3G核心網(wǎng)安全隱患及其容災(zāi)技術(shù)探討

3G核心網(wǎng)安全隱患及其容災(zāi)技術(shù)探討

本文詳細分析了WCDMA R99至R5各階段核心網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)各階段組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同提出相應(yīng)的容災(zāi)技術(shù)，并深入分析各容災(zāi)技術(shù)的優(yōu)缺點，最后對各容災(zāi)技術(shù)適用條件提出建議，進而指導(dǎo)我們在3G不同階段如何根據(jù)自身的客觀條件采取最佳的容災(zāi)技術(shù)。

關(guān)鍵詞　移動交換中心　媒體網(wǎng)關(guān)　池域

1　2G GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的安全隱患

在GSM（全球移動通信系統(tǒng)）/GPRS（通用分組無線服務(wù)）網(wǎng)中，BSC（基站控制器）與MSC（移動交換中心）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種樹形結(jié)構(gòu)，每個BSC只能被一個MSC控制，如果MSC發(fā)生故障，則其管理的BSC就不能正常工作，造成該服務(wù)區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)的中斷。

在2G系統(tǒng)中，主要考慮的是HLR（歸屬位置寄存器）的容災(zāi)。對于MSC，2G系統(tǒng)中沒有針對MSC失效的安全性措施，只是通過MSC設(shè)備本身的可靠性措施，即設(shè)備的單板備份和端口備份來保證MSC網(wǎng)元的安全。為了減少出現(xiàn)問題時移動業(yè)務(wù)受影響的范圍，通常的解決方法是盡量采取小容量MSC的策略來規(guī)避風險，但這不能從根本上解決問題。因此2G網(wǎng)中存在著MSC的安全隱患。

由于移動公司只有GSM網(wǎng)絡(luò)，這就決定了未來3G制式不可能采用cdma 2000制式，而WCDMA和TD-SCDMA兩種制式的主要區(qū)別在于無線接入網(wǎng)，核心網(wǎng)部分基本一致，因此本文只討論WCDMA各版本的核心網(wǎng)。另外，WCDMA R5以后的版本離實際組網(wǎng)還有頗長的路，故本文只討論R99、R4和R5版本的容災(zāi)技術(shù)。由于篇幅限制，本文主要討論核心網(wǎng)中MSC的容災(zāi)技術(shù)，但有些MSC容災(zāi)技術(shù)也適用于HLR、SGSN（GPRS服務(wù)支持節(jié)點）等網(wǎng)元。

2　R99階段容災(zāi)技術(shù)

在WCDMA R99階段，核心網(wǎng)組網(wǎng)與GSM/GPRS

網(wǎng)絡(luò)基本一致，只是把原來的MSC進行軟硬件升級，以支持WCDMA的接入，因而仍存在著與GSM系統(tǒng)一樣的安全隱患，解決辦法仍是設(shè)備級保證和小容量MSC技術(shù)，設(shè)備級保證技術(shù)詳情見3.1節(jié)。

3　R4階段容災(zāi)技術(shù)

在WCDMA R4階段，核心網(wǎng)引入了控制和承載分離的軟交換架構(gòu)，將傳統(tǒng)2G網(wǎng)絡(luò)中的MSC分離成MSC Server（移動交換中心服務(wù)器）和MGW（媒體網(wǎng)關(guān)），其中MSC Server負責信令處理、路由和業(yè)務(wù)；MGW負責媒體流處理。接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間的Iu接口的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍為樹形結(jié)構(gòu)，下級節(jié)點只能被一個上級節(jié)點控制。如果MSC Server發(fā)生故障，則其管理的MGW和RNC（無線網(wǎng)絡(luò)控制器）都不能正常工作，將造成服務(wù)區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)的中斷。

MSC Server是業(yè)務(wù)處理的中心，其容量一般都較大，且集中設(shè)置，是網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備安全性的重點關(guān)注部分。為了防止單點故障引起大片區(qū)域業(yè)務(wù)中斷的情況，MSC Server除了要提供設(shè)備級的可靠性措施外，一般還需要提供網(wǎng)絡(luò)級的可靠性措施。而MGW一般按最佳的話務(wù)吸收點分散設(shè)置，其安全性方面的要求相對要低一些，一般通過板級和設(shè)備級的冗余備份來實現(xiàn)。

3.1　設(shè)備級保證

MSC Server硬件系統(tǒng)可采用單板的備份、負荷分擔、冗余配置等可靠性設(shè)計方法，并通過優(yōu)化單板和系統(tǒng)的故障檢測/隔離技術(shù)來提高系統(tǒng)可維護性。軟件系統(tǒng)可采用模塊化設(shè)計，通過專業(yè)的容錯能力、對故障的監(jiān)視系統(tǒng)及對故障的合理處理來保證設(shè)備的可靠性。

在MGW中，可采用模塊化設(shè)計，使部分模塊變化不會對其他功能模塊造成影響。設(shè)備的業(yè)務(wù)單板應(yīng)支持多種備份和負荷分擔方式，避免單點故障。風扇和電源也應(yīng)采用冗余設(shè)計，并提供多種告警處理機制。此外，還可通過多級用戶權(quán)限管理、防火墻功能、密鑰、鑒權(quán)等方式，提供業(yè)務(wù)安全性，從而提高系統(tǒng)性能和業(yè)務(wù)質(zhì)量。

3.2　雙歸屬技術(shù)

MSC Server與MGW間有控制和被控制的關(guān)系，其網(wǎng)絡(luò)級可靠性措施比較復(fù)雜，一般采用MGW與MSC Server間的雙歸屬機制來實現(xiàn)。目前的雙歸屬方案有以下幾種。

（1）雙歸屬1+1主備模式：主MSC Server與備MSC Server同時運行相同的軟件和數(shù)據(jù)，備用MSC Server是主用MSC Server的鏡像，備用MSC Server與外部網(wǎng)元如HLR等的信令鏈路處于非激活態(tài)。一旦主用MSC Server出現(xiàn)故障，備用MSC Server將激活為主用MSC Server，MGW注冊接入新的MSC Server（如圖1所示）。

（2）雙歸屬1+1互助模式：兩個MSC Server都預(yù)留部分資源給對方作為非激活態(tài)的資源，一旦對方MSC Server出現(xiàn)故障，就激活預(yù)留的資源，接管對方管理的MGW等資源，原來獨立運行的端局將合二為一（如圖2所示）。

（3）雙歸屬N+1備份模式：雙歸屬N+1備份模式是指在由N個MSC Server組成的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置一個備份用的MSC Server，平時N個MSC Server正常工作，備份用的MSC Server空轉(zhuǎn)。當N個正常工作的MSC Server中一個出現(xiàn)故障時，備用的MSC Server自動接管故障的MSC Server下管理的MGW和RNC（如圖3所示）。

（4）雙歸屬N+1互助模式：雙歸屬N+1互助模式中，采用N個主用MSC Server和1個容災(zāi)MSC Server，而且容災(zāi)MSC Server也處理本局業(yè)務(wù)。容災(zāi)MSC Server實時備份N個主用的MSC Server的數(shù)據(jù)，一旦主用的MSC發(fā)生故障，容災(zāi)MSC Server將接管故障的主用MSC Server中的所有用戶（如圖4所示）。

對于1+1主備模式，在資源上比較浪費，且如果主MSC Server和備MSC Server放置在同一機房，雖然在網(wǎng)絡(luò)配置上比較節(jié)約，但是容災(zāi)的效果將大為降低。

對于1+1實時互備模式，目前移動通信網(wǎng)中應(yīng)用的比較廣泛，屬互助方式，要求網(wǎng)元必須成對配置，每個MSC Server都要預(yù)留資源，這造成了平時MSC Server處理能力的閑置。該容災(zāi)方式的網(wǎng)元配置數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，也不夠經(jīng)濟，將來可能向N+1備份方式轉(zhuǎn)變。

對于N+1主備模式和N+1互助模式，其缺陷是無法處理兩個MSC Server同時退網(wǎng)，雖然兩臺MSC Server由于自身原因同時出現(xiàn)故障的概率非常低，但在移動運營商的實際網(wǎng)絡(luò)中，由于局所的限制，大量網(wǎng)元可能設(shè)置在同一局所，甚至在同一機房。自然災(zāi)害和社會災(zāi)害可能會導(dǎo)致一個局所的設(shè)備都不可用。因此在現(xiàn)實中，出現(xiàn)2個以上MSC Server同時癱瘓的情況不可排除。在此情況下，N+1備份模式將不起作用。

3.3　VMGW

雙歸屬技術(shù)只是針對MSC Server宕機時的容災(zāi)技術(shù)，而MGW宕機時，其服務(wù)的RNC將不可避免的受到影響。在R4階段，因為MGW設(shè)備的容量較大，為了避免宕機影響的用戶過多，類似于硬盤分區(qū)，可以將一個物理MGW區(qū)分為多個邏輯上獨立的VMGW（虛擬MGW）。每一個VMGW可以連接多個RNC，并且可以獨立注冊到MSC Server上，但是一個VMGW不能被多個MSC Server同時管理。這就大大減少了MGW宕機時造成的影響范圍，但它不能從根本上解決MGW宕機的安全隱患。

3.4　MGW負荷分擔

MGW負荷分擔技術(shù)主要是通過MGW互備方式來解決MGW的單點故障問題。

舉例說明，負荷分擔的MGW1、MGW2、MGW3組成一個MGW池（MGW Pool），由同一個MSC Server控制（MGW資源池的MGW的數(shù)目理論上不受限制）。RNC通過MGW1接入到核心網(wǎng)。MGW負荷分擔技術(shù)是指在RNC-MGW1連接線之外，增加了RNC-MGW2、RNC-MGW3兩條備份連接線。在正常工作時，RNC-MGW1是激活工作狀態(tài)，RNC-MGW2、RNC-MGW3處于非工作狀態(tài)。

MSC Server通過H.248的SCTP（基于IP的信令傳輸）連接和Iu接口的SCCP（信令連接控制部分）連接判斷Iu連接狀態(tài)，當所有H.248的SCTP連接和SCCP連接都斷了，并在一定的時間內(nèi)不能恢復(fù)，即判斷出現(xiàn)故障，切換到備份MGW。而RNC則是通過Iu接口的MTP3B（基于ATM的信令傳輸），判斷對端MGW是否故障。當檢測到故障后，啟動切換流程，切換到備份MGW。

但是，當某一個MGW發(fā)生故障時，非故障的MGW將承擔兩個MGW的話務(wù)，這對于其業(yè)務(wù)提供能力來說，有可能難以滿足需求。因此，必須通過流控機制來保障設(shè)備免遭阻塞，但這會帶來用戶呼損率的增大。

4　R5階段容災(zāi)技術(shù)

4.1　Iu-flex技術(shù)原理

在WCDMA R5階段，它繼承了R4的軟交換架構(gòu)思想，而且提出了Iu-flex技術(shù)，引入了“池域”（Pool-Area）的概念（如圖5所示），一個池域就是由多個同類網(wǎng)元組成的共同控制一個或多個位置區(qū)的網(wǎng)元集合。核心網(wǎng)節(jié)點作為資源池，RNC可以連接多個MSC/SGSN網(wǎng)元、池域。RNC被池中的多個網(wǎng)元同時管理，RNC的終端用戶可以按照負載均衡的原則注冊到池中的任意一個節(jié)點。

在物理連接上，一個RNC可以與多個MGW有路由連接，以保證當其中一個MGW不可用時切換到別的MGW上。MGW可以和MSC Server分開放置，它們不必為一一對應(yīng)關(guān)系，MGW和MSC Server可以是多對多的關(guān)系，一個MGW可受控于多個MSC Server。多個MSC Server形成一個池，一旦其中的一個MSC Server出現(xiàn)故障，此MSC Server所負責的用戶可以馬上被池域中的其他MSC Server接管，當用戶重新接入網(wǎng)絡(luò)時（位置更新、呼叫嘗試等），BSC／RNC將實時用戶分配至池中其他MSC Server，用戶感受不到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的中斷，實現(xiàn)了“零”宕機時間，從而保證其服務(wù)的連續(xù)性。

Iu-flex技術(shù)的提出，改變了R5之前版本中Iu接口的樹形結(jié)構(gòu)，代之以分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供了樹形結(jié)構(gòu)所不具備的容災(zāi)技術(shù)，雖然這種分層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)會增加網(wǎng)元的數(shù)目和技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜度。

Iu-flex和傳統(tǒng)組網(wǎng)方式的不同之處在于：

（1）Iu-flex不僅能解決網(wǎng)絡(luò)備份問題，也可以實現(xiàn)MSC之間的資源共享與互助。在池域中的多個MSC是并行服務(wù)于RNC的，而且相互之間分擔池域中的業(yè)務(wù)。

（2）池域技術(shù)不只適用于MSC，也適用于SGSN，且MSC和SGSN可以獨立組建池域，如圖6中的CS（電路交換）pool area 1和pool area 2以及PS（分組交換）pool area 1和pool area 2。

（3）MSC/SGSN池域之間的劃分可以重疊，如圖6中的CS（電路交換） pool area1和 pool area 2、PS （分組交換）pool area1和pool area 2。

4.2　Iu-flex技術(shù)優(yōu)點

（1）實現(xiàn)MSC間的資源共享與互助，增大核心網(wǎng)絡(luò)的頑健性。

Iu-flex的多節(jié)點技術(shù)使得增加池域容量變得簡單容易，新增網(wǎng)元對現(xiàn)網(wǎng)少影響甚至不影響。而當池域中某一節(jié)點出現(xiàn)故障或擁塞，BSC/RNC可相應(yīng)選擇池域內(nèi)的其他可用節(jié)點出現(xiàn)接替，此時各個節(jié)點共同分擔故障節(jié)點的業(yè)務(wù)，避免了雙歸屬方式中容易出現(xiàn)的備份局點難以滿足兩個局點業(yè)務(wù)負荷的要求的情況。

（2）可以克服大城市用戶群的“潮汐效應(yīng)”，節(jié)省MSC的設(shè)計容量。

在大城市，用戶群一般是在市中心的工作區(qū)工作而在市郊的居住區(qū)居住。這會導(dǎo)致市中心和市郊的MSC的負荷呈現(xiàn)“潮汐效應(yīng)”。而傳統(tǒng)設(shè)計MSC容量時，為了使MSC滿足業(yè)務(wù)要求，都是按可能的最大容量來進行設(shè)計，這就導(dǎo)致了MSC資源的浪費。而Iu-flex能實現(xiàn)MSC之間資源共享與互助，在市中心和市郊部分的位置區(qū)組成一個池域，多個池域之間可以在市中心重疊，這就可以克服“潮汐效應(yīng)”，大大節(jié)省了MSC的資源，提高MSC資源利用效率，也能提高市中心MSC的容量。

（3）減少MSC局間切換和到HLR的業(yè)務(wù)負擔。

與單節(jié)點服務(wù)區(qū)相比，Iu-flex大大減少位置登記信令交互以及局間切換過程，減少了MSC到HLR的信令負荷，還大大減少了跨局切換的次數(shù)。

（4）Iu-flex技術(shù)能與VMGW和IP承載技術(shù)配合使用。

Iu-flex技術(shù)能與VMGW配合組網(wǎng)，從而減少由于Iu接口物理連接的增加帶來Iu接口傳輸成本的增加。另外，Iu接口引入IP承載網(wǎng)將能更大的發(fā)揮Iu-flex技術(shù)的優(yōu)勢。

4.3　Iu-flex技術(shù)的缺陷

（1）要支持Iu-flex技術(shù)，UTRAN和核心網(wǎng)除了需要進行軟件升級、支持相應(yīng)的功能外，還需要增加一些支持池域的數(shù)據(jù)配置，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大將非常復(fù)雜，需要全網(wǎng)升級，風險和難度均很大。因此，Iu-flex技術(shù)適合用于熱點地區(qū)或者小規(guī)模組網(wǎng)。

（2）在MSC故障之后至用戶重新發(fā)起位置登記之前用戶被叫無法接通，必須由用戶主動發(fā)起位置更新或者主呼后,更新HLR中用戶的MSC/VLR數(shù)據(jù)才能夠做被叫。

（3）跨地域MSC互助困難，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增高，擴容復(fù)雜，核心網(wǎng)局部的調(diào)整會導(dǎo)致接入網(wǎng)全網(wǎng)范圍的調(diào)整。

5　結(jié)論

VMGW和MGW負荷分擔技術(shù)主要是針對MGW的容災(zāi)技術(shù)，而Iu-flex和雙歸屬技術(shù)還可以用于MSC Server中。

Iu-flex技術(shù)適合在熱點地區(qū)或小規(guī)模組網(wǎng)中應(yīng)用，Iu-flex技術(shù)如果能和VMGW技術(shù)或者Iu口應(yīng)用IP承載相結(jié)合，將能更大的發(fā)揮Iu-flex技術(shù)的優(yōu)勢，同時減少引入Iu-flex帶來的問題。

在“大容量，少局所”的跨地域大本地網(wǎng)組網(wǎng)模式下，由于Iu-flex方案需要RNC將Iu接口同時連接到多個MGW，會引起Iu接口不必要的路由迂回，因此，這種情況下建議采用雙歸屬容災(zāi)方案。