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【何人（公司）所著】：中國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在信令網中的應用
【摘要或目錄】：本文主要分析了SIGTRAN技術中的M3UA協(xié)議和M2PA協(xié)議在信令網中的應用，闡述了這兩種協(xié)議的主要特點、使用場合和存在的問題，并提出了IP信令網的組網方案。

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1．引言
SIGTRAN是IETF為了實現(xiàn)信令在IP上承載提出的協(xié)議體系，從不同的應用情況出發(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、重傳等服務，盡量減少底層IP網絡對于高層信令的影響。在移動領域，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，移動性管理協(xié)議MAP、智能網協(xié)議CAP以及呼叫相關的局間信令BICC都可以基于IP承載，3GPP的建議是基于M3UA/SCTP/IP進行承載。
在2G電路交換網路中，MAP、CAP、ISUP等協(xié)議都基于MTP3/MTP2/MTP1的承載方式，在實際組網時，這些信令是通過STP（信令轉接點）組成的信令網絡傳送的，相應的信令點和信令轉接點需要支持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STP組成的IP信令網以及信令網應采用SIGTRAN哪種協(xié)議成了一個焦點問題。
2．信令網的需求
眾所周知，在移動網絡中，大部分的信令業(yè)務都是MAP和CAP信令，這兩種呼叫無關的信令主要完成移動用戶的位置更新、路由查詢和智能網業(yè)務相關操作等。從協(xié)議�？�，不論MAP和CAP采用TDM、ATM或IP承載，SCCP層都是必須的，也就是說MAP信令和CAP信令需要SCCP的GT尋址功能來實現(xiàn)路由查詢。在2G網絡中，信令網中STP的一個主要功能就是進行GT翻譯和消息轉發(fā)。在3GPP R4網絡中，基于SCCP層的尋址方式沒有改變，STP的GT翻譯和消息轉發(fā)功能仍然是必須的，即仍然需要信令網進行MAP和CAP的承載和轉發(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IP承載有兩種方式，當采用3GPP建議的M3UA/SCTP/IP承載時，可以通過信令網進行轉發(fā)，因為M3UA中包含了目的信令點信息；當BICC直接承載在SCTP上時，無法通過信令網承載。R4核心網中MSC Server和MGW之間的H.248協(xié)議也很重要，但是與MAP和CAP的應用場景不同，采用MAP協(xié)議和CAP協(xié)議的網絡實體在邏輯上是需要網狀連接。H.248協(xié)議屬于點到點的協(xié)議，不存在路由和尋址問題，MSC Server上已經配置了MGW的地址信息，因此無需信令網進行路由查詢；此外和BICC協(xié)議類似，如果H.248協(xié)議直接承載在SCTP上，也無法實現(xiàn)通過IP信令網的承載。
總的來看，在組建大規(guī)模R4網絡時，需要一個信令網提供信令路由和轉發(fā)功能，這個信令網可以是傳統(tǒng)的No.7網絡，這里不再討論，也可以是基于IP的信令網。IP信令網主要采用SIGTRAN技術實現(xiàn)MAP和CAP協(xié)議的承載，而BICC協(xié)議和H.248協(xié)議則不需要IP信令網承載。在使用SIGTRAN的情況下，STP從原來基于TDM承載變成了基于IP承載，下面將主要分析SIGTRAN中的M3UA和M2PA在信令網絡中的應用。
3．M3UA的特點和應用
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和信令點之間都采用M3UA協(xié)議，但是這種方案存在一些問題。從IETF定義的M3UA規(guī)范RFC3332可以看出，M3UA是一種用戶適配層協(xié)議，主要職責是完成層間原語的適配，使得MTP3的上層應用，如SCCP無需任何改變，還象底層是MTP3一樣通信，從這個角度來說，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）信令點碼表示：M3UA保留了信令點碼的識別方式，可以通過信令點碼尋址。
（2）選路上下文和路由關鍵字：M3UA不僅支持基于點碼的尋址方式，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網絡的互通，并可以將部分信令管理消息映射成IP網路中的消息送到IP網絡節(jié)點。
（4）冗余模型：包括了SG（信令網關）冗余方案和應用服務器的冗余方案。
（5）擁塞管理:當發(fā)生擁塞時，應可以向本地的高層和對等層發(fā)出擁塞指示，以便作出相應的處理。
（6）流量控制：M3UA可以控制在新的SCTP偶聯(lián)上開始的業(yè)務量。
（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)務分配到不同的流中，對于有順序要求的信令應分配到相同的流中。
（8）客戶端／服務器模型:SG和IP節(jié)點之間采用客戶端／服務器模型工作，當采用M3UA協(xié)議的IP節(jié)點間直接通信時，也采用這種模型工作。
可見，M3UA保留了信令點碼的方式，并規(guī)定了SG使用M3UA時如何實現(xiàn)傳統(tǒng)NO.7網絡和IP SP的互通。如果比較M3UA協(xié)議和MTP3協(xié)議，會發(fā)現(xiàn)從協(xié)議的出發(fā)點到協(xié)議的具體內容都不相同。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之間的操作將沒有依據。所以雖然M3UA繼承了MTP3的層間原語，很好地實現(xiàn)了層間的適配，但是在協(xié)議功能和應用的場合等方面與MTP3存在很大差異。
從M3UA的功能可以看出，M3UA具有信令網管的互通功能，這與MTP3的信令網管功能完全不同。M3UA的網管互通功能的主要目的是在IP網絡和傳統(tǒng)NO.7網絡的邊緣處（即SG上）實現(xiàn)信令網管消息的映射，從而實現(xiàn)IP網絡和傳統(tǒng)NO.7網絡的互通，在IP網絡側主要使用M3UA定義的DUNA、DAVA等消息。MTP3的網管功能包括信令業(yè)務管理、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、路由重選等機制和相關的信令消息，包括COO、COA、TFP、TFA等若干消息，這些消息不僅用在SP和STP之間，也應用在STP之間。可以說這套機制保證了整個信令網的可靠性，而M3UA協(xié)議正是缺少這些機制。當節(jié)點之間的M3UA連接發(fā)生故障時，由于M3UA不具有倒換倒回機制，會造成消息丟失。所以從協(xié)議本身看，M3UA的設計初衷是應用在SG中，實現(xiàn)IP網絡和NO.7網絡的互通，如果應用在STP之間，在功能上還有欠缺。
有些觀點認為，M3UA的下一層協(xié)議SCTP可以實現(xiàn)類似MTP3的功能從而保證整個網絡的可靠性。應該說二者是不同層面的問題，SCTP用于保證鏈路的可靠性，而MTP3的機制則是用于保證整個網絡的可靠性。SCTP的Multihoming機制通過在兩個IP端點上使用多IP地址，來保證IP網絡上的兩個節(jié)點之間的通信充分可靠，這種可靠性不能等同于移動網絡的兩個信令點之間的可靠通信，因為在移動網絡中，任意兩個信令點之間的通信可能要經過多個STP轉發(fā)。在傳統(tǒng)NO.7網絡中，當某個節(jié)點發(fā)生故障時，相鄰的節(jié)點會通過倒換操作，將原來發(fā)往故障節(jié)點的鏈路上的消息倒換到與其他節(jié)點之間的鏈路上，從而確保業(yè)務的連續(xù)性。對于SCTP而言，其Multihoming機制只能實現(xiàn)兩個節(jié)點之間的相同偶聯(lián)的不同路徑之間的業(yè)務切換，無法將業(yè)務切換到其他偶聯(lián)上，所以當某個節(jié)點故障時導致節(jié)點間的偶聯(lián)發(fā)生故障時，SCTP協(xié)議不能保證業(yè)務的連續(xù)性，會有消息丟失。
關于M3UA用在STP之間，IETF也曾經有過一個規(guī)范專門規(guī)定SG之間的采用M3UA時的各種操作和相應的機制，而且其機制很大程度上是希望延用MTP3的機制，但是在R4版本提出之前，固網和采用電路交換的移動網沒有這樣的需求，而且IETF已經定義了M2PA協(xié)議，所以最終沒有成為IETF規(guī)范。
4．M2PA的特點和應用
M2PA是一個對等適配層協(xié)議，它的主要特點是保留了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的帶寬問題。TDM信令網可以采用64K鏈路和2M鏈路組網，信令帶寬受限于物理帶寬；IP信令網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：對于MTP3來說就象底層仍然是MTP2一樣，其發(fā)送的原語沒有變換，而M2PA向MTP3發(fā)送的原語也和MTP2向MTP3發(fā)送的原語相同。
（2）MTP2的功能：包括數據的恢復，以支持倒換過程；向MTP3報告鏈路狀態(tài)的改變；處理機故障過程等。
（3）No.7和IP實體的映射：對于每個M2PA鏈路，M2PA層必須保存No.7鏈路到它的SCTP偶聯(lián)和相應的IP目的地的對應表。
（4）SCTP流管理：M2PA層應保證每個偶聯(lián)中的流的合理管理。
（5）支持IP節(jié)點上保留No.7網絡中MTP3功能：允許M2PA的上MTP3保留No.7網絡的消息處理和信令網管功能。
從M2PA協(xié)議的功能可以看出，它是一個對等的適配層協(xié)議，完全可以作為IP信令網的主要通信協(xié)議，包括STP之間以及STP和信令點之間。這樣整個信令網的上層功能就和傳統(tǒng)的No.7網絡完全相同，略有不同的是在IP信令網中，故障的檢測和業(yè)務倒換的時延會比No.7網絡稍長。在No.7網絡上，MTP2層負責故障的檢測。對于某個TDM鏈路，當有數據傳送時，可以靠數據的傳送證明鏈路的正常工作，沒有數據傳輸時，應發(fā)送空數據證明鏈路的正常工作，如果接收方收不到任何數據，通過一定的判斷機制可以判斷為鏈路故障，這個時延很小，一般為毫秒級。在IP承載時，SCTP負責故障的檢測，采用重傳超時的機制來發(fā)現(xiàn)故障。SCTP采用應答機制通知對端收到信息，如果發(fā)送端收不到對端的應答消息，發(fā)送端會進行重傳，重傳的時間間隔越來越長，當重傳超過預設的次數，則認為偶聯(lián)（鏈路）故障，這個時延比TDM檢測時延要長，一般為秒級。當然，這個時延也可以通過調整SCTP定時器縮小，但是一般認為由于IP網絡是一個共享網絡，其時延受到各種因素的影響會大于TDM網絡的時延，如果將定時器調得太短，會造成業(yè)務的頻繁倒換，影響整個網絡的效率。當發(fā)現(xiàn)鏈路出現(xiàn)故障后，要進行業(yè)務倒換。在No.7網絡中，MTP2檢測到故障后，將對未成功發(fā)送的消息進行回收，并在MTP3指定的新的鏈路上發(fā)送。在IP信令網中，這個過程是類似的，不同的是IP鏈路上的業(yè)務量一般較大而故障檢測時延較長，為了不丟失消息，M2PA的消息緩存區(qū)應比較大才能實現(xiàn)所有消息的成功倒換，但是即使倒換成功，由于整個過程的時延較長，對于某些高層應用來說可能已經超時�？偟膩砜矗琁P信令網中，從鏈路發(fā)生故障到業(yè)務成功倒換的時延會大于No.7網絡的時延。
從應用和組網的角度看，當MAP、CAP基于M3UA承載時，由于M3UA不具有網管功能，使得信令網的管理不能到達信令點設備，只能用于采用M2PA的STP之間。如果信令點（MSC Server、HLR、SCP、SGSN等）的MAP、CAP等也采用M2PA協(xié)議，就可以實現(xiàn)全網的MTP3功能，這樣既實現(xiàn)了承載IP化，又避免了使用M3UA時不具備信令網管功能的問題。但是3GPP并沒有對使用M2PA提出建議，因此在R4的產品實現(xiàn)上并沒有任何廠商支持這種方案。
5．IP信令網組網方案
從上面的分析可以看出，M3UA協(xié)議更適宜應用在信令網關，而M2PA協(xié)議的適用范圍更廣泛，既可以用于信令網關也可以用于信令網上的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信令網時，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，在信令點和STP之間采用M3UA協(xié)議。從網絡架構上看，根據網絡的規(guī)模，IP信令網也可以分級，這和No.7網絡沒有差別。
這種IP信令網方案與傳統(tǒng)的No.7網絡相比，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個方面，首先是信令帶寬非常充足，理論上任何兩個節(jié)點之間的帶寬都沒有限制。其次是設備上的接口數量大大減少，這將給運維帶來方便。第三，這種方案符合技術發(fā)展趨勢，可擴展性好。但是這種方案也有弱點，主要體現(xiàn)在以下三個方面，首先是網絡的可靠性和安全性方面，前面提到由于IP鏈路的故障檢測和恢復的時延較大，而且M3UA不存在倒換倒回機制，所以會產生呼損。其次是由于IP鏈路上的業(yè)務量較大，當發(fā)生故障時影響較大。第三是當前采用這種方案存在一定風險，這種風險來源于IP信令網沒有大規(guī)模商用經驗、M2PA規(guī)范還沒有正式發(fā)布、IP信令網的故障跟蹤和再現(xiàn)比較困難等。
到目前為止，還沒有一個全IP的信令網絡投入運營，目前SIGTRAN的主要應用是在固網軟交換中的信令網關上的應用，在信令網中的應用一般采用TDM和IP混合的方案，典型的應用是在STP之間采用M2PA協(xié)議，STP和信令點之間的接入鏈路采用64K或2M的TDM鏈路；也有的應用方式是在STP之間采用No.7技術，在接入鏈路上采用IP，這種應用一般是在現(xiàn)有的No.7網絡上的演進方案，總之都是部分IP承載的解決方案。
6．結束語
從技術上看，承載IP化是網絡的發(fā)展趨勢，其中也包括信令的IP化。目前采用全IP的方式組建信令網絡還存在上面提到的一些問題，這些問題還沒有規(guī)范的解決方案。由于信令業(yè)務要求高可靠性和高穩(wěn)定性，所以在目前的IP網絡技術的前提下運營一個IP信令網還需要不斷的研究和摸索。