IMS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用SIP協(xié)議的時延改進(jìn)策略探析

1、IMS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用SIP協(xié)議的時延改進(jìn)策略探析         11-01-03 11:51:00     作者：姚玉坤 王智    編輯：studa090420論文關(guān)鍵詞：3G；IP多媒體子系統(tǒng)；會話初始協(xié)議；時延；OPNET 論文摘要：介紹了IMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與SIP協(xié)議在IMS網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，在設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境前提下，設(shè)計并且建立了IMS網(wǎng)絡(luò)會話的仿真模型以及會話流程。通過采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件仿真指出IMS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用SIP協(xié)議呼叫時延

2、的產(chǎn)生原因，通過設(shè)計引入“前提”的概念來改進(jìn)時延，并且利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具通過仿真比較驗證了該方案的有效性和正確性。 0引言     IP多媒體子系統(tǒng)IMS(IP multimedia subsystem)是3GPP制定的3G網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在RS版本中首次提出并在R6和R7版本中進(jìn)一步完善。IMS是一個在基于IP的網(wǎng)絡(luò)上提供多媒體業(yè)務(wù)的通用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即實現(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)的建立、維護(hù)及管理等功能的核心網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。其核心特點是采用會話初始協(xié)議SIP(session initial protocol)和與接入的無

3、關(guān)性，并實現(xiàn)了會話控制實體CSCF(call session control function)和承載控制實體MGCF(media gateway control function)功能上的分離。但由于基于IMS的網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)還不成熟，IMS網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用SIP協(xié)議產(chǎn)生的最主要問題就是呼叫建立的時延問題。本文首先通過仿真論證了:IMS網(wǎng)絡(luò)中用戶在會話建立之前的前提準(zhǔn)備:用戶注冊、鑒權(quán)，安全聯(lián)盟，路由等是占用鏈路時間較多的步驟，也是IMS中業(yè)務(wù)流程和SIP會話時延過長的主要原因;其次提出了IMS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用SIP協(xié)議產(chǎn)生時延的改進(jìn)策略，仿真論證

4、了此策略是有效可行的。 1 IMS系統(tǒng)介紹     圖1所示是3GPP R7中定義的IMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，所有的功能在各個邏輯節(jié)點中完成。如果在同一物理設(shè)備中實現(xiàn)兩個邏輯節(jié)點，相關(guān)的接口就成為該設(shè)備的內(nèi)部接口。圖1中實線表示支持用戶業(yè)務(wù)流的接口，虛線表示僅支持信令的接口，圖中最重要的實體就是呼叫會話控制功能CSCF和歸屬用戶服務(wù)器HSS, HSS用于存儲各種用戶有關(guān)數(shù)據(jù)，CSCF在IP多媒體子系統(tǒng)中，分為如下3個功能實體:     (1) Proxy CSCF:

5、0;P CSCF是IMS CN中的第一個接觸點。P-CSCF起類似一個代理的作用，接受請求并在其內(nèi)部為這些請求服務(wù)或者繼續(xù)將他們前轉(zhuǎn)。     (2)Interrogation CSCF:I CSCF是運營商網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的接觸點，所有都連接到該網(wǎng)絡(luò)運營商的簽約用戶，或者當(dāng)前位于該網(wǎng)絡(luò)運營商的業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)的漫游用戶。     圖2中各個組件都是IMS網(wǎng)絡(luò)會話和環(huán)境的重要組件，其功能在第一節(jié)中已有介紹，不再贅述。在前述仿真前提設(shè)定的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)用戶A與用戶B之間的會話，設(shè)計了與圖2網(wǎng)絡(luò)

6、架構(gòu)相對應(yīng)的仿真會話流程，整個設(shè)計的仿真會話流程十分復(fù)雜(總有95個步驟)，由于篇幅限制，現(xiàn)簡化流程如圖3所示。     圖3所示的IMS網(wǎng)絡(luò)流程如下:(1)UE A向附著設(shè)備發(fā)送請求。(2)附著設(shè)備響應(yīng)，UE A獲得IMS網(wǎng)絡(luò)入口地址的地址。(3)UE A向IMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送注冊請求。(4)-(5)IMS網(wǎng)絡(luò)入口找到為UE A服務(wù)的呼叫控制組件。(6) IMS網(wǎng)絡(luò)入口將UE A的請求轉(zhuǎn)發(fā)給為UE A服務(wù)的呼叫控制組件。(7)服務(wù)組件進(jìn)行身份認(rèn)證。(8)一(9)發(fā)起邀請:UE A

7、發(fā)送INVITE向UE B發(fā)起會話邀請。(10)資源協(xié)商與預(yù)留:UE A發(fā)送PRACK進(jìn)行媒體協(xié)商確認(rèn);UE B用200 OK響應(yīng);UE A收到ACK后發(fā)UPDATE進(jìn)行資源預(yù)留協(xié)商;UE B以180消息響應(yīng):UE A用PRACK響應(yīng);UE B以200 OK消息響應(yīng)，摘機(jī)，示意可進(jìn)行會話。(11)一(12)會話:UE A收到200后進(jìn)行會話。(13)(14)會話注銷:UE A發(fā)起B(yǎng)YE進(jìn)行注銷請求;UEB用ACK結(jié)束會話。      11-01-

8、03 11:51:00     作者：姚玉坤 王智    編輯：studa0904203.3仿真結(jié)果分析     在OPNET仿真工具中，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真模型的建立和描述，其次進(jìn)行仿真節(jié)點模型的設(shè)計和建立，然后進(jìn)行仿真進(jìn)程模型的設(shè)計和建立，最后模擬用戶A和用戶B之間的三次會話過程，從仿真數(shù)據(jù)中提取以時延為參數(shù)的數(shù)據(jù)，得到試驗仿真的時延示意圖如圖4所示。     在圖4中，橫軸15s之前是會話建立的時間，因此可以看出在會話建立的過程中網(wǎng)絡(luò)

9、端到端時延不斷增大，在15s處曲線到達(dá)最高峰，會話建立起來后曲線迅速下降，網(wǎng)絡(luò)端到端時延迅速減小。因此從整體曲線來看得到結(jié)論:IMS網(wǎng)絡(luò)中用戶在會話建立之前的前提準(zhǔn)備，包括注冊、鑒權(quán)、安全聯(lián)盟、路由等是占用鏈路時間較多的流程步驟，也是在IMS中業(yè)務(wù)流程和SIP協(xié)議會話時延過長的主要原因。 4 IMS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用SIP協(xié)議時延改進(jìn)方案 4.1時延改進(jìn)方案     從3GPP RS中可知，不能為會話預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源是會話建立的嚴(yán)重缺陷。為了使會話啟動后失敗的可能性最小，有必要在被叫方得到通知前進(jìn)行資源預(yù)留。IMS業(yè)務(wù)為了進(jìn)行資源預(yù)留，網(wǎng)絡(luò)需要知道

10、被叫方的IP地址、端口及會話參數(shù)。為實現(xiàn)這點，沒有提供/應(yīng)答的交換是不行的。但是會話是在提供/應(yīng)答交換之后建立，而且一般用戶只有在會話建立起來后才被振鈴。為了解決這個問題，引入“前提”這個概念，會話過程中有兩種前提:     第一種“前提”:會話雙方必須在已經(jīng)完成資源預(yù)留之后，才進(jìn)行振鈴提示會話可以正常開始。其優(yōu)勢就是可以在任何情況下，只要會話開始就可以得到資源和會話質(zhì)量的保證。     第二種“前提”:會話可以在會話雙方?jīng)]有完成資源預(yù)留的情況下，即會話開始和資源預(yù)留同時進(jìn)行，只要資源預(yù)留能逐步滿足會話的要求即可。

11、這種“前提”在網(wǎng)絡(luò)性能較好和用戶較少時可節(jié)省時間，減少會話時延，但如果考慮全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，這種情況的性能不會使用戶滿意，因為會話質(zhì)量在某些情況下得不到保證，從而無法符合IMS網(wǎng)絡(luò)的要求。     從對兩種前提的描述可知，前提的變化會影響會話中各個步驟占用的時延。因此，如果可以綜合兩種“前提”來完成整個會話效果應(yīng)更好。例如，在IMS網(wǎng)絡(luò)入口處設(shè)置網(wǎng)絡(luò)性能的預(yù)判，或在IMS網(wǎng)絡(luò)注冊過程中對描述網(wǎng)絡(luò)性能的某些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，在用戶發(fā)起會話之前，可根據(jù)這些數(shù)據(jù)來選擇兩種“前提”中的一種，從而調(diào)整會話流程的順序和進(jìn)度，減少時延。下面將通過仿真對上述解決思路

12、進(jìn)行具體實現(xiàn)，并驗證其可行性和有效性。 4.2時延改進(jìn)方案仿真結(jié)果分析     改進(jìn)后以組件間的時延為參數(shù)，重新在各個網(wǎng)絡(luò)仿真組件中的進(jìn)程模塊中進(jìn)行編程和相關(guān)設(shè)置，根據(jù)時延參數(shù)來選擇采用第一或者第二種“前提”進(jìn)行仿真，仿真環(huán)境與上面改進(jìn)前的一致，從仿真數(shù)據(jù)中提取以時延為參數(shù)的數(shù)據(jù)，得到試驗仿真時延示意圖如圖5所示。     從圖5可以看出，時延峰值有所降低，并且注意圖4和圖5中，縱軸1.50,1.75,2.00等處的圖形點，就不難發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的效果:時延有所下降。因此可以得出結(jié)論:在IMS網(wǎng)絡(luò)入口處，通過編程設(shè)置和記錄組件間的時延參數(shù)，并按照其變化調(diào)整“前提”選擇的解決方案可以有效減少I