一种舰载业务触发架构的改进*

籍礼文　于中华　杨大生

(武汉船舶通信研究所　武汉　430079)



一种舰载业务触发架构的改进*

籍礼文于中华杨大生

(武汉船舶通信研究所武汉430079)

摘要舰载IMS(IPMultimedia Subsystem)系统静态的业务触发模式,使得S-CSCF(Serving Call Session Control Function)盲目地机械地匹配业务触发规则,信令在S-CSCF和AS(Application Server)之间多次转发。作为IMS的核心所在,S-CSCF除了负责处理注册过程,维持会话状态以及存储业务配置以外,还要进行路由判断。过多不必要的信令在往返转发中,大大增加了S-CSCF的负载压力,延长了会话建立时延。论文结合舰船环境的实际情况,提出了一种适合舰载业务的NSTA(New Service Triggering Architecture)优化方案,而且通过排队论理论对两种触发机制进行了仿真分析对比,结果证明NSTA能够有效地分担S-CSCF的压力,减少信令冗余,很好地优化了业务触发性能。

关键词业务触发规则; 路由判断; 信令冗余; 业务触发性能

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

移动通信网的演进加速了舰载IMS系统[1~2]的发展。IMS作为一个基于标准的IP通道和业务控制体系的全球性系统,可以提供丰富的多媒体业务。它的颇多优点迎合了舰船通信的需求,同时它的业务服务质量也决定着舰船通信的瓶颈。IMS业务触发是由S-CSCF按照一定的触发规则逐个匹配转发至各个AS,从而完成一个已注册用户发起的业务流程[3]。目前舰载IMS业务触发架构[4]的灵活性和可扩展性是建立在系统性能的牺牲上的,它的静态链触发模式导致S-CSCF与AS之间过于频繁的交互信令,加重了S-CSCF的负载,同时也大大延长了多媒体会话建立的时延,令舰船用户不能够真正体验到IMS系统的优越性。因此,舰载IMS业务触发机制的优化势在必行,而目前这方面的研究较少,更多地是停留在局部的触发数据[5]和触发算法[6~8]的研究上。

针对现有舰载IMS业务触发机制中存在的瓶颈,本文提出了一种较为全面的优化方案NSTA以平衡S-CSCF的负载,削减不必要的信令,并较为系统地介绍了其触发结构和触发流程,而且用排队论模型[9]对新旧两种触发机制进行了仿真分析,新的触发方案确实大大平衡了S-CSCF的负载水平,尽可能不触发不必要的信令,尤其在复杂繁多的舰载多媒体业务环境下,NSTA具有相对突出的优势。

2现有舰载IMS业务触发存在的问题

由于iFC是由HSS中配置的静态数据,S-CSCF根据SIP消息的消息头或消息体的内容是否匹配TP(Triggering Point)点来对SIP消息进行路由,同样也只能根据SIP消息的基本路由机制(通过Via头、Route头等)对后续消息进行路由。不论AS是否关心或处理某些后续消息,所有的后续消息都被触发给AS,每个AS都会处理很多冗余的消息,而且S-CSCF需要处理的消息数也会线性增加,过重的负载,使S-CSCF成为整个STA(Service Triggering Application)的瓶颈,甚至出现卡死状态。

此外,丰富的IMS多媒体业务需要更多的AS来维持业务运作,这样可能很多AS的匹配条件相似,甚至是包含与被包含的关系,这需要我们在配置iFC时不断的作一些修改,触发具体业务的iFC越来越难以确定,很容易冲突。故而,新旧业务之间的逻辑冲突也是在布置业务时的隐患。舰载业务种类繁多,加入单独的冲突检测模块是必须要考虑的问题。

多业务触发优化也是现有IMS系统急需解决的难题。基于iFC的IMS业务触发是比较单一机械的触发模式,当业务服务器提供多个业务时,如果信令在S-CSCF和各AS之间往返转发,势必对整体性能造成很大影响,舰载业务服务器中各AS基本布置在同一个板卡上,若在依次触发各AS的过程中可以跳过S-CSCF便可以将业务服务器的性能进一步的优化。

3新的业务触发机制

3.1NSTA业务触发结构

3GPP(3rd Generation Partnership Project)虽然定义了sFC(subsequent Filter Criteria),但并未给出sFC的具体实现方式。不同于iFC的静态配置,sFC允许AS在会话建立、修改、终止等过程中根据需要动态定义相关的触发规则,可以很好地弥补iFC链式触发的不足之处。当收到业务触发消息时,AS可根据自身的业务触发需要来决定是否设置sFC,并把它通过sFC私有头形式加入SIP消息转发至S-CSCF。该sFC头可涵盖当前会话情形、AS的URI、后续响应码和相应的触发方式。当收到初始请求消息的响应或后续请求消息时,S-CSCF可根据sFC头判定此消息是否触发到相应的AS,这样便大大增加了SIP路由机制的灵活性。

NSTA的结构是基于原来的框架改进的,新的结构除了融入了分布式的思想,还加入了上述sFC的算法。如图1所示,在S-CSCF侧加入了一个S-CSCF侧的业务交互代理模块[11~13]SCSCF-Proxy来分担SCSCF业务交互的功能,同时在AS侧内又加入了业务交互代理AS-Proxy模块,结构图如图1所示。二者的加入一是为了平衡S-CSCF的负载,二是为了更好地处理多业务触发问题,同时也可在SCSCF-Proxy处提供业务逻辑冲突检测的功能。SCSCF-Proxy通过Cx接口从HSS获取用户的业务签约信息,具体过程与S-CSCF从HSS获取业务签约信息相同,然后用业务冲突检测算法对业务触发规则进行逻辑冲突检测。在处理多业务触发时,SCSCF-Proxy通过SIP接口为AS-Proxy提供下一步转发AS的地址,而AS-Proxy负责与SCSCF-Proxy交互,同时获取下一步转发地址后转发呼叫请求。此外AS可以灵活地设置sFC过滤规则,以针对性地触发后续消息。

图1　NSTA的触发结构

3.2NSTA业务触发流程

假定要连续触发AS1、AS2,则NSTA的触发流程如下:

1) 当S-CSCF收到初始呼叫请求(INVITE)时,通过Sh接口从HSS获取iFC,创建该用户的业务过滤规则列表,然后解析请求消息,获取SPT实例,按优先级由高到低的顺序查找是否有与之匹配的初始过滤规则触发点。若不匹配,直接转发给被叫用户;若匹配,则S-CSCF标记请求消息转发至对应的AS,这里显然要转发至AS1。

2) AS1收到INVITE后,一边根据SIP请求执行业务逻辑,并设置相应的后续过滤规则,一边其代理模块AS-Proxy复制该请求消息,将其发送至SCSCF-Proxy,等待SCSCF-Proxy告知下一步转发地址,然后标记INVITE并加入AS1后续触发规则的sFC头转发至下一跳AS2,以上两个过程并行执行。

3) SCSCF-Proxy若是第一次收到INVITE请求,则通过Sh接口从HSS获取iFC,并创建该用户的业务过滤规则列表,否则直接从内存调用。然后SCSCF-Proxy解析SIP请求,检查其中的SPT实例,根据S-CSCF的业务触发算法,获得执行下一步业务逻辑的AS2的地址(若没有匹配上任何触发规则,则通知AS-Proxy将INVITE转发给S-CSCF)。

4) AS2收到INVITE后做和AS1同样的操作,当收到SCSCF-Proxy的没有再匹配上过滤规则的通知后,标记INVITE并加入AS2后续触发规则的sFC头转发至S-CSCF。

5) S-CSCF收到AS2发送的INVITE后,将其路由至被叫用户。当收到INVITE的响应或后续请求时,则检查后续消息的SPT实例是否与sFC头中后续触发规则相匹配。若匹配,则按照后续触发规则中指定的处理方式来处理;若不匹配,按SIP路由机制来转发。直到会话建立完成为止。

4实验仿真建模

呼叫建立时延是我们研究比较两种方案性能的主要参数,它是会话建立过程中各个时延的叠加。本章主要考虑的是服务器节点造成的时延,并使用M/M/1排队网络模型对两种业务触发方案进行性能建模,两种模型分别如图2和图3所示,S-CSCF处的呼叫到达率符合泊松分布。

图2　现有方案的触发算法性能分析模型

图3　改进方案的触发算法性能分析模型

由于AS的触发是基于优先级的,不妨假定ASi的优先级高于ASj(0

1)γ表示来自P-CSCF的初始呼叫到达率,λs和μs分别表示S-CSCF的呼叫到达率和服务率;

2)γi、λi和μi分别代表ASi的初始呼叫到达率、呼叫到达率以及服务率;

3)ms和mi分别表一个呼叫过程中S-CSCF和ASi在会话建立期间处理的SIP消息数;

· 方案一:

为了方便比较,假设所有的呼叫依次被S-CSCF触发到各个AS,业务触发到ASi时,ASi执行相应的业务逻辑,然后转发给S-CSCF,接着该SIP消息以qij的概率被S-CSCF触发到下一个AS,以qi0的概率路由到被叫用户。故而qij=1(仅当j=i+1时,其余为0)。由图2可得:

(1)

(2)

S-CSCF和所有的应用服务器组成一个排队网络,根据排队论和排队网理论:

(3)

· 方案二:

同样假定所有的呼叫依次被S-CSCF触发到各个AS,但业务从触发到ASi到触发到下一个AS,中间并不经过AS,虽然在获取下一个AS地址时与SCSCF-Proxy进行了交互,然而该过程和AS业务逻辑处理是并行的,所以该时耗可以忽略不计。如图3所示,显然式(1)和式(2)仍然满足,只是参数值变化而已。S-CSCF和所有的应用服务器组成一个排队网络,根据排队论和排队网理论:

(4)

5仿真结果分析

这里假设S-CSCF和所有的AS具有相同的服务率μ,且文献[14]中指出每条SIP消息的处理时间大约为10ms~100ms,不妨令μ=60ms。如果我们的SIP基本呼叫流程为:INVITE、180Ringing、200OK、ACK,则S-CSCF在每次呼叫流程中都要处理四条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(中间信令AS并不必关心,这里暂且只考虑正常的后续响应)和多业务触发优化,此时对于S-CSCF来说,ms=4,m1=2,mi=1(i>1);而对于AS来说,ms=4,mi=2(i>=1)。式(3)和式(4)分别代入数据可得:

(5)

不妨取λ=1.2,μ=60ms,代入式(5),然后在Matlab上分别针对S-CSCF处理时延和整个过程触发时延进行两种方案的仿真比较,如图4和图5所示,分别为S-CSCF时延和触发框架整体时延随AS个数变化折线图。

图4　S-CSCF处理时延变化曲线

由图4可看出,当n=0时,S-CSCF的时延仅为72ms左右,随着AS个数n的不断增大,S-CSCF时延都呈递增趋势,但基于iFC的旧有方案明显增幅太快,n=8时,时延已达到2.2s左右,当n=10时,时延竟达到了6.1s;而改进后的方案增幅平缓很多,当n=10时,时延也只有0.3s左右。相比之下改进后的方案对S-CSCF处理时延的优化十分明显。

图5　会话建立整体时延变化曲线

由图5可看出,随着AS个数n的不断增大,触发框架整体时延也都呈递增趋势,但基于iFC的旧有方案仍然增长过快,n=5之后,折线已成暴增趋势,当n=10时,时延已达到了6.8s,已经远远偏离了用户可以容忍的时延指标;但改进后的方案增幅就比较平缓,当n=10时,时延也只有0.7s左右。相比之下改进后的方案对触发框架整体时延的优化也相当明显。

综上所述,采用基于NSTA的触发框架后,S-CSCF处理时延和整体时延大大减小了,服务器性能则得到了很好的优化。

6结语

IMS系统的诸多优点使得它可以很好地应用于舰载通信系统,然而它在业务触发时延方面的瓶颈也随着业务的增多而日益明显。本文提出的业务触发的改进方案在削减冗余信令和优化触发性能方面有着不错的效果,S-CSCF和AS处理的信令大大减少了,正如仿真所示,无论S-CSCF处理时延还是整体时延都大大减小了,再加上类似分布式的设计很好地分担了S-CSCF的压力,故而采用NSTA的方案极大地优化了服务器的性能,可以预想的是这将会更好地促进舰载通信系统的发展。

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中图分类号TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.018

作者简介:籍礼文,男,硕士研究生,研究方向:数字通信与通信网络。于中华,男,硕士,工程师,研究方向:数字通信与通信网络。杨大生,男,硕士,助理工程师,研究方向:网络管理与网络协议。

收稿日期:2015年9月17日,修回日期:2015年10月31日