軟交換網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)SIP監(jiān)測(cè)方案

李 勇,雒江濤,2,黃 建

(1.重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室,重慶400065;2.重慶中天重郵通信技術(shù)有限公司,重慶401121)

1 引 言

隨著近幾年中國(guó)通信業(yè)的快速發(fā)展,通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維中存在的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量等問(wèn)題越來(lái)越突出,這為各測(cè)試設(shè)備廠商提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。原有的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法主要是通過(guò)測(cè)試儀表來(lái)實(shí)現(xiàn),這種方法相對(duì)落后,一般在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后才使用,實(shí)現(xiàn)方式被動(dòng),接口單一,無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的需求。在這種情況下,一種能夠?qū)θW(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并預(yù)警,對(duì)故障進(jìn)行定位分析的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概念孕育而生。

以往的信令監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確率低。采用的紅黑樹(shù)的CDR(Calling Detail Record)索引算法遍歷速度慢,執(zhí)行效率低,訪問(wèn)CDR造成硬盤讀寫(xiě)次數(shù)過(guò)大,速度慢。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)分析,好的信息索引方式對(duì)解決CDR合成效率問(wèn)題至關(guān)重要。

為了提高合成效率,我們采用了哈希索引合成的方法,建立以KEY值為索引、CDRID為映射值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理模式,解決以往索引效率低下等難題。

SIP作為軟交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵協(xié)議,用于創(chuàng)建并控制雙方或多方參加的多媒體會(huì)話[1]。結(jié)合對(duì)SIP協(xié)議的分析,亦可采用這一高效的合成技術(shù)應(yīng)用于SIP協(xié)議的監(jiān)測(cè)中。

2 軟交換網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以實(shí)時(shí)處理為核心,以分布采集、集中分析方式實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元及接口的綜合監(jiān)測(cè)。由遠(yuǎn)端的信令采集模塊提供實(shí)時(shí)的信令數(shù)據(jù),用戶要對(duì)某種電信業(yè)務(wù)行為進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)時(shí),會(huì)讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行信令處理,然后提供給用戶網(wǎng)絡(luò)性能及業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)費(fèi)核查數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備狀況和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析等應(yīng)用報(bào)告,監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的異常情況,自動(dòng)彈出告警信息,有效地協(xié)助用戶完成故障的分析與定位,從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和調(diào)整提供信息和依據(jù)[2]。

為了滿足系統(tǒng)集中分析的要求,信令監(jiān)測(cè)平臺(tái)的架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)采集部分、信令處理管理模塊、信令處理模塊、基礎(chǔ)應(yīng)用部分和存儲(chǔ)模塊等。信令監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 信令監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.1 The structure of signaling monitoring platform

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)中的信令數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡成功提取。

信令處理管理模塊內(nèi)設(shè)數(shù)據(jù)采集服務(wù)端與遠(yuǎn)端的采集設(shè)備交互,信令處理服務(wù)端等與相應(yīng)處理進(jìn)程交互。應(yīng)用服務(wù)器是各設(shè)備命令交互中心,負(fù)責(zé)用戶權(quán)限管理,是所有客戶端訪問(wèn)信令分析平臺(tái)的總接口。

信令處理模塊是整個(gè)信令處理部分,包括對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解碼、CDR的合成及統(tǒng)計(jì)。

基礎(chǔ)應(yīng)用部分基于數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的信令數(shù)據(jù),完成實(shí)時(shí)鏈路監(jiān)測(cè)、告警監(jiān)測(cè)、拓?fù)涔芾?、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)和業(yè)務(wù)分析、消息和CDR詳細(xì)記錄查詢等應(yīng)用功能。

存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)信令處理后的工程信息及信令統(tǒng)計(jì)信息,并將數(shù)據(jù)表通過(guò)入庫(kù)系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù),提供給上層應(yīng)用平臺(tái),用于上層處理。

3 SIP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

SIP協(xié)議是由IETF于1999年提出的一種實(shí)時(shí)通信應(yīng)用信令協(xié)議,其最終目標(biāo)是為所有因特網(wǎng)成功的應(yīng)用提供無(wú)所不在的接入,成為聯(lián)系因特網(wǎng)和電信、多媒體的媒介。SIP工作在應(yīng)用層,與其它協(xié)議相互合作,例如:RTP(Real-time Transmit Protocol)用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)反饋,RTSP(Real-Time Stream Protocol)用于控制實(shí)時(shí)媒體流的傳輸,SDP(Session Description Protocol)用于描述多媒體會(huì)話。SIP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議為IP,傳輸層協(xié)議為TCP或UDP。

SIP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 SIP協(xié)議棧Fig.2 SIP stack

4 SIP監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本文根據(jù)相關(guān)測(cè)試規(guī)范的要求[4],創(chuàng)新性地提出了一種對(duì)SIP協(xié)議的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案,其實(shí)現(xiàn)的功能主要有協(xié)議解碼、CDR合成、性能統(tǒng)計(jì)等。

4.1 SIP解碼模塊

SIP是一個(gè)基于文本的分層協(xié)議,類似于HTTP,至頂向下依次為事務(wù)用戶層(TransactionUser)、事務(wù)層(Transaction)、傳輸層(Transport)以及語(yǔ)法和編碼層(Syntax and Encoding)[5]。SIP消息采用UTF-8字符集。根據(jù)SIP協(xié)議的消息格式,所有的SIP消息均由起始行、頭域部分和消息體(可選)組成。由于SIP消息格式層次性及靈活性,如復(fù)合行、縮略頭域標(biāo)識(shí)、線性空白(Line White Space,LWS)等,因而采用正則表達(dá)式匹配解碼的手段可有效解析SIP消息內(nèi)容。

4.2 SIP呼叫合成模塊

呼叫合成是指將屬于同一次呼叫及信令流程的消息關(guān)聯(lián)起來(lái),并記錄與該呼叫流程相關(guān)的屬性信息。這里關(guān)鍵問(wèn)題是如何解決在消息處理過(guò)程中同一個(gè)時(shí)刻可能存在成千上萬(wàn)個(gè)未完成的呼叫,如何組織這些消息能很快找到其所屬的呼叫流程[6]。在設(shè)計(jì)中,為了完成快速查找的工作,對(duì)SIP消息來(lái)說(shuō),不同的呼叫均可以通過(guò)呼叫標(biāo)識(shí)(Call-ID)和源、目的URI標(biāo)簽來(lái)區(qū)分。考慮到消息的關(guān)聯(lián)我們采用哈希索引的方式,以Call-ID、ToTag、FromTag作為Hash索引的關(guān)鍵KEY值,并通過(guò)一定的散列算法,獲得一個(gè)唯一的散列值,從而完成對(duì)同一呼叫流程消息的合成。我們采用了CDRID為映射值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理模式,對(duì)于每一個(gè)流程由CDRID唯一標(biāo)識(shí),從而完成對(duì)不同呼叫流程的索引。SIP呼叫合成設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 SIP呼叫合成的總體流程Fig.3 The whole process of SIP CDR synthesis

對(duì)于每一條消息,分析的流程都是按照“重發(fā)檢查※有效性檢查※處理※記錄”的思路進(jìn)行。

步驟1:當(dāng)一條SIP數(shù)據(jù)消息到來(lái),首先判斷消息類型,成功解碼后將協(xié)議分析時(shí)需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SIPCallInfo這個(gè)結(jié)構(gòu)體中;

步驟2:當(dāng)進(jìn)入?yún)f(xié)議分析模塊后,首先進(jìn)行超時(shí)檢測(cè),將根據(jù)SIPCallInfo傳送過(guò)來(lái)的關(guān)鍵信息建立該Hash索引的關(guān)鍵KEY值;

步驟3:然后通過(guò)該KEY值遍歷存儲(chǔ)SIP數(shù)據(jù)流CDR的哈希模板,在合成緩沖區(qū)中搜索相關(guān)關(guān)鍵字的節(jié)點(diǎn)是否存在;

步驟4:如果找到則執(zhí)行步驟5,如果沒(méi)有找到,則說(shuō)明該表中沒(méi)有相關(guān)的記錄,判斷如果是起始消息,則在Hash表中添加一個(gè)CDR節(jié)點(diǎn),并為之指派唯一ID,修改新CDR屬性值并保存,否則返回;

步驟5:根據(jù)此KEY在SIP CDR緩存中搜索到當(dāng)前消息屬于某條CDR,則根據(jù)消息類型(呼叫信息中),調(diào)用不同的消息處理函數(shù)進(jìn)行處理;修改CDR屬性信息及SIP攜帶的SDP信息并保存消息ID,然后判斷該消息是否是CDR結(jié)束消息,若該消息包含結(jié)束指示,則從緩存區(qū)中移除KEY,然后結(jié)束合成,否則修改狀態(tài)指示并將CDR放回緩存。

在合成中要特別注意INVITE消息的處理。由于INVITE消息是一個(gè)事務(wù)的起始,它在一個(gè)呼叫中可能以多種身份出現(xiàn),即一開(kāi)始是呼叫發(fā)起,而后續(xù)收到的INVITE消息可能是鑒權(quán)、重定向,也可能是呼叫保持、修改會(huì)話,或者是重發(fā)。這些不同的后續(xù)流程涉及到CDR中不同的處理方式。所以必須要把這些不同流程區(qū)分開(kāi),而依據(jù)除了某個(gè)狀態(tài)特有的標(biāo)志外,主要靠CSeq的序號(hào)以及INVITE事務(wù)結(jié)束的標(biāo)志位,與INVITE事務(wù)配合使用的CANCEL、BYE等消息通過(guò)CSeq序號(hào)一致性相關(guān)聯(lián)。

在合成中記錄CDR開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間,主被叫號(hào)碼、計(jì)費(fèi)類型、接通、應(yīng)答、通話時(shí)長(zhǎng)等信息的流程,通過(guò)這些信息就可以掌握每一條呼叫詳細(xì)記錄,從而提供給統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行不同維度的分析處理。

4.3 SIP統(tǒng)計(jì)模塊

SIP統(tǒng)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)方案如圖4所示。在SIP合成模塊設(shè)置觀察者線程,分析不同消息類別的合成處理,從而設(shè)置調(diào)用不同的觀察者函數(shù)。在CDR結(jié)束標(biāo)志標(biāo)識(shí)的消息處,調(diào)用pSipCdrChange->On-CDREnd()函數(shù),觸發(fā)SIP統(tǒng)計(jì)觀察模塊并將CDR相應(yīng)屬性信息入隊(duì)列存入緩存,并通過(guò)統(tǒng)計(jì)處理模塊將CDR信息出隊(duì)列,以CDR結(jié)束時(shí)間為統(tǒng)計(jì)開(kāi)始時(shí)間并設(shè)置統(tǒng)計(jì)粒度(時(shí)間),當(dāng)前時(shí)刻超過(guò)統(tǒng)計(jì)結(jié)束時(shí)刻,就執(zhí)行SIP呼叫控制KPI統(tǒng)計(jì)函數(shù),并生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),通過(guò)入庫(kù)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)供上層應(yīng)用平臺(tái)分析。

該KPI信息中有呼叫信息的基本屬性(如主叫號(hào)碼等),還有接通時(shí)長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)接通次數(shù)、網(wǎng)絡(luò)呼損次數(shù)等。

圖4 SIP統(tǒng)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)流程Fig.4The design flow chart of SIP statistics module

5 監(jiān)測(cè)方案結(jié)果驗(yàn)證

此監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到軟交換網(wǎng)絡(luò)信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,圖5為軟交換網(wǎng)絡(luò)信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,這是一條詳細(xì)呼叫記錄的分析。該方案不同于信令監(jiān)測(cè)儀表對(duì)數(shù)據(jù)的回放,它支持通過(guò)Web界面的在線流程圖查詢,并可查看多段關(guān)聯(lián)的信令流程。

圖5 SIP CDR合成Fig.5 SIP CDR synthesis

通過(guò)Hash算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行插入和刪除的操作,其時(shí)間復(fù)雜度的理論值最好為O(1),最差為O(n)。如果選取的表項(xiàng)(m)足夠多,且Hash函數(shù)足夠好的話,當(dāng) m≤n時(shí),其時(shí)間復(fù)雜度為O(n/m);當(dāng) m>n/lg(n)時(shí),Hash表的平均表現(xiàn)就比二叉樹(shù)要好;當(dāng)m≥n時(shí),其時(shí)間復(fù)雜度趨近于O(1),相對(duì)于紅黑樹(shù)有很大的提高。實(shí)測(cè)表明,采用Hash技術(shù)大大提高了合成的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

在實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)大量的“合成中”的CDR,這是由于采集到的數(shù)據(jù)不完整造成的,如果不及時(shí)終止合成,會(huì)造成系統(tǒng)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。本方案在設(shè)計(jì)中加入了超時(shí)機(jī)制的判斷,實(shí)測(cè)中該問(wèn)題得到了有效解決。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軟交換網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)及模塊分析,筆者提出了一種符合測(cè)試規(guī)范要求的SIP協(xié)議監(jiān)測(cè)子模塊的設(shè)計(jì)方案。該方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于:采用了一種新的合成算法,并且利用高效Hash索引有效解決了合成的難題;設(shè)計(jì)觀察者為統(tǒng)計(jì)模塊和多段關(guān)聯(lián)提供接口。該方案已通過(guò)測(cè)試,效果良好,對(duì)其它協(xié)議的監(jiān)測(cè)具有良好的借鑒意義。但是由于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)分析的要求比較高,如何有效保證高的處理速率和準(zhǔn)確率仍有待研究與解決。

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