SCTP多路徑傳輸在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

高海燕，殷智剛，崔國(guó)英

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河南有限公司，鄭州 450008）

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，端局和關(guān)口局在進(jìn)行CS域的IP化改造，新入網(wǎng)R4架構(gòu)的軟交換設(shè)備有大量的高速信令需求，而現(xiàn)有信令網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能力有限，傳統(tǒng)的7號(hào)信令網(wǎng)帶寬滿足不了現(xiàn)有業(yè)務(wù)，分組化是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì), 7號(hào)信令網(wǎng)將采用IP承載，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的承載方式，也有利于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議種類(lèi)。

隨著全網(wǎng)IP化，作為支撐的信令網(wǎng)也應(yīng)逐步具備IP承載的能力，現(xiàn)有STP設(shè)備均具備TDM和IP的接口能力，為研究STP設(shè)備在移動(dòng)網(wǎng)中IP化的可行性及各廠家間協(xié)議的兼容性，筆者進(jìn)行了信令I(lǐng)P化的測(cè)試，本文主要是對(duì)SIGTRAN協(xié)議簇中SCTP的多路徑傳輸進(jìn)行研究，以期望了解IP化信令網(wǎng)中各設(shè)備廠家故障處理和設(shè)備容災(zāi)的情況。

1 SCTP在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中7號(hào)信令承載IP化使用SIGTRAN協(xié)議簇，SIGTRAN是實(shí)現(xiàn)用IP網(wǎng)絡(luò)傳送電路交換網(wǎng)信令消息的協(xié)議棧，它利用標(biāo)準(zhǔn)的IP傳送協(xié)議作為底層傳輸，通過(guò)增加自身功能來(lái)滿足信令傳送的要求，如圖1所示的協(xié)議棧。

圖1 SIGTRAN協(xié)議棧

流控制傳輸協(xié)議（SCTP，Stream Control Transmission Protocol）是提供基于不可靠傳輸業(yè)務(wù)協(xié)議（如IP）之上的可靠數(shù)據(jù)報(bào)傳輸協(xié)議。SCTP的設(shè)計(jì)用于通過(guò)IP網(wǎng)傳輸窄帶信令消息，包括適當(dāng)?shù)膿砣刂?、防止泛濫和偽裝攻擊、更優(yōu)的實(shí)時(shí)性能和多歸屬性支持，對(duì)TCP的缺陷進(jìn)行了一些完善，使得信令傳輸具有更高的可靠性。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信令承載IP化后，通過(guò)SCTP傳輸協(xié)議在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸上層信令消息，偶聯(lián)是兩個(gè)SCTP端點(diǎn)通過(guò)SCTP協(xié)議規(guī)定的4步握手機(jī)制建立起來(lái)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的邏輯聯(lián)系或者通道。SCTP偶聯(lián)建立的過(guò)程有4個(gè)消息交互：INIT，INIT ACK，COOKIE ECHO，COOKIE ACK，如圖2所示。

圖2 SCTP偶聯(lián)建立

2 SCTP多路徑分析

SCTP協(xié)議規(guī)定在任何時(shí)刻兩個(gè)端點(diǎn)之間僅能建立一個(gè)偶聯(lián)，偶聯(lián)由兩個(gè)端點(diǎn)的傳送地址來(lái)定義，通過(guò)數(shù)據(jù)配置本地IP地址、本地SCTP端口號(hào)、對(duì)端IP地址、對(duì)端SCTP端口號(hào)4個(gè)參數(shù)，可以唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)SCTP偶聯(lián)。

一個(gè)SCTP偶聯(lián)的兩個(gè)SCTP端點(diǎn)均可以配置多個(gè)IP地址，一個(gè)偶聯(lián)的兩個(gè)端點(diǎn)之間相應(yīng)具有多條路徑，這就是SCTP偶聯(lián)的多地址性。路徑管理即通路管理是指通過(guò)心跳，累計(jì)重傳次數(shù)，SCTP對(duì)目的地址，端點(diǎn)的可達(dá)性進(jìn)行管理，在SCTP規(guī)范中描述為，發(fā)送方的SCTP用戶能夠使用一組傳送地址作為SCTP分組的目的地，SCTP路徑管理功能可以根據(jù)SCTP用戶的指令和當(dāng)前合格的目的地集合的可達(dá)性狀態(tài)，為每個(gè)發(fā)送的SCTP分組選擇一個(gè)目的地傳送地址。當(dāng)其它分組業(yè)務(wù)不能完全表明可達(dá)性時(shí)，路徑管理功能可以通過(guò)心跳消息來(lái)監(jiān)視到某個(gè)目的地地址的可達(dá)性，當(dāng)任何遠(yuǎn)端傳送地址的可達(dá)性發(fā)生變化時(shí)向SCTP用戶提供指示。路徑管理功能也用來(lái)在偶聯(lián)建立時(shí)向遠(yuǎn)端報(bào)告合格的本地傳送地址集合，并把從遠(yuǎn)端返回的傳送地址報(bào)告給本地的SCTP用戶。在偶聯(lián)建立后，需要為每個(gè)SCTP端點(diǎn)都定義一個(gè)首選路徑，用來(lái)在正常情況下發(fā)送SCTP分組。SCTP規(guī)范中沒(méi)有明確多路徑的切換條件及切換順序，也沒(méi)有對(duì)首選路徑做詳細(xì)的規(guī)定。

目前移動(dòng)網(wǎng)中，偶聯(lián)的SCTP端點(diǎn)的地址列表包含兩個(gè)IP地址，一個(gè)偶聯(lián)可以包括多條路徑，但只有一個(gè)首選路徑。如圖3所示，MGC端點(diǎn)包括兩個(gè)傳送地 址（10.11.23.14：2905和 10.11.23.15：2905），SG端點(diǎn)也包括兩個(gè)傳送地址（10.11.23.16：2904和10.11.23.17：2904）。

圖3 偶聯(lián)建立后的路徑

兩個(gè)端點(diǎn)決定了一個(gè)偶聯(lián)，該偶聯(lián)包括4條路徑，某條路徑空閑時(shí)，本端SCTP生成相應(yīng)的心跳消息并通過(guò)該路徑發(fā)送到對(duì)端端點(diǎn)，對(duì)端端點(diǎn)必須立即發(fā)回對(duì)應(yīng)的心跳確認(rèn)消息。這種機(jī)制可以用來(lái)精確測(cè)量回路時(shí)延，隨時(shí)監(jiān)視偶聯(lián)的可用情況和保持SCTP偶聯(lián)的激活狀態(tài)。對(duì)于SCTP的多路徑傳輸，各個(gè)設(shè)備供應(yīng)商有不同的實(shí)現(xiàn)，有的切換順序是圖3中的Path0-Path1-Path2-Path3四個(gè)路徑，有的切換順序是圖3中的Path0-Path3兩個(gè)路徑，不同的切換順序設(shè)備對(duì)接時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的安全和容災(zāi)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，甚至影響上層業(yè)務(wù)。

3 多路徑應(yīng)用研究

3.1 異廠家設(shè)備間多路徑應(yīng)用測(cè)試

為了對(duì)多路徑的切換進(jìn)行全面了解，我們組織多廠家設(shè)備間的互通測(cè)試，測(cè)試中涉及的網(wǎng)元有IP短信中心、IP的SGSN業(yè)務(wù)、IP的MSC Server、LSTP，涉及國(guó)內(nèi)、國(guó)外5個(gè)設(shè)備廠商。多路徑支持情況測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，各廠家SCTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)對(duì)于多路徑解析是不相同的，有的是按Path0-Path1-Path2-Path3四路徑進(jìn)行順序切換，有的是按照Path0-Path3兩路徑進(jìn)行簡(jiǎn)單切換，而H設(shè)備商的STP設(shè)備可以根據(jù)數(shù)據(jù)配置設(shè)置成兩路徑或四路徑,理論上數(shù)據(jù)配置更加靈活。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，偶聯(lián)兩端路徑的切換順序盡量一致，多路徑的正確匹配有利于提高信令的重傳效率，降低切換時(shí)延，減少隱性故障的發(fā)生。

表1 設(shè)備間多路徑測(cè)試

3.2 異常情況分析

圖4是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元以IP接入的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，IP節(jié)點(diǎn)在物理上以雙平面方式接入CE，CE設(shè)備通過(guò)AR設(shè)備接入IP承載網(wǎng)互通。

圖4 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中IP互通節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

對(duì)于IP節(jié)點(diǎn)SP1和SP2的偶聯(lián)均采用四路徑的方式，理論上相對(duì)安全可靠，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行4個(gè)路徑的切換，只要雙方各有一個(gè)信令處理模塊正常和網(wǎng)絡(luò)可達(dá)的情況下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就是可達(dá)的，在應(yīng)用中重點(diǎn)考慮信令時(shí)延和切換時(shí)延對(duì)信令的影響。

對(duì)于IP節(jié)點(diǎn)SP1和SP2的偶聯(lián)均采用兩路徑的方式，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中有兩個(gè)路徑，首選路徑是本條信令鏈路本端主用IP1到對(duì)端主用IP3，備用路徑是本端備用IP2到對(duì)端備用IP4，如圖5所示。

圖5 SCTP偶聯(lián)兩路徑配置

在兩路徑的配置中，配置比較清晰，SCTP偶聯(lián)的切換相對(duì)簡(jiǎn)單，協(xié)議實(shí)現(xiàn)上也容易些，但這種組網(wǎng)有一個(gè)隱患，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中IP承載接入有相對(duì)清晰的主備平面，如果交叉CE（如圖中的CE1和CE4）同時(shí)故障的情況下會(huì)導(dǎo)致SP1和SP2兩節(jié)點(diǎn)不可達(dá)，這是因?yàn)镃E1和CE4同時(shí)故障時(shí)，IP1-IP3和IP2-IP4兩個(gè)路徑同時(shí)故障，SP1和SP2間沒(méi)有可用路徑，信令消息無(wú)法傳輸。在應(yīng)用測(cè)試時(shí)，將CE1和CE4同時(shí)設(shè)置為故障態(tài)，SP1和SP2網(wǎng)元都出現(xiàn)信令點(diǎn)不可達(dá)的告警，信令消息無(wú)法傳輸，上層業(yè)務(wù)中斷，證明隱患確實(shí)存在。

對(duì)于IP節(jié)點(diǎn)SP1和SP2的偶聯(lián)一個(gè)采用兩路徑一個(gè)采用四路徑的方式，四路徑的一端會(huì)有兩個(gè)交叉路徑故障的告警，主備用路徑能正常啟用，隱患同兩路徑的配置方式時(shí)一樣，在交叉CE同時(shí)故障時(shí)兩端業(yè)務(wù)會(huì)中斷。

另外，在應(yīng)用測(cè)試中發(fā)現(xiàn)數(shù)通專(zhuān)業(yè)和交換專(zhuān)業(yè)對(duì)IP承載的信令都可能有自己的保護(hù)機(jī)制，如IP內(nèi)部綁定機(jī)制、啟用VRRP協(xié)議等，各專(zhuān)業(yè)過(guò)度的保護(hù)不但增加信令傳輸?shù)臅r(shí)延且配合不當(dāng)時(shí)會(huì)引起消息的重傳、路徑頻繁的異常切換等現(xiàn)象。

4 小結(jié)及建議

經(jīng)過(guò)對(duì)不同廠家設(shè)備的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有設(shè)備中SCTP的多路徑傳輸各個(gè)廠家的解決方案不盡相同，數(shù)通專(zhuān)業(yè)和交換專(zhuān)業(yè)各自的網(wǎng)絡(luò)冗余保護(hù)機(jī)制也會(huì)存在一定的沖突，如何解決多廠家間SCTP的多路徑配合，是信令I(lǐng)P化中必須解決的問(wèn)題。

總結(jié)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備情況，希望在集團(tuán)內(nèi)對(duì)各個(gè)廠家的SCTP多路徑進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)不同設(shè)備間的信令配合問(wèn)題。筆者建議如下。

（1）建議SP與CE間的路由簡(jiǎn)單化。綜合優(yōu)化數(shù)通專(zhuān)業(yè)和交換專(zhuān)業(yè)的冗余保護(hù)機(jī)制，發(fā)布統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路由設(shè)置盡量簡(jiǎn)單，避免跨接各種交換機(jī)，數(shù)據(jù)傳送的可靠性可由SCTP協(xié)議本身及上層用戶來(lái)保證。

（2）建議集團(tuán)公司或研究院根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況對(duì)SCTP協(xié)議多路徑傳輸進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明，明確四路徑設(shè)置，明確首選路徑和路徑切換的順序與原則。根據(jù)移動(dòng)網(wǎng)內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各廠家的SCTP協(xié)議支持情況，建議優(yōu)先選擇SCTP四路徑設(shè)置，設(shè)備集采時(shí)要求設(shè)備廠家SCTP模塊支持四路徑。

（3）優(yōu)化目前僅支持兩路徑的設(shè)備設(shè)置，數(shù)據(jù)規(guī)劃時(shí)避免交叉CE或交叉端口故障引起的信令阻斷問(wèn)題，同時(shí)明確首選路徑和切換路徑。對(duì)于僅支持兩路徑設(shè)置的設(shè)備，建議數(shù)據(jù)規(guī)劃時(shí)兩個(gè)IP節(jié)點(diǎn)間建立多個(gè)偶聯(lián)，將偶聯(lián)首選路徑的IP地址分別布在不同的信令處理板和兩個(gè)CE平面上，利用上層的數(shù)據(jù)配置避免網(wǎng)絡(luò)隱患，彌補(bǔ)兩路徑的不足。

（4）推進(jìn)各廠家設(shè)備的版本升級(jí)，推行二、四路徑可選設(shè)置，靈活配置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。