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【何人（公司）所著】：中國(guó)電信股份有限公司北京研究院 邢燕霞
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【文件原名】：SIGTRAN在信令網(wǎng)中的應(yīng)用
【摘要或目錄】：本文主要分析了SIGTRAN技術(shù)中的M3UA協(xié)議和M2PA協(xié)議在信令網(wǎng)中的應(yīng)用，闡述了這兩種協(xié)議的主要特點(diǎn)、使用場(chǎng)合和存在的問(wèn)題，并提出了IP信令網(wǎng)的組網(wǎng)方案。

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1．引言
SIGTRAN是IETF為了實(shí)現(xiàn)信令在IP上承載提出的協(xié)議體系，從不同的應(yīng)用情況出發(fā)，提出了多種適配層的協(xié)議，包括M3UA、M2PA、M2UA和SUA，而底層協(xié)議棧都是SCTP/IP，為高層信令提供校驗(yàn)、重傳等服務(wù)，盡量減少底層IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)于高層信令的影響。在移動(dòng)領(lǐng)域，用的最多的是M3UA協(xié)議。3GPP在R4版本提出了信令基于IP承載的方案，移動(dòng)性管理協(xié)議MAP、智能網(wǎng)協(xié)議CAP以及呼叫相關(guān)的局間信令BICC都可以基于IP承載，3GPP的建議是基于M3UA/SCTP/IP進(jìn)行承載。
在2G電路交換網(wǎng)路中，MAP、CAP、ISUP等協(xié)議都基于MTP3/MTP2/MTP1的承載方式，在實(shí)際組網(wǎng)時(shí)，這些信令是通過(guò)STP（信令轉(zhuǎn)接點(diǎn)）組成的信令網(wǎng)絡(luò)傳送的，相應(yīng)的信令點(diǎn)和信令轉(zhuǎn)接點(diǎn)需要支持MTP協(xié)議。在R4版本中，BICC協(xié)議取代了ISUP協(xié)議，MAP、CAP和BICC協(xié)議基于IP承載以后，是否需要一個(gè)STP組成的IP信令網(wǎng)以及信令網(wǎng)應(yīng)采用SIGTRAN哪種協(xié)議成了一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。
2．信令網(wǎng)的需求
眾所周知，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，大部分的信令業(yè)務(wù)都是MAP和CAP信令，這兩種呼叫無(wú)關(guān)的信令主要完成移動(dòng)用戶(hù)的位置更新、路由查詢(xún)和智能網(wǎng)業(yè)務(wù)相關(guān)操作等。從協(xié)議棧看，不論MAP和CAP采用TDM、ATM或IP承載，SCCP層都是必須的，也就是說(shuō)MAP信令和CAP信令需要SCCP的GT尋址功能來(lái)實(shí)現(xiàn)路由查詢(xún)。在2G網(wǎng)絡(luò)中，信令網(wǎng)中STP的一個(gè)主要功能就是進(jìn)行GT翻譯和消息轉(zhuǎn)發(fā)。在3GPP R4網(wǎng)絡(luò)中，基于SCCP層的尋址方式?jīng)]有改變，STP的GT翻譯和消息轉(zhuǎn)發(fā)功能仍然是必須的，即仍然需要信令網(wǎng)進(jìn)行MAP和CAP的承載和轉(zhuǎn)發(fā)。
BICC是ITU-T的規(guī)范，ITU-T規(guī)定的BICC在IP上承載的方式為SCTP/IP，所以BICC協(xié)議通過(guò)IP承載有兩種方式，當(dāng)采用3GPP建議的M3UA/SCTP/IP承載時(shí)，可以通過(guò)信令網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因?yàn)镸3UA中包含了目的信令點(diǎn)信息；當(dāng)BICC直接承載在SCTP上時(shí)，無(wú)法通過(guò)信令網(wǎng)承載。R4核心網(wǎng)中MSC Server和MGW之間的H.248協(xié)議也很重要，但是與MAP和CAP的應(yīng)用場(chǎng)景不同，采用MAP協(xié)議和CAP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體在邏輯上是需要網(wǎng)狀連接。H.248協(xié)議屬于點(diǎn)到點(diǎn)的協(xié)議，不存在路由和尋址問(wèn)題，MSC Server上已經(jīng)配置了MGW的地址信息，因此無(wú)需信令網(wǎng)進(jìn)行路由查詢(xún)；此外和BICC協(xié)議類(lèi)似，如果H.248協(xié)議直接承載在SCTP上，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)IP信令網(wǎng)的承載。
總的來(lái)看，在組建大規(guī)模R4網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要一個(gè)信令網(wǎng)提供信令路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能，這個(gè)信令網(wǎng)可以是傳統(tǒng)的No.7網(wǎng)絡(luò)，這里不再討論，也可以是基于IP的信令網(wǎng)。IP信令網(wǎng)主要采用SIGTRAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)MAP和CAP協(xié)議的承載，而B(niǎo)ICC協(xié)議和H.248協(xié)議則不需要IP信令網(wǎng)承載。在使用SIGTRAN的情況下，STP從原來(lái)基于TDM承載變成了基于IP承載，下面將主要分析SIGTRAN中的M3UA和M2PA在信令網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。
3．M3UA的特點(diǎn)和應(yīng)用
由于3GPP規(guī)定了MAP、CAP和BICC都可以基于M3UA承載，所以很自然的一種方案是STP之間以及STP和信令點(diǎn)之間都采用M3UA協(xié)議，但是這種方案存在一些問(wèn)題。從IETF定義的M3UA規(guī)范RFC3332可以看出，M3UA是一種用戶(hù)適配層協(xié)議，主要職責(zé)是完成層間原語(yǔ)的適配，使得MTP3的上層應(yīng)用，如SCCP無(wú)需任何改變，還象底層是MTP3一樣通信，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，MAP和CAP采用M3UA承載是非常合適的。但是M3UA作為STP之間的通信協(xié)議就不合適了， RFC3332規(guī)定的M3UA的主要功能包括：
（1）信令點(diǎn)碼表示：M3UA保留了信令點(diǎn)碼的識(shí)別方式，可以通過(guò)信令點(diǎn)碼尋址。
（2）選路上下文和路由關(guān)鍵字：M3UA不僅支持基于點(diǎn)碼的尋址方式，還包括與SIO和CIC的組和尋址方式。
（3）NO.7 和 M3UA 互通：M3UA協(xié)議支持和NO.7網(wǎng)絡(luò)的互通，并可以將部分信令管理消息映射成IP網(wǎng)路中的消息送到IP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
（4）冗余模型：包括了SG（信令網(wǎng)關(guān)）冗余方案和應(yīng)用服務(wù)器的冗余方案。
（5）擁塞管理:當(dāng)發(fā)生擁塞時(shí)，應(yīng)可以向本地的高層和對(duì)等層發(fā)出擁塞指示，以便作出相應(yīng)的處理。
（6）流量控制：M3UA可以控制在新的SCTP偶聯(lián)上開(kāi)始的業(yè)務(wù)量。
（7）SCTP 流映射: 是指M3UA可以完成上層信令到SCTP流的映射，M3UA可以把信令業(yè)務(wù)分配到不同的流中，對(duì)于有順序要求的信令應(yīng)分配到相同的流中。
（8）客戶(hù)端／服務(wù)器模型:SG和IP節(jié)點(diǎn)之間采用客戶(hù)端／服務(wù)器模型工作，當(dāng)采用M3UA協(xié)議的IP節(jié)點(diǎn)間直接通信時(shí)，也采用這種模型工作。
可見(jiàn)，M3UA保留了信令點(diǎn)碼的方式，并規(guī)定了SG使用M3UA時(shí)如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)NO.7網(wǎng)絡(luò)和IP SP的互通。如果比較M3UA協(xié)議和MTP3協(xié)議，會(huì)發(fā)現(xiàn)從協(xié)議的出發(fā)點(diǎn)到協(xié)議的具體內(nèi)容都不相同。M3UA規(guī)定的所有操作都是用在IPSP和SG之間，并沒(méi)有規(guī)定任何SG之間的操作，如果將其用于STP，那么STP之間的操作將沒(méi)有依據(jù)。所以雖然M3UA繼承了MTP3的層間原語(yǔ)，很好地實(shí)現(xiàn)了層間的適配，但是在協(xié)議功能和應(yīng)用的場(chǎng)合等方面與MTP3存在很大差異。
從M3UA的功能可以看出，M3UA具有信令網(wǎng)管的互通功能，這與MTP3的信令網(wǎng)管功能完全不同。M3UA的網(wǎng)管互通功能的主要目的是在IP網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)NO.7網(wǎng)絡(luò)的邊緣處（即SG上）實(shí)現(xiàn)信令網(wǎng)管消息的映射，從而實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)NO.7網(wǎng)絡(luò)的互通，在IP網(wǎng)絡(luò)側(cè)主要使用M3UA定義的DUNA、DAVA等消息。MTP3的網(wǎng)管功能包括信令業(yè)務(wù)管理、信令路由管理和信令鏈路管理，其中包括了一系列倒換倒回、路由重選等機(jī)制和相關(guān)的信令消息，包括COO、COA、TFP、TFA等若干消息，這些消息不僅用在SP和STP之間，也應(yīng)用在STP之間。可以說(shuō)這套機(jī)制保證了整個(gè)信令網(wǎng)的可靠性，而M3UA協(xié)議正是缺少這些機(jī)制。當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的M3UA連接發(fā)生故障時(shí)，由于M3UA不具有倒換倒回機(jī)制，會(huì)造成消息丟失。所以從協(xié)議本身看，M3UA的設(shè)計(jì)初衷是應(yīng)用在SG中，實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)和NO.7網(wǎng)絡(luò)的互通，如果應(yīng)用在STP之間，在功能上還有欠缺。
有些觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，M3UA的下一層協(xié)議SCTP可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似MTP3的功能從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。應(yīng)該說(shuō)二者是不同層面的問(wèn)題，SCTP用于保證鏈路的可靠性，而MTP3的機(jī)制則是用于保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。SCTP的Multihoming機(jī)制通過(guò)在兩個(gè)IP端點(diǎn)上使用多IP地址，來(lái)保證IP網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信充分可靠，這種可靠性不能等同于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)信令點(diǎn)之間的可靠通信，因?yàn)樵谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個(gè)信令點(diǎn)之間的通信可能要經(jīng)過(guò)多個(gè)STP轉(zhuǎn)發(fā)。在傳統(tǒng)NO.7網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，相鄰的節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)倒換操作，將原來(lái)發(fā)往故障節(jié)點(diǎn)的鏈路上的消息倒換到與其他節(jié)點(diǎn)之間的鏈路上，從而確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性。對(duì)于SCTP而言，其Multihoming機(jī)制只能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相同偶聯(lián)的不同路徑之間的業(yè)務(wù)切換，無(wú)法將業(yè)務(wù)切換到其他偶聯(lián)上，所以當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的偶聯(lián)發(fā)生故障時(shí)，SCTP協(xié)議不能保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，會(huì)有消息丟失。
關(guān)于M3UA用在STP之間，IETF也曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)規(guī)范專(zhuān)門(mén)規(guī)定SG之間的采用M3UA時(shí)的各種操作和相應(yīng)的機(jī)制，而且其機(jī)制很大程度上是希望延用MTP3的機(jī)制，但是在R4版本提出之前，固網(wǎng)和采用電路交換的移動(dòng)網(wǎng)沒(méi)有這樣的需求，而且IETF已經(jīng)定義了M2PA協(xié)議，所以最終沒(méi)有成為IETF規(guī)范。
4．M2PA的特點(diǎn)和應(yīng)用
M2PA是一個(gè)對(duì)等適配層協(xié)議，它的主要特點(diǎn)是保留了MTP3的功能，而將底層的TDM鏈路替換為IP鏈路。這樣既保留了MTP3的所有功能，又解決了傳統(tǒng)NO.7的帶寬問(wèn)題。TDM信令網(wǎng)可以采用64K鏈路和2M鏈路組網(wǎng)，信令帶寬受限于物理帶寬；IP信令網(wǎng)的信令帶寬理論上是不受限制的。M2PA協(xié)議的主要功能包括：
（1）支持MTP3和MTP2之間的原語(yǔ)：對(duì)于MTP3來(lái)說(shuō)就象底層仍然是MTP2一樣，其發(fā)送的原語(yǔ)沒(méi)有變換，而M2PA向MTP3發(fā)送的原語(yǔ)也和MTP2向MTP3發(fā)送的原語(yǔ)相同。
（2）MTP2的功能：包括數(shù)據(jù)的恢復(fù)，以支持倒換過(guò)程；向MTP3報(bào)告鏈路狀態(tài)的改變；處理機(jī)故障過(guò)程等。
（3）No.7和IP實(shí)體的映射：對(duì)于每個(gè)M2PA鏈路，M2PA層必須保存No.7鏈路到它的SCTP偶聯(lián)和相應(yīng)的IP目的地的對(duì)應(yīng)表。
（4）SCTP流管理：M2PA層應(yīng)保證每個(gè)偶聯(lián)中的流的合理管理。
（5）支持IP節(jié)點(diǎn)上保留No.7網(wǎng)絡(luò)中MTP3功能：允許M2PA的上MTP3保留No.7網(wǎng)絡(luò)的消息處理和信令網(wǎng)管功能。
從M2PA協(xié)議的功能可以看出，它是一個(gè)對(duì)等的適配層協(xié)議，完全可以作為IP信令網(wǎng)的主要通信協(xié)議，包括STP之間以及STP和信令點(diǎn)之間。這樣整個(gè)信令網(wǎng)的上層功能就和傳統(tǒng)的No.7網(wǎng)絡(luò)完全相同，略有不同的是在IP信令網(wǎng)中，故障的檢測(cè)和業(yè)務(wù)倒換的時(shí)延會(huì)比No.7網(wǎng)絡(luò)稍長(zhǎng)。在No.7網(wǎng)絡(luò)上，MTP2層負(fù)責(zé)故障的檢測(cè)。對(duì)于某個(gè)TDM鏈路，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，可以靠數(shù)據(jù)的傳送證明鏈路的正常工作，沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，應(yīng)發(fā)送空數(shù)據(jù)證明鏈路的正常工作，如果接收方收不到任何數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的判斷機(jī)制可以判斷為鏈路故障，這個(gè)時(shí)延很小，一般為毫秒級(jí)。在IP承載時(shí)，SCTP負(fù)責(zé)故障的檢測(cè)，采用重傳超時(shí)的機(jī)制來(lái)發(fā)現(xiàn)故障。SCTP采用應(yīng)答機(jī)制通知對(duì)端收到信息，如果發(fā)送端收不到對(duì)端的應(yīng)答消息，發(fā)送端會(huì)進(jìn)行重傳，重傳的時(shí)間間隔越來(lái)越長(zhǎng)，當(dāng)重傳超過(guò)預(yù)設(shè)的次數(shù)，則認(rèn)為偶聯(lián)（鏈路）故障，這個(gè)時(shí)延比TDM檢測(cè)時(shí)延要長(zhǎng)，一般為秒級(jí)。當(dāng)然，這個(gè)時(shí)延也可以通過(guò)調(diào)整SCTP定時(shí)器縮小，但是一般認(rèn)為由于IP網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)共享網(wǎng)絡(luò)，其時(shí)延受到各種因素的影響會(huì)大于TDM網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，如果將定時(shí)器調(diào)得太短，會(huì)造成業(yè)務(wù)的頻繁倒換，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率。當(dāng)發(fā)現(xiàn)鏈路出現(xiàn)故障后，要進(jìn)行業(yè)務(wù)倒換。在No.7網(wǎng)絡(luò)中，MTP2檢測(cè)到故障后，將對(duì)未成功發(fā)送的消息進(jìn)行回收，并在MTP3指定的新的鏈路上發(fā)送。在IP信令網(wǎng)中，這個(gè)過(guò)程是類(lèi)似的，不同的是IP鏈路上的業(yè)務(wù)量一般較大而故障檢測(cè)時(shí)延較長(zhǎng)，為了不丟失消息，M2PA的消息緩存區(qū)應(yīng)比較大才能實(shí)現(xiàn)所有消息的成功倒換，但是即使倒換成功，由于整個(gè)過(guò)程的時(shí)延較長(zhǎng)，對(duì)于某些高層應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能已經(jīng)超時(shí)�？偟膩�(lái)看，IP信令網(wǎng)中，從鏈路發(fā)生故障到業(yè)務(wù)成功倒換的時(shí)延會(huì)大于No.7網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。
從應(yīng)用和組網(wǎng)的角度看，當(dāng)MAP、CAP基于M3UA承載時(shí)，由于M3UA不具有網(wǎng)管功能，使得信令網(wǎng)的管理不能到達(dá)信令點(diǎn)設(shè)備，只能用于采用M2PA的STP之間。如果信令點(diǎn)（MSC Server、HLR、SCP、SGSN等）的MAP、CAP等也采用M2PA協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的MTP3功能，這樣既實(shí)現(xiàn)了承載IP化，又避免了使用M3UA時(shí)不具備信令網(wǎng)管功能的問(wèn)題。但是3GPP并沒(méi)有對(duì)使用M2PA提出建議，因此在R4的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上并沒(méi)有任何廠(chǎng)商支持這種方案。
5．IP信令網(wǎng)組網(wǎng)方案
從上面的分析可以看出，M3UA協(xié)議更適宜應(yīng)用在信令網(wǎng)關(guān)，而M2PA協(xié)議的適用范圍更廣泛，既可以用于信令網(wǎng)關(guān)也可以用于信令網(wǎng)上的STP。由于3GPP建議的R4信令的承載主要是采用M3UA協(xié)議，即MSC Server、HLR、SCP等都不支持M2PA協(xié)議。因此在組建IP信令網(wǎng)時(shí)，單純采用M3UA協(xié)議或M2PA協(xié)議在現(xiàn)階段都是不可行的，目前比較可行的方案是在STP之間采用M2PA協(xié)議，在信令點(diǎn)和STP之間采用M3UA協(xié)議。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上看，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，IP信令網(wǎng)也可以分級(jí)，這和No.7網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有差別。
這種IP信令網(wǎng)方案與傳統(tǒng)的No.7網(wǎng)絡(luò)相比，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，首先是信令帶寬非常充足，理論上任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的帶寬都沒(méi)有限制。其次是設(shè)備上的接口數(shù)量大大減少，這將給運(yùn)維帶來(lái)方便。第三，這種方案符合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，可擴(kuò)展性好。但是這種方案也有弱點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面，首先是網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性方面，前面提到由于IP鏈路的故障檢測(cè)和恢復(fù)的時(shí)延較大，而且M3UA不存在倒換倒回機(jī)制，所以會(huì)產(chǎn)生呼損。其次是由于IP鏈路上的業(yè)務(wù)量較大，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)影響較大。第三是當(dāng)前采用這種方案存在一定風(fēng)險(xiǎn)，這種風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源于IP信令網(wǎng)沒(méi)有大規(guī)模商用經(jīng)驗(yàn)、M2PA規(guī)范還沒(méi)有正式發(fā)布、IP信令網(wǎng)的故障跟蹤和再現(xiàn)比較困難等。
到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)全I(xiàn)P的信令網(wǎng)絡(luò)投入運(yùn)營(yíng)，目前SIGTRAN的主要應(yīng)用是在固網(wǎng)軟交換中的信令網(wǎng)關(guān)上的應(yīng)用，在信令網(wǎng)中的應(yīng)用一般采用TDM和IP混合的方案，典型的應(yīng)用是在STP之間采用M2PA協(xié)議，STP和信令點(diǎn)之間的接入鏈路采用64K或2M的TDM鏈路；也有的應(yīng)用方式是在STP之間采用No.7技術(shù)，在接入鏈路上采用IP，這種應(yīng)用一般是在現(xiàn)有的No.7網(wǎng)絡(luò)上的演進(jìn)方案，總之都是部分IP承載的解決方案。
6．結(jié)束語(yǔ)
從技術(shù)上看，承載IP化是網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，其中也包括信令的IP化。目前采用全I(xiàn)P的方式組建信令網(wǎng)絡(luò)還存在上面提到的一些問(wèn)題，這些問(wèn)題還沒(méi)有規(guī)范的解決方案。由于信令業(yè)務(wù)要求高可靠性和高穩(wěn)定性，所以在目前的IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的前提下運(yùn)營(yíng)一個(gè)IP信令網(wǎng)還需要不斷的研究和摸索。