SIP信令過(guò)載控制算法優(yōu)化研究

史 建，毛新農(nóng)，金東方，劉邦魁

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，成都 610000）

在使用UDP等無(wú)連接的傳輸協(xié)議的SIP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行報(bào)文發(fā)送時(shí)，出現(xiàn)丟包后，SIP設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的重傳機(jī)制。但是當(dāng)重傳的請(qǐng)求較多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的阻塞，降低網(wǎng)絡(luò)的性能。本文將設(shè)計(jì)一種隨機(jī)優(yōu)化算法來(lái)避免網(wǎng)絡(luò)性能的降低，對(duì)網(wǎng)絡(luò)過(guò)載進(jìn)行優(yōu)化。

1 SIP交互介紹

SIP（Session Initiation Protocol，會(huì)話初始協(xié)議）是一種應(yīng)用層協(xié)議，在各種多媒體應(yīng)用中維護(hù)各種會(huì)話，是諸如在線電話等應(yīng)用的基礎(chǔ)。在一般的SIP交互中，用戶代理發(fā)出一個(gè)報(bào)文后申請(qǐng)建立一個(gè)會(huì)話；SIP代理服務(wù)器接到請(qǐng)求后轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文、檢查參數(shù)并且返回對(duì)應(yīng)的信息，并維護(hù)會(huì)話通道的有效。一般而言，代理服務(wù)器需要接收至少7次報(bào)文，SIP協(xié)議類似于HTTP協(xié)議，可以提高應(yīng)用服務(wù)的開(kāi)發(fā)效率。

SIP 的一個(gè)重要特點(diǎn)是它不定義要建立的會(huì)話的類型，而只定義應(yīng)該如何管理會(huì)話。有了這種靈活性，也就意味著SIP可以用于眾多應(yīng)用和服務(wù)中，包括交互式游戲、音樂(lè)和視頻點(diǎn)播以及語(yǔ)音、視頻和 Web 會(huì)議。SIP消息是基于文本的，因而易于讀取和調(diào)試。同時(shí)針對(duì)SIP建立新的應(yīng)用服務(wù)更加簡(jiǎn)單，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言也更加直觀。SIP如同電子郵件客戶機(jī)一樣重用 MIME 類型描述，因此與會(huì)話相關(guān)的應(yīng)用程序可以自動(dòng)啟動(dòng)。SIP 重用幾個(gè)現(xiàn)有的比較成熟的 Internet 服務(wù)和協(xié)議，如 DNS、RTP、RSVP等。不必再引入新服務(wù)對(duì) SIP 基礎(chǔ)設(shè)施提供支持，因?yàn)樵摶A(chǔ)設(shè)施很多部分已經(jīng)到位或現(xiàn)成可用。

2 過(guò)載控制算法優(yōu)化

在SIP網(wǎng)絡(luò)中，代理服務(wù)器對(duì)各類SIP消息及數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，承載了較大的壓力。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的上升，代理服務(wù)器出現(xiàn)報(bào)文丟失的概率會(huì)增加，而這種情況又會(huì)引發(fā)SIP的重傳機(jī)制，導(dǎo)致更大的網(wǎng)絡(luò)阻塞，甚至影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。

為了解決這種問(wèn)題，一般的處理辦法是使用503（Service Unavailable）報(bào)文返回給發(fā)送端，503報(bào)本代表服務(wù)端不可用，客戶端收到該報(bào)文后一般會(huì)阻止發(fā)送端重傳報(bào)文。通過(guò)這種方式雖然能夠降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，但這樣也會(huì)引起服務(wù)波動(dòng)較為劇烈的情況出現(xiàn)，引發(fā)應(yīng)用中斷，導(dǎo)致服務(wù)性能的波動(dòng)較大。本文針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)一種隨機(jī)優(yōu)化算法來(lái)平滑報(bào)文過(guò)載的處理效率，改善網(wǎng)絡(luò)的性能。

隨機(jī)優(yōu)化算法的核心思想是在代理服務(wù)器上設(shè)置兩個(gè)緩沖隊(duì)列。Tmax和Tmin代表隊(duì)列的緩沖能力。而當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到代理服務(wù)器時(shí)，根據(jù)計(jì)算得到隊(duì)列的長(zhǎng)度Q，根據(jù)當(dāng)前的Q來(lái)判斷拒絕服務(wù)的概率P，如果P大于一定的值，則返回503報(bào)文，拒絕進(jìn)行服務(wù)。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)包達(dá)到后，如果Q小于Tmin，代表服務(wù)器目前處于正常狀態(tài)，可以進(jìn)行服務(wù)，從而將數(shù)據(jù)插入到緩沖隊(duì)列，等到轉(zhuǎn)發(fā)。而當(dāng)Q大于Tmax時(shí)，代表服務(wù)器已經(jīng)處于過(guò)載狀態(tài)，此時(shí)直接拒絕服務(wù)。而當(dāng)Q位于Tmax和Tmin之間時(shí)，按照下式進(jìn)行概率P的計(jì)算：

為了能夠平滑隊(duì)列的移動(dòng)窗口，設(shè)置Q=Q（1-w）+wq。w是加權(quán)系數(shù)，用于動(dòng)態(tài)調(diào)整隊(duì)列的長(zhǎng)度。通過(guò)設(shè)置w參數(shù)，可以有效的對(duì)隊(duì)列進(jìn)行平滑，改善網(wǎng)絡(luò)效率。P0為初始的概率大小，也就是當(dāng)Q=Tmin的概率大小。算法的效率同Tmax和Tmin兩個(gè)參數(shù)也有一定的關(guān)系，Tmax較大則需要服務(wù)器提供較大的緩沖資源，而如果該值較小則可能導(dǎo)致過(guò)多報(bào)文被拒絕，最終降低服務(wù)的性能。Tmin較小的時(shí)候一旦報(bào)文到達(dá)服務(wù)器，則需要進(jìn)行隨機(jī)概率的判斷，需要耗費(fèi)一定的計(jì)算資源。而如果該值較大，緩沖隊(duì)列需要更多的存儲(chǔ)資源來(lái)提供服務(wù)。程序?qū)崿F(xiàn)核心代碼如圖1所示：

圖1 核心算法代碼

當(dāng)報(bào)文請(qǐng)求到達(dá)服務(wù)器后，根據(jù)當(dāng)前的隊(duì)列情況進(jìn)行判斷，如果隊(duì)列已經(jīng)滿了，則拒絕該報(bào)文的服務(wù)，如果隊(duì)列相對(duì)空閑，則將報(bào)文加入處理隊(duì)列。如果隊(duì)列不為空，則計(jì)算拒絕的概率，根據(jù)計(jì)算得到的概率選擇不同的服務(wù)方式。

3 仿真分析

為對(duì)算法進(jìn)行仿真，設(shè)置緩沖長(zhǎng)度為100，將w的取值變?yōu)?.7，同時(shí)取P0為1.6，Tmax=80，Tmin=25。在n為1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行仿真。為對(duì)比結(jié)果，采用堵塞時(shí)直接返回503報(bào)文的方式進(jìn)行對(duì)比?？梢钥吹皆趯?duì)任意單位時(shí)間的阻塞進(jìn)行仿真以后，在隨機(jī)優(yōu)化算法下阻塞狀態(tài)平均持續(xù)時(shí)間大概為0.09秒，而非阻塞狀態(tài)下的平均持續(xù)時(shí)間為0.26秒，連接較為穩(wěn)定。而在進(jìn)入阻塞狀態(tài)后，當(dāng)報(bào)文數(shù)降到42后，SIP得以恢復(fù)，吞吐量有了明顯的改善。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均拒絕率為0.081，有效的提高了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)率。

改變Tmax=100，Tmin=15。在n為1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行仿真?？梢钥吹皆趯?duì)任意單位時(shí)間的阻塞進(jìn)行仿真以后，在增加隊(duì)列長(zhǎng)度的情況下下阻塞狀態(tài)平均持續(xù)時(shí)間大概為0.07秒，而非阻塞狀態(tài)下的平均持續(xù)時(shí)間為0.34秒，連接較為穩(wěn)定。而在進(jìn)入阻塞狀態(tài)后，當(dāng)報(bào)文數(shù)降到50后，SIP得以恢復(fù)，吞吐量有了明顯的改善。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均拒絕率為0.061，有效的提高了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)率。但是網(wǎng)絡(luò)的資源的占比有了16%的上升。通過(guò)設(shè)置不同的緩沖隊(duì)列參數(shù)可以有效的對(duì)網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行優(yōu)化。不同參數(shù)設(shè)置下系統(tǒng)負(fù)載率和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的對(duì)比如下：

圖2 不同參數(shù)下網(wǎng)絡(luò)延時(shí)與負(fù)載率關(guān)系圖

如圖2所示，隨著隊(duì)列長(zhǎng)度的不同，系統(tǒng)的表現(xiàn)有一定的差異，而且同緩沖隊(duì)列的長(zhǎng)度相比系統(tǒng)的性能提升并非成正比增長(zhǎng)，而是在Tmax與Tmin之間得到平衡。

為分析不同的P0參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，并且為了比較原有算法和優(yōu)化后的算法在不同隊(duì)列長(zhǎng)度下的對(duì)比，本文使用不同的參數(shù)值進(jìn)行仿真，得到下圖的仿真結(jié)果圖：

圖3 不同初始概率及算法對(duì)比效果圖

左圖是在不同的初始概率P0下，算法占用緩存與概率密度的關(guān)系圖。可以看到初始概率較大的情況下，占用緩存的分布較為平緩。根據(jù)概率密度分布可以算出，測(cè)試評(píng)價(jià)拒絕服務(wù)的概率大概為P=0.085。對(duì)于加權(quán)系數(shù)w進(jìn)行仿真后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w過(guò)小時(shí)，隊(duì)列增長(zhǎng)較緩，負(fù)載率很難有效控制。而當(dāng)w較大時(shí)，隊(duì)列增加較快，可能導(dǎo)致資源浪費(fèi)，當(dāng)w取值范圍在[0.4，0.8]之間時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

右圖對(duì)比了優(yōu)化后的算法，在不同的緩沖隊(duì)列下負(fù)載率的變化?？梢钥吹诫S著緩存隊(duì)列長(zhǎng)度的增加，隨機(jī)優(yōu)化算法的表現(xiàn)要優(yōu)于原算法，隨著緩存長(zhǎng)度的增加，優(yōu)化效果的表現(xiàn)越來(lái)越好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了SIP網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的原因，由于代理服務(wù)器在丟失報(bào)文后會(huì)引發(fā)SIP的重傳服務(wù)，而在網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下，報(bào)文的重傳可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擁堵。本文針對(duì)這種情況提出了一種基于隊(duì)列的緩沖隨機(jī)優(yōu)化算法，來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)的性能。通過(guò)緩沖隊(duì)列的設(shè)置，根據(jù)隊(duì)列的資源使用情況，使用隨機(jī)算法來(lái)決定是否拒絕服務(wù)，從而達(dá)到穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)效率，提升網(wǎng)絡(luò)性能的目的。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的算法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該算法的有效性。