是為網絡中運行的交換設備提供備份節點的網絡容災方法。我們稱日常運行的設備為主用節點，為主用節點提供業務備份功能的節點是備份節點。主用節點故障后，備份節點檢測到故障發生，接替主用節點提供服務。從網絡結構來看，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 組網模式

(1) 1+1主備

1+1主備的結構如圖1所示，其中服務器1(Server1)是主用節點，服務器2(Server2)是備用節點，備用節點和主用節點采用相同的容量配置。服務器(Server)和媒體網關(MG)之間的接口為媒體控制接口(Mc) [1]。正常工作情況下，媒體網關1(MG1)注冊在Server1下，Server1作為主用節點為網絡提供服務。故障發生后，Server2激活，MG1轉而注冊到Server2，Server2接替Server1提供服務。

(2) 1+1互備

1+1互備的結構如圖2所示，其中Server1和Server2都有自己的業務處理，MG1和媒體網關2(MG2)注冊在Server1，媒體網關3(MG3)注冊在Server2。MG之間的接口為Nb接口。正常工作時，Server1和Server2處理自身的業務。其中一個節點故障后，另一節點則接替故障節點的業務。 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 個主用節點和一個備份節點，備份節點為這N個主用節點提供冗余備份。正常情況下，N個主用節點處于工作狀態，當其中一個節點故障后，備份節點激活接替該節點的業務。

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

(4) N +1互備

與N +1主備比較，N +1互備的備份節點除了為主用節點提供備份外，同時有自己的業務處理。

圖4是N +1互備的示意圖，其中N =2，Server1和Server2是主用節點，Server3是備份節點，MG1注冊在Server1，MG2注冊在Server2，由于Server3本身要處理業務，有MG3注冊在Server3。Server3本身的業務不受其他網元備份。

1.2 業務流程

(1) 故障檢測

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

當采用基于IP的心跳線時，主備Server間可以通過用戶數據報協議(UDP)、傳輸控制協議(TCP)或流控制傳輸協議(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，主備節點可以通過心跳線不斷地向對方發送心跳消息，并等待對端的回應。如果沒有回應，則失敗次數加1；如果失敗次數達到一定域值，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，備份節點檢測是否有原主用節點下的MG來注冊。如果注冊的MG數量超過一定門限，則認為主用節點確實發生故障，備份節點激活并接管主用業務。

(2) 網關重新注冊

根據H.248協議，MG具有向多個Server注冊的能力，其中主用Server的優先級高，備用Sever的優先級低。故障發生前，MG向可用優先級高的主用Server發送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設置為控制Server，隨后MG就受此主用Server控制[2]。

當主用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

現在移動通信網絡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，主要有移動應用部分(MAP)、CAMEL應用部分(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)。到主用節點的SLC一般是0~7，到備用節點的SLC一般是8~15。

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

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，在主用節點故障后，MTP3轉為使用備份路由。備份Server收到目標點碼為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分擔方式。主用、備份Server配置同一個信令點A[4]，對于鄰接網元來說，可以將信令點A配置為一個應用服務器(AS)。AS包含的偶聯分為兩組，一組是到主用Server，一組是到備用Server，兩組偶聯數量和帶寬配置完全相同。正常情況下，只有到主用Server的偶聯激活，到備份Server的偶聯是閉塞的，于是到本AS的信令被傳送給主用Server。當主用Server故障時，備份Server激活偶聯，于是本AS的信令被傳送給備份Server。

(4) 業務備份

備份Server接替主用Server提供服務，因此備份Server應該有與主用Server一致的業務特性。為保障這一點，主用、備份Server之間需要支持業務配置數據同步。用戶在主用Server的操作維護平臺(OM)修改配置數據后，數據通過主備Server OM間的IP網絡連接，同步到備份Server OM。

2 IuFlex技術

IuFlex功能在3GPP R5引入，它允許一個無線接入網絡(RAN)節點到多個核心網(CN)節點的域內連接路由功能。用戶發起業務后，RAN節點把消息路由到不同的CN節點進行業務處理。其中，這些RAN節點和CN節點組成一個池域(Pool)。

2.1 組網模式

圖5[5]是一個典型的Pool配置。圖中為簡略起見，沒有標出核心網中的媒體網關。

2.2 業務流程

(1) NNSF功能

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

IMSI到CN節點之間的映射關系并不是固定的，RAN節點可以根據時間和負荷調整映射方式。

(2) NRI標識

網絡資源標示符(NRI)在Pool內唯一標識一個CN節點。在Pool以及相交的Pool內，NRI不可以重用，但是協議允許一個CN節點有多個NRI[6]。

CN和RAN節點間通過TMSI來攜帶NRI信息。TMSI的長度共32 bits，其中NRI的長度為0~10 bits，位于TMSI的bit 14到bit 23之間[7]。

對應于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掩碼可以推導出NRI。Pool內NRI掩碼唯一。

在Pool內有一種特殊的NRI被稱為Null NRI，它不屬于任何CN節點，用于Pool的用戶遷移流程。

(3) 位置更新

Pool內的用戶，如果使用IMSI發起位置更新，RAN節點使用NNSF功能從IMSI確定對應的NRI，將信令路由到該NRI對應的Server。Server收到并處理位置更新請求，位置更新之后，Server發起TMSI重分配流程。重分配的TMSI中包含Server的NRI信息，用戶的后續業務將使用該TMSI發起，并由RAN保證業務路由到同一個Server下進行處理[8]。

Pool用戶如果使用TMSI發起位置更新，RAN由TMSI和NRI掩碼得到NRI，并根據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內的用戶，如果使用IMSI發起呼叫，RAN節點使用NNSF功能獲取IMSI對應的NRI，將信令路由到該NRI對應的Server。Server處理呼叫請求，發起TMSI重分配流程。重分配的TMSI中包含Server的NRI信息，用戶的后續業務將使用該TMSI發起。

Pool內用戶如果使用TMSI發起呼叫，RAN由TMSI和NRI掩碼得到NRI，并根據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發送的尋呼消息中帶有全球核心網標識(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的關系。如果用戶使用IMSI返回尋呼應答，RAN用Global-CN-ID找到下發尋呼的Server，并把尋呼應答發送給Server處理。

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

(6) 容災處理

當Pool 中某Server發生故障，RAN識別該Server不可達，會將本來分配給該Server的新發起的用戶業務轉移到Pool中其他有效Server，從而實現Pool內Server節點的容災。

對于故障Server下注冊的用戶發起位置更新請求，新Server處理位置更新，并發起TMSI重分配流程。重分配的TMSI中包含新Server的NRI信息，用戶的后續業務將使用該TMSI發起。

當故障Server下注冊的用戶發起主叫業務的時候，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網絡的另一種容災方法是用戶遷移，即在Server開始維護前，通過用戶遷移過程將該Server下的用戶轉移到其他正常工作的Server下，并保證負荷平均。在Server維護結束后，同樣可以通過用戶遷移，將部分用戶重新轉移到該Server下。

用戶遷移由操作維護命令(OM)觸發，其步驟如下：

通過OM，在RAN節點和Pool內各Server上配置維護Server 的狀態，設置該Server的狀態為卸載狀態。

卸載狀態Server下的用戶發起業務，該卸載Server處理本次業務，重新分配帶有Null NRI的TMSI給用戶終端，同時攜帶位置區(LAI)為本局的非廣播位置區(Non-broadcast LAI)。

用戶結束當前業務后，由于Non-broadcast LAI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發起位置更新。

RAN 接收到位置更新消息，由于TMSI中的NRI為空NRI(Null NRI)，故根據Pool 內各剩余有效Server的容量選擇新Server，將消息發送到該Server處理。被選擇的Server處理用戶終端的位置更新業務，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推導出用戶原來的Server，并到原來的Server獲取用戶IMSI和鑒權加密信息。

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，從而達到調節Pool內Server負荷的目的。

用戶遷移和普通容災的區別在于，用戶遷移通過OM 命令觸發，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難引起的節點宕機容災。

3 IuFlex和雙歸屬技術比較

雙歸屬技術解決了Server節點的容災問題，而且不需要外部網元的配合，因此更適用于跨地域大本地網組網模式。開局中，運營商按照當地的組網規劃，可以適當的選取不同結構的雙歸屬備份方案。

IuFlex技術需要接入網絡參與，物理上每個RNC的Iu接口同時連接到Pool內多個MG，網絡升級和改造成本較高。但是IuFlex技術在解決容災問題的同時，提供了網絡的負荷分擔和管理能力，并且降低網絡信令流量。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。

以中興通訊在山東開局為例，當地有濟寧，菏澤等7個地區需要建立局點，每個區域的用戶數量從10萬到20萬不等，為了提高運維效率，選擇在每個地區部署一個MG，同時在濟南和青島各部署一個Server，分別管理上述MG。現場的組網示意圖如圖6，由于兩個Server下的容量都在50萬用戶以上，Server節點故障將造成大面積的網絡癱瘓，故根據該處組網的特點，采用1+1互備雙歸屬容災。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生，讓對方的MG注冊到本Server下， 從而接替故障Server提供網絡服務。采用上述的雙歸屬組網，不但提高了網絡服務的安全性，同時該容災方式也被用于軟/硬件升級等系統維護過程，減少Server維護所造成的網絡服務中斷。

4 WCN容災性能

WCN交換機作為ZTE移動通信的核心產品，全方位的實現了雙歸屬和IuFlex技術，并且具備在大型網絡中應用的成功經驗。

對雙歸屬組網，WCN作為備份節點可以支持對16個主用節點提供備份功能，故障檢測時間少于60 s，業務恢復時間少于120 s。

對于IuFlex技術，WCN支持Pool內容納16個交換機以分擔負荷。

5 結束語

雙歸屬技術和IuFlex從不同的技術角度出發，解決了移動通信網絡的交換節點故障問題，提高了移動通信網絡的可靠性和服務質量，正越來越為運營商所關注。

6 參考文獻

[1] 3GPP TS 23.002， Network Architecture[S].

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

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

[4] Signaling System 7 (SS7) Message Transfer Part 3 (MTP3): User Adaptation Layer (M3UA) [R]. United States: RFC Editor， 2002.

[5] 3GPP TS 23.236， Intra-domain Connection of Radio Access Network (RAN) Nodes to Multiple Core Network (CN) Nodes[S].

[6] 3GPP TR 21.905， 3G Vocabulary[S].

[7] 3GPP TS 23.003， Numbering， Addressing and Identification[S].

[8] 3GPP TS 24.008， Mobile Radio Interface Layer 3 Specification; Core Network Protocols; Stage 3 [S].

[9] 3GPP TS 25.413， UTRAN Iu Interface RANAP Signaling[S].

收稿日期：2007-12-17

劉競翔，中興通訊股份有限公司工程師。碩士畢業于北京理工大學。現從事中興通訊移動核心網電路域產品的研發。

丁燕菁，中興通訊股份有限公司工程師。碩士畢業于東南大學。曾負責中興通訊移動核心網ZXWN-CS產品研發工作，現從事移動核心網分組域產品研發。

劉峰，中興通訊股份有限公司工程師。碩士畢業于中國科學技術大學。現從事中興通訊移動核心網電路域網管研發。曾發表專利：對移動通信設備中內存數據庫定時監控的方法。