分布式IMS系统中P2P群运行机制的研究

陈艳敏 北京电信规划设计院有限公司工程师

林朝辉 北京电信规划设计院有限公司高级工程师

分布式IMS系统中P2P群运行机制的研究

陈艳敏 北京电信规划设计院有限公司工程师

林朝辉 北京电信规划设计院有限公司高级工程师

在对基于P2P-SIP构建的分布式IMS网络总体架构进行分析论述的基础上，重点对分布式IMS系统中主要网元设备的P2P群组织结构和运行机制进行了深入分析和研究。

DSN P2P-SIP 分布式IMS

1 引言

IP多媒体子系统（IMS）在近年来获得了大规模的应用与部署，己经逐步成为当前固定和移动通信网络演进的主流技术，但随着移动互联网和Web2.0技术的快速发展，移动通信网络逐渐显现IT化趋势，表现为软/硬件松耦合，采用通用硬件平台承载电信应用。但现有IMS网络都采用集中式的控制方式和数据组织方式，其专用平台和集中控制特性在移动互联网和业务多样化需求快速发展趋势下存在的单点故障、资源利用率低，可扩展性差以及开发维护成本高等缺点日益凸显。

为了应对目前移动通信网在网络发展和业务运营上的挑战，全球主要的标准化组织ITU-T、3GPP都在积极开展和推进新一代分布式业务网络（DSN）的技术标准研究工作，DSN是一种融合了分布式（P2P）技术和会话初始化协议（SIP）优点、使用P2P层叠网络技术、硬件与软件松耦合的新型电信网络架构，是核心网长期演进方案。DSN的标准化是一个从理念到标准框架，到基础协议，再到具体功能架构和业务流程的复杂过程，还处于探索和完善阶段，但DSN提出的基于P2P和分布式计算技术的核心网“云化”的设计理念为未来电信核心网提出了基本的演进方向。为了弥补IMS网络集中控制的不足，目前业界提出了将DSN的关键技术P2P-SIP引入到IMS系统，对原有基于SIP的集中式呼叫控制IMS架构进行改造，即通过P2P-SIP协议的引入使IMS中CSCF和HSS核心网元具有分布式特性，从而构建一张分布式IMS网络，以实现核心网络的可扩展性、高可靠性和自组织等特性。

2 分布IMS的网络总体架构

分布式IMS的物理拓扑架构在保持和3GPPIMS网络标准定义结构一致的基础上，只是在原有的IMS基础上添加了P2PDHT的覆盖层，即IMS中的P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、HSS等网络功能实体通过P2P技术组织在一起，多个I-CSCF、S-CSCF、HSS功能实体构成一个或多个P2P群，核心网P2P群内会话仍采用IMS原有的SIP控制机制，但使用了P2P叠加网方式替代原SIP协议的位置管理和路由定位以及集中式数据存储。一方面，使用P2P方式来存储用户数据信息；另一方面，核心网接入节点使用P2P协议为用户查找、定位其数据所在的节点获得服务能力。基于P2P-SIP的分布式IMS网络结构如图1所示。

从图1可以看出，分布式IMS并没有改变原有IMS的结构和接口关系，只是在原有IMS体系架构的基础上添加了P2P覆盖层，即把IMS中的功能实体按照主要功能采用P2P技术组织成P2P的节点群，IMS核心网内部SIP使用P2P叠加网特有的路由方式替代原有的路由机制，根据IMS网元逻辑功能不同，可以把P/I/S-CSCF和HSS分别通过P2P构成2个不同类型的P2P群。其中，P/I/S-CSCF群中的超级节点SN包含两类功能：基于SIP的会话控制功能和基于P2P的路由查询和定位功能，SIP会话控制功能和传统IMS网络中的功能实体基本一致；HSS群中的超级节点SN也包含两类功能：基于Diameter的数据控制功能和基于P2P的数据存储和数据路由功能，通过HSS群替代原有IMS中的HSS。以上分布式IMS架构中的P/I/S-CSCF和HSS群是根据网元实体逻辑功能进行划分的，但二者也可以基于DHT功能集成在一个物理实体，构成一个P/I/S-CSCF/HSS群，使得网络控制层的功能能够均质化，进一步优化整个网络的路由结构。

图1 基于P2P-SIP的分布式IMS结构示意图

3 分布式IMS中HSS群的运行机制

3.1 HSS群的组织结构

在IMS中，负责存储用户数据的功能实体为HSS，HSS作为整个网络用户数据的存储中心，为CSCF等核心控制设备提供鉴权、认证、路由和业务触发等功能。在分布式IMS网络中，HSS通过引入P2P-SIP协议，构建HSS群，组成一个DHT覆盖网络，DHT技术本身在数据逻辑分片上有其优势，它将每个用户数据的关键字进行哈希，得到用户数据标识Key，并映射到相应的节点标识ID上，这样，每个用户数据都可以根据DHT规则映射到对应的HSS节点上，全网所有用户数据自然被划分为多个逻辑片段并保存至不同的HSS节点上，采用基于DHT技术的网络结构来解决分布式IMS网络中数据分片与数据分配的问题，用户的唯一标识SIPURI做为每个用户数据用来进行哈希的关键字。图2给出了一个HSS群的组织结构示意图。

3.2 HSS群节点的运行机制

从HSS群结构示意图可以看出，整个网络中的多台HSS通过P2P协议构成一个HSS群，群内节点相互协作共同提供服务。如图3所示，HSS群结构参考了DSN的功能结构设置了一个节点引导服务器，用来记录网络中各HSS节点的状态，任何想要加入HSS群的节点，首先需要通过引导节点服务器获知网络中某一个HSS节点信息，称其为新加入节点的Bootstrap Node，进而通过该引导节点服务器加入到HSS群中，新HSS节点加入群的Bootstrap过程可以分为以下步骤：

（1）新加入的HSS节点向引导节点服务器请求Bootstrap节点。

（2）引导节点服务器返回本地HSS群节点的列表。

（3）新节点把列表中首个节点作为Bootstrap节点并向该Bootstrap节点发送加入请求消息（包含新节点的节点标识）。

（4）Bootstrap节点通过自身路由表找到新节点的后向节点并转发Join消息。

（5）新节点的后向节点将路由表信息及新节点所应负责保存的用户数据返回给新节点，新节点复制后向节点的路由表并将自身的节点信息添加至路由表中。

图2 HSS群结构示意图

图3 新HSS节点加入群的Bootstrap过程

（6）新节点通过域内路由表把路由更新消息（有新节点加入）通知域内的其他节点。

（7）收到路由更新消息的节点更新自己的路由表并返回确认消息。至此，新节点己经成功加入网络并可正常提供服务。

（8）新节点通知引导服务器其已经成功加入网络。

（9）引导服务器记录后返回确认消息。

3.3 HSS群内用户数据的查询机制

HSS群在DHT路由算法的基础上，可以快速准确地实现对于用户数据的查找过程，本节给出了在一个HSS群内的用户数据查找的具体流程。图4中用户A需要和用户B建立连接，用户A向他的归属服务的S-CSCF1发送呼叫请求，呼叫请求中包含用户B的URI（Uniform Resource Indicator，统一资源标识符），为了完成该请求，S-CSCF1需要通过查找用户B的用户数据来得到用户B当前提供服务的S-CSCF2的地址，数据查询的过程可以分为以下步骤：（1）S-CSCF1向其所连接的HSS群接入节点HSS3发出数据查询请求，请求查询用户B的用户数据，请求中包含用户B的URI信息，如Bob.chinaunicom.cn。（2）节点HSS3根据查询请求中用户B的URI信息通过哈希算法计算得到用户B的用户数据的群内唯一的标识符：如Key值=010001010；由于需要的用户数据属于本HSS群但并不是由节点HSS3负责，节点HSS3查询自己的群内路由表，得到和存放所求的用户数据标识最接近的节点标识ID (010001011)所属的HSS群节点HSS0的IP地址，并向节点HSS0发出数据查询请求，此请求中包含需查找数据的群内唯一的标识符。

图4 群内用户数据的查询过程

（3）HSS群节点HSS0收到查询请求，根据请求中包含的用户数据群内唯一的标识符,得知此数据是由自己负责的，返回用户B的用户数据给节点HSS3。

（4）HSS群节点HSS3把用户B的用户数据发送给S-CSCF1，S-CSCF1利用得到的用户B归属服务的S-CSCF2的地址信息就可以和用户B建立会话连接。

图5 P/I/S-CSCF群结构示意图

4 分布式IMS中P/I/ S-CSCF群的运行机制

4.1 P/I/S-CSCF群的组织结构

如图5所示，在传统的IMS架构中，CSCF是整个系统的控制核心，其中P-CSCF是用户接入到系统的入口点，I-CSCF负责消息的路由转发，需要查询HSS获得S-CSCF的位置，S-CSCF负责归属地会话控制，在分布式IMS中可将P/I/S-CSCF 3者功能融合为一体，通过引入P2P-SIP协议，构建P/I/S-CSCF群，组成一个DHT覆盖网络，通过P2P-SIP协议组建和维护基于DHT的覆盖网络，需要完成两个重要功能：一是对节点操作，包括P/I/S-CSCF节点的加入、离开和路由更新操作，实现DHT叠加网的维护；另一个是用户层面的操作，包括用户的注册、资源定位、SIP会话控制等。

4.2 P/I/S-CSCF群节点的运行机制

在P/I/S-CSCF群中，每个CSCF功能实体称为彼此的对等节点，对等节点通过Chord协议组织为一个群。按照Chord协议，每个对等节点保存有一个Chord列表，称为Finger列表。通过Finger列表对群内对等节点进行查询。当一个新的CSCF对等节点加入到群内时，根据Chord协议，这个对等节点的SIPURI地址会被映射为一个相应的键值。该键值决定了这个节点在群中的位置，即决定了这个节点的前向节点和后继节点。每当一个对等节点加入到群中，它需要得到它的前向节点和后继节点的信息用来建立它自己的Finger列表。当一个CSCF对等节点由于某种原因离开时，P-CSCF群并不会影响这个群的整体性能，它的离开只需让P-CSCF群内节点获知，并不需要通知群外不相关节点，这就在最小限度内消除了因为网络局部变动造成的整体调整。

4.3 P/I/S-CSCF群的接入过程分析

如图6所示，P/I/S-CSCF群接入节点收到UE的注册请求后，执行P-CSCF功能，根据Chord协议，为此请求消息哈希一个键值。通过此键值，这个注册请求能够被即将为此UE服务的P/I/S-CSCF对等节点收到，此节点称为P/I/S-CSCF服务对等节点。如果这个被选中的P/I/S-CSCF服务对等节点没有能力为这个UE服务或者过于繁忙，它会为这个注册消息重新哈希键值并转发这个消息给第二个被选中的P/I/S-CSCF对等节点，我们称它为P/I/S-CSCF替补服务对等节点。这种消息的转发是群的内部行为，并不需要外部节点知道。在这个过程中，UE并不会察觉到第一个P/I/ S-CSCF服务对等节点的接入失败，也不需要主动再次获得任何P/I/S-CSCF信息。

图6 UE接入P/I/S-CSCF群示意图

如果不是第一次接入此P/I/S-CSCF群，UE发送的消息中会携带P/I/S-CSCF群SIPURI和P/I/S-CSCF服务对等节点SIPURI的绑定信息。UE可以直接发送此消息给这个P/I/S-CSCF服务对等节点。如果这个P-CSCF服务对等节点过于繁忙，它可以为这个消息哈希一个键值，暂时把此消息转发给其他P/I/S-CSCF对等节点处理。这种消息的转发是群的内部行为，并不需要外部节点知道。在一个群中，某些特殊的功能不需要配置在每一个对等节点上。P/I/S-CSCF服务对等节点有可能没有能力完成用户要求的某些功能。P/I/S-CSCF服务对等节点可以把这个业务暂时转发给其他对等节点处理。在这个过程中，不需要UE进行再注册，整个过程对UE来说是透明的。

5 结束语

本文在对基于P2P-SIP构建的分布式IMS网络系统架构进行分析论述的基础上，重点对分布式IMS系统中主要网元设备的P2P群组织结构和运行机制等关键技术进行了分析和研究。虽然分布式IMS网络的体系架构和演进思路越来越受到业界的普遍认可，但其中还存在很多关键性问题没有得到很好的解决，要想真正取得实用，还需要很长的路要走，需要各方进行深入的研究，并且需要产业链各个环节共同努力推进。

1 ITU-T Draft Recommendation Y.dsnarch,Architecture ofDSN

2 王菁,薛海强,彭晋等.一种新型的分布式IMS实现方法.电信科学.2008,2

3 申敏,魏玄.分布式IMS架构与关键技术.数字通信.2009,6

4 黄开金,罗国明,陈良. P2PSIP在IMS中的应用研究.电子质量.2011,4

2014-12-09）