異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中信令壓縮的應(yīng)用

摘 要:作為標準的信令協(xié)議，會話發(fā)起協(xié)議(session initiation protocol，SIP)可以很好地支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的移動性。但是，SIP消息傳輸過程中帶來的高時延會影響VoIP等實時性應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。針對這種情況，提出了一個基于信令壓縮的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架，用戶在使用SIP消息注冊、鑒權(quán)時產(chǎn)生的信令消息均被壓縮后再進行傳輸。仿真結(jié)果顯示，在該框架下信令壓縮可以縮短20%的傳輸時延和節(jié)省30%的網(wǎng)絡(luò)開銷。

關(guān)鍵詞:異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);會話初始協(xié)議;移動性管理;信令壓縮

中圖分類號:TP393.1文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)06-2287-03

doi:10.3969/j.issn.10013695.2010.06.083

Implementation of SigComp in heterogeneous networks

WU Yanling1， LIU Yuncheng1， WANG Lili1， LI Ming2

(1. Dept. of Computer Information Science， City College of Dongguan University of Technology， Dongguan Guangdong 523106， China; 2.Institute of Electronic Engineering， Dongguan University of Technology， Dongguan Guangdong 523808， China)

Abstract:As a standard signaling protocol， SIP (session initiation protocol) could provide a strong mobility support to some applications in heterogeneous networks. Nevertheless， SIP suffers from an undesirable delay for some cases， which is detrimental to realtime applications such as VoIP (voice over IP) requiring stringent quality of service. This paper proposed a heterogeneous network framework basedSigComp (signaling compression)， in which all generated signaling messages were transmitted after compressed. It was evaluated under NS2. Simulation results illustrate with proposed framework the propagation latency and the overhead are significantly decreased 20%， 30% respectively.

Key words:heterogeneous networks; session initiation protocol; mobility management; SigComp

0 引言

移動通信網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的互連互通為移動用戶在任何時間和任何地點的移動接入提供了可能性。下一代無線網(wǎng)絡(luò)將會是融合了多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全IP (Internet protocol)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，移動用戶可以在通信過程中幾乎不受任何影響的移動[1]。為了解決用戶在不同網(wǎng)絡(luò)的移動性管理問題，IETF (Internet Engineering Task Force)提出了致力于網(wǎng)絡(luò)層的移動IP技術(shù)[2，3]。另外，還有致力于傳輸層的移動流控制傳輸協(xié)議mSCTP (mobile stream control transmission protocol)[4]和致力于應(yīng)用層的SIP協(xié)議[5]。但是，移動IP要使用路由優(yōu)化機制來避免三角路由的問題，從而要對IP協(xié)議棧進行修改[6]，而且，移動IP封裝還將為每個數(shù)據(jù)分組額外增加了8~20 Byte的開銷;mSCTP不支持位置管理，必須與某種位置管理機制進行結(jié)合[7]。最終，3GPP R5將SIP (session initiation protocol)確定為IMS (IP multimedia subsystem)的核心控制協(xié)議。

然而，SIP是基于文本的，原本是用于帶寬豐富的有線鏈路的協(xié)議。為了便于理解和使用，對消息長度沒有進行優(yōu)化。如果直接應(yīng)用到帶寬有限、速率較低的無線網(wǎng)絡(luò)時，不但會占用過多的帶寬，還會產(chǎn)生顯著的傳輸時延。因此，IETF提出了SigComp (signaling compression)機制，建議對基于文本的SIP消息進行壓縮。對于3GPP R5中建議使用的SIP消息，向空中接口傳輸前必須先進行壓縮。

1 SigComp

SigComp是IETF的ROHC (Robust Header Compression Group)定義的處于應(yīng)用層與傳輸層之間的機制。它支持TCP (transmission control protocol)、UDP (user datagram protocol)以及SCTP (stream control transmission protocol)等傳輸協(xié)議。文獻[8]對SigComp的結(jié)構(gòu)進行了描述。SigComp由一個壓縮器和解壓器UDVM (universal decompressor virtual machine)組成。壓縮時，壓縮器之上的應(yīng)用層發(fā)出帶有compartment identifier的消息，該消息馬上被一個壓縮器分發(fā)器送往與會話相關(guān)聯(lián)的壓縮器;壓縮器查看狀態(tài)后對消息進行壓縮，然后發(fā)回給壓縮器分發(fā)器，后者將壓縮后的消息發(fā)送給傳輸層;同時壓縮狀態(tài)被更新。解壓時，解壓器分發(fā)器將消息發(fā)送給解壓器UDVM，后者將決定使用何種算法，再結(jié)合壓縮狀態(tài)進行解壓;解壓完畢后，消息由解壓器分發(fā)器轉(zhuǎn)交給應(yīng)用層，應(yīng)用層返回compartment identifier給解壓器分發(fā)器，后者對壓縮/解壓狀態(tài)進行更新。圖1是SigComp信令壓縮的體系結(jié)構(gòu)。

對基于文本格式的信令消息的壓縮屬于數(shù)據(jù)壓縮中無失真的文本壓縮，使用的壓縮算法主要有Huffman編碼、LZ77編碼和Delate算法等。但是，單一壓縮算法對SIP信令壓縮效果不是很好，文獻[9]發(fā)現(xiàn)在EPIC (efficient protocol independent compression)結(jié)合辭典使用時的Deflate算法可以取得比較理想的壓縮效果。

2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

移動用戶在不同網(wǎng)絡(luò)間漫游時，除了需要解決移動性支持問題外，還要解決網(wǎng)絡(luò)對訪問用戶的接入控制問題。文獻[10]提出了一個基于SIP的漫游網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不同網(wǎng)絡(luò)間使用鑒權(quán)方法來控制訪問用戶接入。但是，鑒權(quán)過程中產(chǎn)生的SIP信令消息會增加網(wǎng)絡(luò)開銷和注冊時延。

本文提出了一個基于SIP的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)中，訪問網(wǎng)絡(luò)(visiting network，VN)要對到來的訪問用戶進行接入鑒權(quán)。為了減小鑒權(quán)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開銷和注冊時延，本文對所有的信令消息進行了壓縮處理。

圖2是本文提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。該異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由一個WLAN (wireless local area network)、一個WiMAX (worldwide interoperability for microwave access)和一個UMTS (universal mobile telecommunications system)組成，它們之間部分重疊。其中，移動臺MS_WLAN的歸屬網(wǎng)絡(luò)(home network，HN)是WLAN，訪問網(wǎng)絡(luò)VN是WiMAX和UMTS;移動臺MS_WiMAX的歸屬網(wǎng)絡(luò)是WiMAX，訪問網(wǎng)絡(luò)是WLAN和UMTS;移動臺MS_UMTS的歸屬網(wǎng)絡(luò)是UMTS，訪問網(wǎng)絡(luò)是WLAN和WiMAX。所有移動臺都是支持WLAN、WiMAX、UMTS的三模終端，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號強度自行選擇接入網(wǎng)絡(luò)。

WLAN、WiMAX和UMTS均連接在Internet上，并通過Internet和一個漫游管理系統(tǒng)(roaming management system，RMS)相連。RMS由一個網(wǎng)關(guān)、一個可以處理SigComp消息的AAA (authentication， authorization， accounting)服務(wù)器和一個SLA (service level agreement)數(shù)據(jù)庫組成。

SLA中除了儲存了HN要求的QoS指標外(無線帶寬、網(wǎng)絡(luò)的吞吐量等)，還儲存了已建立互信機制的網(wǎng)絡(luò)ID間的映射關(guān)系，如圖2中的WLAN、WiMAX和UMTS。也就是說，這三個網(wǎng)絡(luò)的歸屬用戶在進入到各自的VN時，必須由RMS中的AAA服務(wù)器和SLA來進行鑒權(quán)操作，而不是由VN中的本地AAA服務(wù)器來完成。三個網(wǎng)絡(luò)的本地AAA服務(wù)器只對自己的歸屬用戶進行鑒權(quán)操作(通過核對數(shù)據(jù)庫中有無用戶信息來識別)。這種鑒權(quán)機制非常適合多個網(wǎng)絡(luò)互連時，網(wǎng)絡(luò)之間無須單獨建立互信機制，而是通過與RMS建立互信機制，達到網(wǎng)絡(luò)間互信的目的。圖3是兩種互信機制的比較?？梢钥闯銮罢咝枰猲(n-1)/2個互信機制，而后者只需要n個互信機制。其中，n為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量。由此可見，后者大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

在該系統(tǒng)模型中，移動臺網(wǎng)卡一直處于接收狀態(tài)，并且可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號強度自行選擇網(wǎng)絡(luò)。移動臺在其中的一個網(wǎng)絡(luò)中時，只能接收到該網(wǎng)絡(luò)的信號;當(dāng)移動臺進入到兩個網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)域時，它同時也可以接收到另一個網(wǎng)絡(luò)的信號。此時，移動臺向另一個網(wǎng)絡(luò)的用戶發(fā)起多媒體會話請求，VoIP (voice over IP)。在建立VoIP會話之前，移動臺必須先向該網(wǎng)絡(luò)進行注冊和鑒權(quán)。

3 移動臺的注冊和鑒權(quán)過程

本文對WLAN和WiMAX兩個網(wǎng)絡(luò)進行了考察。

當(dāng)移動臺MS_WLAN進入到WiMAX覆蓋范圍后，必須在WiMAX網(wǎng)絡(luò)注冊后才能發(fā)起VoIP呼叫。

圖4是移動臺MS_WLAN向WiMAX網(wǎng)絡(luò)申請注冊、鑒權(quán)的過程。

注冊和鑒權(quán)過程如下:

a)MS_WLAN接收到來自WiMAX網(wǎng)絡(luò)的信號后，發(fā)出壓縮后的register注冊和對QoS的最低要求。

b)WiMAX網(wǎng)絡(luò)收到register后，對其解壓，并馬上計算可用資源。如果能夠滿足，就返回一個壓縮了的407消息[11]，要求MS_WLAN提供HN_ID;否則，就返回一個不能滿足對方QoS的錯誤信息。

c)MS_WLAN收到壓縮后的407消息，對其解壓。在對封裝了HN_ID的register_AAA+HN_ID的消息進行壓縮后，向WiMAX網(wǎng)絡(luò)發(fā)出。

d)WiMAX網(wǎng)絡(luò)收到MS_WLAN發(fā)的register_AAA+HN_ID消息后，對其解壓，封裝上自己的VN_ID，壓縮后生成register_AAA+HN_ID+VN_ID，再通過Internet一起轉(zhuǎn)發(fā)給RMS系統(tǒng)進行鑒權(quán)和驗證。

e)RMS系統(tǒng)收到WiMAX網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的register_AAA+HN_ID+VN_ID消息，進行解壓，提取出HN_ID和VN_ID，在數(shù)據(jù)庫中查詢MS_WLAN的歸屬網(wǎng)絡(luò)是否與WiMAX網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立了互信機制。如有，返回一個200 OK消息，該消息被RMS的AAA服務(wù)器壓縮后通過Internet傳給WiMAX網(wǎng)絡(luò);否則，就返回一個鑒權(quán)失敗的消息。

f)WiMAX網(wǎng)絡(luò)的本地AAA服務(wù)器此時不對該消息進行任何處理，一直轉(zhuǎn)發(fā)到MS_WLAN。解壓后，MS_WLAN知道鑒權(quán)成功。

g)MS_WLAN順利地接入到WiMAX網(wǎng)絡(luò)。

為了使得移動臺和網(wǎng)絡(luò)中的AAA服務(wù)器可以完成SIP信令的壓縮和解壓，必須對移動臺和AAA服務(wù)器的協(xié)議棧進行適當(dāng)?shù)男薷摹D5(a)和(b)分別是修改后移動臺和AAA服務(wù)器的協(xié)議棧。

4 仿真和結(jié)果分析

傳輸時延與無線信道上注冊、鑒權(quán)的時間有著直接的關(guān)系，后者又與信令消息的大小、無線信道上的數(shù)據(jù)傳輸速率、信令消息在網(wǎng)絡(luò)中的RTT (round trip time)以及移動臺和網(wǎng)絡(luò)中AAA服務(wù)器的處理能力有關(guān)。由于信令消息的處理時間相對于信令消息的傳輸時間幾乎可以忽略不計，本文在仿真時不考慮SigComp壓縮和解壓的處理時間。

在對信令的壓縮處理上本文沿用了文獻[9]的方法，使用EPIC結(jié)合辭典的方法對信令消息進行壓縮。

由圖4可以看出，傳輸時延是由多個階段的信令傳輸時延的總和。總的來說，可以分為以下幾個階段:

a)MS_WLAN將壓縮后的信令消息通過空中接口發(fā)給WiMAX網(wǎng)絡(luò);

b)WiMAX網(wǎng)絡(luò)通過Internet將壓縮后的信令消息傳給RMS系統(tǒng);

c)RMS系統(tǒng)反饋的消息通過Internet到達WiMAX網(wǎng)絡(luò);

d)WiMAX網(wǎng)絡(luò)將消息發(fā)給MS_WLAN。

仿真是在NS2 (network simulator version 2)下進行的。本文定義了三種類型的節(jié)點，即MS_WLAN、VN (WiMAX)和RMS。仿真過程中，本文模擬了1~20個移動臺同時發(fā)起VoIP請求時的注冊鑒權(quán)場景，考察了不同網(wǎng)絡(luò)負荷對信令傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)開銷的影響。仿真所用參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

參數(shù)值參數(shù)值

WiMAX802.16eRMS內(nèi)部處理時間10 ms

WLAN802.11g最大SIP消息尺寸767 Byte

WiMAX_Internet帶寬2 MbpsVoIP請求數(shù)量1~20

WiMAX 調(diào)制方式OFDM64QAM仿真時間500 s

WiMAX air interface30 Mbps

在提出的框架中，本文對傳統(tǒng)的SIP和SigComp在傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)開銷等性能進行了比較。

通過圖6可看出，隨著VoIP數(shù)量的增加，信令消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延均隨之增加。但是，經(jīng)過壓縮的消息尺寸較小，在以存儲-轉(zhuǎn)發(fā)為轉(zhuǎn)發(fā)方式的Internet上傳輸效率要高得多。從傳輸時延上來看，經(jīng)過壓縮處理的傳輸時延比傳統(tǒng)的要提高20%左右。

從圖7可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中VoIP的數(shù)量到達9個之前，傳統(tǒng)的SIP消息在網(wǎng)絡(luò)中的開銷一直平穩(wěn)增長;達到9個之后，開銷突然增大。而壓縮后的SIP消息在網(wǎng)絡(luò)中的開銷在VoIP數(shù)量達到14個時才開始出現(xiàn)突然增大的情況，并且要平滑得多。從網(wǎng)絡(luò)開銷來看，壓縮后要比傳統(tǒng)的節(jié)省30%左右。

5 結(jié)束語

本文提出了一個由WLAN、 WiMAX和UMTS網(wǎng)絡(luò)組成的、基于信令壓縮的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)漫游框架，并對該框架下，移動臺在兩個網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)域向位于另一個網(wǎng)絡(luò)的移動臺發(fā)起VoIP業(yè)務(wù)的注冊、鑒權(quán)過程進行了分析研究。針對基于文本的SIP尺寸過大的缺陷，采取了SigComp壓縮機制對發(fā)起VoIP業(yè)務(wù)中產(chǎn)生的SIP信令消息進行了壓縮。仿真結(jié)果顯示，壓縮后的信令消息在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的傳輸時延和無線接口上的網(wǎng)絡(luò)開銷均比傳統(tǒng)的SIP要有不同程度的改善，傳輸時延縮短了20%、網(wǎng)絡(luò)開銷節(jié)省了30%。

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