基于SDTP的全量信令接收方案的研究*

胡汝榮，雒江濤，羅 鵬

（重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)測(cè)試技術(shù)工程研究中心 重慶 400065）

1 引言

信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保障移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量運(yùn)行、快速響應(yīng)用戶(hù)投訴、提升用戶(hù)感知的重要技術(shù)手段[1]。目前電信運(yùn)營(yíng)商均建立了較為完備的信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2～4]，但這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都存在各層之間廠(chǎng)商私有化程度較高、模塊間采用私有化傳輸協(xié)議、架構(gòu)封閉接口不開(kāi)放等限制數(shù)據(jù)和資源共享的問(wèn)題。隨著電信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，對(duì)信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求，信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正向著規(guī)范化、信息共享和基于云計(jì)算的方向發(fā)展[5～7]。

目前對(duì)信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)多在于信令的采集、信令的分析處理和結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析等方面[2～4]，對(duì)信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分層間接口的研究較少，參考文獻(xiàn)[1]提出了一種向規(guī)范化演進(jìn)的信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，沒(méi)有具體提出分層接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

本文基于 SDTP（shared data transport protocol）[8]提出一種適用于規(guī)范化的信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全量信令接收方案。該方案設(shè)計(jì)了SDTP通信、排序和分流功能，滿(mǎn)足了采集接口和信令共享平臺(tái)間接口的功能需求，促進(jìn)了信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)范化的演進(jìn)。

2 信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及接口

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可劃分為采集層、共享層和應(yīng)用層，每部分的功能概述如下。

圖1 信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

·信令采集層：負(fù)責(zé)通信網(wǎng)中不同類(lèi)型鏈路承載的全量信令數(shù)據(jù)，并將采集到的信令數(shù)據(jù)通過(guò)匯聚后傳輸?shù)焦蚕韺印?/p>

·共享層：負(fù)責(zé)從底層接收全量信令數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、解析并向應(yīng)用層提供CDR數(shù)據(jù)，需要完成和采集層與應(yīng)用層的交互。

·應(yīng)用層：主要利用共享層解析后的信令數(shù)據(jù)進(jìn)行

統(tǒng)計(jì)分析，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用（小區(qū)短信、手機(jī)報(bào)等）和信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用（流量分析、用戶(hù)行為分析等）。

2.2 IF1接口

IF1接口是采集層和共享層之間交互的接口，也是采集層的匯聚設(shè)備和共享層接入模塊間的接口[8]，主要功能是進(jìn)行全量信令數(shù)據(jù)的傳輸。該接口的數(shù)據(jù)傳輸具有如下特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)量大、過(guò)程簡(jiǎn)單。

在工程應(yīng)用中，常選擇的文件傳輸協(xié)議是FTP（file transfer protocol），本文選擇SDTP作為全量信令數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。SDTP是由中國(guó)移動(dòng)提出的一種實(shí)時(shí)信令共享協(xié)議，F(xiàn)TP和SDTP的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 FTP和SDTP的對(duì)比

FTP和SDTP都采用客戶(hù)端和服務(wù)端模式工作，且都可以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端主動(dòng)上傳文件到服務(wù)端，都采用Socket方式進(jìn)行通信。FTP是把本地端已經(jīng)保存好的文件傳送到服務(wù)端，如果采用FTP，則需要在采集層的匯聚設(shè)備中增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要一定的時(shí)間，不能達(dá)到采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送的目的，并且SDTP過(guò)程更加簡(jiǎn)單。

SDTP消息結(jié)構(gòu)及流程參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]，在此不贅述。

3 接收方案設(shè)計(jì)

全量信令接收方案如圖2所示。該方案將整個(gè)接收分為協(xié)議通信模塊、排序模塊和分流模塊，可以使功能獨(dú)立化，便于維護(hù)。協(xié)議通信模塊是SDTP服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)，完成與SDTP客戶(hù)端的交互；排序模塊從協(xié)議通信模塊中獲取全量信令消息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分組排序；分流模塊按某種維度完成全量信令數(shù)據(jù)的多路存儲(chǔ)。

3.1 協(xié)議通信模塊

根據(jù)SDTP的功能需求，接收模塊主要完成采集層匯聚設(shè)備中SDTP客戶(hù)端的連接請(qǐng)求、認(rèn)證、連接狀態(tài)檢查、全量信令數(shù)據(jù)的接收。本文采用面向?qū)ο蟮姆绞剑瑢⒉煌墓δ芊庋b成一個(gè)類(lèi)，向外部提供調(diào)用接口。各個(gè)類(lèi)介紹如下。

圖2 信令接收方案設(shè)計(jì)

·CSDTP server類(lèi)：SDTP服務(wù)端類(lèi)，主要接口有開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)StartListen()、停止監(jiān)聽(tīng)StopListen()、斷開(kāi)所有客戶(hù)端的連接DisconnectAllClient()等。

·CSDTP agent類(lèi)：客戶(hù)端代理類(lèi)，功能是和客戶(hù)端進(jìn)行交互，主要接口有同步發(fā)送消息SendMsgSyn()、異步發(fā)送消息SendMsgAsyn()、斷開(kāi)與客戶(hù)端的連接DisConnect()等。

·CSDTP agent Rcvtask類(lèi)：接收線(xiàn)程類(lèi)，功能是接收客戶(hù)端發(fā)送的消息和數(shù)據(jù)，主要接口有接收RecvFromPeer()、判斷接收線(xiàn)程是否在運(yùn)行IsRunning()等。

·CSDTP agent send task類(lèi)：功能是客戶(hù)端發(fā)送響應(yīng)消息，主要接口有同步發(fā)送消息SendDataSyn()、異步發(fā)送消息SendDataAsyn()、發(fā)送消息線(xiàn)程是否在運(yùn)行IsRunning()等。

·CSDTP listener類(lèi)：監(jiān)聽(tīng)類(lèi)，功能是監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的連接，主要接口有開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)Start()和結(jié)束監(jiān)聽(tīng)Stop()等。該類(lèi)負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的連接，如果發(fā)現(xiàn)有客戶(hù)端申請(qǐng)連接，則啟動(dòng)認(rèn)證，若認(rèn)證成功，則會(huì)實(shí)例化一個(gè)代理類(lèi)負(fù)責(zé)與該客戶(hù)端交互。

由于實(shí)際的客戶(hù)端會(huì)有多個(gè)，并且全量信令數(shù)據(jù)量較大，本文采取多線(xiàn)程的工作方式，以提高工作效率，包括服務(wù)端主線(xiàn)程、監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)程和多對(duì)發(fā)送線(xiàn)程、接收線(xiàn)程（一個(gè)代理端對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)送線(xiàn)程和接收線(xiàn)程）。接收模塊偽代碼如下：

3.2 排序模塊

由于采集層很難實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步，所以接收到的全量信令數(shù)據(jù)分組可能存在亂序問(wèn)題。數(shù)據(jù)排序模塊是將數(shù)據(jù)分組按數(shù)據(jù)分組頭中的時(shí)間戳重新進(jìn)行排序。本模塊結(jié)合散列索引技術(shù)，提出了一種高效、快速的數(shù)據(jù)排序方法。數(shù)據(jù)排序有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）數(shù)據(jù)緩存組織結(jié)構(gòu)

用鏈表結(jié)構(gòu)管理每條數(shù)據(jù)排序時(shí)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)在鏈表中以數(shù)據(jù)分組中的時(shí)間按從小到大順序存儲(chǔ)。鏈表的節(jié)點(diǎn)包含某條全量信令數(shù)據(jù)本身以及從該條數(shù)據(jù)中提取出的時(shí)間信息，該時(shí)間信息用于判斷某條消息在鏈表中的存放位置。

（2）數(shù)據(jù)分組在數(shù)據(jù)緩存中快速定位

通過(guò)鏈表查詢(xún)的方式在數(shù)據(jù)緩存中定位數(shù)據(jù)分組，應(yīng)該存放的位置的時(shí)間復(fù)雜度為O(N)，效率低下。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)輔助查詢(xún)散列表[9]可提高查詢(xún)效率。該散列表key值由數(shù)據(jù)分組時(shí)間戳中的s、μs和m_scale（時(shí)間窗口大小，取經(jīng)驗(yàn)值，一般為100）按式（1）計(jì)算得到。

散列表節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的是該時(shí)間窗口內(nèi)，時(shí)間戳最大的數(shù)據(jù)分組在鏈表中的位置。在查找某個(gè)數(shù)據(jù)分組在數(shù)據(jù)緩存鏈表中的位置時(shí)，利用本數(shù)據(jù)分組時(shí)間戳計(jì)算key值，查詢(xún)到該數(shù)據(jù)分組屬于某個(gè)時(shí)間窗口，然后在該時(shí)間窗口內(nèi)比較得到該數(shù)據(jù)分組應(yīng)該插入的具體位置。用輔助散列表方式定位的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。

（3）從緩存中讀出數(shù)據(jù)條件

因?yàn)閿?shù)據(jù)分組在數(shù)據(jù)緩存鏈表中是按時(shí)間戳由小到大的順序存儲(chǔ)的，判斷緩存中首尾分組時(shí)間戳之差與系統(tǒng)設(shè)定排序的亂序范圍，如果前者大于后者，表示排序范圍已經(jīng)超過(guò)系統(tǒng)值，取出首數(shù)據(jù)分組存盤(pán)。

3.3 分流模塊

分流模塊是將匯聚后的全量信令數(shù)據(jù)按一定規(guī)則分成多路存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)分流的基本原則為：從同一網(wǎng)元設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)存儲(chǔ)到相同的路徑下，這樣做是為了保證多個(gè)信令處理進(jìn)程單獨(dú)處理各路信令數(shù)據(jù)時(shí)能夠正常進(jìn)行。

本文提出按通信網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元的維度進(jìn)行分路，這樣可以滿(mǎn)足各路流量均衡的要求。現(xiàn)以GSM網(wǎng)絡(luò)A+Abis接口為例，A+Abis信令從網(wǎng)元設(shè)備BSC采集得到，所以按BSC維度進(jìn)行分路。從A+Abis的全量信令中，可以得到采集機(jī)號(hào)、板卡號(hào)、端口號(hào)、EI號(hào)和時(shí)隙等信息。通過(guò)分析采集機(jī)號(hào)、板卡號(hào)和端口號(hào)等信息，可以得到某幾個(gè)字段和BSC的映射關(guān)系，將這一映射關(guān)系保存到XML文件中供分路使用。

分流模塊在接收到排序模塊輸出的順序數(shù)據(jù)分組時(shí)，首先從數(shù)據(jù)分組頭中提取出確定分路信息的相關(guān)字段，然后以此查找XML文件獲取該數(shù)據(jù)分組應(yīng)存儲(chǔ)到哪一路。為了提高XML查詢(xún)效率，借助散列索引，選取分路信息字段為key，建立分路信息的散列索引表。

4 方案測(cè)試驗(yàn)證

本方案的測(cè)試為局域網(wǎng)內(nèi)的測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖3所示。選擇兩臺(tái)部署有SDTP客戶(hù)端程序的小型服務(wù)器模擬匯聚設(shè)備，服務(wù)器中存儲(chǔ)有大量從現(xiàn)網(wǎng)采集的原始信令數(shù)據(jù)。一臺(tái)部署有按本方案實(shí)現(xiàn)的信令接收程序的中型服務(wù)器，模擬信令共享平臺(tái)的接收服務(wù)器。

接收服務(wù)器輸出日志如下：

2013-4-22 15:38:12.673@LM_INFO MsgCapture start!

2013-4-22 15:38:12.681 @LM_DEBUG Listen on 192.168.2.100.7500 successfully!

Listen on 192.168.2.100.7501 successfully!

2013-4-22 15:42:53.798@LM_DEBUG CSDTPAgent1 start!

2013-4-22 15:42:55.087 @LM_INFO Client 192.168.2.2:6000 has connected with server!

2013-4-22 15:42:55.096@LM_INFO Negotiation passed.

2013-4-2215:42:55.098@LM_INFO Receivedauth message,username=test1,pwd=123

2013-4-22 15:42:55.099@LM_INFO LinkAuth passed!

2013-4-22 15:42:55.103@LM_INFO Received Notify SignalData Request!

2013-4-22 15:42:55.105@LM_INFO Ready to Receive SignalData!

…

從日志中可看到，SDTP服務(wù)端程序啟動(dòng)時(shí)，首先啟動(dòng)了兩個(gè)監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)程，端口分別為7500和7501，當(dāng)服務(wù)端監(jiān)聽(tīng)到有客戶(hù)端連接服務(wù)器時(shí)，服務(wù)端啟動(dòng)客戶(hù)端代理CSDTP agent1；接著客戶(hù)端成功與服務(wù)端代理連接，當(dāng)TCP連接建立后，開(kāi)始版本協(xié)商和客戶(hù)端鑒權(quán)，二者都順利通過(guò)；最后是全量信令數(shù)據(jù)的發(fā)送過(guò)程。

對(duì)于排序功能的測(cè)試，本文用到了自己開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)分組亂序檢查工具（其原理是比較相鄰數(shù)據(jù)分組的時(shí)間戳），對(duì)未加載排序模塊和加載排序模塊后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可看到，在沒(méi)有加載排序模塊時(shí)，服務(wù)端收到的數(shù)據(jù)分組存在大量亂序，所占比例為10.18%左右。加載排序模塊后，排序時(shí)間為3 s時(shí)，亂序時(shí)間小于3 s的已經(jīng)被重新排序，但仍然存在亂序時(shí)間大于3 s的情況，亂序平均值為8.72 s，比未加載排序模塊時(shí)有所增加，表明亂序時(shí)間大于3 s的數(shù)據(jù)分組比例較大，測(cè)試出亂序分組的比例為8.74%，比未加載排序模塊時(shí)下降了1.44%；排序時(shí)間設(shè)置為10 s時(shí)，由于數(shù)據(jù)分組最大的亂序時(shí)間小于10 s，所以所有數(shù)據(jù)分組均被排序模塊排為正序。

圖3 測(cè)試環(huán)境

表2 不同排序時(shí)間下亂序統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

基于SDTP提出的全量信令接收方案是一個(gè)行之有效的方案，解決了信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集層和信令共享平臺(tái)間的信令傳輸私有化、原始信令數(shù)據(jù)共享率低下問(wèn)題。該方案設(shè)計(jì)的三大功能基本能滿(mǎn)足信令共享平臺(tái)接收信令數(shù)據(jù)的需要，且數(shù)據(jù)接收能力強(qiáng)。未來(lái)的研究方向是如何將該方案與云計(jì)算和云存儲(chǔ)相結(jié)合，并將結(jié)合后的方案運(yùn)用于基于云計(jì)算的信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

1 韋薇，張揚(yáng).信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)范的演進(jìn).電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2011(4):48～52

2 李勇,雒江濤,黃建.軟交換網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)SIP監(jiān)測(cè)方案.電訊技術(shù),2012,52(1):101～104

3 史鵬利.河北聯(lián)通移動(dòng)分組網(wǎng)信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì).北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012

4 方曉農(nóng).信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)方案探討.數(shù)據(jù)通信,2012(5):38～45

5 陳璟飛.綜合信令業(yè)務(wù)支撐云平臺(tái).電信網(wǎng)技術(shù),2013(1):58～62

6 徐雷,張?jiān)朴?陸斌等.基于云計(jì)算的信令監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究.電信網(wǎng)技術(shù),2011(5):1～4

7 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司.信令監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口規(guī)范——信令采集網(wǎng)關(guān)分冊(cè),2012

8 嚴(yán)蔚敏,吳偉民．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)．北京：清華大學(xué)出版社,2003