基于TAP技術的信令采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王 琴

（無錫機電高等職業(yè)技術學校，江蘇無錫214028）

基于TAP技術的信令采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王 琴

（無錫機電高等職業(yè)技術學校，江蘇無錫214028）

通過分析信令采集網絡的整體架構與相關信令協(xié)議，比較高阻跨接和端口鏡像兩種信令采集方式的技術特點，提出基于TAP技術的軟交換信令采集方案，設計該信令采集系統(tǒng)的整體架構，研究軟交換信令采集系統(tǒng)的實際組網方案和系統(tǒng)功能。

軟交換；信令采集；TAP；端口鏡像；高阻跨接

近年來移動通信行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，截止2016年5月，中國3大運營商移動用戶數(shù)已經超過13億，其中4G用戶超過5億。一方面用戶數(shù)量、話務量的迅猛增加，給通信網絡帶來了日益增長的壓力，網絡服務質量的提升成為市場競爭取勝的保障。另外一方面部分通信網騷擾電話、詐騙電話的出現(xiàn)，給運營商的信譽帶來不良影響。如何有效地管理通信網絡，及時發(fā)現(xiàn)網絡運行中的各種問題，成為擺在網絡管理者面前的難題，因而作為電信網支撐網的信令網建設顯得越來越重要。隨著通信業(yè)務的不斷發(fā)展，通信網絡承載的業(yè)務類型從原有的語音、短信等單一業(yè)務，發(fā)展為移動上網、彩信、智能網等多種業(yè)務，并且由于移動數(shù)據(jù)業(yè)務種類的不斷興起，基于數(shù)據(jù)業(yè)務的微信、即時通信、VOIP業(yè)務在根本上改變了通信網絡的面貌，新的通信協(xié)議，新的業(yè)務操作模式不斷出現(xiàn)，原有的七號信令網變得越來越弱；隨著通信網絡的傳輸介質從傳統(tǒng)的2M電路、SDH 155M光口向FE、GE的IP電路過渡，迫切需要建立基于IP方式的信令網監(jiān)測手段，并且能夠實現(xiàn)集中管理、實時監(jiān)測。

1 信令采集網絡整體架構

整個信令采集網絡分為3個層：采集層、共享層、應用層。如圖1所示。

1.1 信令采集層

采集層主要由兩部分組成：采集接入設備、信令采集網關。七號信令采集接入設備的主要任務是：采集通信網中各類接口的原始信令消息。對應的接口類型有Mc口、A口、LSTP、HSTP、HLR、關口局等，物理鏈路類型包括2M數(shù)字電路、SDH 155M光口、ATM鏈路、5類線等。

信令采集網關負責將從現(xiàn)網中采集的原始信令數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式轉換，然后按照統(tǒng)一格式完成封裝，最后傳輸?shù)絽R聚設備。出于對數(shù)據(jù)傳輸安全性的考慮，采集網關還需要具備一定的數(shù)據(jù)存儲功能，以便進行數(shù)據(jù)傳輸有效性的校驗及相應的數(shù)據(jù)傳輸告警，必要時還可以進行數(shù)據(jù)重傳。

圖1 信令采集網絡整體架構圖

1.2 信令共享層

信令共享平臺是信令采集系統(tǒng)中的第二層,包括信令協(xié)議處理模塊和接入管理模塊。信令共享層的主要功能是：接收從前端匯聚設備發(fā)送來的全量信令數(shù)據(jù)，再進行協(xié)議的解析、關聯(lián)事件的合成，并存儲全量信令數(shù)據(jù)、業(yè)務信令數(shù)據(jù)以及CDR/TDR信令數(shù)據(jù)。此外，共享平臺還需要通過統(tǒng)一的接口向應用層提供指標統(tǒng)計、CDR/TDR數(shù)據(jù)、以及對應的原始信令數(shù)據(jù)。

1.3 信令應用層

信令應用平臺是信令采集系統(tǒng)的第三層。它從信令共享層獲取經過協(xié)議解析、關聯(lián)事件合成的CDR、TDR等原始信令數(shù)據(jù)，根據(jù)實際工作中的不同需要，生成相應的統(tǒng)計表格，完成應用分析后提交給網絡維護及優(yōu)化人員。維護人員根據(jù)信令分析數(shù)據(jù)就可以完成網絡實時監(jiān)控、網絡性能評估、呼叫過程回溯、網優(yōu)專題分析等。

2 常用信令接口分析

2.1 Mc口

軟交換技術引入以后，原有核心網的中央控制器MSC交換機被分割成兩個獨立的部分，負責信令處理的MSC Server及負責物理媒介處理的MGW(媒體網關)，新增的Mc接口就是用來連接MSC Server與 MGW之間的接口，該接口可以基于IP或ATM承載，主要采用H.248協(xié)議。通過Mc接口，MSC Server可以對MGW的承載連接行為進行控制和監(jiān)視。

2.2 Gn接口

隨著3G數(shù)據(jù)業(yè)務的興起，分組核心網新增了兩個網絡節(jié)點。其中一個是負責與多種不同的數(shù)據(jù)網絡相連的GGSN(網關GPRS支持節(jié)點)，另一個是負責分組數(shù)據(jù)包的路由轉發(fā)、移動性管理、會話管理的SGSN(服務GPRS支持節(jié)點)。而Gn接口就是這兩者之間的信令接口。Gn接口采用的是TCP/IP協(xié)議，支持用戶數(shù)據(jù)和有關信令的傳輸、以及移動性管理（MM）。Gn接口還提供數(shù)據(jù)和信令接口，通過Gn接口可以采集所有PS域的信令消息。

2.3 S1接口

S1接口是4G時代新增的接口，它是LTE eNodeB（基站）與EPC（分組核心網）之間的通訊接口。LTE系統(tǒng)網絡架構更加扁平化，只包含無線接入網和核心網兩個部分，S1接口是這兩者之間非常重要的接口。S1接口可以分為：與MME設備相連的S1-MME，以及與PGW設備相連的S1-UP。S1-MME主要用于傳送信令面數(shù)據(jù)，即會話管理（SM）和移動性管理（MM）的信息；而S1-UP則負責在PGW與eNodeB設備間建立隧道，以傳送用戶面數(shù)據(jù)。

3 通信網主流信令采集方式

當前通信網的信令采集主要采用高阻跨接采集和鏡像口采集兩種方式。

3.1 高阻跨接采集方式

在高阻跨接采集方式中，所有具有信令鏈路的物理電路均需要安裝信令采集設備。對于2M數(shù)字電纜，一般采用高阻跨接方式，通過在2M電路上安裝高阻隔離器提取信令信號，并在采集電路的后向增加DXC收斂設備，以便將同一機房的信令鏈路匯總到若干個2M電路上，進行信號放大后傳至信令前端采集機。對于155M SDH電路，由于無法安裝高阻跨接設備，則需要中斷通信，串聯(lián)安裝分光器，通過提取部分光信號來完成信令采集。

高阻跨接方式的弊端很明顯：一方面工程量巨大，每條信令電路均需要安裝采集設備，后期網絡改造也需要同步增加信令采集設備；另外一方面由于串聯(lián)需要中斷通信，分光器會損失一部分光信號，這對于通信業(yè)務的正常開展具有一定的影響，而且分光設備也增加了故障點，帶來一定的安全隱患。

3.2 端口鏡像采集方式

核心網信令IP化后，信令采集方式也隨之改變,軟交換局（MSS）與媒體網關（MGW）的信令接口Mc口可以完全替代原有的7號信令。Mc口信令基于TCP/IP協(xié)議，只需要通過在匯聚交換機上采集相應的IP端口數(shù)據(jù)就可以獲取Mc口信令消息。由于交換機采用交換技術，交換機的每個端口獨享所有的帶寬，因此交換機各端口上的設備只能收到本MAC地址的數(shù)據(jù)包，如果需要獲得多個端口的數(shù)據(jù)必須采用數(shù)據(jù)鏡像的方式。其具體做法是：每臺交換機定義一個鏡像口，將同一臺交換機上的其他信令端口數(shù)據(jù)原封不動地復制一份到鏡像口，通過采集鏡像口的數(shù)據(jù)實現(xiàn)所有信令端口的數(shù)據(jù)采集。與之前的串聯(lián)方式相比，這種信令采集的優(yōu)點非常明顯，一方面不需要中斷通信，對實際的通信業(yè)務沒有影響，另外一方面后期信令端口的增加只需要調整鏡像口的數(shù)據(jù)配置，無需變更硬件跳線。但是隨著信令消息的迅猛增加，鏡像口的采集也顯現(xiàn)出它的弱點：首先鏡像口數(shù)據(jù)復制會增加交換機的CPU和內存的利用率，從而降低交換機的實際處理性能；另外一方面鏡像端口一般為100M端口，復制的信令數(shù)據(jù)過多會出現(xiàn)一定程度的數(shù)據(jù)丟失，影響采集效果；最后由于信令數(shù)據(jù)非常重要，需要使用的部門比較多，如果有第二、第三個部門需要同樣采集信令數(shù)據(jù)，由于受限于鏡像口的數(shù)量，則無法滿足信息采集的要求。

4 基于TAP技術的信令采集系統(tǒng)架構

4.1 基于TAP技術的信令采集方案

為了解決信令采集端口數(shù)量不夠，交換機利用率過高的問題，新的信令采集方式應運而生——分路器（TAP）方式。分路器的出現(xiàn)給信令監(jiān)測分析提供了一種全新的視野，很快得到了廣泛的采用，成為當前最成熟的一種獲取網絡數(shù)據(jù)的方法。使用TAP設備時，需要將其預先串聯(lián)到被監(jiān)測的鏈路中，TAP設備會將監(jiān)測數(shù)據(jù)復制到一個或多個端口上供不同的部門進行分析，而且即使斷電也不會影響現(xiàn)有網絡的運行。交換機與TAP之間即插即用，不需要進行復制數(shù)據(jù)的配置。TAP設備還能夠提供多種多樣的網絡連接方式，以適應不同的網絡應用需求。

4.2 TAP組網方式

1）在線TAP：即將TAP設備安裝在兩臺網絡交換設備之間的網線上，用于即時分析網絡流量。此方案優(yōu)點是簡單易行，不占用任何網絡資源，但缺點是在同一時間只能監(jiān)測單向（上行或下行）的數(shù)據(jù)流量，并且需要暫時中斷網絡連接。

2）匯聚TAP：安裝方法與在線TAP基本相同，但是匯聚TAP可以將多條鏈路的全雙工數(shù)據(jù)合并到單一數(shù)據(jù)流中進行分析，解決了在線TAP只能分析單向數(shù)據(jù)的缺點。

3）過濾匯聚TAP：過濾匯聚式TAP可以說是智能化TAP設備，通過基于硬件的過濾只轉發(fā)實際需要的數(shù)據(jù)，從根本上解決了多條數(shù)據(jù)鏈路匯聚導致的數(shù)據(jù)超載的可能性。通過自定義過濾條件，獲取數(shù)據(jù)。

5 基于TAP技術的現(xiàn)網前端組網方案

5.1 信令采集前端方案

圖2 信令采集組網結構圖

如圖2所示，根據(jù)移動通信網元的物理位置，一共設置三個遠端站和一個中心站（前臺采集系統(tǒng)），在三個遠端站點均部署TAP設備和相應的采集設備，分別設在G1機房、G2機房和G3機房，完成移動網軟交換設備的接入和采集。最重要的中心站則主要部署服務器和數(shù)據(jù)存儲設備，一方面處理三個遠端站點送上來的實時信令數(shù)據(jù)，另外一方面完成采集數(shù)據(jù)的合成及數(shù)據(jù)存儲。中心站與三個遠端站點之間的數(shù)據(jù)通信通過傳輸?shù)腎PRAN實現(xiàn)高速傳輸，傳送速率可以達到100Mbps至1000Mbps。

三個遠端站點的數(shù)據(jù)采集則采用鏡像口與TAP設備相結合的采集方式。對于數(shù)據(jù)流量相對較小的語音Mc接口的信令消息，采用端口鏡像技術將若干個Mc口信令消息整合到一個1000M端口，再送到TAP設備上；對于信令消息龐大且增長迅速的Gn接口、S1接口等分組域信令消息，直接連接到TAP設備，從而確保交換機性能不過載及信令數(shù)據(jù)不丟失。維護終端與中心站之間的數(shù)據(jù)交互則通過局域網方式完成數(shù)據(jù)訪問。

為保證信令采集系統(tǒng)的安全可靠，中心服務站點采用雙平面的冗余備份機制，而服務器、數(shù)據(jù)存儲設備則采用RAID的M+N的冗余備份機制。

5.2 信令采集前端的主要功能

1）完成“Mc、Gn、IUPS”接口數(shù)據(jù)的信令解碼，以及信令消息時間戳的整合；

2）完成語音、分組域信令消息的MTP層、ISUP協(xié)議、TUP協(xié)議、MAP協(xié)議、H248協(xié)議的消息關聯(lián)；

3）根據(jù)維護人員關心的信息，如電話號碼、IMSI號碼、位置信息、切換、通話、掉話等，生成相應的呼叫記錄；

4）提供基于用戶號碼、IMSI、位置信息的實時查詢及業(yè)務回放分析。

6 結論與展望

信令采集監(jiān)測系統(tǒng)為運營商快速定位故障、迅速分析網絡質量，提供網絡優(yōu)化數(shù)據(jù)，準確分析海量用戶行為等發(fā)揮了重要作用，在業(yè)界受到越來越廣泛的關注。本文在比較分析高阻跨接和端口鏡像信令采集方式技術特點的基礎上，將TAP技術引入信令采集系統(tǒng)，對基于TAP技術的軟交換信令采集系統(tǒng)的總體功能、網絡架構及軟交換信令采集方式進行了全面的分析與研究。隨著軟交換網絡信令采集監(jiān)測系統(tǒng)的建設及不斷完善，相信以信令監(jiān)測為手段的面向業(yè)務及應用的支撐系統(tǒng)會在未來有著更廣闊的發(fā)展空間。

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Design and implementation of signaling capture system based on TAP technology

WANGQin
（Wuxi Machineryand Electron Higher Professional and Technical School,Wuxi,Jiangsu,China 214028）

This article analyzes the framework of signaling capture system and corresponding signaling protocol,compares two solutions to capture signaling:high resistance jumper and port mirroring.It introduces solution to capture softswitch signaling based on TAP technology,design the framework of signaling capture system and research the solution and function of softswtich signaling capture system.

softswitch;signalingcapture;TAP;port mirroring;high resistance jumper

10.3969/j.issn.2095-7661.2016.04.008】

TN929.5；TP274

A

2095-7661（2016）04-0026-03

2016-08-15

王琴(1975-)，女，江蘇無錫人，無錫機電高等職業(yè)技術學校講師，工程碩士，研究方向：電子與通信。