CN101115033A - 会话初始协议网关主备倒换系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种会话初始协议网关主备倒换系统及其方法；涉及网络通信领域中会话初始协议网关设备，尤其涉及主备倒换系统及其高可用实现的方法。本系统包括主板(10)和备板(20)；主、备板(10、20)分别包括主、备网络模块(11、21)，主、备SIP协议模块(12、22)，主、备控制模块(13、23)和主、备HA模块(14、24)；主、备板(10、20)之间通过板卡接口实现系统内部物理链路连通，主、备板(10、20)拥有独立的IP地址和物理地址，通过套接字通信实现内部逻辑链路连通。本发明适用于基于SIP的网关主备倒换系统的软件状态同步，而且也适用于其它非SIP协议的网关主备倒换系统的软件状态同步。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信领域中会话初始协议(SIP)网关设备，尤其涉及主备倒换系统及其高可用实现的方法。
背景技术
随着软交换和IP多媒体子系统(IMS)的进一步发展，整个软交换和IMS已经过渡到了以SIP为核心的时代。除了有计划地对大规模部署的SIP网关设备进行日常的维护工作外，应该尽量消除设备因突发性硬件故障等导致较长时间的停机或者服务的临时中断。因此，系统要保证99.999％高可靠性，仅仅靠提高元件的可靠性是无法满足要求的，只有对系统的关键设备进行备份，当这些设备出现故障时，其工作能快速完全倒换到备用设备，使系统能持续稳定运行。
一般系统设计中，通常会对关键部件实现1+1冗余备份。对于1+1冗余备份，还可分为热备份和冷备份两种方式。热备份的主备用板同时工作；冷备份的备用板并不工作，只是在主用板出现故障时，才开始工作。热备份的方式性能更好，但设计上较复杂一些。在通信设备中，热备份方式更常见。
通常，热备份方式的实现有两种方式：
一种方式是事件备份。主备板接收相同的事件消息，做相同的处理，处理后主、备板的内部状态相同从而实现状态同步。只是备板并不真正输出信号，其输出是关闭的，或者是主、备板同时输出，由各受控单板根据主、备指示信号，选择接收。这种方式的优点是实现比较简单，效率较高；缺点是不能实现单板动态插拔，要求主备板同时启动且主备板配置信息完全一致，给运营维护带来一定的难度。因为在主板已经建立了呼叫后备板再启动，如果主板的呼叫未释放前执行主备倒换，这时备板并没有该呼叫的任何信息，也就不能正常释放该呼叫，还可能影响该通道的后续呼叫。
另一种方式是状态备份。主板正常接收和发送消息，当主板的状态变化后，主板实时或定时备份状态变化信息到备板。备板只接受主板的状态备份消息，并修正备板当前的内部状态来达到主备板状态同步。这种方式的优点是对同步前主、备的状态没有要求，缺点是在呼叫过程中如果要保证实时状态同步，则状态备份的消息量很大(对SIP而言，仅可能会重传的消息的状态备份量就达到了事件备份的消息量)；如果要消息量较小，只能采用定时备份，这又可能无法满足同步的实时性要求，当定时备份间隔过大时，甚至无法实现热备份。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种会话初始协议网关主备倒换系统及其方法；具体地说，本发明是针对单独的事件备份或单独的状态备份方式技术不充分、热插拔不可靠、状态备份效率不高等缺点，充分利用事件备份和状态备份方式各自的优点，同时采用状态备份和事件备份、主板向备板提供时钟信号机制来保证主、备板状态同步，针对SIP网关提供一种实现单板主备倒换的系统及其方法，实现稳定可靠高效的单板冗余备份和热插拔。
本发明的目的是这样实现的：
1、SIP网关主备倒换系统
如图1、2，SIP网关主备倒换系统包括主板(10)和备板(20)；
主、备板(10、20)分别包括主、备网络模块(11、21)，主、备SIP协议模块(12、22)，主、备控制模块(13、23)和主、备HA模块(14、24)；
其中：
主、备网络模块(11、21)负责网络消息的收发，
主、备SIP协议模块(12、22)负责SIP协议消息的处理，
主、备控制模块(13、23)包括呼叫控制模块、网管模块等，
主、备HA模块(14、24)负责主、备板(10、20)主备地位的确立、状态备份消息、事件备份消息和时钟消息的发送和接收；
主、备板(10、20)之间通过板卡接口实现系统内部物理链路连通，主、备板(10、20)拥有独立的IP地址和物理地址(MAC)，通过套接字(socket)通信实现内部逻辑链路连通。
2、SIP网关主备倒换方法
SIP网关主备倒换方法包括下列步骤：
①主、备板(10、20)同时或先后上电后，通过竞争机制确定自己的主备状态地位，然后周期不间断地发送心跳消息来检测对端板是否正常运行；
②当主板(10)检测到备板(20)上电启动后，主SIP协议模块(12)把当前内部的状态批量备份到备板备板(20)，备板备板(20)接收到状态备份消息后，删除备SIP协议模块(22)所有与配置、呼叫、注册相关的状态及资源，然后恢复同步状态，做到与主板(10)的状态同步；
③主板(10)向备板(20)提供时钟信号，备板(20)的时钟信号与主板(10)的时钟信号完全一致；
④当主SIP协议模块(12)接收到来自控制层或网络层的消息后，除将消息正常处理正常输出外同时将收到的消息拷贝一份发送到备SIP协议模块(22)，备板(20)收到消息后正常处理但不输出；
⑤当主板(10)异常或人工拔出主板(10)或通过命令强制倒换时，备板(20)倒换为主板(10)，接替原主板(10)的所有工作。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、充分利用了状态备份和事件备份的优点，摒弃了单独事件备份和单独状态备份的缺点，使主备状态同步的消息量少，提高了系统的效率，对电信级网关主备倒换方法具有积极的意义。
2、主板(10)向备板(20)提供时钟信号，屏蔽了主、备板(10、20)系统时钟差异，保证了备板(20)时钟触发事件和主板(10)时钟触发事件完全同步。
3、可以实现稳定可靠高效的单板冗余备份和热插拔，同时不要求主、备板(10、20)的配置信息一致，使系统持续稳定运行，方便运行维护管理。
4、本发明适用于基于SIP的网关主备倒换系统的软件状态同步，而且也适用于其它非SIP协议的网关主备倒换系统的软件状态同步。
附图说明
图1是本发明状态备份逻辑图；
图2是本发明事件备份逻辑图；
图3是本发明主备倒换时序逻辑图。
其中：
10-主板，
11-主网络模块，12-主SIP协议模块，13-主控制模块，14-主HA模块；
20-备板，
21-备网络模块，22-备SIP协议模块，23-备控制模块，24-备HA模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明：
一、本系统
本系统包括主板(10)和备板(20)。
主板(10)包括主网络模块(11)、主SIP协议模块(12)、主控制模块(13)和主HA模块(14)四个功能模块；
备板(20)也包括备网络模块(21)、备SIP协议模块(22)、备控制模块(23)和备HA模块(24)四个功能模块。
二、本方法
以主、备SIP协议模块(12、22)为例来说明具体实施方式，对于主、备控制模块(13、23)采用同样的方式来实施。
前述主、备SIP协议模块(12、22)负责SIP协议消息的处理；主、备控制模块(13、23)包括呼叫控制模块、网管模块等。
1、主备状态确立
当单板A和单板B分别上电启动初始化完成后，主、备HA模块(14、24)检测确立本板的主备状态。当单板A检测到只有自己在位时，单板A就是主板(10)，然后单板B上电启动后检测到单板A已经上电正常运行，则单板B即是备板(20)；如果单板A检测到单板B已经正常工作，则单板A即是备板(20)。为说明方便，假定通过检测确立了A是主板(10)，B是备板(20)。当主备状态确立后，主、备HA模块(14、24)都相互向对方定时周期地发送心跳消息来检测对方是否正常运行。主备状态确立后主板(10)正常收发消息，备板(20)不向外发送消息。
2、状态备份实现初始状态同步
当备板(20)启动之后，主板(10)可能已经进行了各种呼叫，这时主板(10)的主SIP协议模块(12)和备板(20)的备SIP协议模块(22)之间的状态差异可以非常大，甚至配置信息完全不一样。当主板(10)的主HA模块(14)检测到备板(20)启动后，为保证主备板的状态一致，主板(10)的主SIP协议模块(11)通过主HA模块(14)向备板(20)的备SIP协议模块(21)发送与协议相关的配置信息、所有的注册信息(包括头字段CSeq值)、呼叫信息状态消息。备板(20)的备HA模块(24)收到状态备份消息后发送给备板(20)的备SIP协议模块(21)，然后备协议模块(22)通过备份消息更新模块内部的与协议相关的配置信息、注册信息(包括头字段CSeq值)、呼叫信息和主板(10)的状态一致，达到主备之间数据迅速一致，保证状态同步。上述呼叫信息包括事务(transaction)状态信息、呼叫(call)状态信息、对话(dialog)状态信息及其相互逻辑关系、各种事务(transaction)、对话(dialog)对应的定时器[主板(10)计算出定时器剩余值，备板(20)用该剩余值重新启动定时器]、相应的重传消息等。该过程的实现逻辑图如图1所示。状态备份通过操作系统的调度机制来完成该任务，以保证状态备份不会对系统其它模块的工作造成影响。
由于SIP协议要求头字段CallId值、头字段From中的tag参数值、头字段To中的tag参数值、头字段Via中branchId参数的值全局惟一，这就要求主、备板(10、20)中SIP协议头字段CallId值及相应tag参数值、branchId参数值一致。上述头字段值和参数值一般是通过系统时间和该设备某些固有信息(例如设备IP或域名)联合构建。但是主板(10)和备板(20)的系统时间不能完全保证一样(精确到tick数)，因此实现状态备份时可以把主板(10)的系统时间值取出保存并备份到备板(20)，然后主、备板(10、20)对该值按同杆的规则动态调整，使主、备板(10、20)的该值始终完全一致。当主、备板(10、20)发起呼叫时分别用该值和给定的设备相关信息通过相应的算法构建产生相同的头字段CallId值、相同的tag参数值、相同的branchId参数值。
3、主备时钟同步
主板(10)向备板(20)提供时钟信号，备板(20)的时钟信号与主板(10)的完全一致。整个SIP呼叫过程中涉及大量的事务定时器和呼叫定时器，由于主、备板(10、20)自身的系统时钟很难保持完全一致，因此我们采用主板(10)向备板(20)提供时钟信号，保证备板(20)的时钟信号与主板(10)的完全一致。当主板(10)的主SIP协议模块(12)有时钟信号到来时，除正常处理时钟信号外还通过主HA模块(14)向备板(20)传送一个时钟信号，备板(20)收到时钟信号后就处理时钟信号。也就是说备板(20)的时钟信号不是由备板(20)的操作系统提供，而是由主板(10)的操作系统提供，这样保证了在主、备板(10、20)系统时钟不完全一致的情形下，定时器的操作和使用效果完全一致。
4、事件备份实现主备状态实时同步
当主板(10)的主SIP协议模块(12)收到主控制模块(13)发送的外部事件(例如摘机、挂机、拍叉、拨号等)时，主SIP协议模块(12)一方面正常处理该消息，并正常输出给主控制模块(13)或主网络模块(11)，同时也将该消息通过主HA模块(14)发送给备板(20)的备SIP协议模块(22)。备板(20)收到该消息后正常处理，但不输出。同样，当主板(10)的主SIP协议模块(12)收到来自主网络模块(11)的网络消息后，一方面正常处理该消息，并正常输出给主控制模块(13)或主网络模块(11)，同时也将该消息通过主HA模块(14)发送给备板(20)的备SIP协议模块(22)。备板(20)收到该消息后正常处理，但不输出。其逻辑图如图2所示，其中备板(20)由备HA模块(24)到备协议模块(22)向下的箭头消息对应主板(10)上主控制模块(13)发向主协议模块(12)的消息，备板(20)由备HA模块(24)到备协议模块(22)向上的箭头消息对应主板(10)上主网络模块(11)发向主协议模块(12)的消息。通过初始状态同步、时钟调度同步，事件备份同步，主、备板(10、20)具有相同的输入，处理输入后主、备板(10、20)有相同的输出、相同的内部状态，实现了主备状态的完全一致。
5、主、备板(10、20)主备倒换
要实现主备倒换，需要满足如下条件：
①主、备板(10、20)都在位；
②主、备板(10、20)的心跳都正常；
③其中一块处于主板状态，另一块处于备板状态；
④主板(10)出现故障或者插拔或者通过手动命令强制切换。
当上述①、②、③和④条件完全满足时会发生主备倒换。这时原备板状态立即切换到主板状态，原主板或者退出服务或者切换为备板。当原主板切换到备用状态时，主、备板(10、20)的地位正好发生了对换，这时又重新开始状态备份实现初始状态同步、备份定时器调度实现定时器调度同步、时钟信号备份、事件备份实现主备状态实时同步等过程。当原主板退出服务时，新主板仅仅作为单板运行，不再执行上述的①、②、③和④，只有当新备板上电启动后又重新开始执行上述的①、②、③和④。
三、主备倒换时序逻辑
如图3，主备倒换时序逻辑包括：
主板(10)检测到备板(20)上电(F1)，状态备份(F2)，时钟同步(F3)，事件备份(F4)……时钟同步(Fn-2)，事件备份(Fn-1)，主备切换(Fn)。
其中：
主板(10)检测到备板(20)上电(F1)；
状态备份(F2)，即主板(10)将当前的配置信息、呼叫信息等初始状态备份到备板(20)；
时钟同步(F3)，即主板(10)向备板(20)提供时钟信号；
事件备份(F4)，即主板(10)向备板(20)同步外界触发事件；
时钟同步(Fn-2)，即周期地执行时钟同步(F3)；
事件备份(Fn-1)，即周期地执行事件备份(F4)；
主备切换(Fn)，即当主板(10)故障或拔出，备板(20)切换到主板(10)，完全接通原主板(10)的工作。
Claims (3)
1.一种会话初始协议网关主备倒换系统，其特征在于：
包括主板(10)和备板(20)；
主、备板(10、20)分别包括主、备网络模块(11、21)，主、备SIP协议模块(12、22)，主、备控制模块(13、23)和主、备HA模块(14、24)；
主、备板(10、20)之间通过板卡接口实现系统内部物理链路连通，主、备板(10、20)拥有独立的IP地址和物理地址地址，通过套接字通信实现内部逻辑链路连通；
主、备网络模块(11、21)负责网络消息的收发，
主、备SIP协议模块(12、22)负责SIP协议消息的处理，
主、备控制模块(13、23)包括呼叫控制模块、网管模块等，
主、备HA模块(14、24)负责主、备板(10、20)主备地位的确立、状态备份消息、事件备份消息和时钟消息的发送和接收。
2.基于权利要求1所述系统的主备倒换方法，其特征在于包括下列步骤：
①主、备板(10、20)同时或先后上电后，通过竞争机制确定自己的主备状态地位，然后周期不间断地发送心跳消息来检测对端板是否正常运行；
②当主板(10)检测到备板(20)上电启动后，主SIP协议模块(12)把当前内部的状态批量备份到备板备板(20)，备板备板(20)接收到状态备份消息后，删除备SIP协议模块(22)所有与配置、呼叫、注册相关的状态及资源，然后恢复同步状态，做到与主板(10)的状态同步；
③主板(10)向备板(20)提供时钟信号，备板(20)的时钟信号与主板(10)的时钟信号完全一致；
④当主SIP协议模块(12)接收到来自控制层或网络层的消息后，除将消息正常处理正常输出外同时将收到的消息拷贝一份发送到备SIP协议模块(22)，备板(20)收到消息后正常处理但不输出；
⑤当主板(10)异常或人工拔出主板(10)或通过命令强制倒换时，备板(20)倒换为主板(10)，接替原主板(10)的所有工作。
3.按权利要求2所述的主备倒换方法，其特征在于主备倒换时序逻辑包括：
主板(10)检测到备板(20)上电(F1)，状态备份(F2)，时钟同步(F3)，事件备份(F4)……时钟同步(Fn-2)，事件备份(Fn-1)，主备切换(Fn)；
其中：
状态备份(F2)，即主板(10)将当前的配置信息、呼叫信息等初始状态备份到备板(20)；
时钟同步(F3)，即主板(10)向备板(20)提供时钟信号；
事件备份(F4)，即主板(10)向备板(20)同步外界触发事件；
时钟同步(Fn-2)，即周期地执行时钟同步(F3)；
事件备份(Fn-1)，即周期地执行事件备份(F4)；
主备切换(Fn)，即当主板(10)故障或拔出，备板(20)切换到主板(10)，完全接通原主板(10)的工作。
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