P2PSIP系統(tǒng)子網(wǎng)間會話建立延遲的研究

田 輝， 莊 雷

(鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引 言

SIP(會話初始化協(xié)議)是基于信令的協(xié)議，它廣泛的用于多媒體會話的建立、修改和終止。傳統(tǒng)的SIP需要設(shè)置注冊服務(wù)器、代理服務(wù)器等中央服務(wù)器，完成用戶注冊、搜索定位和呼叫會話控制等功能，因而存在服務(wù)器的單點(diǎn)失效和性能瓶頸問題。P2PSIP系統(tǒng)繼承了P2P網(wǎng)絡(luò)的很多優(yōu)點(diǎn)，然而引入DHT就增加了用戶注冊和會話建立延遲，然而延遲是通訊系統(tǒng)比較敏感的。單層P2PSIP結(jié)構(gòu)[1-2]比較簡單，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較大時系統(tǒng)的性能會下降并且會話建立的延遲會隨之增大。分層 P2PSIP結(jié)構(gòu)考慮到了節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性和實(shí)際通訊量的分布，一定程度上解決了不同覆蓋網(wǎng)之間的連接和會話建立延遲的問題。但是分層P2PSIP結(jié)構(gòu)[3-4]沒有解決子網(wǎng)間會話建立延遲問題。

通過對IP網(wǎng)絡(luò)電話的延遲數(shù)據(jù)分析，分層P2PSIP網(wǎng)絡(luò)中上層覆蓋網(wǎng)中路由的每跳平均延遲時間大于子網(wǎng)內(nèi)部每跳平均延遲時間。子網(wǎng)間用戶會話建立的延遲很大一部分來源于上層覆蓋網(wǎng)中的路由延遲。(1)DHT算法[5]定位效率非常高，在一跳內(nèi)就可以完成對資源的定位。利用該算法的特性就可以最大限度的減少消息在上層覆蓋網(wǎng)路由跳數(shù)。超級節(jié)點(diǎn)(或者路由節(jié)點(diǎn))是根據(jù)其處理能力、帶寬和穩(wěn)定性從子網(wǎng)中選擇出來的，所以由這些節(jié)點(diǎn)組成的上層覆蓋網(wǎng)可以很好的適應(yīng)單跳DHT算法的要求。

1 相關(guān)工作

1.1 現(xiàn)有P2P-SIP系統(tǒng)分類

(1)單層P2PSIP系統(tǒng)

在這類方案中，底層覆蓋網(wǎng)采用基于分布式哈希表(DHT)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，所有的節(jié)點(diǎn)形成一個單一的網(wǎng)絡(luò)，使用同一種DHT算法。例如基于Chord協(xié)議的單層P2PSIP系統(tǒng)、Locality-Aware Peer-to-Peer SIP[2]等。底層覆蓋網(wǎng)采用Chord協(xié)議的單層P2PSIP系統(tǒng)如圖1所示。

這類方案充分利用了網(wǎng)絡(luò)高擴(kuò)展性、高可靠性和高健壯性的特點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)但是未考慮節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較大的情況下呼叫建立和用戶注冊的平均延遲會難以容忍。

(2)分層P2PSIP系統(tǒng)

圖1 單層P2PSIP結(jié)構(gòu)

這類方案把節(jié)點(diǎn)分成若干子網(wǎng)，每個子網(wǎng)選出一個節(jié)點(diǎn)，這些選出的節(jié)點(diǎn)組成上層網(wǎng)絡(luò)。上層網(wǎng)絡(luò)只使用一種全局的DHT算法。不同子網(wǎng)可以使用不同的DHT算法。例如：Transit-StubP2PSIP[3]、H-P2PSIP[4]。用戶節(jié)點(diǎn)分為超級節(jié)點(diǎn)(或者是Router)和普通節(jié)點(diǎn)。超級節(jié)點(diǎn)組成上層網(wǎng)，普通節(jié)點(diǎn)組成各個子網(wǎng)。上層網(wǎng)負(fù)責(zé)子網(wǎng)間會話建立，對于子網(wǎng)來說上層網(wǎng)相當(dāng)于路由器的功能。分層結(jié)構(gòu)的P2PSIP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分層P2PSIP結(jié)構(gòu)

每一個組織或者企業(yè)都可以有自己的覆蓋網(wǎng)。不同覆蓋網(wǎng)之間也有會話的請求，但是不同的覆蓋網(wǎng)使用不同的DHT算法就不能相互定位無法進(jìn)行通話。同時，如果系統(tǒng)有過多的用戶節(jié)點(diǎn)，會話建立和注冊的開銷就會難以忍受。考慮到人們經(jīng)常趨向于給處于同一地理區(qū)域內(nèi)的人打電話，那么就可以認(rèn)為大部分的通話在區(qū)域內(nèi)部發(fā)生。按照地理位置來劃分子網(wǎng)就可以減少會話建立和用戶注冊的延遲。所以分層的P2P-SIP系統(tǒng)可以一定程度上解決節(jié)點(diǎn)數(shù)量過大和節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性帶來的延遲和連通性問題。但是子網(wǎng)間會話建立延遲問題沒有得到解決。隨著子網(wǎng)數(shù)量的不斷增加和地區(qū)間合作交流的不斷增加，子網(wǎng)間用戶之間的會話延遲問題就會變的越來越突出。

1.2 單跳DHT算法((1)lookup)簡介

文獻(xiàn)[5]提出了單跳的DHT算法。與其它DHT算法不同的是，每個節(jié)點(diǎn)維護(hù)完全的成員信息，節(jié)點(diǎn)定位平均跳數(shù)為一跳。算法的適用于105到106節(jié)點(diǎn)規(guī)模大小的系統(tǒng)，并且假設(shè)成員關(guān)系的行為和Gnutella系統(tǒng)的成員關(guān)系行為相近。覆蓋網(wǎng)中每個節(jié)點(diǎn)分配一個隨機(jī)的M位的節(jié)點(diǎn)標(biāo)示符。通過對節(jié)點(diǎn)標(biāo)示符用2128取模使得標(biāo)示符有序的分布在標(biāo)示符環(huán)內(nèi)。在環(huán)中每個節(jié)點(diǎn)有一個前驅(qū)和后繼節(jié)點(diǎn)，并且周期性的向前驅(qū)和后繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送keep-alive消息。同時按照順時針分配一個位的關(guān)鍵字。位的標(biāo)示符環(huán)空間分為 個連續(xù)的片空間，并且每片的節(jié)點(diǎn)數(shù)相等。每片有一個片首，片首是該片空間的中間節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)。同時，每個片空間分為等大小的連續(xù)的標(biāo)示符空間，稱為組。每個組有一個組首。同樣它是組空間的中間位置后繼節(jié)點(diǎn)。

為了維護(hù)準(zhǔn)確的全路由信息，定義一個成員關(guān)系事件，例如節(jié)點(diǎn)加入和離開。這些事件必須在一定時間內(nèi)傳達(dá)到每一個節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)、組首和片首分別完成自己的工作來支持這樣的變化。單跳算法的缺點(diǎn)：①要求節(jié)點(diǎn)有良好的網(wǎng)絡(luò)帶寬；②覆蓋網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性影響節(jié)點(diǎn)定位的成功率，網(wǎng)絡(luò)資源的消耗；③擴(kuò)展性比較弱，節(jié)點(diǎn)數(shù)量的規(guī)模越大需要的消息量就越大。所以單跳算法對節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限制。其最大的優(yōu)點(diǎn)是定位速度快，一跳就可以完成定位工作。

1.3 關(guān)于(1)Lookup P2PSIP[6]系統(tǒng)

該系統(tǒng)把單跳算法應(yīng)用于P2PSIP系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用2層覆蓋網(wǎng)架構(gòu)，并且把系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)容量提高到了108。全局的關(guān)鍵字空間分為若干組，每一組分別選擇一個Leader。Leader的作用相當(dāng)于超級節(jié)點(diǎn)的功能，維護(hù)所在組的fingertable和上層覆蓋網(wǎng)的 finger table。每個普通節(jié)點(diǎn)維護(hù)所在組的所有節(jié)點(diǎn)的信息。該架構(gòu)的缺點(diǎn)：①沒有考慮節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性，用戶節(jié)點(diǎn)的處理能力，帶寬，存儲能力都有很大的不同。特別是片首和組首的選擇是根據(jù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)示符取模后在環(huán)中的位置來選擇的。當(dāng)片首或者組首不穩(wěn)定時整個系統(tǒng)性也會不穩(wěn)定。除了超級節(jié)點(diǎn)選擇根據(jù)節(jié)點(diǎn)能力外，其它部分是沒有選擇的。②沒有考慮網(wǎng)絡(luò)電話節(jié)點(diǎn)關(guān)系變化，單跳的前提是Gnutella相近的成員變化規(guī)律。表1是一份調(diào)查表。

表1 中國電話用戶本地通話時間分布

表1可以看出通話時間小于1分鐘的比例占到65.4%。雖然通話時間與在線時間沒有必然的因果關(guān)系，但是可以合理的認(rèn)為，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)變化頻率比較大。如果在子網(wǎng)中采用單跳的DHT算法會給系統(tǒng)帶來很大的開銷。

2 上層覆蓋網(wǎng)采用單跳DHT算法的分層P2PSIP系統(tǒng)

上層覆蓋網(wǎng)采用單跳DHT算法的分層P2PSIP系統(tǒng)，簡寫為H1-P2PSIP系統(tǒng)。分層P2PSIP系統(tǒng)上層覆蓋網(wǎng)與子網(wǎng)覆蓋網(wǎng)采用不同的協(xié)議。上層覆蓋網(wǎng)協(xié)議采用單跳DHT算法，子網(wǎng)覆蓋網(wǎng)協(xié)議采用多跳算法，如CAN，Chord，Pastry和Tapestry。超級節(jié)點(diǎn)同時運(yùn)行兩個協(xié)議，普通節(jié)點(diǎn)運(yùn)行本子網(wǎng)的協(xié)議。本方案的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 會話建立延遲分析

文獻(xiàn)[7]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明子網(wǎng)間會話建立的延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于子網(wǎng)內(nèi)部會話建立的延遲，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為15000時，子網(wǎng)間會話建立的延遲是子網(wǎng)內(nèi)部的4倍。通過對文獻(xiàn)[8]分析，不同子網(wǎng)間每跳的平均延遲大約是子網(wǎng)內(nèi)部的2倍，可以看出子網(wǎng)間會話建立時在上層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)路由部分是消耗的時間是比較大的。

圖3 H1-P2PSIP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先計(jì)算子網(wǎng)內(nèi)部資源定位的平均延遲和跳數(shù)。子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為i，若子網(wǎng)協(xié)議采用Chord算法，子網(wǎng)內(nèi)會話建立平均跳數(shù)為logi，那么會話建立的平均延遲為0.5 logi。

(1)H1-P2PSIP系統(tǒng)子網(wǎng)間會話建立延遲分析，以子網(wǎng)協(xié)議使用Chord算法為例：

會話建立的平均跳數(shù)

會話建立的平均延遲

(2)一般分層P2PSIP系統(tǒng)子網(wǎng)間會話建立延遲分析，以子網(wǎng)和上層覆蓋網(wǎng)都使用Chord算法為例：

子網(wǎng)與子網(wǎng)用戶會話建立的平均跳數(shù)

設(shè)定t為區(qū)域間會話建立的平均延遲

2.2 單跳DHT算法在上層覆蓋網(wǎng)中應(yīng)用的可行性分析

2.2.1 消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬分析

多跳DHT算法如CAN，Chord，Pastry和Tapestry，這些算法可以使用戶節(jié)點(diǎn)經(jīng)過有限跳數(shù)內(nèi)定位存儲在系統(tǒng)中的對象。多跳DHT算法力求每個節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個小的路由片段(典型的如(log))。因?yàn)槲覀冾A(yù)判系統(tǒng)的成員關(guān)系變化的非常頻繁。所以存儲一個小的片段就會使得成員關(guān)系變化時系統(tǒng)的維護(hù)代價較小。

多跳DHT算法在節(jié)點(diǎn)規(guī)模不大的系統(tǒng)中能很好的工作，可用于分層的P2PSIP系統(tǒng)的子層。每個節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個路由片段，對節(jié)點(diǎn)性能要求比較低，節(jié)點(diǎn)變化只影響部分路由。子網(wǎng)所消耗的帶寬是比較小的，這樣的系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟。本文主要針對上層覆蓋物進(jìn)行研究。

上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是從子層中根據(jù)節(jié)點(diǎn)的處理能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬和穩(wěn)定性選擇出來的，可以充分利用超級節(jié)點(diǎn)的這些特點(diǎn)。而超級節(jié)點(diǎn)高處理能力、大的網(wǎng)絡(luò)帶寬和相對穩(wěn)定的狀態(tài)都比較適用于單跳DHT算法。

在分析單跳DHT算法的開銷定義了一些參數(shù)：

(1)系統(tǒng)中超級節(jié)點(diǎn)數(shù)(子網(wǎng)的數(shù)量)

(2)超級節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)關(guān)系變化率(超級節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性)

(3)上層網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符環(huán)分片數(shù)

(4)每個固定時間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送keep-alive消息個數(shù)

(5)slicerev片首收集節(jié)點(diǎn)發(fā)出的事件通知時間間隔

(6)消息位數(shù)(bit)

上層覆蓋需要的帶寬為[5]

綜上所述，節(jié)點(diǎn)越穩(wěn)定系統(tǒng)需要的帶寬越少。當(dāng)超級節(jié)點(diǎn)的性能達(dá)到該算法的要求時，上層覆蓋物能夠良好的運(yùn)行。

2.2.2 超級節(jié)點(diǎn)分析

可行性的關(guān)鍵在于超級節(jié)點(diǎn)是否能夠滿足單跳 DHT算法的要求，超級節(jié)點(diǎn)的性能直接影響上層網(wǎng)絡(luò)的性能。

(1)超級節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性

單跳 DHT算法前提是節(jié)點(diǎn)關(guān)系變化規(guī)律接近 Gnutella，那么從子網(wǎng)中選擇保持在線狀態(tài)時間不小于Gnutella節(jié)點(diǎn)在線狀態(tài)時間的平均值的節(jié)點(diǎn)作為超級節(jié)點(diǎn)的候選節(jié)點(diǎn)，并且擇優(yōu)選取以取得更好的穩(wěn)定性降低維持系統(tǒng)的開銷。如果網(wǎng)絡(luò)帶寬有限制的話可以根據(jù)(1)式來限定 的大小即超級節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，從而得出選擇條件。

(2)超級節(jié)點(diǎn)的存儲能力

每個節(jié)點(diǎn)的覆蓋網(wǎng)路由信息包括：32位的IP地址、160位的數(shù)據(jù)對象關(guān)鍵字，所在子網(wǎng)的fingertable的大小為SMB，這個數(shù)值比較小。設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為，需要的存儲空間=24B+MB。例如=10241024時消耗存儲空間為(24+)MB。選擇超級節(jié)點(diǎn)時存儲能力不小于，而這個標(biāo)準(zhǔn)很容易滿足。

(3)超級節(jié)點(diǎn)數(shù)量

子網(wǎng)根據(jù)實(shí)際位置信息來劃分，每一個子網(wǎng)選出一個超級節(jié)點(diǎn)。那么超級節(jié)點(diǎn)數(shù)是和實(shí)際應(yīng)用中參與到系統(tǒng)的區(qū)域數(shù)量相關(guān)的。區(qū)域數(shù)量由區(qū)域劃分方案決定，文獻(xiàn)[3]中提出了幾種區(qū)域劃分的方案。按照實(shí)際情況，105到106數(shù)量的子網(wǎng)數(shù)足夠使用，超級節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不會超出單跳DHT算法可以容忍的數(shù)量。

由上述分析，超級節(jié)點(diǎn)具有高處理能力、大的網(wǎng)絡(luò)帶寬和相對穩(wěn)定的狀態(tài)，并且單跳DHT算法得對節(jié)點(diǎn)的性能要求比較高和忽視節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性。上層覆蓋網(wǎng)采用和子網(wǎng)覆蓋網(wǎng)采用不同的并且是特殊的 DHT算法以降低會話建立的平均跳數(shù)和平均延遲。隨著硬件飛速的發(fā)展和地區(qū)間通信量的日益增加，本方案通過犧牲適當(dāng)?shù)膸捄痛鎯δ芰Φ拇鷥r來提高網(wǎng)絡(luò)電話的性能是可取的。

3 會話建立延遲實(shí)例分析

用戶A和B分別在域名為p2p1.com和p2p2.com的子網(wǎng)中。A現(xiàn)在要求與B建立一個會話，會話建立的步驟為：

(1)A發(fā)出INVITE消息，自己所在子網(wǎng)提出用戶定位的請求。節(jié)點(diǎn)在自己所在子網(wǎng)的 DHT中查詢上層覆蓋網(wǎng)的入口節(jié)點(diǎn)。

(2)上層覆蓋網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到p2p1.com子網(wǎng)發(fā)來的定位請求后查詢自己的finger table直接找到負(fù)責(zé)存儲被呼叫方所在子網(wǎng)的入口節(jié)點(diǎn)地址的節(jié)點(diǎn)。

(3)B所在子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到上層覆蓋網(wǎng)的定位請求后，定位為到B。A得到了B的實(shí)際IP地址。

(4)最后的會話建立過程和P2P覆蓋網(wǎng)無關(guān)，按照SIP協(xié)議的建立流程建立起點(diǎn)對點(diǎn)的會話連接。

第1、2、3步為用戶定位的部分。我們研究的延遲問題主要來源于用戶定位的延遲。第2步和其它分層的 P2PSIP系統(tǒng)不同。

設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)為108，劃分為100個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為106。子網(wǎng)內(nèi)部邏輯的每跳路由平均時間消耗1設(shè)定為50ms，上層覆蓋網(wǎng)邏輯每跳路由平均時間消耗設(shè)定為21也就是100ms。并且子網(wǎng)采用Chord協(xié)議。

采用本方案的會話建立延遲為0.52450+100=850ms，其它分層 P2PSIP系統(tǒng)需要消耗的時間為1150ms。由此可以看出本文提出的H1-P2PSIP系統(tǒng)能夠減少會話建立的延遲。如果上層覆蓋網(wǎng)的規(guī)模擴(kuò)大到105，也就是說子網(wǎng)劃分為105個上層覆蓋網(wǎng)消耗的帶寬大約為25kbps。然而這個規(guī)模的子網(wǎng)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際應(yīng)用能夠到達(dá)的規(guī)模，消耗的帶寬仍然是可以接受的。

通過實(shí)例分析表明，在消耗的帶寬在合理的范圍內(nèi)的情況下本文所提出的方案可以減低用戶會話建立的延遲，對系統(tǒng)服務(wù)性能的提高時很有意義的。

4 結(jié)束語

隨著地區(qū)間交流合作的日益緊密，區(qū)域間電話量和用戶會不斷的增加。區(qū)域間會話建立的高延遲問題需要得到解決。本文通過研究單跳DHT算法，結(jié)合分層P2PSIP系統(tǒng)中超級節(jié)點(diǎn)高帶寬和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，把單跳DHT算法引入上層覆蓋網(wǎng)協(xié)議。提出了H1-P2PSIP系統(tǒng)并且分析了該方案的可行性和系統(tǒng)中超級節(jié)點(diǎn)所需的性能。通過分析得出該方案在付出可以接受的代價情況下可以降低區(qū)域間會話建立的延遲。

[1]Singh K,Schulzrinne H.Peer-to-peer internet telephony using SIP[C].Proceedings of the International Workshop on Network and Operating Systems Support for Digital Audio and Video.New York:ACM,2005:63-68.

[2]Li Lichun,Ji Yang,Ma Tao,et al.Locality-aware peer-to-peer SIP[J].Parallel and Distributed Systems,14th IEEE International Conference,2008:295-302.

[3]Li Lichun,Shi Juwei,Lin Wenjie,et al.Transit-stub architecture for peer-to-peer SIP[J].Software Engineering and Advanced Applications,2007:175-184.

[4]Shi Juwei,Wang Yao,Gu Lanzhi,et al.A hierarchical peer-to-peer SIP system for heterogeneous overlays interworking[C].Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference,2007:93-97.

[5]Anjali Gupta,Barbara Liskov,Rodrigo Rodrigues.One hop lookups for peer-to-peer overlays[C].Proceedings of the 9th Conference on Hot Topics in Operating Systems,2003.

[6]Gu Lanzhi,Zhang Chunhong,Ji Yang,et al.An O(1)lookup and decentralized bootstrapping peer to peer SIP system[C].Proceedings of IEEE Consumer Communications and Networking Conference,2009:1-2.

[7]Zhang Chunhong,Shi Juwei,Li Lichun,et al.Signaling latency analysis of peer-to-peer SIP systems[C].Proceedings of IEEE Consumer Communications and Networking Conference,2008:505-509.

[8]Verizon business IP latency statistics[EB/OL].http://www.verizonbusiness.com/us/about/net work/latency,2010.