分布式IMS媒體會話控制技術研究

童 煒， 陳 松

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

IP多媒體子系統（IMS，IP Multimedia Subsystem）和對等端到對等端（P2P，Peer to Peer）技術目前都是最熱門的技術，但本身各自既有優勢又存在不同缺陷。IMS具有強大的業務控制能力，但采用傳統固定網中集中式的部署，其C/S架構容易出現“單點瓶頸”，可擴展性不好。而P2P技術提供網絡的健壯性、自適應性、可擴展性等優點，但缺乏可信、可控、可管的機制。

因此，為了加強通用IMS網絡的可擴展性和健壯性，需要將IMS強大的業務控制能力和P2P強大的業務承載能力進行結合，打造一個分布式的IMS網絡，既能實現媒體會話控制實體的負載均衡、即插即用特點，又可以提高媒體會話控制層面的健壯性。

1 功能實體的分布式考慮

IMS控制層面的主要功能實體，如 P-CSCF、S-CSCF、I-CSCF，均可以通過分布式哈希表（DHT,Distributed Hash Table，）方式進行邏輯功能的自組織、自協調，完成性能上的自動提升。在DHT的網絡架構下，當用戶發起的呼叫請求到達主叫方的服務會話控制實體（S-CSCF）后，主叫服務會話控制實體使用被叫的標識作為關鍵字，在分布式網絡中查詢，可以得到被叫服務會話控制實體的地址。但是考慮到用戶呼叫的實時性，對分布式查詢定位被叫的速度有極高的要求，這就需要進一步考慮對分布式查詢定位技術進行優化，這類問題可以考慮選擇適當的分布式網絡結構和算法，以及增加查詢緩存來解決。

在分布式的IMS控制層面，相同的功能實體構建了一個虛擬的集群實體，它們構成了一個邏輯上的環，如圖1所示的S-CSCF環，但是對外仍然表現為一個功能實體，只是在吞吐量和服務帶寬上相對單個功能實體進行了增強。

HSS是用于保存用戶數據的重要功能實體，是IMS結構中的中心數據庫，因此需要大容量的內存和處理能力很強的CPU以應付大量的數據查詢請求。如果一個大型網絡需要不止一臺HSS時，還需要增加SLF，SLF包含每臺HSS負責的用戶地址空間范圍，為用戶定位HSS。因此網絡越大，配置越復雜。因此也可以考慮將HSS分布在運行了DHT協議的多個節點上，通過DHT方式自動組織HSS邏輯環，由DHT算法完成用戶數據定位[1]，由自動復制機制完成數據備份存儲。

圖1 分布式IMS業務控制功能實體的邏輯示意

目前學術界研究的許多有關數據存儲的負載均衡算法[2]，主要有改進散列算法、調整節點ID的算法、移動資源的算法、基于虛擬節點的算法等，每種算法的算法思想也不近相同，改進散列算法的算法側重在DHT中采用散列函數生成標識會造成O(lgN)的不平衡因子，因此改進散列算法，使每個節點負責的地址空間為O(1/N)，從而提高均衡效果；調整節點ID的算法是允許節點通過改變其ID來保證其上存儲資源的均勻性；移動資源的算法通過將重載節點的負載轉移到輕載節點上實現負載均衡，但需要增加資源查詢的指針來進行資源的重定向；基于虛擬節點的算法又是通過多個虛擬ID的隨機性來減小節點標識帶來的負載不平衡因子，根據物理節點能力選擇不同個數的虛擬節點來解決節點異構性帶來的負載不平衡；針對熱點問題的常用解決辦法是通過對某一熱點資源在查詢路徑上的所有節點備份，分散了熱點資源的查詢負載來實現。

2 功能實體的即插即用實現方式考慮

業務控制實體的即插即用是指：當一個業務控制節點加入網絡時，新加入的業務控制節點與已有的業務控制節點之間應具備相互自動發現，邏輯關系自動調整，資源自動分配能力，從而實現業務控制邏輯網絡的自組織、可擴展能力。為了能夠實現上述想法，其技術途徑可以參考業界P2P SIP的研究成果，并且進行優化改造。

目前現有的 NGN/IMS框架下，業務控制實體沒有即插即用的能力，因此初步考慮可以在現有體系架構中引入“安全對等實體交互層”的服務功能，來完成媒體會話控制功能實體之間的相互發現，相互協調。具體的邏輯關系示意圖如圖2所示。

圖2 安全對等實體定位與發現功能

“安全對等實體交互層”主要包括“服務接口”、“Overlay拓撲管理”、“Overlay路由查詢及轉發”等功能模塊。

其中“Overlay拓撲管理”模塊完成對等實體之間的相互發現，相互協調資源，其中需要進行一些算法研究，具體包括如下方面：

1）加入機制，包括加入方法和消息的內容。

2）維護機制，包括更新消息的內容，拓撲探測和保活的頻率，容錯機制。

3）退出機制，包括離開的類型和離開消息的內容。

4）資源和對等點標識的長度，對于DHT就是采用的散列算法。

5）對等點消息路由機制。

6）保證數據冗余備份的機制。

“Overlay路由查詢及轉發”模塊主要完成為DHT上的各節點進行消息的正確路由及轉發，保存Overlay的拓撲圖和路由表。

“服務接口”模塊主要提供上層業務的調用接口。

3 功能實體的負載均衡實現方式考慮

分布式 IMS業務控制實體的負載均衡技術是指：在多個業務控制節點以集群方式工作時，通過業務控制節點之間的交互協作，能將負載較為均衡的分布在多個共同參與服務的節點上，或者能夠按照節點的性能來進行負載的協調，以提高資源的利用能力。

IMS電信網絡單個域的用戶容量需求巨大，特別是要能夠并發處理許多呼叫連接，這樣對媒體交互控制系統的處理能力的要求就顯得特別高，如果能夠采用負載分攤的方式會使系統運行的效率更高、處理容量能顯著擴展，能夠有效提升整個網絡的性能。

當業務控制實體形成一個虛擬的邏輯環，以上述所述的集群工作方式服務時，如果要實現邏輯環上節點的負載均衡，首先要了解邏輯環上的各個節點當前的負荷狀況，這可以考慮在邏輯環的維護消息中增加各個節點負荷狀況的通告來解決。

其次，在了解各個節點的負荷狀況后，還需要考慮任務怎樣分攤，其常用的算法有靜態負載均衡，比如輪詢，還有動態負載均衡，是在靜態的基礎上增加反饋，這是目前的主流方式，通過一種反饋機制來動態的修改負載均衡器針對每個服務器的權值向量。同時由于SIP協議是一種有狀態的協議，屬于同一個會話的事件應該被路由到同一個應用服務器節點上，因此在分配的過程中要保持一個完整的呼叫流程不被分割[3]。

最后還需要在邏輯環中選擇“分攤調度者（平衡器）”，可以通過動態選舉的方式或者靜態指定，如果采用動態選舉的話就要考慮設計出一個選舉算法來完成。“分攤調度者”可以被認為是每個SIP/Diameter呼叫連接消息層次上的作業調度系統，大多數負載平衡器能夠在網絡的相應層次上實現單一系統映像，整個媒體呼叫處理集群能夠體現為一個單一的IP地址被用戶訪問，而具體服務的節點對用戶而言是透明的。

4 結語

綜上所述，針對P2P與IMS結合的核心網絡控制架構的研究，應該是在IMS的核心網絡架構基礎上，與P2P技術進行有效的融合，并盡量降低相互之間的影響，以便減少對相關設備的影響。文中基于上述原則，提出了一種基于 IMS網絡和 P2P技術[3-6]結合下的分布式IMS媒體會話控制方式，并針對媒體會話控制實體的分布式設計、媒體會話控制實體的即插即用實現方式、以及媒體會話控制實體的負載均衡實現方式等方面都提出了一些解決思路，以達到完善和改進目前通用的IMS網絡的目的。

[1]王菁，薛海強，彭晉，等.一種新型的分布式 IMS實現方法[J].電信科學 2008,2(02):33-34.

[2]張春紅，裘曉峰，弭偉，等.P2P技術全面解析[M].北京：人民郵電出版社,2010.

[3]廖小成，龍昭華，楊令.基于P2P重疊網的VoIP系統實現[J].通信技術,2007,40(11):208-210,219.

[4]聶榮,余建國,呂英華.國內對P2P網絡的相關研究[J].通信技術,2008,41(07):130-132.

[5]張生花.基于 P2P資源搜索算法的改進[J].信息安全與通信保密,2007(06):81-82,85.

[6]孫昱,管海兵.P2P網絡信任模型研究綜述[J].信息安全與通信保密,2008(04):37-38.