IMS核心网元CSCF容灾方案探讨

摘要　文章主要对IMS核心网元CSCF的容灾方案进行探讨，对IMS的三种呼叫会话控制功能P-CSCF、I-CSCF以及S-CSCF的容灾组网提出建议，并提出IMS用户注册以及基本呼叫场景的容灾实现方案。

关键词　IMS　CSCF　容灾　P-CSCF　I-CSCF　S-CSCF

1　引言

IMS(IP多媒体子系统)受到运营商普遍认可，被广泛应用于运营商实现业务融合和转型战略的下一代网络架构中。为了能让多媒体业务提供和提升现行网络能力，中国电信开展了大规模的IMS网络试点工作，探讨IMS网络的运营模式与部署方案。IMS网络的安全组网是网络部署方案中非常重要的部分，因此很有必要对此进行探讨。

CSCF(会话控制功能)位于IMS网络的控制层，根据不同的功能，CSCF具体分为P-CSCF(Proxy－CSCF)、I-CSCF(Interrogating-CSCF)和S-CSCF(Serving-CSCF)。P-CSCF为会话控制功能，主要负责SIP终端的接入，将拜访地接入网络的SlP事务转接到其归属地的S-CSCF，完成与IMS SIP终端之间的SIP消息压缩／解压缩、承载资源认证、QoS管理以及计费话单生成。I－CSCF为问询会话控制功能，是归属IMS域的统一入口点，在终端注册时负责为发起注册请求的用户选择一个S-CSCF，在接收到来自其他域的SIP呼叫时负责路由到被叫用户的S-CSCF。S-CSCF为服务会话控制功能，主要负责用户的注册、鉴权以及授权，完成用户的业务触发与会话控制功能。

由此可见，CSCF在IMS核心网络中非常重要。在CSCF无法正常工作的情况下，IMS网络将无法为IMS用户提供网络服务功能，影响到IMS用户的基本通信与增值服务的提供，并直接影响到IMS网络的通信安全。因此，在IMS网络建设之前很有必要对核心网元CSCF的容灾方案进行探讨，以提升IMS网络的健壮性。

2　P－CSCF容灾方案

2.1容灾组网方案

(1]采用互备容灾组网方案

P CSCF根据能力进行配对，接入网络设备将配对的P-CSCF之间配置为主备工作方式，同时接入网络设备配对进行主备配置，分别设置不同的P-CSCF为主用P-CSCF，另外一个配置为备用P-CSCF，实现配对P-CSCF之间的互备工作方式。

以接入网络设备BAC(边界接入控制)为例进行说明。P-CSCF1与P-CSCF2为配对的P-CSCF，BAC1和BAC2分别配置P-CSCF的主备关系如表1：

本方案要求接入网络设备能够配置P-CSCF的主备工作方式。

(2)采用负荷分担容灾组网方案

接入网络设备将P－CSCF工作方式设置为负荷分担，根据预设的负荷分担原则实现P-CSCF的负荷分担工作。本方案要求接入网络设备能够配置N个P-CSCF的负荷分担工作方式。

(3)容灾组网方案建议

采用互备的组网方案对接入网络设备的要求较低，而且易于实现P-CSCF间的动态数据同步，从而实现已注册用户始呼与终呼容灾，建议采用互备的容灾组网方案。

2.2用户注册容灾实现

本文以接入网络设备BAC为例介绍互备容灾组网情况下的容灾实现方案，通过其他设备接八的情况以此类推。

采用互备组网方案容灾实现方式如下：

(1)BAC配置主备P-CSCF IP地址；

(2)BAC与主备P-CSCF之间建立链路检测机制；

(3)BAC检测到主用P-CSCF故障。根据BAC上配置的备用P-CSCF地址将用户发起的注册请求转发给备用P-CSCF进行处理，备用P-CSCF通过DNS得到用户归属网络的I-CSCF并把注册消息转到用户归属网络的I－CSCF，完成用户的注册过程，从而实现主用P-CSCF故障情况下的容灾处理。

2.3已注册用户呼叫容灾实现

(1)已注册用户始呼

为了保证P-CSCF发生故障时用户的呼叫请求可以成功得到处理，P-CSCF互备容灾组网情况下考虑以下两种方案实现(以接入网络设备BAC为例)：

1)P－CSCF发生故障，主叫用户发起的呼叫请求经BAC等接入网络设备发往P-CSCF，BAC检测与P-CSCF之间的链路中断，BAC等接入网络设备向终端发送特殊的失败原因值，终端根据呼叫失败原因值发起重注册，无需等待用户终端的重注册定时器触发重注册来恢复网络服务。这种情况需要对终端以及接入网络设备做统一的配合要求，由于终端厂商比较分散，这种方案在实际应用中有一定的难度。

2)P－CSCF发生故障，主叫用户发起的呼叫请求经BAC发往P-CSCF，BAC检测与P-CSCF之间的链路中断，BAC将呼叫请求发往备用P-CSCF，P－CSCF将呼叫请求发往用户注册的S-CSCF进行处理。这种方案要求将主用P－CSCF中用户的动态数据同步到备用P-CSCF，否则P-CSCF将无法将呼叫请求转发到用户注册的S-CSCF，呼叫失败。本方案只需要对IMS核心网网元提出相应的技术要求，而无需对终端进行特殊的配合要求。

(2)已注册用户终呼

为了保证P-CSCF发生故障时可以将呼叫接续至被叫用户，P-CSCF互备容灾组网情况下实现方案如下：

S-CSCF发现P-CSCF故障，S-CSCF将呼叫请求发往备用P-CSCF，P-CSCF将呼叫请求发往接入网络设备完成后续呼叫接续。

本方案实现的前提是要将主用P-CSCF中用户的动态数据同步到备用P-CSCF，否则P-CSCF将无法将呼叫请求转发到接入网络设备，呼叫失败。

方案中容灾启动的前提是S-CSCF发现P-CSCF发生故障，实现方法建议如下：

1)S－CSCF与P－CSCF在同一域内，建议在s－CSCF与P－CSCF之间建立主动链路检测机制，S－CSCF周期性发送检测消息(如OPTIONS)，当S－CSCF根据预设原则判断与P-CSCF之间的链路中断时判断为P-CSCF发生故障。

2)S－CSCF与P－CSCF不在同一域内，建议在S－CSCF与P-CSCF之间采用被动链路检测机制维护，在S－CSCF把消息转到用户注册的S-CSCF后启动定时器，在定时器超时之前未收到响应的情况下启动链路检测机制，当S-CSCF根据预设原则判断与P-CSCF之间的链路中断时判断为P-CSCF发生故障。被动链路检测机制不要求S-CSCF周期性发送检测消息(如OPTIONS)，而是在超时未收到响应的情况下才开始发送检测消息，减少网络消息负荷，而且无需对链路进行维护。

3　I－CSCF容灾方案

3.1容灾组网方案

由于相互容灾的I－CSCF之间不需要考虑数据同步，因此，建议在一个IMS域设置N个I-CSCF作为本归属域 的统一入口，并且采用负荷分担容灾组网方案。

3.2用户注册容灾实现

用户在进行注册的过程中，拜访网络的P－CSCF需要查询DNS得到归属网络的I-CSCF。因此在P-CSCF查询DNS的过程中，由DNS返回优先级级别相同而权重不同的N个I－CSCF主机名，P-CSCF采用负荷分担原则选择I－CSCF就可以实现本归属域中N个I-CSCF的负荷分担工作方式。

在其中一个或者多个(小于N个)I-CSCF发生故障的情况下，P－CSCF能够根据网络情况选择一个可用的ICSCF，实现方法如下：

(1)P－CSCF与I-CSCF在同一域内，建议在P－CSCF与I-CSCF之间建立主动链路检测机制，P-CSCF根据与I-CSCF之间的链路状况以及DNS下发的I-CSCF主机列表选择一个可用的I-CSCF，从而实现用户注册过程的容灾切换。

(2)P－CSCF与I-CSCF不在同一域内，建议在P－CSCF与I-CSCF之间采用被动链路检测机制，在P-CSCF把注册消息转到用户归属网络的I-CSCF后启动定时器，在定时器超时之前未收到响应的情况下启动链路检测机制，在DNS下发的I-CSCF主机列表选择一个可用的I－CSCF，从而实现用户注册过程的容灾切换。

3.3已注册用户呼叫容灾实现

用户在进行呼叫的过程中，主叫归属的S-CSCF需要通过DNS得到被叫所在IMS域的I-CSCF，由I-CSCF通过HSS查询得到被叫用户注册的s-CSCF。因此在S－CSCF查询DNS的过程中，由DNS返回优先级级别相同而权重不同的N个I－CSCF主机名，s-CSCF采用负荷分担原则选择I－CSCF就可以实现本归属域中N个I－CSCF的负荷分担工作方式。

在其中一个或者多个(小于N个)I-CSCF发生故障的情况下，s-CSCF能够根据网络情况选择一个可用的ICSCF，实现方法如下：

(1)S－CSCF与I－CSCF在同一域内，建议在S－CSCF与I－CSCF之间建立主动链路检测机制，S-CSCF根据与I-CSCF之间的链路状况以及DNS下发的I－CSCF主机列表选择一个可用的I-CSCF，从而实现用户注册过程的容灾切换。

(2)S－CSCF与I－CSCF不在同一域内，建议在S－CSCF与I－CSCF之间采用被动链路检测机制，在s－CSCF把呼叫请求消息转到用户归属网络的I-CSCF后启动定时器，在定时器超时之前未收到响应的情况下启动链路检测机制，在DNs下发的I-CSCF主机列表选择一个可用的I－CSCF，从而实现用户注册过程的容灾切换。

4　S－CSCF容灾方案

4.1容灾组网方案

(1)采用互备容灾组网方案

相同能力集的S-CSCF进行配对。配对的S-CSCF间采用互备的工作方式，HSS根据用户号段或者其他信息分别配置用户优先注册的S-CSCF。

(2)采用负荷分担容灾组网方案

S－CSCF正常工作的情况下，I-CSCF根据HSS下载的用户能力集，按照预定的负荷分担比重选择该能力集对应的S-CSCF进行注册，实现S-CSCF按照预定的比重进行负荷分担。其中一个S－CSCF发生故障，其承担的负荷由其他S-CSCF进行分担。

(3)容灾组网方案建议

采用互备的容灾组网方案需要根据用户号段或者其他信息静态配置S-CSCF的主备关系，实现起来没有负荷分担方案便利。互备容灾组网方案便于实现S-CSCF之间的用户数据同步，但是由于配对S-CSCF之间的用户数据同步需要花费较大的网络资源，而且在可以采用其他方法(具体方法见4.3)获取用户数据的情况下不需要进行用户数据同步，因此建议采用负荷分担组网方案。

4.2用户注册容灾实现

在S-CSCF正常工作的情况下，I-CSCF根据HSS下载的用户能力集，按照预定的负荷分担比重选择该能力集对应的S-CSCF进行注册。

当其中一个S-CSCF发生故障时，故障S-CSCF承担的负荷需要分配到其他S-CSCF中，I-CSCF根据原来预设的比重重新计算其他各S-CSCF应该承载的比例，然后根据比例选择S-CSCF。

4.3已注册用户呼叫容灾实现

(1)已注册用户始呼

为了保证其中一个S-CSCF发生故障时用户的呼叫请求可以成功得到处理，可以考虑以下两种方案：

1)s－CSCF发生故障，如果P-CSCF或AGCF发现当前为用户服务的S-CSCF发生故障，P-CSCF或AGCF等向终端发送特殊的失败原因值，终端根据呼叫失败原因值发起重注册，无需等待用户终端的重注册定时器触发重注册来恢复网络服务。这种情况需要对终端做统一的配合要求，由于终端厂商比较分散，这种方案在实际应用中有一定的难度。

2)s－CSCF发生故障，如果P－cSCF或AGCF发现当前为用户服务的s－CSCF发生故障，P－CSCF或AGCF为用户重新分配s－CSCF，并且向新分配的s－CSCF转发呼叫请求，新分配的s－CSCF向存储实体HSS(归属用户服务器)查询用户的签约数据和原SCSCF备份的数据，然后根据签约数据和备份数据完成用户呼叫请求处理。采用该方案，在S-CSCF发生故障后，已注册在该S-CSCF的呼叫情况将被成功处理，同时恢复用户的其他服务，无需等待用户终端的重注册定时器触发重注册来恢复网络服务。本方案只需要对IMS核心网网元提出相应的技术要求，而无需对终端进行特殊的配合要求。

本方案要求S－CSCF在接受用户注册时，将容灾实现所需的，必要用户数据备份到HSS。方案的关键是如何保证新分配的S-CSCF能获取到用户服务所需的必要用户数据，方法示例如图1所示：

方案中容灾启动的前提是P-CSCF或AGCF发现当前为用户服务的S-CSCF发生故障，实现方法建议如下：

1)P－CSCF与s－CSCF在同一域内，建议在P－CSCF与s－CSCF之间建立主动链路检测机制，P-CSCF根据与S-CSCF之间的链路中断判断为S-CSCF发生故障。

2)建议在AGCF与s-CSCF之间建立主动链路检测机制，AGCF根据与S-CSCF之间的链路中断判断为S-CSCF发生故障。

3)P－CSCF与S－CSCF不在同一域内，建议在P－CSCF与s-CSCF之间建立被动链路检测机制，在P－CSCF把呼叫请求消息转到用户归属注册的s-CSCF后启动定时器，在定时器超时之前未收到响应的情况下启动链路检测，当P－CSCF根据链路检测结果判断与S-CSCF之间链路中断时判断为S-CSCF发生故障。

(2)已注册用户终呼

为了保证其中一个S－CSCF发生故障时可以将呼叫接续至被叫用户，可以采用以下方案：

用户归属的I－CSCF收到呼叫该用户的请求，如果发现当前为用户服务的S-CSCF发生故障，则为用户分配新的S-CSCF，并且向新分配的S-CSCF转发呼叫请求，新分配的S-CSCF向存储实体查询用户的签约数据和原S-CSCF备份的数据，然后根据签约数据和备份数据完成请求处理，将呼叫接续至被叫用户。同时恢复用户的其他服务，无需等待用户终端的重注册定时器触发重注册来恢复网络服务。

本方案要求s-CSCF在接受用户注册时，将容灾实现所需的必要用户数据备份到HSS。方案的关键是如何保证新分配的s-CSCF能获取到用户服务所需的必要用户数据，获取方法参考图1。

方案中容灾启动的前提是用户归属的I-CSCF发现当前为用户服务的S-CSCF发生故障，实现方法建议如下：

1)I-CSCF与S-CSCF在同一域内，建议在I-CSCF与S-CSCF之间建立主动链路检测机制，I-CSCF根据与S-CSCF之间的链路中断判断为S-CSCF发生故障。

2)I－CSCF与S-CSCF不在同一域内，建议在I-CSCF与S-CSCF之间采用被动链路检测机制，在I-CSCF把呼叫请求消息转到用户归属注册的S-CSCF后启动定时器，在定时器超时之前未收到响应的情况下启动链路检测，当I-CSCF根据链路检测结果判断与S-CSCF之间链路中断时判断为S-CSCF发生故障。

5　结束语

IMS核心网元CSCF的安全直接影响到IMS网络的安全，影响到IMS用户的基本通信安全与增值业务的服务提供。由于IMS网络的商用场景比较复杂，在实际的网络部署中可能会遇到各种各样的问题，本文对CSCF容灾方案的探讨可能存在考虑不周的地方，还需要在实践过程中不断修正与完善。