徐 陽，吳軍平

(1.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074;2.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢430074)

現(xiàn)代信息通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展日新月異，為滿足新業(yè)務(wù)的豐富需求，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)向以軟交換為核心NGN(下一代網(wǎng)絡(luò)，Next Generation Network)的演進(jìn)勢在必行。ETSI TISPAN，ITU-T在研究NGN架構(gòu)時(shí)，將IMS(IP多媒體子系統(tǒng)，IP Multimedia Subsystem)的概念引入到固網(wǎng)的NGN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中［1］。

目前，IMS作為承載各類綜合性業(yè)務(wù)的新型電信級網(wǎng)絡(luò)，如何保證業(yè)務(wù)的可靠性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生故障后，業(yè)務(wù)如何快速恢復(fù)，成為IMS體系必須面對和解決的關(guān)鍵問題。本文通過研究一種基于SIP協(xié)議的“雙歸屬”倒換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，來解決上述問題。

1 基于SIP協(xié)議應(yīng)用的“雙歸屬”倒換技術(shù)

當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)由于無法抗拒的自然災(zāi)害事故或一些不可預(yù)期的人為因素而引起故障時(shí)，需要一種能夠提供緊急通信的應(yīng)急機(jī)制，傳統(tǒng)的PSTN網(wǎng)絡(luò)難以實(shí)現(xiàn)這種功能，因此“雙歸屬”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。“雙歸屬”倒換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)異地的容災(zāi)備份，是IMS網(wǎng)絡(luò)的安全容災(zāi)機(jī)制之一。通過相互備份處于異地的軟交換核心網(wǎng)元的方式，來確保其中某處核心網(wǎng)元設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，另一處可全盤接管其業(yè)務(wù)，從而確保當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)業(yè)務(wù)不會(huì)中斷［2］。

基于SIP協(xié)議應(yīng)用的雙歸屬倒換技術(shù)是當(dāng)主用代理服務(wù)器斷網(wǎng)后，接入終端UE(用戶設(shè)備，User Equipment)可自動(dòng)向備用代理服務(wù)器發(fā)起連接［3］。目前，不同的運(yùn)營商對雙歸屬服務(wù)器倒換的要求不同，典型的包括絕對主備和相對主備，分別描述如下:中國移動(dòng)的雙歸屬服務(wù)器要求是絕對主備，中國電信則要求相對主備。

絕對主備:當(dāng)主用服務(wù)器異常后，UE探測備用服務(wù)器，若備用服務(wù)器正常工作，則UE的所有用戶全部倒換到備用服務(wù)器上。隨后，UE周期的探測主用服務(wù)器是否恢復(fù)正?？捎?。若主用服務(wù)器恢復(fù)正常，則該UE上的所有空閑用戶全部切換到主用服務(wù)器上，處于呼叫接續(xù)或通話過程中的用戶繼續(xù)留在備用服務(wù)器上。當(dāng)上述處于呼叫接續(xù)或通話的用戶釋放呼叫或完成通話后立刻自動(dòng)切回到主用服務(wù)器上。若當(dāng)主用服務(wù)器異常后，UE探測到備用服務(wù)器也異常，則UE繼續(xù)在主備服務(wù)器之間不間斷的來回探測，直到其中一個(gè)服務(wù)器恢復(fù)正?？捎?，UE的所有用戶全部切換到該服務(wù)器上。

相對主備:當(dāng)主用服務(wù)器異常后，UE探測備用服務(wù)器，若備用服務(wù)器正常工作，則UE的所有用戶全部倒換到備用服務(wù)器上，此時(shí)該備用服務(wù)器就動(dòng)態(tài)變成了主用服務(wù)器，原主用服務(wù)器動(dòng)態(tài)變成備用服務(wù)器。之后，只有在當(dāng)前服務(wù)器異常情況下，UE才重新探測新備用服務(wù)器是否正?？捎?若備用服務(wù)器可用，則UE的所有用戶全部切換到該服務(wù)器上，此時(shí)，該服務(wù)器又動(dòng)態(tài)變?yōu)橹饔梅?wù)器;如果備用服務(wù)器不可用，則UE不間斷的來回探測主備服務(wù)器的可用性，若探測到某個(gè)服務(wù)器可用，則UE的所有用戶全部切換到該服務(wù)器上，此時(shí)該服務(wù)器就是主用服務(wù)器，另一個(gè)服務(wù)器就是備用服務(wù)器。

當(dāng)主用服務(wù)器斷網(wǎng)后，UE能自動(dòng)切換到備用服務(wù)器，恢復(fù)語音業(yè)務(wù)，在現(xiàn)實(shí)工程使用中，也有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

NGN的核心網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)，即IMS，其核心特點(diǎn)為采用SIP協(xié)議和與接入的無關(guān)性。IMS中的服務(wù)器有PCSCF(代理CSCF，Proxy CSCF)，I-CSCF(查詢CSCF，Interrogating CSCF)，S-CSCF(服務(wù)CSCF，Serving CSCF)等邏輯組件，其中P-CSCF相當(dāng)于傳統(tǒng)軟交換中的代理服務(wù)器，S-CSCF相當(dāng)于注冊服務(wù)器［1］。在整個(gè)注冊、呼叫過程中P-CSCF和S-CSCF都必須參與工作，且其地址在終端發(fā)出的SIP消息中均有明確的表示。圖1描述了雙歸屬服務(wù)器的組網(wǎng)模式。

圖1 雙歸屬服務(wù)器的組網(wǎng)圖

2 雙歸屬服務(wù)器的解決方案

2.1 服務(wù)器組組合

服務(wù)器的主備將會(huì)有兩組主備:主備代理服務(wù)器和主備注冊服務(wù)器，這樣在實(shí)現(xiàn)主備應(yīng)用時(shí)就有4種組合，約定探測組合的先后序列為:

1)探測主用代理服務(wù)器、主用注冊服務(wù)器;

2)探測備用代理服務(wù)器、主用注冊服務(wù)器;

3)探測備用代理服務(wù)器、備用注冊服務(wù)器;

4)探測主用代理服務(wù)器、備用注冊服務(wù)器。

2.2 解決關(guān)鍵點(diǎn)

2.2.1 如何探測服務(wù)器

首先，要在兩個(gè)雙歸屬服務(wù)器之間設(shè)置故障檢測機(jī)制［4］，UE采用標(biāo)準(zhǔn)的SIP OPTIONS消息心跳檢測機(jī)制來進(jìn)行對服務(wù)器的探測，根據(jù)RFC3261中的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)的SIP非INVITEclient事務(wù)的重發(fā)間隔為0.5 s，1 s，2 s，4 s，4 s，4 s，4 s，4 s，4 s，4 s，最多發(fā)出11個(gè)OPTIONS消息，總時(shí)長約為32 s。當(dāng)UE發(fā)出OPTIONS消息探測服務(wù)器而未收到響應(yīng)時(shí)，就會(huì)按照上述規(guī)律進(jìn)行重發(fā)，若在UE向服務(wù)器發(fā)出第一個(gè)OPTIONS消息40 s后仍未得到響應(yīng)，則認(rèn)為已與服務(wù)器斷開鏈接［5］。

在當(dāng)前服務(wù)器組下UE發(fā)現(xiàn)通信中斷的判斷條件決定了何時(shí)需發(fā)起新一輪的服務(wù)器探測，這一點(diǎn)是首先必須弄清楚的。這里所說的通信中斷指服務(wù)器組不在線，不處理信令包。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)與服務(wù)器組通信中斷時(shí)，需探測下一組服務(wù)器。找到下一組服務(wù)器組后，用OPTIONS消息來探測服務(wù)器是否存在。UE按網(wǎng)關(guān)來發(fā)送OPTIONS消息(不建議按端口來發(fā)送OPTIONS消息，避免占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，但是UE應(yīng)該能夠及時(shí)正確響應(yīng)服務(wù)器按端口發(fā)送過來的OPTIONS請求消息)，每次發(fā)送時(shí)，CSeq要遞增。

2.2.2 切換服務(wù)器的流程

尋找下一組服務(wù)器組流程:當(dāng)前服務(wù)器組按2.1節(jié)中列出的服務(wù)器組組合順序向后依次尋找IP非空且與當(dāng)前服務(wù)器組存在不同的服務(wù)器組，若4組都已遍歷，仍沒發(fā)現(xiàn)不同的服務(wù)器組，則認(rèn)為沒有發(fā)現(xiàn)下一組服務(wù)器。采用這種確認(rèn)下一組服務(wù)器的方法，配置單服務(wù)器組的情況就包含于沒有發(fā)現(xiàn)下一組服務(wù)器的分支中。

當(dāng)找到了下一組服務(wù)器后，先用OPTIONS消息探測。若收到響應(yīng)消息回復(fù)，則UE開始發(fā)送注冊消息請求;若發(fā)送N次未收到響應(yīng)回復(fù)，則認(rèn)為該服務(wù)器組不可用，尋找下一個(gè)服務(wù)器組。

2.2.3 同時(shí)支持兩種歸屬服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案

首先說明UE存活態(tài)和UE注冊態(tài)這兩個(gè)概念。

注冊態(tài):用于上報(bào)該UE是否存在注冊狀態(tài)為OK的端點(diǎn)，如果存在，為OK;不存在為FAIL。

存活態(tài):指UE使用的服務(wù)器組是否存活。當(dāng)OPTIONS消息收到響應(yīng)或者有一個(gè)端口注冊包收到響應(yīng)，即認(rèn)為服務(wù)器組存活，值為OK;否則認(rèn)為值為FAIL。僅當(dāng)UE發(fā)生雙服務(wù)器切換，找到了下一組服務(wù)器組時(shí)，將存活態(tài)的值設(shè)為FAIL。

下面分別就兩種雙歸屬倒換技術(shù)提出設(shè)計(jì)方案:

1)相對主備

(1)OPTIONS消息總是朝當(dāng)前服務(wù)器組發(fā)送。當(dāng)前服務(wù)器組在上電時(shí)選取第一組，否則在切換時(shí)找到下一組服務(wù)器時(shí)再確定;

(2)收到OPTIONS消息響應(yīng)時(shí)，認(rèn)為可以使用(如果UE存活態(tài)為FAIL，就將其改為OK，同時(shí)發(fā)起注冊)，繼續(xù)發(fā)送OPTIONS消息;

(3)未收到OPTIONS消息響應(yīng)時(shí)，發(fā)生切換;

(4)發(fā)生切換時(shí)，找到了下一組服務(wù)器，將UE存活態(tài)置為FAIL，設(shè)置新的當(dāng)前服務(wù)器組，發(fā)送OPTIONS消息。

2)絕對主備

(1)OPTIONS消息朝當(dāng)前服務(wù)器組發(fā)送，但是在當(dāng)前服務(wù)器非主用服務(wù)器組時(shí)，也需要朝主用服務(wù)器組發(fā)送，即主用注冊服務(wù)器和主用代理服務(wù)器;

(2)收到OPTIONS消息響應(yīng)時(shí)，判斷消息的響應(yīng)是否來自于當(dāng)前服務(wù)器組，如果是，認(rèn)為該服務(wù)器組可以使用(如果UE存活態(tài)為FAIL，就將其改為OK，同時(shí)發(fā)起注冊)，如果不是，就要判斷當(dāng)前是否是絕對主備且當(dāng)前服務(wù)器非主用服務(wù)器組，且OPTIONS消息的響應(yīng)來自于主用服務(wù)器組，即發(fā)生切換，否則丟棄該消息;

(3)未收到OPTIONS消息響應(yīng)時(shí)，判斷該消息的源是否為當(dāng)前服務(wù)器組，如果是，發(fā)送N次OPTIONS，N次超時(shí)發(fā)生切換，若不是，則需判斷當(dāng)前是否為絕對主備且當(dāng)前服務(wù)器非主用服務(wù)器組，且OPTIONS消息源是主用服務(wù)器組，繼續(xù)發(fā)送OPTIONS消息，否則丟棄該消息;

(4)收到OPTIONS消息響應(yīng)時(shí)，判斷當(dāng)前服務(wù)器組是否為主用服務(wù)器組，若不是，發(fā)生切換，否則認(rèn)為可使用(若UE存活態(tài)為FAIL，就將其改為OK，同時(shí)發(fā)起注冊);

(5)未收到OPTIONS消息響應(yīng)時(shí)，判斷當(dāng)前服務(wù)器組是否為主用服務(wù)器組，若不是，繼續(xù)發(fā)送OPTIONS消息，否則發(fā)送N次，N次超時(shí)發(fā)生切換;

(6)發(fā)生切換時(shí)，判斷當(dāng)前是否為主用服務(wù)器組:若不是，將UE存活態(tài)改為FAIL，將主用服務(wù)器組設(shè)為當(dāng)前使用的，發(fā)送OPTIONS消息;否則，尋找下一組服務(wù)器，找到后，將UE存活態(tài)置為FAIL，設(shè)置新的當(dāng)前服務(wù)器組，發(fā)送OPTIONS消息。

3 雙歸屬服務(wù)器算法

3.1 雙歸屬服務(wù)器流程圖

UE在某服務(wù)器組下正常工作，且心跳功能打開，默認(rèn)UE存活態(tài)是OK。具體算法流程如圖2所示。

圖2 雙歸屬服務(wù)器流程圖

3.2 雙歸屬服務(wù)器的算法描述

前提:UE在某服務(wù)器組下正常工作，且心跳功能打開，默認(rèn)UE存活態(tài)是OK。

下文將詳細(xì)分析算法描述。

1)發(fā)送OPTIONS消息，向當(dāng)前服務(wù)器組發(fā)送，發(fā)送次數(shù)加1，然后判斷是否為絕對主備且當(dāng)前服務(wù)器非主用服務(wù)器組，增加向主用服務(wù)器組發(fā)送OPTIONS。

2)收到OPTIONS消息，分如下情況分類處理:

(1)消息的響應(yīng)是否來自于當(dāng)前服務(wù)器組，如果是:此時(shí)若當(dāng)前UE存活態(tài)為FAIL，就將其改為OK，同時(shí)發(fā)起注冊，跳到4);如果不是:跳到(2);

(2)絕對主備且當(dāng)前服務(wù)器非主用服務(wù)器組，且OPTIONS消息響應(yīng)來自于主用服務(wù)器組，此時(shí)發(fā)生切換，跳到5)，否則退出。

3)未收到OPTIONS消息，分如下情況分類處理:

(1)若消息源是當(dāng)前服務(wù)器組:判斷是否發(fā)送了N次，如果未到N次，跳到1)，如果到了N次，發(fā)生切換，跳到5);若消息源非當(dāng)前服務(wù)器組:跳到(2);

(2)絕對主備且當(dāng)前服務(wù)器非主用服務(wù)器組且OPTIONS消息源是主用服務(wù)器組:啟動(dòng)探測主用存活的定時(shí)器，超時(shí)，跳到1)，否則退出。

4)次數(shù)清0，啟動(dòng)心跳定時(shí)器，超時(shí)后跳到1)。

5)尋找下一組服務(wù)器:

(1)若為相對主備或者絕對主備時(shí)當(dāng)前服務(wù)器組為主用服務(wù)器組，依次向后遍歷4組服務(wù)器，找尋不同于當(dāng)前服務(wù)器組的一組;

(2)若為絕對主備且當(dāng)前服務(wù)器組不為主用服務(wù)器組，則下一組服務(wù)器為主用服務(wù)器。

6)未找到下一組服務(wù)器，跳到4)。

7)找到下一組服務(wù)器，將UE存活態(tài)改為FAIL，該服務(wù)器組設(shè)為當(dāng)前使用的，跳到4)。

4 總結(jié)

本文提出一種在IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中基于SIP協(xié)議的雙歸屬服務(wù)器倒換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案［6］，并分析了解決方案的關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)可以同時(shí)支持兩種歸屬服務(wù)器的方案，在雙歸屬服務(wù)器算法中，詳細(xì)分情況論述了雙歸屬倒換機(jī)制的流程，提供了一種提高接入網(wǎng)與核心網(wǎng)連接的安全性與可靠性的新思路。

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