基于号码取模的HSS旁路方案探讨

【摘要】随着IMS网络逐渐商用部署，IMS安全组网方案备受运营商关注。IMS网络的用户存储设备HSS若发生故障，将中断IMS所有业务，大大影响用户感知，降低运营商声誉。通过研究HSS旁路的可行性，提出了三种可行的HSS旁路方案，并阐述了各旁路方案的实现思路及优缺点，从而得出最优化解决方案。

【关键词】IMS HSS 旁路 取模算法

中图分类号：TN915.81 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2013）-14-

1 引言

随着IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）技术逐步完善，运营商加紧了IMS网络的规模部署，并广泛应用于下一代网络架构的业务融合和转型。HSS（Home Subscription Server，本地用户服务器）设备是IMS网络中的用户数据库，是IMS网络中必不可少的核心设备，为IMS用户提供用户和业务数据存储、用户和业务数据管理、注册与鉴权等重要功能。虽然HSS的设备部署都已考虑了容灾方案，但往往由于承载网络故障、电源故障、设备故障或容灾失效等原因导致主用和备用HSS都处于故障状态，并按照目前的IMS业务流程中断所有业务。由于HSS设备容量大、服务范围广，大面积中断IMS业务严重影响了用户忠诚度，因此有必要研究HSS设备旁路实现方案，确保在应急情况下有效放通业务，提升IMS网络可靠性。

2 HSS旁路可行性分析

HSS旁路是指当某IMS网络中所有的HSS故障失效时，I-CSCF判定出无法从HSS获取用户注册的S-CSCF时，应当支持将重注册和呼叫请求路由到用户注册所在的S-CSCF。IMS业务流程主要包括注册、主叫和被叫，下面将分别阐述这三种流程中HSS旁路的可行性。

在IMS网络中，当用户P-CSCF设备收到初始注册消息时，首先通过I-CSCF设备从归属HSS获取用户S-CSCF能力集，然后根据能力集选择一个合适的S-CSCF，最后S-CSCF再从HSS下载鉴权数据、用户数据和业务数据，以确保完成用户鉴权、主叫和被叫业务。根据SIP用户保活机制，SIP用户将周期性发起注册消息（即SIP用户的重注册）。SIP用户的重注册并不需要再从HSS下载相关数据，而是继续使用首次注册时下载的用户数据。但是重注册时也需要通过I-CSCF查询HSS以获取当前S-CSCF设备信息，从而才能够被转发到用户当前服务S-CSCF，以实现SIP用户的保活。因此在HSS故障时，将无法实现初始注册用户的放通，但可以实现将已经注册用户的重注册消息送至当前服务S-CSCF，确保已注册用户不会被系统注销。重注册流程如图1所示：

图1 HSS正常情况下重注册流程

当P-CSCF设备收到用户发起的INVITE消息时，P-CSCF将INVITE消息送至用户注册所存储的S-CSCF地址，S-CSCF根据用户初始注册所下载的用户数据和业务数据完成后续呼叫的处理，而不再重新需要从HSS下载相关数据，因此HSS设备故障对主叫业务不会产生影响。但是为了确保主叫用户保活，还是需要通过重注册消息进行定期更新。所以在HSS故障时，通过重注册消息能够保证用户为保活状态，实现已注册用户的主叫业务不受影响。

当I-CSCF收到被叫用户的呼叫请求INVITE消息时，I-CSCF向被叫用户归属的HSS发起LIR请求，HSS通过LIA返回用户当前注册所在的S-CSCF设备信息，然后将INVITE消息发送至指定的S-CSCF设备，则此S-CSCF设备根据用户注册所存储的路由信息进行后续呼叫处理。若HSS故障时，I-CSCF需要将INVITE送至用户当前服务S-CSCF设备，才能确保已注册用户的被叫业务不受影响。当然，也需要通过重注册消息确保被叫用户为保活状态。被叫业务流程如图2所示：

图2 HSS正常情况下被叫业务流程

根据上述的IMS业务流程分析可知，在HSS设备无法提供服务的情况下，只要能确保重注册消息和被叫请求消息能够正常发送到用户当前服务的S-CSCF，就可以保证已注册用户的主叫、被叫业务不受影响，提升网络的可靠性。

3 可行的解决方案

方案一：直接盲选

在IMS网络出现HSS故障后，I-CSCF设备到HSS链路为中断，此时I-CSCF网元无法查询HSS获取用户当前服务的S-CSCF，则启动HSS旁路功能，I-CSCF根据预先配置的多个S-CSCF设备随机选择其中一个发送重注册、呼叫请求消息。若用户刚好在此S-CSCF设备，则重注册、呼叫接续成功；若用户不在此S-CSCF，则重注册、呼叫接续失败，HSS旁路放通将会失败。

方案二：轮询选择

在IMS网络出现HSS故障后，I-CSCF设备到HSS链路已经中断，此时I-CSCF网元无法查询HSS获取用户当前服务的S-CSCF，则启动HSS旁路功能，I-CSCF根据预先配置的多个S-CSCF设备逐一选择发送重注册、呼叫请求消息。若用户在当前所选择的S-CSCF，则立刻返回成功响应，I-CSCF不用再选择下一个S-CSCF设备；若用户不在当前所选择的S-CSCF，则不会返回响应消息，I-CSCF在定时器超时后再选择下一个S-CSCF设备，如此往复，直至选择到用户当前所在的S-CSCF设备。

方案三：取模选择

在HSS设备正常情况下，通过用户的初始注册消息指定号码的取模算法获取用户归属的S-CSCF设备。在IMS网络出现HSS故障后，I-CSCF设备到HSS的链路中断，此时I-CSCF网元无法查询HSS获取用户当前服务的S-CSCF，则启动HSS旁路功能，I-CSCF根据指定号码的取模运算对预先配置的多个S-CSCF设备进行选择，得出用户当前归属的S-CSCF设备，从而将重注册、呼叫请求消息发送至此S-CSCF，此S-CSCF再根据存储的用户初始注册时保存的数据完成后续业务。

4 可行方案对比分析

对上述三种方案进行评估分析，具体如表1所示：

通过上述的对比分析可知，方案一比较容易实现，改造量较小，呼叫接续及时性较好，但HSS旁路放通业务程度较小；方案二HSS旁路用户可以选择当前服务S-CSCF，放通业务程度较大，但呼叫接续时延和设备改造量较大，且技术较难实现；方案三可以放通全部被叫业务，呼叫接续及时性很好，比较容易实现。因此，HSS旁路方案建议选择方案三。

5 方案具体实现

5.1 号码取模实现

通过对用户的同一个号码进行取模分析，可得到用户归属的唯一的S-CSCF，可以满足在HSS设备进行旁路时I-CSCF准确选择用户服务的S-CSCF。号码取模实现说明如下：

（1）对于呼叫请求、注册请求，如果I-CSCF查询HSS返回S-CSCF能力集，I-CSCF应触发取模分析，以确定用户归属的S-CSCF设备。

（2）对于作为被叫的呼叫请求，提取Request URI的号码。对于初始注册和重注册请求，取模分析号码为鉴权的username域的号码。若上述PAI、Request URI和username域为+，则相应的取模号码为862087654321。

（3）对上述取模号码的所有数字逐个相加得到一个数值，然后对预先配置的S-CSCF总个数（假设为N）取模，得到相应余数（0…N-1），最后通过对这些余数配置到指定S-CSCF。

5.2 业务实现流程

当IMS网络的HSS都处于故障时，I-CSCF根据上述的号码取模进行HSS旁路，将重注册消息通过号码取模进行放通。当I-CSCF设备收到用户的重注册REGISTER消息时，根据username的号码对S-CSCF总个数3进行取模，若得出的余数为0，则将REGISTER请求消息发至S-CSCF1，S-CSCF1即为用户初始注册所在的S-CSCF，实现了已注册用户的周期更新，确保用户后续的主叫和被叫业务有效放通。注册业务旁路流程如图3所示：

图3 HSS旁路重注册实现流程

当IMS网络的HSS都处于故障时，I-CSCF根据上述的号码取模进行HSS旁路而放通被叫业务。当I-CSCF设备收到被叫用户的呼叫请求INVITE消息时，根据Request URI的号码对S-CSCF总个数3进行取模，若得出的余数为0，则将INVITE请求消息发至S-CSCF1，S-CSCF1即为被叫用户注册所在的S-CSCF，再根据用户注册时所存储的路由信息进行后续呼叫处理，从而确保了被叫用户业务的有效放通，而不是盲目直接随机选择一个导致呼损。被叫业务旁路流程如图4所示：

图4 HSS旁路被叫业务实现流程

5.3 设备实现需求

（1）I-CSCF应支持人工控制和自动控制两种方式。其中，人工控制是根据人工命令进行强制启动与恢复；自动控制是根据I-CSCF与HSS之间的链路状态进行自动启动与恢复。

（2）I-CSCF将用户的重注册消息发送到用户注册所在的S-CSCF，以完成用户重注册鉴权，确保用户成功接入网络。

（3）I-CSCF将用户的业务请求消息发送到用户注册所在的S-CSCF，以完成业务的正常处理。

（4）I-CSCF增加号码取模分析的功能，在HSS故障时，I-CSCF通过取模的方式将用户送至归属的S-CSCF。

6 结束语

基于号码取模的HSS旁路方案，可在全部HSS故障时应急放通已注册用户的主叫、被叫业务，有利于提升IMS网络的健壮性及业务提供的稳定性，将有力推动IMS网络大规模商用，对IMS网络规划、组网部署、容灾应急组网技术的研究具有参考意义。目前，此方案即将在商用IMS网络进行部署应用，有待进一步检验和完善。

参考文献：

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作者简介

何春霞：工程师，学士，现任职于中国联合网络通信有限公司广州市分公司，主要研究方向为IMS、GSM、WCDMA网络的关键技术研究。

易大文：助理工程师，学士，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要从事科研生产项目管理工作。