（通信与信息系统专业论文）信令网关中负载均衡的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着i p 技术的发展与成熟，i p 技术被广泛引入到传统电信网络中，电信网中 传统的电路交换业务逐渐被分组交换业务所取代。无论是软交换体系结构还是第 三代移动通信系统都采用基于i p 的分组交换网络，信令网关作为软交换中一个重 要组成部分，担负着传统s s 7 信令网与新兴i p 软交换网络之间传递七号信令消息 的角色。 本文首先从电信网络和信令传输发展出发，介绍了下一代网络演进，以及下 一代网络的核心软交换网络结构的四个层次功能特点；从此引申出信令网关产生 背景，简单介绍了信令网关结构以及其功能特点；再对信令网关中主要协议模块 进行分析，并着重讨论了信令网关高可靠性的几种实现方式。 本文着重于讨论信令网关负载均衡设计与实现，主要分为两个部分进行阐述， 第一部分根据t r i l l i u m 分布式系统架构，提出适合大容量信令网关中s s 7 和m 3 u a 协议负载均衡的解决方案，并详细给出m 3 u a 协议侧分布式模块d f 的软件设计、 实现过程；m t p 3 协议侧分布式模块l d f 的软件设计，模块划分，接口定义，流 程图实现；第二部分提出了m 3 u a 和m t p 3 协议体内的负载均衡解决方案，并详 细介绍了其设计实现。 最后在实现信令网关负载均衡的基础上，给出了基于负载均衡设计的信令网 关性能测试结果。测试结果表明采用该方案的信令网关满足大容量信令网关测试 规范所规定的性能指标。 本文工作的主要意义在于提供了一种基于负载均衡的信令网关实现方案，涉 及了协议体间和协议体内的负载均衡，完成了基于t r i l l i u m 分布式策略的大型电信 软件与信令网关的集成。这种负载均衡方案，具有独立于协议栈的通用结构，可 以成为类似电信软件的负载均衡设计的借鉴。 关键词：软交换；信令网关；负载均衡；s i g t r a n ；m 3 u a ；m t p 3 ；d f t h a 可靠性 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ei pd e v e l o p m e n ta n dm a t u r e i ph a v eb e e ne x t e n s i v e l yi n t r o d u c e di n t o t r a d i t i o n a lt e l e c o mn e t w o r k a n dt r a d i t i o n a ls e r v i c eb a s e do nc i r c u i t - s w i t c hi n t r a d i t i o n a lt e l e c o mn e t w o r kg r a d u a l l yr e l p a c e db ys e r v i c eb a s e do np a c k e t s w i t c h a 1 s o b o t hs o f t s w i t c hs y s t e ms t r u c t u r ea n d3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r eb a s e do i li p - b a s e d p a c k e t s w i t c h ，s i g n a l i n gg a t e w a ya sai m p o r t a n tp a r ti ns o f t s w i t c hn e t w o r k ，p l a yar o l e o ft r a n s f e r i n gs s 7s i g n a l m e s s a g e f r o ms s 7s i g n a l i n gn e t w o r kt oi p b a s e d p a c k e t s w i t c hn e t w o r k f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to ft e l e c o mn e t w o r ka n ds i g n a l i n g t r a n s f e r , a n dd i s c u s s i n gt h ef o u rl a y e rs t r u c t u r eo fs o f l s w i t c hn e t w o r k ；b a s e d o n t h i s ，e d u c i n gt h eb a c k g r o u n do fs i g n a l i n gg a t e w a yi nn e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k ；a l s o d e s c r i b e st h es s 7s i g n a l l i n gg a t e w a ys t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o t o c o l m o d u l e ；t h e na n a l y s et h eh i 曲a v a i l a b i l i t yi m p l e m e n t a t i o no fs i g n a l l i n gg a t e w a y t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nt h el o a db a l a n c i n go fs i g n a l i n gg a t e w a y , m a i n l y i n c u l d et w op a r t ：i nf i r s tp a r t ，c o n s i d e r e dt r i l l i u md f ta r c h i t e c t u r e ，t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t s as c h e m es u i t e df o rs i g n a l i n gg a t e w a y , i n v o l v i n gs o f t w a r ed e s i g na n d i m p l e m e n to fm 3 u a d i s t r i b u t e dm o d u l ed fa n dm t p 3d i s t i b u t e dm o d u l el d f ；t h e s e c o n dp a r tp r e s e n t st h ed e s i g nd e t a i l so fm 3 u aa n dm t p 3p r o t o c o lt h e m s e l v e sl o a d b a l a n c i n gm e c h a n i s m a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，ap e r f o r m a n c et e s tr e s u l to fb a s e do nl o a d b a l a n c i n gs i g n a l i n gg a t e w a y a r eg i v e n t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h i sk i n do f s i g n a l i n gg a t e w a yf u l f i l st h et e c h n i c a li n d e xo fs i g n a l i n gg a t e w a yt e s ts p e c i f i c a t i o n u l t i m a t e l y t h em a j o rm e a n i n gp r o v i d e di n t h i sp a p e ri st h a ti tp r o v i d e sal o a db a l a n c i n g d e s i g ns c h e m ea b o u ts i g n a l i n gg a t e w a y ，i n v o l v i n gp r o t o c o l s i d ea n d p r o t o c o l i t s e l k c o m p l e t t h e i n t e g r a t i o n o ft r i l l i u md i s t r i b u t e d s t r a t e g y a n d s i g n a l i n g g a t e w a y t h i sl o a db a n l a c i n gd e s i g nh a sag e n e r a lf r a m e w o r kt h a ti si n d e p e n d e n tf r o m t h ea c t u a lp r o t o c o ls t a c k ，a n dc a ng i v ear e f e r e n c et ol o a db a l a n c i n gd e s i g no f t e l c o m s o f t w a r ep r o d u c ta sw e l l ， k e yw o r d s ：s o f l s w i t c h ；s i g n a l i n gg a t e w a y ；l o a db a l a n c i n g ；s i g t r a n ；m 3 u a ； m t p 3 ；d f t h a ：r e l i a b i l i t y i i 图表目录 图表目录 图1 - 1n g n 的分层结构【2 】 图l 一2 信令网关在网络中的位置 图1 3 信令网关的信令协议结构1 图1 - 4 信令网关的信令协议结构2 图2 1 信令网关协议栈结构 1 5 】 图2 2 主用备用方式信令网关高可靠性实现 图2 3 负荷分担方式信令网关高可靠性实现 图3 1 信令协议负载均衡方案 1 5 】 图3 2 口侧的d p c 状态变化 图3 3 主d f 同步d p c 状态流程 1 6 】 图3 - 4m 3 u a 侧状态查询【1 6 l 图3 5m t p 3 侧状态查询 图3 6d a t a 分发流程 图3 7d f 模块接口示意 图3 8t r i l l i u md f t - h a 系统架构【1 7 图3 9s m g 附在系统板上的控制逻辑 图3 1 0 应用事件与资源集 图3 1 1d f t h a 控制流程 图3 一1 2 核心资源集对应协议层状态的实时更新 图3 一1 3 分布式m t p 3 架构 图3 1 4l d f 与各个模块接口 图3 1 5n i f 发送数据到m t p 3 流程 图3 1 6 状态查询流程 图3 1 7 层管理接口原语之间的关系 图3 - 1 8 资源集查询 图4 - 1t d m 域的信令网 图4 2 路由表结构 图4 3 四种类型的标记结构 图4 - 4s l s 结构 图4 5 负荷分担例子 图4 - 6i p 侧信令网 图5 1 呼叫模型 图5 2 单板测试环境 图5 3 多板测试环境( 1 0 a ds h a r i n 曲 图5 - 4 单板处理性能曲线1 图5 5 单板处理性能曲线2 图5 6 单板处理性能曲线3 图5 7s s 7 栈与c p u 占有率关系图 v 卫一j m h m加丝丝”拍船勉撕卯”粥鲫加小m m舶舶号兜尉研船舶m州舰彤 图表目录 表1 1 信令网关发展表 表3 1 分布键一 表3 2m t p 3 l d f 和n i f 的接口 表3 3m t p 3 l d f 与m r 的接口 表4 一l 链路组间按照db i t 的负荷分担表 表4 2 链路间按照b b i t 的负荷分担表1 表4 3 链路间按照bb i t 的负荷分担表2 表4 4m 3 u a a s 配置表 表5 14 条链路的负荷情况 表5 2s g l 到s g 2 的话务统计 表5 3 各个模块c p u 占用率 表5 - 4s s 7 板存占用情况 表5 5s i g t r a n 板存占用情况 表5 - 6 多板测试结果 v i 矗弘舵驺弱舛鲐酪贷 塑堕塑 缩略词 a s a p p l i c a t i o ns e r v e r应用服务器 a s p a p p l i c a t i o ns e r v e rp r o c e s s应用服务器进程 d f t h ad i s t r i b u t e df a u l t t o l e r a n t h i g h a v a i l a b i l i t y 分布式容错高可用性 d p c d e s t i n a t i o np o i n tc o d e 目的点码 h d l c h i 咖l e v e l d a t al i i l kc o n t r o l 高级数据链路控制 h l rh o m el o c a t i o nr e g i s t e r 归属位置寄存器 i p ci n t e r - p r o c e s s o rc o m m u n i c a t i o n s 板间通讯 i s u pi s d nu s e rp a r t i s d n 用户部分 l d fl o a dd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，t r i l l i u mc o n c e p t 负荷分担功能 m r m e s s a g er o u t e r , t r i l l i u mc o n c e p t消息路由 m t p l m e s s a g et r a n s f e rp a r tl e v e l1消息传递部分第一层协议 m t p 2 m e s s a g et r a n s f e rp a r tl e v e l2消息传递部分第二层协议 m t p 3 m e s s a g et r a n s f e rp a r tl e v e l3消息传递部分第三层协议 m 3 u am t p 3u s e ra d a p t e rl a y e r m t p 第三层用户适配协议 n g n n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k 下一代网络 n i fn o d ei n t e r w o r k i n gf u n c t i o n 网络互通功能 o p c o r i g i n a lp o i n tc o d e 源点码 p l m np u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k 公共陆地移动网 p s fp r o t o c o ls p e c i f i cf u n c t i o n ，t r i l l i u mc o n c e p t 协议相关功能 p s t n p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 公共交换电话网 s c c p s i g n a l i n gc o n n e c tc o n t r o lp a r t 信令连接控制部分协议 s c ns w i t c h e dc i r c u i tn e t w o r k 电路交换网络 s c t ps t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l 流控制传输协议 s g s i g n a l i n gg a t e w a y 信令网关 s g p s i g n a l i n gg a t e w a y p r o c e s s 信令网关进程 s h s y s t e m a g e n t ，t r i l l i u mc o n c e p t 系统代理 s l s s i g n a l i n gl i i l ks e l e c t i o n 信令链路选择码 s m g s y s t e mm a n a g e r , t r i l l i u mc o n c e p t 系统管理 s s i s y s t e ms e r v i c ei n t e r f a c e 系统服务接口 s t p s i g n a l i n gt r a n s f e rp o i n t 信令转接点 t u p t e l e p h o n eu s e rp a r t 电话用户部分 v l rv i s i tl o c a t i o nr e g i s t e r 访问位置寄存器 v i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔驱拄 导师签名： 日期： 厣钦车 年月日 第一章引言 1 1n g n 网络与软交换 第一章引言 随着i n t e m e t 网络的发展，数据业务快速增长，不仅要在传统的窄带电路交换 网络( s c n ) 中提供电话业务、智能网业务，而且也需要在i p 网中提供这些业 务。由于业务发展需求，要求电路交换网和支持电话业务的i n t e m e t 进行互通。为 了实现s c n 与i p 网互通，用于支持s c n 的七号信令也需要与i p 进行互通。因 此基于分组交换的数据网与电路交换网最终将走向融合，形成统一的i p 核心网， 即下一代网络。 在这一发展背景下，基于软交换技术的n g n 网络应运而生。n g n ( n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k ) ，又称为下一代网络，是一种综合、开放的网络构架，可以在 统一的分组网络上融合通信、信息、电子商务和交易等业务，满足多样化、个性 化业务需求，在继承的基础上实现与各种业务网络( p s t n i s d n 、p l m n 、i n 、 i n t e r n e t ) 之间的互通，在全网内快速提供新的语音、数据、图像融合业务。 采用软交捌2 】技术，将传统交换机的功能模块分离为独立网络部件，各部件按 相应功能进行划分，独立发展。采用业务与呼叫控制分离、呼叫控制与承载分离 技术，实现开放分布式网络结构，使业务独立于网络。通过开放式协议和接口， 可灵活、快速地提供业务，个人用户可自己定义业务特征，而不必关心承载业务 的网络形式和终端类型。 电子科技大学硕士学位论文 图1 1n g n 的分层结构【2 1 从上图可以看出，n g n 的一个最显著的特点是分层结构。n g n 网络可以划分 为四个层次【2 ：边缘接入层、核心交换层、网络控制层和业务管理层。各层的功能 如下： 边缘接入层：将用户连接至网络，集中用户业务将它们传递至目的地，包括各 种接入手段。接入层包括信令网关( s g ) 、中继网关( t g ) 、接入网关( a g ) 、综合 接入网关( i a d ) 、无线接入网关( w a 6 ) 、网络接入服务器( n a s ) 等。信令网关是 n o 7 信令网与分组网的边缘接收和发送信令消息的信令代理，它完成n o 7 信令 网的消息传递部分( m t p ) 与i p n 信令传送( s i g t r a n ) 的转换，而对高层n o 7 信 令用户部分，例如电话用户部分( t u p ) 、i s d n 用户部分( i s u p ) 、信令连接控制 部分( s c c p ) 进行透明传送；中继网关主要用于软交换和p s t n i s d n p l m n 通 过e 1 中继互通时，完成电路交换网的承载通道和分组网的媒体流之间进行转换 处理功能；接入网关用于为各种用户提供多种类型的业务接入，如：模拟用户 接入、a d s l 接入、局域网接入、v 5 接入等；综合接入设备主要是面向个人用 户及小型企业用户的网关设备，将用户端各类终端设备( 如p c 、电话、传真) 接入到分组交换网中。 核心交换层：将信息格式转换成为能够在网络上传递的信息格式。例如：将话 音信号分割成a t m 信元或口包。此外，媒体层可以将信息选路至目的地。 2 第一章引言 网络控制层：该层决定用户收到的业务，并能控制低层网络元素对业务流的处 理。通过软件实现基本呼叫控制功能，包括呼叫选路、管理控制和信令互通， 使业务提供者可自由结合承载业务与控制协议，提供开放的a p i ( 第三方业务) 接口。 业务管理层：在呼叫建立的基础上提供其他的服务。包括网络管理系统、各种 应用服务器及通过第三方接口开发的相关业务等。业务层主要指面向用户提供 各种应用和服务的设备。它采用开放、综合的业务接入平台，为下一代网络提 供各种增值业务、多媒体业务和第三方业务，同时还具有相应的业务生成和维 护环境。业务层可能包括应用服务器、a a a b 匣务器、业务控制点( s c p ) 、策略服 务器、第三方服务器。 在电路交换网中，呼叫控制、业务提供以及交换矩阵均集中在一个交换系统 中，而软交换的主要设计思想是业务控制与传送接入分离，各实体之间通过标准 的协议进行连接和通信，以便在网上更加灵活地提供各种业务。软交换是一个基 于软件的分布式交换控制平台，它将呼叫控制功能从网关中分离出来，开放业务、 控制、接入和交换间的协议，引入“网络就是交换”的概念，真正实现多厂家的 网络运营环境，并可以方便地在网上引入多种业务 4 】。 将现有网络演变成下一代网络并非一日之工，而原有的网络与新网络将并存 需相当长的时间，所以新网络还需能够和原有网络互通，这就要求新的网络体系 能够完成以下功能：采用t d m 传输网和s s 7 信令网互通、与现有的业务如智能 网提供的业务互通和与现有的p s t n 网络体系融合。随着i p 分组网络的迅速发展， i p 网络和电路交换网( s c n ) 的互通成为必须要面对的问题。图1 - 2 很好的说明了 这一点。 电子科技大学硕士学位论文 图1 2 信令网关在网络中的位置 在此需求的推动下，具有互通功能的网关出现在i p 网和s c n 网交界处，即媒 体网关m g 、信令网关s g ，分别完成不同媒体流和不同信令之间的承载传送和转 换。其中，信令网关s g 和媒体网关控制器m g c 之间通过s i g t r a n 传送信令。 这要求s g 和m g c 都能够支持s i g t r a n 协议。 1 2 信令网关 信令网关是连接七号信令网与i p 网的设备，主要完成p s t n i s d n 侧的七号 信令与口侧信令的转换功能。信令网关是七号信令网与口网的边缘接收和发送 信令消息的信令代理。信令网关用在七号信令网与i p 网的关口，对信令消息进行 中继、翻译或终结处理。 m 3 u a 协议用来规范信令网关( s g ) 与媒体网关控制( m g c ) 或数据库之间 信令的传送。m 3 u a 支持任何七号的m t p 用户信令( 如i s u p 和s c c p 消息) ，通 过基于口的流传输控制协议( s c t p ) 来实现七号信令和口网的互通。 网关的作用就是完成两个网络之间信息( 媒体信息和用于控制的信令信息) 的相互转换和传递，以便两个网络中的信息能够互通。信令网关就是为了在传统 的s s 7 网络和新兴的i p 软交换网络之间传递七号信令消息。 1 2 1 信令网关的结构 信令网关设备主要由两个部分组成，即信令网络接口单元和信令消息处理单 元。信令网关的网络接口单元主要包括两个部分：通过n o 7 信令链路和s s 7 网络 4 电子科技大学硕士学位论文 图1 2 信令网关在网络中的位置 在此需求的推动下，具有互通功能的网关出现在i p 嗍和s c n 网交界处，即媒 体网关m o 、信令网关s g ，分别完成不同媒体流和不同信令之间的承载传送和转 换。其中信令网关s g 和媒体网关控制器m g c 之问通过s i g t r a n 传送信令。 这要求s g 和m g c 都能够支持s i g t r a n 协议。 l2 信令网关 信令网关是连接七号信令网与i p 网的设各，主要完成p s t n i s d n 侧的七号 信令与i p 侧信令的转换功能。信令网关是七号信令网与i p 网的边缘接收和发送 信令消息的信令代理。信令网关用在七号信令网与i p 网的关口，对信令消息进行 中继、翻译或终结处理。 m 3 u a 协议用来规范信令网关( s g ) 与媒体网关控制( m g c ) 或数据库之间 信令的传送。m 3 u a 支持任何七号的m t p 用户信令( 如i s u p 和s c c p 消息) ，通 过基于i p 的流传输控制协议( s c t p ) 来实现七号信令和1 p 网的互通。 网关的作用就是完成两个网络之间信息( 媒体信息和用于控制的信令信息) 的相互转换和传递，以便两个网络中的信息能够互通。信令网关就是为了在传统 的s s 7 网络和新兴的i p 软交换网络之间传递七号信令消息。 1 2 1 信令网关的结构 信令网关设备主要由两个部分组成，即信令网络接口单元和信令消息处理单 元。信令网关的网络接口单元主要包括两个部分：通过n o 7 信令链路和s s 7 网络 元。信令网关的网络接口单元主要包括两个部分；通过n o7 信令链路和s s 7 网络 4 第一章引言 相连的s s 7 信令网络接口，通过i p 链路和i p 软交换网络连接的i p 网络接口。信 令消息处理单元主要包括两个部分：消息传递部分第三层( m t p 3 ) t 1 2 1 负责管理s s 7 网络的信令点状态、信令链路、信令链路组、信令路由等资源，并负责信令消息 的路由；消息传递部分第三层用户适配层( m 3 u a ) 1 3 j 负责管理i p 网络的应用服务 器、应用服务器进程、s c t p u 4 1 偶联等资源，并负责信令消息的路由。某些信令网 关中还包括信令控制连接部分( s c c p ) ，提供全球码翻译( o t t ) 功能。 p s t n c cc c l s u p ，t u pnfi s u p ，t u p m t p 3m t p 3m 3 u am 3 u a m t p 2m t p 2s c t ps c t p m t p lm t p li p l p l i l ” p l m n 图l 一3 信令网关的信令协议结构l h l r ，l r 图1 - 4 信令网关的信令协议结构2 图l 一3 和图1 4 分别给出了两种信令网关的协议组成。其中图1 3 所示的 信令网关主要是为了传递有t u p 和i s u p 信令消息以及不需要进行全球码翻译的 5 电子科技大学硕士学位论文 s c c p 信令消息，在软交换系统中，和图1 3 所示的信令网关相连接的设备一般 为呼叫服务器等设备。图1 4 所示的信令网关主要是处理需要进行全球码翻译的 s c c p 信令消息，在软交换系统中，和图1 4 所示的信令网关相连接的设备一般 为i n p r o x y 和h l r v l r 等设备。 1 2 2 信令网关的功能和特点 信令网关的基本功能就是在两个网络( s s 7 网络和i p 软交换网络) 之间传递七 号信令消息，并且保证消息不能错序、增加、减少。同时，信令网关还要维护两 个网络中的信令点码等资源的状态，保证两个网络中的资源的信息一致。 信令网关的一个比较重要特点就是在i p 软交换网络中的路由功能。按照 i s o o s i 七层理论，m t p 3 为七号信令系统的第三层，主要的路由标识为目的信令 点码( d p c ) 、源信令点码( o p c ) 、信令链路选择码( s l s ) ，i s u p t u p s c c p 为七号信 令系统的第四层，主要的路由标识分别为电路选择码( c i c ) 和子系统号( s s n ) 。在传 统的七号信令网络中每层都是严格按照特定的路由参数路由消息。m 3 u a 协议作 为消息传递部分的三层用户的适配层，相当与i s o o s i 的的第三层，但是当信令 网关向口软交换网络中的目的地路由消息的时候，m 3 u a 协议会根据不同的路由 标识组合把消息路由到相应的应用服务器。这些路由标识包括有目的信令点码 ( d p c ) 、源信令点码( o p c ) 、信令链路选择码( s l s ) 、电路选择码( c i c ) 和子系统号 ( s s n ) 。这样的特点使信令网关在软交换网络中的组网方式非常灵活，极大的方便 了软交换网络的应用。 1 3 信令网关的开发进程 信令网关的开发经历了以下三个阶段： 第一阶段：完成了信令网关的基本功能以及高可靠性。主要包括m t p l 3 ， m 3 u a ，s c t p 等协议，完成了信令网关的基本功能，提供了从s s 7 信令到s i g t r a n 信令的转换以及从s i g t r a n 到s s 7 信令的转换。主备用m p u 之间实现了热备份， 保证中备用m p u 切换的时候，已经建立的业务不中断。由于使用的全部是i p a s 网关的硬件，所以性能方面受到了很多限制，只能提供4 0 个6 4 k b i t s 的信令链路。 具体的s g 2 的信息如表1 1 所示。 第二阶段：提高信令网关的性能。在第一阶段的基础上，为了提供信令网关 的性能，主要从软件和硬件两个方面着手。 6 第一章b l 言 其一，在硬件方面，引入了功能更加强大的p e m s 7 板，每个p e m s 7 板可以 提供3 2 个e l t 1 接口，并且可以支持1 6 条6 4 k b i t s s 的信令链路；引入了 z t 5 5 4 1 a p 3 0 0 1p p u 板，最多可以支持6 块z t 5 5 4 l ，a p 3 0 0 1 板，其中最多两块被 用作s s 7 协议栈p p u 板，另外四块被用作s i g t r a n 协议栈p p u 板。 其二，在软件方面，引入了s h m 模块，并且对信令网关的协议栈的处理由 s g 2 的集中处理优化为分散处理，把s s 7 协议栈和s i g t r a n 协议栈分别分布在不同 的p p u 板上，多个p e m s 7 ，p p u 以及m p u 板之间使用s h m 进行板间通信。两 块s s 7p p u 之间按照主备用方式处理业务，两块( 最多四块) s i g t r a np p u 板之间 负荷分担的处理业务。具体的s g 3 的信息如表1 1 所示。 第三阶段：为软交换系统提供灵活配置的信令网关。在第二阶段的基础上， 虽然提高了信令网关的性能，但是由于分散的处理方式，一个最小配置的s g 3 必 须包含两块m p u ，四块p p u 以及一块p e m s 7 板，并且信令网关必须独占一个机 框，这样就增加了使用信令网关的成本；其次两块s s 7p p u 板主备方式处理业务， 既不能有效的利用p p u 板的处理能力，也不能比较方便的增加s s 7 板的处理能力； 最后，s g 3 不能提供2 m 信令链路，在软交换的大话务量组网中受到很大限制。为 了解决这三方面的问题，我们开发了s g 4 ，主要有以下一些变化： 其一，在硬件方面，使用了全新的硬件平台。引入了s p 8 2 0 1 板和s e m 板， 其中s p 8 2 0 1 搭载了两块a p 8 0 0 子板，这两个子板分别处理s s 7 协议栈和s i g t r a n 协议栈，同时，s p 8 2 0 1 可以提供3 2 个e l t 1 接口，最大可以支持3 2 * 6 4 5 6 k b i t s s 的低速信令链路或者1 个2 m b i t s s 的高速信令链路。每块s e m 板可以提供两个 g e 接口，大大提高了信令网关的口接口性能。 其二，在软件方面，引入了c m s ，d f t h a ，i p c ，c o m m o na g e n t 以及 m u l t i i n s t a n c e 模块，其中c m s 模块，可以管理一个槽位中的多个子板以及多个机 框，从设计上来讲，每个槽位最多可以有2 块子板，每个机框最多可以有1 2 个有 效插槽，做多可以同时支持6 个机框，这样就可以比较容易的提高信令网关的处 理能力。d f t h a 模块的使用，实现了m t p s c c p 协议的负荷分担的处理业务的 功能，可以发挥多个s s 7 处理器板的处理能力。i p c 模块的使用，加上s e m 硬件 板以及s p 8 2 0 1 子板a p 8 0 0 的g e 网络接口，实现了多个处理器( m p u 以及p p u ) 之间的基于s s i 的可靠的消息传输，既提高了消息传递效率，也实现了更灵活的 扩展性。c o m m o na g e n t 以及m u l t i i n s t a n c e 模块的引入，可以使信令网关很灵活 7 电子科技大学硕士学位论文 的内嵌到其他网元( m s c ，g s n ，o s x ，h l r 等等) 中，和这些网元共用一个机 框以及m p u ，s e m ，c l o c k 等功能板，这样就大大地降低了信令网关的使用成 本。具体的s g 4 的信息如下表1 - 1 所示。 表1 1 信令网关发展表 ；z g 、鞭。溜l 毒霪疆嫩麓麓豫誊粥嗣m 鞫m 。 囊曩i “。z 薹鬻灏鼎鬟熬虢尊鬟z 硬件 z t 5 5 5 0 2z t 5 5 5 0 舢3 0 0 042z t 5 5 5 0 r h 3 0 0 0 + 2 t p c + 2 z t 5 5 4 l a p 3 0 0 1 + 2s p 8 2 0 l + 1 2 h t s i 1 0 p e m s 748s e m + 2 c l o c k + 2 c l o c k + 2 软件 p 3 m t p 3m t p 3 m t p 2m t p 2 m t p 2 m t p lm t p lm t p l m 3 u am 3 u am 3 u a s c t ps c t ps c t p f 咖as c c ps a a l s h ms c c p f i y i am 2 p a c m s d f 删a i p c 接口 e le le l i p ( f e ) t 】t 1 i p 僵e 1i p ( g 卧 性能链路；4 0 + 6 4 k b i g s链路：1 2 8 + 6 4 k b i f f s链路：3 8 4 + 6 4 k b i f f s 链路组：2 0链路组：6 4 1 2 4 路由组：3 2路由组：1 2 8 2 m b i t s 网络： l 网络t 4 链路组：1 9 2 源信令点：l源信令点：4 路由组：1 0 2 4 目的信令点；3 2目的信令点：1 2 8 网络：8 a s 1 2 8a s ：1 2 8 源信令点：“ a s p ：5 1 2 a s p ：5 1 2 目的信令点：1 0 2 4 4 0 0 0m s u s s1 2 8 0 0m s u s i s a s ：1 2 8 g n6 4 0 0 s a s p ：5 1 2 1 0 0 0 0 0m s u s s g t t5 0 0 0 0 s 1 4 论文研究内容与安排 本论文着重讨论信令网关负载均衡设计与实现，并给出了详细测试结果。主 要章节安排如下。 第一章介绍了下一代网络演进，以及下一代网络的核心软交换网络结构的四 个层次功能特点；从此引申出信令网关的产生背景，并简单介绍了信令网关的结 构以及其功能特点。 第二章对信令网关中的主要协议模块进行介绍，内容包括m t p 3 模块、m t p 2 模块、m t p l 模块、m 3 u a 模块、s c t p 模块、n i f 模块、s c c p 模块；并讨论了 高可靠性信令网关实现的三种方法。 8 第一章引言 第三章分析了t r i l l i u m 公司的d f t h a 架构方案，提出了适合信令网关中协议 侧的分布式设计方案：m 3 u a 协议侧分布式模块d f 的软件设计、实现过程；m t p 3 协议侧分布式模块l d f 的软件设计，模块划分，接口定义，流程图实现。 第四章重点阐述了m t p 3 和m 3 u a 协议内的负荷均衡策略，详细介绍了七号 信令网组织及路由选择、负荷分担方法、m t p 3 和m 3 u a 协议内的负载均衡具体 实现。 第五章设计了m 3 u a - s i m u l a t o r 模拟器用于测试基于负载均衡的信令网关性 能。性能测试考虑了不同情况下用例，给出了详细测试结果，并对整个设计进行 分析，得出有益的结论。 第六章对上述章节的分析、设计、实现、测试等问题进行了总结，并指出该 方案意义。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章信令网关技术介绍 随着软交换技术的成熟，用户对软交换设备处理能力提出了更高的要求。信 令网关作为软交换中连接i p 网和p s t n 的关键设备，其信令处理容量和可靠性要 求都要达到一个新的高度。尤其是各个网络的核心部分，其数据流量和计算强度 之大，使得单一的信令处理板根本无法承担，如何在各个信令网关单板中合理的 业务量的分配，使之不致于出现一块单板过忙，产生单点故障，而别的单板却未 发挥其处理能力，就成了一个很关键的问题。因此需要对信令网关如何可靠性工 作进行考虑。 2 1 信令网关协议结构 主要协议如图2 - 1 所示，主要有如下几个协议模块。 图2 1 信令网关协议栈结构 1 0 第二章信令网关技术介绍 2 1 1m t p 3 模块 七号信令消息传递部分第三层协议( m t p 3 ) 模块主要完成七号信令网络管理 和消息处理功能。一般来说，m t p 3 的上层用户为s c c p ，i s u p ，t u p 等模块，在 信令网关上，为了和s i g t r a n 协议交互消息，n i f 模块也被配置为m t p 3 模块的用 户，完成m t p 3 协议和m 3 u a 协议之间的原语相互转换。在传统的s s 7 信令系统 中，m t p 3 模块的下层是m t p 2 模块，但是引入了s i g t r a n 协议以后，m t p 3 模块 的下层增加了m 2 u a 模块，m 2 p a 模块，m t p 3 模块可以通过这三种模块和其他 的信令设备互通。 2 1 2m t p 2 模块 七号信令消息传递部分第二层协议( m t p 2 ) 模块主要完成七号信令消息的在 数字链路上实现端到端有序、可靠的传递功能。一般来说，m t p 2 的上层用户为 m t p 3 模块或者n i f 模块，m t p 2 的下层用户为m t p l 模块。 2 1 3m t p l 模块 七号信令消息传递部分第一层协议( m t p l ) 模块主要完成了七号信令数字链 路在物理上、电气上及功能上的特性。一般来说，m t p l 的上层用户为m t p 2 模块。 m t p l 的下层用户为物理硬件模块。 2 1 4m 3 u a 模块 七号信令消息传递部分第三层用户适配层协议( m 3 u a ) 模块为m t p 3 用户 ( t u p i s u p s c c p ) 提供一整套原语与n o 7 信令网中s e p 的m t p 向高层用户提 供的原语相同，这样m 3 u a 把m t p 3 层的业务扩展到远端基于i p 的应用。m 3 u a 协议在网络应用一般分为a s p i p s p 和s g p 两种模式。在a s p 或i p 服务器进程 ( i p s p ) 的m 3 u a 层向m t p 3 一用户提供的一整套原语与n o 7 信令网中s e p 的m t p 3 向高层提供的原语相同，这样a s p 或i p s p 的i s u p 或者s c c p 层并不知道它所希 望的m t p 3 业务