軟交換網絡集中監測系統SIP監測方案

李 勇,雒江濤,2,黃 建

(1.重慶郵電大學通信網與測試技術重點試驗室,重慶400065;2.重慶中天重郵通信技術有限公司,重慶401121)

1 引 言

隨著近幾年中國通信業的快速發展,通信網絡運維中存在的網絡質量、服務質量等問題越來越突出,這為各測試設備廠商提供了新的機遇和挑戰。原有的網絡監測方法主要是通過測試儀表來實現,這種方法相對落后,一般在網絡出現故障后才使用,實現方式被動,接口單一,無法滿足運營商對網絡監測的需求。在這種情況下,一種能夠對全網運行狀況進行實時監測并預警,對故障進行定位分析的監測系統概念孕育而生。

以往的信令監測手段實時性及準確率低。采用的紅黑樹的CDR(Calling Detail Record)索引算法遍歷速度慢,執行效率低,訪問CDR造成硬盤讀寫次數過大,速度慢。監測系統要對數據進行實時采集、實時分析,好的信息索引方式對解決CDR合成效率問題至關重要。

為了提高合成效率,我們采用了哈希索引合成的方法,建立以KEY值為索引、CDRID為映射值的數據結構管理模式,解決以往索引效率低下等難題。

SIP作為軟交換網絡的關鍵協議,用于創建并控制雙方或多方參加的多媒體會話[1]。結合對SIP協議的分析,亦可采用這一高效的合成技術應用于SIP協議的監測中。

2 軟交換網絡監測系統架構設計

該系統以實時處理為核心,以分布采集、集中分析方式實現對網絡的網元及接口的綜合監測。由遠端的信令采集模塊提供實時的信令數據,用戶要對某種電信業務行為進行分析、統計時,會讀取相關的數據并進行信令處理,然后提供給用戶網絡性能及業務統計、計費核查數據、監測設備狀況和網絡優化分析等應用報告,監測網絡中的異常情況,自動彈出告警信息,有效地協助用戶完成故障的分析與定位,從而對網絡的優化和調整提供信息和依據[2]。

為了滿足系統集中分析的要求,信令監測平臺的架構可分為數據采集部分、信令處理管理模塊、信令處理模塊、基礎應用部分和存儲模塊等。信令監測平臺架構如圖1所示。

圖1 信令監測平臺架構圖Fig.1 The structure of signaling monitoring platform

數據采集模塊主要負責將網絡中的信令數據通過數據采集卡成功提取。

信令處理管理模塊內設數據采集服務端與遠端的采集設備交互,信令處理服務端等與相應處理進程交互。應用服務器是各設備命令交互中心,負責用戶權限管理,是所有客戶端訪問信令分析平臺的總接口。

信令處理模塊是整個信令處理部分,包括對采集到的數據進行協議解碼、CDR的合成及統計。

基礎應用部分基于數據庫存儲的信令數據,完成實時鏈路監測、告警監測、拓撲管理、網絡統計和業務分析、消息和CDR詳細記錄查詢等應用功能。

存儲模塊存儲信令處理后的工程信息及信令統計信息,并將數據表通過入庫系統導入數據庫,提供給上層應用平臺,用于上層處理。

3 SIP協議棧結構

SIP協議是由IETF于1999年提出的一種實時通信應用信令協議,其最終目標是為所有因特網成功的應用提供無所不在的接入,成為聯系因特網和電信、多媒體的媒介。SIP工作在應用層,與其它協議相互合作,例如:RTP(Real-time Transmit Protocol)用于傳輸實時數據并提供服務質量(QoS)反饋,RTSP(Real-Time Stream Protocol)用于控制實時媒體流的傳輸,SDP(Session Description Protocol)用于描述多媒體會話。SIP協議網絡層協議為IP,傳輸層協議為TCP或UDP。

SIP協議棧結構如圖2所示[3]。

圖2 SIP協議棧Fig.2 SIP stack

4 SIP監測模塊設計

本文根據相關測試規范的要求[4],創新性地提出了一種對SIP協議的監測設計方案,其實現的功能主要有協議解碼、CDR合成、性能統計等。

4.1 SIP解碼模塊

SIP是一個基于文本的分層協議,類似于HTTP,至頂向下依次為事務用戶層(TransactionUser)、事務層(Transaction)、傳輸層(Transport)以及語法和編碼層(Syntax and Encoding)[5]。SIP消息采用UTF-8字符集。根據SIP協議的消息格式,所有的SIP消息均由起始行、頭域部分和消息體(可選)組成。由于SIP消息格式層次性及靈活性,如復合行、縮略頭域標識、線性空白(Line White Space,LWS)等,因而采用正則表達式匹配解碼的手段可有效解析SIP消息內容。

4.2 SIP呼叫合成模塊

呼叫合成是指將屬于同一次呼叫及信令流程的消息關聯起來,并記錄與該呼叫流程相關的屬性信息。這里關鍵問題是如何解決在消息處理過程中同一個時刻可能存在成千上萬個未完成的呼叫,如何組織這些消息能很快找到其所屬的呼叫流程[6]。在設計中,為了完成快速查找的工作,對SIP消息來說,不同的呼叫均可以通過呼叫標識(Call-ID)和源、目的URI標簽來區分。考慮到消息的關聯我們采用哈希索引的方式,以Call-ID、ToTag、FromTag作為Hash索引的關鍵KEY值,并通過一定的散列算法,獲得一個唯一的散列值,從而完成對同一呼叫流程消息的合成。我們采用了CDRID為映射值的數據結構管理模式,對于每一個流程由CDRID唯一標識,從而完成對不同呼叫流程的索引。SIP呼叫合成設計流程如圖3所示。

圖3 SIP呼叫合成的總體流程Fig.3 The whole process of SIP CDR synthesis

對于每一條消息,分析的流程都是按照“重發檢查※有效性檢查※處理※記錄”的思路進行。

步驟1:當一條SIP數據消息到來,首先判斷消息類型,成功解碼后將協議分析時需要的數據存儲在SIPCallInfo這個結構體中;

步驟2:當進入協議分析模塊后,首先進行超時檢測,將根據SIPCallInfo傳送過來的關鍵信息建立該Hash索引的關鍵KEY值;

步驟3:然后通過該KEY值遍歷存儲SIP數據流CDR的哈希模板,在合成緩沖區中搜索相關關鍵字的節點是否存在;

步驟4:如果找到則執行步驟5,如果沒有找到,則說明該表中沒有相關的記錄,判斷如果是起始消息,則在Hash表中添加一個CDR節點,并為之指派唯一ID,修改新CDR屬性值并保存,否則返回;

步驟5:根據此KEY在SIP CDR緩存中搜索到當前消息屬于某條CDR,則根據消息類型(呼叫信息中),調用不同的消息處理函數進行處理;修改CDR屬性信息及SIP攜帶的SDP信息并保存消息ID,然后判斷該消息是否是CDR結束消息,若該消息包含結束指示,則從緩存區中移除KEY,然后結束合成,否則修改狀態指示并將CDR放回緩存。

在合成中要特別注意INVITE消息的處理。由于INVITE消息是一個事務的起始,它在一個呼叫中可能以多種身份出現,即一開始是呼叫發起,而后續收到的INVITE消息可能是鑒權、重定向,也可能是呼叫保持、修改會話,或者是重發。這些不同的后續流程涉及到CDR中不同的處理方式。所以必須要把這些不同流程區分開,而依據除了某個狀態特有的標志外,主要靠CSeq的序號以及INVITE事務結束的標志位,與INVITE事務配合使用的CANCEL、BYE等消息通過CSeq序號一致性相關聯。

在合成中記錄CDR開始、結束時間,主被叫號碼、計費類型、接通、應答、通話時長等信息的流程,通過這些信息就可以掌握每一條呼叫詳細記錄,從而提供給統計模塊進行不同維度的分析處理。

4.3 SIP統計模塊

SIP統計模塊的設計方案如圖4所示。在SIP合成模塊設置觀察者線程,分析不同消息類別的合成處理,從而設置調用不同的觀察者函數。在CDR結束標志標識的消息處,調用pSipCdrChange->On-CDREnd()函數,觸發SIP統計觀察模塊并將CDR相應屬性信息入隊列存入緩存,并通過統計處理模塊將CDR信息出隊列,以CDR結束時間為統計開始時間并設置統計粒度(時間),當前時刻超過統計結束時刻,就執行SIP呼叫控制KPI統計函數,并生成統計數據,通過入庫系統將數據供上層應用平臺分析。

該KPI信息中有呼叫信息的基本屬性(如主叫號碼等),還有接通時長、網絡接通次數、網絡呼損次數等。

圖4 SIP統計模塊的設計流程Fig.4The design flow chart of SIP statistics module

5 監測方案結果驗證

此監測技術已經應用到軟交換網絡信令監測系統中,圖5為軟交換網絡信令監測系統對現網數據的監測結果,這是一條詳細呼叫記錄的分析。該方案不同于信令監測儀表對數據的回放,它支持通過Web界面的在線流程圖查詢,并可查看多段關聯的信令流程。

圖5 SIP CDR合成Fig.5 SIP CDR synthesis

通過Hash算法對節點進行插入和刪除的操作,其時間復雜度的理論值最好為O(1),最差為O(n)。如果選取的表項(m)足夠多,且Hash函數足夠好的話,當 m≤n時,其時間復雜度為O(n/m);當 m>n/lg(n)時,Hash表的平均表現就比二叉樹要好;當m≥n時,其時間復雜度趨近于O(1),相對于紅黑樹有很大的提高。實測表明,采用Hash技術大大提高了合成的時效性和準確性。

在實際現網測試的時候會出現大量的“合成中”的CDR,這是由于采集到的數據不完整造成的,如果不及時終止合成,會造成系統資源的嚴重浪費。本方案在設計中加入了超時機制的判斷,實測中該問題得到了有效解決。

6 結束語

通過對軟交換網絡集中監測系統的架構及模塊分析,筆者提出了一種符合測試規范要求的SIP協議監測子模塊的設計方案。該方法的創新點在于:采用了一種新的合成算法,并且利用高效Hash索引有效解決了合成的難題;設計觀察者為統計模塊和多段關聯提供接口。該方案已通過測試,效果良好,對其它協議的監測具有良好的借鑒意義。但是由于系統對數據采集及實時分析的要求比較高,如何有效保證高的處理速率和準確率仍有待研究與解決。

[1]Schlzrinne H,Rosenberg J.The Session initiation protocol:Internet Centric signaling[J].IEEE Communications Magazine,2008(1):134-141.

[2]胡曉娟,周立巖.軟交換信令監測系統的研究[J].電信科學,2007,23(1):34-37.HU Xiao-juan,ZHOU Li-yan.Research on the Soft-switching Monitoring System[J].Telecommunications Science,2007,23(1):34-37.(in Chinese)

[3]司端鳳,韓心慧,龍勤.SIP標準中的核心技術與研究進展[J].軟件學報,2005,16(2):239-250.SI Duan-feng,HAN Xin-hui,LONG Qin.A Survey on the Core T echnique and Research Development in SIP Standard[J].Journal of Software,2005,16(2):239-250.(in Chinese)

[4]中國電信DC1軟交換信令監測系統項目測試功能規范書[S].The functional specification book of China T elecom DC1softswitch signaling monitoringsystem project testing[S].(in Chinese)

[5]Internet RFC 3428,Campbell B,Rosenberg J.Session initiation protocol(SIP)extension for the instant messaging[S].

[6]夏韃,雒江濤,張治中.TD-SCDMA測試儀中 Iub接口CDR的合成方案[J].重慶郵電大學學報(自然科學版),2007,19(1):35-38.XIA Da,LUO Jiang-tao,ZHANG Zhi-zhong.Scheme of CDR synthesis on Iub interface in TD-SCD MA network analyzer[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition),2007,19(1):35-38.(in Chinese)