電力IMS 中SIP 會話性能的研究與優化?

繆巍巍 吳海洋 施 健 張華鋒

（1.江蘇省電力公司 南京 210024）（2.南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司） 南京 210003）

1 引言

近年來，隨著電網信息化水平的不斷提高，電力通信由以往傳統的固定電話通信逐步發展到集音頻、視頻及實時數據于一體的多媒體、多元化綜合通信。基于SIP（Session Initial Protoco）協議的電力IMS（IP Multimedia Subsystem）系統在很好兼容現有電力行政交換網絡的基礎上，引入了語音、數據和視頻等多媒體業務，從而為電網信息化提供了多樣化、差異化的融合通信業務［1～2］。然而電力通信方式的轉變勢必對網絡帶寬和通話時延提出了更高要求，特別是電網涉及的生產數據、經營數據等實時信息需要通過各種多媒體手段快速高效進行獲取、傳輸與分析。

SIP協議作為一個獨立于底層傳輸協議的多方多媒體通信的應用層控制協議，采用了基于文本的消息格式，具有靈活性和可讀性［3～4］。隨著SIP協議的不斷擴展和日益完善，SIP 作為一個優秀的信令控制協議其應用日益寬泛，電力IMS系統正是通過SIP協議實現了多種綜合電力業務在內的端到端多媒體通信。然而SIP 協議在具有靈活、方便、簡單等優點的同時，也給SIP 協議運用到電力IMS 會話建立帶來不少難題。隨著用戶數量的增加、SIP 消息內容的擴充，有限帶寬與冗余消息之間的矛盾日益凸顯，使得丟包率增大以及重傳時延的增多，進而造成SIP 會話性能急劇下降，大大影響了通信質量與用戶體驗。

QoS（Quality of Service）服務質量作為評價電力IMS系統用戶體驗好壞的關鍵因素，其總體水平取決于通信業務端到端各個環節中某一薄弱單點的質量水平。本文在深入研究SIP 會話端到端建立過程的基礎上，構建了SIP 時延分析模型，進而指出壓縮SIP 消息的大小可有效改善SIP 的會話性能。通過基于文本的無損數據壓縮算法的研究，提出了一種基于SIP 協議的改進壓縮算法，從而為電力IMS系統服務質量（QoS）的提升給出了一個新思路。

2 SIP會話時延研究

2.1 SIP會話的端到端時延分析

在電力IMS 系統中，SIP 會話的端到端通信主要涉及到本地承載、IMS 承載兩部分組成［5～6］。其SIP會話的端到端建立過程如圖1所示。

其各環節的時延主要存在以下幾方面。

圖1 SIP會話端到端建立過程示意圖

1）在SIP會話建立初期，SIP服務器需要與HSS（Home Subscriber Server）者DNS（Domain Name Server）進行交互，從而發現該SIP 消息的路由。此過程中受限于服務器的處理性能，會有一定的時延影響，但通常時延應不大于5ms。

2）SIP 服 務 器 通 過 與PDF（Policy Decision Function）之間的交互，獲取到此次會話的基于策略的授權承載資源，并進行QoS的管理。該過程的時延主要也與服務器的處理性能成正相關性。

3）通過MGW（Media Gateway）進行編碼/解碼，實現異構網絡間的互通。在編解碼過程中需要耗費一定的服務器處理時間。

4）在SIP 消息進行解封裝處理環節中，SIP 消息到達路由器后可能由于擁堵等原因，需要進行排隊/處理，同時SIP消息進行解析和消息頭處理也要耗費一定的時間。不過以目前路由器的計算能力和吞吐量，這部分時延幾乎可以忽略不計。

5）在SIP 消息傳輸環節，主要與數據承載網、傳輸承載網的傳輸時延相關，也是對SIP 會話性能影響最大的一個環節。一旦SIP 消息出現誤幀、丟幀的情況，就會影響信令消息的完整性，從而要求進行重傳。當達到一定失敗次數后，就會放棄本次會話建立重新。

2.2 SIP會話的端到端時延建模

根據圖1，以及各環節的時延分析，可構建一個SIP 會話的端到端時延數據模型。設定建立一個完整SIP 會話所需的消息總數為N ，則SIP 會話建立所需總的時延Ttotal為

其 中 ，TP-CSCF、TI-CSCF、TS-CSCF分 別 表 示 在P-CSCF、I-CSCF 及S-CSCF 中的平均排隊時延時延，Tsrc表示在源端的排隊時延，Tdes表示在目的端的排隊時延。

其中，AvgMsgSize[bit] 為SIP 消息的平均長度，LinkSpeed[bit/sec] 為傳輸鏈路的傳輸速度，RTT[sec]為SIP消息從發出到接收響應的整個過程時間（包括各中間環節的處理時間）。

如果傳輸鏈路的運行狀態不良，在傳輸時延增加或誤幀率較高的情況下，將對SIP 會話建立的時延產生較大影響。

3）Tother為其它時延，其計算如下：

在SIP 消息傳輸過程中由于處理消息過程中可能涉及到的附加過程等所產生的時延。

從上述SIP 會話的端到端時延數據模型中可以看出，在不考慮消息重傳所耗費的時延，以及現有IMS 系統軟硬件環境的情況下，SIP 會話性能主要與消息的長度有密切的關系。

3 SIP會話時延的優化

3.1 壓縮算法介紹

SIP消息過大增加了傳輸過程中通信時延的風險，極易導致SIP 會話建立時延的增加，影響通信業務的服務質量與用戶體驗。針對SIP 消息過大的 缺 陷 ，IETF 的ROHC（Robust Header Compression）提出了SigComp（Singal Compression）機制，要求對SIP 消息進行基于文本的無損數據壓縮，從而盡量減緩由于SIP 消息過大所造成的端到端會話建立傳輸時延過多的問題［9～12］。

文本壓縮作為作為數據壓縮的一個主要組成部分，屬于無損壓縮范疇，其原理通常是對數據進行某種操作或變換后使得其在長度縮短的同時，能夠保證壓縮后的壓縮碼可以再次準確還原成原始數據。當前比較經典的文本壓縮算法主要為基于字典的無損壓縮算法，其原理是指定一個較短的特殊代碼來替換實際文本中出現頻率較高的字符，進而達到壓縮文本大小的目標。常用的基于字典的無損壓縮算法一般有LZ77 編碼、LZSS 編碼、LZ78編碼、LZW 編碼等［13～16］。其中，LZ78編碼和LZW 編碼這兩種壓縮算法技術實現較為困難，而LZ77 編碼的壓縮率又相對偏低，總體而言LZSS 算法具有技術實現簡單，壓縮率較高的優點。

LZSS 算法主要原理是將文本數據以二叉搜索樹形式組織，在文本壓縮時先進行相應的初始化操作，包括初始化二叉搜索樹、加載向前緩沖區、設置滑動窗口。向前緩沖區中存放的是暫時壓縮過的待處理消息，而滑動窗口中存放的是已壓縮過的原消息。當在滑動窗口中尋找與向前緩沖區中最大可匹配的數據時，若匹配的數據長度不小于最小匹配長度，則輸出一對二元組（匹配短語位置，匹配短語長度）；若在滑動窗口中找不到匹配的數據時，則直接輸出原數據。每處理完一次數據，滑動窗口和向前緩沖區均向后滑動，重復處理剩下的數據，直至結束。

圖2 LZSS算法壓縮流程圖

3.2 LZSS算法的改進

雖然LZSS 算法對SIP 消息進行了一定程度的壓縮，但仍有不少改進的空間。

1）在LZSS 算法初始化階段，滑動窗口設置為空，此時最初的字符只能單個輸出，每個字符的輸出均為一個二元組（匹配短語位置，匹配短語長度）。這對單個字符來說無疑代價較高，可以考慮預先加載字符到滑動窗口。本文針對電力IMS 系統的通信業務特點，將SIP 會話日常的指令短語和常用字符進行預加載，從而提高初始階段的匹配效率和壓縮效果。

2）LZSS 算法壓縮速度較快，但仍然存在著部分編碼冗余。因此，有必要綜合不同壓縮算法的優勢，消除不必要的編碼冗余，盡可能提高壓縮率。基于統計的熵編碼壓縮技術可以對LZSS壓縮后的字符進行再次優化，對出現頻率高的字符分配較短的編碼，出現頻率低的字符分配較長的編碼，其代表性技術有Huffman 編碼、算術編碼等。算術編碼作為目前一種壓縮效率最高的統計熵編碼方法，其通常比Huffman 編碼效率高約10%左右，并且統計模型可以較好地與算法進行分離，易于實現自適應模式。因此本文在LZSS 編碼基礎上，綜合算術編碼的優點來壓縮SIP消息。

3）滑動窗口大小的設定。針對上下文相關度較低的SIP 消息時，設定較大的滑動窗口固然能夠加大匹配范圍、提高壓縮比，但相應卻增加了匹配時間以及窗口編碼長度。通過對電力SIP 消息的統計分析，采用4K的滑動窗口，其偏移值基本上是均勻分布，其在匹配范圍、匹配時間和窗口編碼長度上均能達到一個相對均衡的值。

4 仿真分析

為模擬電力IMS 系統的SIP 會話性能，根據電力系統的特點，設定業務環境、實現方式和通信鏈路，在仿真環境中建立了一個電力IMS 的網絡模型，并模擬出用于建立SIP會話的17條信令消息。

1）壓縮性能比較分析

對相同的SIP 消息仿真數據分別采用LZW、LZSS 和改進后的LZSS 三種算法進行壓縮，為客觀評價各算法的性能，定義n 個SIP消息的壓縮率為

經計算，得到的結果如圖3所示。

圖3 SIP消息壓縮率折線圖

由圖3 可知，隨著會話建立過程的推進，SIP 消息個數持續增加，式（5）中定義的消息壓縮率不斷降低，反映出這三種壓縮算法的性能均有較大提升。由于引入了熵編碼技術，改進后的LZSS 算法壓縮率顯著高于LZS和LZW。從曲線斜率可知，改進后的LZSS 收斂速度也明顯快于其他兩種算法，這與會話建立初期在空的滑動窗口中預先加載相關關鍵字符有較大關系。

2）壓縮時間比較分析

壓縮算法除了關注壓縮比率外，壓縮時間的多少也是一個需要考量的重要因素。本文采用的改進LZSS 算法中包含了算術編碼，由于算法編碼實現較為復雜，對消息的壓縮耗時較大。因此，這三種算法通過仿真計算得到相應的壓縮時間。其仿真結果如圖4所示。

圖4 SIP消息壓縮時間折線圖

仿真數據的精度以ms 為單位，由圖4 可見，當SIP 消息數量較小時，無法準確統計出規定精度范圍內的有效壓縮時間。當SIP 消息數量增多時，LZSS 與LZW 的壓縮時間大體相當，而改進的LZSS所耗費的壓縮時間會顯著大于其他兩種壓縮算法。從本次仿真數據的模擬計算來看，壓縮時間最大差距在20ms左右，這對傳輸時延來說，是在一個可接受的范圍內。同時，現場服務器的處理能力也優于仿真環境，這有助于進一步縮小實際的壓縮時間。

3）消息大小對會話建立時延的影響

對SIP 消息壓縮后，根據計算傳輸時延的式（3），可得到發送N 個消息的單向傳輸時延近似值為

其仿真環境下壓縮前后的傳輸時延近似值比較如圖5所示。

本次仿真只是針對SIP 消息單向傳輸時延的有效估計，暫未考慮出錯重傳的影響因素。從圖5可見，改進后的LZSS運用可有效減少SIP消息的傳輸時延，且SIP 消息數量增多，其傳輸時延仍然能夠維持下較低的水平。

圖5 SIP消息壓前后傳輸時延折線圖

5 結語

針對當前電力IMS 系統的應用現狀，本文深入分析了IMS 系統的SIP 會話端到端建立機制，研究了影響SIP 會話性能的關鍵因素，提出了SIP 消息大小到會話性能有極為重要的影響。在此基礎上提出了一種改進的SIP 消息壓縮算法，并通過仿真環境下的模擬計算，對LZW、LZSS 和改進后的LZSS 三種算法進行對比。仿真結果表明LZSS 與算術編碼結合的綜合壓縮算法比LZSS、LZW 有更大的壓縮率，壓縮后的SIP 消息在傳輸時延方面取得較為顯著的改善。

本文提出的改進LZSS 算法對電力IMS 系統SIP 會話性能優化具有一定的借鑒意義，在后續的研究中，將結合電力系統的特點，通過多種壓縮算法的組合進一步提高SIP 消息的壓縮率。同時本次仿真驗證中未考慮消息重傳所帶來的時延，有待于進一步研究，從而使得改進算法對電力IMS系統的性能改善更具可行性。