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Diameter信令 网策略研究

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0  前言

随着IMS、EPC的引入,原有基于电路交换的核心网正越来越快地向基于IP包交换的网络演进,底层基于IP的信令越来越多,这其中,Diameter协议被广泛应用在IMS/PCC/EPC架构中,诸如HSS、CSCF、PCRF、OCS等大量网元之间都采用Diameter信令进行交互,使其成为现阶段电信网中分布最广,也最重要的几个信令之一,因此很多运营商都开始考虑建设DRA(Diameter Routing Agent)节点,组建Diameter信令网,保障网络安全高效运行。

1  建设DRA的必要性

1.1  Diameter信令概述

传统的用于完成计费功能的Radius协议,以其简单安全,易于管理,扩展性好,而得到广泛应用。但是由于协议本身的缺陷,比如基于UDP的传输、简单的丢包机制、没有关于重传的规定和集中式计费服务,都使得它不太适应当前网络的发展,需要进一步改进。

随着新的接入技术的引入和移动网络的快速扩容,对AAA协议提出了新的要求,使得传统的Radius结构的缺点日益明显。目前核心网络正逐步向全IP网络演进,不仅在核心网络使用支持IP的网络实体,在接入网络也使用基于IP的技术,而且移动终端也成为可激活的IP客户端。这就需要采用新一代的AAA协议——Diameter。Diameter基础协议为各种认证、授权和计费业务提供了安全、可靠、易于扩展的框架。以此为基础定义Diameter应用,只需要定义应用协议的应用标识、参与通信的网络功能实体、相互通信的功能实体间的消息内容以及协议过程,就可以完全依赖Diameter基础协议完成特定的接入和应用业务。Diameter协议具有如下特性。

a) 拥有良好的失败机制,支持失败替代(failover)和失败回溯(faiback)。

b) 拥有快速检测到对端不可达的能力。

c) 拥有更好的包丢弃处理机制,Diameter协议要求对每个消息进行确认。

d) 可以保证数据体的完整性和机密性。

e) 支持端到端安全,支持TLS和IPSec。

f) 为每个会话进行认证/授权,以保证安全性。

1.2  DRA信令网的场景

Diameter 信令作为Radius的演进和继承者,在UMTS/IMS/EPC等核心网络中都会用到。在各个网络中使用Diameter的场景包括EPC漫游、计费、控制策略以及HSS接入等。

EPC漫游场景主要使用在MME与HSS之间的S6接口上,在EPC建网初期,就应设置Diameter信令转接节点,转接漫游地SGSN、MME与归属地EPC-HSS之间的Diameter信令,实现EPC用户的鉴权和移动性管理功能。考虑到漫游业务的开展,建议漫游信令通过Diameter信令网转接(见图1)。

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计费控制场景主要用于核心网与PCRF以及OCS/OFCS网元的互联,这些网元之间的Diameter消息,可以通过Diameter信令网转接。

a) 如果EPC用户采用回归属地P-GW接入,那么PCC相关网元都是在本省内直接互联,因此PCC的Diameter信令初期可以不经过DRA转接。未来随着省内PCC规模的增加,再考虑通过DRA转接。

b) 如果EPC用户采用从漫游地P-GW接入,那么需要通过DRA实现漫游地P-GW与归属地OCS以及PCRF的信令转接,具体如图2所示。

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EPC和IMS中网元(如CSCF、AS)与IMS-HSS的互通也需要用到Diameter信令。这部分信令消息是否通过信令网转接,主要取决于省内IMS网络的网元数量,如果网元数量不多,上述网元之间的Diameter信令可以直连。通过DRA互联的网络组织图如图3所示。

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1.3  DRA信令组网的目的

运营商设置DRA节点、构建Diameter信令网,主要实现如下目的。

a) 简化网络结构、便于局数据管理。EPC、PCC、IMS都是接下来核心网发展的重点,当网络上采用Diameter信令的网元较多时,如果还保持网元之间的全互联,势必会对数据配置和网络维护带来巨大压力。

b) 实现负载均衡。当核心网元和多个PCRF等策略控制网元互联时,需要设置DRA实现多个PCRF之间的负载均衡,同时实现同一用户在不同网元下的Diameter消息路由到该用户归属的PCRF。

c) 隐藏网络拓扑等目的。当EPC用户进行运营商之间的国际漫游时,应部署I-DRA屏蔽运营商内部的网间结构,保护网络安全;同时 DRA还提供信令计费和监测功能,用于运营商之间信令计费、网络可视性、排障等。

从上述必要性分析可以看出,建网时就应考虑建设Diameter信令网络,由其转接EPC漫游信令;并应综合考虑PCC、IMS、OCS/OFCS网元的接入。

2  DRA组网需要关注的问题

2.1  DRA的工作模式

DRA主要有如下几种工作模式。

a) Relay方式。只做路由转发,不对消息中非路由相关字段进行修改,中继不维护会话状态,维护事务状态,实现逻辑比较简单。

b) Proxy方式。与中继类似,Proxy代理利用Diameter路由表来路由Diameter消息。它们的不同之处在于,Proxy代理修改消息以达到策略的强制实施。可以实现应用级别的决策。

c) Redirect重定向。重定向代理在Diameter路由需要集中配置的情况下非常有用。重定向代理为某个域内的所有成员提供服务,但不希望负担域间消息中继的任务。

在现网部署中,主要用Proxy 和Relay两种功能进行组网,对于知道域名但无直连条件的场景采用Relay功能,对于无直连条件且不知道域名的场景则采用Proxy功能。

2.2  DRA的数据同步

一般情况下,DRA节点只是负责转发Diameter客户端和服务端之间信令,并不关心转发的信令是否属于同一个客户。但是到了VoLTE阶段,尤其是SPR独立设置时,当DRA转接PCEF以及AF到多个负载均衡的PCRF信令时,需要DRA保存IMSI和IP,以及IMSI和PCRF的对应关系,保证同一个用户在Gx、Rx等不同接口上的Diameter信令路由到同一个PCRF,解决多PCRF部署带来的寻址技术问题。而这种对应关系经常会带来本地1对DRA之间的动态数据的同步,

图4示出的是多PCRF下IMSI和IP绑定。

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2.3  DRA的处理能力

大多数厂家的DRA设备都采用ATCA架构,DRA设备处理能力较之传统的STP有较大提高。设备处理能力多以每秒处理会话数(TPS)来衡量,即DRA每秒钟能够处理的Diameter一问一答的会话个数。

DRA设备的处理能力与用户模型有很大关系。在只做信令转发,不需维持信令之间的状态关系同步时,一般单个DRA节点可以支持几百万个TPS,典型模型下可支持上亿用户。而当DRA需要维持信令之间的状态同步时,处理能力会有所下降,一些厂家的设备能力甚至下降30%~50%。

3  Diameter信令网组网策略研究

按照各场景对DRA需求的紧迫性不同,本文首先讨论满足EPC漫游需求时,Diameter信令网的组网策略,然后再讨论未来满足计费策略控制以及IMS接入等其他场景的组网策略。

3.1  EPC漫游信令组网策略

3.1.1  DRA节点的设置

DRA节点作为Diameter信令的转接点,不建议和STP合设,应单独设置,主要理由如下:

a) Diameter信令网与目前的STP信令网络承担的业务内容完全不同,仅在硬件上可以共用部分处理能力。而现网已有的STP大多在硬件上就不支持DRA功能。

b) STP的IP化需求目前尚不迫切,因此目前也没必要用DRA替换现网的STP。

c) STP是CS域传统语音承载的控制信令成熟网络,而DRA承载的业务都是IMS业务或是PS业务相对不成熟不稳定的新技术网络,业务变化快,设备更新频繁,网络调整快而多,如果合设,将会对STP承载语音的控制信令网元产生不必要的风险和影响。

3.1.2  DRA组织结构

对于DRA的组织结构,建议按照一级结构设置Diameter网络,首先,一级结构比二级结构高效、简单;其次,IP信令互联,无需像传统TDM信令那样需要调配传输电路,只要IP可达即可,所以2种结构下新增网元或者号段数据带来的局数据调整工作量差别不大;第三,DRA的设备容量比传统STP要大很多,完全可以满足一个或者多个省的用户EPC需求。

3.1.3  DRA的覆盖范围

从厂家目前提供的处理能力能看,在只承担S6接口转接功能时,单个DRA支持的EPC用户数基本上都超过1亿户。因此,一般来说处理能力不是DRA节点的覆盖范围的瓶颈,更多的是从管理维护的便利以及网络结构的演进角度考虑DRA覆盖范围的设置。

a) 省际漫游DRA节点可按大区或者省设置。初期可以按大区设置,在大区中心设置DRA节点,覆盖大区内多个省份,未来随着规模的扩大,再逐步或者一步分裂到各个省。

b) 独立设置I-DRA节点,实现运营商之间的国际漫游。I-DRA还需要承担运营商之间的拓扑隐藏等额外功能,在数据制作和要求上与省际漫游DRA差别较大,建议独立设置。可以参照ISTP设置模式,独立设置在国际信令转接点所在城市。

3.1.4  DRA厂家选择

DRA一般成对设置,每对DRA间采用负荷分担方式;全国范围内组成双平面,网络结构简单,连接关系只有全互联的50%,易于维护(见图5)。

从网络安全保障角度考虑,仅承担EPC漫游功能的DRA 2个平面可以仿照STP实施两厂家平面的组网。

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3.2  计费和策略控制信令组网策略

如果采用归属地疏通流量的方式,用户的计费和策略控制均由归属地P-GW/GGSN分别与OCS、PCRF互联实现。这时候,只有当OCS以及PCRF网元数量较多时,才需要引入DRA来简化网元之间互联,实现负载均衡。

如果采用漫游地疏通流量的方式,用户的计费和策略控制均由P-GW/GGSN分别与归属地OCS、PCRF互联实现。这时候,需要引入DRA来简化两地网元之间互联,并实现负载均衡。

在VoLTE阶段,当DRA转接PCEF以及AF到多个负载均衡的PCRF信令时,需要本地1对DRA节点之间的数据能够同步,这种同步接口为私有接口,目前只有同一厂家的DRA之间才能实现。

对于运营商来说,无论哪种流量疏通方式,运营商都会面临是否将转接EPC漫游信令的DRA与转接计费和策略控制信令的DRA合设的问题,除了考虑处理能力的因素以外,还需要考虑EPC漫游信令DRA异厂家双平面设置能否满足本地1对DRA之间数据同步的要求。

如果选择合设,那么在当初建设EPC漫游的DRA节点时,就应该选择全国同一厂家组网或至少省内1对DRA为同一厂家;如果分开设置,那么EPC漫游的DRA节点的2个平面可以为2个厂家,而本地单独设置1对同厂家的DRA用于转接计费和策略控制。

3.3  HSS接入信令组网策略

前面已经论述过,当HSS网元较多时,EPC和IMS中与HSS之间的Diameter信令互联,可以通过Diameter信令网转接。在网络发展初期,上述需求并不迫切。未来有需求时,上述连接也都是在本省发生,并不涉及跨省的全国组网,可以和前面2种DRA中的1种合设,也可以独立设置。

4  结束语

综上所述,为满足疏通EPC漫游信令,以及IMS网元之间的Diameter信令消息的需求,应在全国范围内建设DRA信令网,并且应采用一级结构,在大区中心或省会设置双节点以保证网络安全,这种业务模式下,全网可以采用同厂家设备,也可以采用2个厂家设备双平面组网。

但PCC引入后,由于成对设置的节点之间的同步问题,则限制了厂家的选择。如果前述DRA网络采用了同厂家设备组网,则可以合设,否则,也可以考虑在全网采用大区制单独再建设第二套DRA网络专门疏通Gx、S9等接口的Diameter消息。

参考文献:

[1]  3GPP TS 29.118 Mobility Management Entity (MME) –Visitor Location Register (VLR) SGs interface specification[S/OL]. [2012-12-24]. http://bz.ccr100.com/topic.asp?id=53146.

[2]  3GPP TS 29.212 Policy and Charging Control (PCC) over Gx reference point[S/OL]. [2012-12-24]. http://bz.ccr100.com/topic.asp?id=167089.

作者:孔力 韦广林 王题   来源:邮电设计技术

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