電力IMS 中SIP 會話性能的研究與優(yōu)化?

繆巍巍 吳海洋 施 健 張華鋒

（1.江蘇省電力公司 南京 210024）（2.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司） 南京 210003）

1 引言

近年來，隨著電網(wǎng)信息化水平的不斷提高，電力通信由以往傳統(tǒng)的固定電話通信逐步發(fā)展到集音頻、視頻及實時數(shù)據(jù)于一體的多媒體、多元化綜合通信?；赟IP（Session Initial Protoco）協(xié)議的電力IMS（IP Multimedia Subsystem）系統(tǒng)在很好兼容現(xiàn)有電力行政交換網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，引入了語音、數(shù)據(jù)和視頻等多媒體業(yè)務(wù)，從而為電網(wǎng)信息化提供了多樣化、差異化的融合通信業(yè)務(wù)［1～2］。然而電力通信方式的轉(zhuǎn)變勢必對網(wǎng)絡(luò)帶寬和通話時延提出了更高要求，特別是電網(wǎng)涉及的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、經(jīng)營數(shù)據(jù)等實時信息需要通過各種多媒體手段快速高效進行獲取、傳輸與分析。

SIP協(xié)議作為一個獨立于底層傳輸協(xié)議的多方多媒體通信的應(yīng)用層控制協(xié)議，采用了基于文本的消息格式，具有靈活性和可讀性［3～4］。隨著SIP協(xié)議的不斷擴展和日益完善，SIP 作為一個優(yōu)秀的信令控制協(xié)議其應(yīng)用日益寬泛，電力IMS系統(tǒng)正是通過SIP協(xié)議實現(xiàn)了多種綜合電力業(yè)務(wù)在內(nèi)的端到端多媒體通信。然而SIP 協(xié)議在具有靈活、方便、簡單等優(yōu)點的同時，也給SIP 協(xié)議運用到電力IMS 會話建立帶來不少難題。隨著用戶數(shù)量的增加、SIP 消息內(nèi)容的擴充，有限帶寬與冗余消息之間的矛盾日益凸顯，使得丟包率增大以及重傳時延的增多，進而造成SIP 會話性能急劇下降，大大影響了通信質(zhì)量與用戶體驗。

QoS（Quality of Service）服務(wù)質(zhì)量作為評價電力IMS系統(tǒng)用戶體驗好壞的關(guān)鍵因素，其總體水平取決于通信業(yè)務(wù)端到端各個環(huán)節(jié)中某一薄弱單點的質(zhì)量水平。本文在深入研究SIP 會話端到端建立過程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了SIP 時延分析模型，進而指出壓縮SIP 消息的大小可有效改善SIP 的會話性能。通過基于文本的無損數(shù)據(jù)壓縮算法的研究，提出了一種基于SIP 協(xié)議的改進壓縮算法，從而為電力IMS系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的提升給出了一個新思路。

2 SIP會話時延研究

2.1 SIP會話的端到端時延分析

在電力IMS 系統(tǒng)中，SIP 會話的端到端通信主要涉及到本地承載、IMS 承載兩部分組成［5～6］。其SIP會話的端到端建立過程如圖1所示。

其各環(huán)節(jié)的時延主要存在以下幾方面。

圖1 SIP會話端到端建立過程示意圖

1）在SIP會話建立初期，SIP服務(wù)器需要與HSS（Home Subscriber Server）者DNS（Domain Name Server）進行交互，從而發(fā)現(xiàn)該SIP 消息的路由。此過程中受限于服務(wù)器的處理性能，會有一定的時延影響，但通常時延應(yīng)不大于5ms。

2）SIP 服 務(wù) 器 通 過 與PDF（Policy Decision Function）之間的交互，獲取到此次會話的基于策略的授權(quán)承載資源，并進行QoS的管理。該過程的時延主要也與服務(wù)器的處理性能成正相關(guān)性。

3）通過MGW（Media Gateway）進行編碼/解碼，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的互通。在編解碼過程中需要耗費一定的服務(wù)器處理時間。

4）在SIP 消息進行解封裝處理環(huán)節(jié)中，SIP 消息到達路由器后可能由于擁堵等原因，需要進行排隊/處理，同時SIP消息進行解析和消息頭處理也要耗費一定的時間。不過以目前路由器的計算能力和吞吐量，這部分時延幾乎可以忽略不計。

5）在SIP 消息傳輸環(huán)節(jié)，主要與數(shù)據(jù)承載網(wǎng)、傳輸承載網(wǎng)的傳輸時延相關(guān)，也是對SIP 會話性能影響最大的一個環(huán)節(jié)。一旦SIP 消息出現(xiàn)誤幀、丟幀的情況，就會影響信令消息的完整性，從而要求進行重傳。當(dāng)達到一定失敗次數(shù)后，就會放棄本次會話建立重新。

2.2 SIP會話的端到端時延建模

根據(jù)圖1，以及各環(huán)節(jié)的時延分析，可構(gòu)建一個SIP 會話的端到端時延數(shù)據(jù)模型。設(shè)定建立一個完整SIP 會話所需的消息總數(shù)為N ，則SIP 會話建立所需總的時延Ttotal為

其 中 ，TP-CSCF、TI-CSCF、TS-CSCF分 別 表 示 在P-CSCF、I-CSCF 及S-CSCF 中的平均排隊時延時延，Tsrc表示在源端的排隊時延，Tdes表示在目的端的排隊時延。

其中，AvgMsgSize[bit] 為SIP 消息的平均長度，LinkSpeed[bit/sec] 為傳輸鏈路的傳輸速度，RTT[sec]為SIP消息從發(fā)出到接收響應(yīng)的整個過程時間（包括各中間環(huán)節(jié)的處理時間）。

如果傳輸鏈路的運行狀態(tài)不良，在傳輸時延增加或誤幀率較高的情況下，將對SIP 會話建立的時延產(chǎn)生較大影響。

3）Tother為其它時延，其計算如下：

在SIP 消息傳輸過程中由于處理消息過程中可能涉及到的附加過程等所產(chǎn)生的時延。

從上述SIP 會話的端到端時延數(shù)據(jù)模型中可以看出，在不考慮消息重傳所耗費的時延，以及現(xiàn)有IMS 系統(tǒng)軟硬件環(huán)境的情況下，SIP 會話性能主要與消息的長度有密切的關(guān)系。

3 SIP會話時延的優(yōu)化

3.1 壓縮算法介紹

SIP消息過大增加了傳輸過程中通信時延的風(fēng)險，極易導(dǎo)致SIP 會話建立時延的增加，影響通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量與用戶體驗。針對SIP 消息過大的 缺 陷 ，IETF 的ROHC（Robust Header Compression）提出了SigComp（Singal Compression）機制，要求對SIP 消息進行基于文本的無損數(shù)據(jù)壓縮，從而盡量減緩由于SIP 消息過大所造成的端到端會話建立傳輸時延過多的問題［9～12］。

文本壓縮作為作為數(shù)據(jù)壓縮的一個主要組成部分，屬于無損壓縮范疇，其原理通常是對數(shù)據(jù)進行某種操作或變換后使得其在長度縮短的同時，能夠保證壓縮后的壓縮碼可以再次準(zhǔn)確還原成原始數(shù)據(jù)。當(dāng)前比較經(jīng)典的文本壓縮算法主要為基于字典的無損壓縮算法，其原理是指定一個較短的特殊代碼來替換實際文本中出現(xiàn)頻率較高的字符，進而達到壓縮文本大小的目標(biāo)。常用的基于字典的無損壓縮算法一般有LZ77 編碼、LZSS 編碼、LZ78編碼、LZW 編碼等［13～16］。其中，LZ78編碼和LZW 編碼這兩種壓縮算法技術(shù)實現(xiàn)較為困難，而LZ77 編碼的壓縮率又相對偏低，總體而言LZSS 算法具有技術(shù)實現(xiàn)簡單，壓縮率較高的優(yōu)點。

LZSS 算法主要原理是將文本數(shù)據(jù)以二叉搜索樹形式組織，在文本壓縮時先進行相應(yīng)的初始化操作，包括初始化二叉搜索樹、加載向前緩沖區(qū)、設(shè)置滑動窗口。向前緩沖區(qū)中存放的是暫時壓縮過的待處理消息，而滑動窗口中存放的是已壓縮過的原消息。當(dāng)在滑動窗口中尋找與向前緩沖區(qū)中最大可匹配的數(shù)據(jù)時，若匹配的數(shù)據(jù)長度不小于最小匹配長度，則輸出一對二元組（匹配短語位置，匹配短語長度）；若在滑動窗口中找不到匹配的數(shù)據(jù)時，則直接輸出原數(shù)據(jù)。每處理完一次數(shù)據(jù)，滑動窗口和向前緩沖區(qū)均向后滑動，重復(fù)處理剩下的數(shù)據(jù)，直至結(jié)束。

圖2 LZSS算法壓縮流程圖

3.2 LZSS算法的改進

雖然LZSS 算法對SIP 消息進行了一定程度的壓縮，但仍有不少改進的空間。

1）在LZSS 算法初始化階段，滑動窗口設(shè)置為空，此時最初的字符只能單個輸出，每個字符的輸出均為一個二元組（匹配短語位置，匹配短語長度）。這對單個字符來說無疑代價較高，可以考慮預(yù)先加載字符到滑動窗口。本文針對電力IMS 系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)特點，將SIP 會話日常的指令短語和常用字符進行預(yù)加載，從而提高初始階段的匹配效率和壓縮效果。

2）LZSS 算法壓縮速度較快，但仍然存在著部分編碼冗余。因此，有必要綜合不同壓縮算法的優(yōu)勢，消除不必要的編碼冗余，盡可能提高壓縮率?；诮y(tǒng)計的熵編碼壓縮技術(shù)可以對LZSS壓縮后的字符進行再次優(yōu)化，對出現(xiàn)頻率高的字符分配較短的編碼，出現(xiàn)頻率低的字符分配較長的編碼，其代表性技術(shù)有Huffman 編碼、算術(shù)編碼等。算術(shù)編碼作為目前一種壓縮效率最高的統(tǒng)計熵編碼方法，其通常比Huffman 編碼效率高約10%左右，并且統(tǒng)計模型可以較好地與算法進行分離，易于實現(xiàn)自適應(yīng)模式。因此本文在LZSS 編碼基礎(chǔ)上，綜合算術(shù)編碼的優(yōu)點來壓縮SIP消息。

3）滑動窗口大小的設(shè)定。針對上下文相關(guān)度較低的SIP 消息時，設(shè)定較大的滑動窗口固然能夠加大匹配范圍、提高壓縮比，但相應(yīng)卻增加了匹配時間以及窗口編碼長度。通過對電力SIP 消息的統(tǒng)計分析，采用4K的滑動窗口，其偏移值基本上是均勻分布，其在匹配范圍、匹配時間和窗口編碼長度上均能達到一個相對均衡的值。

4 仿真分析

為模擬電力IMS 系統(tǒng)的SIP 會話性能，根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，設(shè)定業(yè)務(wù)環(huán)境、實現(xiàn)方式和通信鏈路，在仿真環(huán)境中建立了一個電力IMS 的網(wǎng)絡(luò)模型，并模擬出用于建立SIP會話的17條信令消息。

1）壓縮性能比較分析

對相同的SIP 消息仿真數(shù)據(jù)分別采用LZW、LZSS 和改進后的LZSS 三種算法進行壓縮，為客觀評價各算法的性能，定義n 個SIP消息的壓縮率為

經(jīng)計算，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 SIP消息壓縮率折線圖

由圖3 可知，隨著會話建立過程的推進，SIP 消息個數(shù)持續(xù)增加，式（5）中定義的消息壓縮率不斷降低，反映出這三種壓縮算法的性能均有較大提升。由于引入了熵編碼技術(shù)，改進后的LZSS 算法壓縮率顯著高于LZS和LZW。從曲線斜率可知，改進后的LZSS 收斂速度也明顯快于其他兩種算法，這與會話建立初期在空的滑動窗口中預(yù)先加載相關(guān)關(guān)鍵字符有較大關(guān)系。

2）壓縮時間比較分析

壓縮算法除了關(guān)注壓縮比率外，壓縮時間的多少也是一個需要考量的重要因素。本文采用的改進LZSS 算法中包含了算術(shù)編碼，由于算法編碼實現(xiàn)較為復(fù)雜，對消息的壓縮耗時較大。因此，這三種算法通過仿真計算得到相應(yīng)的壓縮時間。其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 SIP消息壓縮時間折線圖

仿真數(shù)據(jù)的精度以ms 為單位，由圖4 可見，當(dāng)SIP 消息數(shù)量較小時，無法準(zhǔn)確統(tǒng)計出規(guī)定精度范圍內(nèi)的有效壓縮時間。當(dāng)SIP 消息數(shù)量增多時，LZSS 與LZW 的壓縮時間大體相當(dāng)，而改進的LZSS所耗費的壓縮時間會顯著大于其他兩種壓縮算法。從本次仿真數(shù)據(jù)的模擬計算來看，壓縮時間最大差距在20ms左右，這對傳輸時延來說，是在一個可接受的范圍內(nèi)。同時，現(xiàn)場服務(wù)器的處理能力也優(yōu)于仿真環(huán)境，這有助于進一步縮小實際的壓縮時間。

3）消息大小對會話建立時延的影響

對SIP 消息壓縮后，根據(jù)計算傳輸時延的式（3），可得到發(fā)送N 個消息的單向傳輸時延近似值為

其仿真環(huán)境下壓縮前后的傳輸時延近似值比較如圖5所示。

本次仿真只是針對SIP 消息單向傳輸時延的有效估計，暫未考慮出錯重傳的影響因素。從圖5可見，改進后的LZSS運用可有效減少SIP消息的傳輸時延，且SIP 消息數(shù)量增多，其傳輸時延仍然能夠維持下較低的水平。

圖5 SIP消息壓前后傳輸時延折線圖

5 結(jié)語

針對當(dāng)前電力IMS 系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文深入分析了IMS 系統(tǒng)的SIP 會話端到端建立機制，研究了影響SIP 會話性能的關(guān)鍵因素，提出了SIP 消息大小到會話性能有極為重要的影響。在此基礎(chǔ)上提出了一種改進的SIP 消息壓縮算法，并通過仿真環(huán)境下的模擬計算，對LZW、LZSS 和改進后的LZSS 三種算法進行對比。仿真結(jié)果表明LZSS 與算術(shù)編碼結(jié)合的綜合壓縮算法比LZSS、LZW 有更大的壓縮率，壓縮后的SIP 消息在傳輸時延方面取得較為顯著的改善。

本文提出的改進LZSS 算法對電力IMS 系統(tǒng)SIP 會話性能優(yōu)化具有一定的借鑒意義，在后續(xù)的研究中，將結(jié)合電力系統(tǒng)的特點，通過多種壓縮算法的組合進一步提高SIP 消息的壓縮率。同時本次仿真驗證中未考慮消息重傳所帶來的時延，有待于進一步研究，從而使得改進算法對電力IMS系統(tǒng)的性能改善更具可行性。