IMS重叠网络拓扑探测方式范文

近年来，随着网络技术和电信技术的高速发展和人民生活水平的不断提高，人们对通信质量的要求也越来越高[1]。除了对传统通信方式的需求外，人们还对内容丰富多彩的多媒体相互网络产生了浓厚的兴趣[2]。但是传统的电信交换技术是基于电路域的，因此在处理丰富多样的多媒体内容时就会暴露出很多缺陷，其业务承载的灵活性、多样性、可扩展性和可伸缩性都比不上基于分组交换IP网络[3]。于是，业内把研究的热点放在将因特网、电信网和广播电视网的整合上，来提供内容更为丰富的多媒体通信。

国际电信标准化联盟ITU-T、欧洲电信标准ETSI，3GPP以及3GPP2等众多的国际上标准化组织都纷纷定义了下一代网络（NGN）的基本框架，这类组织都认为下一代网络以IP作为承载网将会是一种趋势。以3GPP、ITU-T、ETSI为代表，都积极地定义IP多媒体子系统（IPMultimediaSubsystem，IMS）作为NGN的核心网架构[4]。IMS的特点是实现了业务、控制、承载三方面的分离，服务网络按照平面结构进行了分层。这种平面结构能够有效地改善传统电信技术垂直业务模式带来的缺陷，使得业务的扩展和资源的共享能都够更加有利地进行。IMS能够有效地融合移动接入网和固定方式接入网，实现统一的QoS机制、用户数据管理机制、业务触发机制以及统一的计费机制[5]。在Internet发展进程中，分组交换技术凭借其高效、简单、易扩展等诸多优势，做出过巨大的贡献。但是，由于基于分组交换的IP网络只能够提供“尽力而为”的服务，不能够保证服务质量的准确性及可靠性[6]。因此，能否有效的解决IP网络的QoS问题，成为了全球各大运营商推进下一代网络部署与实施的首要难题。

1IMS与重叠网络

1.1IP多媒体子系统IP多媒体子系统（IPMultimediaSubsystem），简称IMS，是由The3rdGenerationPartnershipProjec（t3GPP）定义的下一代的通信网络（NextGenerationNetwork），实现IP网融合的解决方案架构[7]。IP多媒体子系统是一种基于多媒体的全新业务架构，可以充分满足用户多样性的终端接入和对不同类型的多媒体业务需要。IMS技术不仅可以有效地管理用户资源、网络资源以及其他资源，提高网络的整体性能，而且可以实现VoIP业务，使得用户能够使用各式各样的终端并且跨越多种网络，充分体验融合的网络通信方式。IMS核心网是由有限的功能实体组成的，图1所示的是基于SIP会话建立过程中重要的功能实体。IP主机上部署着由功能实体组成的应用，然后这些IP主机通过网络连接到各大运营商的IP基础通信设施上。每个IP主机上都可能存在着不止一个功能实体，比如说多个实体可能被集合在一起，一个典型的例子就是S-CSCF，P-CSCF和I-CSCF集成在一起。IMS网络中的所有功能实体都需要通过DNS服务来建立相互之间的通信，DNS客户端通过本地的DNS服务器来访问全局DNS，但是IMS网络中的DNS服务器不会无条件地为IMS的功能实体连接到全局DNS上。当网络内部中的功能实体需要与网络外部的功能实体建立通信时，那么它就需要一个边界网关，边界网关可以和网络外部的功能实体进行通信。IMS采用的是基于策略的QoS管理模式，其特点是将事先定义好的策略存储在策略数据库中，这样不同的网元就可以根据策略数据库中相对应的策略自适应地执行各自的任务。IMS通过这种将执行和管理分开QoS管理模式，使得整个网络能够很好地适应网络的动态变化。IMS的网络管理模式主要由以下四部分组成，它们分别是：策略执行点（PEP）、策略决策点（PDP）、策略数据库和策略管理工具。IMS将网络管理模式映射到对QoS管理上。在IMS的网络中，策略的判决功能（PDF）映射策略决策点功能，策略执行点的功能包含在GGSN中。IMS的网络QoS框架如图2所示：在IMS网络中，P-CSCF功能实体负责在拜访网络中会话的授权和资源管理，Gq参考点用于PDF和P-CSCF之间配置信息的交互，PDF和GGSN间的媒体授权是通过Go参考点来实现的。

1.2重叠网络重叠网络是在网络底层的基础上搭建出来的一个虚拟网络，即在现有的IP基础设施之上部署重叠网络的节点。这种部署方式的优点是终端可以在不依赖底层的IP基础设施就可以进行通信，并且还能够动态地选择性能和可靠性更优的链路进行数据的传输。重叠网络与实际底层网络的不同之处在于重叠网络中的各个节点之间是通过逻辑链路进行连接的，它可以在不改变原有网络架构的基础之上，改善和提高网络的性能。由于重叠网络具有简单、灵活和高扩展性等特点，使得其能够为网络上层提供具有质量保证的服务，可以满足一些对实时性要求较高的网络应用[8]。重叠网络的应用对互联网技术的发展发挥了重要的作用。传统的互联网特点的端到端不可见的，这样就可以在不对骨干网进行任何改造的情况下，在网络边界布置新的业务。但是，随着网络规模的不断加大，现有的骨干网已经不能满足网络需求而需要进行扩容的时候，骨干网改造升级困难的问题就显露出来了。重叠网在这种情况下就可以很好的发挥其作用了，它可以在不改变原有网络架构的基础之上提高网络的承载能力。重叠网络的应用还可以有效地缓解IP网络“尽力而为”的服务特性带来的传输数据质量得不到保障的问题，它可以有效地避免由于网络扩充和升级改造带来的麻烦，以此来满足网络上层对应用越来越严格的需求。因此，重叠网络的出现为互联网技术的发展和演进发挥了重要的作用。

2IMS重叠网络的拓扑探测方法

IMS网络是集中式网络，存在着网络资源集中，单点效应等问题。目前的研究通过在IMS网络上搭建重叠网络可以解决此类问题。但是，重叠网络传输路径一般会途经多个网络，多媒体数据在到达目标主机之前常常需通过多个路由，不但传输效率低下并且很大程度上浪费了网络资源。因此，有必要对重叠网络的拓扑探测方法进行研究。

2.1重叠网络的管理本文采用服务管理功能节点（SMF，ServiceManagementFunction）对重叠网络进行管理[9]。SMF作为一个网络节点位于IMS的控制层，它具有搭建重叠网络、搜索网络资源和网络测距的功能。SMF可以通过SIP协议和IMS核心网的CSCF实体进行通信来获取终端的业务需求；SMF可以通过SNMP协议来获取BGP路由表信息以及OSPF路由表信息；为搭建重叠网络和搜索网络资源，网络内部的SMF可以和网络外部的SMF通过远程过程调用接口（RPC）来进行网络通信。在每一个IMS核心网中都可以有一个或多个SMF实体，具体根据IMS核心网的规模而定。在IMS重叠网络中，SMF将所属IMS中能够提供的资源共享的终端和资源信息索引存储在DHT网络中[10]。终端通过CSCF将搜索所需要的条件发送至SMF，然后SMF在DHT网络中搜索终端需要的资源。搜索结果由SMF返回给终端，终端根据获得的结果完成后续操作，这样终端就可以通过SMF完成网络资源的搜索。网络拓扑感知是在测量网络距离的基础上进行的，本文提出的重叠网络拓扑探测方法的核心思想是在利用灰色关联算法[11]的基础上，使用BGP/OSPF的相关路由信息来完成网络距离的测算。在IMS重叠网络中，终端在对某一网络资源进行搜索时，SMF节点首先会在DHT网络查找对应的资源。在获取资源的候选列表后，SMF会利用灰色关联算法对BGP/OSPF的相关路由信息进行属性评估，然后将网络距离较近的资源地址筛选出来，得到更新后的资源列表，最后按照评估所得评估值将新的资源列表进行排序，完成重叠网络的拓扑探测。本文使用灰色关联算法对候选列表的中资源进行评估，下面首先对灰色关联算法的原理进行介绍。

2.2灰色关联算法原理灰色系统理论是由邓聚龙教授在20世纪80年代提出的，其中灰色关联算法是其中的重要理论之一。利用灰色关联算法，将SMF提取出的BGP路由表属性进行定量的分析与比较，利用路由表属性的类似性等级和可变性等级建立各种路由表属性之间的关联，从而完成候选列表中各个候选节点的属性评估。灰色关联算法主要步骤如下：（1）选择评估因子：SMF将提取出的BGP或OSPF路由表信息中的Origin属性、AS_path属性和Next_hop等一些路由表属性作为评估因子。（2）将候选列表中的节点资源进行排列，组成序列。

2.3探测方法的设计本文设计的探测方法流程图如图3所示，主要思想如下：（1）SMF首先从候选列表中选择待评估的节点，然后根据BGP判断该节点与服务节点是否处于同一AS内。（2）如果待评估节点与服务节点处于同一AS内，将该节点的评估分加上相同AS的加权值，然后进一步判断该节点与服务节点是否处于同一子网内；否则，利用灰色关联算法对BGP路由表信息终终端路由属性进行评估得到该节点的评分。（3）如果该节点与服务节点处于同一子网内，将该节点的评估分加上相同子网的加权值；否则，利用灰色关联算法对节点经过的路由进行评估得到该节点的评分。（4）节点得到评分后存入到待评价集合中，候选列表中的节点数减1，然后判断候选列表中节点数是否为0。（5）如果候选列表中节点的数为0，拓扑探测结束，然后通过快速排序将待评价集合中的节点按评分高低进行降序排序得到结果集合；否则，开始新一轮的节点评估，直到候选列表中待评估的节点数为0。

3仿真验证

为了验证本文提出的探测方法，使用文献[12]中提出的仿真方案，利用ProtoPeerFramework仿真平台来仿真IMS重叠网络[13]。本次仿真共部署15个IMS核心网AS，每个IMS核心网AS中都有一个SMF功能节点，用来完成网络拓扑的探测和网络资源的搜索。BGP和OSPF的路由信息管理和更新是通过仿真相对应的路由器来完成的。在每个IMS核心网AS中，都部署了相对应数量的普通节点，设定当普通节点在网络数据下载流量达到整个AS资源的30%时，将该普通节点设置为新的服务节点。仿真开始时，为整个仿真网络提供100MB的视频资源。仿真开始20s后，每隔20s取一次仿真数据，一共取25组仿真实验数据。通过对比使用本文设计探测方法的网络和普通网络实验数据得到仿真结果，如图4所示。通过图4可以看出，使用了本文设计探测方法的重叠网络在仿真时间160s时下载流量达到了最大值，而普通重叠网络则是在仿真时间200s时下载流量达到最大值。另外，从整个仿真结果可以看出普通的重叠网络AS间流量在整个仿真时间过程中都要大于使用了探测方法的重叠网络。这是因为使用了探测方法的IMS重叠网络可以提前探测到距离较近的服务器，从而避免了不必要远距离传输。而普通的重叠网络则不能提前对网络拓扑进行探测，往往会选择距离较远的服务器进行传输。因此，仿真结果验证了本文提出的探测方法可以有效的改善IMS重叠网络媒体数据的传输质量，减少了不必要的跨AS间的传输流量。

4结语

本文提出的探测方法使IMS重叠网在网络拓扑稳定的情况下，利用SMF节点能够为用户选择符合QoS要求、距离较近、链路代价较小的网络资源特性，可以有效、快速地探测到网络底层的拓扑结构，实现网络资源分散在AS边缘，避免出现远距离的、跨多个AS的数据传输，有利于改善网络的系统吞吐量，提高网络的资源利用率。为需求高带宽的多媒体应用提供了很好的传输优化方案。

作者：何普胜 单位：福建省邮电规划设计院有限公司