基于IMS的長江航運(yùn)電話自動(dòng)交換網(wǎng)改造應(yīng)用實(shí)踐

邢宇鵬

摘 要：為解決長江航運(yùn)電話自動(dòng)交換網(wǎng)故障頻發(fā)、技術(shù)制約、拓展性不強(qiáng)等問題，適應(yīng)未來長江水上交通安全信息業(yè)務(wù)發(fā)展需求，采用IMS技術(shù)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造。結(jié)合長江沿線航運(yùn)管理部門分布特點(diǎn)，提出了“三級(jí)部署、兩級(jí)管理”的IMS網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃，并對(duì)IMS組網(wǎng)架構(gòu)、核心網(wǎng)元設(shè)置、VPN設(shè)置、雙歸屬容災(zāi)等關(guān)鍵技術(shù)給出了實(shí)現(xiàn)方案，支撐長江航運(yùn)電話自動(dòng)交換網(wǎng)向下一代網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)。

關(guān)鍵詞：長江航運(yùn);IMS;組網(wǎng)技術(shù);雙歸屬

中圖分類號(hào)：TN915.85? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）10-0063-03

長江航運(yùn)電話自動(dòng)交換網(wǎng)采用電路交換技術(shù)，業(yè)務(wù)方面主要承載了長航系統(tǒng)內(nèi)部通話、專網(wǎng)長途電話、長江沿線VHF聯(lián)播、長航公安110聯(lián)動(dòng)通信以及海事12395水上遇險(xiǎn)報(bào)警等業(yè)務(wù);地理范圍覆蓋長江沿線從瀘州至上海整個(gè)區(qū)域，所涉及的站點(diǎn)機(jī)構(gòu)為長江沿線36個(gè)通信信息中心及32個(gè)遠(yuǎn)端用戶站點(diǎn)。

目前該網(wǎng)絡(luò)已投入運(yùn)行近20年，部分程控交換設(shè)備超期運(yùn)行，故障頻發(fā)，嚴(yán)重威脅水上交通安全通信保障;程控交換網(wǎng)絡(luò)也難以承載視頻通話、統(tǒng)一通信等多媒體增強(qiáng)業(yè)務(wù)，無法與長航其它網(wǎng)絡(luò)及信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展，極大地降低了協(xié)同辦公效率，尤其制約了移動(dòng)執(zhí)法、協(xié)同監(jiān)管、應(yīng)急指揮等工作的聯(lián)動(dòng)開展。為解決上述問題，采用IMS技術(shù)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造，推動(dòng)長航電話自動(dòng)交換網(wǎng)的技術(shù)演進(jìn)與服務(wù)升級(jí)。

1 IMS系統(tǒng)概述

IMS（IP Multimedia System，IP多媒體子系統(tǒng)）最初由3GPP在R5版本中提出，3GPP所定義的IMS是由提供IP多媒體業(yè)務(wù)（如話音、視頻、文本、聊天等）的所有構(gòu)架在分組傳送網(wǎng)上的核心網(wǎng)元構(gòu)成[1]。IMS體系架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)的思想，將業(yè)務(wù)應(yīng)用、呼叫控制、傳輸承載進(jìn)行分離，主要優(yōu)勢在于：引入應(yīng)用、控制與傳輸分開的分層架構(gòu);與接入無關(guān)，便于固網(wǎng)與移動(dòng)網(wǎng)的融合;提供標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)開放接口，業(yè)務(wù)部署方便;數(shù)據(jù)庫集中管理;支持完善的QOS控制機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制;可逐步部署，原有網(wǎng)絡(luò)中的接入資源、應(yīng)用和用戶可以繼續(xù)利用。

2 長航電話自動(dòng)交換網(wǎng)概況

2.1現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

長航電話自動(dòng)交換網(wǎng)目前共有37座程控交換機(jī)，均與當(dāng)?shù)毓镁W(wǎng)（PSTN）交換機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)。全網(wǎng)采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，武漢為一級(jí)通信樞紐，重慶、宜昌、蕪湖、南京、上海為二級(jí)通信樞紐，萬州和九江為輔助二級(jí)通信樞紐，其他為三級(jí)通信樞紐。

2.2業(yè)務(wù)承載分析

長航電話自動(dòng)交換網(wǎng)采用電路交換模式，僅能夠提供基本的語音傳輸服務(wù)，不具備IP多媒體資源共享能力。隨著“數(shù)字長江”“數(shù)字通航”等在長航系統(tǒng)陸續(xù)應(yīng)用，各中心及站點(diǎn)日常業(yè)務(wù)工作對(duì)多媒體信息的需求日益明顯。升級(jí)改造后的電話交換網(wǎng)除需具備語音通信的基本功能外，還需支持音視頻、數(shù)據(jù)等多媒體寬帶業(yè)務(wù)通信，具備與無線寬帶網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)對(duì)接融合的能力，見表1。

3 IMS網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃

長江沿線水上管理機(jī)構(gòu)眾多，具有“點(diǎn)多、線長”的分布特點(diǎn)。在現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)布局基礎(chǔ)上，綜合考慮行政區(qū)劃設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)可靠性、管理便捷性、投入成本等因素，采用“三級(jí)部署、兩級(jí)管理”的站點(diǎn)布局，即“核心層控制中心—接入層節(jié)點(diǎn)—遠(yuǎn)端用戶節(jié)點(diǎn)”的三級(jí)部署架構(gòu)和“核心層控制中心—接入層節(jié)點(diǎn)”的兩級(jí)扁平化管理架構(gòu)。

設(shè)置重慶、宜昌、武漢、南京等4個(gè)IMS控制中心;在長江海事局信息中心部署遠(yuǎn)程網(wǎng)管和計(jì)費(fèi)終端，作為整個(gè)長航電話自動(dòng)交換網(wǎng)的監(jiān)控中心;將36個(gè)通信信息中心改造為IMS接入節(jié)點(diǎn);對(duì)現(xiàn)網(wǎng)32個(gè)用戶遠(yuǎn)端進(jìn)行改造，作為遠(yuǎn)端用戶節(jié)點(diǎn)下掛到上級(jí)接入站點(diǎn);網(wǎng)絡(luò)的管理和計(jì)費(fèi)采用各中心集中部署、各站點(diǎn)本地管理的模式。

4 IMS網(wǎng)絡(luò)改造關(guān)鍵技術(shù)方案

4.1 IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

IMS交換網(wǎng)應(yīng)具備容災(zāi)和扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?，F(xiàn)有長航數(shù)據(jù)通信網(wǎng)為多環(huán)+星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括5個(gè)匯聚層節(jié)點(diǎn)及43個(gè)接入層節(jié)點(diǎn)，并在重慶至武漢間租用電信運(yùn)營商155Mbps數(shù)字電路進(jìn)行備份，完整覆蓋了重慶至武漢沿江各節(jié)點(diǎn)，能夠滿足IMS交換網(wǎng)架構(gòu)要求。

4.1.1承載網(wǎng)架構(gòu)

IMS承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。承載網(wǎng)所有PE設(shè)備具備均支持ISIS和MPLS VPN部署能力，其中，PE設(shè)備部署ISIS路由協(xié)議，采用MPLS VPN區(qū)分IMS業(yè)務(wù)。

圖2中每套IMS系統(tǒng)配置兩臺(tái)組網(wǎng)交換機(jī)用于IMS系統(tǒng)內(nèi)部組網(wǎng)，一臺(tái)組網(wǎng)交換機(jī)匯聚所有IMS設(shè)備的主用端口，另一臺(tái)組網(wǎng)交換機(jī)匯聚所有IMS設(shè)備的備用端口。IMS設(shè)備經(jīng)過IMS組網(wǎng)交換機(jī)匯聚后，分別上行至本節(jié)點(diǎn)的兩臺(tái)IMS CE設(shè)備。IMS CE設(shè)備保護(hù)采用增強(qiáng)型VRRP技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速切換。當(dāng)鏈路正常時(shí)，流量直接由CE1至PE1，當(dāng)CE1至PE1的鏈路斷開，數(shù)據(jù)路由變?yōu)镃E1-CE2-PE2-PE1，實(shí)現(xiàn)對(duì)CE-PE之間的鏈路保護(hù)。同時(shí)，考慮到CE互聯(lián)鏈路承載多種重要數(shù)據(jù)，如CE、SBC、核心網(wǎng)元等設(shè)備的心跳報(bào)文傳輸，匯聚層節(jié)點(diǎn)1機(jī)房的IMS CE與匯聚層節(jié)點(diǎn)2機(jī)房的IMS CE設(shè)備互聯(lián)鏈路采用兩條不同路由的物理鏈路進(jìn)行捆綁保護(hù)。

4.1.2匯聚與接入

匯聚層包括武漢、南京、重慶、宜昌、萬州等5個(gè)節(jié)點(diǎn)，本次IMS網(wǎng)絡(luò)部署在武漢、南京、重慶、宜昌等4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均部署有2臺(tái)互備的PE設(shè)備。其中，武漢節(jié)點(diǎn)和南京節(jié)點(diǎn)IMS核心網(wǎng)互為備份，重慶和宜昌節(jié)點(diǎn)IMS核心網(wǎng)互為備份。每節(jié)點(diǎn)新增或利舊2臺(tái)CE設(shè)備，上聯(lián)至本節(jié)點(diǎn)的2臺(tái)PE設(shè)備，并與互備節(jié)點(diǎn)的CE設(shè)備互連。

接入層包括43個(gè)節(jié)點(diǎn)，大多數(shù)具備1臺(tái)PE設(shè)備?？紤]減少接入設(shè)備對(duì)PE設(shè)備的端口需求，每個(gè)接入層節(jié)點(diǎn)新增或利舊1臺(tái)匯聚交換機(jī)作為CE設(shè)備，對(duì)接入層節(jié)點(diǎn)的IMS接入設(shè)備（IM-MGW等）進(jìn)行匯聚，上聯(lián)接入PE設(shè)備。

4.2 IMS網(wǎng)元設(shè)置

控制中心層面部署S/P/I-CSCF、HSS、ENUM/DNS、MGCF、MRFC、AGCF、IM-MGW、SBC等網(wǎng)元以及網(wǎng)管、計(jì)費(fèi)等業(yè)務(wù)平臺(tái)，見圖2。因各接入站點(diǎn)需保留原有與公網(wǎng)運(yùn)營商的互聯(lián)出口，故IM-MGW需下沉至接入站點(diǎn)層面部署，實(shí)現(xiàn)域外數(shù)據(jù)流就近出局，減輕傳輸網(wǎng)帶寬壓力;同時(shí)，考慮長航系統(tǒng)內(nèi)用戶大部分為可信任終端，其媒體流和信令流無需經(jīng)過SBC進(jìn)行處理，少量非可信任終端的媒體流對(duì)傳輸網(wǎng)帶寬影響不大，故SBC網(wǎng)元僅在控制中心層面部署，可節(jié)省建設(shè)成本[2]。

4.3 IMS VPN設(shè)計(jì)

IMS交換網(wǎng)采用MPLS VPN方式實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)上的隔離，通過新增IMS VPN實(shí)現(xiàn)端到端承載IMS媒體和信令信息。在控制中心PE和接入站點(diǎn)PE上，通過配置路由策略，匹配各域非可信終端地址，控制各域接入側(cè)非可信終端僅能訪問SBC設(shè)備，保證核心網(wǎng)設(shè)備的安全。IMS VPN部署方案見圖3。

4.3.1承載網(wǎng)接入

各控制中心部署的IMS、SBC等設(shè)備，在控制中心PE設(shè)備上接入到IMS VPN內(nèi)。為保證IMS系統(tǒng)不受端口掃描、蠕蟲病毒等可能的攻擊，在接入時(shí)與其它信息VPN分離，整套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行在IMS VPN內(nèi)。

4.3.2終端用戶接入

在接入交換機(jī)上將語音業(yè)務(wù)劃到IMS VLAN內(nèi)，接入交換機(jī)根據(jù)不同業(yè)務(wù)VLAN將IMS業(yè)務(wù)上傳至IMS業(yè)務(wù)匯聚交換機(jī)，匯聚交換機(jī)透傳數(shù)據(jù)，同時(shí)在出接口剝除VLAN標(biāo)簽，在接入站點(diǎn)PE設(shè)備處接入IMS VPN內(nèi)。

4.4雙歸屬容災(zāi)設(shè)計(jì)

IMS網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)按照影響程度，其相應(yīng)的容災(zāi)解決方案可以劃分為板卡級(jí)容災(zāi)、網(wǎng)元級(jí)容災(zāi)和平面級(jí)容災(zāi)[3]。本次4個(gè)IMS控制中心采用平面級(jí)容災(zāi)，相鄰中心之間采用雙歸屬機(jī)制容災(zāi)備份，即重慶與宜昌控制中心互備，南京與武漢控制中心互備。

IMS網(wǎng)絡(luò)中容災(zāi)主要通過網(wǎng)元之間的協(xié)議傳送心跳實(shí)現(xiàn)，一旦網(wǎng)元之間心跳異常，則一方網(wǎng)元即認(rèn)為鏈路或?qū)Χ司W(wǎng)元出現(xiàn)了問題，容災(zāi)機(jī)制啟動(dòng)，一方網(wǎng)元將和對(duì)端備份網(wǎng)元進(jìn)行聯(lián)系。在IMS網(wǎng)絡(luò)中，心跳分為應(yīng)用層心跳和傳送層心跳兩種。網(wǎng)元間的應(yīng)用層消息包括SIP、H.248、Diameter和DNS/ENUM協(xié)議，其各自可啟用心跳機(jī)制;網(wǎng)元間也可以通過傳送層的TCP/SCTP鏈路檢測機(jī)制完成故障檢測。本次IMS核心設(shè)備網(wǎng)元之間容災(zāi)方式見表2。

5 結(jié)論

構(gòu)建基于IMS技術(shù)的下一代長江航運(yùn)通信網(wǎng)絡(luò)，是推動(dòng)長江航運(yùn)業(yè)務(wù)與信息化融合發(fā)展的基礎(chǔ)，為未來長江水上交通安全信息創(chuàng)新應(yīng)用提供了一個(gè)開放、標(biāo)準(zhǔn)、功能強(qiáng)大的支撐平臺(tái)。升級(jí)改造后的IMS交換網(wǎng)，將有效解決現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)架構(gòu)瓶頸問題，為后續(xù)長航船岸無線寬帶網(wǎng)融合接入、航運(yùn)信息系統(tǒng)融合發(fā)展提供技術(shù)支撐。另外，本研究提出的IMS組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，可為其他跨地域集團(tuán)單位行政辦公網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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