移动核心网容灾技术探究

爱卫生

付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《电信快报》2012年07期。

已分享至论坛城通网盘，下载地址：http://www.400gb.com/file/9743710

【作者】 郭陵；

【作者简介】（1965 ---）， 女， 高级工程师， 中国移动集团设计院上海分院副院长， 主要从事与移动通信网络相关的各类工程咨询、设计、规划等相关工作。

【机构】 中国移动通信集团设计院上海分公司；

【摘要】 移动核心网在运营商整体网络中起到关键的核心作用,其网络安全始终倍受关注。文章对网络容灾需求进行分析,从网络容灾备份技术的角度,从现网实际出发,系统全面地对移动核心网各类网元的容灾实现方式进行深入探究,提出网络容灾备份技术方案,为核心网容灾技术的推广和应用提出科学合理的建议。

【关键词】 MSS(移动交换服务器)； MGW(媒体网关)； HLR(归属位置寄存器)； 信令网； SGSN(服务GPRS支持节点)； GGSN(网关GPRS支持节点)；

近年来，随着移动通信业务的迅猛发展，移动通信服务已成为人们日常生活中必不可少的公众业务。随着用户基数的日益庞大、单设备容量能力的不断提高，使各种自然灾害、人为因素等意外事件造成的通信设备故障所带来的社会影响也在不断增大。当意外发生时，如何保证通信不中断和业务的连续性，提高客户满意度，正日益受到移动运营商的重视。网络容灾备份技术的应用及相关体系的建设无疑是解决这一问题的关键所在。

移动核心网是移动运营商各类语音、数据业务处理的关键节点如何确保各类核心网元运行安全更是成为了网络容灾备份体系建设中的重中之重。

1 移动核心网网元容灾需求分析

1.1 移动核心网总体架构分析

目前，移动GSM核心网的总体架构主要分为电路域和分组域两大部分。电路域网元主要包括端局（MSS/MGW[移动交换服务器/媒体网关]）、汇接局/关口局、HLR（归属位置寄存器）、信令网（本地信令转接点/一级信令转接点）等，主要负责用户鉴权信息、位置信息存储、信令转接、移动语音类业务用户的接入控制和业务转接等功能。分组域网元主要包括SGSN（服务GPRS通用分组无线服务支持节点）和GGSN（网关GPRS支持节点）等主要负责移动数据类业务用户的接入控制和业务转接等相关功能。

1.2 移动核心网总体容灾策略

对移动核心网来说，建立容灾体系的目标是为了通过网络容灾方案的实施，不断提升网络安全性，逐步消除“关键环节”、“关键网元”，实现不论哪个网元故障都不会影响用户正常使用，最终实现网元发生故障时，“业务不中断，用户零容忍”的网络容灾目标，保证网络服务的持续性和稳定性。

基于这样的目标，移动核心网的总体容灾策略是建立多层次的容灾机制，根据实际需求因地制宜，逐步建立不同网元设备的数据和业务安全机制，确保在发生突发故障时网络服务的相对持续性和稳定性，保障移动核心网络的高效、平稳运行。

首先需从网络整体安全角度，针对各层网络制订相应的保障机制，通过合理的设计冗余及系统资源应急调度、割接方式，避免重大网络故障的发生，即形成网络整体体系保障。

由面到点，积极推动“双路由、双节点”策略保障，采用负荷分担模式，积极避免出现由于单一节点故障造成业务全阻的现象。

对于不具备“双路由、双节点”条件网元故障影响面很大的关键核心网元，可预先设置独立的备份设备，通过制订周密的应急倒换预案，保证在主用网元出现重大故障时备用网元可在相对较短的时间内进行主备倒换，缩短网络服务中断时间。

1.3 移动核心网容灾需求关注重点

基于以上容灾策略，表1根据移动核心网的较普遍的部署方式及特点，对各类网元的容灾实现情况进行了分析说明。

由表1可看出，电路域中HLR及端局（MSS和MGW）、分组域中的SGSN在容灾能力上略显不足，一旦发生单点故障，将对网络安全、平稳运行产生较大的不利影响。

随着移动通信技术的不断发展，无论从网络规范层面还是厂商设备层面，目前均已提出了相应解决方案，本文将重点针对核心网容灾能力较弱的HLR、端局、SGSN这三类网元的容灾技术进行深入分析与研究。

2 核心网容灾技术分析

2.1 容灾技术分析

HLR在GSM网中用于存储和管理全网用户的签约信息和位置信息，是整个GSM核心网中最重要的网元之一。随着通信技术的进步，单台HLR的用户容量已由过去的几十万、上百万，发展到现在的近千万。因此，由于HLR系统故障造成的的业务中断将直接影响数百万用户的使用感知，这是移动运营商难以承受的，应尽量避免。故对核心网HLR进行容灾备份是大多数运营商积极推进的一项重要工作。

现网HLR容灾备份方案主要有三种。

1） 1+1备份方案

该方案要求为核心网的每台HLR均配置一台备份HLR，主用HLR与备份HLR实时或定时同步相关静态、动态数据，备份HLR与主用HLR数据完全保持一致。1+1备份方式要求主、备份HLR的软硬件配置完全相同。

一旦一台HLR出现故障，与之互为备份的另一台HLR可以立即为故障HLR管辖范围内的所有用户提供服务，实现实时切换，自动接管业务。

该容灾方式优点：a）实时备份，数据同步性好。b）容灾切换达到分钟级。c）主用HLR与备用HLR的数据误差极小，倒换后用户感知度好。缺点：投资较高。

2） N+1实时备份方案

该方案是现网多台HLR共用1台备份HLR，实现整体实时备份。备份HLR中需存储由它提供备份服务的所有HLR中数据的总和，即多台HLR均实时将所有静态数据与动态数据更改同步到该备份HL中。这种备份方式要求备份HLR的容量是所有需备份HLR容量的总和，主用HLR中的任意一台发生故障，备份HLR均可替代它为用户提供服务，对全网的服务质量不会造成任何影响。一般主用HLR与备用HLR采用同一厂家相同硬件平台设备。

该容灾方式可实现HLR动态和静态数据的实时备份，容灾切换达到分钟级。

3） N+1非实时备份方案

该方案中，备用HLR承担所有N个局点HLR总容量所有的静态数据备份。正常情况下备份HLR并不处理业务，不对主用HLR中的动态数据进行实时备份，当某个HLR发生故障，业务中断时，备份HL启动，为中断业务的HLR所管辖的用户提供服务。

该容灾方式要求对静态数据进行实时备份，业务恢复时间半小时左右，一定时间内会影响用户服务质量。

移动运营商应综合网络安全性、修复时长、用户感受、投资等多方面因素，选择适合自身条件和业务发展策略的HLR备份方案。

2.2 端局容灾技术分析

2.2.1 MSS容灾技术分析

MSS作为软交换控制承载分离概念中的控制实体，负责对接入用户的移动性管理和呼叫控制。MSC SERVER业务中断将导致登记在该MSS的用户业务全阻，且随着单个MSS容量的不断增长，故障造成的影响面也不断扩大，因此对核心网MSS进行容灾备份也日益受到运营商的重视。

目前现网MSS容灾备份方案主要有三种：

1） 1+1互备方案

1+1互备容灾方案中，同厂家成对的MSS组成互助工作组，同时工作相互备份，用户数据MGW双归属成对MSS，当其中一台MSS出故障时，另一台MSS接管其整个业务区。

该方案两个MSS成对设置，承载的业务相同，可实现自动决策和自动倒换，倒换时间可控制在分钟级，倒换过程不需其他网元设备配合。为避免由于线路闪断等原因引起乒乓倒换，建议采用人工决策倒换。

2） N+1主备方案

该主备方案中，同厂家的MSS组成N+1的组网结构，其中备份的1台MSS平时只作为对其他N台主用MSS的用户数据备份，当主用的MSS出现故障时，备份MSS启用，接管出故障的MSS的业务区。

该方案容灾效果基本与1+1互备方案相同，但更适合于大容量端局的容灾实现。

3） MSC Pool（移动交换中心池）容灾方案

在3GPP R5阶段，根据3GPP TS 23.236的建议提出了“Pool Area”的概念，由多个核心网MSS节点组成一个区域池。与以往RNC/BSC（无线网络控制器/基站控制器）与核心网单独连接控制关系不同，在Pool内的每个RNC/BSC都可以受控于池内所有的核心网络MSS节点，每个核心网络MSS节点都同等地控制管理池区内所有RNC/BSC覆盖的区域，连接到RNC/BSC的终端用户可以注册到池中的任意一个核心网络MSS节点。通过引入Pool技术，提供了一种避免单点故障，同时达到网络资源共享的手段。

MSC Pool方案实现了无损，多故障点的资源池容灾，满足自动决策自动倒换。在解决容灾问题的同时，提供了网络的负荷分担和管理能力，并且降低了网络信令流量。

比较前两个方案，这种方案在容灾效果、网络性能、容灾成本方面均有优势，尤其适合于用户密集，需要建立多个局点的大、中城市，且目前相关设备厂商软、硬件产品也已趋于成熟。

2.2.2 MGW容灾技术分析

MGW作为软交换控制承载分离概念中的承载实体，负责全网业务语音和媒体流的交换转接，MGW业务中断将造成接入该MGW的无线区域业务全阻，影响用户感受，因此对核心网MGW进行容灾备份也是十分必要的。

目前MGW与BSC间的A接口尚未完全实现IP化，可采用的容灾方案主要有两种。

1）割接A接口电路备份MGW

该方案通过应急SERVER与备份MGW的组合共同接管故障MGW。正常情况下，应急SERVER与MGW不承载现网业务，当现网运行的MGW发生故障时，与故障MGW相连的BSC设备通过传输割接的方式，将其A接口电路割接至备用MGW，并在SERVER中导入A接口数据，从而实现备用MGW的业务接管。具体拓扑如图1所示。

该方案特点：a）倒换时间一般需30min，方可具备接管BSC的业务条件。b）提供针对备份域内单点故障容灾。c）采用人工决策倒换。d）需要传输部门配合割接A接口电路。

2）BSC同时接多个MGW

该方案将BSC同时接入多个MGW设备，一旦其中一个MGW设备出现故障，另一个MGW可以自动接管BSC的话务及信令。

该方案特点：a）倒换时间基本为分钟级，可提供图割接接口电路备份备份方案拓扑图针对备份域内单点故障容灾b自动决策自动倒换c不需要传输部门配合割接A接口电路。

以上两种方式中，前者设备利用率较高，所有设备厂商均支持，但备份倒换时割接需要时间较长。后者倒换时间较短，但现网涉及异厂商兼容等问题，各厂商设备支持程度不同且，A接口利用率将大大下降，投资效益差。

2.3 容灾技术分析

SGSN是GPRS网络核心网元之一，负责无线网络接入到GPRS网络以及GPRS网络内部与GGSN的通信，完成用户的移动性管理和用户数据的传送。SGSN业务中断将造成接入该SGSN用户数据业务全阻，且单台SGSN设备容量日益增长，因此对核心网SGSN进行容灾备份的必要性日益显著。

对于SGSN容灾，建议方案有SGSN Pool和N+1电路割接方案两种。

1） SGSN Pool容灾方案

SGSN Pool也可称为Gb Flex，有别于传统的一个BSC仅能归属一个SGSN的固定对应关系，其基本概念是一个BSC可以归属受控于多个SGSN（形成一个SGSNPool），相应SGSN服务区也扩展为SGSN Pool公共服务区。即如果SGSN Pool内某个SGSN发生故障，相应BSC都会在Gb over IP接口上检测到对应的故障SGSN，并轮选Pool内其余正常工作的SGSN，保障最终用户使用不受影响。网络拓扑如图2所示。

该方案业务恢复时间为秒级，但Gb接口需由IP网承载，并确保公共池内所有SGSN与所有BSC之间都实现Gb接口的逻辑网状网互联，当SGSN与BSC为异厂商时需满足相应兼容性要求。

2） N+1Gb接口电路割接容灾方案

备份SGSN相对独立，网络正常情况下空载，对全网所有节点对应的局数据都有备份，并且可以实现对故障节点局数据的直接调用。另外当主用SGSN数据变化时，可以及时更新备份SGSN上相应的数据。网络拓扑如图3所示。

此方案特点：a）倒换及接管业务的时间较长（一般需30 min），提供针对备份域内单点故障容灾。b）采用人工决策倒换。c）需要传输部门配合割接Gb接口电路。

从倒换时长、自动化程度、设备利用率等多个角度分析，SGSN Pool的容灾方案要明显优于N+1 Gb接口电路割接容灾方案，且目前各厂商SGSNPool相关软硬件日趋成熟，应用范围和规模不断扩大均为SGSN Pool技术的发展带来更多的机遇。

3 结束语

网络容灾技术作为通信技术发展日益成熟的标志之一，已被通信设备厂商、运营商、终端客户广泛接受。伴随相关技术的不断发展和演进，必将推进移动网络向更安全、稳定、高效、节能的方向不断进步。

参考文献

1 3GPP TS 23.002.Network Architecture[S].

2 3GPP TS23.236. Intra-domain Connection of RadioAccess Network RAN Nodes to Multiple Core Network CN Nodes[S].

3 3GPP TS 24.008. Mobile Radio Interface Layer 3 Specification;Core Network Protocols;Stage3[S].

4 ITU-T Q.704.Signaling Network Functions and Messages[S].