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摘要 本文介紹了一種基于P2P方式實(shí)現(xiàn)分布式HSS和S-CSCF的IMS架構(gòu)，通過(guò)P2P技術(shù)對(duì)IMS網(wǎng)元進(jìn)行均質(zhì)化處理，提高了IMS的可擴(kuò)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(chǔ)上，為用戶提供基于IP的豐富的多媒體業(yè)務(wù)。IMS系統(tǒng)具有端到端全I(xiàn)P化、系統(tǒng)架構(gòu)模塊化、業(yè)務(wù)與控制分離、與接入方式無(wú)關(guān)等多方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。迅速獲得了其他標(biāo)準(zhǔn)化組織的廣泛認(rèn)可，已經(jīng)從最初3GPP針對(duì)移動(dòng)用戶定義的系統(tǒng)，擴(kuò)展為適用于移動(dòng)、固定寬帶、Cable等多種接入方式的統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)，被業(yè)界認(rèn)為是未來(lái)基于IP電信網(wǎng)的核心控制層面。
經(jīng)過(guò)業(yè)界多年的努力，IMS標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)相對(duì)成熟，各主流電信設(shè)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(gè)IMS試點(diǎn)和試商用網(wǎng)絡(luò)，其中AT&T、Vodafone、BT、Orange/FT、Telecom Italia、匈牙利電信等國(guó)外運(yùn)營(yíng)商已部署了正式商用網(wǎng)絡(luò)。但I(xiàn)MS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)上的VoIP系統(tǒng)仍然比較復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的要求比較高，難于應(yīng)對(duì)來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)方面的競(jìng)爭(zhēng)。近年來(lái)，P2P（peer to peer）[1]技術(shù)獲得了明顯的進(jìn)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(jìn)展，借鑒IMS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)提出了一種分布式的IMS實(shí)現(xiàn)方案。
2、從P2P到P2P-SIP
2.1 P2P概述
Napster[2]和Gnutella[3]的廣泛應(yīng)用引起了人們對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多的關(guān)注，與傳統(tǒng)的C/S計(jì)算模式不同的是，P2P系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)既可以做服務(wù)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(kāi)銷(xiāo)，提高了共享資源節(jié)點(diǎn)的自治性和系統(tǒng)的頑健性。同時(shí)，P2P可以分散資源，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，避免單點(diǎn)失效問(wèn)題。
P2P自出現(xiàn)以來(lái)就被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，比如文件共享、科學(xué)計(jì)算與協(xié)作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)通信等。由于P2P的種類(lèi)繁多，很多研究人員從不同角度對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)。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(zhǎng)起來(lái)。Napster采用了集中式的目錄服務(wù)器機(jī)制，用于存放對(duì)等節(jié)點(diǎn)的地址信息和所保存數(shù)據(jù)的信息，能夠?qū)φ?qǐng)求數(shù)據(jù)進(jìn)行查找并返回最合適的目的節(jié)點(diǎn)。與Napster不同，Gnutella采用了完全分布式的策略，利用洪泛算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查找。Gnutella無(wú)單點(diǎn)失效問(wèn)題，可擴(kuò)展性好，但是定位效率低。由于非結(jié)構(gòu)化的不可擴(kuò)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(yīng)運(yùn)而生。結(jié)構(gòu)化P2P系統(tǒng)將每個(gè)資源定位在確定的節(jié)點(diǎn)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(gè)端點(diǎn)之間建立多媒體會(huì)話的控制信令，由IETF制定。SIP協(xié)議簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性好，被很多互聯(lián)網(wǎng)電話業(yè)務(wù)采用，成為VoIP的兩大協(xié)議之一。通常情況下，兩個(gè)端點(diǎn)使用SIP來(lái)協(xié)商一次“呼叫”，一旦協(xié)商成功，兩個(gè)端點(diǎn)就會(huì)使用選中的方法相互交談，這就與SIP無(wú)關(guān)。
同樣是與傳輸和控制無(wú)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(wù)器保存了用戶和他的注冊(cè)IP地址之間的映射關(guān)系。當(dāng)某一用戶發(fā)起呼叫時(shí)，SIP服務(wù)器會(huì)把請(qǐng)求直接轉(zhuǎn)發(fā)給呼叫申請(qǐng)用戶，或者SIP可以看作是處理過(guò)的P2P系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通過(guò)SIP服務(wù)器狀態(tài)設(shè)置超級(jí)節(jié)點(diǎn)（SuperNode），然后基于DNS域名解析發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)，而不是像P2P一樣通過(guò)標(biāo)識(shí)符尋找節(jié)點(diǎn)。
隨著用戶的高速增長(zhǎng)，現(xiàn)有SIP服務(wù)器也反映出一些不足，即C/S模式帶來(lái)的單點(diǎn)失效和性能瓶頸問(wèn)題。由此可見(jiàn)。使用一個(gè)P2P架構(gòu)代替現(xiàn)有的SIP服務(wù)器狀態(tài)設(shè)置，既可以提高系統(tǒng)的可靠性，又允許系統(tǒng)動(dòng)態(tài)適應(yīng)節(jié)點(diǎn)失效的情況，Skype使用P2P機(jī)制解決了這個(gè)問(wèn)題。Skype網(wǎng)絡(luò)把節(jié)點(diǎn)分為超級(jí)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)提供注冊(cè)服務(wù)，當(dāng)超級(jí)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，它所管理的普通節(jié)點(diǎn)會(huì)注冊(cè)到其他超級(jí)節(jié)點(diǎn)0從而避免了單點(diǎn)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(yīng)用都采用封閉的軟件，接口是專(zhuān)用的而不是互通的。因此，需要提出二個(gè)開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，可以支持各種多媒體業(yè)務(wù)，IETF借鑒P2P的機(jī)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(fù)載均衡的特點(diǎn)改造原有基于SIP韻集中式呼叫控制實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。P2P和SIP的結(jié)合有兩種方式：一種是基于P2P實(shí)現(xiàn)SIP，即把SIP的一個(gè)集中維護(hù)配置和控制設(shè)施用P2P變成分布式，達(dá)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(yùn)行P2P，用SIP協(xié)議的消息傳遞方式實(shí)現(xiàn)P2P算法，其中，前者P2P和SIP之間具有較低的耦合度，實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(wù)器A和B啟動(dòng)SIP終端，終端會(huì)在SIP服務(wù)器上注冊(cè)各自的IP地址，DNS會(huì)保存用戶域名和它的IP地址間的映射關(guān)系。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)通過(guò)A向另一節(jié)點(diǎn)發(fā)起呼叫時(shí)，DNS通過(guò)映射關(guān)系找到相應(yīng)的代理服務(wù)器B，于是把請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給B，隨后A和B之間通過(guò)SIP協(xié)議進(jìn)行通信�？梢园l(fā)現(xiàn)，SIP電話是基于DNS域名解析來(lái)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)，因此存在單點(diǎn)失效問(wèn)題。圖1（b）給出了基于DHT（distributed hash table）架構(gòu)代替現(xiàn)有SIP服務(wù)器來(lái)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(wù)器取代集中式的DNS，其作用類(lèi)似于P2P系統(tǒng)中的超級(jí)節(jié)點(diǎn)。如圖1（b）所示的P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中，原來(lái)管理一個(gè)域的單臺(tái)服務(wù)器變成多個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)P2P機(jī)制互聯(lián)，進(jìn)行負(fù)荷分擔(dān)。超級(jí)節(jié)點(diǎn)可以承擔(dān)注冊(cè)、代理和計(jì)費(fèi)等功能。用戶可以通過(guò)任一超級(jí)節(jié)點(diǎn)使用服務(wù)，并且部分超級(jí)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，增加新的超級(jí)節(jié)點(diǎn)就可以對(duì)服務(wù)器容量進(jìn)行擴(kuò)充，因?yàn)槊總�(gè)服務(wù)器的地位是對(duì)等的。
在P2P-SIP架構(gòu)中，每個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，同時(shí)分為兩層。上面是SIP層，處理標(biāo)準(zhǔn)的SIP信令；下面是P2P層對(duì)各個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(luò)架構(gòu)中，使用SIP協(xié)議作為會(huì)話控制協(xié)議，但是采用了和SIP協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最突出的特點(diǎn)是引入了P-CSCF（代理呼叫會(huì)話控制功能）、S-CSCF（服務(wù)CSCF）、I-CSCF（互通CSCF）三個(gè)會(huì)話控制功能實(shí)體來(lái)完成會(huì)話，使用HSS來(lái)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)。
在3GPP定義的IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，CSCF是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，P-CSCF是IMS用戶接入網(wǎng)絡(luò)的入口點(diǎn)，P-CSCF把來(lái)自用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到S-CSCF，由它完成業(yè)務(wù)的觸發(fā)控制，所有的業(yè)務(wù)控制在歸屬網(wǎng)絡(luò)完成；MGCF（媒體網(wǎng)關(guān)控制功能）和IMS-MGW（IMS移動(dòng)媒體網(wǎng)關(guān)）提供IMS系統(tǒng)和UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(luò)之間的邊界點(diǎn)。3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)論用戶處于歸屬網(wǎng)絡(luò)還是拜訪網(wǎng)絡(luò)中，所有的會(huì)話控制都經(jīng)過(guò)P-CSCF路由回歸屬網(wǎng)絡(luò)的S-CSCF，在歸屬網(wǎng)絡(luò)中完成所有的業(yè)務(wù)觸發(fā)和控制。這種方式便于業(yè)務(wù)的部署，同時(shí)無(wú)論用戶在哪里，都能獲得統(tǒng)一的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。
在§2分析了3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，雖然業(yè)界在IMS方面做了許多工作，電信設(shè)備廠家也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。但是3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)仍然繼承電信網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)思路，接口、協(xié)議定義嚴(yán)格，有比較好的可靠性和安全性，對(duì)設(shè)備的要求比較高。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、維護(hù)成本比較高，很難和互聯(lián)網(wǎng)上的類(lèi)似業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)§2.3對(duì)于P2P SIP和3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)的分析可發(fā)現(xiàn)，3GPP IMS主要優(yōu)化了SIP的會(huì)話控制架構(gòu)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可管理性得到了保證，能夠滿足運(yùn)營(yíng)商電信級(jí)運(yùn)營(yíng)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(diǎn)，作者經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為，可以結(jié)合P2P-SIP技術(shù)改造IMS網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的會(huì)話控制效率，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。
IMS網(wǎng)絡(luò)中采用P-CSCF、S-CSCF、I-CSCF等功能實(shí)體來(lái)完成會(huì)話控制功能，結(jié)合P2P-SIP技術(shù)可以簡(jiǎn)化IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，簡(jiǎn)化后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 分布式IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
在分布式IMS架構(gòu)中，每一個(gè)SuperNode都包含兩類(lèi)功能：基于DHT的HSS功能和基于SIP的會(huì)話控制功能�；赟IP的會(huì)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(diǎn)，S-CSCF扮演歸屬地會(huì)話控制的角色。P-CSCF和S-CSCF的功能和3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)中的功能實(shí)體基本一致，但二者可以和基于DHT的HSS功能集成在一個(gè)物理實(shí)體，使得網(wǎng)絡(luò)控制層的功能能夠均質(zhì)化，同時(shí)，由于分布式IMS系統(tǒng)中的用戶簽約信息存儲(chǔ)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(jìn)而可以?xún)?yōu)化網(wǎng)絡(luò)的路由。
當(dāng)用戶簽約的時(shí)候，基于DHT的HSS系統(tǒng)根據(jù)用戶標(biāo)識(shí)，可以是IMPU（用戶公開(kāi)身份）或者其他的用戶標(biāo)識(shí)，通過(guò)DHT定位用戶歸屬的SuperNode，把用戶相關(guān)的信息存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的SuperNode中。用戶的注冊(cè)、會(huì)話過(guò)程中，SuperNode能夠把會(huì)話請(qǐng)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(cè)、會(huì)話控制、業(yè)務(wù)觸發(fā)等功能。
在用戶發(fā)起呼叫的過(guò)程中，SIP會(huì)話的處理方式和IMS系統(tǒng)中類(lèi)似，但是不同會(huì)話的路由不再使用I-CSCF和HSS來(lái)完成，而是采用基于DHT的HSS來(lái)完成。以用戶代理A向用戶代理B發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求為例，在分布式IMS系統(tǒng)的會(huì)話流程如圖3所示。
圖3 會(huì)話控制過(guò)程
（1）戶代理A向接入的SuperNodel請(qǐng)求建立會(huì)話。
（2）SuperNodel收到用戶代理A的會(huì)話建立請(qǐng)求后，執(zhí)行P-CSCF功能，根據(jù)注冊(cè)過(guò)程中確定的綁定關(guān)系，把會(huì)話請(qǐng)求路由到主叫用戶歸屬的SuperNode2上。
（3）在SuperNode2上，SuperNode2能夠識(shí)別會(huì)話請(qǐng)求為自己所控制的用戶的會(huì)話請(qǐng)求，執(zhí)行S-CSCF功能，完成業(yè)務(wù)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(qǐng)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(huì)話請(qǐng)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(wù)的觸發(fā)和控制后，把會(huì)話請(qǐng)求路由到被叫用戶當(dāng)前接入的超級(jí)節(jié)點(diǎn)SuperNode6。
（6）SuperNode6把會(huì)話請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到被叫用戶代理BO
如果后續(xù)的會(huì)話過(guò)程中，不需要業(yè)務(wù)控制邏輯干預(yù)，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(huì)話過(guò)程中，需要業(yè)務(wù)邏輯干預(yù)，那么會(huì)話控制流程保持和會(huì)話建立流程類(lèi)似。
上文提出的分布式IMS系統(tǒng)能夠結(jié)合P2P-SIP的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)基于DHT的HSS系統(tǒng)來(lái)解決會(huì)話過(guò)程中的路由查詢(xún)問(wèn)題，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性。同時(shí)，通過(guò)P2P-SIP能夠把3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)中原來(lái)集中的HSS系統(tǒng)均勻地分散到系統(tǒng)中的各個(gè)SuperNode上，進(jìn)而可以結(jié)合P-CSCF和S-CSCF功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的均質(zhì)化。
4、結(jié)束語(yǔ)
本文分析了SIP和P2P-SIP的架構(gòu)和特點(diǎn)以及3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基本理念和特點(diǎn)，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(luò)的架構(gòu)，把3GPP IMS系統(tǒng)中的HSS功能分散在多個(gè)SuperNode中，進(jìn)而可以把基于DHT的HSS功能、P-CSCF和S-CSCF功能部署在一個(gè)實(shí)體中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的均質(zhì)化。同時(shí)，在分布式IMS系統(tǒng)中，HSS的底層使用DHT技術(shù)查找和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠簡(jiǎn)化原來(lái)網(wǎng)絡(luò)中比較復(fù)雜的路由過(guò)程，提高系統(tǒng)的效率。
參考文獻(xiàn)
1 鄭緯民，胡進(jìn)鋒，代亞非等.對(duì)等計(jì)算研究概論，http：//www.ccf.org.cn
2 Napster website，http：//www.napster.com，1999
3 Clip2com.The gnutella protocol specification v0.4，http：//rfc-gnutella.sourceforge.net/Development，2001
4 Stoica I，Morris R，et al.A scalable peer-to-peer lookup protocol for Internet applications.IEEE/ACM Transactions on Networking，2003，11(1)
5 Ratnasamy S，F(xiàn)rancis P，et al.A scalable content-addressable network.In：Proceedings of the Acm Sigcomm 2001 Conference on Applications，Technologies Architectures，and Protocols for，Computer Communication，San Diego，CA，USA：ACM Press，2001
6 Rowstron A，Druschel P.Pastry：Scalable，decentralized object location and routing for largescale peer-to-peer systems.In：Proceedings of the IFTP/ACM International Conference on Distributed Systems Platforms (Middleware'01)，Heidelberg，Germany：Springer-Verlag，2001
作者：王菁 薛海強(qiáng) 彭晉 魏冰 來(lái)源：泰爾網(wǎng)
