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IMS网络P-CSCF容灾方案研究 [复制链接]

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发表于 2015-12-15 22:55:40 |显示全部楼层
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文:易大文(中国电子科技集团公司第七研究所),何春霞(中国联合网络通信有限公司广州市分公司)

摘要:P-CSCF作为IMS网络接入控制设备,其能否安全可靠运行将影响IMS业务的稳定性。通过分析目前P-CSCF容灾方案问题,提出了一种P-CSCF可靠容灾方案,实现了容灾业务的实时接管,提升了IMS网络部署的可靠性。

1  引言
运营商正在加紧部署IMS网络,它将成为未来核心网的新核心,其安全问题必将关系到整个网络、业务的安全。P-CSCF是用户接入IMS网络的初始入口点,将拜访地接入网络的SIP事务转接到其归属地的S-CSCF。为了防止SIP用户终端对IMS网络的核心设备进行攻击,将用户接入网络和核心网络进行隔离,以使核心设备安全可靠运行,所以需要引入边缘接入控制设备(BAC)。SIP用户被定义为非信任域终端,所以需要通过BAC设备接入IMS网络,从而确保IMS网络稳定地提供业务。
目前P-CSCF容灾方案存在业务恢复时间过长、容灾接管不可靠等方面的问题,影响了IMS网络规模部署。因此,为了提高SIP用户的业务稳定性,很有必要研究一种可靠的P-CSCF容灾方案。

2 P-CSCF容灾问题分析
目前P-CSCF采用1+1互助方案,即两台P-CSCF设备采用负荷分担方式,分别作为用户主归属和从归属的设备;当一个P-CSCF设备瘫痪时,该P-CSCF设备下的SIP用户切换到备用的P-CSCF,备用P-CSCF接管切换过来的SIP用户的业务。如图1所示,其中实线表示主归属,虚线表示从归属。当主用的P-CSCF1瘫痪后,要求UE1用户切换到备用的P-CSCF2。目前SIP用户一般通过BAC设备接入P-CSCF设备,P-CSCF设备容灾的方式包括冷备份和热备份。


2.1 不同步容灾方案
不同步方案是指两台P-CSCF之间不同步容灾用户的相关信息,在当前服务的P-CSCF瘫痪时,用户将向备用的P-CSCF设备重新发起注册,备用P-CSCF才能实现容灾用户业务的接管。此方案存在如下问题:
(1)未发起重注册用户的主叫业务无法接管
当用户注册的P-CSCF故障时,用户发起的呼叫送至备用P-CSCF设备,但由于此时备用P-CSCF没有用户当前服务的S-CSCF的地址,备用P-CSCF就无法完成主叫业务接管。需要等待用户重新注册后,备用P-CSCF才能完成容灾业务的接管,而较短的重注册周期将会严重影响IMS设备的性能,目前周期注册的时间配置推荐为30分钟。因此,在30分钟内用户未发起重注册时,备用户P-CSCF无法接管处理容灾用户的主叫业务。
(2)未发起重注册用户的被叫业务无法接管
当用户注册的P-CSCF故障时,在用户发起重注册之前,被叫S-CSCF将呼叫转发至备用P-CSCF,但备用P-CSCF没有当前被叫用户注册所在BAC地址,就无法完成容灾用户的被叫业务接管处理。因此,在30分钟内未发起重注册时,备用P-CSCF无法接管处理容灾用户的被叫业务。
2.2 实时同步容灾方案
实时同步方案是指主备P-CSCF设备之间进行容灾信息的同步,两台P-CSCF设备都存储用户所在的S-CSCF和BAC设备地址信息。当主用P-CSCF瘫痪时,备用P-CSCF设备根据存储容灾地址信息实时接管容灾用户的被叫业务。此方案虽然可以满足实时接管业务的需求,但存在如下问题:
(1)大量额外消耗设备资源
由于用户周期更新的注册频率很高,用户注册信息在两台P-CSCF之间进行动态同步将会大量消耗P-CSCF资源,影响P-CSCF设备的业务处理能力,大约降低有效用户容量的10%。
(2)降低容灾接管的有效性
主备P-CSCF之间实时同步大量的用户注册的地址信息,其所同步的数据难以确保有效性,而容灾数据的不可靠将可能导致备份P-CSCF无法接管容灾业务。固网软交换设备采用实时同步容灾方式,曾发生过多次容灾数据不一致而导致无法容灾接管的事故。
因此,从可靠容灾角度进行考虑,目前P-CSCF主要采用不同步容灾方案,要求用户重注册后才能恢复业务处理。
(3)可靠容灾方案实现思路
为了解决目前P-CSCF容灾方案存在的问题,确保SIP用户安全可靠接入,本文研究一种安全可靠的P-CSCF容灾方案,实现有效地实时接管容灾业务的能力。在SIP用户进行正常注册时,P-CSCF将接管容灾用户所需信息备份在S-CSCF设备上,并通过呼叫信令流程优化实现容灾接管。当用户注册的P-CSCF设备出现故障时,对于主叫业务,备用P-CSCF将呼叫通过I-CSCF设行转发,通过查询HSS获取呼叫用户当前服务的S-CSCF;而对于被叫业务,S-CSCF直接将用户所在的BAC地址送至备用P-CSCF,备用P-CSCF根据BAC的地址信息将呼叫送至用户注册的BAC,从而实时恢复被叫业务。


3  可靠容灾方案具体实现
3.1 容灾数据备份

P-CSCF容灾数据备份通过用户正常的注册流程实现,在用户成功注册时,S-CSCF将保存用户注册的BAC地址,为容灾业务接管做好准备,不再需要P-CSCF设备之间实时同步容灾数据,其备份流程如图2所示:


(1)BAC收到用户的注册消息Register;
(2)BAC根据用户当前注册主用的P-CSCF为P-CSCF2,将注册消息Register转发给P-CSCF2;
(3)P-CSCF2将注册消息Register转发给I-CSCF;
(4)I-CSCF启用UAR消息查询HSS,其中UserAuthorization-Type取值为REGISTRATION(0);
(5)HSS返回用户当前服务的S-CSCF给I-CSCF;
(6)I-CSCF将用户的注册消息发送到当前服务的S-CSCF,S-CSCF保存P-CSCF容灾所需要的信息,从Contact头域获取用户所在BAC的地址信息;
(7)S-CSCF向用户归属的HSS进行鉴权请求;
(8)HSS返回鉴权相关数据。
3.2 主叫业务实时接管
当已注册到故障的P-CSCF1的用户在周期注册更新之前发起呼叫,BAC设备检测到P-CSCF1故障,将收到的初始请求发给备用P-CSCF2,P-CSCF2无用户注册数据,则将呼叫转发到主叫用户归属网络,以完成后续业务处理,信令流程如图3所示:


(1)已注册在P-CSCF1的用户向BAC发起呼叫;
(2)BAC检测到主用P-CSCF1故障,将收到的初始请求发给备用P-CSCF2;
(3)P-CSCF2通过BAC向用户回送100 trying消息;
(4)P-CSCF2发现没有用户注册数据,根据主叫用户的域名查询DNS,将呼叫请求发往主叫用户归属的I-CSCF,在INVITE消息中提取PPI或者FROM域的主叫号码构造PAI,并在INVITE消息的route中增加标识主叫流程的orig;
(5)I-CSCF根据orig参数提取PAI消息头的主叫号码向HSS发送普通的LIR请求,以获取主叫用户当前服务的S-CSCF;
(6)HSS返回用户当前服务的S-CSCF给I-CSCF;
(7)I-CSCF使用HSS返回的主叫用户当前服务的S-CSCF路由,并将INVITE消息转发给主叫用户归属的S-CSCF;
(8)S-CSCF收到呼叫请求后,根据orig触发主叫侧业务。
3.3 被叫业务实时接管
被叫S-CSCF收到初始请求后,S-CSCF检测到被叫侧P-CSCF1故障失效,将呼叫分发到备用P-CSCF2设备上。容灾接管的被叫流程如图4所示:


(1)S-CSCF收到被叫呼叫请求,S-CSCF检测到优先级最高的P-CSCF1故障失效后,S-CSCF在优先级低的P-CSCF中选择一个,假设为P-CSCF2;
(2)S-CSCF根据之前保存的容灾信息,将被叫请求封装为BAC的IP地址,将呼叫消息发送给P-CSCF2,P-CSCF2放通呼叫,并根据被叫请求将呼叫路由到用户注册的BAC;
(3)用户注册所在的BAC根据用户实际注册地址将呼叫请求转发给用户。


4  可靠容灾方案的应用需求
P-CSCF可靠容灾方案基本不影响核心设备性能,相应软件改动较小,具有较强的可操作性,需对如下设备增加相应功能。

4.1 P-CSCF设备需求
(1)对于用户的重注册,接管的P-CSCF将相关消息转发到用户归属的I-CSCF;
(2)对于用户发起始呼,接管的P-CSCF通过提取PPI消息头在INVITE消息构造PAI消息头,并将相关消息转发到主叫用户归属的I-CSCF;
(3)对于用户的终呼,接管的P-CSCF将呼叫路由到被叫用户注册所在的BAC设备。
4.2 S-CSCF设备需求
(1)对于用户终呼,S-CSCF将Request URI封装为用户注册的BAC的IP地址,将呼叫消息发送给可用的P-CSCF;
(2)S-CSCF在用户重新注册成功后才更新用户所注册的P-CSCF;
(3)当S-CSCF保存的用户注册的P-CSCF与收到注册消息P-CSCF地址不同时,S-CSCF不中断用户当前的呼叫。
4.3 I-CSCF设备需求
(1)对于用户始发呼叫,I-CSCF根据orig参数提取PAI消息头的主叫号码向HSS发送普通的LIR请求,以获取主叫用户当前服务的S-CSCF;
(2)I-CSCF使用HSS返回的主叫用户当前服务的S-CSCF进行路由,并将相关消息转发给主叫用户归属的S-CSCF。
4.4 BAC设备需求
(1)BAC根据PPI消息头的用户身份进行检查,拦截未在BAC注册的用户发起的呼叫;
(2)BAC放通从非用户注册的备用的P-CSCF过来的呼叫,可通过信任列表进行配置放通P-CSCF。


5  结束语
P-CSCF可靠容灾方案将用户容灾信息备份在S-CSCF设备上,并优化容灾业务的呼叫信令流程,实现了实时接管容灾用户业务的功能,不再需要设备之间的容灾信息同步,减少了设备的额外开销并提升了设备的用户容量,较大地提高了容灾业务接管的安全性,确保IMS业务安全可靠运行。本方案即将在IMS网络上进行部署,其有效性有待现网应用进一步检验。

作者简介:易大文:助理工程师,学士,现任职于中国电子科技集团公司第七研究所,主要从事科研生产项目管理工作。

何春霞:工程师,学士,现任职于中国联合网络通信有限公司广州市分公司,主要研究方向为IMS网络、GSM、WCDMA网络的关键技术。


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