基于負載均衡的分布式IMS體系架構的優化

羅 威，姜元建，李 洋，郎 赫，張宇辰，王慧敏

(1.南瑞集團公司 國網電力科學研究院,江蘇 南京 211000；2.國網天津市電力公司信息通信公司,天津 300010；3.南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210003)

基于負載均衡的分布式IMS體系架構的優化

羅 威1，姜元建1，李 洋1，郎 赫2，張宇辰2，王慧敏3

(1.南瑞集團公司 國網電力科學研究院,江蘇 南京 211000；2.國網天津市電力公司信息通信公司,天津 300010；3.南京郵電大學 通信與信息工程學院,江蘇 南京 210003)

IP多媒體子系統(IMS)作為通用平臺能夠快速、標準化地創建移動服務。IMS典型的部署模型支持集中的會話控制和應用程序服務器。而且，它們依靠復雜的邊界元素來完成功能服務,例如政策執行。一個簡單構架的第一步是將會話控制、應用服務和多媒體功能融合在一種邊緣元素中。這種分布式的IMS體系擁有相同的處理節點，大大降低了系統的復雜性和功能模塊實例化的規模。但是，分布式架構會減少統計增益，因此提出了一種負載均衡概念來解決這個問題。該機制在較小的控制和消息開銷的基礎上實現了一個大的虛擬的集中式服務器。該負載分享機制是輕量的，且開銷最小。可以根據估計負載分享參數的方程進行微調，這個方程的輸入包括重定位的開銷和負載不對稱參數x。仿真結果表明了該算法的基本特征，并且闡述了負載均衡的益處，能夠為進一步完善負載分享的具體實施提供幫助。

移動服務平臺；IP多媒體子系統構架；分布式；負載均衡

0 引 言

基于IP技術的下一代網絡的發展促進了公共語音電話的發展[1]。3GPP IP多媒體子系統(IMS)及其擴展ETSI TISPAN為NGN的全IP網絡端到端多媒體會話業務的融合會話控制功能框架提供了標準[2]。這

些下一代框架不僅僅旨在代替現有的網的大小來獲得相應的資源。節點只有在高負載的情況下會卸載會話。負載系數的定義對高負載具有一定影響。

負載系數是基于負載等級ρ計算出來的。負載等級是前一個測量時間段里的已用資源與可用資源的比值。ρ只定義了分配給每一個用戶通話的IMX功能實體的資源占用率。所以，當ρ=0.0時，用戶只是完成了PSTN，而且想為快速的服務創新提供一個平臺。IMS定義了會話控制、應用服務和多媒體傳輸等功能，實現可以是分布式的，也可以是集中式的[3-4]。在大多數配置場景中，會話邊緣控制是放置在網絡邊界處，傳統的SBC只執行會話控制函數的一部分。文獻[5]提出了一個IP多媒體交換的概念，是一個融合了會話控制、應用服務和邊界多媒體的可替換架構，減少了集中式的部件。這個平臺的邊緣包括了實現IMS功能的目的節點。這樣的融合不僅簡化了平臺的管理和操作，而且減少了系統內部信令的復雜度。但是，該架構也帶來了一定的系統開銷，由于不可預測的交通流量、突發流的影響和增值業務(電話投票、平臺失敗)，有些分布式節點會出現過載的情況。所以，會話可能在某個節點丟失，而此時不妨存在其他仍有很多空閑空間的節點。理論上，可以通過度量每個節點最壞的情況來避免這樣的情況，但是開銷太大。相對于集中式設計來說太浪費資源了，因此分布式設計需要負載均衡機制在不同的節點上進行分發處理[6]。負載分享不是一個新的概念，已經在PSTN設備[7]和大規模的服務集群上廣泛使用[8]。IMS服務器的局部負載平衡機制已有研究[9]，過載信令也在不斷的研究改進中[10]。但是在高分布的IMS系統中進行實現卻遇到了一些困難。

因此，文中系統性分析了在此環境中的負載分享機制，提出了負載分享的設計方法和實現，并進一步提出一種可擴展的負載平衡機制，以及一種輕量級的重定位機制。

1 分布式IMS

1.1IMS部署的自由度

IMS定義了許多不同的CSCFs和多媒體資源功能MRF，服務邏輯在AS中實現。P-CSCF位于接入網和核心網的邊緣，以實現安全措施和用戶注冊功能。I-CSCF位于網絡之間。P-CSCF和I-CSCF都在實體會話邊緣控制實體SBCs中的映射實現。為了加強邊緣元素的概念，一個更加合理的融合方案IMX被提出。IMX不僅實現了P-CSCF和I-CSCF，而且S-CSCF和AS以及多媒體能力功能也包含在此實體中。IMX概念代替了集中式服務器，集中服務器利用幾個認證節點處理所有用戶的需求。IMS平臺包括幾個分布式的IMX節點。IMX最大的優勢在于在CSCFs和AS之間的SIP信令通信是通過優化的中間件實現的，是集群內的通信，這個中間件也起到了傳輸和接入會話和用戶信息的作用，同時對外集群提供標準的IMS接口。利用IMX能夠實現混合配置，即平臺的一部分是由IMX簇實現，而另一部分是由IMS部件實現。另一個優勢在于，IMX節點能夠充分利用先進的應用服務技術[11]。

1.2負載分享的優勢

典型的下一代網絡平臺的配置是關系緊密的服務器作為一個簇，放置在一個地方，簇越少越好[12]。負載均衡機制是由一個簇將接入網傳來的會話進行分布處理，使得簇中的每個服務器負載平等，進而提高利用率，如圖1所示。

圖1 集中式負載均衡網絡

在這種場景中，一個服務器簇處理多個接入網會產生統計增益。而在IMX中，資源的處理不是集中式的，而是由許多邊緣節點分布處理的。如果每個IMX節點只處理與直接相連的接入網中的會話，統計增益就會大大減少，如圖2所示。

圖2 分布式負載均衡網絡

為了防止過載，負載均衡技術可以將待處理的負載從高負載節點移動到低負載節點[13]。另外，分布式的負載均衡技術可以獲得比集中式更好的統計增益。但是，典型的服務器簇里的負載均衡技術和IMX中的負載均衡技術不同：前者是由集中式的調度器將用戶分配到服務器，以實現均衡的負載分布；后者的目標不是均衡的負載分布，而是在過載情況發生之前進行互動協調。另外，已經處理完負載的IMX節點仍然在用戶和真正處理負載的節點之間的路徑上。

2 IMS中的負載分享機制

負載均衡機制是由負載信息收集機制提供的負載情況來分配任務的。將負載信息收集進一步劃分為測量和更新機制，將資源分配進一步劃分為傳輸、定位和重定頻率，形成局部節點的負載。更新機制決定怎樣分享機制，如圖3所示。

圖3 負載均衡機制

測量機制定義了系統執行負載測量的配負載信息。基于全局負載的角度，傳輸機制具體說明了什么時候重分配或者重定位任務。當重分配或者重定位被觸發時，定位機制決定負載是如何在節點之間轉移的，重定向機制決定有多少負載要被重定位。

為了獲得全局負載信息和IMX的任務分配，節點之間通過通信實現狀態更新，IMX的更新機制采取的是集中式的、基于時間的、拉模型的。而分配任務機制采取的是分布式的、基于值的、推模型的。

典型的服務器簇的設計是在負載均衡器的后面有許多服務器。IMX節點不同于服務器簇，即IMX節點總是在路徑上負責處理一些任務。網絡服務器之間的轉換是通過直接在棧里重寫地址實現的。但是，由于IMX節點的重定位的花銷很大，所以這種靜態的固定速率需求的資源分配方式不適合IMS。

總之，目前沒有方法適合IMX場景，所以文中提出一種合適的方法——分布式的IMS平臺的負載均衡機制，即包括重定位和資源管理的負載均衡機制。

IMX能夠動態創建和分配功能實體，而這些實體是由局部資源管理器(LRM)進行管理的，這些實體和LRM都在IMX節點中[14]。當創建這些實體時，有內存但是沒有CPU資源，因為還沒有被分配給用戶，所以是無狀態和沒有被激活的。

IMX處理用戶注冊和會話如圖4所示。

圖4 會話重定位

IMX1節點中的功能實體包括可重定向的和非可重定向的部分，入口IMX節點會執行非可重定向功能。在用戶執行非可重定向功能如注冊功能時，IMX中的調度員會給用戶配備一個用戶控制管理器(UCM)。根據用戶的行為，UCM請求LRM分配相應的功能實體給所屬的用戶，并控制著合適的功能鏈和這些功能實體的會話狀態。如果一個新的會話被初始化后發現入口節點的資源很少，UCM不會從LRM中獲得所需的功能實體，而是由LRM觸發重定位功能，即UCM會將遠處節點的功能實體分配到該用戶并傳輸所需的狀態信息，繼而業務也被重定向。入口節點會對用戶保持接觸點并處理注冊功能。新會話到達IMX2后被重定位到IMX3，但是用戶的注冊仍然是由IMX2節點完成。IMX2中現存的會話將不會被重定位。

2.1負載信息的收集和更新

在上面的負載分享機制中，每一個IMX節點獨立決定是否采取重定位策略，所以這種資源分配機制是一種基于值的分布式機制。這使得節點能在高負載情況下快速做出反應以及會話到達時能夠及時進行重定位。

與分布式的資源分配機制不同，負載信息的收集和更新機制采用集中式的機制來決定何時對節點中的負載信息做出反應。為減少IMX節點需要處理的負載更新消息的數量，網絡采用星型拓撲結構，其中全局資源控制器(Global Resource Manager，GRM)是中心節點。為了獲得及時消息，采用基于時間的策略來周期性觸發負載消息的更新。由于IMX平臺是基于高寬帶的核心網，所以在IMX節點之間傳播消息是無需吝嗇的。基于三向握手的“拉模型”比較適合這種觸發過程，原因在于這種“拉模型”更新快并且能給所有的IMX節點提供新消息。

圖5描述了IMX更新機制。

圖5 測量和更新機制

GRM通過發送updateRequest消息給所有IMX節點的LRM來觸發更新。IMX節點在接收到這條消息后,測量節點內的平均資源利用率，并把它轉化成負載參數(在下一節中具體介紹)。每個IMX節點發送包含負載參數的更新回復消息給全局資源控制器。一旦全局資源控制器接收到更新回復消息，它會給所有的IMX節點發送一個包含所有節點負載消息的更新結果消息。在這個機制下，所有的負載情況會在很短的時間里到達全局資源控制器，然后被直接包含在更新結果消息中。

根據消息和數據速率，更新機制的開銷可以被量化。假如有n個IMX節點，每個節點在更新周期μ內有3個消息需要發送給全局資源控制器，即在全局資源控制器中接收的消息速率為：

(1)

假設一個更新請求包或者更新回復包的大小為L，更新結果包的大小為nL，對于全局資源控制器來說，更新機制的數據速率為：

(2)

假設μ=1 s，L=50 B，n=50。根據式(2)可得數據速率為1.04 Mbps，每秒傳輸150條消息。與SIP協議相比，IMX節點的更新協議上的消息和數據速率可以忽略不計。

2.2資源分配

因為會話不能被完全卸載，而且重定位的開銷很大，所以所有會話應該盡可能在入口的節點中被處理。因此，早期的會話重定位不能獲得一個均衡的負載分布。而且，IMX平臺應該根據它們所服務的接入注冊，并沒有會話被激活。當ρ=1.0時，IMX節點的資源只能處理現有的會話，新來的會話已經無法處理，此時的超負荷控制機制已經被激活了。

文中的重定位機制將負載系數分成三類。當0≤ρ≤φ，節點處于可以接收會話的狀態；當φ≤ρ≤ω，節點處于激活狀態；當ω≤ρ≤1.0，節點處于過載狀態。在負載分享機制中，每一個IMX節點在內部定義了如何根據當前的負載系數重定位會話，是一種分布的、基于值的、源驅動的機制。圖4中的傳輸機制是指，只要IMX節點在超載的狀態下，就會卸載會話；定位機制則具體說明了會話卸載將會轉移到哪個處于接收狀態的節點上，處于過載狀態的節點以循環方式從updateResult消息中處于接收狀態的節點中選擇。在重定位機制中，過載節點會將所有的新會話卸載。

負載分享機制在IMX節點上只增加了測量和更新機制，參數φ、ω都可以根據負載情況和系統參數事先計算出來。過載狀態可以通過轉移負載切換到接收狀態，中間有一個激活狀態。激活狀態是滯后系統的因素，增加激活狀態的范圍會減少處于接收狀態的節點，就會限制系統的整體容量。如何設置激活狀態的門限在很大程度上取決于系統實現和對于震蕩的敏感度，所以文中不考慮這個階段。

3 負載分享的定量性分析

在負載均衡機制中考慮兩個節點的場景，首先計算出靜態環境下的最佳臨界值，再通過隨機負載的仿真評估這個系統。

3.1系統模型

為了研究IMX系統的基本功能，從實現和配置的具體細節中抽象出一個系統模型，包含體系構架、資源分配和加載在系統上以通信量為模型的負載。

網絡平臺中有幾個接入網絡，每個接入網絡連接著分布在平臺邊緣的IMX節點，IMX節點之間由高速網絡互連。所以，網絡影響在負載分享機制中可以忽略。假設IMX節點有合適的過載控制機制，即當容量過載時會放棄新需求。節點的負載等級取決于資源容量和已消耗的資源。

A1=(1+x)A

(3)

另一半的接入網絡是低負載，即

A2=(1-x)A

(4)

一次會話所消耗的資源取決于當地的或者是重定位的開銷e和額外的重定位的開銷f。F包括SIP解析、加密、解密和重定位時在節點i中的傳輸開銷。重定位的開銷率為：

(5)

假設已經激活的會話的資源開銷是常量。通常同一時間會有幾百個已經被激活的會話。在該模型中，會話只影響一個IMX節點，符合增值的服務會話情況。在兩個客戶之間的端到端的會話對應于兩個服務會話，表1給出了模型參數和相應的值。

3.2理想仿真環境

評估需要考慮在已知兩個IMX節點的x以及b的情況下，如何設定負載分享參數w。正如前面討論的，不考慮中間的“激動狀態”(φ=ω)，但是在計算時考慮φ是很直觀的。所有節點都采用相同的ω，為了評估出最合適的ω，考慮靜態環境，即會話持續時間是無窮大的。圖5中有2個IMX節點，而且節點1的負載是A1，節點2的負載是A2，A1?A2。負載li在本地處理，而ri被重定向處理，即

Ai=li+ri

(6)

表1 模型參數

圖5表明了在理想情況下的資源分配，節點1中的所有資源都被利用了，而節點2正好到達了可接收和過載的臨界值。節點1本地處理了會話l1，將會話r1重定位到節點2；而節點2處理會話l2。將ω設置高些會得到一個次優化的情況，因為會導致節點1重定向過晚，并且在節點2處于可接收狀態時，節點1會處于阻塞。相反情況，當ω設置得低時，節點2過早地不處于可接收狀態，節點1將會在過載狀態下本地處理會話。即使是在理想狀態下，當節點1發生阻塞時，節點2仍然有空閑的資源。從圖5可以得到以下關系：

c=l1*e+r1*f

(7)

w·c=l2·e+l1·e

(8)

l1=l2+r1

(9)

由式(3)～(9)可以得到ω的最佳取值：

(10)

考慮到x,b的定義，ω被限制在[0,1]之間，根據表1可得ω=0.075。

3.3仿真環境

為了得出隨機負載下的負載均衡機制的益處，利用事件驅動仿真庫對IMX系統進行仿真。仿真環境允許會話的建立和節點之間信息交換時直接的負載更新，比如IMX和GRM之間的信息交換。接入網絡作為節點模型，包括會話信息產生器，它是根據預定義IAT分布產生會話建立消息的，并且將會話持續時間作為消息參數加入到其中。一旦會話建立消息到達，IMX節點會檢查自身是否有足夠的資源來處理會話。如果能在本地丟棄會話，根據當前的負載系數和節點在可接收狀態的利用率，IMX節點轉發直接與其相連的接入網產生的會話消息到其他的IMX節點。根據負載更新協議，LRM和GRM交換負載更新信息。對于每一個參數設置，做十次仿真，每次會話是在1百萬到1千萬之間。

3.4仿真結果

考慮了在負載不對稱系數為常數X=0.5情況下的不同的負載值A。圖6顯示了在不同標準化負載的情況下，負載分享參數ω對阻塞概率的影響。

圖6 負載分享參數-阻塞概率關系曲線

假設有兩個節點，對于某一個負載參數而言，都有一個最小的阻塞概率。為達到相同的阻塞概率，負載越高，負載分享參數越大。所以，ω沒有適用于所有情況的最優解。

如果ω設置得過高，IMX1開始重定位會太晚，導致資源不夠處理本地會話，而IMX2即使在過載狀態下也能處理會話。如果ω設置得過低，IMX2過早地離開可接收狀態。因為e遠遠大于f,ω的輕微改動只影響一部分會話，所以將ω設置過低不會導致性能的大幅衰減，能夠得到參數值設置的指導性原則。另外，理想靜態情況下的估計是一個好的開頭，微調必須要知道最大可容阻塞概率和期望業務負載。更多IMX節點的仿真得出了相似的結果。

4 結束語

分布式的IMS方法能夠把所有的功能整合到邊緣節點，它們配置簡單卻能提供較高的靈活性和可擴展性。但是在處理緊急負載改變時，用于在節點之間轉移負載的負載分享機制是必不可少的。文中提出了一種分布式系統中的負載分享機制，分析了設計空間和被認可的一些機制。在此基礎上，提出一種最適合分布式IMS實現需求的策略。該負載分享機制是輕量的，且開銷最小，可以根據估計負載分享參數的方程進行微調。仿真結果顯示了該算法的基本特征，并且闡述了負載均衡的益處。該研究為進一步完善負載分享的具體實施提供了基礎和指導。

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OptimizationofDistributedIMSArchitectureBasedonLoadBalancing

LUO Wei1，JIANG Yuan-jian1，LI Yang1，LANG He2，ZHANG Yu-chen2，WANG Hui-min3

(1.State Grid Electric Power Research Institute of NARI Group Corporation,Nanjing 211000,China;2.Information Communication Company of State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300010,China;3.Institute of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The IP Multimedia Subsystem (IMS) serves as universal platform for fast and standardized creation of mobile services.Typical deployment models for the IMS favor centralized session control and application servers.Furthermore,they rely on sophisticated border elements for function service like policy enforcement.One step towards a simpler architecture is the integration of call control,application server and media functions into border elements,which leads to a distributed IMS architecture with equal processing nodes and drastically reduces system complexity and scales on functional module instantiation basis.However,it reduces the statistical gain.Therefore,a concept of load balancing is proposed to solve the problem.The load-sharing mechanism is lightweight and minimal overhead and can be fine-tuned based on an equation that estimates the load-sharing parameters,including the relocation overhead and the load asymmetry parameterx.The simulation results show its basic characteristics and discuss the benefits of load balancing,which will be helpful for further improving the implementation of load sharing.

MSP;IMS;distributed;load balancing

2016-11-14

2017-03-07 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-19

國家自然科學基金資助項目(61302100)；國網天津市電力2016年科技項目(KJ16-1-16)

羅 威(1982-)，男，工程師，研究方向為IMS技術研究及軟件開發。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.tp.20170719.1110.050.html

TN929.5

A

1673-629X(2017)11-0187-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.040