IMS网络中基于冗余原则和机制的冗余方案_融合通信_电信

IMS网络中基于冗余原则和机制的冗余方案

史健刘璐 2010/07/01

　　随着IMS网络在国内的大规模应用，运营商在给终端用户提供丰富多彩的IP多媒体业务的同时，也非常重视IMS网络的高可用性。只有具备高可用性的IMS网络才能给用户提供更高的服务质量，同时也能相应增加运营商的业务收入。实现IMS网络高可用性的有效方法是提供各种层面的冗余特性，本文从IMS网络的各种冗余原则和机制入手，来探讨IMS网络的冗余方案。

IMS网络中的各种冗余原则和机制

　　IMS网络冗余指的是整个网络提供的冗余功能，从图1 IMS冗余模型中我们可以看出IMS网络冗余可以分为以下5个层面：

　　硬件平台冗余

　　提供接口、存储介质、处理器/刀片级的冗余。爱立信IMS系统中使用的硬件平台主要有TSP（Telecom Server Platform）、IS（Integrated Site）、SUN和HP服务器，均支持硬件平台的冗余。

　　对于接口来讲，各种节点提供的以太网接口和7号信令接口都采用1+1或者N+1的冗余机制，一旦有接口出现故障应能实现自动切换并且不影响当时提供的业务。对存储介质来讲，保存数据的内存（如TSP的内存数据库）和硬盘应采用1+1的冗余机制，如磁盘镜像等。对处理器/刀片来讲，各个硬件平台上的处理器和刀片应能提供1+1或者N+1的冗余机制，一旦有单个处理器或刀片出现故障，可以实现自动切换并且对业务不会造成任何影响。在IS平台中由刀片系统提供刀片级的1+1或N+1冗余保护。TSP平台提供TP（Traffic Processor）构成的“业务处理器池”来实现冗余，并用VIP（Virtual IP）地址代表某个应用（如HSS），而不是具体某个处理器。

　　站点的IP架构冗余

　　提供以太网交换机、路由器和防火墙等设备的硬件冗余，同时支持服务器负载均衡（SLB）等功能，以提高站点IP架构的可用性。

　　逻辑节点资源冗余

　　提供节点资源的冗余，如软件资源和数据库等。在IMS网络中，各节点应采用1+1或N+1冗余机制，对于重要节点（如保存计费信息的计费网关、保存用户业务处理数据的HSS等节点）应采用“主用/热备用”的1+1冗余方式，一旦发生切换，所有重要信息如计费数据、用户业务和状态信息等都不会丢失。

　　站点冗余

　　包括单站点实现的本地冗余和多站点实现的异地冗余。由于各种原因造成的节点故障，可以首先使用本地冗余机制，即使用同站点内的相应备用节点，若不成功则切换到异地冗余站点相应的节点上。而对于各种自然灾害（如地震、水灾等）和人为灾害（如恐怖袭击）导致的整个站点故障，只能用异地冗余来提供IMS网络的高可用性，即所有业务都切换到异地的备用站点上。当出现整个站点故障时，按照3GPP TR 23.820（Study on IMS Restoration Procedures，Release 8）规范的描述，所有正在进行的会话都会终止并且这些会话的计费信息也会丢失，所有UE需要发起重注册请求以便恢复相关业务，而且在此时IMS网络所提供的业务主要为基本话音业务。所以在进行IMS网络异地冗余的设计时，首先考虑所有与话音业务相关的节点，而其它非话音业务相关的节点，如AP（Aggregation Proxy）、WUIGM（Web User Interface for Group and Data Management）等可以先不考虑异地冗余，进而降低IMS网络的投资成本。

配置层面的冗余方案

　　IMS网络冗余方案的设计和网络配置对于提高IMS网络冗余特性是十分必要的。如果IMS网络中某些节点或平台不支持1+1或N+1冗余机制，那么就必须采用特定的网络设计和配置，使这些节点不会成为IMS网络中的“单故障节点”而危及IMS网络的高可用性。对于IMS异地冗余方案，由于某些节点可能不支持异地冗余机制，也需要采用特定的配置来避免“单故障节点”，比如通过Diameter重定向代理的配置来提供两个目的地主机AVP，让Diameter客户端收到这两个冗余的目的地主机AVP，当第一个Diameter服务器出现故障，Diameter客户端可以自动切换到第二个Diameter服务器。

　　IMS网络的冗余机制可以有1+1和N+1等不同方式，这些冗余机制适用于硬件平台、站点的IP架构、节点资源以及站点等IMS网络冗余的不同层面。1+1和N+1的冗余机制可以通过节点的不同工作方式来实现。节点的工作方式主要有：主用/主用方式和主用/备用方式。

　　主用/主用方式：在正常情况下，用户的业务由两个节点以负载分担的方式共同完成。当出现节点故障时，故障节点的业务可以切换到另一个节点上。

　　主用/备用方式：在正常情况下，用户的业务都由主用节点来完成，备用节点上的资源与主用节点完全相同。根据备用节点与主用节点之间的数据状态关系，备用节点的工作方式又分为热备用（hot standby）、暖备用（warm standby）和冷备用（cold standby）。

热备用指的是备用节点具有与主用节点完全一样的数据状态信息，一旦主用节点故障，备用节点可以立即切换，接替故障的主用节点来提供服务，在切换过程中重要的数据如计费信息、会话的状态信息和用户的注册数据等都不会丢失。

暖备用指的是备用节点具有与主用节点一样的一些数据信息，但不包含状态信息，备用节点可以立即切换，接替故障的主用节点来提供服务，切换过程中计费和会话的状态信息会丢失，但用户的注册数据不会丢失。

冷备用指的是备用节点不具备与主用节点相同的数据状态信息，一旦主用节点故障，备用节点可以切换，但在切换过程中计费信息、会话的状态信息和用户的注册数据等都会丢失，用户的UE必须发起重注册才能使用IMS业务。

　　下面的例子具体介绍在1+1或N+1冗余机制中爱立信IMS网络的切换及恢复原则——“DNS查询与隔离”。

　　IMS网络中的节点在完成SIP消息转发时，DNS客户端用目的地节点的FQDN向DNS服务器查询，DNS服务器返回SRV响应包含两个目的地节点的IP地址和端口号。DNS SRV记录决定这两个目的地节点IP地址的优先级与权重，通过使用DNS SRV记录，目的地节点可以被配置成负载分担或主/备用的工作方式。DNS客户端将收到的SRV响应保存在缓存列表中，然后将SIP消息转发给列表中第一个目的地节点的IP地址并启动一个计时器，若计时器超时后仍然没有得到任何响应，则DNS客户端向缓存列表中的第二个目的地节点IP地址重传该SIP消息，此时完成了切换。根据RFCs 3263（Session Initiation Protocol【SIP】：Locating SIP Servers）和RFC 2308（Negative Caching of DNS Queries【DNS NCACHE】）的流程，DNS客户端能够从FQDN缓存列表中将故障目的地去除，并自动切换到列表中的下一个目的地。当目的地节点出现故障后，为了将故障节点隔离，DNS客户端将该目的地的IP地址从DNS缓存列表中去除，放入隔离列表，然后启动隔离计时器。当隔离计时器到时，故障的目的地节点IP地址会被从隔离列表中取出，重新放回到DNS缓存列表中。若此时目的地节点故障已修复，DNS客户端将SIP消息转发到该节点从而实现切换恢复，即该节点又作为先前的主用节点来处理业务。若此时目的地节点故障仍未修复，则DNS客户端再将其IP地址从DNS缓存列表中去除，并再次放入隔离列表中，重复上述隔离操作直到目的地节点故障修复为止。

　　另外在爱立信IMS网络中还有一种实现异地冗余的专用机制-Diameter多连接。TSP平台的Diameter客户端（如S-CSCF）与Diameter服务器（如HSS）在两个TSP区域（Zone）之间实现异地冗余。Diameter客户端可以分别使用主用和备用Diameter服务器的本地VIP地址，建立与主、备用Diameter服务器的多个Diameter连接。

　　正常情况下Diameter客户端与服务器之间的所有业务都由主用的Diameter服务器处理。当主用的Diameter服务器出现故障，客户端与先前的主用服务器之间连接中断，Diameter客户端自动建立与新的主用服务器（原来的备用服务器）之间的连接。Diameter客户端使用基于DWR/DWA消息的心跳机制来检测Diameter连接的状态。在目前的Diameter协议栈中有一个切换计时器（DWR计时器的3倍时长）。最小的DWR时长为6秒，所以经过18秒可以检测出Diameter连接中断，Diameter服务器进行切换。HSS作为Diameter服务器，通过这种主用/热备用的工作方式实现异地冗余。

IMS网络中的冗余方案

　　IMS网络中的冗余方案可以从硬件平台、站点的IP架构、节点资源和站点冗余等多个层面进行设计，其中站点冗余又包括单站点实现的本地冗余和多站点实现的异地冗余。由于异地冗余具有容灾和应对节点故障等特性，因此能够为IMS网络提供高可用性。图2为爱立信的IMS网络异地冗余方案。对于用户组A和B来讲，整个网络配置成主用站点和备用站点。在正常情况下，站点1为主用站点，为用户组A提供服务；站点2为备用站点，实现从主用站点的切换，同时也为用户组B提供服务。主用站点与备用站点实现1+1冗余方式。在做网络规划时，考虑到站点切换，正常情况下主用与备用站点分别处理最多50%的业务。站点3为运营商的网管中心，包括EMA业务开通系统和DNS存储服务器等。

　　通过配置DNS SRV记录并给予不同优先级和权重，可以实现节点间的冗余。用户组A使用站点1为主用站点，站点2为备用站点；用户组B使用站点2为主用站点，站点1为备用站点。

　　P-CSCF、S-CSCF和A-SBC采用主用/冷备用工作方式，备用节点不具备与主用节点相同的会话处理状态信息，切换到备用节点后，计费信息、会话状态信息和用户注册数据都会丢失，用户的UE必须发起重注册才能使用IMS业务。

　　SLF、I-CSCF、E-CSCF、N-SBC、DNS、MTAS、MGC和MGW采用主用/暖备用工作方式，备用节点具有与主用节点一致的数据信息，但不包括状态信息，备用节点可以很快完成切换，但会导致计费和当前会话数据丢失。由于这些节点上不存储用户的注册数据，所以不需UE发起重注册。

　　HSS采用主用/热备用工作方式，正常情况下站点1的HSS为主用节点，处理所有的用户业务，站点2的HSS为热备用节点，它会根据主用节点送来的实时状态信息更新相应的数据状态。正常情况下热备用HSS节点不处理用户业务。只有当主用HSS出现节点故障，热备用HSS完成切换后才处理所有用户业务。在切换过程中由于热备用HSS具有与主用HSS完全一致的数据状态，用户注册数据不会丢失，所以不需要用户发起重注册就可以继续为所有用户提供服务。

结束语

　　随着IMS网络在国内的大规模部署，IMS网络的高可用性就变得尤为重要。实现IMS网络高可用性的有效方法就是提供各种层面的冗余特性。本文从硬件平台、站点的IP架构、逻辑节点资源和站点冗余等几个层面分析了IMS网络中的各种冗余原则和机制，解释了节点的不同冗余工作方式，最后介绍了爱立信的IMS网络异地冗余解决方案。由于篇幅所限，其中的一些细节内容，如IMS异地冗余的配置信息、发生节点故障后相应的切换和恢复流程等，未能详尽描述。作为IMS全套培训解决方案提供者，爱立信中国学院提供关于IMS网络设计和冗余方案的培训课程，如IMS网络设计、IMS节点配置等，可以帮助大家进一步了解细节。

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