基于會(huì)話管理的軟交換呼叫控制模型研究

陳波 張慧瑞 杜秀麗 王運(yùn)明,2

1．大連大學(xué)信息工程學(xué)院遼寧大連116622 2.南京理工大學(xué)江蘇南京210094

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的電磁環(huán)境、氣候環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境情況越來(lái)越復(fù)雜多變,通信網(wǎng)絡(luò)也要快速地隨之變化,同時(shí)要求很高的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量.陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中軟交換技術(shù)是保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的核心技術(shù),而呼叫控制模型完成了軟交換最核心的控制功能.因此,建立高效的呼叫控制模型是保障網(wǎng)絡(luò)通信和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵[1?3].

智能網(wǎng)能力集中的基本呼叫狀態(tài)模型(Basic Call State Model,BCSM),提出了呼叫模型的基本概念,現(xiàn)有的模型大多是在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的,但此模型只適用于普通的語(yǔ)音呼叫,并且沒(méi)有媒體控制功能.P916研究項(xiàng)目提出的呼叫控制模型,增加了多媒體呼叫模型,但是其狀態(tài)模型只適用H.245協(xié)議,另外該模型沒(méi)有清晰的呼叫關(guān)系.文獻(xiàn)[4]提出呼叫控制模型,支持多媒體的控制,對(duì)BCSM模型進(jìn)行了改進(jìn),減少了子模型、呼叫點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn),系統(tǒng)復(fù)雜度減低,但還是基于主被叫的呼叫方式,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的多方呼叫[4].文獻(xiàn)[5]提出的信令–承載控制相分離的呼叫控制模型(Signalling and Bearer Separated Call State Model,SBS-BCM),將信令和承載相分離,完成多媒體和移動(dòng)業(yè)務(wù),具有一定的通用性,但與文獻(xiàn)[6]提出一種適用SIP(Session Initiation Protocol,SIP)的呼叫控制模型一樣沒(méi)有建立會(huì)話關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)多方呼叫不便.文獻(xiàn)[7?8]提出的呼叫模型提出了描述會(huì)話的會(huì)話模型,來(lái)描述呼叫會(huì)話關(guān)系,但是當(dāng)一個(gè)呼叫和其他呼叫建立大量的呼叫會(huì)話時(shí),處理這些會(huì)話關(guān)系,會(huì)使網(wǎng)絡(luò)性能下降.

針對(duì)現(xiàn)有軟交換呼叫控制技術(shù)缺少對(duì)呼叫會(huì)話有效地控制導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量低的問(wèn)題,提出一種基于會(huì)話管理的軟交換呼叫控制模型(Session Management Call State Model Based on Softswitch,SM-CSM),在SBS-BCM的基礎(chǔ)上增加會(huì)話管理子模型,對(duì)呼叫會(huì)話有效地控制,解決網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量下降的問(wèn)題.最后針對(duì)陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),構(gòu)建仿真系統(tǒng)驗(yàn)證該模型的可用性和高效性.

1 信令–承載控制相分離的呼叫控制模型

1.1 體系作戰(zhàn)超網(wǎng)絡(luò)指揮周期的分析方法

信令–承載控制相分離的呼叫控制模型提出的分層呼叫控制模型主要思想為:呼叫控制功能由信令模型與承載模型組成,協(xié)議接入處理模塊完成媒體協(xié)議接入.它的設(shè)計(jì)與具體協(xié)議無(wú)關(guān),具有一定的通用性[5],如圖1所示.

圖1 SBS-BCM模型

核心會(huì)話控制模塊是協(xié)議無(wú)關(guān)的,完成通用呼叫控制功能,包含信令控制模型與承載控制模型.協(xié)議接入處理模塊包含連接控制模型.

SBS-CSM將信令鏈接與媒體鏈接的控制能力分離并同時(shí)提供給業(yè)務(wù),滿足了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中業(yè)務(wù)對(duì)軟交換的控制能力提出的復(fù)雜需求.并且SBSCSM的設(shè)計(jì)是立足于邏輯抽象而非具體信令協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了跨協(xié)議的通用性,滿足了軟交換系統(tǒng)接入多種終端類型的需要.但是沒(méi)有建立對(duì)會(huì)話關(guān)系進(jìn)行控制的模型,當(dāng)出現(xiàn)呼叫量增大時(shí),發(fā)起多個(gè)呼叫的呼叫方,網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)急劇下降,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量不能保證.為解決此問(wèn)題,需要把會(huì)話從兩方呼叫方中分離出來(lái),建立會(huì)話隊(duì)列進(jìn)行統(tǒng)一的管理,避免單個(gè)呼叫方處理大量的會(huì)話關(guān)系.

2 基于會(huì)話管理的軟交換呼叫控制模型

2.1 呼叫控制模型

針對(duì)陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)呼叫控制模型對(duì)多方多媒體承載能力、多業(yè)務(wù)支持能力和多網(wǎng)絡(luò)融合支持能力不足,當(dāng)呼叫的數(shù)量增大時(shí),網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和時(shí)延會(huì)明顯增加,不能保證服務(wù)質(zhì)量.在SBS-CSM的基礎(chǔ)之上,提出一種基于會(huì)話管理的呼叫控制模型,增加會(huì)話管理模型,為軟交換提供完整的呼叫控制功能,支持會(huì)話關(guān)系模型控制.為支持多方多媒體的呼叫控制模型增加了會(huì)話關(guān)系模型.

本文提出的SM-CSM由呼叫狀態(tài)模型(Call State Model,CSM)、媒體狀態(tài)模型(Media State Model,MSM)、會(huì)話狀態(tài)模型(Session State Model,SSM)和會(huì)話管理模型(Session Management Model,SMM)組成,完成呼叫控制的基本功能,支持多媒體和移動(dòng)業(yè)務(wù),并且對(duì)會(huì)話進(jìn)行管理,如圖2.

圖2 SM-CSM模型

SC/MC:軟交換內(nèi)部消息分為兩類,與媒體相關(guān)的稱之為媒體控制消息(Media Control,MC),其他稱為信令控制消息(Signal Control,SC);

CSM:呼叫狀態(tài)模型(Call State Model,CSM),用于描述呼叫的狀態(tài)和遷移;

MSM:媒體狀態(tài)模型(Media State Model,MSM),用于描述媒體的狀態(tài)和遷移;

SSM:會(huì)話控制模型(Session State Model,SSM),用于描述會(huì)話關(guān)系的狀態(tài)和遷移.由會(huì)話組成;

SMM:會(huì)話管理模型(Session Management Model,SMM),用于對(duì)呼叫中所建立的會(huì)話進(jìn)行管理,對(duì)已有會(huì)話中的呼叫方進(jìn)行優(yōu)化鑒權(quán).

SMM完成Session的鑒權(quán)準(zhǔn)入工作,SMM增加了兩個(gè)隊(duì)列,分別為會(huì)話隊(duì)列(Session List)和呼叫腿隊(duì)列(Leg List).會(huì)話建立和釋放的對(duì)應(yīng)著Session-List的添加、刪除;每個(gè)接入的呼叫都會(huì)存在LegList中.

SM-CSM的重點(diǎn)在于,使用SSM來(lái)描述呼叫方之間的關(guān)系,使用SMM對(duì)會(huì)話的建立、釋放和刪除進(jìn)行鑒權(quán),當(dāng)建立會(huì)話的呼叫并優(yōu)化呼叫接入和會(huì)話建立的過(guò)程,這就簡(jiǎn)化了呼叫的過(guò)程.

2.2 會(huì)話管理控制模型

SM-CSM創(chuàng)造性地提出了會(huì)話管理模型,在會(huì)話管理子模型中添加會(huì)話表和呼叫腿表.

1)會(huì)話表:會(huì)話的建立與釋放對(duì)應(yīng)著會(huì)話在會(huì)話表中的添加與刪除操作.一個(gè)會(huì)話是由兩個(gè)呼叫腿組成的.

2)呼叫腿表:呼叫腿對(duì)應(yīng)呼叫的CSM和MSM.呼叫的接入,會(huì)存儲(chǔ)在呼叫腿表中.

3)會(huì)話表和呼叫腿表的關(guān)系:一個(gè)會(huì)話對(duì)應(yīng)兩個(gè)腿,腿對(duì)應(yīng)著呼叫方.兩個(gè)呼叫建立會(huì)話時(shí),我們會(huì)對(duì)每個(gè)呼叫進(jìn)行合法性檢驗(yàn),通過(guò)檢驗(yàn)每個(gè)呼叫存入呼叫腿,建立的會(huì)話存入會(huì)話表中;若呼叫已經(jīng)存在呼叫腿表中(即已經(jīng)建立過(guò)呼叫會(huì)話),則由呼叫腿中的兩個(gè)呼叫腿索引組成會(huì)話.

4)鑒權(quán)優(yōu)化:對(duì)于已經(jīng)處在呼叫腿中的呼叫腿,若想建立多方呼叫時(shí),則可以對(duì)呼叫腿優(yōu)化鑒權(quán),因?yàn)榇撕艚蟹降男畔⒁呀?jīng)經(jīng)過(guò)合法性驗(yàn)證.其中合法性檢驗(yàn)包括號(hào)碼分析、媒體協(xié)商、查詢呼叫信息、路由查詢等操作,因?yàn)檫@些操作都是在呼叫狀態(tài)模型完成的,會(huì)話管理模型只是接受合法性消息進(jìn)行判斷,所以本文不再贅述[9?10].

當(dāng)呼叫模型處理大量呼叫時(shí),兩方呼叫產(chǎn)生的會(huì)話,統(tǒng)一由會(huì)話表管理,每個(gè)呼叫的信息存儲(chǔ)在呼叫腿中.對(duì)已經(jīng)建立會(huì)話的呼叫,系統(tǒng)保有其合法驗(yàn)證的額信息;大量的呼叫由呼叫腿來(lái)存儲(chǔ),產(chǎn)生的會(huì)話信息由會(huì)話表存儲(chǔ).因此,由會(huì)話建立的鑒權(quán)工作就會(huì)減少,系統(tǒng)處理能力就會(huì)增加.

會(huì)話管理模型如圖3所示,會(huì)話管理模型定義了Authorize(授權(quán)),UnAuthorize(回收授權(quán)).Authorize:給合法的會(huì)話授權(quán)開(kāi)始;UnAuthorize:回收非法的授權(quán).

圖3 會(huì)話管理模型

呼叫控制模型由呼叫控制點(diǎn)(Points In Call)、檢測(cè)點(diǎn)(Detection Points)、轉(zhuǎn)移態(tài)(Transitions)、事件(Events)組成.如圖3所示,分別對(duì)應(yīng)深色方框、白色長(zhǎng)方框、箭頭和箭頭上的字.PIC說(shuō)明智能網(wǎng)業(yè)務(wù)邏輯請(qǐng)求完成基本呼叫流程時(shí),所要進(jìn)行的呼叫控制功能的行為.DP說(shuō)明在基本呼叫流程中,哪些狀態(tài)可能觸發(fā)智能業(yè)務(wù)邏輯.Transitions表明從一個(gè)PIC到另一個(gè)PIC的轉(zhuǎn)換.Events是推進(jìn)基本呼叫流程的事件.

PIC如下:

Null:表明會(huì)話剛建立或被刪除.

Half-Authorize:表明呼叫方發(fā)起呼叫,準(zhǔn)備建立會(huì)話,收到呼叫方合法性驗(yàn)證消息后,并且驗(yàn)證通過(guò).即成功綁定一方,繼續(xù)綁定第二方.

Authorized:表明授權(quán)成功,授權(quán)的過(guò)程需要對(duì)呼叫方的權(quán)限鑒定,對(duì)被叫方的合法性進(jìn)行判斷,因此,授權(quán)時(shí)需要呼叫方的狀態(tài)信息(此信息存在于CSM和MSM中,會(huì)通過(guò)消息傳遞到此處).授權(quán)成功加入SessionList中,已經(jīng)建立會(huì)話的呼叫方直接通過(guò)授權(quán).

Authorize-Hold:表明授權(quán)需要等待其他的消息,需重新授權(quán).

Active:表明會(huì)話激活成功,可以工作.

Active-Hold:表明激活未成功,嘗試重新激活.

HalfRelease:呼叫方嘗試釋放呼叫,需要等待被釋放方處理完傳輸?shù)臄?shù)據(jù)方可,進(jìn)入釋放Release.

Release:釋放會(huì)話,收到雙方均發(fā)出釋放的消息和媒體信息也釋放的消息,會(huì)話將釋放.

DP如下:

Session Attached:收到了呼叫消息.

Half Authorized Finished:收到半授權(quán)消息后,進(jìn)入該DP點(diǎn).

Media Attached:收到媒體激活消息,進(jìn)入該DP點(diǎn).

Media Detached:收到媒體釋放的消息,進(jìn)入該DP點(diǎn).驅(qū)動(dòng)消息包括內(nèi)部釋放和業(yè)務(wù)主動(dòng)釋放.

Session Detached:收到會(huì)話釋放的消息,進(jìn)入該DP點(diǎn).

Exception:Manage:授權(quán)過(guò)程中的異常操作等將觸發(fā)進(jìn)入該DP點(diǎn)[7?9].

3 模型對(duì)比及仿真分析

3.1 模型分析

基于會(huì)話管理的軟交換呼叫控制模型與BCSM、SBS-CSM、P916的模型結(jié)構(gòu)比較[5].如表1所示.

從模型結(jié)構(gòu)的改變上來(lái)看,與SBS-CSM等模型比較,增加了會(huì)話管理模型,使用它解決了呼叫過(guò)程中的鑒權(quán)和會(huì)話管理功能.相應(yīng)的PIC點(diǎn)和DP點(diǎn)的數(shù)目也增加了,PIC增加了6個(gè),DP點(diǎn)增加了6個(gè).但是SM-CSM模型之間的關(guān)系特點(diǎn)是高內(nèi)聚低耦合的,沒(méi)有繁雜的交互,因此,SM-CSM的復(fù)雜性沒(méi)有增加.從功能的角度來(lái)看,4個(gè)模型都完成基本的呼叫業(yè)務(wù),但是BCSM和P196并沒(méi)有建立會(huì)話的功能,所以呼叫的數(shù)量只是單數(shù),限制了呼叫的性能和數(shù)量[10?13].BCSM和P916并沒(méi)有向業(yè)務(wù)提供控制媒體鏈接的能力,不適應(yīng)現(xiàn)在軟交換對(duì)多媒體要求.

表1 呼叫模型對(duì)比表

3.2 仿真結(jié)果及分析

針對(duì)陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),使用OPNET分別對(duì)4種模型進(jìn)行呼叫話務(wù)系統(tǒng)仿真測(cè)試.為了驗(yàn)證仿真系統(tǒng)的有效性,除軟交換節(jié)點(diǎn)不同之外,網(wǎng)絡(luò)其余部分均相同.

仿真系統(tǒng)包括超短波通信網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)網(wǎng)和光纖網(wǎng),其中呼叫控制模型通過(guò)OPNET中的Modeler編程實(shí)現(xiàn)[11?15].通過(guò)“DES Statistics”來(lái)收集仿真系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)量,記錄的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)為:網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、時(shí)延、呼叫阻塞率和資源利用率.分別對(duì)兩個(gè)仿真場(chǎng)景進(jìn)行話務(wù)仿真,設(shè)置仿真時(shí)間為30h,隨著每分鐘增加1000個(gè)呼叫.仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB,產(chǎn)生分析結(jié)果.

圖4 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)比圖

如圖4所示,在0h～6h時(shí),由于SBS-CSM只是靠CSM和BCM來(lái)完成呼叫的控制,在大量呼叫出現(xiàn)時(shí),需要維護(hù)的會(huì)話關(guān)系劇增,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載急劇上升到了365Mbit/s,最終保持在380Mbit/s左右;而SM-CSM,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加到350Mbit/s,最終保持在370Mbit/s左右.BCSM系統(tǒng)容量低,但網(wǎng)絡(luò)負(fù)載仍然達(dá)到370Mbit/s左右.P916的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載最高,達(dá)到385Mbit/s.綜上,SM-CSM的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于SBSCSM和P916,略低于BCSM.

如圖5所示,SM-CSM的網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延,從3.0×10–4s 緩慢增加到 4.0×10–4s,略低于 SBSCSM.但是高于從3.0×10–4s只緩慢增加到3.9×10–4s的BCSM模型.P916模型的時(shí)延較高的保持在6.3×10–4s.

圖5 網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延對(duì)比圖

如圖6所示,在0h～8h的仿真時(shí)間里,BCSM和SM-CSM的呼叫阻塞率,增加到了52%,隨后緩慢增加到55.6%;而P916和SBS-CSM在0h～8h的仿真時(shí)間里,則增加到了55%,隨后P916增加到60%,SBS-CSM增加到55.9%.SM-CSM的呼叫阻塞率和BCSM幾乎相同,低于P916和SBS-CSM.阻塞率的減少表明會(huì)有更多的呼叫用戶可以接入網(wǎng)絡(luò)中,說(shuō)明SM-CSM提高系統(tǒng)容量.

圖6 呼叫阻塞率

如圖7所示,在0h～3h的仿真時(shí)間里,系統(tǒng)呼叫量急劇增加時(shí),SM-CSM和SBS-CSM的資源利用率近似于100%,隨后也保持在這個(gè)量級(jí).但P916則只能達(dá)到99.5%,而BCSM只達(dá)到了99.1%左右.SM-CSM比P916和BCSM均高,與SBS-CSM幾乎相同,但是在0h～3h的仿真時(shí)間里,增長(zhǎng)的速度低于SBS-CSM.說(shuō)明SM-CSM在系統(tǒng)處理大量呼叫時(shí),增加了資源用率.

圖7 資源利用率

隨后又對(duì)SM-CSM和SBS-CSM做了多種協(xié)議進(jìn)行的測(cè)試,如用戶部分協(xié)議(ISDN User Part,ISUP)、媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議(Media Gateway Control Protocol,MGCP)、H.232協(xié)議(在分組網(wǎng)上提供實(shí)時(shí)語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議)、會(huì)話初始協(xié)議(Session Initiation Protocol,SIP)等.SM-CSM提供了靈活的媒體控制能力,相比SBS-CSM最大消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間和最大消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間均有所降低.系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間表

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有軟交換呼叫控制技術(shù)缺少對(duì)呼叫會(huì)話有效地控制導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量低的問(wèn)題,提出了一種基于會(huì)話管理的軟交換呼叫控制模.在原SBS-CSN的基礎(chǔ)上增加了會(huì)話管理子模型,根據(jù)會(huì)話和呼叫關(guān)系建立會(huì)話鑒權(quán)和準(zhǔn)入方法,并通過(guò)管理呼叫腿隊(duì)列中的呼叫腿來(lái)減少鑒權(quán)次數(shù).雖然相對(duì)SM-CSM增加了DP和PIC點(diǎn),但是SM-CSM模型之間的關(guān)系特點(diǎn)是高內(nèi)聚低耦合的,沒(méi)有繁雜的交互,因此,模型的復(fù)雜性沒(méi)有增加.針對(duì)陸用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),搭建仿真系統(tǒng),仿真結(jié)果表明,該模型有效降低了呼叫阻塞率、減小了網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延和負(fù)載,進(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率,總體上提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,說(shuō)明此呼叫控制模型具有實(shí)際使用的價(jià)值.