一種艦載業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)的改進(jìn)*

籍禮文　于中華　楊大生

(武漢船舶通信研究所　武漢　430079)

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一種艦載業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)的改進(jìn)*

籍禮文于中華楊大生

(武漢船舶通信研究所武漢430079)

摘要艦載IMS(IPMultimedia Subsystem)系統(tǒng)靜態(tài)的業(yè)務(wù)觸發(fā)模式,使得S-CSCF(Serving Call Session Control Function)盲目地機(jī)械地匹配業(yè)務(wù)觸發(fā)規(guī)則,信令在S-CSCF和AS(Application Server)之間多次轉(zhuǎn)發(fā)。作為IMS的核心所在,S-CSCF除了負(fù)責(zé)處理注冊過程,維持會話狀態(tài)以及存儲業(yè)務(wù)配置以外,還要進(jìn)行路由判斷。過多不必要的信令在往返轉(zhuǎn)發(fā)中,大大增加了S-CSCF的負(fù)載壓力,延長了會話建立時延。論文結(jié)合艦船環(huán)境的實際情況,提出了一種適合艦載業(yè)務(wù)的NSTA(New Service Triggering Architecture)優(yōu)化方案,而且通過排隊論理論對兩種觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了仿真分析對比,結(jié)果證明NSTA能夠有效地分擔(dān)S-CSCF的壓力,減少信令冗余,很好地優(yōu)化了業(yè)務(wù)觸發(fā)性能。

關(guān)鍵詞業(yè)務(wù)觸發(fā)規(guī)則; 路由判斷; 信令冗余; 業(yè)務(wù)觸發(fā)性能

Promotion of Shipped Architecture on Service Triggering

JI LiwenYU ZhonghuaYANG Dasheng

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan430079)

AbstractThe static service triggering mode of shipped IMS system made S-CSCF match triggering criteria blindly and mechanically, and made signaling be forwarded frequently between S-CSCF and AS. As the core of IMS, S-CSCF was not only in charge of processing the registration, maintaining session state, storing service configuration, but also had to judge the routing path. Thus too much unnecessary signaling heavily strengthened the burden of S-CSCF as frequently routing back and forth, prolonging the time of creating session. In this paper, a better promotion named NSTA was put forward combining the shipped realities. Morever, an simulation analysis was made for comparing the old and the new triggering mechanism with queuing theory, which demonstrated that NSTA can share the pressure of S-CSCF effectively, reduce the signaling redundancy, and well optimize service triggering performance.

Key Wordsservice triggering criteria, routing path judgement, signaling redundancy, service triggering performance

Class NumberTP393

1引言

移動通信網(wǎng)的演進(jìn)加速了艦載IMS系統(tǒng)[1~2]的發(fā)展。IMS作為一個基于標(biāo)準(zhǔn)的IP通道和業(yè)務(wù)控制體系的全球性系統(tǒng),可以提供豐富的多媒體業(yè)務(wù)。它的頗多優(yōu)點迎合了艦船通信的需求,同時它的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量也決定著艦船通信的瓶頸。IMS業(yè)務(wù)觸發(fā)是由S-CSCF按照一定的觸發(fā)規(guī)則逐個匹配轉(zhuǎn)發(fā)至各個AS,從而完成一個已注冊用戶發(fā)起的業(yè)務(wù)流程[3]。目前艦載IMS業(yè)務(wù)觸發(fā)架構(gòu)[4]的靈活性和可擴(kuò)展性是建立在系統(tǒng)性能的犧牲上的,它的靜態(tài)鏈觸發(fā)模式導(dǎo)致S-CSCF與AS之間過于頻繁的交互信令,加重了S-CSCF的負(fù)載,同時也大大延長了多媒體會話建立的時延,令艦船用戶不能夠真正體驗到IMS系統(tǒng)的優(yōu)越性。因此,艦載IMS業(yè)務(wù)觸發(fā)機(jī)制的優(yōu)化勢在必行,而目前這方面的研究較少,更多地是停留在局部的觸發(fā)數(shù)據(jù)[5]和觸發(fā)算法[6~8]的研究上。

針對現(xiàn)有艦載IMS業(yè)務(wù)觸發(fā)機(jī)制中存在的瓶頸,本文提出了一種較為全面的優(yōu)化方案NSTA以平衡S-CSCF的負(fù)載,削減不必要的信令,并較為系統(tǒng)地介紹了其觸發(fā)結(jié)構(gòu)和觸發(fā)流程,而且用排隊論模型[9]對新舊兩種觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了仿真分析,新的觸發(fā)方案確實大大平衡了S-CSCF的負(fù)載水平,盡可能不觸發(fā)不必要的信令,尤其在復(fù)雜繁多的艦載多媒體業(yè)務(wù)環(huán)境下,NSTA具有相對突出的優(yōu)勢。

2現(xiàn)有艦載IMS業(yè)務(wù)觸發(fā)存在的問題

由于iFC是由HSS中配置的靜態(tài)數(shù)據(jù),S-CSCF根據(jù)SIP消息的消息頭或消息體的內(nèi)容是否匹配TP(Triggering Point)點來對SIP消息進(jìn)行路由,同樣也只能根據(jù)SIP消息的基本路由機(jī)制(通過Via頭、Route頭等)對后續(xù)消息進(jìn)行路由。不論AS是否關(guān)心或處理某些后續(xù)消息,所有的后續(xù)消息都被觸發(fā)給AS,每個AS都會處理很多冗余的消息,而且S-CSCF需要處理的消息數(shù)也會線性增加,過重的負(fù)載,使S-CSCF成為整個STA(Service Triggering Application)的瓶頸,甚至出現(xiàn)卡死狀態(tài)。

此外,豐富的IMS多媒體業(yè)務(wù)需要更多的AS來維持業(yè)務(wù)運(yùn)作,這樣可能很多AS的匹配條件相似,甚至是包含與被包含的關(guān)系,這需要我們在配置iFC時不斷的作一些修改,觸發(fā)具體業(yè)務(wù)的iFC越來越難以確定,很容易沖突。故而,新舊業(yè)務(wù)之間的邏輯沖突也是在布置業(yè)務(wù)時的隱患。艦載業(yè)務(wù)種類繁多,加入單獨的沖突檢測模塊是必須要考慮的問題。

多業(yè)務(wù)觸發(fā)優(yōu)化也是現(xiàn)有IMS系統(tǒng)急需解決的難題?；趇FC的IMS業(yè)務(wù)觸發(fā)是比較單一機(jī)械的觸發(fā)模式,當(dāng)業(yè)務(wù)服務(wù)器提供多個業(yè)務(wù)時,如果信令在S-CSCF和各AS之間往返轉(zhuǎn)發(fā),勢必對整體性能造成很大影響,艦載業(yè)務(wù)服務(wù)器中各AS基本布置在同一個板卡上,若在依次觸發(fā)各AS的過程中可以跳過S-CSCF便可以將業(yè)務(wù)服務(wù)器的性能進(jìn)一步的優(yōu)化。

3新的業(yè)務(wù)觸發(fā)機(jī)制

3.1NSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)結(jié)構(gòu)

3GPP(3rd Generation Partnership Project)雖然定義了sFC(subsequent Filter Criteria),但并未給出sFC的具體實現(xiàn)方式。不同于iFC的靜態(tài)配置,sFC允許AS在會話建立、修改、終止等過程中根據(jù)需要動態(tài)定義相關(guān)的觸發(fā)規(guī)則,可以很好地彌補(bǔ)iFC鏈?zhǔn)接|發(fā)的不足之處。當(dāng)收到業(yè)務(wù)觸發(fā)消息時,AS可根據(jù)自身的業(yè)務(wù)觸發(fā)需要來決定是否設(shè)置sFC,并把它通過sFC私有頭形式加入SIP消息轉(zhuǎn)發(fā)至S-CSCF。該sFC頭可涵蓋當(dāng)前會話情形、AS的URI、后續(xù)響應(yīng)碼和相應(yīng)的觸發(fā)方式。當(dāng)收到初始請求消息的響應(yīng)或后續(xù)請求消息時,S-CSCF可根據(jù)sFC頭判定此消息是否觸發(fā)到相應(yīng)的AS,這樣便大大增加了SIP路由機(jī)制的靈活性。

NSTA的結(jié)構(gòu)是基于原來的框架改進(jìn)的,新的結(jié)構(gòu)除了融入了分布式的思想,還加入了上述sFC的算法。如圖1所示,在S-CSCF側(cè)加入了一個S-CSCF側(cè)的業(yè)務(wù)交互代理模塊[11~13]SCSCF-Proxy來分擔(dān)SCSCF業(yè)務(wù)交互的功能,同時在AS側(cè)內(nèi)又加入了業(yè)務(wù)交互代理AS-Proxy模塊,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。二者的加入一是為了平衡S-CSCF的負(fù)載,二是為了更好地處理多業(yè)務(wù)觸發(fā)問題,同時也可在SCSCF-Proxy處提供業(yè)務(wù)邏輯沖突檢測的功能。SCSCF-Proxy通過Cx接口從HSS獲取用戶的業(yè)務(wù)簽約信息,具體過程與S-CSCF從HSS獲取業(yè)務(wù)簽約信息相同,然后用業(yè)務(wù)沖突檢測算法對業(yè)務(wù)觸發(fā)規(guī)則進(jìn)行邏輯沖突檢測。在處理多業(yè)務(wù)觸發(fā)時,SCSCF-Proxy通過SIP接口為AS-Proxy提供下一步轉(zhuǎn)發(fā)AS的地址,而AS-Proxy負(fù)責(zé)與SCSCF-Proxy交互,同時獲取下一步轉(zhuǎn)發(fā)地址后轉(zhuǎn)發(fā)呼叫請求。此外AS可以靈活地設(shè)置sFC過濾規(guī)則,以針對性地觸發(fā)后續(xù)消息。

圖1　NSTA的觸發(fā)結(jié)構(gòu)

3.2NSTA業(yè)務(wù)觸發(fā)流程

假定要連續(xù)觸發(fā)AS1、AS2,則NSTA的觸發(fā)流程如下:

1) 當(dāng)S-CSCF收到初始呼叫請求(INVITE)時,通過Sh接口從HSS獲取iFC,創(chuàng)建該用戶的業(yè)務(wù)過濾規(guī)則列表,然后解析請求消息,獲取SPT實例,按優(yōu)先級由高到低的順序查找是否有與之匹配的初始過濾規(guī)則觸發(fā)點。若不匹配,直接轉(zhuǎn)發(fā)給被叫用戶;若匹配,則S-CSCF標(biāo)記請求消息轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)的AS,這里顯然要轉(zhuǎn)發(fā)至AS1。

2) AS1收到INVITE后,一邊根據(jù)SIP請求執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯,并設(shè)置相應(yīng)的后續(xù)過濾規(guī)則,一邊其代理模塊AS-Proxy復(fù)制該請求消息,將其發(fā)送至SCSCF-Proxy,等待SCSCF-Proxy告知下一步轉(zhuǎn)發(fā)地址,然后標(biāo)記INVITE并加入AS1后續(xù)觸發(fā)規(guī)則的sFC頭轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳AS2,以上兩個過程并行執(zhí)行。

3) SCSCF-Proxy若是第一次收到INVITE請求,則通過Sh接口從HSS獲取iFC,并創(chuàng)建該用戶的業(yè)務(wù)過濾規(guī)則列表,否則直接從內(nèi)存調(diào)用。然后SCSCF-Proxy解析SIP請求,檢查其中的SPT實例,根據(jù)S-CSCF的業(yè)務(wù)觸發(fā)算法,獲得執(zhí)行下一步業(yè)務(wù)邏輯的AS2的地址(若沒有匹配上任何觸發(fā)規(guī)則,則通知AS-Proxy將INVITE轉(zhuǎn)發(fā)給S-CSCF)。

4) AS2收到INVITE后做和AS1同樣的操作,當(dāng)收到SCSCF-Proxy的沒有再匹配上過濾規(guī)則的通知后,標(biāo)記INVITE并加入AS2后續(xù)觸發(fā)規(guī)則的sFC頭轉(zhuǎn)發(fā)至S-CSCF。

5) S-CSCF收到AS2發(fā)送的INVITE后,將其路由至被叫用戶。當(dāng)收到INVITE的響應(yīng)或后續(xù)請求時,則檢查后續(xù)消息的SPT實例是否與sFC頭中后續(xù)觸發(fā)規(guī)則相匹配。若匹配,則按照后續(xù)觸發(fā)規(guī)則中指定的處理方式來處理;若不匹配,按SIP路由機(jī)制來轉(zhuǎn)發(fā)。直到會話建立完成為止。

4實驗仿真建模

呼叫建立時延是我們研究比較兩種方案性能的主要參數(shù),它是會話建立過程中各個時延的疊加。本章主要考慮的是服務(wù)器節(jié)點造成的時延,并使用M/M/1排隊網(wǎng)絡(luò)模型對兩種業(yè)務(wù)觸發(fā)方案進(jìn)行性能建模,兩種模型分別如圖2和圖3所示,S-CSCF處的呼叫到達(dá)率符合泊松分布。

圖2　現(xiàn)有方案的觸發(fā)算法性能分析模型

圖3　改進(jìn)方案的觸發(fā)算法性能分析模型

由于AS的觸發(fā)是基于優(yōu)先級的,不妨假定ASi的優(yōu)先級高于ASj(0

1)γ表示來自P-CSCF的初始呼叫到達(dá)率,λs和μs分別表示S-CSCF的呼叫到達(dá)率和服務(wù)率;

2)γi、λi和μi分別代表ASi的初始呼叫到達(dá)率、呼叫到達(dá)率以及服務(wù)率;

3)ms和mi分別表一個呼叫過程中S-CSCF和ASi在會話建立期間處理的SIP消息數(shù);

· 方案一:

為了方便比較,假設(shè)所有的呼叫依次被S-CSCF觸發(fā)到各個AS,業(yè)務(wù)觸發(fā)到ASi時,ASi執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯,然后轉(zhuǎn)發(fā)給S-CSCF,接著該SIP消息以qij的概率被S-CSCF觸發(fā)到下一個AS,以qi0的概率路由到被叫用戶。故而qij=1(僅當(dāng)j=i+1時,其余為0)。由圖2可得:

(1)

(2)

S-CSCF和所有的應(yīng)用服務(wù)器組成一個排隊網(wǎng)絡(luò),根據(jù)排隊論和排隊網(wǎng)理論:

(3)

· 方案二:

同樣假定所有的呼叫依次被S-CSCF觸發(fā)到各個AS,但業(yè)務(wù)從觸發(fā)到ASi到觸發(fā)到下一個AS,中間并不經(jīng)過AS,雖然在獲取下一個AS地址時與SCSCF-Proxy進(jìn)行了交互,然而該過程和AS業(yè)務(wù)邏輯處理是并行的,所以該時耗可以忽略不計。如圖3所示,顯然式(1)和式(2)仍然滿足,只是參數(shù)值變化而已。S-CSCF和所有的應(yīng)用服務(wù)器組成一個排隊網(wǎng)絡(luò),根據(jù)排隊論和排隊網(wǎng)理論:

(4)

5仿真結(jié)果分析

這里假設(shè)S-CSCF和所有的AS具有相同的服務(wù)率μ,且文獻(xiàn)[14]中指出每條SIP消息的處理時間大約為10ms~100ms,不妨令μ=60ms。如果我們的SIP基本呼叫流程為:INVITE、180Ringing、200OK、ACK,則S-CSCF在每次呼叫流程中都要處理四條SIP消息。那么方案一中,ms=mi=4;而方案二中,由于使用了sFC算法(中間信令A(yù)S并不必關(guān)心,這里暫且只考慮正常的后續(xù)響應(yīng))和多業(yè)務(wù)觸發(fā)優(yōu)化,此時對于S-CSCF來說,ms=4,m1=2,mi=1(i>1);而對于AS來說,ms=4,mi=2(i>=1)。式(3)和式(4)分別代入數(shù)據(jù)可得:

(5)

不妨取λ=1.2,μ=60ms,代入式(5),然后在Matlab上分別針對S-CSCF處理時延和整個過程觸發(fā)時延進(jìn)行兩種方案的仿真比較,如圖4和圖5所示,分別為S-CSCF時延和觸發(fā)框架整體時延隨AS個數(shù)變化折線圖。

圖4　S-CSCF處理時延變化曲線

由圖4可看出,當(dāng)n=0時,S-CSCF的時延僅為72ms左右,隨著AS個數(shù)n的不斷增大,S-CSCF時延都呈遞增趨勢,但基于iFC的舊有方案明顯增幅太快,n=8時,時延已達(dá)到2.2s左右,當(dāng)n=10時,時延竟達(dá)到了6.1s;而改進(jìn)后的方案增幅平緩很多,當(dāng)n=10時,時延也只有0.3s左右。相比之下改進(jìn)后的方案對S-CSCF處理時延的優(yōu)化十分明顯。

圖5　會話建立整體時延變化曲線

由圖5可看出,隨著AS個數(shù)n的不斷增大,觸發(fā)框架整體時延也都呈遞增趨勢,但基于iFC的舊有方案仍然增長過快,n=5之后,折線已成暴增趨勢,當(dāng)n=10時,時延已達(dá)到了6.8s,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了用戶可以容忍的時延指標(biāo);但改進(jìn)后的方案增幅就比較平緩,當(dāng)n=10時,時延也只有0.7s左右。相比之下改進(jìn)后的方案對觸發(fā)框架整體時延的優(yōu)化也相當(dāng)明顯。

綜上所述,采用基于NSTA的觸發(fā)框架后,S-CSCF處理時延和整體時延大大減小了,服務(wù)器性能則得到了很好的優(yōu)化。

6結(jié)語

IMS系統(tǒng)的諸多優(yōu)點使得它可以很好地應(yīng)用于艦載通信系統(tǒng),然而它在業(yè)務(wù)觸發(fā)時延方面的瓶頸也隨著業(yè)務(wù)的增多而日益明顯。本文提出的業(yè)務(wù)觸發(fā)的改進(jìn)方案在削減冗余信令和優(yōu)化觸發(fā)性能方面有著不錯的效果,S-CSCF和AS處理的信令大大減少了,正如仿真所示,無論S-CSCF處理時延還是整體時延都大大減小了,再加上類似分布式的設(shè)計很好地分擔(dān)了S-CSCF的壓力,故而采用NSTA的方案極大地優(yōu)化了服務(wù)器的性能,可以預(yù)想的是這將會更好地促進(jìn)艦載通信系統(tǒng)的發(fā)展。

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中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.018

作者簡介:籍禮文,男,碩士研究生,研究方向:數(shù)字通信與通信網(wǎng)絡(luò)。于中華,男,碩士,工程師,研究方向:數(shù)字通信與通信網(wǎng)絡(luò)。楊大生,男,碩士,助理工程師,研究方向:網(wǎng)絡(luò)管理與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

收稿日期:2015年9月17日,修回日期:2015年10月31日