一種艦載業務觸發架構的改進*

籍禮文　于中華　楊大生

(武漢船舶通信研究所　武漢　430079)

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一種艦載業務觸發架構的改進*

籍禮文于中華楊大生

(武漢船舶通信研究所武漢430079)

摘要艦載IMS(IPMultimedia Subsystem)系統靜態的業務觸發模式,使得S-CSCF(Serving Call Session Control Function)盲目地機械地匹配業務觸發規則,信令在S-CSCF和AS(Application Server)之間多次轉發。作為IMS的核心所在,S-CSCF除了負責處理注冊過程,維持會話狀態以及存儲業務配置以外,還要進行路由判斷。過多不必要的信令在往返轉發中,大大增加了S-CSCF的負載壓力,延長了會話建立時延。論文結合艦船環境的實際情況,提出了一種適合艦載業務的NSTA(New Service Triggering Architecture)優化方案,而且通過排隊論理論對兩種觸發機制進行了仿真分析對比,結果證明NSTA能夠有效地分擔S-CSCF的壓力,減少信令冗余,很好地優化了業務觸發性能。

關鍵詞業務觸發規則; 路由判斷; 信令冗余; 業務觸發性能

Promotion of Shipped Architecture on Service Triggering

JI LiwenYU ZhonghuaYANG Dasheng

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan430079)

AbstractThe static service triggering mode of shipped IMS system made S-CSCF match triggering criteria blindly and mechanically, and made signaling be forwarded frequently between S-CSCF and AS. As the core of IMS, S-CSCF was not only in charge of processing the registration, maintaining session state, storing service configuration, but also had to judge the routing path. Thus too much unnecessary signaling heavily strengthened the burden of S-CSCF as frequently routing back and forth, prolonging the time of creating session. In this paper, a better promotion named NSTA was put forward combining the shipped realities. Morever, an simulation analysis was made for comparing the old and the new triggering mechanism with queuing theory, which demonstrated that NSTA can share the pressure of S-CSCF effectively, reduce the signaling redundancy, and well optimize service triggering performance.

Key Wordsservice triggering criteria, routing path judgement, signaling redundancy, service triggering performance

Class NumberTP393

1引言

移動通信網的演進加速了艦載IMS系統[1~2]的發展。IMS作為一個基于標準的IP通道和業務控制體系的全球性系統,可以提供豐富的多媒體業務。它的頗多優點迎合了艦船通信的需求,同時它的業務服務質量也決定著艦船通信的瓶頸。IMS業務觸發是由S-CSCF按照一定的觸發規則逐個匹配轉發至各個AS,從而完成一個已注冊用戶發起的業務流程[3]。目前艦載IMS業務觸發架構[4]的靈活性和可擴展性是建立在系統性能的犧牲上的,它的靜態鏈觸發模式導致S-CSCF與AS之間過于頻繁的交互信令,加重了S-CSCF的負載,同時也大大延長了多媒體會話建立的時延,令艦船用戶不能夠真正體驗到IMS系統的優越性。因此,艦載IMS業務觸發機制的優化勢在必行,而目前這方面的研究較少,更多地是停留在局部的觸發數據[5]和觸發算法[6~8]的研究上。

針對現有艦載IMS業務觸發機制中存在的瓶頸,本文提出了一種較為全面的優化方案NSTA以平衡S-CSCF的負載,削減不必要的信令,并較為系統地介紹了其觸發結構和觸發流程,而且用排隊論模型[9]對新舊兩種觸發機制進行了仿真分析,新的觸發方案確實大大平衡了S-CSCF的負載水平,盡可能不觸發不必要的信令,尤其在復雜繁多的艦載多媒體業務環境下,NSTA具有相對突出的優勢。

2現有艦載IMS業務觸發存在的問題

由于iFC是由HSS中配置的靜態數據,S-CSCF根據SIP消息的消息頭或消息體的內容是否匹配TP(Triggering Point)點來對SIP消息進行路由,同樣也只能根據SIP消息的基本路由機制(通過Via頭、Route頭等)對后續消息進行路由。不論AS是否關心或處理某些后續消息,所有的后續消息都被觸發給AS,每個AS都會處理很多冗余的消息,而且S-CSCF需要處理的消息數也會線性增加,過重的負載,使S-CSCF成為整個STA(Service Triggering Application)的瓶頸,甚至出現卡死狀態。

此外,豐富的IMS多媒體業務需要更多的AS來維持業務運作,這樣可能很多AS的匹配條件相似,甚至是包含與被包含的關系,這需要我們在配置iFC時不斷的作一些修改,觸發具體業務的iFC越來越難以確定,很容易沖突。故而,新舊業務之間的邏輯沖突也是在布置業務時的隱患。艦載業務種類繁多,加入單獨的沖突檢測模塊是必須要考慮的問題。

多業務觸發優化也是現有IMS系統急需解決的難題。基于iFC的IMS業務觸發是比較單一機械的觸發模式,當業務服務器提供多個業務時,如果信令在S-CSCF和各AS之間往返轉發,勢必對整體性能造成很大影響,艦載業務服務器中各AS基本布置在同一個板卡上,若在依次觸發各AS的過程中可以跳過S-CSCF便可以將業務服務器的性能進一步的優化。

3新的業務觸發機制

3.1NSTA業務觸發結構

3GPP(3rd Generation Partnership Project)雖然定義了sFC(subsequent Filter Criteria),但并未給出sFC的具體實現方式。不同于iFC的靜態配置,sFC允許AS在會話建立、修改、終止等過程中根據需要動態定義相關的觸發規則,可以很好地彌補iFC鏈式觸發的不足之處。當收到業務觸發消息時,AS可根據自身的業務觸發需要來決定是否設置sFC,并把它通過sFC私有頭形式加入SIP消息轉發至S-CSCF。該sFC頭可涵蓋當前會話情形、AS的URI、后續響應碼和相應的觸發方式。當收到初始請求消息的響應或后續請求消息時,S-CSCF可根據sFC頭判定此消息是否觸發到相應的AS,這樣便大大增加了SIP路由機制的靈活性。

NSTA的結構是基于原來的框架改進的,新的結構除了融入了分布式的思想,還加入了上述sFC的算法。如圖1所示,在S-CSCF側加入了一個S-CSCF側的業務交互代理模塊[11~13]SCSCF-Proxy來分擔SCSCF業務交互的功能,同時在AS側內又加入了業務交互代理AS-Proxy模塊,結構圖如圖1所示。二者的加入一是為了平衡S-CSCF的負載,二是為了更好地處理多業務觸發問題,同時也可在SCSCF-Proxy處提供業務邏輯沖突檢測的功能。SCSCF-Proxy通過Cx接口從HSS獲取用戶的業務簽約信息,具體過程與S-CSCF從HSS獲取業務簽約信息相同,然后用業務沖突檢測算法對業務觸發規則進行邏輯沖突檢測。在處理多業務觸發時,SCSCF-Proxy通過SIP接口為AS-Proxy提供下一步轉發AS的地址,而AS-Proxy負責與SCSCF-Proxy交互,同時獲取下一步轉發地址后轉發呼叫請求。此外AS可以靈活地設置sFC過濾規則,以針對性地觸發后續消息。

圖1　NSTA的觸發結構

3.2NSTA業務觸發流程

假定要連續觸發AS1、AS2,則NSTA的觸發流程如下:

1) 當S-CSCF收到初始呼叫請求(INVITE)時,通過Sh接口從HSS獲取iFC,創建該用戶的業務過濾規則列表,然后解析請求消息,獲取SPT實例,按優先級由高到低的順序查找是否有與之匹配的初始過濾規則觸發點。若不匹配,直接轉發給被叫用戶;若匹配,則S-CSCF標記請求消息轉發至對應的AS,這里顯然要轉發至AS1。

2) AS1收到INVITE后,一邊根據SIP請求執行業務邏輯,并設置相應的后續過濾規則,一邊其代理模塊AS-Proxy復制該請求消息,將其發送至SCSCF-Proxy,等待SCSCF-Proxy告知下一步轉發地址,然后標記INVITE并加入AS1后續觸發規則的sFC頭轉發至下一跳AS2,以上兩個過程并行執行。

3) SCSCF-Proxy若是第一次收到INVITE請求,則通過Sh接口從HSS獲取iFC,并創建該用戶的業務過濾規則列表,否則直接從內存調用。然后SCSCF-Proxy解析SIP請求,檢查其中的SPT實例,根據S-CSCF的業務觸發算法,獲得執行下一步業務邏輯的AS2的地址(若沒有匹配上任何觸發規則,則通知AS-Proxy將INVITE轉發給S-CSCF)。

4) AS2收到INVITE后做和AS1同樣的操作,當收到SCSCF-Proxy的沒有再匹配上過濾規則的通知后,標記INVITE并加入AS2后續觸發規則的sFC頭轉發至S-CSCF。

5) S-CSCF收到AS2發送的INVITE后,將其路由至被叫用戶。當收到INVITE的響應或后續請求時,則檢查后續消息的SPT實例是否與sFC頭中后續觸發規則相匹配。若匹配,則按照后續觸發規則中指定的處理方式來處理;若不匹配,按SIP路由機制來轉發。直到會話建立完成為止。

4實驗仿真建模

呼叫建立時延是我們研究比較兩種方案性能的主要參數,它是會話建立過程中各個時延的疊加。本章主要考慮的是服務器節點造成的時延,并使用M/M/1排隊網絡模型對兩種業務觸發方案進行性能建模,兩種模型分別如圖2和圖3所示,S-CSCF處的呼叫到達率符合泊松分布。

圖2　現有方案的觸發算法性能分析模型

圖3　改進方案的觸發算法性能分析模型

由于AS的觸發是基于優先級的,不妨假定ASi的優先級高于ASj(0

1)γ表示來自P-CSCF的初始呼叫到達率,λs和μs分別表示S-CSCF的呼叫到達率和服務率;

2)γi、λi和μi分別代表ASi的初始呼叫到達率、呼叫到達率以及服務率;

3)ms和mi分別表一個呼叫過程中S-CSCF和ASi在會話建立期間處理的SIP消息數;

· 方案一:

為了方便比較,假設所有的呼叫依次被S-CSCF觸發到各個AS,業務觸發到ASi時,ASi執行相應的業務邏輯,然后轉發給S-CSCF,接著該SIP消息以qij的概率被S-CSCF觸發到下一個AS,以qi0的概率路由到被叫用戶。故而qij=1(僅當j=i+1時,其余為0)。由圖2可得:

(1)

(2)

S-CSCF和所有的應用服務器組成一個排隊網絡,根據排隊論和排隊網理論:

(3)

· 方案二:

同樣假定所有的呼叫依次被S-CSCF觸發到各個AS,但業務從觸發到ASi到觸發到下一個AS,中間并不經過AS,雖然在獲取下一個AS地址時與SCSCF-Proxy進行了交互,然而該過程和AS業務邏輯處理是并行的,所以該時耗可以忽略不計。如圖3所示,顯然式(1)和式(2)仍然滿足,只是參數值變化而已。S-CSCF和所有的應用服務器組成一個排隊網絡,根據排隊論和排隊網理論:

(4)

5仿真結果分析

這里假設S-CSCF和所有的AS具有相同的服務率μ,且文獻[14]中指出每條SIP消息的處理時間大約為10ms~100ms,不妨令μ=60ms。如果我們的SIP基本呼叫流程為:INVITE、180Ringing、200OK、ACK,則S-CSCF在每次呼叫流程中都要處理四條SIP消息。那么方案一中,ms=mi=4;而方案二中,由于使用了sFC算法(中間信令AS并不必關心,這里暫且只考慮正常的后續響應)和多業務觸發優化,此時對于S-CSCF來說,ms=4,m1=2,mi=1(i>1);而對于AS來說,ms=4,mi=2(i>=1)。式(3)和式(4)分別代入數據可得:

(5)

不妨取λ=1.2,μ=60ms,代入式(5),然后在Matlab上分別針對S-CSCF處理時延和整個過程觸發時延進行兩種方案的仿真比較,如圖4和圖5所示,分別為S-CSCF時延和觸發框架整體時延隨AS個數變化折線圖。

圖4　S-CSCF處理時延變化曲線

由圖4可看出,當n=0時,S-CSCF的時延僅為72ms左右,隨著AS個數n的不斷增大,S-CSCF時延都呈遞增趨勢,但基于iFC的舊有方案明顯增幅太快,n=8時,時延已達到2.2s左右,當n=10時,時延竟達到了6.1s;而改進后的方案增幅平緩很多,當n=10時,時延也只有0.3s左右。相比之下改進后的方案對S-CSCF處理時延的優化十分明顯。

圖5　會話建立整體時延變化曲線

由圖5可看出,隨著AS個數n的不斷增大,觸發框架整體時延也都呈遞增趨勢,但基于iFC的舊有方案仍然增長過快,n=5之后,折線已成暴增趨勢,當n=10時,時延已達到了6.8s,已經遠遠偏離了用戶可以容忍的時延指標;但改進后的方案增幅就比較平緩,當n=10時,時延也只有0.7s左右。相比之下改進后的方案對觸發框架整體時延的優化也相當明顯。

綜上所述,采用基于NSTA的觸發框架后,S-CSCF處理時延和整體時延大大減小了,服務器性能則得到了很好的優化。

6結語

IMS系統的諸多優點使得它可以很好地應用于艦載通信系統,然而它在業務觸發時延方面的瓶頸也隨著業務的增多而日益明顯。本文提出的業務觸發的改進方案在削減冗余信令和優化觸發性能方面有著不錯的效果,S-CSCF和AS處理的信令大大減少了,正如仿真所示,無論S-CSCF處理時延還是整體時延都大大減小了,再加上類似分布式的設計很好地分擔了S-CSCF的壓力,故而采用NSTA的方案極大地優化了服務器的性能,可以預想的是這將會更好地促進艦載通信系統的發展。

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中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.018

作者簡介:籍禮文,男,碩士研究生,研究方向:數字通信與通信網絡。于中華,男,碩士,工程師,研究方向:數字通信與通信網絡。楊大生,男,碩士,助理工程師,研究方向:網絡管理與網絡協議。

收稿日期:2015年9月17日,修回日期:2015年10月31日