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一種新型的分布式IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）實現(xiàn)方法

王菁　薛海強　彭晉　魏冰 2008/07/01

　　摘要　本文介紹了一種基于P2P方式實現(xiàn)分布式HSS和S-CSCF的IMS架構(gòu)，通過P2P技術(shù)對IMS網(wǎng)元進行均質(zhì)化處理，提高了IMS的可擴展性和可靠性。

1、引言

　　IMS（IP multimedia subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）是3GPP在R5版本引入的一套系統(tǒng)，目的是在PS域提供的IP承載的基礎上，為用戶提供基于IP的豐富的多媒體業(yè)務。IMS系統(tǒng)具有端到端全IP化、系統(tǒng)架構(gòu)模塊化、業(yè)務與控制分離、與接入方式無關(guān)等多方面的技術(shù)優(yōu)勢。迅速獲得了其他標準化組織的廣泛認可，已經(jīng)從最初3GPP針對移動用戶定義的系統(tǒng)，擴展為適用于移動、固定寬帶、Cable等多種接入方式的統(tǒng)一控制網(wǎng)絡，被業(yè)界認為是未來基于IP電信網(wǎng)的核心控制層面。

　　經(jīng)過業(yè)界多年的努力，IMS標準已經(jīng)相對成熟，各主流電信設備廠家均能提供符合3GPP R6版本的IMS系列產(chǎn)品。全球已經(jīng)部署了100多個IMS試點和試商用網(wǎng)絡，其中AT&T、Vodafone、BT、Orange/FT、Telecom Italia、匈牙利電信等國外運營商已部署了正式商用網(wǎng)絡。但IMS網(wǎng)絡架構(gòu)相對于互聯(lián)網(wǎng)上的VoIP系統(tǒng)仍然比較復雜，對網(wǎng)絡建設和維護的要求比較高，難于應對來自互聯(lián)網(wǎng)方面的競爭。近年來，P2P（peer to peer）[1]技術(shù)獲得了明顯的進步，基于P2P的VoIP系統(tǒng)取得了顯著的成功，例如，Skype在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的使用。本文將結(jié)合P2P技術(shù)的最新研究進展，借鑒IMS網(wǎng)絡的優(yōu)點提出了一種分布式的IMS實現(xiàn)方案。

2、從P2P到P2P-SIP

　　2.1　P2P概述

　　Napster[2]和Gnutella[3]的廣泛應用引起了人們對P2P網(wǎng)絡越來越多的關(guān)注，與傳統(tǒng)的C/S計算模式不同的是，P2P系統(tǒng)中的節(jié)點既可以做服務器又可以做客戶端，并且P2P利用空閑資源降低了資源共享的開銷，提高了共享資源節(jié)點的自治性和系統(tǒng)的頑健性。同時，P2P可以分散資源，平衡網(wǎng)絡負載，避免單點失效問題。

　　P2P自出現(xiàn)以來就被廣泛應用于各個領(lǐng)域，比如文件共享、科學計算與協(xié)作、數(shù)據(jù)存儲以及實時通信等。由于P2P的種類繁多，很多研究人員從不同角度對它們進行分類。按照P2P的發(fā)展歷程可以將P2P分為非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化。非結(jié)構(gòu)化P2P系統(tǒng)又可以分為集中式和完全分布式的，代表分別是Napster和Gnutella。Napster是最早出現(xiàn)的P2P系統(tǒng)之一，并在短期內(nèi)迅速成長起來。Napster采用了集中式的目錄服務器機制，用于存放對等節(jié)點的地址信息和所保存數(shù)據(jù)的信息，能夠?qū)φ埱髷?shù)據(jù)進行查找并返回最合適的目的節(jié)點。與Napster不同，Gnutella采用了完全分布式的策略，利用洪泛算法對數(shù)據(jù)進行查找。Gnutella無單點失效問題，可擴展性好，但是定位效率低。由于非結(jié)構(gòu)化的不可擴展性，大量的研究集中在如何構(gòu)造高度結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)，因此，結(jié)構(gòu)化P2P系統(tǒng)應運而生。結(jié)構(gòu)化P2P系統(tǒng)將每個資源定位在確定的節(jié)點上，保證在有限步數(shù)內(nèi)定位到資源，比如Chord[4]、CAN[5]、Pastry[6]等。

　　2.2　SIP協(xié)議

　　SIP（session initiation protocol）是一種信令協(xié)議，用于在互聯(lián)網(wǎng)兩個端點之間建立多媒體會話的控制信令，由IETF制定。SIP協(xié)議簡單、可擴展性好，被很多互聯(lián)網(wǎng)電話業(yè)務采用，成為VoIP的兩大協(xié)議之一。通常情況下，兩個端點使用SIP來協(xié)商一次“呼叫”，一旦協(xié)商成功，兩個端點就會使用選中的方法相互交談，這就與SIP無關(guān)。

　　同樣是與傳輸和控制無關(guān)，但與P2P不同的是SIP電話系統(tǒng)仍然是基于C/S模式的。SIP服務器保存了用戶和他的注冊IP地址之間的映射關(guān)系。當某一用戶發(fā)起呼叫時，SIP服務器會把請求直接轉(zhuǎn)發(fā)給呼叫申請用戶，或者SIP可以看作是處理過的P2P系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通過SIP服務器狀態(tài)設置超級節(jié)點（SuperNode），然后基于DNS域名解析發(fā)現(xiàn)節(jié)點，而不是像P2P一樣通過標識符尋找節(jié)點。

　　隨著用戶的高速增長，現(xiàn)有SIP服務器也反映出一些不足，即C/S模式帶來的單點失效和性能瓶頸問題。由此可見。使用一個P2P架構(gòu)代替現(xiàn)有的SIP服務器狀態(tài)設置，既可以提高系統(tǒng)的可靠性，又允許系統(tǒng)動態(tài)適應節(jié)點失效的情況，Skype使用P2P機制解決了這個問題。Skype網(wǎng)絡把節(jié)點分為超級節(jié)點和普通節(jié)點，超級節(jié)點為普通節(jié)點提供注冊服務，當超級節(jié)點失效時，它所管理的普通節(jié)點會注冊到其他超級節(jié)點0從而避免了單點失效。

　　然而，P2P系統(tǒng)也有其自身的局限性，主要表現(xiàn)在各種應用都采用封閉的軟件，接口是專用的而不是互通的。因此，需要提出二個開放的體系結(jié)構(gòu)，可以支持各種多媒體業(yè)務，IETF借鑒P2P的機制提升SIP，提出了P2P-SIP。

　　2.3　P2P-SIP

　　P2P在VoIP和通信領(lǐng)域的最新發(fā)展是P2P-SIP技術(shù)。P2P-SIP是P2P和SIP技術(shù)的結(jié)合，它的目的是利用P2P的靈活性和負載均衡的特點改造原有基于SIP韻集中式呼叫控制實現(xiàn)架構(gòu)。P2P和SIP的結(jié)合有兩種方式：一種是基于P2P實現(xiàn)SIP，即把SIP的一個集中維護配置和控制設施用P2P變成分布式，達到降低SIP的成本和改善SIP可靠性的目的；另一種方法是在SIP上運行P2P，用SIP協(xié)議的消息傳遞方式實現(xiàn)P2P算法，其中，前者P2P和SIP之間具有較低的耦合度，實現(xiàn)起來更加靈活。因此，本文提出的分布式IMS架構(gòu)基于P2P-SIP。

　　SIP電話系統(tǒng)是C/S結(jié)構(gòu)的，如圖1（a）所示，代理服務器A和B啟動SIP終端，終端會在SIP服務器上注冊各自的IP地址，DNS會保存用戶域名和它的IP地址間的映射關(guān)系。當某節(jié)點通過A向另一節(jié)點發(fā)起呼叫時，DNS通過映射關(guān)系找到相應的代理服務器B，于是把請求轉(zhuǎn)發(fā)給B，隨后A和B之間通過SIP協(xié)議進行通信。可以發(fā)現(xiàn)，SIP電話是基于DNS域名解析來發(fā)現(xiàn)節(jié)點，因此存在單點失效問題。圖1（b）給出了基于DHT（distributed hash table）架構(gòu)代替現(xiàn)有SIP服務器來提高系統(tǒng)可靠性的架構(gòu)。

圖1　SIP系統(tǒng)架構(gòu)和P2P-SIP架構(gòu)比較

　　P2P-SIP使用大量以DHT形式互聯(lián)的分布式服務器取代集中式的DNS，其作用類似于P2P系統(tǒng)中的超級節(jié)點。如圖1（b）所示的P2P-SIP網(wǎng)絡中，原來管理一個域的單臺服務器變成多個超級節(jié)點，超級節(jié)點之間通過P2P機制互聯(lián)，進行負荷分擔。超級節(jié)點可以承擔注冊、代理和計費等功能。用戶可以通過任一超級節(jié)點使用服務，并且部分超級節(jié)點的故障不會影響P2P-SIP網(wǎng)絡的正常運行，增加新的超級節(jié)點就可以對服務器容量進行擴充，因為每個服務器的地位是對等的。

　　在P2P-SIP架構(gòu)中，每個超級節(jié)點都是對等的，同時分為兩層。上面是SIP層，處理標準的SIP信令；下面是P2P層對各個超級節(jié)點進行互聯(lián)，本文采用的是基于DHT協(xié)議的結(jié)構(gòu)化P2P。

3、分布式IMS架構(gòu)

　　在3GPP定義的IMS網(wǎng)絡架構(gòu)中，使用SIP協(xié)議作為會話控制協(xié)議，但是采用了和SIP協(xié)議不同的網(wǎng)絡架構(gòu)，最突出的特點是引入了P-CSCF（代理呼叫會話控制功能）、S-CSCF（服務CSCF）、I-CSCF（互通CSCF）三個會話控制功能實體來完成會話，使用HSS來存儲用戶數(shù)據(jù)。

　　在3GPP定義的IMS網(wǎng)絡架構(gòu)中，CSCF是整個系統(tǒng)的控制核心，P-CSCF是IMS用戶接入網(wǎng)絡的入口點，P-CSCF把來自用戶的業(yè)務請求轉(zhuǎn)發(fā)到S-CSCF，由它完成業(yè)務的觸發(fā)控制，所有的業(yè)務控制在歸屬網(wǎng)絡完成；MGCF（媒體網(wǎng)關(guān)控制功能）和IMS-MGW（IMS移動媒體網(wǎng)關(guān)）提供IMS系統(tǒng)和UMTS（通用移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡CS域、PSTN之間的互通；MRFC（多媒體資源功能控制器）和MRFP（多媒體資源功能處理器）提供業(yè)務中所需的媒體資源以及相關(guān)的控制功能；BGCF是IMS域和電路交換域與外部網(wǎng)絡之間的邊界點。3GPP IMS網(wǎng)絡中，無論用戶處于歸屬網(wǎng)絡還是拜訪網(wǎng)絡中，所有的會話控制都經(jīng)過P-CSCF路由回歸屬網(wǎng)絡的S-CSCF，在歸屬網(wǎng)絡中完成所有的業(yè)務觸發(fā)和控制。這種方式便于業(yè)務的部署，同時無論用戶在哪里，都能獲得統(tǒng)一的業(yè)務體驗。

　　在§2分析了3GPP IMS網(wǎng)絡的特點，雖然業(yè)界在IMS方面做了許多工作，電信設備廠家也開發(fā)了相應的產(chǎn)品。但是3GPP IMS網(wǎng)絡仍然繼承電信網(wǎng)絡的傳統(tǒng)思路，接口、協(xié)議定義嚴格，有比較好的可靠性和安全性，對設備的要求比較高。同時，網(wǎng)絡的建設、維護成本比較高，很難和互聯(lián)網(wǎng)上的類似業(yè)務競爭。通過§2.3對于P2P SIP和3GPP IMS網(wǎng)絡的分析可發(fā)現(xiàn)，3GPP IMS主要優(yōu)化了SIP的會話控制架構(gòu)，使得整個網(wǎng)絡的可管理性得到了保證，能夠滿足運營商電信級運營的要求。隨著P2P技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界提出的P2P-SIP技術(shù)能夠結(jié)合P2P和SIP的優(yōu)點，作者經(jīng)過研究認為，可以結(jié)合P2P-SIP技術(shù)改造IMS網(wǎng)絡，進而提高系統(tǒng)的會話控制效率，降低系統(tǒng)的復雜性。

　　IMS網(wǎng)絡中采用P-CSCF、S-CSCF、I-CSCF等功能實體來完成會話控制功能，結(jié)合P2P-SIP技術(shù)可以簡化IMS網(wǎng)絡架構(gòu)，簡化后的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示。

圖2　分布式IMS網(wǎng)絡架構(gòu)

　　在分布式IMS架構(gòu)中，每一個SuperNode都包含兩類功能：基于DHT的HSS功能和基于SIP的會話控制功能�；赟IP的會話控制功能包括P-CSCF功能和S-CSCF功能，P-CSCF為用戶代理接入到系統(tǒng)中的入口點，S-CSCF扮演歸屬地會話控制的角色。P-CSCF和S-CSCF的功能和3GPP IMS網(wǎng)絡中的功能實體基本一致，但二者可以和基于DHT的HSS功能集成在一個物理實體，使得網(wǎng)絡控制層的功能能夠均質(zhì)化，同時，由于分布式IMS系統(tǒng)中的用戶簽約信息存儲在基于DHT的HSS中，可以使用DHT算法快速定位用戶所在的SuperNode，進而可以優(yōu)化網(wǎng)絡的路由。

　　當用戶簽約的時候，基于DHT的HSS系統(tǒng)根據(jù)用戶標識，可以是IMPU（用戶公開身份）或者其他的用戶標識，通過DHT定位用戶歸屬的SuperNode，把用戶相關(guān)的信息存儲在對應的SuperNode中。用戶的注冊、會話過程中，SuperNode能夠把會話請求消息路由到用戶所歸屬的SuperNode，在用戶所歸屬的SuperNode上完成注冊、會話控制、業(yè)務觸發(fā)等功能。

　　在用戶發(fā)起呼叫的過程中，SIP會話的處理方式和IMS系統(tǒng)中類似，但是不同會話的路由不再使用I-CSCF和HSS來完成，而是采用基于DHT的HSS來完成。以用戶代理A向用戶代理B發(fā)起會話請求為例，在分布式IMS系統(tǒng)的會話流程如圖3所示。

圖3　會話控制過程

　�。�1）戶代理A向接入的SuperNodel請求建立會話。

　�。�2）SuperNodel收到用戶代理A的會話建立請求后，執(zhí)行P-CSCF功能，根據(jù)注冊過程中確定的綁定關(guān)系，把會話請求路由到主叫用戶歸屬的SuperNode2上。

　�。�3）在SuperNode2上，SuperNode2能夠識別會話請求為自己所控制的用戶的會話請求，執(zhí)行S-CSCF功能，完成業(yè)務的觸發(fā)和控制。在執(zhí)行S-CSCF功能之后，SuperNode3向基于DHT的HSS功能請求被叫用戶的S-CSCF功能所在的位置。

　�。�4）根據(jù)（3）中HSS返回的信息，把會話請求路由到用戶B所歸屬的SuperNode3。

　�。�5）SuperNode3執(zhí)行被叫側(cè)的S-CSCF功能，完成業(yè)務的觸發(fā)和控制后，把會話請求路由到被叫用戶當前接入的超級節(jié)點SuperNode6。

　�。�6）SuperNode6把會話請求轉(zhuǎn)發(fā)到被叫用戶代理BO

　　如果后續(xù)的會話過程中，不需要業(yè)務控制邏輯干預，那么用戶代理A和用戶代理B之間直接可以通信。如果在會話過程中，需要業(yè)務邏輯干預，那么會話控制流程保持和會話建立流程類似。

　　上文提出的分布式IMS系統(tǒng)能夠結(jié)合P2P-SIP的優(yōu)勢，通過基于DHT的HSS系統(tǒng)來解決會話過程中的路由查詢問題，能夠簡化系統(tǒng)的復雜性。同時，通過P2P-SIP能夠把3GPP IMS網(wǎng)絡中原來集中的HSS系統(tǒng)均勻地分散到系統(tǒng)中的各個SuperNode上，進而可以結(jié)合P-CSCF和S-CSCF功能，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的均質(zhì)化。

4、結(jié)束語

　　本文分析了SIP和P2P-SIP的架構(gòu)和特點以及3GPP IMS網(wǎng)絡架構(gòu)的基本理念和特點，結(jié)合P2P-SIP，作者提出了一種分布式IMS。分布式IMS使用P2P-SIP優(yōu)化IMS的網(wǎng)絡的架構(gòu)，把3GPP IMS系統(tǒng)中的HSS功能分散在多個SuperNode中，進而可以把基于DHT的HSS功能、P-CSCF和S-CSCF功能部署在一個實體中，實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的均質(zhì)化。同時，在分布式IMS系統(tǒng)中，HSS的底層使用DHT技術(shù)查找和存儲數(shù)據(jù)，能夠簡化原來網(wǎng)絡中比較復雜的路由過程，提高系統(tǒng)的效率。

參考文獻

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