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[论文与期刊] DRA在VoLTE中的会话绑定策略研究 [复制链接]

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发表于 2014-11-25 14:36:25 |显示全部楼层
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0 前言

随着LTE以及IMS网络的引入,未来移动网络各设备之间的通信将大量采用Diameter信令,运营商需要构建基于LTE/IMS架构的新的Diameter信令网,来完成对Diameter信令的疏导和管理,从而达到优化网络结构、提升网络效率、降低运维成本、保证网络的可扩展性和易维护性的目的。

Diameter路由代理(DRA)在 ITU及3GPP标准组织中被定义为一种汇聚和转接Diameter信令的中间设备,是组成Diameter信令网的核心网元。VoLTE是基于IMS的语音业务。VoLTE中存在大量的Diameter信令,需要通过DRA来进行路由和疏导。

1 DRA在VoLTE中的会话绑定原理

1.1 DRA的基本概念

Diameter协议是互联网工程任务组(IETF)为了下一代AAA服务器而提出的一套新的协议体系,主要用于认证、授权和计费,其通过不同的应用扩展可以适用于移动IP、会话初始协议(SIP)、网络接入服务器等应用环境。一个Diameter节点可以根据在网络中所处的不同位置和承担的不同功能分为Diameter客户端、Diameter服务器和Diameter代理。

DRA比较类似于传统七号信令网的信令转接点(STP),它在逻辑上是一个实现了Diameter代理功能的Diameter节点。DRA能够满足Diameter信令应用中可能出现的各种复杂场景,支持根据Diameter消息中的路由字段和用户标示信息,提供灵活的消息路由功能,寻址到正确的Diameter网元。

1.2 DRA在VoLTE中的会话绑定

LTE核心网采用策略和计费控制(PCC)架构实现VoLTE语音业务的QoS保证,PCC架构的核心是策略控制规则功能(PCRF)和策略控制执行功能(PCEF),分别实现PCC规则的决策和PCC规则的执行。其核心思想是PCRF根据核心网内相关实体(如PCEF、应用服务器(AF)等)提供的信息(如接入网标识、用户身份等)决定需要使用的 PCC 规则,并下发至 PCEF;PCEF再按照规则参数的指示执行业务流的QoS控制和计费等功能。在用户和业务较多的区域,同一个网络中可能存在多套负载均衡的PCRF,分别负责为不同的用户群组制定PCC规则。PCC架构中各实体间的信息交互使用Diameter协议,通过DRA完成Diameter信令的汇聚和转发。

一般情况下,DRA节点只是负责转发各实体之间的Diameter信令,并不关心转发的信令是否属于同一个客户。但是到了VoLTE阶段,这时候PCC架构中的PCEF功能被内置在LTE核心网网关(GW)中,而AF则由IMS架构中的代理呼叫会话控制功能(P-CSCF)代替,当DRA转接GW以及P-CSCF到多个负载均衡的PCRF的Diameter信令时,DRA还会保存用户IMSI、IP地址和PCRF的对应关系,保证同一个用户在不同接口上(例如 GW 与 PCRF 之间的 Gx 接口,P-CSCF与PCRF之间的Rx接口)的Diameter信令路由到同一个PCRF。PCC规则的制定需要使用GW、P-CSCF等多个实体传递的信息,所以能否保证这些相关联的实体能够与同一个PCRF通信,是保证规则正确性的关键,这也称为PCRF会话绑定问题。

这种PCRF会话绑定关系经常会带来同区域部署的1对DRA之间的动态数据的同步(见图1)。


如图2所示,当用户发起VoLTE呼叫时,首先GW会向PCRF发起Gx接口会话,进行计费与策略控制,消息经过DRA1转发;DRA1根据Gx接口消息携带IMSI号段选择PCRF2,并记录IMSI、用户IP地址与PCRF2的对应关系,同时将这些动态数据通过2个DRA之间的私有接口同步到DRA2;PCRF2通过DRA1向GW回送会话响应,GGSN向终端回响应;然后,VoLTE终端在建立的SIP信令承载上发送SIP呼叫控制信令;P-CSCF通过DRA2向PCRF发起Rx接口会话,根据SIP中的业务要求向PCRF2请求策略控制;这时候,DRA2会根据同步后的对应关系,通过Rx接口消息携带的用户IP地址,关联到用户IMSI,从而选择到同一个PCRF。

2 DRA在VoLTE中的会话绑定问题分析

通过前面章节对DRA在VoLTE中的会话绑定原理的分析可知,当用户通过Gx接口向DRA发送PCC会话请求消息时,DRA会同时记录IMSI与用户IP地址、PCRF的绑定关系,同时将绑定数据通过2台DRA间的私有接口同步到本地的另外一台DRA,由另外一
台DRA记录IMSI与IP地址、PCRF的绑定关系,从而完成DRA间PCRF绑定信息的动态同步。

目前各设备厂家DRA间的同步接口为私有接口,目前只有同一厂家的DRA之间才能实现。如果采用异厂家设备,目前无法做到用户动态数据的同步。当用户在某区域使用VoLTE业务,GW和P-CSCF需要通过该区域部署的DRA,将Gx接口和Rx接口的Diameter信令路由到同一PCRF,当该区域设置了1对DRA时,对不同接口进行PCRF绑定的这2台DRA可能属于同一厂家,也可能属于不同厂家:当DRA属于同一厂家时,可以通过DRA之间的私有接口进行用户动态数据的同步;当DRA属于不同厂家时,就会存在DRA无法同步造成的PCRF绑定失败的风险。

3 DRA在VoLTE中的会话绑定问题解决方案

3.1 解决方案一:Rx接口字段扩展方案

由于IMSI可以唯一固定地标示一个用户,而IP地址由于是会话创建时临时分配给用户的,无法固定标示一个用户,所以在DRA设备上可以根据运营商策略预先配置好用户的IMSI和PCRF对应关系。当用户发起Gx接口会话时,GW会将用户的IMSI、IP地址信息发送给DRA,由DRA根据预先配置的IMSI和PCRF对应关系,寻址到正确的PCRF;然而当用户发起Rx接口会话时,由于IMS系统中并不根据IMSI来标示用户,所以P-CSCF向DRA发送的会话消息中只能携带用户的IP地址信息,而不包含用户的IMSI信息,从而造成DRA无法根据设备上配置的对应关系将Rx接口会话消息路由到正确的PCRF,导致PCRF绑定失败。

如果不对现有DRA设备进行改造,又可以避免DRA数据同步问题,则应采取以下方案。如果在P-CSCF和PCRF之间的Rx接口中增加IMSI字段的话,那么Rx接口消息途径的DRA会将DRA上配置好的IMSI和PCRF的绑定信息寻址到正确的PCRF,而不存在 DRA 数据同步的问题。如图 3 所示,无论 GW 或PCRF通过2台DRA中的任意1台DRA进行PCRF寻址时,都可以通过任意1 台DRA 配置寻址到对应的PCRF,而不用去和区域中的另一台DRA进行用户数据的动态同步。

3.2 解决方案二:PCC专用DRA部署方案

当异厂家DRA设备同步问题无法通过DRA间的私有接口进行用户绑定信息的动态同步时,可考虑在网络架构中独立设置1对低级DRA(L-DRA)专门用于PCC信令的路由和管理:可在本地的1对DRA下面,再独立设置 1 对二级 DRA,这对二级 DRA 与本地的PCRF、P-CSCF、GW 设备进行对接,专门用于路由和转发PCC相关的会话信令。

如图 4 所示,在两级网络架构下,Diameter 网络分为多个区域:各区域的高级DRA(H-DRA)之间互相连接,区域内的 L-DRA 连接H-DRA,构成1张2层的Diameter信令网络;H-DRA负责LTE核心控制网元(MME)和归属用户服务器(HSS)之间的 S6a 接口会话信令,L-DRA 负责区域内的PCRF、AF、GW设备间的Gx和Rx接口会话信令。在网络中专门设置的这对低级DRA采用同厂家设备,避免异厂家设备组网带来的兼容性问题。

3.3 解决方案三:实时同步方案

通过对DRA间的Diameter信令流程进行研究,我们提出了DRA数据实时同步方案,通过DRA间的实时数据传输,实现DRA在一个IP-CAN会话建立、修改及删除过程中与域内另一台DRA之间的PCC会话信息的实时同步。

3.3.1 PCC会话建立过程中的DRA数据同步

同一个域内2台DRA(DRA1和DRA2)间的PCC会话建立的同步流程如图5所示。

当用户发起VoLTE呼叫时,首先由GW向PCRF1发起 Gx 接口会话,进行计费与策略控制,消息经过DRA1转发;DRA1判断没有记录这个用户的IP地址与PCRF 的对应关系,通过 DRA 间的 C 链路向另一台DRA2转发该请求消息;DRA2根据消息中携带的IMSI号段选择PCRF1,然后在PCRF1返回的会话响应消息中提取用户 IMSI、IP 地址与 PCRF1 的绑定信息并存储;DRA1收到DRA2转发的会话响应消息,从消息中提取IMSI、IP地址与PCRF1的绑定信息并存储;至此,2台DRA完成用户PCRF绑定信息的同步建立,PCRF绑定完成。

3.3.2 PCC会话修改过程中的DRA数据同步

同一个域内2台DRA(DRA1和DRA2)间的PCC会话修改的同步流程如图6所示。

当用户PCC会话信息发生变化(如用户IP地址改变)时,GW向PCRF1发起Gx接口的会话修改流程,消息经过DRA1转发;DRA1判断请求消息是PCC会话修改消息,决定向另一台 DRA2 进行转发;DRA1 通过DRA间的C链路DRA2转发该请求消息,消息中携带IMSI、用户IP地址;DRA2根据消息中携带的IMSI号段选择对应PCRF1;DRA2根据PCRF返回的响应消息,更新IMSI、用户IP地址与PCRF1的绑定信息并存储;DRA1则通过收到的DRA2转发的响应消息,更新IMSI、用户IP地址与PCRF1的绑定信息并存储;至此,2台DRA完成用户PCRF绑定信息的同步更新。






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发表于 2014-11-25 14:52:29 |显示全部楼层

RE: DRA在VoLTE中的会话绑定策略研究

3.3.3 PCC会话删除过程中的DRA数据同步

同一个域内2台DRA(DRA1和DRA2)间的PCC会话删除的同步流程如图7所示。

用户终止VoLTE呼叫,首先GW会向PCRF1发起PCC 会话终止请求,终止该 IP-CAN 会话,消息经过DRA1转发;DRA1判断请求消息是会话终止消息,通过C链路向另一台DRA2转发该请求消息;DRA2根据消息中携带的IMSI号段选择PCRF1,收到PCRF1返回的 answer 消息后,删除存储的 IMSI、用户 IP 地址与PCRF1的绑定信息;DRA1收到DRA2转发的会话响应消息,删除存储的IMSI、用户IP地址与PCRF1的绑定信息;至此,2台DRA 完成用户PCRF绑定信息的同步删除。

4 DRA在VoLTE中的会话绑定策略建议

4.1 解决方案比较

针对DRA在VoLTE中应用问题的3种解决方案,进行比较分析后,发现:

方案一通过在 Rx 接口扩展 IMSI 字段可以避免DRA数据同步问题,同时不需要对现有DRA设备进行改造。但由于需要对Rx接口进行扩展,涉及到对包括P-CSCF在内的IMS设备的大量改造,通过和厂家交流,了解到大部分厂家改造难度较大,产品改造周期较长,短时间内无法满足运营商DRA应用需求。

方案二则由于增加 L-DRA,使得 H-DRA 和 L-DRA各司其责,权责明确,互不影响;但同时也使得Diameter信令网网络结构更加复杂,不利于运营商的运行管理和维护;降低了一级DRA的使用效率,增加了二级DRA所需的额外投资。

方案三可以保证DRA在一个IP-CAN会话建立、会话修改及会话删除流程中实现与域内其他DRA之间的PCC会话信息的实时同步,能有效地解决异厂家DRA设备的会话同步问题。但需要对DRA设备进行改造,同时实时同步方案也会占用一定设备资源影响
设备性能。

表1示出的是3种解决方案的比较。

4.2 应用策略建议

通过对以上3种解决方案的比较,虽然方案三也对DRA设备提出了额外的要求,需要对现有DRA产品进行改造,但通过和设备厂家交流,改造难度并不大于方案一,产品生产周期相对较短。同时,虽然DRA实时同步方案占用了一定的设备资源,对DRA设备性能构成影响,但考虑到DRA的设备容量和处理能力,并不会对DRA设备造成很大影响,不影响DRA上正常业务的开展。

基于以上分析,可以给出DRA在VoLTE中的会话绑定策略,即建议各设备厂家对现有DRA设备进行改造升级,以支持方案三提出的DRA数据实时同步方案,来解决DRA在VoLTE中的会话绑定问题。

a)当用户发起VoLTE呼叫时,收到业务发起请求的其中一台DRA首先判断是否存有用户的PCRF会话绑定信息,如果没有,会转发该请求消息到同区域内另一台DRA,由另一台DRA完成PCRF寻址和PCRF绑定信息的记录后,通过该DRA返回的响应消息,提取用户的PCRF绑定信息并存储,从而完成2台DRA上的PCRF绑定信息的同步建立,PCRF绑定成功,VoLTE业务建立。

b)当用户发起VoLTE会话修改时,收到修改请求的其中一台DRA转发该请求消息到同区域内另一台DRA,由另一台DRA完成PCRF寻址和PCRF绑定信息的更新后,通过该DRA返回的响应消息,提取用户的 PCRF 绑定信息并存储,从而完成 2 台 DRA 上的PCRF绑定信息的同步更新,VoLTE会话修改成功。

c)当用户终止VoLTE业务时,收到业务终止请求的其中一台DRA转发该请求消息到同区域内另一台DRA,由另一台DRA完成PCRF寻址和PCRF绑定信息的删除后,通过该DRA返回的响应消息,删除DRA上保存的用户PCRF绑定信息,从而完成2台DRA上的用户PCRF绑定信息的同步删除,PCRF绑定关系解除,VoLTE业务终止。

5 结束语

未来,Diameter信令将会广泛应用于LTE和IMS架构中,逐渐成为核心网络的主导信令,而DRA作为Diameter信令的转接和汇聚节点,将会发挥越来越重要的作用。VoLTE作为LTE语音业务的目标解决方案,需要借助DRA来完成复杂网络环境下的PCRF会话绑定,从而实现VoLTE语音业务的QoS保证。这种PCRF 会话绑定关系经常会带来同区域部署的一对DRA之间的用户动态数据的同步问题。针对这个问题,本文提出了3种解决方案,并通过对这些方案的比较和分析,给出了最后的解决方案建议,并在此基础上,给出了DRA在VoLTE中的会话绑定策略建议。

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