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关键词：I M S；网元容灾；
引言
IMS 网络是当今电信网的基本发展趋势。移动通信网络在 IMS 网络技术发展中还处理初级起步阶段。对于移动通信网络而言，一种新的网络结构，其安全可靠性无疑是发展规划中的重要考虑之一。本文立足于IMS网络结构特点，浅析IMS网络容灾原理机制与实现。
一、MS 网络分层结构
IMS 网络采用网络分层架构，主要划分为应用层、业务能力层、会话控制层、承载控制与接入层。承载控制与接入层负责控制承载资源，包括的网元有 SBC 和 IM-MGW。应用层主要提供第三方的应用：通过 OSA 提供的接口来实现对下层业务能力的调用，包括的网元有AS。会话控制层的功能是呼叫控制、用户管理、业务触发、资源控制、网络互通，包括的网元有：P-CSCF（代理 CSCF）、I-CSCF（问询 CSCF）、S-CSCF（服务 CSCF）、AGCF、MGCF、HSS/SLF（用户数据库）。除了应用层 AS 外，会话控制层属于 IMS 网络的核心，相关核心局点的容灾性能对IMS 网络的安全稳定有举足轻重的意义。
二、IMS重要信令流程
（一）网络注册流程
IMS 网络注册的最终目的是让用户终端登记上S-CSCF，整个注册过程可分解为两次注册子流程。第一次注册子流程目的是让 S-CSCF 下发鉴权消息，第二次注册子流程实现用户鉴权，真正实现网络注册。在注册过程中，用户通过终端配置的域名登记到相应的拜访地P-CSCF，P-CSCF 再根据用户开户时所配置的域名把注册消息送到归属地 IM S域的接口 I-CSCF。在第一次注册子流程中，I-CSCF 需要先到 H SS 索要用户开户时设置的配置集。I-CSCF 通过匹配配置集，查找用户最优的服务S-CSCF，并把注册消息转发过去。S-CSCF 在收到第一个注册消息后，将向 HSS 下载用户的鉴权信息，并把此鉴权参数及算法向用户下发，触发用户第二次注册子注程。第二次注册过程的网元查找原理一样，只是注册消息中增加了用户的鉴权响应值，最终 S-CSCF 直接对鉴权响应值进行校对，以完成整个注册流程。
（二）呼叫流程
呼叫流程是建立在网络注册流程完成之后，当用户已经登记上 S-CSCF 后，整个呼叫流程已经不需要再经I-CSCF 扭转，整个呼叫过程可分解为三次 invite子流程。第一次invite目的是让主叫与主叫侧 AS 建立呼叫信令通道，第二次invite目的是让主被叫之间的 AS 建立呼叫信令通道，第三次invite目的是让被叫侧AS与被叫建立呼叫信令通道。因在网络注册过程中，用户/ S-CSCF/ P-CSCF/ AS 均已经记录了关联信息，因此呼叫流程中的网元间的信息扭转可直接跟据信息表中的地址进行传送。
三、IMS 容灾原理机制
IMS 解决方案整体采用 1+1 互备的容灾方式，正常时每个局点空闲一半容量用于接管互备局用户。IMS 故障检测机制有 OPTIONS 检测和基于链路的故障检测。基于 SIP 协议的应用通过 SIP OP－TIONS 消息实现对对端网元的故障检测，OPTIONS 检测又分为启发式（只有在对端有故障时才触发检测），以及周期性（无论是否故障都触发检测，与心跳类似）。基于Diameter、DNS 协议的应用则通过链路握手协议来实现故障检测，即在链路上周期性的发送握手消息来检测对端是否故障。从第 3 部分的流程阐述可以知道，不管是注册还是呼叫流程，用户的下一跳一定是SBC，而用户是通过终端所配置的域名地址来查找 SBC 的，因此 DNS 定义对 SBC起到容灾保护作用。当一个 SBC 退服时，用户仍然能从 DNS 反馈的地址池找到可用 SBC。 举一反三，在所有走 SIP 信令的接口中，DNS 都充当着重要的容灾保护角色。只要确定了信令下一跳的域名，总可以通过 DNS 找到正常状态的网元地址。而对于走 diameter 信令的接口（如 HSS 的相关接口），侧是依靠接口定义的多路静态 diameter 链来实现容灾。
（一）注册流程的容灾要点
在整个注册流程中，除了DNS 提供重要容灾功能外，I-CSCF 到 S-CSCF 的选择是重要的一步。用户注册对 S-CSCF 的选择完全取决于用户开户时在 HSS 上所定义的配置集。I-CSCF 取到用户的配置集后，计算出用户能登记的 S-CSCF 的优先级，当出现最高优先级的 S-CSCF 不可用时，I-CSCF 将第一步从配置集计算结果中重选 S-CSCF。因此 S-CSCF 的逻辑容灾靠的是用户在 HSS 上的配置集定义规则，而非 DNS。
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（二）呼叫流程的容灾要点
呼叫流程的容灾实现比注册流程要复杂，因注册完成后，网络已经为用户指定了唯一的核心局点（包括 P-CSCF，S-CSCF）。一旦某个核心局点出现故障退服，这意味着网络需要用户重新注册选择核心局点。当呼叫过程中出现此特殊情况，对呼叫业务将会造成延时甚至中断的影响。标准描述并没有对此容灾实现作具体描述，但从用户使用感知出发，大多数厂家的做法是业务影响最小化，即在呼叫流程中设备自动触发重注册流程，而非直接中断业务，使用户自助注册。
四、高效容灾方案应用需求
为了实现AGCF高效容灾方案，需对目前IM S设备增加相应功能。
（一）S-CSCF设备需求
（1）在主用AGCF正常的情况下，S-CSCF设备保存用户终端的初始注册时所使用的BAC 网络侧IP地址和端口。
（2）在主用AGC F发生故障的情况下，S-C SC F设备将用户所在BAC 的网络侧IP地址和端口，通过呼叫请求的C ont act 域参数传送给备用AGCF。
（二）AGCF设备需求
（1）在A G C F正常的情况下，AGCF记录用户初始注册所使用的BAC 网络侧IP地址和端口，转发到S- CSCF的初始注册消息中，通过Contact域增加BAC 网络侧的IP地址和端口。
（2）在AGCF发生故障的情况下，备用AGC F根据呼叫请求的Contact 域参数所携带的BAC 网络侧IP地址和端口重新封装呼叫请求，并将呼叫请求送至用户终端。
（三）BAC 设备需求
（1）当用户注册成功时，BAC接收到R epl y消息扩展参数的SC SC Fadd，记录用户注册所在的S-CSCF。
（2）BAC检测到当前服务AGCF设备发生故障后，将呼叫请求转发到备用AGCF设备，携带S-CSCF地址。
五、I M S网络的容灾解决方案
在日常运营过程中，IM S网络故障点的发生按照影响面可以归纳为以下几个层级：板卡层面、网元层面、整机房的，相关解决方案如下。
方式一：板卡级容灾。IM S网络中各个网元的单板故障后能做主备用倒换，同时，主备用板件数据实时同步。
方式二：网元级容灾。IM S网络中各个网元主用侧故障后，业务可以由系统内备用侧网元节点接管，这个由EN U M /D N S返回网元的IP地址和相应的优先级。
方式三：平面级容灾。一个局点的IM S网络做为一个平面，主归属一个或多个地市。另一个局点的IM S网络作为另一平面，主归属另外地市。两个局点间实现在跨机房双平面的容灾保护，当一个平面瘫痪，网络通信中断，可以切换到另一平面实现业务接管。
传统的板卡级容灾不仅能解决日常维护过程中IM S设备闪断、掉电等情况下设备倒换和业务接管的问题，而且能解决设备恢复后倒回和业务恢复的问题。
网元级容灾方案主要解决IMS网络单个网元的设备宕机或承载网中断等异常阻断情况下应急机制，跨机房的备用网元接管业务，此时相关的其他网元还是本机房的主归属设备，前提是两机房网元的容灾数据、局数据、业务数据和相关用户数据同步。
平面级容灾方案主要解决IM S网络整个平面瘫痪，机房出口网络中断，机房遭遇水火灾等异常情况的应急机制，前提是双平面之间核心网元容灾数据、局数据、业务数据实时同步，IT系统开销户对双平面核心机房也实时同步。另外，e8-C、A G 等接入终端必须具备主备用双归属功能。
六、结论
以上从IM S网络架构入手，从容灾机制、网络要求，对网元级容灾实现方案进行了具体阐述，同时，也指出网元级、单板级的容灾技术已经得到运用，实际生产过程中还会面对整平面容灾的挑战，还有很多技术需要不断探索和完善。DNS 在 IMS 核心网中扮演着非常重要的角色，她关系着核心局点容灾配对的选择规则的实现。 而用户开户时在 HSS 上定义配置集，也决定了面向用户的 S-CSCF 的逻辑容灾关系，增强了 IMS 网络容灾的灵活性。通过深入研究探讨 IMS 网络的容灾机制，有利于增强 IMS 网络的抗灾性，促进移动通信新技术的稳健发展。
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论文作者:李蕾
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/7
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