SCTP多路径传输在移动网络中的应用研究

高海燕，殷智刚，崔国英

（中国移动通信集团河南有限公司，郑州 450008）

移动网络快速发展，端局和关口局在进行CS域的IP化改造，新入网R4架构的软交换设备有大量的高速信令需求，而现有信令网节点能力有限，传统的7号信令网带宽满足不了现有业务，分组化是网络发展的必然趋势, 7号信令网将采用IP承载，统一网络的承载方式，也有利于简化网络结构和协议种类。

随着全网IP化，作为支撑的信令网也应逐步具备IP承载的能力，现有STP设备均具备TDM和IP的接口能力，为研究STP设备在移动网中IP化的可行性及各厂家间协议的兼容性，笔者进行了信令IP化的测试，本文主要是对SIGTRAN协议簇中SCTP的多路径传输进行研究，以期望了解IP化信令网中各设备厂家故障处理和设备容灾的情况。

1 SCTP在移动网络中的应用

移动网络中7号信令承载IP化使用SIGTRAN协议簇，SIGTRAN是实现用IP网络传送电路交换网信令消息的协议栈，它利用标准的IP传送协议作为底层传输，通过增加自身功能来满足信令传送的要求，如图1所示的协议栈。

图1 SIGTRAN协议栈

流控制传输协议（SCTP，Stream Control Transmission Protocol）是提供基于不可靠传输业务协议（如IP）之上的可靠数据报传输协议。SCTP的设计用于通过IP网传输窄带信令消息，包括适当的拥塞控制、防止泛滥和伪装攻击、更优的实时性能和多归属性支持，对TCP的缺陷进行了一些完善，使得信令传输具有更高的可靠性。

移动网络信令承载IP化后，通过SCTP传输协议在IP网络中传输上层信令消息，偶联是两个SCTP端点通过SCTP协议规定的4步握手机制建立起来的进行数据传递的逻辑联系或者通道。SCTP偶联建立的过程有4个消息交互：INIT，INIT ACK，COOKIE ECHO，COOKIE ACK，如图2所示。

图2 SCTP偶联建立

2 SCTP多路径分析

SCTP协议规定在任何时刻两个端点之间仅能建立一个偶联，偶联由两个端点的传送地址来定义，通过数据配置本地IP地址、本地SCTP端口号、对端IP地址、对端SCTP端口号4个参数，可以唯一标识一个SCTP偶联。

一个SCTP偶联的两个SCTP端点均可以配置多个IP地址，一个偶联的两个端点之间相应具有多条路径，这就是SCTP偶联的多地址性。路径管理即通路管理是指通过心跳，累计重传次数，SCTP对目的地址，端点的可达性进行管理，在SCTP规范中描述为，发送方的SCTP用户能够使用一组传送地址作为SCTP分组的目的地，SCTP路径管理功能可以根据SCTP用户的指令和当前合格的目的地集合的可达性状态，为每个发送的SCTP分组选择一个目的地传送地址。当其它分组业务不能完全表明可达性时，路径管理功能可以通过心跳消息来监视到某个目的地地址的可达性，当任何远端传送地址的可达性发生变化时向SCTP用户提供指示。路径管理功能也用来在偶联建立时向远端报告合格的本地传送地址集合，并把从远端返回的传送地址报告给本地的SCTP用户。在偶联建立后，需要为每个SCTP端点都定义一个首选路径，用来在正常情况下发送SCTP分组。SCTP规范中没有明确多路径的切换条件及切换顺序，也没有对首选路径做详细的规定。

目前移动网中，偶联的SCTP端点的地址列表包含两个IP地址，一个偶联可以包括多条路径，但只有一个首选路径。如图3所示，MGC端点包括两个传送地 址（10.11.23.14：2905和 10.11.23.15：2905），SG端点也包括两个传送地址（10.11.23.16：2904和10.11.23.17：2904）。

图3 偶联建立后的路径

两个端点决定了一个偶联，该偶联包括4条路径，某条路径空闲时，本端SCTP生成相应的心跳消息并通过该路径发送到对端端点，对端端点必须立即发回对应的心跳确认消息。这种机制可以用来精确测量回路时延，随时监视偶联的可用情况和保持SCTP偶联的激活状态。对于SCTP的多路径传输，各个设备供应商有不同的实现，有的切换顺序是图3中的Path0-Path1-Path2-Path3四个路径，有的切换顺序是图3中的Path0-Path3两个路径，不同的切换顺序设备对接时对网络的安全和容灾会产生一定的影响，甚至影响上层业务。

3 多路径应用研究

3.1 异厂家设备间多路径应用测试

为了对多路径的切换进行全面了解，我们组织多厂家设备间的互通测试，测试中涉及的网元有IP短信中心、IP的SGSN业务、IP的MSC Server、LSTP，涉及国内、国外5个设备厂商。多路径支持情况测试结果如表1所示。

从测试结果来看，各厂家SCTP协议的实现对于多路径解析是不相同的，有的是按Path0-Path1-Path2-Path3四路径进行顺序切换，有的是按照Path0-Path3两路径进行简单切换，而H设备商的STP设备可以根据数据配置设置成两路径或四路径,理论上数据配置更加灵活。在实际网络应用中，偶联两端路径的切换顺序尽量一致，多路径的正确匹配有利于提高信令的重传效率，降低切换时延，减少隐性故障的发生。

表1 设备间多路径测试

3.2 异常情况分析

图4是移动网络中网元以IP接入的拓扑结构，IP节点在物理上以双平面方式接入CE，CE设备通过AR设备接入IP承载网互通。

图4 移动网络中IP互通节点网络拓扑

对于IP节点SP1和SP2的偶联均采用四路径的方式，理论上相对安全可靠，两个节点可以根据网络情况进行4个路径的切换，只要双方各有一个信令处理模块正常和网络可达的情况下两个节点就是可达的，在应用中重点考虑信令时延和切换时延对信令的影响。

对于IP节点SP1和SP2的偶联均采用两路径的方式，移动网络的应用中有两个路径，首选路径是本条信令链路本端主用IP1到对端主用IP3，备用路径是本端备用IP2到对端备用IP4，如图5所示。

图5 SCTP偶联两路径配置

在两路径的配置中，配置比较清晰，SCTP偶联的切换相对简单，协议实现上也容易些，但这种组网有一个隐患，移动网络中IP承载接入有相对清晰的主备平面，如果交叉CE（如图中的CE1和CE4）同时故障的情况下会导致SP1和SP2两节点不可达，这是因为CE1和CE4同时故障时，IP1-IP3和IP2-IP4两个路径同时故障，SP1和SP2间没有可用路径，信令消息无法传输。在应用测试时，将CE1和CE4同时设置为故障态，SP1和SP2网元都出现信令点不可达的告警，信令消息无法传输，上层业务中断，证明隐患确实存在。

对于IP节点SP1和SP2的偶联一个采用两路径一个采用四路径的方式，四路径的一端会有两个交叉路径故障的告警，主备用路径能正常启用，隐患同两路径的配置方式时一样，在交叉CE同时故障时两端业务会中断。

另外，在应用测试中发现数通专业和交换专业对IP承载的信令都可能有自己的保护机制，如IP内部绑定机制、启用VRRP协议等，各专业过度的保护不但增加信令传输的时延且配合不当时会引起消息的重传、路径频繁的异常切换等现象。

4 小结及建议

经过对不同厂家设备的应用研究，发现移动网络现有设备中SCTP的多路径传输各个厂家的解决方案不尽相同，数通专业和交换专业各自的网络冗余保护机制也会存在一定的冲突，如何解决多厂家间SCTP的多路径配合，是信令IP化中必须解决的问题。

总结网络中设备情况，希望在集团内对各个厂家的SCTP多路径进行统一标准，以指导不同设备间的信令配合问题。笔者建议如下。

（1）建议SP与CE间的路由简单化。综合优化数通专业和交换专业的冗余保护机制，发布统一的拓扑结构，路由设置尽量简单，避免跨接各种交换机，数据传送的可靠性可由SCTP协议本身及上层用户来保证。

（2）建议集团公司或研究院根据网络情况对SCTP协议多路径传输进行补充说明，明确四路径设置，明确首选路径和路径切换的顺序与原则。根据移动网内的拓扑结构和各厂家的SCTP协议支持情况，建议优先选择SCTP四路径设置，设备集采时要求设备厂家SCTP模块支持四路径。

（3）优化目前仅支持两路径的设备设置，数据规划时避免交叉CE或交叉端口故障引起的信令阻断问题，同时明确首选路径和切换路径。对于仅支持两路径设置的设备，建议数据规划时两个IP节点间建立多个偶联，将偶联首选路径的IP地址分别布在不同的信令处理板和两个CE平面上，利用上层的数据配置避免网络隐患，弥补两路径的不足。

（4）推进各厂家设备的版本升级，推行二、四路径可选设置，灵活配置网络数据。