CC BY
150
7 декабря 2011 г. 16:53
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Оценка характеристик сигнального трафика в сети связи на базе подсистемы 1МБ
Сигнальный трафик в мультисервисной сети, построенной но базе подсистемы IMS, генерируется протоколом SIP при установлении, управлении и разьединении сеансов связи, а также протоколом Diameter при выполнении процедур авторизации, аутентификации и учета. До настоящего времени вопрос оценки объема сигнальной нагрузки и времени установления соединения в подсистеме IMS остается мало исследованным. В дослоде, опираясь на исходные данные, полученные специалистами British Telecompl и на методы, разработанные в [3,41 сделаны предварительные оценки важнейших характеристик сигнального трафика — величины сигнальной нагрузки между функциональными узлами подсистемы IMS и среднею времени установления соединения.
Самуилов К.Е.,
зов. кафедрой систем телекоммуникаций РУДН, ksfyn@scLplu.edu.ru
Сопин Э.С.,
магистрант кафедры систем телекоммуникаций РУДН, scpin-eduard@yandex.nj
Чукарин А.В.,
доцент кафедры систем телекоммуникаций РУДН,
chukarin@yandex.ru
Постановка задачи исследований
IMS (IP Multimedia Subsystem) является решением, используемым при построении мультисервисных сетей, в которых услуги реализуются на основе протокола инициирования сеансов связи SIP (Session Initiation Protocol) [6]. Изначально концепция IMS разрабатывалась консорциумом 3GPP (3rd Generation Partnership Project) для сетей мобильной связи третьего поколения 3G, однако позднее она была предложена в качестве основы и для сетей фиксированной связи следующего поколения (NGN, Next Generation Network). В ддокло-де рассматриваются функциональные элементы IMS, применяемые как в мобильных, так и в фиксированных сетях, и поэтому их специфика не влияет на общность излагаемых далее результатов.
Аналошчно тому, как для сетей ТфОП, GSM и ИСС — система
Сеть абонента А Домашняя сеть абонента А Домашняя сеть абонента В
ftic. 1. Функциональные объекты IMS
ОКС 7 является основным стеком протоколов сигнализации, для подсистемы IMS таким протоколом является SIR который используется для установления, управления и разьединения сеансов связи. Для процедур авторизации, аутентификации и учета в IMS используется также протокол Diameter
Дадим краткую характеристику подсистемы IMS в объеме, достаточном для дальнейшего изложения результатов. На рис. 1 показан набор функциональных объектов IMS, взаимодействующих при предоставлении услуг абонентам (4,5,6]. Предполагается, что абонент А осуществляет вызов абонента В, причем оба абонента находятся в своих домашних сетях (Home Network). Согласно стандарту сеть абонента А в таком случое называется Origination Network а сеть абонента В — Terminating Network.
Основными функциональными элементами IMS являются модуль, реализующий функцию управления сеансами связи CSCF (СаН Session Control Function) и сервер домашних абонентов HSS (Home Subscriber Server), факт>«ески являющийся базой пользовательских данных.
В состав модуля CSCF включены три функции — функция обслуживания (S-CSCF, Serving CSCF), функция запроса (Interrogating CSCF, I-CSCF) и функция прокси-сервера (P-CSCF, Proxy CSCF). Функция S-CSCF предназначена для регистрации абонентов в базе данных HSS, а также осуществляет контроль и управление сеансами связи. Функция I-CSCF реализует доступ в домашнюю сеть и, в случое необходимости, может выполнять функции сетевого экрана, скрывая внутреннюю топологию сети. Функция Р-CSCF обеспечивает первую точку контакта для терминала IMS, а также может выполнять шифрование и сжатие сообщений. Подчеркнем еще раз, что определенные выше объекты являются функциональными, т.е. для подсистемы IMS определена только функциональная архитектура, а физическая реализация данных функций зависит от решения конкретного производителя. Важно, что в общем случае при управлении сеансами связи функциональные узлы IMS (далее, для краткости
— узлы IMS) обмениваются сигнальными сообщениями и создают сигнальный трафик, который должен обслуживаться с заданными параметрами качества, которые могут определяться требованиями стандартов, а также соглашениями об уровне обслуживания (SLA,
Сеть абонента В
T-Comm, #7-2010
Service Level Agreement). Узлы CSCF обмениваются между собой сообщениями протокола SIR а для обращения к серверу HSS используется протокол Diameter. Терминалы абонентов (UE, User Equipment) соединяются посредством узлов Р-CSCF тех сетей, в которых они на данный момент находятся и через эти функции взаимодействуют с другими узлами IMS, находящимися в их домашних сетях При регистрации абонента в некоторой сети, функция Р-CSCF этой сети определяет домашнюю сеть абонента и соответствующую функцию S-CSCF, в которой он обслуживается.
Введем теперь определения основных характеристик сигнального трафика, являющихся предметом исследования в данной работе. Под сигнальной нагрузкой а(х, у) буд ем понимать нагрузку, создаваемую сообщенной протоколов SIP и Diameter между узлами х и у подсистемы IMS. Например, на рис 1 показана величина o(S-CSCF], S-CSCF2) сигнальной нагрузки между узлами S-CSCF, и S-CSCFj. Напомним, что величина а нагрузки определяется как а=XT, где Л — интенсивность потока сообщений, Т — среднее время передачи сообщения.
Время установления соединения является важнейшим параметром качества обслуживания и определяется с момента, когда терминальное оборудование вызывающего абонента передало всю информацию, необходимую для установления соединения, до момента, когда это оборудование получило сигнал о состоянии терминального оборудования вызываемого абонента. На рис 2 изображен фрагмент диаграммы одной из проц едур, на которой показана случайная величина (СВ) AIMS времени установления соединения в подсистеме IMS [4]. В рассматриваемой процедуре время установления соединения определяется, начиная с момента передачи терминалом абонента А к узлу Р-CSCF сообщения INVITE до момента принятия терминалом абонента А сообщения 180 Ringing, отравленного терминалом абонента В.
Покажем на примере фрагмента процедуры установления соединения, отмеченном заштрихованными областями на рис 2, как определяется СВ Л(м5. На рис 3 детально показаны составные части 3 Д/м5, причем задержка, соответствующая той части процедуры, которая не приведена на рис 3, обозначена как СВ Д.
Из рис. 3 следует, что формула для расчета СВ вид
^/АС = А,/» + ^Р-СХГ + А/' А? -СЗСГ
+А1Р + А + А1Р + Д? + Д№ + Ар + ДР ,
П)
где и Д$-с$СГ — обработки сообщений в узлах
Р-С$СР и Э-СЭСР соответственно, А,р — задержка при передаче сообщения по 1Р-сети. Составляющие СВ Д, определяются аналогично и не включены в формулу (1) для краткости изложения. Заметил что составляющие СВ Д)м5 в формуле (1) для упрощения записи не снабжены индексами, отражающими их принадлежность тому или иному сегменту сети.
В подсистеме 1М5 стандартом определен набор сигнальных процедур для различных вариантов установления соединения. В разделе 2 доклада на основании результатов, представленных в [21 показано, что статистически на время установления соединения существенное влияние оказывают восемь основных процедур, диаграммы которых не приводятся, а расчет СВ А1МЗ для каждой процедуры проводится по формуле аналогичной формуле (1).
Таким образом, мы определили основные понятия, необходимые для постановки задачи исследования, которая состоит в:
— разработке модели сигнального трафика подсистемы 1М$, создаваемого сообщениями процедур протоколов Б1Р и йюте^ег (см. раздел 2);
— оценке значения величины сигнальной нагрузки о(х, у) между
FW. 2. Процедура установления соединения в IMS
T-Comm, #7-2010
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Сеть абонента А
Домашняя сеть абонента А
Аг
AP-CSCF AS-CSCF
д
д,
As -CSCF &ІГ
UEi
P-CSCF,
S-CSCF,
1 INVITE
2.100 Trying
52. 180 Ringing
FVki 3. Фрагмент процедуры установления соединения
3 INVITE
4 100 Trying
ID
t
51. 180 Ringing
6 INVITE
ПГ
50. 180 Ringing
узлами x и у подсистемы IMS (см. раздел 3);
— оценке среднего значения AIMS времени установления соединения (см. раздел 4).
Модель сигнального трафика подсистемы IMS
Известно [7], что модель сигнального трафика включает: набор сигнальных процедур; значения объема передаваемой сигнальной информации, генерируемой сигнальными процедурами; процентное соотношение процедур в общем объеме трафика, порождаемого вызовами абонентов; состояния вызовов и их процентное соотношение.
В таблицах 1 и 2 приведены результаты построения модели сигнального трофика подсистемы IMS. При построении модели в расчет брались процедуры, описанные в версии 5 (Release 5) стандартов 3G консорциума
Таблица 1
№ Описание процедуры Даля в обшем трафике Средняя длина сообщения (байт) Среднее число сообщения Средний объем сигнальной информации (байт)
1 Установление соединения, пользователь зарегистрирован 0,087 750 42 31500
2 Установление соединения, пользователь не зарегистрирован 0.01 750 44 33000
3 Регистрация 0,006 753 16 12048
4 Перерегистрация 0,051 855 6 5130
5 Отмена регистрации, инициированная сетью 0,001 798.33 6 4790
6 Отмена регистрации, иннциированная пользователем 0.006 832 8 6656
7 Подписка на ннфорх(ацню присутствия 0,003 891 14 12474
8 Уведомление об изменении информации присутствия 0,836 816 4 3264
ю
T-Comm, #7-20 Ю
3GPP [4] (установление соединения, регистрация, перерегистрация, отмена регистрации), а также процедуры, реализующие новые услуги, описанные в версии 6 (Release 6)
[5] (подписка на информацию присутствия и уведомление о статусе присутствия).
В таблице 1 приводятся данные по процентному соотношению процедур в общем объеме трафика, а также информация по объемам сигнальной информации. Расчеты долей производились на основе данных о структуре сигнальною трафика подсистемы IMS сети оператора British Telecom [2].
Каждая процедура из табл. 1 с определенной вероятностью может находиться в некотором состоянии. Для процедур установления соединения (1 и 2) в соответствии с [8] определены состояния, перечисленные в табл. 2, а для всех остальных процедур определено единственное состояние — успешное выполнение с вероятностью 1 -
Расчет длины сообщений протокола SIP основан на статистических данных [8J, в то время как длины сообщений Diameter вычислены приблизительно, исходя из числа пар AVP (Attribute Value Pair) в каждом сообщении и средней длины поля AVP При расчетах также учитываются длины заголовков протоколов нижних уровней, которые добавляются к сообщениям SIP при передаче по IP-сети. Отметим, что длины сообщений рассчитывались без учета их сжатия. Данные о д линах сигнальных сообщений предетавлены в табл. 3.
Построенная модель трафика содержит все данные, необходимые для оценки сигнальной нагрузки, создаваемой сообщениями соответствующих протоколов между узлами подсистемы IMS. Расчеты, результаты которых приведены в разделе 3, проведены с использованием методов, разработанных в [ 1J.
Для расчета среднего времени установления соединения, где в качестве исходных данных также используется модель сигнального трафика, была построена математическая модель в виде открытой неоднородной сети массового обслуживания (9]. При разработке модели были использованы и частично модифицированы методы, разработанные в [1 ]. В данной работе мы не приводим весьма объемное и рутинное описание и анализ модели, отсылая заинтересованного читателя к упомянутым выше статьям. По мнению авторов, интерес представляют результаты вычислений и их обсуждения, представленные в разделе 4.
Оценка величины сигнальной нагрузки
Для расчета сигнальной нагрузки для пары (х; у), где х и у—узлы IMS, обменивающиеся сигнальными сообщениями, необходимо определить средний объем сигнальной информации, передаваемой от х к у (Цх,у)) и от у к х (Цу,х)). Для расчета данных величин для каждого состояния каждой процедуры определяется общий объем передаваемой сигнальной информации на этом участке в обоих направлениях, а затем средний объем сигнальной информации с учетом приведенных долей вызовов и вероятностей состояний. Тогда сигнальная нагрузка вычисляется по формуле
Таблица 2
№ Состояние процедуры (1) 11ЛН (2) Вероятность состояния
1 Успешное соединение 0,65
•у Абонент нс отвечает 0.18
3 Абонент занят отказ 0.17
Таблица 3
CooSmcHHc SIP Дтона (байт) Сообщение SIP Длина (байт) Сообщение Diameter Диша (байт)
INVITE 976 ACK 676 UAR 618
100 Trying 496 BYE 556 UAA 728
183 Session Progress 956 REGISTER 856 SAR 728
PRACK 496 401 Unauthorized 726 SAA 798
200 OK 1036 SUBSCRIBE 946 LIR 548
UPDATE 496 NOTIFY 596 LIA 728
180 Ringing 496 486 Busy 496 MAR 728
MAA 798
где А (х/ у) — суммарная интенсивность выполнения сигнальных процедур, а V— скорость передачи данных.
На рис. 4 представлен результат вычислений сигнальной нагрузки между узлами подсистемы IMS для случая скорости передачи 2 Мбит/с Видно, что наиболее загруженными при такой архитектуре сети являются звенья сети между P-CSCF и S-CSCF Расчеты проводились при суммарной интенсивности выполнения всех процедур, соответствующей 15 выз/сек, при этом без ограничения общности, предполагается, что число вызовов в направлении от P-CSCF1 к P-CSCF2 и обратно совпадают.
Приведенный пример показывает, что сигнальные процедуры оказывают существенное влияние на объем трафика в IMS. Так, например, нагрузка порядка 0,1 Эрл (между P-CSCF и S-CSCF) является весьма значительной, учитывая, что рассматривается канал с шириной полосы пропускания 2 Мбит/с. Для сравнения, такая нагрузка соответствует нагрузке шестнадцати стандартных звеньев ОКС7 (64 Кбит/с) в нормальных условиях функционирования сети (те. при нагрузке на звено 0,2 Эрл).
Проведенные расчеты подтверждают, что сигнальный трафик IMS создает ощутимую нагрузку на IP-сеть и должен учитываться при расчетах сетей следующего поколения или сетей 3G. Разработанный метод может использоваться д ля расчета требуемой ширины полосы пропускания при резервировании ресурсов, необходимом для обеспечения требуемого качества обслуживания.
a{x:y) — (L( ,v. дг) + Цх^у))
А(х: у) V *
(2)
FW. 4. Ситальная нагрузка между узлами IMS
T-Comm, #7-2010
и
3500 3000
/
/ у У^ У У
1000 500 0 ——-гг — —■ ^
О
Р-СБСР
Э-СЭСР
ЮБСР
2 4 6 8 10 12 14 16 16
0 082 0.164 0.247 0.329 0.411 0.493 0.575 0.657 0.740
0.082 0.163 0.245 0.326 0.406 0,469 0.571 0.652 0.734
0.015 0.031 0.046 0.061 0.077 0.092 0.107 0.122 0.136
У
Л. выл/сек Эрп
----------- Э«слоненциальнов раафедепемие времени обработки сообщений
— — - До терминированное распределение времени обработки сообщений
Рис. 5. Среднее время установления соединения в 1МБ
Оценка среднего времени установления соединения
Итак, время установления соединения согласно формуле (1) складывается из времен передачи сообщений по сети и времен обработки сообщении на узлах. Б предположении, что все узлы функционируют независимо, и независимо передаются сообщения по сети, можно оценить среднее время установления соединения по формуле
М Д/д<5 = А/ Ьр-сзсг ■** М А $-сзет + А/Л + Д/Л5_асг + +МА/,^Г5С/г + 3/?7Т. (3)
В наших расчетах для простоты мы предполагаем, что время передачи по сети постоянно, и не зависит от маршрутизации сообщений, т.е. А/А/, = - /?7Т . Таким образом, для вычисления МД^ необходимо вычислить величины средних времен обработки на узлах.
В (1 ] была разработана модель процедуры установления соединения по протоколу Б1Р в виде открытой сети массового обслуживания (СеМО) с заявками различных клоссов, которая позволяла оценить времена сериализации сообщений. Для расчета среднего времени установления соединения в 1М5 этот метод был модифицирован, при этом учитывались задержки в узлах сети, вызванные загрузкой в связи с обработкой сообщений процедур всех типов (табл. 1). При построении СеМО было сделано предположение, что вероятность ошибки или потери сообщения равна нулю, т.е. все сообщения всегда передаются и обрабатываются успешно, не передаются повторно. Считалось, что поток вызовов каждой процедуры является гтуоссоноеским время обработки с учетом их сериализации не зависит от типа сообщения, а все процедуры завершаются успешно. Узлы СеМО моделируют функциональные узлы 1М5, заявкам же соответствуют выполняемые в подсистеме процедуры различных типов. Вызовы от абонентов поступают на узлы Р-СБСР, и Р-СБСР^ и, таким образом, на СеМО поступают 16 потоков заявок (8 типов процедур в двух направлениях). Каждая заявка помимо расположения на определенном узле характеризуется отношением к некоторому классу, который используется для маршрутизации заявок по
СеМО в соответствии с моделируемыми процедурами. Например, заявка класса 1 на узле 1 соответствует процедуре установления соединения (пользователь зарегистрирован), в которой на данный момент обрабатывается сообщение ИЧУЛГЕ на узле Р-С$СЯ1.
Полученная модель позволяет оценить величины средних времен обработки на узлах как средние времена пребывания заявок в узлах СеМО. Предполагая, что на каждый узел СеМО поступоет пуоссоновский поток заявок, для вычисления среднего времени пребывания необходимо знать интенсивность поступающего потока заявок на каждый узел. Такие интенсивности могут быть получены из системы уравнений равновесия, однако заметим, что для нашего случая (без повторных передач сообщений) решение тривиально и интенсивность потока в /-узле ^-процедуры равна У- * пА(., где л( — число сообщений, обрабатываемых /-узлом на одну (-процедуру, Л( — интенсивность /-потока заявок, поступающих на СеМО. Тогда интенсивность потока в узле А, = £ А4. Теперь, считая, что узлы функционируют независимо друг от друга, можно рассчитать среднее время выполнения каждой процедуры суммированием средних времен пребывания каждого сообщения этой процедуры на узлах, через которые прохедят сообщения, а также добавив суммарное время передачи сообщений, связанных с передачей по 1Р-сети. Ниже приводятся численные результаты, полученные с помощью описанного выше метсда, где предполагается, что время передачи сообщений по сети равно 10 мс
Рассмотрим два случая — для экспоненциального и детерминированного распределения времени обслуживания в узлах СеМО. Среднее время обработки сообщения положим одинаковым (20 мс) для всех функциональных узлов (без учета ожидания обработки) и, без ограничения общности, будем считать, что интенсивности потоков вызовов, поступающих на Р-СБСР, и Р-СБСРо, одинаковы. Графики зависимости среднего времени установления соединения от суммарной интенсивности поступления вызовов всех процедур представлены на рис 5.
Из графика на рис. 5 видно, что среднее времени установления соединения меньше при детерминированном распределении времени обслуживания сообщений, поскольку в этом случае время ожидания в очереди на обслуживание на функциональных узлах в два
12
Т-Сотт, #7-2010
раза меньше по сравнению с экспоненциальным распределением. В области реальных значений нагрузок (0,3-0,5 Эрл) среднее время установления соединения находится в диапазоне 1-1,5 секунд Учитывая, что рассматривались задержки только для протоколов SIP и Diameter, задержки в установлении соединения получились ощутимыми — напомним что для телефонии МСЭ-Т определяет требования к задержкам при установлении соединения (до 3 сек на местные и до 5 сек на междугородные вызовы)- Таким образом, вклад подсистемы IMS в задержки при передаче сообщений является значюиым и должен учитываться при планировании сетей NGN.
Литература
1 ICE Самуйпов, М.В. Луэгачев, О.Н. Плсжама Разработка вероятностной модели для анализа показателей качества протокола тициирования сеансов связи // Вестник Российского ун>верситета дружбы народов Серия Математика. Информатика. Физика, 2007. — № 3-4. — С53-63.
2. V.S. Abhayawardhana, R. Babbage. A traffic model for the IP Multimedia Subsystem (IMS) // 2007, IEEE Magazne. - R783-787.
3 Bobrikov Nv Chukarin A, Lagodwv M. Signaling and Intelligent Large-scole Network Dimensioning and Planning // The 13th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, Melee on 2006, Benalmadena, Spain. — 2006. — R725-728.
4.3GPP TS 24.228 v5.13.0 (2005-06) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminds, Signalling flows for the IP Muhimecfej Cal Control based on Session Initiation Protocol (SIP) and Session Description Protocol (SDP); Stage 3 (Release 5).
5. 3GPP T5 29.328 v6.6.0 (2005-06) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Core Network and Terminals; IP Multimedia (IM) Subsystem Sh Interface; Signaling flows and messoge contents (Release 6).
6. Яновский ГГ. IP Mukimedia Subsystem: принципы, стандарты и архитектура //М.: Вестник связи, 2006. — N*3 — С71-76.
7 Самуилов К.Е Методы анализа и расчета сетей ОКС 7. — М.: Изд во РУД Н, 2002. - 292 с
8 Ац*|эианав Г А; Самуйпов К.Е; Гайдамака Ю.А Анализ модели трофика ОКС 7 по результатам обработки статистжи измерений //Вестнж связи, 2007. - №11. -С 17-23
9 ВишекжийВ^. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. — Mj Техносфера, 2003. — 512 с
T-Comm, #7-2010
13
