软交换分组协议基础-SIGTRAN

SIGTRAN的初学者，通过阅读本章可以了解它的基本概念和应用场合。通过对SIGTRAN基本概念的理解，可以更快的进入角色。如果您对于SCN信令协议（如SS7）熟悉的话，对于理解SIGTRAN协议将会很有帮助。下面将SIGTRAN协议的基本概念进行描述。

SIGTRAN协议栈是支持通过IP网络传输SCN信令协议的协议栈。该协议栈支持SCN信令协议分层模型定义中的层间标准原语接口，从而保证已有的SCN信令应用可以未经修改地使用，同时也利用标准的IP传输协议作为传输底层，通过增加自身的功能来满足SCN信令的特殊传输要求。

1.1  SIGTRAN入门简介

我们在讲到SIGTRAN的时候不能不涉及到它的应用背景。图1-1很好的说明了这一点。

                                                                                                                                                                                图1-1 SIGTRAN应用模型

随着IP分组网络的迅速发展，IP网络和电路交换网（SCN）的互通成为必须要面对的问题。在此需求的推动下，具有互通功能的网关出现在IP网和SCN网交界处，即媒体网关MG、信令网关SG，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SG和媒体网关控制器MGC之间通过SIGTRAN传送信令。这要求SG和MGC都能够支持SIGTRAN协议。以下两点说明了图1-1中SIGTRAN的功能：

(1)      在SG和MGC之间使用SIGTRAN来传送SCN信令。在MG和MGC之间、在分离的MGC之间和在SG之间也可能使用SIGTRAN来传送基于消息的信令。

(2)      SIGTRAN支持多种SCN协议的封装和承载，并不包含任何SCN协议的翻译/转换功能，而是将翻译/转换功能置于信令传送的端点处进行，仅仅将自己定位于进行信令传送。

1.2  SIGTRAN协议栈结构介绍

1.2.1  SIGTRAN协议栈结构

SIGTRAN由两层组成：传输层和UA层。

传输层协议使用流控制传输协议SCTP，在IP网上提供可靠的消息包传输；

UA层，对SCN信令的协议分层模型中各层协议的适配，负责分别位于SCN和IP中的两层协议的层间原语的传输。如M2UA是MTP2的用户适配层，其作用支持MTP2和MTP3之间的原语接口，是位于IP网中MGC上的MTP3和SG上的MTP2间的纽带。

                                                                                                                                                                             图1-2 SIGTRAN协议栈结构

图1-2在许多文档中都出现过，这是整个SIGTRAN的结构层次图。其实这张图同时也包含了几层含义：

A、为什么中间SCTP这一层画的这么宽大？是因为UA层包括M2UA、M3UA、IUA、V5UA等众多成员，它们都需要建立在SCTP的基础上，所以才将SCTP一层画得更宽大一些，可见SCTP的重要性。在这里简单将SCTP的协议情况进行介绍：

SCTP的发展历史和前景： SCTP实际上脱胎于TCP协议，很多协议过程，如拥塞控制，都和TCP如出一辙。但是一开始SCTP定位在信令传输，因此对实时性和安全行作了一些考虑，克服了TCP的一些固有缺陷。其诞生之初叫简单控制传输协议，基于UDP。历经13个版本的草案发展，形成RFC的时候，已经绝对不是一个简单协议了，各大通信公司都进行了多次BAKE OFF测试，SCTP协议的合理性和实用性已经得到充分的检验。而且SCTP由于其超越TCP的优势，其应用已经远远超出了SIGTRAN的范畴，一方面在VOIP领域很多地方承担传输协议的角色，如BICC，MGCP都有选用SCTP的趋势，另一方面在通用传输协议上更有替代TCP协议的趋势，IETF已经讨论了包括HTTP协议在内的多种基于SCTP的应用可行性，并推出了SCTP的socket接口的相关草案。

B、图1-2中在V5UA的后面，有省略号，这表明SIGTRAN协议栈的UA成员还在不断增加。不仅包含M2UA、M3UA、V5UA等，其它协议都有可能通过SIGTRAN协议在IP网上传送，条件就是它的UA协议的底层传输要支持SCTP协议，利用SCTP提供的socket接口创建连接。

1.2.2  SIGTRAN应用模型

图1-3中所示，SIGTRAN可以将一体化的SS7演进成为层间分离的SS7。SIGTRAN由于支持层间原语，如MTP2/MTP3间的层间原语，所以可以将SS7进行层间分离，保证与电路相关的应用部分信息在IP网上的完整传送，其实这就是SIGTRAN的应用。SIGTRAN的一个重要的特点无缝连接，就是体现在信令传送的过程中。第二章将对无缝连接的具体内容进行详细讲解。

                                                                                                                                                                                图1-3 SIGTRAN应用模型

我们在第1章中讲到SIGTRAN协议栈组成结构，其中UA层是对SS7的协议分层模型中各层协议的适配，负责将分别位于SCN和IP网络中的两层协议的层间原语进行传输。本章就对软交换系统中典型应用的M2UA协议进行重点讲解。

2.1  M2UA组网应用

图2-1所示为M2UA应用组网： 通常，M2UA应用场合是当SG功能实体位于MGU内时，需要使用M2UA将SS7 MTP2用户信令消息送给MGC，即所说的信令回程，如图所示。绿色部分为M2UA，蓝色部分为MTP各功能级。

                                                                                                                                                                                     图2-1 M2UA应用组网

2.2  SIGTRAN的特点－“无缝连接”

SIGTRAN协议栈是支持通过IP网络传输SCN信令协议的协议栈。该协议栈支持SCN信令协议分层模型定义中的层间标准原语接口，从而保证已有的SCN信令应用可以未经修改地使用，同时也利用标准的IP传输协议作为传输底层，通过增加自身的功能来满足SCN信令的特殊传输要求。

由图2-1，我们可以清楚的看到，SIGTRAN就是在MTP1、MTP2、MTP3之间插了队。在传统电路交换网，MTP1、MTP2、MTP3按顺序在E1上传送，而现在SIGTRAN插入到了MTP2和MTP3之间，使MTP信令消息在IP网中传输成为可能！而所谓的无缝连接就是指，MTP2、MTP3是不会知道SIGTRAN的存在的。

图2-1中最左边浅蓝色部分就是原来的MTP传输层。而中间及右边的浅蓝色部分也是MTP成员，它和最左边的MTP成员有什么不同呢？我们可以发现MTP1和MTP2仍然紧紧的联在一起，而MTP2和MTP3之间却被运行在IP上的SIGTRAN给隔开了。MTP2本来是通过层间原语把信令传递给MTP3，其实是传递给了SIGTRAN，这是因为SIGTRAN能够支持MTP2和MTP3的层间原语功能。SIGTRAN经过IP网再将MTP2传给MTP3，MTP3通过层间原语接收到MTP2消息，又传给了上层用户TUP、ISUP等。这样其实MTP2和MTP3并不知道它们之间隔了一层SIGTRAN，上层TUP、ISUP等应用层模块就更不用说了。所以SIGTRAN和MTP上层用户之间根本就没有任何联系和关联。

同样，MGC侧的上层用户传下来的信令消息，经MTP3又传递给SIGTRAN，经IP网传给了MTP2，MTP3以为直接送给了MTP2，MTP2以为是MTP3送来的。图中MTP2和MTP3之间被SIGTRAN所隔离，而MTP2和MTP3并不知道它们之间存在这样一条缝隙！

这就是SIGTRAN的所谓的“无缝连接”。

2.3  M2UA的基本概念和业务功能

前面大家已经理解了M2UA协议的“无缝连接”特点。上文已经提到M2UA无缝连接的实现，是依靠它能够支持MTP2和MTP3层间原语功能。所以本节将对M2UA的几个概念和所能提供的业务功能进行说明。

2.3.1  M2UA的基本概念

M2UA：（SS7 MTP2-User Adaptation Layer）SS7 MTP2用户适配层，M2UA终结MTP2于分组网边缘SG，透传MTP2的用户消息（MTP3消息)转发给位于分组网中的MTP3（MGC）。

M2UA主要应用于信令和媒体在同一E1/T1中传到MG的直连方式情况下使用，基本为嵌入式信令网关。

(1)      Interface（接口）

在M2UA中接口指的SS7的信令链路。

(2)      （MTP2－User（MTP2用户）

指使用MTP2的业务的协议，即MTP3。

(3)      Interface Identifier （接口标识）

接口标识指在SG侧的信令消息发送和接收的物理接口标识，该值仅仅是逻辑标识，可以是数字，也可以是字符串，对于M2UA来说，可以认为一个接口标识对应一条7号信令链路，它只具有局部意义，在SG和ASP之间使用。

(4)      Application Server (应用服务器，简称AS)

为特定应用实体服务的一个逻辑实体，例如：处理呼叫处理的MGC就可以看作一个AS，在应用中可以在SG侧将AS看作处理相关业务的一个或多个业务的组合。

(5)      Application Server Process (应用服务器进程，简称ASP)

一个AS的进程实例，状态是激活/备用。每个ASP包含一个SCTP端点，能够处理多个AS的业务。在M2UA这一层，AS就代表了一组MTP信令链路，而一个ASP处理的就是一组信令链路的消息。比如ASP1与SG之间建立一条SCTP连接1，ASP2与SG之间建立了一条SCTP连接2，SG上有5条MTP信令链路，1、2信令链路由ASP1处理；3、4、5信令链路由ASP2处理。可以把MGC上M2UA进程看作是一个ASP，那么1，2信令链路的消息由M2UA进程1（即ASP1）交给MTP3；3、4、5链路的消息由M2UA进程2（即ASP2）交给MTP3处理。

(6)      Fail-over（故障恢复）

当前ASP不可达或出现故障时，业务可以重选ASP，从另外同样可以处理该链路业务的ASP（或备用的ASP）传输。这种能力就叫故障恢复。 故障恢复手段可以用来切换到先前不可达的进程。

(7)      Layer Management（层管理）

它是在M2UA协议栈与本地管理实体间处理输入输出的功能。如本地管理可以通过层管理配置协议栈，将协议栈上报的故障告知本地管理等等。

(8)      链路关键字(Link Key)

链路关键字就是本地用来确定一条信号链路和及其对端的唯一标识。

(9)      信令链路终端(Signalling Link Terminal)

信令链路终端指忽略具体的执行细节，而能够实现MTP2规定的各种功能的实体。

2.3.2  M2UA的业务功能

M2UA的任务是使处于SG侧的MTP2与处ASP侧的MTP3之间通过M2UA实现无缝连接，也就是说，对于MTP2来说，M2UA表现为MTP3的接口，对于MTP3来说，M2UA表现为MTP2的接口。

2.3.3  支持传送MTP2/MTP3接口原语功能

M2UA将MTP2/MTP3接口原语转化为M2UA相应消息通过SCTP连接在IP网中进行传输，到达对端后再将M2UA消息转化为相应的MTP2/MTP3接口原语送给MTP3。M2UA支持传递MTP2、MTP3协议规定的所有原语，主要包括以下几类：

ESTABLISH

用于请求信令链路开始定位，以及指示和证实链路定位成功的结果。

RELEASE

用于请求拆除先前已建立的信令链路的结果，指示和证实拆链的结果，以及链路定位失败报告。

DATA

用于请求传送MSU消息，在SG侧MTP2请求发送其收到的MSU给MTP3，在MGC侧MTP3请求向MTP2发送MSU；

DATA RETRIEVAL

数据回收类原语，用于链路数据的回收过程 。

STATE

链路状态请求、指示和确认，用于MTP3了解和控制链路状态。

2.3.4  支持分别位于SG和MGC上的层管理模块之间的通信

在MTP2 、MTP3位于相同设备上时，由于MTP2 、MTP3在一起共用相同的层管理，因而不存在问题。当MTP2 、MTP3分别位于不同设备上，通过M2UA在IP网通信时，两边分别有一个层管理，为了真正做到无缝连接，就必须考虑两侧层管理的通信问题。

在SG侧，当发现ASP去激活时，M2UA要负责通知SG的层管理，此时M2UA对MTP2采取的行动要遵循相关的MTP规范，M2UA协议草案没有作出规定。

当M2UA从对端收到错误的消息时，需向本地层管理报告错误（如消息中携带一个SG侧不认识的接口标识）。

2.3.5  支持对SG和ASP间SCTP偶联的管理

SG侧M2UA层须维护所有已配置的远端ASP的可用性状态，以了解ASP是启用还是宕机；为了管理SG和ASP之间的SCTP偶联和业务，SG侧M2UA还须维护远端ASP的激活/未激活状态，激活的ASP用来处理SG发送的业务。

本地管理可以命令SG或ASP侧的M2UA层建立到对端M2UA节点的SCTP偶联。它可以通过使用M-SCTP ESTABLISH请求、指示和证实原语来建立到对等M2UA节点的SCTP偶联。

M2UA层也可以使用M-SCTP STATUS请求和指示原语向本地层管理通知SCTP偶联的状态，例如：M2UA可以向本地管理通知SCTP偶联释放的原因，确定是由本地M2UA层还是由SCTP释放的。

M2UA层也可以向本地管理通知ASP可用性状态的变化，它通过使用M-ASP STATUS原语来通知ASP的状态。

2.4  M2UA的内部功能

2.4.1  映射

M2UA需维护SS7物理链路和接口标识之间的映射关系，这两者是一一对应的关系。

2.4.2  ASP状态

由于需要支持ASP之间的冗余，支持ASP间的不同业务处理方式，SG侧的M2UA必须维护ASP的状态。SG和ASP之间通过ASPM消息对ASP状态进行管理。

2.4.3  SCTP 流映射

SCTP流映射的准则：

(1)      将业务最终映射到SCTP流是由适配层完成的；

(2)      映射基准是接口标识；

(3)      有序的业务必须保证在相同的流传输；

(4)      流号0用于传送管理消息，不能用于传送MAUP消息。

2.4.4  无缝的网管互通

M2UA提供在SG和ASP之间的无缝的互通，SG侧M2UA在ASP从激活状态迁出时应向本地层管理通知MTP3已不可达，SG上M2UA对MTP2 采取的措施遵循相关的MTP规范，协议草案没有作出规定。

2.4.5  IP拥塞管理

当IP网络发生拥塞时，SCTP会通知M2UA，M2UA     对网络拥塞的处理可基于实现，M2UA协议草案中对此没有作出规定。

2.4.6  链路查询

在ASP之间发生倒换时，新的激活的ASP上的M2UA可能会向SG查询信令链路状态，以保证两端的一致性，因此SG侧M2UA要将当前链路的状态如实向ASP汇报。

在M2UA协议消息介绍中，给大家介绍M2UA协议消息的分类以及组成，如果您对更具体的消息体内容感兴趣，请参考协议文本。

3.1  通用消息头结构

需要注意的是，任何M2UA的消息都必须包含M2UA通用消息头，其结构如下：

    0               1                2                3

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

    |  Version   | Reserved  | Message Class| Message Type  |

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

   |          Message                Length               |

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

M2UA的通用消息头包括：版本、消息类别、消息类型、消息长度。下面我们对照上面的消息头分别进行解释。

3.1.1  版本（8bits）

现在支持的版本为1.0，所以该域的值只能为01。

1.  保留字段（8bits）

在实际消息中都填写00

3.1.2  消息类别（8bits）

SIGTRAN的消息类别是统一定义的，也就是说这个通用消息头是所有SIGTRAN家族中各种UA协议都支持的。对于M2UA来讲，只能是以下几种：

0     管理消息(MGMT：Management Message) [IUA/M2UA/M3UA/SUA]

3     ASP状态维护消息(ASPSM： ASP State Maintenance Messages)                

            [IUA/M2UA/M3UA/SUA]

4     ASP业务维护消息 (ASPTM： ASP Traffic Maintenance Messages)         

            [IUA/M2UA/M3UA/SUA]

6     MTP2用户适配消息(MAUP： MTP2 User Adaptation Messages) [M2UA]

（注：后面的方括号表示有哪些UA协议支持这种类别，其中3和4可以统称为ASPM类消息）

3.1.3  消息类型（8bits）

消息类型是指对应于消息类别的具体的实例。比如说水果是一种“消息类别”，而苹果就是水果这种消息类别的一个消息类型，梨同样也是水果这种消息类别的一个消息类型。

管理类消息（Message Class = 0） 有以下消息类型：

0    错误消息(ERR)

1    Notify消息(NTFY)

MTP2用户适配消息（Message class = 6）有以下消息类型：

       0      Reserved

      1      Data    

      2      Establish Request

      3      Establish Confirm

      4      Release Request

      5      Release Confirm 

      6      Release Indication     

      7      State Request               

      8      State Confirm            

      9      State Indication               

     10      Data Retrieval Request       

     11      Data Retrieval Confirm   

     12      Data Retrieval Indication    

     13      Data Retrieval Complete Indication 

     14      Congestion Indication 

ASP状态维护消息（Message Class = 3）有以下消息类型：

       1      ASP Up (UP)

      2      ASP Down (DOWN)

      3      Reserved

      4      ASP Up Ack (UP ACK)

      5      ASP Down Ack (DOWN ACK)

ASP业务维护消息（Mesage class = 4）有以下消息类型：

       1      ASP Active (ACTIVE)

      2      ASP Inactive (INACTIVE)

      3      ASP Active Ack (ACTIVE ACK)

      4      ASP Inactive Ack (INACTIVE ACK)

3.1.4  消息长度

消息长度定义消息的长度(以八位位组为单位)，包括消息头的长度和填充的长度。

3.1.5  M2UA消息可变长参数的结构

M2UA消息中的参数格式包含消息标签(Parameter Tag)，参数的长度(Parameter Length)， 参数内容(Parameter Value)， 简称TLV格式。

    0                       1                       2                      3

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

   |          Parameter Tag            |       Parameter Length        |

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

   /                                                                            /

   /                       Parameter Value                                   /

   /                                                                            /

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                                                    参数的TLV格式

除了通用消息头以外，以后每个参数都是这种TLV格式，M2UA消息就是由这些一个或多个参数累加而成，或者是没有参数。其中Tag值就是区别各种参数的标志。具体的各种参数请参考协议文本。

3.2  M2UA消息头

除了通用消息头外，MAUP消息有一个特定的消息头，称之为M2UA消息头。在这类消息中，M2UA消息头紧跟在通用消息头后边。M2UA消息头中包含了接口标识，M2UA消息头的格式如下：

    0                       1                       2                      3

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

   |           Tag (0x1)           |             Length            |

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

   |                 Interface Identifier (integer)                |

   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                                       M2UA消息头(接口标识为数字类型时）

3.3  实例说明

两端之间建立M2UA业务环境的过程如下：

       SG                                           ASP

              |<-------------ASP Up--------------|

              |-----------ASP-Up Ack---------->|

              |<------- ASP Active---------------|

              |----ASP Active Ack------ ------>|    

(1)      ASPUP的消息包：（以下均是16进制）

01 00 03 01 00 00 00 08

ASPUP消息只有通用消息头，01表示版本号，00是保留字段，03是消息类别（ASP状态维护消息），01是ASPUP消息，00 00 00 08是代表整个消息包长度。

(2)      ASPUP ACK的消息包：

01 00 03 04 00 00 00 08

ASPUP ACK消息也只有通用消息头，01表示版本号，00是保留字段，03是消息类别（ASP状态维护消息），04是ASPUP ACK消息，00 00 00 08是代表整个消息包长度。

(3)      ASP ACTIVE的消息包

01 00 04 01 00 00 00 18 | 00 0b 00 08 00 00 00 01 | 00 01 00 08 00 00 00 00

ASP ACTIVE消息包括通用消息头和M2UA消息头以及参数，01表示版本号，00是保留字段，04是消息类别（ASP业务维护消息），01是ASP ACTIVE消息，00 00 00 18是整个消息包的长度。00 0b是一种Tag值，表示传输模式（主备用还是负荷分担），00 08表示这个参数的长度，00 00 00 01表示是负荷分担，00 01也是一种Tag值，表示if_id值，00 08表示这个参数的长度，00 00 00 00 是我们这端配置的if_id。

其余的消息也都可以按照以8个字节为单位进行分割，再按照不同的Tag值查找协议文本进行对照。

3.3.1  ASPUP消息的处理

当SCTP连接建立以后，ASP发送ASP UP消息给SG（该消息总是由ASP发出）。SG将记下该ASP的标识符（如果消息中有的话），标记该ASP处于inactive状态，并返回ASP UP Ack消息。

对于ASP侧来说，如果超时未接受到返回则重发或通知上层（具体实现）。在收到返回之前，ASP侧不能发送其它ASP消息。

对于SG侧来说，如果收到ASP UP消息后发现该ASP已被标记为ASP_ACTIVE或ASP_STANDBY状态，则在返回ASP UP Ack消息的同时，向对端发送“Unexpercted Message”错误消息，并修改该ASP的状态为ASP_INACTIVE。

对于SG侧来说，如果 收到ASP UP消息后发现该ASP已被标记为ASP_INACTIVE，则只返回ASP UP Ack消息。

3.3.2  ASPACTIVE消息的处理

不论何时，ASP收到一个ASP Up Ack，ASP将发送一个ASP ACTIVE给SG。SG收到ASP ACTIVE后，即使该ASP的状态已被标记为Active，也还是会给一个确认返回的，同时改变自己的状态，并通知LM开通业务。在ASP ACTIVE Ack没有返回前，ASP不能发送任何数据消息。返回后则通知LM。超时未返回则重发。

3.3.3  ASPINACTIVE消息的处理

当某ASP不想再承载AS的业务时，它将向SG发出ASP Inactive消息。该消息可以是LM通过M_ASP_INACTIVE原语发出，也可由M2UA管理机制发出。SG一般会返回一个确认 INACTIVE Ack。ASP INACTIVE超时未返回则重发。ASP INACTIVE消息中也含有的传输模式参数。但如果SG发现指出的模式与SG中该AS的当前模式不相同，SG将返回一个错误消息。

对于主备互换模式的AS来说，在SG接受到该ASP的ASP_INACTIVE消息之前，已经有新的ASP接管了AS的传输，那么此时的SG则早已把它认为是Inactive状态。该ASP将接到确认消息

3.3.4  ASPDOWN消息的处理

SG接受到ASP DOWN消息后，标记该ASP状态为ASP_DOWN。通知LM（用M-ASP_Down指示原语），返回ASP Down Ack消息。不管该ASP处于何种状态，SG都要返回该ASP Down Ack消息。

对于ASP侧来说，收到ASP Down Ack消息后通知LM。但如果该ASP没有发出ASP Down消息却受到了ASP Down Ack消息，它就会认为自己处于ASP_DOWN状态。如果该ASP以前是处于ASP-ACTIVE或 ASP_INACTIVE状态，此时的ASP将重新使自己返回到该状态。                                                   对于ASP侧来说，如果超时没有收到确认，则反复重发或通知LM具体实现。