分布式IMS媒体会话控制技术研究

童 炜， 陈 松

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

IP多媒体子系统（IMS，IP Multimedia Subsystem）和对等端到对等端（P2P，Peer to Peer）技术目前都是最热门的技术，但本身各自既有优势又存在不同缺陷。IMS具有强大的业务控制能力，但采用传统固定网中集中式的部署，其C/S架构容易出现“单点瓶颈”，可扩展性不好。而P2P技术提供网络的健壮性、自适应性、可扩展性等优点，但缺乏可信、可控、可管的机制。

因此，为了加强通用IMS网络的可扩展性和健壮性，需要将IMS强大的业务控制能力和P2P强大的业务承载能力进行结合，打造一个分布式的IMS网络，既能实现媒体会话控制实体的负载均衡、即插即用特点，又可以提高媒体会话控制层面的健壮性。

1 功能实体的分布式考虑

IMS控制层面的主要功能实体，如 P-CSCF、S-CSCF、I-CSCF，均可以通过分布式哈希表（DHT,Distributed Hash Table，）方式进行逻辑功能的自组织、自协调，完成性能上的自动提升。在DHT的网络架构下，当用户发起的呼叫请求到达主叫方的服务会话控制实体（S-CSCF）后，主叫服务会话控制实体使用被叫的标识作为关键字，在分布式网络中查询，可以得到被叫服务会话控制实体的地址。但是考虑到用户呼叫的实时性，对分布式查询定位被叫的速度有极高的要求，这就需要进一步考虑对分布式查询定位技术进行优化，这类问题可以考虑选择适当的分布式网络结构和算法，以及增加查询缓存来解决。

在分布式的IMS控制层面，相同的功能实体构建了一个虚拟的集群实体，它们构成了一个逻辑上的环，如图1所示的S-CSCF环，但是对外仍然表现为一个功能实体，只是在吞吐量和服务带宽上相对单个功能实体进行了增强。

HSS是用于保存用户数据的重要功能实体，是IMS结构中的中心数据库，因此需要大容量的内存和处理能力很强的CPU以应付大量的数据查询请求。如果一个大型网络需要不止一台HSS时，还需要增加SLF，SLF包含每台HSS负责的用户地址空间范围，为用户定位HSS。因此网络越大，配置越复杂。因此也可以考虑将HSS分布在运行了DHT协议的多个节点上，通过DHT方式自动组织HSS逻辑环，由DHT算法完成用户数据定位[1]，由自动复制机制完成数据备份存储。

图1 分布式IMS业务控制功能实体的逻辑示意

目前学术界研究的许多有关数据存储的负载均衡算法[2]，主要有改进散列算法、调整节点ID的算法、移动资源的算法、基于虚拟节点的算法等，每种算法的算法思想也不近相同，改进散列算法的算法侧重在DHT中采用散列函数生成标识会造成O(lgN)的不平衡因子，因此改进散列算法，使每个节点负责的地址空间为O(1/N)，从而提高均衡效果；调整节点ID的算法是允许节点通过改变其ID来保证其上存储资源的均匀性；移动资源的算法通过将重载节点的负载转移到轻载节点上实现负载均衡，但需要增加资源查询的指针来进行资源的重定向；基于虚拟节点的算法又是通过多个虚拟ID的随机性来减小节点标识带来的负载不平衡因子，根据物理节点能力选择不同个数的虚拟节点来解决节点异构性带来的负载不平衡；针对热点问题的常用解决办法是通过对某一热点资源在查询路径上的所有节点备份，分散了热点资源的查询负载来实现。

2 功能实体的即插即用实现方式考虑

业务控制实体的即插即用是指：当一个业务控制节点加入网络时，新加入的业务控制节点与已有的业务控制节点之间应具备相互自动发现，逻辑关系自动调整，资源自动分配能力，从而实现业务控制逻辑网络的自组织、可扩展能力。为了能够实现上述想法，其技术途径可以参考业界P2P SIP的研究成果，并且进行优化改造。

目前现有的 NGN/IMS框架下，业务控制实体没有即插即用的能力，因此初步考虑可以在现有体系架构中引入“安全对等实体交互层”的服务功能，来完成媒体会话控制功能实体之间的相互发现，相互协调。具体的逻辑关系示意图如图2所示。

图2 安全对等实体定位与发现功能

“安全对等实体交互层”主要包括“服务接口”、“Overlay拓扑管理”、“Overlay路由查询及转发”等功能模块。

其中“Overlay拓扑管理”模块完成对等实体之间的相互发现，相互协调资源，其中需要进行一些算法研究，具体包括如下方面：

1）加入机制，包括加入方法和消息的内容。

2）维护机制，包括更新消息的内容，拓扑探测和保活的频率，容错机制。

3）退出机制，包括离开的类型和离开消息的内容。

4）资源和对等点标识的长度，对于DHT就是采用的散列算法。

5）对等点消息路由机制。

6）保证数据冗余备份的机制。

“Overlay路由查询及转发”模块主要完成为DHT上的各节点进行消息的正确路由及转发，保存Overlay的拓扑图和路由表。

“服务接口”模块主要提供上层业务的调用接口。

3 功能实体的负载均衡实现方式考虑

分布式 IMS业务控制实体的负载均衡技术是指：在多个业务控制节点以集群方式工作时，通过业务控制节点之间的交互协作，能将负载较为均衡的分布在多个共同参与服务的节点上，或者能够按照节点的性能来进行负载的协调，以提高资源的利用能力。

IMS电信网络单个域的用户容量需求巨大，特别是要能够并发处理许多呼叫连接，这样对媒体交互控制系统的处理能力的要求就显得特别高，如果能够采用负载分摊的方式会使系统运行的效率更高、处理容量能显著扩展，能够有效提升整个网络的性能。

当业务控制实体形成一个虚拟的逻辑环，以上述所述的集群工作方式服务时，如果要实现逻辑环上节点的负载均衡，首先要了解逻辑环上的各个节点当前的负荷状况，这可以考虑在逻辑环的维护消息中增加各个节点负荷状况的通告来解决。

其次，在了解各个节点的负荷状况后，还需要考虑任务怎样分摊，其常用的算法有静态负载均衡，比如轮询，还有动态负载均衡，是在静态的基础上增加反馈，这是目前的主流方式，通过一种反馈机制来动态的修改负载均衡器针对每个服务器的权值向量。同时由于SIP协议是一种有状态的协议，属于同一个会话的事件应该被路由到同一个应用服务器节点上，因此在分配的过程中要保持一个完整的呼叫流程不被分割[3]。

最后还需要在逻辑环中选择“分摊调度者（平衡器）”，可以通过动态选举的方式或者静态指定，如果采用动态选举的话就要考虑设计出一个选举算法来完成。“分摊调度者”可以被认为是每个SIP/Diameter呼叫连接消息层次上的作业调度系统，大多数负载平衡器能够在网络的相应层次上实现单一系统映像，整个媒体呼叫处理集群能够体现为一个单一的IP地址被用户访问，而具体服务的节点对用户而言是透明的。

4 结语

综上所述，针对P2P与IMS结合的核心网络控制架构的研究，应该是在IMS的核心网络架构基础上，与P2P技术进行有效的融合，并尽量降低相互之间的影响，以便减少对相关设备的影响。文中基于上述原则，提出了一种基于 IMS网络和 P2P技术[3-6]结合下的分布式IMS媒体会话控制方式，并针对媒体会话控制实体的分布式设计、媒体会话控制实体的即插即用实现方式、以及媒体会话控制实体的负载均衡实现方式等方面都提出了一些解决思路，以达到完善和改进目前通用的IMS网络的目的。

[1]王菁，薛海强，彭晋，等.一种新型的分布式 IMS实现方法[J].电信科学 2008,2(02):33-34.

[2]张春红，裘晓峰，弭伟，等.P2P技术全面解析[M].北京：人民邮电出版社,2010.

[3]廖小成，龙昭华，杨令.基于P2P重叠网的VoIP系统实现[J].通信技术,2007,40(11):208-210,219.

[4]聂荣,余建国,吕英华.国内对P2P网络的相关研究[J].通信技术,2008,41(07):130-132.

[5]张生花.基于 P2P资源搜索算法的改进[J].信息安全与通信保密,2007(06):81-82,85.

[6]孙昱,管海兵.P2P网络信任模型研究综述[J].信息安全与通信保密,2008(04):37-38.