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IMS網(wǎng)絡(luò )中基于冗余原則和機制的冗余方案

史健劉璐 2010/07/01

　　隨著(zhù)IMS網(wǎng)絡(luò )在國內的大規模應用，運營(yíng)商在給終端用戶(hù)提供豐富多彩的IP多媒體業(yè)務(wù)的同時(shí)，也非常重視IMS網(wǎng)絡(luò )的高可用性。只有具備高可用性的IMS網(wǎng)絡(luò )才能給用戶(hù)提供更高的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)也能相應增加運營(yíng)商的業(yè)務(wù)收入。實(shí)現IMS網(wǎng)絡(luò )高可用性的有效方法是提供各種層面的冗余特性，本文從IMS網(wǎng)絡(luò )的各種冗余原則和機制入手，來(lái)探討IMS網(wǎng)絡(luò )的冗余方案。

IMS網(wǎng)絡(luò )中的各種冗余原則和機制

　　IMS網(wǎng)絡(luò )冗余指的是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )提供的冗余功能，從圖1 IMS冗余模型中我們可以看出IMS網(wǎng)絡(luò )冗余可以分為以下5個(gè)層面：

　　硬件平臺冗余

　　提供接口、存儲介質(zhì)、處理器/刀片級的冗余。愛(ài)立信IMS系統中使用的硬件平臺主要有TSP（Telecom Server Platform）、IS（Integrated Site）、SUN和HP服務(wù)器，均支持硬件平臺的冗余。

　　對于接口來(lái)講，各種節點(diǎn)提供的以太網(wǎng)接口和7號信令接口都采用1+1或者N+1的冗余機制，一旦有接口出現故障應能實(shí)現自動(dòng)切換并且不影響當時(shí)提供的業(yè)務(wù)。對存儲介質(zhì)來(lái)講，保存數據的內存（如TSP的內存數據庫）和硬盤(pán)應采用1+1的冗余機制，如磁盤(pán)鏡像等。對處理器/刀片來(lái)講，各個(gè)硬件平臺上的處理器和刀片應能提供1+1或者N+1的冗余機制，一旦有單個(gè)處理器或刀片出現故障，可以實(shí)現自動(dòng)切換并且對業(yè)務(wù)不會(huì )造成任何影響。在IS平臺中由刀片系統提供刀片級的1+1或N+1冗余保護。TSP平臺提供TP（Traffic Processor）構成的“業(yè)務(wù)處理器池”來(lái)實(shí)現冗余，并用VIP（Virtual IP）地址代表某個(gè)應用（如HSS），而不是具體某個(gè)處理器。

　　站點(diǎn)的IP架構冗余

　　提供以太網(wǎng)交換機、路由器和防火墻等設備的硬件冗余，同時(shí)支持服務(wù)器負載均衡（SLB）等功能，以提高站點(diǎn)IP架構的可用性。

　　邏輯節點(diǎn)資源冗余

　　提供節點(diǎn)資源的冗余，如軟件資源和數據庫等。在IMS網(wǎng)絡(luò )中，各節點(diǎn)應采用1+1或N+1冗余機制，對于重要節點(diǎn)（如保存計費信息的計費網(wǎng)關(guān)、保存用戶(hù)業(yè)務(wù)處理數據的HSS等節點(diǎn)）應采用“主用/熱備用”的1+1冗余方式，一旦發(fā)生切換，所有重要信息如計費數據、用戶(hù)業(yè)務(wù)和狀態(tài)信息等都不會(huì )丟失。

　　站點(diǎn)冗余

　　包括單站點(diǎn)實(shí)現的本地冗余和多站點(diǎn)實(shí)現的異地冗余。由于各種原因造成的節點(diǎn)故障，可以首先使用本地冗余機制，即使用同站點(diǎn)內的相應備用節點(diǎn)，若不成功則切換到異地冗余站點(diǎn)相應的節點(diǎn)上。而對于各種自然災害（如地震、水災等）和人為災害（如恐怖襲擊）導致的整個(gè)站點(diǎn)故障，只能用異地冗余來(lái)提供IMS網(wǎng)絡(luò )的高可用性，即所有業(yè)務(wù)都切換到異地的備用站點(diǎn)上。當出現整個(gè)站點(diǎn)故障時(shí)，按照3GPP TR 23.820（Study on IMS Restoration Procedures，Release 8）規范的描述，所有正在進(jìn)行的會(huì )話(huà)都會(huì )終止并且這些會(huì )話(huà)的計費信息也會(huì )丟失，所有UE需要發(fā)起重注冊請求以便恢復相關(guān)業(yè)務(wù)，而且在此時(shí)IMS網(wǎng)絡(luò )所提供的業(yè)務(wù)主要為基本話(huà)音業(yè)務(wù)。所以在進(jìn)行IMS網(wǎng)絡(luò )異地冗余的設計時(shí)，首先考慮所有與話(huà)音業(yè)務(wù)相關(guān)的節點(diǎn)，而其它非話(huà)音業(yè)務(wù)相關(guān)的節點(diǎn)，如AP（Aggregation Proxy）、WUIGM（Web User Interface for Group and Data Management）等可以先不考慮異地冗余，進(jìn)而降低IMS網(wǎng)絡(luò )的投資成本。

配置層面的冗余方案

　　IMS網(wǎng)絡(luò )冗余方案的設計和網(wǎng)絡(luò )配置對于提高IMS網(wǎng)絡(luò )冗余特性是十分必要的。如果IMS網(wǎng)絡(luò )中某些節點(diǎn)或平臺不支持1+1或N+1冗余機制，那么就必須采用特定的網(wǎng)絡(luò )設計和配置，使這些節點(diǎn)不會(huì )成為IMS網(wǎng)絡(luò )中的“單故障節點(diǎn)”而危及IMS網(wǎng)絡(luò )的高可用性。對于IMS異地冗余方案，由于某些節點(diǎn)可能不支持異地冗余機制，也需要采用特定的配置來(lái)避免“單故障節點(diǎn)”，比如通過(guò)Diameter重定向代理的配置來(lái)提供兩個(gè)目的地主機AVP，讓Diameter客戶(hù)端收到這兩個(gè)冗余的目的地主機AVP，當第一個(gè)Diameter服務(wù)器出現故障，Diameter客戶(hù)端可以自動(dòng)切換到第二個(gè)Diameter服務(wù)器。

　　IMS網(wǎng)絡(luò )的冗余機制可以有1+1和N+1等不同方式，這些冗余機制適用于硬件平臺、站點(diǎn)的IP架構、節點(diǎn)資源以及站點(diǎn)等IMS網(wǎng)絡(luò )冗余的不同層面。1+1和N+1的冗余機制可以通過(guò)節點(diǎn)的不同工作方式來(lái)實(shí)現。節點(diǎn)的工作方式主要有：主用/主用方式和主用/備用方式。

　　主用/主用方式：在正常情況下，用戶(hù)的業(yè)務(wù)由兩個(gè)節點(diǎn)以負載分擔的方式共同完成。當出現節點(diǎn)故障時(shí)，故障節點(diǎn)的業(yè)務(wù)可以切換到另一個(gè)節點(diǎn)上。

　　主用/備用方式：在正常情況下，用戶(hù)的業(yè)務(wù)都由主用節點(diǎn)來(lái)完成，備用節點(diǎn)上的資源與主用節點(diǎn)完全相同。根據備用節點(diǎn)與主用節點(diǎn)之間的數據狀態(tài)關(guān)系，備用節點(diǎn)的工作方式又分為熱備用（hot standby）、暖備用（warm standby）和冷備用（cold standby）。

熱備用指的是備用節點(diǎn)具有與主用節點(diǎn)完全一樣的數據狀態(tài)信息，一旦主用節點(diǎn)故障，備用節點(diǎn)可以立即切換，接替故障的主用節點(diǎn)來(lái)提供服務(wù)，在切換過(guò)程中重要的數據如計費信息、會(huì )話(huà)的狀態(tài)信息和用戶(hù)的注冊數據等都不會(huì )丟失。

暖備用指的是備用節點(diǎn)具有與主用節點(diǎn)一樣的一些數據信息，但不包含狀態(tài)信息，備用節點(diǎn)可以立即切換，接替故障的主用節點(diǎn)來(lái)提供服務(wù)，切換過(guò)程中計費和會(huì )話(huà)的狀態(tài)信息會(huì )丟失，但用戶(hù)的注冊數據不會(huì )丟失。

冷備用指的是備用節點(diǎn)不具備與主用節點(diǎn)相同的數據狀態(tài)信息，一旦主用節點(diǎn)故障，備用節點(diǎn)可以切換，但在切換過(guò)程中計費信息、會(huì )話(huà)的狀態(tài)信息和用戶(hù)的注冊數據等都會(huì )丟失，用戶(hù)的UE必須發(fā)起重注冊才能使用IMS業(yè)務(wù)。

　　下面的例子具體介紹在1+1或N+1冗余機制中愛(ài)立信IMS網(wǎng)絡(luò )的切換及恢復原則——“DNS查詢(xún)與隔離”。

　　IMS網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)在完成SIP消息轉發(fā)時(shí)，DNS客戶(hù)端用目的地節點(diǎn)的FQDN向DNS服務(wù)器查詢(xún)，DNS服務(wù)器返回SRV響應包含兩個(gè)目的地節點(diǎn)的IP地址和端口號。DNS SRV記錄決定這兩個(gè)目的地節點(diǎn)IP地址的優(yōu)先級與權重，通過(guò)使用DNS SRV記錄，目的地節點(diǎn)可以被配置成負載分擔或主/備用的工作方式。DNS客戶(hù)端將收到的SRV響應保存在緩存列表中，然后將SIP消息轉發(fā)給列表中第一個(gè)目的地節點(diǎn)的IP地址并啟動(dòng)一個(gè)計時(shí)器，若計時(shí)器超時(shí)后仍然沒(méi)有得到任何響應，則DNS客戶(hù)端向緩存列表中的第二個(gè)目的地節點(diǎn)IP地址重傳該SIP消息，此時(shí)完成了切換。根據RFCs 3263（Session Initiation Protocol【SIP】：Locating SIP Servers）和RFC 2308（Negative Caching of DNS Queries【DNS NCACHE】）的流程，DNS客戶(hù)端能夠從FQDN緩存列表中將故障目的地去除，并自動(dòng)切換到列表中的下一個(gè)目的地。當目的地節點(diǎn)出現故障后，為了將故障節點(diǎn)隔離，DNS客戶(hù)端將該目的地的IP地址從DNS緩存列表中去除，放入隔離列表，然后啟動(dòng)隔離計時(shí)器。當隔離計時(shí)器到時(shí)，故障的目的地節點(diǎn)IP地址會(huì )被從隔離列表中取出，重新放回到DNS緩存列表中。若此時(shí)目的地節點(diǎn)故障已修復，DNS客戶(hù)端將SIP消息轉發(fā)到該節點(diǎn)從而實(shí)現切換恢復，即該節點(diǎn)又作為先前的主用節點(diǎn)來(lái)處理業(yè)務(wù)。若此時(shí)目的地節點(diǎn)故障仍未修復，則DNS客戶(hù)端再將其IP地址從DNS緩存列表中去除，并再次放入隔離列表中，重復上述隔離操作直到目的地節點(diǎn)故障修復為止。

　　另外在愛(ài)立信IMS網(wǎng)絡(luò )中還有一種實(shí)現異地冗余的專(zhuān)用機制-Diameter多連接。TSP平臺的Diameter客戶(hù)端（如S-CSCF）與Diameter服務(wù)器（如HSS）在兩個(gè)TSP區域（Zone）之間實(shí)現異地冗余。Diameter客戶(hù)端可以分別使用主用和備用Diameter服務(wù)器的本地VIP地址，建立與主、備用Diameter服務(wù)器的多個(gè)Diameter連接。

　　正常情況下Diameter客戶(hù)端與服務(wù)器之間的所有業(yè)務(wù)都由主用的Diameter服務(wù)器處理。當主用的Diameter服務(wù)器出現故障，客戶(hù)端與先前的主用服務(wù)器之間連接中斷，Diameter客戶(hù)端自動(dòng)建立與新的主用服務(wù)器（原來(lái)的備用服務(wù)器）之間的連接。Diameter客戶(hù)端使用基于DWR/DWA消息的心跳機制來(lái)檢測Diameter連接的狀態(tài)。在目前的Diameter協(xié)議棧中有一個(gè)切換計時(shí)器（DWR計時(shí)器的3倍時(shí)長(cháng)）。最小的DWR時(shí)長(cháng)為6秒，所以經(jīng)過(guò)18秒可以檢測出Diameter連接中斷，Diameter服務(wù)器進(jìn)行切換。HSS作為Diameter服務(wù)器，通過(guò)這種主用/熱備用的工作方式實(shí)現異地冗余。

IMS網(wǎng)絡(luò )中的冗余方案

　　IMS網(wǎng)絡(luò )中的冗余方案可以從硬件平臺、站點(diǎn)的IP架構、節點(diǎn)資源和站點(diǎn)冗余等多個(gè)層面進(jìn)行設計，其中站點(diǎn)冗余又包括單站點(diǎn)實(shí)現的本地冗余和多站點(diǎn)實(shí)現的異地冗余。由于異地冗余具有容災和應對節點(diǎn)故障等特性，因此能夠為IMS網(wǎng)絡(luò )提供高可用性。圖2為愛(ài)立信的IMS網(wǎng)絡(luò )異地冗余方案。對于用戶(hù)組A和B來(lái)講，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )配置成主用站點(diǎn)和備用站點(diǎn)。在正常情況下，站點(diǎn)1為主用站點(diǎn)，為用戶(hù)組A提供服務(wù)；站點(diǎn)2為備用站點(diǎn)，實(shí)現從主用站點(diǎn)的切換，同時(shí)也為用戶(hù)組B提供服務(wù)。主用站點(diǎn)與備用站點(diǎn)實(shí)現1+1冗余方式。在做網(wǎng)絡(luò )規劃時(shí)，考慮到站點(diǎn)切換，正常情況下主用與備用站點(diǎn)分別處理最多50%的業(yè)務(wù)。站點(diǎn)3為運營(yíng)商的網(wǎng)管中心，包括EMA業(yè)務(wù)開(kāi)通系統和DNS存儲服務(wù)器等。

　　通過(guò)配置DNS SRV記錄并給予不同優(yōu)先級和權重，可以實(shí)現節點(diǎn)間的冗余。用戶(hù)組A使用站點(diǎn)1為主用站點(diǎn)，站點(diǎn)2為備用站點(diǎn)；用戶(hù)組B使用站點(diǎn)2為主用站點(diǎn)，站點(diǎn)1為備用站點(diǎn)。

　　P-CSCF、S-CSCF和A-SBC采用主用/冷備用工作方式，備用節點(diǎn)不具備與主用節點(diǎn)相同的會(huì )話(huà)處理狀態(tài)信息，切換到備用節點(diǎn)后，計費信息、會(huì )話(huà)狀態(tài)信息和用戶(hù)注冊數據都會(huì )丟失，用戶(hù)的UE必須發(fā)起重注冊才能使用IMS業(yè)務(wù)。

　　SLF、I-CSCF、E-CSCF、N-SBC、DNS、MTAS、MGC和MGW采用主用/暖備用工作方式，備用節點(diǎn)具有與主用節點(diǎn)一致的數據信息，但不包括狀態(tài)信息，備用節點(diǎn)可以很快完成切換，但會(huì )導致計費和當前會(huì )話(huà)數據丟失。由于這些節點(diǎn)上不存儲用戶(hù)的注冊數據，所以不需UE發(fā)起重注冊。

　　HSS采用主用/熱備用工作方式，正常情況下站點(diǎn)1的HSS為主用節點(diǎn)，處理所有的用戶(hù)業(yè)務(wù)，站點(diǎn)2的HSS為熱備用節點(diǎn)，它會(huì )根據主用節點(diǎn)送來(lái)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息更新相應的數據狀態(tài)。正常情況下熱備用HSS節點(diǎn)不處理用戶(hù)業(yè)務(wù)。只有當主用HSS出現節點(diǎn)故障，熱備用HSS完成切換后才處理所有用戶(hù)業(yè)務(wù)。在切換過(guò)程中由于熱備用HSS具有與主用HSS完全一致的數據狀態(tài)，用戶(hù)注冊數據不會(huì )丟失，所以不需要用戶(hù)發(fā)起重注冊就可以繼續為所有用戶(hù)提供服務(wù)。

結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)IMS網(wǎng)絡(luò )在國內的大規模部署，IMS網(wǎng)絡(luò )的高可用性就變得尤為重要。實(shí)現IMS網(wǎng)絡(luò )高可用性的有效方法就是提供各種層面的冗余特性。本文從硬件平臺、站點(diǎn)的IP架構、邏輯節點(diǎn)資源和站點(diǎn)冗余等幾個(gè)層面分析了IMS網(wǎng)絡(luò )中的各種冗余原則和機制，解釋了節點(diǎn)的不同冗余工作方式，最后介紹了愛(ài)立信的IMS網(wǎng)絡(luò )異地冗余解決方案。由于篇幅所限，其中的一些細節內容，如IMS異地冗余的配置信息、發(fā)生節點(diǎn)故障后相應的切換和恢復流程等，未能詳盡描述。作為IMS全套培訓解決方案提供者，愛(ài)立信中國學(xué)院提供關(guān)于IMS網(wǎng)絡(luò )設計和冗余方案的培訓課程，如IMS網(wǎng)絡(luò )設計、IMS節點(diǎn)配置等，可以幫助大家進(jìn)一步了解細節。

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