（计算机应用技术专业论文）wcdma移动数据库容灾技术研究与应用.pdf

摘要 w c d m a 移动数据库( h l r 、v l r 和s g s n ) 保存着用户的所 有签约信息、位置信息，其网络位置十分重要。一旦移动数据库中的 任何一个发生故障，轻则受影响的用户在故障期间无法进行业务处 理，重则用户的所有信息丢失，其中任何的损失对用户和运营商而言， 都是不能接受的。因此，做好移动数据库的容灾建设工作是移动数据 库建设中的重点所在。 本文首先对w c d m a 移动数据库以及位置管理进行了研究与分 析。然后给出了h l r 的容灾恢复模型，并对容灾模型性能的两个重 要的指标( 故障恢复时间和总损失) 进行了量化的分析，得出了在不 同的情况下，容灾模型中各个关键参数对容灾模型性能的影响。随后 在给出的容灾模型的基础上，结合3 g p p 给出的移动数据库恢复协议， 给出了h l r 、v l r 和s g s n 的故障恢复算法，其中还特别对w c d m a 移动数据库的最重要部分h l r 提出了1 + 1 热备和卜h 1 容灾中心冷备 的容灾算法。最后给出了h l r 容灾的工程实现，包括基线建立、容 灾接管、增量数据同步和业务回切。 本文给出的容灾建设方案结合了当前比较流行的一些容灾建设 方案，较好的处理了成本与性能之间的平衡，适用于未来的w c d m a h l r 的容灾建设。 关键词：w c d m a ，归属位置寄存器，访问位置寄存器，服务 g p r s 节点，容灾 a b s t r a c t t h em o b i l i t yd a t a b a s e s ( h e r ，v l ra n ds g s n lo fw c d m as t o r e s t h es u b s c r i p t i o na n dl o c a t i o ni n f o r m a t i o no fs u b s c r i b e r i tp l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l ei nt h ew c d m am o b i l i t yn e t w o r k o n c ef a u l to c c u ri na n y p a r t s o fm o b i l i t yd a t a b a s e s ，t h eo p e r a t o rc a nn o tp r o v i d es e r v i c et o s u b s c r i b e r , a n de v e na l lo f t h ei n f o r m a t i o no f t h es u b s c r i b e rw i l lb el o s ti n t h ew o r s tc a s e s o ，t h ed i s a s t e r r e c o v e r y c o n s t r u c t i o no fm o b i l i t y d a t a b a s e si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to fc o n s t r u c t i o no fw c d m a m o b i l i t yd a t a b a s e s f i r s t l yw es u r v e ya n da n a l y z em o b i l i t yd a t a b a s e a n d1 0 c a t i o n m a n a g e m e n t t h e nr e s t o r a t i o nm o d e lo fh l rd i s a s t e rr e c o v e r yi sg i v e n a n dq u a n t i t i v ea n a l y s i si sm a d et ot h et w oi m p o r t a n tp a r a m e t e r st h a t a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fr e s t o r a t i o nm o d e l b a s e do nd i s a s t e rr e c o v e r y m o d e la n dr e s t o r a t i o np r o t o c o lo fm o b i l ed a t a b a s ep r o p o s e db y3 g p p , f a u l tr e s t o r a t i o na l g o r i t h m so fh l r v l ra n ds g s na r ep r o p o s e d w e a l s op r o p o s e1 + 1h o tb a c k u p n + lc o o lb a c k u pa l g o r i t h m so f h l rw h i c h i st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fw c d m a m o b i l i t yd a t a b a s e s f i n a l l y , t h i s p a p e rd e s i g n se n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ns c h e m eo fh l r d i s a s t e rr e c o v e r y , w h i c hi n c l u d e sb a s e l i n ec o n s t r u c t i o n 、t a k e o v e r 、s y n c h r o n i z a t i o no f i n c r e m e n td a t aa n do p e r a t i o nc u t b a c k c o m b i n i n gt h eo t h e rp o p u l a rc o n s t r u c t i o ns c h e m e s ，t h ec o n s t r u c t i o n s c h e m e ，g r e a t l yh a n d l e st h eb a l a n c eb e t w e e n c o s ta n dp e r f o r m a n c e ，a n di s f i tf o rt h ed i s a s t e rr e c o v e r yc o n s t r u c t i o no fw c d m a m o b i l i t yd a t a b a s e s i nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w c d m a ，h l r ，v l r ，s g s n ，d i s a s t e rr e c o v e r y i l ，；j，；。 i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：抽乒年单月盟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 剔磁笋醐：一姓肥日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍一下w c d m a 移动通信系统的基本组成，然后讨论w c d m a 移动数据库容灾技术的主要内容、发展状况，以及本文工作的基本内容和论文的 基本结构。 1 1 w c d m a 移动通信系统简介 要了解w c d m a 移动数据库容灾，首先要清楚w c d m a 移动通信的网络结 构，本节首先介绍一下w c d m a 移动通信的网络结构。第三代移动通信系统( 也 称3 g ) 是移动通信市场经历了第一代模拟技术的移动通信业务的引入、在第二 代数字移动通信市场的蓬勃发展中被引入日程的。在当今i n t e m e t 数据业务不断 升温中、在固定接入速率( h d s l 、a d s l 、v d s l ) 不断提升的背景下，第三代 移动通信也看到了市场的曙光，愈发为电信运营商、通信设备制造商和普通用户 所关注1 1 1o 1 1 1w c d m a 的系统结构 w c d m a 作为u m t s 系统的无线接入技术，是为了满足u m t s 的以下目标 ( 1 ) 允许用户广泛的访问电信业务，包括一些现在还没有定义的业务，像多 媒体和高速率数据业务： ( 2 ) 方便的提供与固定网络相似的高质量的业务( 特别是话路质量) ； ( 3 ) 方便的提供小的、容易使用的、低价的终端，它要有长的通话和待机时 间： ( 4 ) 提供网络资源有效的使用方法( 特别是无线频谱) 。 目前全球已经安装和试开通的w c d m a 网络都是基于3 g p p 发布的r 9 9 版 本，所以在本论文，如果没有特别指出，一般都是基于r 9 9 版本。 w c d m a 系统由核心网( c n ) ，接入网( a n ) 和用户装置( u e ) 三部分组 成。如图l - 1 所示【2 l 。 1 核心网( c n ) c n 的最大的特征在于网络结构继承了g s m g p r s 核心网结构，实现了由 g s m 移动网络到w c d m a 移动网络的平滑切换。电路切换域( c s 域) 通过编 解码切换器实现话音由a t m a a l 2 至6 4 k 电路的切换，以便与g s mm s c 互通。 分组交换域( p s 域) 仍然采用了g p r ss g s n 和g g s n 网络结构，相对于g p r s ， 硕士学位论文 第章绪论 增加了服务级别的概念，分组域的业务质量保证能力提高，带宽增加【3 1 。 w c d m a 网络核心具有如下网络特征： ( 1 ) 核心网在网络结构、接口、协议等方面继承了g s m 和g p r s 核心网的特 点，体现了对现有网络的继承性； ( 2 ) 核心网继承了所有g s m 网络的所有业务能力，支持c a m e l 3 的移动智 能业务，c a m e l 不但能兼容c a m e l 2 ，而且比c a m e l 2 所提供的业务要丰富 得多，增加了对拨号业务、短消息业务和g p r s 业务得控制： ( 3 ) 核心网在网络结构上没有采用分层的体系结构，这点和传统网络很相似： ( 4 ) 控制和承载没有分离，仍然是一个物理实体( g ) m s c 中实现业务控制、 承载控制、话路承载功能； ( 5 ) 核心网内部骨干传输在电路切换域是基于t d m 的技术，在分组切换域 是基于i p 技术，没有实现核心传输层在a t m i p 层的融合。 图1 1w c l ) b i a 网络结构图 埔 硕士学位论文第一章绪论 核心网对应的功能实体如表1 1 所示。 表1 - 1c n 功能实体对照表 简写英文全称中文全称 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 a u ca u t h e n t i c a t i o nc e n 仃e鉴权中心 e i r e q u i p m e n ti d e n t i t yr e g i s t e r 设备鉴定寄存器 v l rv i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r访问位置寄存器 m s cm o b i l e s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t r e 移动业务切换中心 g m s c g a t e w a ym s c 网关m s c s g s n s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e 服务g p r s 支持节点 g g s n g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e网关g p r s 支持节点 2 接入网( a n ) 接入网络( a n ) 是用户装置( u e ) 和核心网( c n ) 之间的部分。w c d m a 第一阶段的系统中包括两类接入网络：g s m g p r s 的b s s ( 基站系统) 和u t r a n 。 b s s 系统与g s m g p r s 终端和双模终端进行通信，主要负责完成无线发送 接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器( b s c ) 和基站收发信 台( b t s ) 。 u t r a n 与w c d m a 终端和双模终端通信，包括基于基站( n o d eb ) 和无 线网络控制器( r n c ) 两部分。 u t r a n 比b s s 系统更复杂，r n c 之间可以直接相连，并能提供c d m a 特 有的软切换。u t r a n 系统基于a t m 网络，因此提供了更高的信令和数据速率， 它针对话音传输采用了a m r 技术，可以提高话音质量和系统容量。同时，u t r a n 比b s s 系统更开放，b s c 和b t s 之间的a b i s 接口是b s s 厂家的私有接口，而 n o d eb 和r n c 之间的i u b 接口和r n c 之间的l u r 接口都是3 g p p 所规定的公共 接口。 a n ( 接入网) 对应的功能实体如表1 2 所示。 表1 - 2a n 功能实体对照表 简写英文全称 中文全称 b s sb a s es t a t i o ns y s t e m基站系统 b s cb a s es t a t i o nc o n t r o l l e r基站控制器 b t sb a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n基站发射单元 r n sr a d i on e t w o r ks y s t e m无线网络系统 r n cr a d i on e t w o r kc o n t m i l e r 无线网络控制器 硕士学位论文第一章绪论 3 用户装置( u e ) u e ( 或称m s ) 是用户终端设备。它主要包括射频处理单元、基带处理单元、 协议栈模块以及应用层软件模块等。 w c d m a 系统支持两种接入网络技术，即g s m g p r s 的b s s 和u t r a n 。 因此，系统中可能有三种终端：g s m g p r s 终端、w c d m a 终端、同时支持 g s m g p r s 和w c d m a 接入的双模终端。g s m g p r s 终端通过u m 接口接入 b s s 子系统，w c d m a 终端通过u u 接口接入到u t r a n ，而双模终端可以通过 两个接入网与网络设备通信。 m s 为用户提供电路域和分组域的各种业务功能，包括话音、短信、移动数 据业务。w c d m a 终端和双模终端更可以提供宽带话音和高速的数据通信。m s 包括两部分：m e ( m o b i l ee q u i p m e n t ) 、s i m ( s u b s c r i b e rm o d u l e ) 或u s i m ( u m t s s u b s c r i b e rm o d u l e ) 。 1 2w c d m a 移动数据库容灾背景 在w c d m a 移动通信系统中，为了随时记录移动用户的位置、业务签约信 息、业务受限信息和补充业务信息等，所有的用户资料都会存储在核心网c n 中 的移动数据库：服务g p r s 节点( s g s n ) 、访问位置寄存器( v l r ) 和归属位置 寄存器( h l r ) 中。移动数据库在w c d m a 移动网络中的地位十分重要，其容 余灾难的能力也是各个运营商在选择产品的时候一个最基本的准则。w c d m a 移动数据库的容灾建设与移动数据库是相辅相成的，现在各个w c d m a 移动设 备生产厂商和移动运营商对w c d m a 移动数据库的容灾建设都非常重视。设备 生产商在向移动运营商提供移动数据库的时候，同时都会提供移动数据库容灾建 设方案供运营商选择。 1 2 1 移动数据库容灾的必要性 在移动通信系统中，随着设备集成度大幅度地提高，单一节点或网元突发重 大事故所造成的影响面越来越大。移动数据库作为移动网络中最重要的数据中 心，保存有用户的签约数据和位置信息，地位非常重要。随着移动通信网的快速 发展，现网中移动数据库的容量越来越大，1 0 0 万级容量的移动数据库比比皆是， 一旦大容量移动数据库出现故障，势必对网络的安全性和稳定性造成很大影响。 如果移动数据库设备为单系统工作，缺乏必要的备份机制，一旦发生故障将直接 影响网络的正常运营和数十万甚至数百万客户的正常通信，从而给运营商带来重 大损失。 以h l r ( 归属位罱寄存器) 为例，作为w c d m a 移动网络中最重要的数据 硕士学位论文第一章绪论 中心，h l r 存放着移动用户的签约数据和位置信息，网络地位十分重要。一旦 h l r 发生故障，将导致严重后果：除了某些呼出业务外，其他所有业务将受到 影响。 对于用户而言，h l r 故障主要产生以下几个方面的问题 4 1 ： ( 1 ) 所有呼入业务( 如被叫和接收短信) 的流失； ( 2 ) 用户不能做位置更新或重新入网； ( 3 ) 不能将鉴权信息发给v l r ，即有可能导致某些呼出失败； ( 4 ) 用户无法通过手机修改自己的登陆信息； ( 5 ) 客户服务系统不能在h l r 新增用户和修改用户的业务数据。 对于运营商而言，营业厅及客服中心不能正常提供服务。这些都将给运营商 在品牌和经济上造成重大损害。 通过统计分析中国移动通信网上h l r 实际发生故障的原因，主要有如下几 个方面p j ： ( 1 ) 自然灾害和其它不可抗拒的灾难； ( 2 ) 长时间无法修复性停电、大楼损坏等外部设备损坏的灾害； ( 3 ) 主机升级、检修等计划性或策略性宕机等长时间无法正常工作； ( 4 ) 人为失误造成的灾害( 如主机系统、数据信息被严重破坏等) ； ( 5 ) 长时间无法修复电路中断( 广域网线路故障) 。 可以看出，绝大部分的h l r 数据库故障，单靠h l r 设备本身的单板级、设 备级备份是避免不了的，应该考虑进行局点级备份，才能真正保证h l r 的安全 性。 随着移动网络规模的增加，带来诸多急需解决的问题，如网络的组织、管理、 还有网络的安全性等；尤其是随着集成化程度的提高，单网元设备的容量越来越 大，一旦出现故障，将会导致某个地区的众多用户中断服务，对运营商的企业形 象造成不良影响。因此，针对网络上的重要网元设备如h l r ，提高其安全可靠 性尤为重要。 在建网初期，对于网络的安全可靠性主要从设备本身的安全可靠来考虑的， 如对主要模块、处理机采用1 + l 或n + 1 备份的方式等。 随着移动通信技术的不断发展，通信网络内网元的设置向着大容量、少局址 的方向发展已成为必然，这样一旦由于人为或自然的因素导致设备出现问题则影 响面很大。因此，仅靠设备本身的安全可靠性设计已不能满足网络发展的需求和 运营商提供的业务质量需求和竞争需求；而适时引入h l r 容灾机制，在现有的 移动网络中引入备份h l r 节点，当主用h l r 由于种种原因不能提供服务时，备 份h l r 可以快速接管业务、使得故障情况对网络运行和用户使用的影响最小。 硕士学位论文第一章绪论 综上所述，从节点备份的角度来提供更高层次的安全保障，h l r 容灾建设 势在必行。 1 3 移动数据库容灾建设需考虑的主要因素 从一个省( 自治区、直辖市) 的范围内来看，移动网上的移动数据库数量较 多、容量较大。而且，许多地区采用了多个厂家的移动数据库，网络设备种类复 杂。建设容灾h l r ，有以下几个因素需要考虑： ( 1 ) 安全可靠。移动数据库容灾建设的目的，就是为现网运行的主用h l r 建 立备份。一旦主用移动数据库发生故障，备份移动数据库可以迅速接管其业务， 确保网络服务正常。 ( 2 ) 节省投资。移动数据库是移动网络的数据处理中心。可以考虑借鉴i t 领 域成熟的数据备份解决方案，通过建设集中式的备份中心，统一备份现网移动数 据库，既满足移动数据库的容灾需求，又节省大量投资。 ( 3 ) 不影响现网服务。容灾移动数据库的建设过程中，要把对现网h l r 及其 它网络设备的影响降到最低点，不能影响现网的正常运营。 ( 4 ) 扩展性强。随着移动网络的不断发展，现网移动数据库的数目与容量也 将不断发生变化。容灾移动数据库的建设，要能适应未来网络的发展，在扩容、 工程施工方面灵活、方便。 1 4 移动数据库容灾技术的发展评述 移动网络数据库的容灾技术是伴随着移动数据库的发展而发展的，由最初的 g s m 移动网络网络，到后来的c d m a 移动网络网络，以至于现在还没有得到广 泛应用的，但前途看好的3 g ( c d m a 一2 0 0 0 、w c d m a 和t s c d m a ) 移动网络， 移动数据库的容灾不但在硬件技术实现上推陈出新，而且在移动网络协议方面， 也有人进行了大量的理论研究。 目前w c d m a 移动数据库容灾的技术主要是在现有的g s m 和c d m a 的移 动数据库容灾技术的基础上发展起来的，研究的重点包括两个方面：容灾备份和 容灾恢复 6 1 。容灾备份是为了降低灾难发生的概率，减少灾难发生时或发生后造 成的损失而采取的各种防范措施。具体是指将业务数据和备份数据分离，在不同 区域内进行存储、同步，当应用系统不可用时，能在规定时间内将系统恢复、数 据恢复或应用恢复。容灾恢复是指系统灾难发生后，在远离灾难现场的地方重新 组织系统运行和恢复业务，其目标一是保护数据的完整性、一致性，使业务数据 硕士学位论文 第一章绪论 损失最少，二是快速恢复业务系统运行，使业务停顿时间最短。 1 4 1 容灾备份的发展 容灾备份包括动态数据备份和静态数据备份。静态数据包括用户的i m s i 号 码，值，以及用户的m s i s d n 号码，业务的签约信息等，动态数据包括用户 的位置信息、各种业务的登记激活信息等。 在硬件方面，最初的容灾备份，采用磁带备份的方法，将所有的用户数据定 期或不定期的用磁带保存起来，在移动数据库发送故障后，将保存的磁带备份导 入到移动数据库中，这是最原始的备份方法，这种方法简单，易实现，但是难以 保证数据的实时性，而且在移动数据库所在地发生不可抗力的灾难的时候，无法 恢复用户数据，并且在大信息量的数据进行正确、快速的恢复比较困难。在磁带 备份的基础上，产生了1 + l 主备容灾，在一个移动数据库进行业务操作的时候， 将所有的操作在另外一台机器上同样的操作一次，这样能完全保证两台设备用户 数据的一致性，当主用设备发生故障后，能很快的切换到备用设备，这种容灾方 式在业界称为1 + l 主备容灾，这种容灾方式能保证用户数据的实时性，并且能 在故障后，能很快的完成业务切换，但是这种容灾方案在运行过程中，总有一台 处于闲茕状态，设备闲置率高。随后，在1 + 1 主备的基础上又发展出了l + 1 互 备容灾，两台设备在平常运行的时候都进行正常的业务处理，但同时互相替另外 一台数据库设备进行容灾，当某一台设备出现问题后，则马上切换到另外一台设 备，这样做能保证设备不会闲置，但是同时，两台设备都只能使用一半的容量， 另外一半要用来替别的h l r 进行容灾。现在主流的容灾方式是n + i 备份容灾， n + i 备份容灾是专门针对h l r 来设计的容灾方案，单独设置一个容灾中心，同 时替n 个h l r 进行容灾，当任何一个h l r 宕机时，容灾中心能接管其所有业 务，同时仍然能替其他n 1 个主用h l r 进行备份操作。采用容灾中心方式进行 h l r 设备容灾，设备闲鼍率较低，经济有效，也是目前应用最广泛的容灾方式。 ( 见文献【6 卜 1 3 ) 在协议方面，g s m 系统，周期的将用户的所有信息( 包括动态数据和静态 数据) 保存到非易失存储介质上，在移动数据库故障后，从非易失存储介质上恢 复用户的位置信息。在i s 4 1 系统，只对用户的静态数据进行备份，不对用户的 动态数据进行备份，在移动数据库故障后，用户所有的位置信息丢失，用户无法 作被叫，只有在移动终端发起位置更新或呼叫请求时才能恢复用户终端的位置信 息。同时还有一些学者，在已经给出的协议的基础上提出了一些改进的容灾备份 协议，t s a n p i nw a n g 基于周期保存位置信息方法提出了一种非周期算法。该算 法定义一个阀值，只有当收到的位置更新请求达到阀值后，h l r 才将位置信息 备份到非易失存储介质上，并对周期和非周期备份方法进行分析比较，结果表明， 硕士学位论文第一章绪论 如果在恢复过程中涉及到的v l r 的个数不是很多的话，非周期备份算法优于周 期备份算法。( 见文献 1 4 - 1 6 1 ) 1 4 2 容灾恢复的发展 容灾恢复是指故障后，迅速的恢复整个移动数据库中的用户数据，并保证用 户数据在整个移动数据库中的正确性和一致性。这方面的研究主要集中在协议和 算法方面， 3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 在协议t s2 3 0 0 7 中专门 针对整个移动数据库的容灾恢复给出了相应的处理流程( 见文献【1 7 】) 。除了官 方的标准制订组织之外，还有很多学者，提出了自己的容灾恢复算法， g k r i s h n a m u r t h i 在基于i s 4 1 标准的个人通讯服务( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s s e r v i c e s ，p c s ) 网络的基础上，提出了h l r 故障快速恢复协议。y i b i n gl i n 详 细描述了在分析移动数据库容灾恢复过程中系统损失的分析方法。虽然现在还没 有人对3 g p p 给出的容灾恢复协议提出改进算法，但是在其他移动网络中提出的 一些恢复算法和分析方法同样对w c d m a 移动数据库的容灾恢复处理过程起到 很好的指导作用。( 见文献 1 8 1 2 3 】， 3 0 ) 1 5 课题背景 本课题是根据与深圳华为技术有限公司进行科研合作期间合作项目而提出 的。华为技术有限公司成立于1 9 8 8 年，从事通信网络技术与产品的研究、开发、 生产与销售，专门为电信运营商提供光网络、固定网、移动网和增值业务领域的 网络解决方案，是中国电信市场的主要供应商之一，并已成功进入全球电信市场。 在合作期间，参与了w c d m a 下h l r 系统容灾功能的研制与开发，该项目 是华为技术有限公司针对泰国最大移动运营商a i s 提出的n + i 异地异构容灾中 心需求而制定的，该项目要求容灾中心h l r 同时替a i s 在泰国所有的1 1 个h l r 进行实现异地异构容灾，容灾中心必须具有备份、接管、回切等容灾相关操作。 在项目研制开发期间，作者作为该项目的技术负责人全程参与了该项目的研究与 开发工作。 在合作结束之后，作者继续对w c d m a h l r 容灾及相关技术内容进行了深 入研究，并将范围扩大到整个w c d m a 移动数据库的容灾。研究内容有： ( 1 ) 容灾备份是容灾过程中的首要环节，如果备份工作没有做好，那么再好 的恢复处理也是白搭。容灾备份不仅要尽量少的影响移动网络的正常业务处理， 而且要充分考虑到成本( 设备使用率、占用网络带宽等) 和性能( 备份的能力) 之间的平衡。抛去已经很老的磁带备份不谈，现在主流的备份方式是采用属于热 备份和冷备份相结合的方式，该方法能有效的、实时的备份所有的用户数据。对 于热备份方式，实时的与主用移动数据库保持数据同步；对于冷备方式，定时的 硕士学位论文 第一章绪论 将所有的用户数据进行备份。这种方法通常是将用户的动态数据和静态数据都进 行周期的备份，用户的动态数据是实时在变化中的，数据的通讯量非常大。对于 热备份方式，因为备份设备与主用设备同处于一个网络内，所以不会占用对外的 出1 2 1 ，但是对于冷备( 冷备大部分请求下都是异地备份的) ，需要将用户的所有 数据周期的备份异地备份，这样势必占用很大的带宽，会对正常的业务处理产生 或多或少的影响。如何综合了冷备和热备的优缺点，同时考虑到本地和异地容灾 的特殊性，针对动态数据和静态数据的特征，提出比较好的容灾建设方案是本文 的重点所在； ( 2 ) 容灾过程中，如果主用移动数据库发生故障，那么备份移动数据库的接 管的速度是运营商和用户都关心的问题。是自动接管? 还是手动接管? 又或者是 自动与手动接管相结合的方式? 本文结合给出的容灾建设方案，根据方案中的特 点，提出了与之相适应的接管方式； ( 3 ) 容灾过程中，某些用户的数据因为各份不当或其他的原因，使得备份的 用户数据可能与实际的用户数据有出入，这些数据基本上都是动态数据，因为动 态数据都是用户的位置信息，变换频繁，备份不完全属于正常情况。因此，在备 用设备接管主用设备后，一个迅速有效的恢复用户动态数据的算法是必不可少 的，而这恰恰也是本文的研究重点之一； ( 4 ) 当备用移动数据库接管已经故障移动数据库进行业务处理，此时故障移 动数据库已经修复，并能正常提供正常的业务，在备用移动数据库进行业务处理 期间，对用户数据进行的一些操作，用户数据的改变如何同步到原来的主用移动 数据库。是将所有的用户数据全部导回? 还是只将发送变换的那些用户数据导 回? 备用移动数据库又如何知道那些用户数据是自己接管之后才被修改的? 上 面的这些疑点，在本论文的研究中同样不能被忽视。 ， | 、1 6 全文结构 论文全文共分六章： 第一章绪论。介绍一下w c d m a 移动通信系统的基本组成，然后讨论 w c d m a 移动数据库容灾技术的主要内容、发展状况，以及本文工作的基本内 容和论文的基本结构 第二章w c d m a 移动移动数据库和位置管理的分析和研究。首先介绍了 w c d m a 移动数据库的组成，然后分析了与w c d m a 移动数据库容灾密切相关 的位置管理。 第三章w c d m a 移动数据库容灾模型及评价。参考g k r i s h n a m u r t h i ( 见文 9 硕士学位论文第一章绪论 献1 8 ) 提出的容灾模型分析方法，推算除了w c d m a 移动数据库的容灾模型， 并对给出的模型进行了相应的评价。 第四章w c d m a 移动数据库容灾恢复算法。这章算是本文的核心所在，主 要给出了容灾恢复的算法描述和处理流程。 第五章w c d m a 移动数据库容灾的工程实现。本章给出了n + i 异地异构容 灾中心的建设方案。 第六章结论与展望。对所做的研究与设计工作进行了总结，并阐述了将来 进一步的工作计划。 o 、 1 i 硕士学位论文第二章w c d m a 移动数据库和位置管理的分析和研究 第二章w c d m a 移动数据库和位置管理的分析和研究 在w c d m a 移动网络中，移动用户的位置信息是不可或缺的，如果用户的 位置信息不确定，就会使得移动网络无法定位该移动用户，直接导致该移动用户 无法享受移动服务。为了有效的管理移动用户的位置信息，需要用移动数据库来 记录、跟踪和维护移动用户的位置信息，同时，这些数据库还必须承担记录和维 护移动用户签约业务的任务。w c d m a 移动网络的容灾，事实上也就是移动数 据库的容灾。 2 1 概述 移动用户的数据包括静态数据和动态数据。 静态数据包括用户的i m s i ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y ) 号码， 值，以及用户的m s i s d n ( m o b i l es t a t i o ni n t e r n a t i o n a li s d nn u m b e r ，也就是 手机号码) 号码，业务的签约信息等，静态数据一般都是开户的时候就已经设定 好了，很少发生变更，因此只要做好了存储介质的备份，h l r 发生故障对静态 数据几乎没有什么影响。 动态数据包括用户的位置信息、各种业务的登记激活信息等( 为了简化分 析流程，只对其的位置信息进行分析) ，位置信息是通过移动用户定时向h l r 发 起位置更新获得的，是实时的、动态的和易变的，在移动数据库发生故障期间， 移动用户无法进行正常的呼叫和被叫，并且无法发起位置更新，移动数据库恢复 运行后，如果位置信息在故障前没有进行保存或移动用户移动到另外一个区域， 则在移动用户进行位置更新或呼叫请求之前，向该移动用户发出的任何呼叫请求 将无法正常进行，因此即使移动用户已经恢复运行，但是由于存储的位置信息不 正确，仍然无法进行正常的呼叫处理，需要一定的时间来恢复用户的位置信息。 可见，移动用户的位置管理与w c d m a 移动数据库的容灾密切相关。 本章首先介绍一下w c d m a 移动网络中的移动数据库，然后对w c d m a 移 动用户相关的几种位置管理方式进行分析。 2 2w c d m a 移动数据库 w c d m a 采用三层的数据库结构，h l r 、v l r 和s g s n 。( 具体网络位置参 硕士学位论文第二章w c d m a 移动数据库和位置管理的分析和研究 考图1 1 ) 2 2 1 归属位置寄存器( h l r ) 归属位置寄存器( h l r ) 是核心数据库，保存有移动用户的所有信息( 包括 用户的i m s i 号码、m s i s d n 号码、k i 、用户的签约业务、受限业务和补充业务 等) ，h l r 属于整个w c d m a 移动网络的最核心部分，移动数据库的容灾其实 主要就是h l r 的容灾。h l r 有如下功能列1 ： ( 1 ) 用户能访问p s 域服务的时候，通过g r 和g s 接口为p s 域网络实体s g s n 和g g s n 提供必要的功能支持； ( 2 ) 用户能访问c s 域，并且支持合法的g s m u m t sc s 域漫游的时候，通 过c 和d 接口为c s 域网络实体，如m s c m s cs e r v e r 和g m s c g m s cs e r v e r 提供必要的功能支持。 2 2 2 访问位置寄存器( v l r ) 访问位置寄存器( v l r ) 是电路切换域( c s 域) 的数据库。在w c d m a 移 动网络中，v l r 与m s c 合一( m s c v l r ) 。当某个移动用户漫游到一个m s c 区域或进入某个v l r 的管辖范围，首先发起登记流程，如果移动用户没有在该 v l r 登记，v l r 则和h l r 进行一系列的交互，允许为该移动用户提供服务。 v l r 保存有建立呼叫所必须的信息、其管辖范围内的移动用户的位置信息、 以及从h l r 检索到的与移动用户的业务信息。主要保存的信息如下【2 5 】： ( 1 ) i m s i ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y 国际移动用户标识) ； ( 2 ) m s i s d n ( m o b i l es t a t i o ni n t e r n a t i o n a li s d nn u m b e r 移动台国际i s d n 号码) ； ( 3 ) m s r n ( m o b i l es t a t i o n r o a m i n g n u m b e r 移动用户漫游号码) ； ( 4 ) t m s i ( t e m p o r a r y m o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t yl 晦时移动用户识别码) ； ( 5 ) 移动用户所在的位置区域； ( 6 ) 移动用户所登记的s g s n 识别码； ( 7 ) 移动用户的所属地和上次漫游地。 2 2 3 服务g p r s 支持节点( s g s n ) s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 是p s 域( 分组交换域) 的数据库，其功能 和v l r 类似。 s g s n 存储有两种在发起和终止数据包传送必须的用户数据口5 】： ( 1 ) 用户信息：i m s i 、一个或多个临时标准码、零或多个p d p 地址； ( 2 ) 位置信息：移动用户登记的路由地区、移动用户登记的v l r 号码。 2 硕士学位论文 第二章w c d m a 移动数据库和位置管理的分析和研究 2 3w c d m a 位置管理 要了解w c d m a 的位置管理，首先得了解w c d m a 是怎样划分服务区域， 以及移动数据库怎样正确获取移动用户所在的服务区域。 2 3 1w c d m a 服务区域划分 为了定位移动用户( u e ，m s ) ，w c d m a 采用一种蜂窝技术( c e l l u a r ) ，这 种技术按地理区域被划分为若干个小区，称作“蜂窝”( c e l l ) 。移动用户的服务 由该移动用户所在蜂窝的基站提供。 移动用户的位置更替检测过程如下：首先，蜂窝会定时广播蜂窝鉴定码( c e l l i n d e n t i t y ) ，移动用户周期的接受蜂窝鉴定码，并与移动用户保存的蜂窝鉴定码 进行比较，如果比较的结果表明移动用户的位置发生了变更，移动用户发出位置 更新请求。 在c s 域，蜂窝被分开为位置区域( l o c a t i o na r e a s ，l a s ) 。移动用户所属的 l a 由v l r 来跟踪记录。在p s 域，蜂窝被分开为路由区域( r o u t i n g a r e a s ，r a s ) ， 一般来讲，一个r a 是一个l a 的子集。移动用户的r a 由s g s n 来跟踪记录。 在w c d m a 移动通信中，一个r a 内的蜂窝进一步分为u t r a nr a s ( u r a s ) 。 u r a 和移动用户所属蜂窝由u t r a n 跟踪记录。图2 1 给出了l a 。r a 和u r a 的层次图，表2 一l 列出v l r ，s g s n 和u t r a n 分别对应的控制范围。 图2 - 1l a s ，r a s 和u r a s 硕士学位论文第二章w c d m a 移动数据库和位置管理的分析和研究 表2 - 1m s c v l r ，s g s n ，u t r a n 控制范围 m s c ，v l rs g s nu t r a n c e l ln on oy b s u r an on oy e s r an oy 色sn o l ay b sn on o 2 3 2w d m a 移动用户的位置管理 在w c d m a 的位置管理中，为了获取用户当前说出的服务区域，需要移动 用户发起位置更新请求，上报自己所属的服务区域。移动用户通过r a 和l a 位 置更新流程向移动数据库通知网络其位置信息，在如下两种情况下，触发位置更 新【2 6 l 。 ( 1 ) 普通位置更新( n o r m a ll o c m i o nu p d a t e ) ：当移动用户侦测到其位置信息 发生变更的时候，会发起位置更新。 ( 2 ) 周期性位置更新( p e r i o d i cl o c a t i o nu p d a t e ) ：移动用户周期性的向网络报 告当前的位置，即使位置没有发生变更。 周期性更新能自主检测移动用户是否仍然在网上。移动用户和s g s n 同时维 护一个周期位置更新定时器( p e r i o d i c u p d m et i m e r ) ，定时器的定时时间由s g s n 或v l r 设定和修改。该定时时间在移动用户访问该r a 或l a 时，通过位置更 新接受( u p d m e a c c e p t ) 或入网接受( a t t a c h a c c e p t ) 消息发生给移动用户。在 移动用户离开该r a 或l a 之前，已经设定的定时时间间隔不能被改变。 在w c d m a 移动网络中，有三种用户，g p r s 用户、非g p r s 用户和b o t h 用户( 即是g p r s 用户，也是非g p r s 用户) 。g p r s 用户只需要接入p s 域，也 就是说只需要进行r a 位置更新：非g p r s 用户只需要接入c s 域，也就是说只 需要进行l a 位置更新；b o t h 用户既要接入p s 域，也要接入c s 域，也就是 说既要进行r a 位置更新，也要进行l a 位置更新。为了分析方便，分别以g p r s ， n o n g p r s 和b o t h 来代表三类用户。下面分别讲述三类用户的位置更新处理流 程。 1 n o n g p r s 用户位置更新 n o n g p r s 用户在接入c s 域后，进行l a 位置更新，和m s c n l r 一起维 护n o n g p r s 在网时间内的位置管理。 图2 2 给出了l a 位置更新的流程图。 l a 位置更新的具体步骤如下： ( 1 ) 移动用户向新l a 所属v l r 发送l a 位置更新请求( 请求可能是普通位 置更新，也可能是周期位置更新请求) ，移动用户在发出位置更新请求后，会开 始一个定时器，并进入位置更新初始状态( l o c m i o nu p d