3G核心網(wǎng)安全隱患及其容災(zāi)技術(shù)探討

1、3G核心網(wǎng)平安隱患及其容災(zāi)技術(shù)探討摘要詳細(xì)分析了 WCDMAR99至R5各階段核心網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)各階段組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同提出相應(yīng)的容 災(zāi)技術(shù)，并深入分析各容災(zāi)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對各容災(zāi)技術(shù)適用條件提岀建議，進(jìn)而指導(dǎo)我們在3G不同階段如何根據(jù)自身的客觀條件采取最正確的容災(zāi)技術(shù)。1、2G GSM/GPR舸絡(luò)的平安隱患在GSM全球移動通信系統(tǒng)/GPRS 通用分組無線效勞網(wǎng)中， BSC基站控制器與 MSC移動交換中 心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種樹形結(jié)構(gòu)，每個(gè)BSC只能被一個(gè)MSC控制，如果MSC發(fā)生故障，那么其管理的 BSC就不能正常工作，造成該效勞區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)的中斷。在2G系統(tǒng)中，主要考慮的是 HLR歸屬位置存放

2、器的容災(zāi)。對于 MSC 2G系統(tǒng)中沒有針對 MSC失效的安 全性措施，只是通過 MSC設(shè)備本身的可靠性措施，即設(shè)備的單板備份和端口備份來保證MSC網(wǎng)元的平安。為了減少出現(xiàn)問題時(shí)移動業(yè)務(wù)受影響的范圍，通常的解決方法是盡量采取小容量MSC的策略來躲避風(fēng)險(xiǎn)，但這不能從根本上解決問題。因此2G網(wǎng)中存在著MSC勺平安隱患。由于移動公司只有 GSM網(wǎng)絡(luò)，這就決定了未來 3G制式不可能采用 CDMA 2000制式，而 WCDM和 TD-SCDMA 兩種制式的主要區(qū)別在于無線接入網(wǎng)，核心網(wǎng)局部根本一致，因此本文只討論WCDM各版本的核心網(wǎng)。另外，WCDMA F以后的版本離實(shí)際組網(wǎng)還有頗長的路，故本文只討論R9

3、9 R4和R5版本的容災(zāi)技術(shù)。由于篇幅限制，本文主要討論核心網(wǎng)中MSC勺容災(zāi)技術(shù)，但有些 MSC容災(zāi)技術(shù)也適用于 HLR SGSNGPR&艮務(wù)支持節(jié)點(diǎn)等網(wǎng)元。2、R99階段容災(zāi)技術(shù)在WCDMA R9階段，核心網(wǎng)組網(wǎng)與 GSM/GPR網(wǎng)絡(luò)根本一致，只是把原來的 MSC進(jìn)行軟硬件升級，以支持 WCDM的接入，因而仍存在著與 GSM系統(tǒng)一樣的平安隱患，解決方法仍是設(shè)備級保證和小容量MSC技術(shù)，設(shè)備級保證技術(shù)詳情請參見 3.1。3、R4階段容災(zāi)技術(shù)在WCDMA4階段，核心網(wǎng)引入了控制和承載別離的軟交換架構(gòu)，將傳統(tǒng)2G網(wǎng)絡(luò)中的MSC別離成MSCServer移動交換中心效勞器和 MG媒體網(wǎng)關(guān)，其中

4、 MSC Server負(fù)責(zé)信令處理、路由和業(yè)務(wù)；MGV負(fù)責(zé)媒體流處理。接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間的Iu接口的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍為樹形結(jié)構(gòu)，下級節(jié)點(diǎn)只能被一個(gè)上級節(jié)點(diǎn)控制。如果MSCServer發(fā)生故障，那么其管理的 MGV和RNC無線網(wǎng)絡(luò)控制器都不能正常工作，將造成效勞區(qū)內(nèi) 業(yè)務(wù)的中斷。MSC Server是業(yè)務(wù)處理的中心，其容量一般都較大，且集中設(shè)置，是網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備平安性的重點(diǎn)關(guān)注局部。為了防止單點(diǎn)故障引起大片區(qū)域業(yè)務(wù)中斷的情況，MSCServer除了要提供設(shè)備級的可靠性措施外，一般還需要提供網(wǎng)絡(luò)級的可靠性措施。而MGV一般按最正確的話務(wù)吸收點(diǎn)分散設(shè)置，其平安性方面的要求相對要低一些，一般通過板級和設(shè)備級的冗

5、余備份來實(shí)現(xiàn)。3.1 設(shè)備級保證MSCServer硬件系統(tǒng)可采用單板的備份、負(fù)荷分擔(dān)、冗余配置等可靠性設(shè)計(jì)方法，并通過優(yōu)化單板和系統(tǒng) 的故障檢測/隔離技術(shù)來提高系統(tǒng)可維護(hù)性。軟件系統(tǒng)可采用模塊化設(shè)計(jì)，通過專業(yè)的容錯(cuò)能力、對故障 的監(jiān)視系統(tǒng)及對故障的合理處理來保證設(shè)備的可靠性。在MGV中，可采用模塊化設(shè)計(jì)，使局部模塊變化不會對其它功能模塊造成影響。設(shè)備的業(yè)務(wù)單板應(yīng)支持多 種備份和負(fù)荷分擔(dān)方式， 防止單點(diǎn)故障。風(fēng)扇和電源也應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)，并提供多種告警處理機(jī)制。此外,還可通過多級用戶權(quán)限管理、防火墻功能、密鑰、鑒權(quán)等方式，提供業(yè)務(wù)平安性，從而提高系統(tǒng)性能和業(yè) 務(wù)質(zhì)量。3.2 雙歸屬技術(shù)MGV與 M

6、SCServerMSCServer與MGV間有控制和被控制的關(guān)系，其網(wǎng)絡(luò)級可靠性措施比擬復(fù)雜，一般采用 間的雙歸屬機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。目前的雙歸屬方案包括：1雙歸屬1+1主備模式：主 MSCServer與備MSCServer同時(shí)運(yùn)行相同的軟件和數(shù)據(jù)，備用MSCServer是主用MSCServer的鏡像，備用MSCServer與外部網(wǎng)元如 HLR等的信令鏈路處于非激活態(tài)。一旦主用MSCServer出現(xiàn)故障，備用 MSC Server將激活為主用 MSC Server，MGV注冊接入新的 MSC Server 如圖1所 示。f MSC 上強(qiáng)罐曲備悄Si MSC iSciAcrTCPtPScncrMOWMt

7、iW圖11+1主備模式2雙歸屬1+1互助模式：兩個(gè) MSC Server都預(yù)留局部資源給對方作為非激活態(tài)的資源，一旦對方MSCServer出現(xiàn)故障，就激活預(yù)留的資源，接管對方管理的MGV等資源，原來獨(dú)立運(yùn)行的端局將合二為一如圖2所示。MSC 心建置略益3 L MNC囂 cfV 卯lylPMt VMG*圖21+1互助模式(3)雙歸屬N+1備份模式：雙歸屬 N+1備份模式是指在由 N個(gè)MSC Server組成的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置一個(gè)備份 用的MSCServer，平時(shí)N個(gè)MSCServer正常工作，備份用的 MSCServer空轉(zhuǎn)。當(dāng)N個(gè)正常工作的 MSCServer 中一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)， 備用的MSCSe

8、rver自動接管故障的 MSCServer下管理的MGWR RNC (如圖3所示)。圖3N+1主備模式(4)雙歸屬N+1互助模式：雙歸屬N+1互助模式中，采用N個(gè)主用 MSC Server和1個(gè)容災(zāi) MSC Server，而且容災(zāi)MSC Server也處理本局業(yè)務(wù)。容災(zāi)MSC Server實(shí)時(shí)備份N個(gè)主用的MSC Server的數(shù)據(jù)，一旦主用的MSC發(fā)生故障，容災(zāi) MSC Server將接管故障的主用 MSC Server中的所有用戶如圖 4所示對于1+1主備模式，在資源上比擬浪費(fèi)，且如果主MSC Server和備MSC Server放置在同一機(jī)房，雖然在網(wǎng)絡(luò)配置上比擬節(jié)約，但是容災(zāi)的效果將大

9、為降低。對于1+1實(shí)時(shí)互備模式，目前移動通信網(wǎng)中應(yīng)用的比擬廣泛，屬互助方式，要求網(wǎng)元必須成對配置，每個(gè) MSC Server都要預(yù)留資源，這造成了平時(shí)MSC Server處理能力的閑置。該容災(zāi)方式的網(wǎng)元配置數(shù)據(jù)比擬復(fù)雜，也不夠經(jīng)濟(jì)，將來可能向N+1備份方式轉(zhuǎn)變。對于N+1主備模式和N+1互助模式，其缺陷是無法處理兩個(gè)MSC Server同時(shí)退網(wǎng)，雖然兩臺 MSC Server由于自身原因同時(shí)出現(xiàn)故障的概率非常低，但在移動運(yùn)營商的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，由于局所的限制，大量網(wǎng)元可 能設(shè)置在同一局所，甚至在同一機(jī)房。自然災(zāi)害和社會災(zāi)害可能會導(dǎo)致一個(gè)局所的設(shè)備都不可用。因此在 現(xiàn)實(shí)中，出現(xiàn)2個(gè)以上MSC Ser

10、ver同時(shí)癱瘓的情況不可排除。在此情況下，N+1備份模式將不起作用。3.3 VMGW雙歸屬技術(shù)只是針對 MSC Server宕機(jī)時(shí)的容災(zāi)技術(shù)，而 MGV宕機(jī)時(shí)，其效勞的 RNC將不可防止的受到影 響。在R4階段，因?yàn)镸GV設(shè)備的容量較大，為了防止宕機(jī)影響的用戶過多，類似于硬盤分區(qū)，可以將一 個(gè)物理MGV區(qū)分為多個(gè)邏輯上獨(dú)立的 VMGW虛擬MG。每一個(gè)VMGV可以連接多個(gè) RNC并且可以獨(dú)立注 冊到MSC Server上，但是一個(gè) VMG不能被多個(gè) MSC Server同時(shí)管理。這就大大減少了MGV宕機(jī)時(shí)造成的影響范圍，但它不能從根本上解決MGV宕機(jī)的平安隱患。3.4 MGW負(fù)荷分擔(dān)MGW負(fù)荷分

11、擔(dān)技術(shù)主要是通過 MGW互備方式來解決MGV的單點(diǎn)故障問題。舉例說明，負(fù)荷分擔(dān)的 MGW1 MGW2 MGW組成一個(gè) MGWfe MGWPool，由同一個(gè) MSCServer控制MGW 資源池的MGV的數(shù)目理論上不受限制。RNC通過MGW接入到核心網(wǎng)。MGW負(fù)荷分擔(dān)技術(shù)是指在 RN MGW1 連接線之外，增加了 RNC-MGW2RN MGW兩條備份連接線。在正常工作時(shí)，RN MGW是激活工作狀態(tài)，RN MGW2 RNMGW處于非工作狀態(tài)。MSC Server通過H.248的SCTP基于IP的信令傳輸連接和 lu接口的SCCP信令連接控制局部連接 判斷l(xiāng)u連接狀態(tài)，當(dāng)所有 H.248的SCTP連

12、接和SCCP連接都斷了，并在一定的時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)，即判斷 出現(xiàn)故障，切換到備份 MGWV而RNC那么是通過lu接口的MTP3B基于ATM的信令傳輸，判斷對端 MG雇 否故障。當(dāng)檢測到故障后，啟動切換流程，切換到備份MGW但是，當(dāng)某一個(gè) MGW發(fā)生故障時(shí)，非故障的 MGV將承當(dāng)兩個(gè)MGV的話務(wù)，這對于其業(yè)務(wù)提供能力來說，有 可能難以滿足需求。因此，必須通過流控機(jī)制來保障設(shè)備免遭阻塞，但這會帶來用戶呼損率的增大。4、R5階段容災(zāi)技術(shù)4.1 Iu-flex技術(shù)原理 在WCDMR5階段，它繼承了 R4的軟交換架構(gòu)思想，而且提出了 lu-flex 技術(shù)，引入了“池域 Pool-Area 的概念如圖5所示

13、，一個(gè)池域就是由多個(gè)同類網(wǎng)元組成的共同控制一個(gè)或多個(gè)位置區(qū)的網(wǎng)元集合。核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)作為資源池，RNC可以連接多個(gè)MSC/SGSI網(wǎng)元、池域。RNC被池中的多個(gè)網(wǎng)元同時(shí)管理，RNC的終端用戶可以按照負(fù)載均衡的原那么注冊到池中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖5 Iu-flex 技術(shù)示意在物理連接上，一個(gè)RNC可以與多個(gè)MGVt路由連接，以保證當(dāng)其中一個(gè)MGV不可用時(shí)切換到別的 MGV上MGV可以和MSC Server分開放置，它們不必為對應(yīng)關(guān)系，MGV和MSC Server可以是多對多的關(guān)系，一個(gè)MG阿受控于多個(gè) MSCServer。多個(gè)MSCServer形成一個(gè)池，一旦其中的一個(gè)MSCServer出現(xiàn)故障,此M

14、SC Server所負(fù)責(zé)的用戶可以馬上被池域中的其它MSC Server接管，當(dāng)用戶重新接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)位置更新、呼叫嘗試等，BSC/RNC將實(shí)時(shí)用戶分配至池中其他 MSC Server，用戶感受不到網(wǎng)絡(luò)效勞的中斷，實(shí) 現(xiàn)了“零宕機(jī)時(shí)間，從而保證其效勞的連續(xù)性。tjfAre>3nockArc"lu-flex 技術(shù)的提出，改變了 R5之前版本中Iu接口的樹形結(jié)構(gòu)，代之以分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種分層網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)提供了樹形結(jié)構(gòu)所不具備的容災(zāi)技術(shù)，雖然這種分層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)會增加網(wǎng)元的數(shù)目和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。MSCMW.I機(jī)仇6i圖6池域配置示意lu-flex和傳統(tǒng)組網(wǎng)方式的不同之處在于:1 lu-fle

15、x 不僅能解決網(wǎng)絡(luò)備份問題，也可以實(shí)現(xiàn)MSC之間的資源共享與互助。在池域中的多個(gè)MSC是并行效勞于RNC的，而且相互之間分擔(dān)池域中的業(yè)務(wù)。2 池域技術(shù)不只適用于 MSC也適用于SGSN 且 MSC和SGSr可以獨(dú)立組建池域，如圖 6中的CS電路 交換pool area 1、2 和 PS 分組交換pool area 1、2。3 MSC/SGSI池域之間的劃分可以重疊，如圖6 中的 CS pool area1 和 CS pool area2、PS pool area1 和 PS pool area2。4.2 lu-flex技術(shù)優(yōu)點(diǎn)(1) 實(shí)現(xiàn)MSC間的資源共享與互助，增大核心網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。Iu-f

16、lex 的多節(jié)點(diǎn)技術(shù)使得增加池域容量變得簡單容易，新增網(wǎng)元對現(xiàn)網(wǎng)少影響甚至不影響。而當(dāng)池域中某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或擁塞，BSC/RNC可相應(yīng)選擇池域內(nèi)的其它可用節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)接替，此時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)共同分擔(dān) 故障節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)，防止了雙歸屬方式中容易出現(xiàn)的備份局點(diǎn)難以滿足兩個(gè)局點(diǎn)業(yè)務(wù)負(fù)荷的要求的情況。(2) 可以克服大城市用戶群的“潮汐效應(yīng)，節(jié)省MSC的設(shè)計(jì)容量。在大城市，用戶群一般是在市中心的工作區(qū)工作而在市郊的居住區(qū)居住。這會導(dǎo)致市中心和市郊的MSC勺負(fù)荷呈現(xiàn)“潮汐效應(yīng)。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)MSC容量時(shí)，為了使 MSC滿足業(yè)務(wù)要求，都是按可能的最大容量來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致了 MS(資源的浪費(fèi)。而lu-flex 能實(shí)現(xiàn)M

17、SC之間資源共享與互助，在市中心和市郊局部 的位置區(qū)組成一個(gè)池域，多個(gè)池域之間可以在市中心重疊，這就可以克服“潮汐效應(yīng)，大大節(jié)省了MSC的資源，提高M(jìn)SC資源利用效率，也能提高市中心MSC勺容量。(3) 減少M(fèi)SC局間切換和到HLR的業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)。與單節(jié)點(diǎn)效勞區(qū)相比，lu-flex 大大減少位置登記信令交互以及局間切換過程，減少了MSC到HLR的信令負(fù)荷，還大大減少了跨局切換的次數(shù)。(4) lu-flex 技術(shù)能與VMG和IP承載技術(shù)配合使用。lu-flex 技術(shù)能與VMGWE合組網(wǎng)，從而減少由于lu接口物理連接的增加帶來 lu接口傳輸本錢的增加。 另 外， lu 接口引入 lP 承載網(wǎng)將能更大的發(fā)揮 lu-flex 技術(shù)的優(yōu)勢。4.3 lu-flex 技術(shù)的缺陷(1) 要支持lu-flex 技術(shù)，UTRAF和核心網(wǎng)除了需要進(jìn)行軟件升級、支持相應(yīng)的功能外，還需要增加一些支持池域的數(shù)據(jù)配置，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比擬大將非常復(fù)雜，需要全網(wǎng)升級，風(fēng)險(xiǎn)和難度均很大。因此，lu-flex技術(shù)適合用于熱點(diǎn)地區(qū)或者小規(guī)模組網(wǎng)。(2) 在MSC故障之后至用戶重新發(fā)起位置登記之前用戶被叫無法接通，必須由用戶主動發(fā)起位置更新或者主呼后，更新 HLR中用戶的MSC/VLF數(shù)據(jù)才能夠做被叫。(3) 跨地域MSC互助困難，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增高，擴(kuò)容復(fù)雜，核心網(wǎng)局部的調(diào)