羅 威,趙金城,宋 江,江 凇,丁 儀,劉 銳

1(南京南瑞信息通信科技有限公司,南京 210003)

2(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 信息通信分公司,南京 210024)

3(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,南京 210003)

1 引言

過(guò)去電力系統(tǒng)的行政交換網(wǎng)以電路交換為主,為日常行政辦公提供優(yōu)質(zhì)的語(yǔ)音,傳輸?shù)韧ㄐ艠I(yè)務(wù).隨著業(yè)務(wù)的不斷增加,現(xiàn)有的程控設(shè)備已不能滿足發(fā)展的需求,國(guó)網(wǎng)公司近年來(lái)逐步在全國(guó)推廣IMS技術(shù)[1].

電力公司現(xiàn)有的IMS系統(tǒng)基本可以滿足企業(yè)員工的正常通話的需求,但是公司不能獲取終端的詳細(xì)通話記錄和將通話記錄保存到公司的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中,無(wú)法提供給員工們查詢來(lái)電信息[2].對(duì)于傳統(tǒng)的路由協(xié)議仍存在的傳輸時(shí)延長(zhǎng)、路由發(fā)送成功率低、鏈路斷裂頻繁等問(wèn)題,Sukdea Yu 等[3]提出了一種貪婪邊界優(yōu)勢(shì)路由(GBSR).當(dāng)節(jié)點(diǎn)面向局部最大值時(shí),節(jié)點(diǎn)生成邊界優(yōu)越圖而不是生成平面圖,恢復(fù)模式中的數(shù)據(jù)包可以使用圖形盡可能快地從恢復(fù)模式中退出.但其是在鏈路路由斷裂的條件下,再進(jìn)行路由的恢復(fù),這樣的恢復(fù)具有很大的時(shí)延性.Bilal 等[4]提出了FMHR算法,該算法在基于貪婪算法選擇最遠(yuǎn)的下一跳同時(shí),還考慮到下一跳節(jié)點(diǎn)的速度和方向,增加了鏈路的相對(duì)穩(wěn)定性.但方向很難精確確定,這也將大大增加計(jì)算負(fù)載和額外開(kāi)銷.

通過(guò)查閱相關(guān)資料,能夠完全適配于IMS體統(tǒng)的路由協(xié)議很少,根據(jù)現(xiàn)有路由協(xié)議的缺點(diǎn),提出一種一種基于錨節(jié)點(diǎn)可靠路由協(xié)議(RRCP),可以降低路由故障和數(shù)據(jù)丟失的頻率,同時(shí)保持較低的路由開(kāi)銷,在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立更穩(wěn)固的路由.

2 基于IMS的監(jiān)控系統(tǒng)

如圖1,該系統(tǒng)首先將域外和域內(nèi)的通話流量鏡像到一個(gè)端口,存儲(chǔ)到流量捕獲模塊中;然后把捕獲的流量利用SIP協(xié)議進(jìn)行解析處理,獲得一些必要的報(bào)文參數(shù)[5];接著分析和處理呼叫數(shù)據(jù)記錄,生成通話記錄;最終可以將用戶的通話記錄保存到公司的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中,便于提供給終端系統(tǒng)查詢.IMS的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2.

方法流程為:

S1:將P-CSCF端口及AGCF端口的流量通過(guò)端口鏡像技術(shù)保存到一個(gè)端口上.域內(nèi)的用戶通過(guò)交換機(jī)連接到P-CSCF端口,域外的用戶通過(guò)交換機(jī)連接AGCF端口,用戶的通話流量存在各自對(duì)應(yīng)的端口中,流量不能同時(shí)保存到一個(gè)端口,這樣就不能很好地處理端口的流量.所以將P-CSCF和AGCF端口通過(guò)交換機(jī)連接到鏡像端口,然后利用端口鏡像技術(shù)監(jiān)聽(tīng)流量的數(shù)據(jù)包,并將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流傳遞給流量捕獲模塊,這時(shí)所需要處理流量可以同時(shí)保存到一個(gè)鏡像端口中,然后將其映射到IMS外的通話記錄分揀服務(wù)其中,可以方便地進(jìn)一步處理數(shù)據(jù).

圖1 IMS的監(jiān)控系統(tǒng)流程示意圖

S2:依次剝離以太網(wǎng)幀、IP報(bào)文和udp報(bào)文,將流量數(shù)據(jù)進(jìn)行SIP協(xié)議解析.

S3:根據(jù)呼叫狀態(tài)獲取所需的報(bào)文參數(shù),并通過(guò)參數(shù)整合出對(duì)應(yīng)的通話記錄,保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中.要想生成完整的呼叫通話記錄(CDR),使用SIP協(xié)議解析的字段信息較多,并且呼叫狀態(tài)的不同所需解析的報(bào)文字段也不一樣.

當(dāng)接收到Invite 請(qǐng)求時(shí),并且有ACK進(jìn)行響應(yīng)請(qǐng)求,表明該呼叫正常接通,此時(shí)SIP協(xié)議會(huì)解析From字段的標(biāo)簽參數(shù)和To字段的標(biāo)簽參數(shù),From和To標(biāo)簽參數(shù)是最小32位寬的真正隨機(jī)數(shù),可以識(shí)別主叫方和被叫方,然后通過(guò)獲取calling Number和called Number提取到通話的主叫號(hào)碼和被叫號(hào)碼.在這次呼叫應(yīng)答過(guò)程中,解析獲取Call ID字段的值,Call ID是給定時(shí)間內(nèi)IMS 域內(nèi)的唯一ID,可以識(shí)別出此次會(huì)話的唯一連接.當(dāng)在這次Invite 請(qǐng)求響應(yīng)結(jié)束接收到Bye 消息時(shí),表明這個(gè)會(huì)話正常結(jié)束,利用SIP協(xié)議解析報(bào)文獲得request Time、start Time和end Time等標(biāo)簽.其中,request Time、start Time和end Time分別記錄通話的請(qǐng)求、開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間,start Time 僅在通話正常接通的情況下記錄.這時(shí)就會(huì)生成一條臨時(shí)的通話記錄存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中.

當(dāng)接收到Invite 請(qǐng)求時(shí),若沒(méi)有ACK 響應(yīng)請(qǐng)求,會(huì)通過(guò)SIP解析出響應(yīng)消息狀態(tài)碼,若是480、486、487,則表示對(duì)方?jīng)]有接聽(tīng)電話.此時(shí)解析出From字段的標(biāo)簽參數(shù)和To字段的標(biāo)簽參數(shù),依然可以判斷出主叫方和被叫方,然后通過(guò)獲取的calling Number和called Number提取到發(fā)起會(huì)話的主叫號(hào)碼和被叫號(hào)碼,最后利用SIP協(xié)議解析報(bào)文獲得request Time標(biāo)簽,可以獲知主叫方發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求的時(shí)間.此時(shí)也會(huì)生成一條臨時(shí)的通話記錄保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中.

圖2 IMS的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

S4:通過(guò)在IMS 核心網(wǎng)集中分揀一個(gè)用戶下的所有終端電話呼叫SIP 信令,合并同一身份對(duì)應(yīng)的多終端來(lái)電信息后生成的呼叫數(shù)據(jù)記錄.進(jìn)行剔重處理,并根據(jù)request-uri 規(guī)整短號(hào).上一步中生成的通話記錄臨時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,當(dāng)同一個(gè)用戶再次向一個(gè)用戶發(fā)起同樣的請(qǐng)求時(shí),首先通過(guò)From和To標(biāo)簽判斷主被叫,然后利用Call ID進(jìn)行強(qiáng)識(shí)別,若Call ID 相等的話,則該條通話記錄不會(huì)被保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,以達(dá)到剔重的效果.如果sip header 中的From標(biāo)簽和To標(biāo)簽中都是短號(hào)的話,則會(huì)從request-uri 頭域取長(zhǎng)號(hào)前綴,來(lái)補(bǔ)齊短信.

S5:合并同一身份對(duì)應(yīng)的多終端來(lái)電信息后生成的呼叫數(shù)據(jù)記錄,生成呼叫詳細(xì)通話記錄,并將生成的記錄存儲(chǔ)到終端.經(jīng)過(guò)上述步驟,本系統(tǒng)利用表格將生成的呼叫詳細(xì)通話記錄存儲(chǔ)到終端,以方便用戶可以查詢通話記錄.

3 基于錨節(jié)點(diǎn)的可靠路由優(yōu)化算法

在上一節(jié)基于IMS的監(jiān)控系統(tǒng)S3 流量捕捉模塊中,流量當(dāng)前IP報(bào)文通過(guò)預(yù)測(cè)鏈路生命期之后的候選中繼節(jié)點(diǎn)的存在來(lái)識(shí)別更可靠的鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).

因此本章提出路由優(yōu)化的協(xié)議(RRCP)主要包括3個(gè)方面:路徑選擇、下一跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和預(yù)測(cè)中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化.首先是路徑選擇方面,在實(shí)際數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前增加一個(gè)選擇路徑的過(guò)程,將端到端的連通概率作為轉(zhuǎn)發(fā)路徑的依據(jù).其次是下一跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的優(yōu)化,不采用基于貪婪算法選擇最遠(yuǎn)下一跳,而是選擇最靠近下一個(gè)錨點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn).最后是預(yù)測(cè)中繼節(jié)點(diǎn)方面,先確定下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)并計(jì)算出鏈路生命期.再對(duì)當(dāng)前中繼節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置預(yù)測(cè),隨后判斷鄰居節(jié)點(diǎn)在鏈路生命期內(nèi)是否離開(kāi)了當(dāng)前中繼節(jié)點(diǎn)的通信范圍,若離開(kāi)了當(dāng)前中繼節(jié)點(diǎn)的通信范圍,則當(dāng)前中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送阻塞的消息給起始錨節(jié)點(diǎn),錨節(jié)點(diǎn)立刻選擇另一條最短路徑.

3.1 路徑選擇機(jī)制

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S 開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前,首先要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)路徑的選擇,即構(gòu)建通往目的地節(jié)點(diǎn)D的路由路徑.因此源節(jié)點(diǎn)S 首先發(fā)送路徑發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求的報(bào)文信息,源節(jié)點(diǎn)的速度向量以及目的節(jié)點(diǎn)的位置等均被記錄到廣播報(bào)文的報(bào)頭中[6].接收到廣播報(bào)文的鄰居節(jié)點(diǎn),計(jì)算離上一跳節(jié)點(diǎn)的連接概率.

假設(shè)n條路徑中的某一條路徑Path(i)由k條鏈路構(gòu)成,每條鏈路的協(xié)助連通概率為Pl,其中l(wèi)=1,2,3,···,k,則該P(yáng)ath(i)的連通概率為:

轉(zhuǎn)發(fā)路徑發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求的每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)其自己的數(shù)據(jù)重寫(xiě)報(bào)文分組中的“前節(jié)點(diǎn)的速度向量”字段.如果節(jié)點(diǎn)的速度向量的方向與“前節(jié)點(diǎn)的速度向量”字段不同(即非平行),則節(jié)點(diǎn)將錨點(diǎn)添加到廣播包,錨節(jié)點(diǎn)包含當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和先前節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)以及它們各自的速度矢量[7].當(dāng)廣播路徑通過(guò)新的交叉時(shí),則將另一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)添加到分組[8].最后,當(dāng)廣播到達(dá)目的地時(shí),目的地節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的整個(gè)路徑被記錄為一組中間錨節(jié)點(diǎn).

目的節(jié)點(diǎn)D在接收到多條路徑的信息后,目的地節(jié)點(diǎn)D 選擇一條協(xié)助連通概率最高的路徑作為最優(yōu)路徑[9].隨后路由答復(fù)從目的地節(jié)點(diǎn)D發(fā)送回源節(jié)點(diǎn)S.路由答復(fù)是單播分組,其包含目的地的坐標(biāo)和速度向量、一組錨節(jié)點(diǎn)信息以及其他一些到達(dá)目的地的路上路由請(qǐng)求收集到的信息.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S 接收到路由答復(fù)后,記錄下路徑信息并可以開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)分組.

3.2 下一跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

該路由方案采用了錨節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)接收到目的地節(jié)點(diǎn)關(guān)于這組錨節(jié)點(diǎn)的速度矢量、位置等信息.當(dāng)前中繼節(jié)點(diǎn)在選擇下一跳的時(shí)候,并不采用傳統(tǒng)的貪婪算法將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到地理上更接近目的地的鄰居節(jié)點(diǎn),而是選擇最靠近下一個(gè)錨點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn).

為了避免多次嘗試逐漸接近下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn),每次轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)檢查其位置和下一個(gè)錨點(diǎn)的位置是否分開(kāi)小于節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的一半.如果是,則標(biāo)記該錨點(diǎn),并且選擇下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn);如果不是,則繼續(xù)該過(guò)程,尋找下一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)直到分組到達(dá)其目的地節(jié)點(diǎn)[10].

3.3 預(yù)測(cè)候選中繼節(jié)點(diǎn)方法

假設(shè)錨節(jié)點(diǎn)為在報(bào)文傳輸途中路徑的交點(diǎn)處,定義兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的路段為鏈路[11];在傳輸過(guò)程中,錨節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)分組,選擇最靠近的鏈路,將分組轉(zhuǎn)發(fā)給此鏈路;如果錨節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)所選擇的鏈路阻塞,則選擇最接近下一個(gè)錨點(diǎn)的鏈路[12,13].如圖3所示,在最接近下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的鏈路(即鏈路1)上出現(xiàn)阻塞的示例場(chǎng)景.在這種情況下,錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)A在從中繼節(jié)點(diǎn)接收阻塞消息之后,將重新規(guī)劃路由到的下一個(gè)最接近下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的鏈路2.

圖3 阻塞發(fā)生情況模型圖

具體算法的實(shí)施方法流程可以分為以下4個(gè)步驟:

步驟1.當(dāng)前中繼節(jié)點(diǎn)將最接近下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的目的地確定為下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),并計(jì)算出此鏈路的生命期.Pn和Pc分別表示新選擇的中繼節(jié)點(diǎn)和當(dāng)前中繼節(jié)點(diǎn).使用鄰居表中的信息,Pc將最接近下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)確定為下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Pn,根據(jù)Pc和Pn的位置及速度信息可以估計(jì)出此鏈√路的生命期it_expire.

步驟2.對(duì)當(dāng)前中繼節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置預(yù)測(cè).

步驟3.通過(guò)式(3)對(duì)Pc的鄰居節(jié)點(diǎn)i的位置進(jìn)行預(yù)測(cè):通過(guò)式(4)計(jì)算此時(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)i與Pc的位置之間的距離.若D

步驟4.在it_expire到期前,定義一個(gè)預(yù)定間隔,每過(guò)一次預(yù)定間隔,Pc便重新檢測(cè)阻塞的鏈路上是否依舊是D≥R,若發(fā)現(xiàn)D

4 性能分析與評(píng)價(jià)

4.1 路由算法仿真實(shí)驗(yàn)

本文利用的網(wǎng)絡(luò)仿真工具是OMNeT++軟件.實(shí)驗(yàn)設(shè)置基于3 km×3 km的數(shù)據(jù)傳輸情景:5條橫向和5條垂直的數(shù)據(jù)傳輸通道.數(shù)據(jù)沿著給定的傳輸路徑行進(jìn),直到它們到達(dá)交叉?zhèn)鬏斂?然后以相等的概率隨機(jī)地在可用方向之一(直行,向右或向左)中繼續(xù)傳輸.實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置如表1所示.

此算法由路由故障數(shù)、丟包率、數(shù)據(jù)交付延時(shí)、平均跳數(shù)這4個(gè)度量衡量,并根據(jù)GBSR和FMHR路由協(xié)議來(lái)評(píng)價(jià)所提出的基于錨節(jié)點(diǎn)的可靠路由優(yōu)化協(xié)議的性能[14,15].根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置完畢后,接下來(lái)分別對(duì)GBSR和FMHR路由協(xié)議以及RRCP協(xié)議進(jìn)行仿真,仿真的變量是節(jié)點(diǎn)密度,用recordScalar函數(shù)輸出程序中4種度量參數(shù)的值.根據(jù)仿真結(jié)果在Matlab中畫(huà)出節(jié)點(diǎn)密度與4種度量參數(shù)的關(guān)系.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖4顯示路由故障的數(shù)目隨著節(jié)點(diǎn)密度的增長(zhǎng)而減小,當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度小于20個(gè)/km時(shí),RRCP協(xié)議與GBSR和FMHR協(xié)議相比有更低的路由故障.在更密集部署的網(wǎng)絡(luò)的情況下,這3種協(xié)議的性能在路由故障方面相似.圖5顯示丟包率隨著節(jié)點(diǎn)密度的增長(zhǎng)而減小.當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度小于30個(gè)/km時(shí),RRCP協(xié)議與GBSR和FMHR協(xié)議相比有更低的丟包率,在更密集部署的網(wǎng)絡(luò)的情況下,這3種協(xié)議的性能在丟包率方面無(wú)太大差別.圖6顯示平均跳數(shù)隨著節(jié)點(diǎn)密度的增長(zhǎng)而減小.也就是說(shuō),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密集節(jié)點(diǎn)密度對(duì)GBSR、FMHR協(xié)議或RRCP協(xié)議沒(méi)有顯著的影響.但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)大于30個(gè)/km時(shí),GBSR和FMHR路由協(xié)議顯示出比RRCP協(xié)議稍微更小的平均跳數(shù).圖7顯示數(shù)據(jù)分組的延時(shí)主要取決于數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中的跳數(shù).對(duì)于GBSR、FMHR協(xié)議和RRCP協(xié)議,數(shù)據(jù)交付延時(shí)隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加而減小.也就是說(shuō),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密集,節(jié)點(diǎn)密度對(duì)GBSR、FMHR協(xié)議或RRCP協(xié)議沒(méi)有顯著的影響.但是當(dāng)密度大于30個(gè)/km時(shí),GBSR和FMHR協(xié)議顯示出比RRCP協(xié)議稍微更小的數(shù)據(jù)交付延時(shí).

圖4 路由故障數(shù)

圖5 丟包率

圖6 平均跳數(shù)

圖7 數(shù)據(jù)交付延時(shí)

4.2 IMS監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試

以上驗(yàn)證了本文算法的優(yōu)越性,還需對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行功能性測(cè)試.如圖8所示,使用RRCP協(xié)議后,較傳統(tǒng)的IMS監(jiān)控系統(tǒng),在監(jiān)控響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)上有較大改善.實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組同時(shí)對(duì)相同的信息量進(jìn)行監(jiān)控,分別記錄系統(tǒng)在處理10、15、20、25、30、35 TB數(shù)據(jù)量后,系統(tǒng)監(jiān)控的響應(yīng)時(shí)長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)中保證實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組處理參數(shù)相同,其結(jié)果如圖8所示.

圖8 監(jiān)控響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

分析圖8可知,在對(duì)監(jiān)控響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)對(duì)比中,信息處理數(shù)據(jù)量的不斷增加,實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的監(jiān)控響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)也都不斷增加,而當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到35 TB時(shí),實(shí)驗(yàn)組最高時(shí)長(zhǎng)為0.85 s,對(duì)照組最高時(shí)長(zhǎng)為1.25 s.因此可以看出,優(yōu)化了路由協(xié)議后,監(jiān)控響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)得到有效降低.

5 結(jié)論與展望

本文研究電力物聯(lián)網(wǎng)IMS和路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)特性,提出了一種基于錨節(jié)點(diǎn)可靠路由的電力IMS電話終端呼叫記錄集中分揀方法,此方法一方面給員工帶來(lái)便利,提高了工作效率,另一方面該系統(tǒng)IP報(bào)文傳輸中所采用的RRCP路由協(xié)議,具有開(kāi)銷少、傳輸數(shù)據(jù)丟包率低、通信鏈路穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),最后我們還利用OMNeT++軟件對(duì)改進(jìn)的路由協(xié)議進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)證明提出的路由優(yōu)化協(xié)議在路由的故障數(shù),丟包率,數(shù)據(jù)交付延時(shí),平均跳數(shù)上顯示出更好的性能,并在實(shí)際的監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試中監(jiān)控響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)有效降低.