SIGTRAN在信令网中的应用

　　摘要：本文主要分析了SIGTRAN技术中的M3UA协议和M2PA协议在信令网中的应用，阐述了这两种协议的主要特点、使用场合和存在的问题，并提出了IP信令网的组网方案。

　　关键字： SIGTRAN M3UA M2PA

　　1.引言

　　SIGTRAN是IETF为了实现信令在IP上承载提出的协议体系，从不同的应用情况出发，提出了多种适配层的协议，包括M3UA、M2PA、M2UA和SUA，而底层协议栈都是SCTP/IP，为高层信令提供校验、重传等服务，尽量减少底层IP网络对于高层信令的影响。在移动领域，用的最多的是M3UA协议。3GPP在R4版本提出了信令基于IP承载的方案，移动性管理协议MAP、智能网协议CAP以及呼叫相关的局间信令BICC都可以基于IP承载，3GPP的建议是基于M3UA/SCTP/IP进行承载。
　　在2G电路交换网路中，MAP、CAP、ISUP等协议都基于MTP3/MTP2/MTP1的承载方式，在实际组网时，这些信令是通过STP（信令转接点）组成的信令网络传送的，相应的信令点和信令转接点需要支持MTP协议。在R4版本中，BICC协议取代了ISUP协议，MAP、CAP和BICC协议基于IP承载以后，是否需要一个STP组成的IP信令网以及信令网应采用SIGTRAN哪种协议成了一个焦点问题。

　　2.信令网的需求

　　众所周知，在移动网络中，大部分的信令业务都是MAP和CAP信令，这两种呼叫无关的信令主要完成移动用户的位置更新、路由查询和智能网业务相关操作等。从协议栈看，不论MAP和CAP采用TDM、ATM或IP承载，SCCP层都是必须的，也就是说MAP信令和CAP信令需要SCCP的GT寻址功能来实现路由查询。在2G网络中，信令网中STP的一个主要功能就是进行GT翻译和消息转发。在3GPP R4网络中，基于SCCP层的寻址方式没有改变，STP的GT翻译和消息转发功能仍然是必须的，即仍然需要信令网进行MAP和CAP的承载和转发。

　　BICC是ITU-T的规范，ITU-T规定的BICC在IP上承载的方式为SCTP/IP，所以BICC协议通过IP承载有两种方式，当采用3GPP建议的M3UA/SCTP/IP承载时，可以通过信令网进行转发，因为M3UA中包含了目的信令点信息；当BICC直接承载在SCTP上时，无法通过信令网承载。R4核心网中MSC Server和MGW之间的H.248协议也很重要，但是与MAP和CAP的应用场景不同，采用MAP协议和CAP协议的网络实体在逻辑上是需要网状连接。H.248协议属于点到点的协议，不存在路由和寻址问题，MSC Server上已经配置了MGW的地址信息，因此无需信令网进行路由查询；此外和BICC协议类似，如果H.248协议直接承载在SCTP上，也无法实现通过IP信令网的承载。

　　总的来看，在组建大规模R4网络时，需要一个信令网提供信令路由和转发功能，这个信令网可以是传统的No.7网络，这里不再讨论，也可以是基于IP的信令网。IP信令网主要采用SIGTRAN技术实现MAP和CAP协议的承载，而BICC协议和H.248协议则不需要IP信令网承载。在使用SIGTRAN的情况下，STP从原来基于TDM承载变成了基于IP承载，下面将主要分析SIGTRAN中的M3UA和M2PA在信令网络中的应用。

　　3.M3UA的特点和应用

　　由于3GPP规定了MAP、CAP和BICC都可以基于M3UA承载，所以很自然的一种方案是STP之间以及STP和信令点之间都采用M3UA协议，但是这种方案存在一些问题。从IETF定义的M3UA规范RFC3332可以看出，M3UA是一种用户适配层协议，主要职责是完成层间原语的适配，使得MTP3的上层应用，如SCCP无需任何改变，还象底层是MTP3一样通信，从这个角度来说，MAP和CAP采用M3UA承载是非常合适的。但是M3UA作为STP之间的通信协议就不合适了， RFC3332规定的M3UA的主要功能包括：

（1）信令点码表示：M3UA保留了信令点码的识别方式，可以通过信令点码寻址。
（2）选路上下文和路由关键字：M3UA不仅支持基于点码的寻址方式，还包括与SIO和CIC的组和寻址方式。
（3）NO.7 和 M3UA 互通：M3UA协议支持和NO.7网络的互通，并可以将部分信令管理消息映射成IP网路中的消息送到IP网络节点。
（4）冗余模型：包括了SG（信令网关）冗余方案和应用服务器的冗余方案。
（5）拥塞管理:当发生拥塞时，应可以向本地的高层和对等层发出拥塞指示，以便作出相应的处理。
（6）流量控制：M3UA可以控制在新的SCTP偶联上开始的业务量。
（7）SCTP 流映射: 是指M3UA可以完成上层信令到SCTP流的映射，M3UA可以把信令业务分配到不同的流中，对于有顺序要求的信令应分配到相同的流中。
（8）客户端／服务器模型:SG和IP节点之间采用客户端／服务器模型工作，当采用M3UA协议的IP节点间直接通信时，也采用这种模型工作。

　　可见，M3UA保留了信令点码的方式，并规定了SG使用M3UA时如何实现传统NO.7网络和IP SP的互通。如果比较M3UA协议和MTP3协议，会发现从协议的出发点到协议的具体内容都不相同。M3UA规定的所有操作都是用在IPSP和SG之间，并没有规定任何SG之间的操作，如果将其用于STP，那么STP之间的操作将没有依据。所以虽然M3UA继承了MTP3的层间原语，很好地实现了层间的适配，但是在协议功能和应用的场合等方面与MTP3存在很大差异。

　　从M3UA的功能可以看出，M3UA具有信令网管的互通功能，这与MTP3的信令网管功能完全不同。M3UA的网管互通功能的主要目的是在IP网络和传统NO.7网络的边缘处（即SG上）实现信令网管消息的映射，从而实现IP网络和传统NO.7网络的互通，在IP网络侧主要使用M3UA定义的DUNA、DAVA等消息。MTP3的网管功能包括信令业务管理、信令路由管理和信令链路管理，其中包括了一系列倒换倒回、路由重选等机制和相关的信令消息，包括COO、COA、TFP、TFA等若干消息，这些消息不仅用在SP和STP之间，也应用在STP之间。可以说这套机制保证了整个信令网的可靠性，而M3UA协议正是缺少这些机制。当节点之间的M3UA连接发生故障时，由于M3UA不具有倒换倒回机制，会造成消息丢失。所以从协议本身看，M3UA的设计初衷是应用在SG中，实现IP网络和NO.7网络的互通，如果应用在STP之间，在功能上还有欠缺。

　　有些观点认为，M3UA的下一层协议SCTP可以实现类似MTP3的功能从而保证整个网络的可靠性。应该说二者是不同层面的问题，SCTP用于保证链路的可靠性，而MTP3的机制则是用于保证整个网络的可靠性。SCTP的Multihoming机制通过在两个IP端点上使用多IP地址，来保证IP网络上的两个节点之间的通信充分可靠，这种可靠性不能等同于移动网络的两个信令点之间的可靠通信，因为在移动网络中，任意两个信令点之间的通信可能要经过多个STP转发。在传统NO.7网络中，当某个节点发生故障时，相邻的节点会通过倒换操作，将原来发往故障节点的链路上的消息倒换到与其他节点之间的链路上，从而确保业务的连续性。对于SCTP而言，其Multihoming机制只能实现两个节点之间的相同偶联的不同路径之间的业务切换，无法将业务切换到其他偶联上，所以当某个节点故障时导致节点间的偶联发生故障时，SCTP协议不能保证业务的连续性，会有消息丢失。

　　关于M3UA用在STP之间，IETF也曾经有过一个规范专门规定SG之间的采用M3UA时的各种操作和相应的机制，而且其机制很大程度上是希望延用MTP3的机制，但是在R4版本提出之前，固网和采用电路交换的移动网没有这样的需求，而且IETF已经定义了M2PA协议，所以最终没有成为IETF规范。

　　4.M2PA的特点和应用

　　M2PA是一个对等适配层协议，它的主要特点是保留了MTP3的功能，而将底层的TDM链路替换为IP链路。这样既保留了MTP3的所有功能，又解决了传统NO.7的带宽问题。TDM信令网可以采用64K链路和2M链路组网，信令带宽受限于物理带宽；IP信令网的信令带宽理论上是不受限制的。M2PA协议的主要功能包括：

（1）支持MTP3和MTP2之间的原语：对于MTP3来说就象底层仍然是MTP2一样，其发送的原语没有变换，而M2PA向MTP3发送的原语也和MTP2向MTP3发送的原语相同。
（2）MTP2的功能：包括数据的恢复，以支持倒换过程；向MTP3报告链路状态的改变；处理机故障过程等。
（3）No.7和IP实体的映射：对于每个M2PA链路，M2PA层必须保存No.7链路到它的SCTP偶联和相应的IP目的地的对应表。
（4）SCTP流管理：M2PA层应保证每个偶联中的流的合理管理。
（5）支持IP节点上保留No.7网络中MTP3功能：允许M2PA的上MTP3保留No.7网络的消息处理和信令网管功能。

　　从M2PA协议的功能可以看出，它是一个对等的适配层协议，完全可以作为IP信令网的主要通信协议，包括STP之间以及STP和信令点之间。这样整个信令网的上层功能就和传统的No.7网络完全相同，略有不同的是在IP信令网中，故障的检测和业务倒换的时延会比No.7网络稍长。在No.7网络上，MTP2层负责故障的检测。对于某个TDM链路，当有数据传送时，可以靠数据的传送证明链路的正常工作，没有数据传输时，应发送空数据证明链路的正常工作，如果接收方收不到任何数据，通过一定的判断机制可以判断为链路故障，这个时延很小，一般为毫秒级。在IP承载时，SCTP负责故障的检测，采用重传超时的机制来发现故障。SCTP采用应答机制通知对端收到信息，如果发送端收不到对端的应答消息，发送端会进行重传，重传的时间间隔越来越长，当重传超过预设的次数，则认为偶联（链路）故障，这个时延比TDM检测时延要长，一般为秒级。当然，这个时延也可以通过调整SCTP定时器缩小，但是一般认为由于IP网络是一个共享网络，其时延受到各种因素的影响会大于TDM网络的时延，如果将定时器调得太短，会造成业务的频繁倒换，影响整个网络的效率。当发现链路出现故障后，要进行业务倒换。在No.7网络中，MTP2检测到故障后，将对未成功发送的消息进行回收，并在MTP3指定的新的链路上发送。在IP信令网中，这个过程是类似的，不同的是IP链路上的业务量一般较大而故障检测时延较长，为了不丢失消息，M2PA的消息缓存区应比较大才能实现所有消息的成功倒换，但是即使倒换成功，由于整个过程的时延较长，对于某些高层应用来说可能已经超时。总的来看，IP信令网中，从链路发生故障到业务成功倒换的时延会大于No.7网络的时延。

　　从应用和组网的角度看，当MAP、CAP基于M3UA承载时，由于M3UA不具有网管功能，使得信令网的管理不能到达信令点设备，只能用于采用M2PA的STP之间。如果信令点（MSC Server、HLR、SCP、SGSN等）的MAP、CAP等也采用M2PA协议，就可以实现全网的MTP3功能，这样既实现了承载IP化，又避免了使用M3UA时不具备信令网管功能的问题。但是3GPP并没有对使用M2PA提出建议，因此在R4的产品实现上并没有任何厂商支持这种方案。

　　5.IP信令网组网方案

　　从上面的分析可以看出，M3UA协议更适宜应用在信令网关，而M2PA协议的适用范围更广泛，既可以用于信令网关也可以用于信令网上的STP。由于3GPP建议的R4信令的承载主要是采用M3UA协议，即MSC Server、HLR、SCP等都不支持M2PA协议。因此在组建IP信令网时，单纯采用M3UA协议或M2PA协议在现阶段都是不可行的，目前比较可行的方案是在STP之间采用M2PA协议，在信令点和STP之间采用M3UA协议。从网络架构上看，根据网络的规模，IP信令网也可以分级，这和No.7网络没有差别。

　　这种IP信令网方案与传统的No.7网络相比，其优势主要体现在三个方面，首先是信令带宽非常充足，理论上任何两个节点之间的带宽都没有限制。其次是设备上的接口数量大大减少，这将给运维带来方便。第三，这种方案符合技术发展趋势，可扩展性好。但是这种方案也有弱点，主要体现在以下三个方面，首先是网络的可靠性和安全性方面，前面提到由于IP链路的故障检测和恢复的时延较大，而且M3UA不存在倒换倒回机制，所以会产生呼损。其次是由于IP链路上的业务量较大，当发生故障时影响较大。第三是当前采用这种方案存在一定风险，这种风险来源于IP信令网没有大规模商用经验、M2PA规范还没有正式发布、IP信令网的故障跟踪和再现比较困难等。

　　到目前为止，还没有一个全IP的信令网络投入运营，目前SIGTRAN的主要应用是在固网软交换中的信令网关上的应用，在信令网中的应用一般采用TDM和IP混合的方案，典型的应用是在STP之间采用M2PA协议，STP和信令点之间的接入链路采用64K或2M的TDM链路；也有的应用方式是在STP之间采用No.7技术，在接入链路上采用IP，这种应用一般是在现有的No.7网络上的演进方案，总之都是部分IP承载的解决方案。

　　6.结束语

　　从技术上看，承载IP化是网络的发展趋势，其中也包括信令的IP化。目前采用全IP的方式组建信令网络还存在上面提到的一些问题，这些问题还没有规范的解决方案。由于信令业务要求高可靠性和高稳定性，所以在目前的IP网络技术的前提下运营一个IP信令网还需要不断的研究和摸索。
作者：中国电信股份有限公司北京研究院 邢燕霞   来源：《网络通信世界》