（通信与信息系统专业论文）下一代网络统一服务提供平台和服务发现的研究.pdf

北京邮电大学博l ：学位论文 摘要 下一代网络统- - n 务提供平台和服务发现的研究 摘要 下一代网络( n g n ) 是一吟基于i p 的融合网络，能够提供所有 类型的服务和应用。i p 多媒体子系统( i m s ) 已经成为发展下一代 网络服务提供平台的基础。研究i m s 和其他服务提供方式的结合以 实现统一的服务提供平台，具有重要的现实意义。n g n 在服务层面 的融合，不仅丰富了网络可提供服务的类型，也极大地增加了服务 的数量。考虑用户在不同网络间的自由移动，在动态环境下从海量 的服务资源中找到满足用户需求的服务是一个亟待解决的关键性 研究课题。 本论文围绕下一代网络服务提供平台和服务发现，重点研究了 i m s 和p e e r - t o p e e r ( p 2 p ) 技术的融合以实现统一服务提供平台， 以及服务发现架构的理论建模与分析。本论文的工作主要包括如下 四个方面： l 、基于i m s 和p 2 p 技术的无缝融合，提出了下一代网络统 一服务提供平台。我们从两个方面研究了i m s 和p 2 p 的融合。首先， 提出了基于i m s 的p 2 p 覆盖网，利用i m s 功能实体实现p 2 p 覆盖 网的创建和维护，通过与现有p 2 p 覆盖网的深入比较，得到了所提 出方案的优势。然后，研究了运用p 2 p 技术加速i m s 中的信息查找， l 北京邮电大学博= 匕学位论文摘要 并通过仿真验证了在i m s 中引入p 2 p 技术不仅可以提高查找的效 率，而且可扩展性更好。 2 、提出了集中式服务发现架构的理论模型。我们把服务目 录映射成一个m g c c 排队系统。服务通告的发送频率直接影响着 服务目录所维护信息的有效性和服务发现产生的网络流量，于是进 一步研究了来自单一服务提供者的周期性服务通告。在此基础上， 我们分别推导了成功率、网络流量和缓存利用率等性能指标，利用 计算机仿真详细评估了集中式服务发现架构的性能，并得出了优化 系统性能的方案。通过为服务提供者选择最佳的更新周期，不仅能 够保证服务发现的成功，而且能降低服务发现对网络和服务目录的 要求，便于集中式服务发现架构的广泛采用。 3 、基于上一部分的研究结果，发展出半集中式服务发现架 构的理论模型。首先，分析了半集中式服务发现架构如何从基本的 集中式服务发现架构发展而来，探讨了如何进行模型的扩展。服务 目录仍然映射为排队系统，而单一服务提供者的周期性通告仍然是 理论分析的一个重点。同时，我们考虑了服务目录的动态变化对模 型的影响。基于对数值仿真结果的分析，设计了一种半集中式服务 发现协议，利用n s 2 进行了网络仿真。仿真结果表明，所提出的 方案损失了一定的成功率和响应时间，但是节省了至少三分之一的 网络带宽。在带宽资源紧张的无线环境中，这样的折衷是非常值得 的。 4 、综合研究两种基本服务发现架构，提出了一种通用的服 n 北柬邮电大学坼：i ：学位论文摘要 务发现架构模型。基于对两种基本服务发现架构的细致对比与分 析，得出了通用服务发现架构模型的研究基础。在此基础上，我们 对服务发现架构建模，推导了各项性能指标的计算通式，并深入比 较了两种基本服务发现架构在不同性能方面的差异程度。考虑到服 务发现架构多采用基于t i m et ol i v e ( t t l ) 的控制机制来节省带 宽消耗，分析中引入了r r l 对性能的影响。借助网络仿真，对所提 出模型进行了验证，得出了分别适应两种基本服务发现架构的t t l 配置方法。 关键词下一代网络，i p 多媒体子系统，服务提供平台，p 2 p 技术州。 服务发现，理论模型，性能分析 n i 北京邮电大学博i ：学位论文 a b s 下r a c t r e s e a r c ho nu n i f i e d s e r v i c ep r o v i s i o n i n g p l a t f o r ma n ds e r v i c ed i s c o v e r yi n n e x t g e n e r a t l 0 nn e t w o r k s a bs t r a c t n e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) i st h ei p b a s e dc o n v e r g e dn e t w o r k ，w h i c hi s c a p a b l eo fp r o v i d i n ga l lk i n d so fs e r v i c e sa n da p p l i c a t i o n s i pm u l t i m e d i a s u b s y s t e m ( 工m s ) h a sb e c o m e t h ec o m m o nb a s i st oe s t a b l i s ht h es e r v i c e p r o v i s i o n i n gp l a t f o r mf o rn g n i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ec o m b i n a t i o no fi m s a n do t h e rs e r v i c ep r o v i s i o n i n ga p p r o a c h e sf o ra c h i e v i n gt h eu n i f i e ds e r v i c e p r o v i s i o n i n gp l a t f o r mi nn g n i np a r a l l e l ，t h ec o n v e r g e n c ea tt h es e r v i c el a y e ro f n g nh a sn o to n l ye n a b l e dav a r i e t yo fs e r v i c et y p e s ，b u ta l s og r e a t l ya u g m e n t e dt h e q u a n t i t yo fs e r v i c e s d u et ou s e r s m o v e m e n ta m o n gd i f f e r e n tn e t w o r k s ，i ti sa v e r yc r u c i a lr e s e a r c ht o p i ct o f i n do u tt h eb e s to n ew h i c hm e e t st h eu s e r s r e q u i r e m e n t sf r o mt h ee n o r m o u ss e r v i c e s t h i st h e s i si st os t u d yt h eu n i f i e ds e r v i c ep r o v i s i o n i n gp l a t f o r mi nn g n t h r o u g hi n t e g r a t i n gi m sa n dp e e r - t o - p e e r ( p 2 p ) t e c h n o l o g i e s ，a sw e l l a st h e t h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n da n a l y s e so fs e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e s t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 au n i f i e ds e r v i c ep r o v i s i o n i n gp l a t f o r mi nn g nb a s e do nt h es e a m l e s s i n t e g r a t i o no fi m sa n dp 2 pt e c h n o l o g i e s w ei l l u s t r a t et h ei n t e g r a t i o no fi m sa n d p 2 pf r o mt o wa s p e c t s f i r s t ，t h ei m s b a s e dp 2 po v e r l a yi sp r o p o s e d m a k i n g u s eo fi m sf u n c t i o n a le n t i t i e s ，i ti sa c h i e v e dt oc r e a t ea n dm a i n t a i nt h ep r o p o s e d i m s b a s e dp 2 po v e r l a y b yc a r e f u l l yc o m p a r i n gt h ep r o p o s a lw i t ht h ee x i s t i n g p 2 po v e r l a y s ，t h ea d v a n t a g e so fo u rl m s b a s e dp 2 po v e r l a yi s e x p l o i t e d s e c o n d l y , p 2 pi sa p p l i e dt os p e e du p t h ei n f o r m a t i o nl o o k u pw i t h i ni m s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t r o d u c t i o no fp 2 pi n t oi m sc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t yw h e np e r f o r m i n gt h el o o k u p i v 北京邮电大学1 i 擘：i ：学位论文a b s t r a c t 2 a na n a l y t i c a lm o d e lf o rc e n t r a l i z e ds e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e t h e s e r v i c ed i r e c t o r yi sm a p p e do n t oa l lm g c cq u e u i n gs y s t e m t h ef r e q u e n c yt o t r a n s m i tt h es e r v i c ea n n o u n c e m e n t s d i r e c t l y i n f l u e n c e st h e a v a i l a b i l i t y o f i n f o r m a t i o nh o l db yt h ed i r e c t o r y , 嬲w e l la st h en e t w o r kt r a f f i cf o rs e r v i c e d i s c o v e r y t h u s ，w ef u r t h e rs t u d yt h ep e r i o d i c a ls e r v i c ea n n o u n c e m e n t sf r o ma l l i n d i v i d u a ls e r v i c ep r o v i d e r a n d ，t h ee x p r e s s i o n sf o rs u c c e s sr a t e ，n e t w o r kt r a f f i c a n dc a c h eu t i l i z a t i o na r ed e r i v e d b a s e do nt h et h o r o u g hp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，a l lo p t i m i z a t i o na p p r o a c hi sp r o p o s e d s e l e c t i n gt h e o p t i m a lu p d a t ei n t e r v a lf o rs e r v i c ep r o v i d e r sn o to n l ye n s u r e st h es u c c e s so fs e r v i c e d i s c o v e r y , b u ta l s ol o w e r st h er e q u i r e m e n t so nb o t ht h en e t w o r ka n dt h ed i r e c t o r yt o f a c i l i t a t et h ea d o p t i o no fc e n t r a l i z e ds e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e 3 a na n a l y t i c a lm o d e lf o rs e m i c e n t r a l i z e ds e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e b ye l a b o r a t i n gt h e e v o l u t i o nf r o mc e n t r a l i z e ds e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e t o w a r d ss e m i - c e n t r a l i z e do n e ，w ed e t e r m i n et h en e c e s s a r ye x t e n s i o n st ot h em o d e l f o rc e n t r a l i z e ds e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e 1 1 1 ed i r e c t o r yi ss t i l lm a p p e do n t oa q u e u i n gs y s t e m ，a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h es e r v i c ea n n o u n c e m e n t sf r o m a ni n d i v i d u a ls e r v i c ep r o v i d e r m o r e o v e r , w ec o n s i d e rt h ei m p a c t so ft h e d i r e c t o r y sc h a n g eo nt h em o d e l b a s e do nt h en u m e r i c a lr e s u l t s ，an o v e l s e m i c e n t r a l i z e ds e r v i c e d i s c o v e r yp r o t o c o l i s p r o p o s e d a n dt h en e t w o r k s i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e d e v e ni fo u rp r o p o s a ls h o w sal i t t l ed e g r a d a t i o ni n s u c c e s sr a t ea n dr e s p o n s et i m e ，t h en e t w o r kt r a f f i ci ss a v e db ya tl e a s t3 0 i ti s r e a l l y aw o r t h yt r a d e o f f i nw i r e l e s se n v i r o n m e n t sw i t hl i m i t e db a n d w i d t h r e s o u r c e s 4 ag e n e r i cm o d e lf o rt w ob a s i cs e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e s b a s e do n t h ei n - d e p t hc o m p a r i s o n sb e t w e e nt w ob a s i cs e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e s ，w e d e t e r m i n et h ef o u n d a t i o nt oe x p l o r et h e 占e n e r i cm o d e l t h e n ，t h eg e n e t i cm o d e li s il l u s t r a t e da n dt h eg e n e r i ce x p r e s s i o n sf o rv a r i o u sp e r f o r m a n c em e t r i c sa r ed e r i v e d w ef u r t h e re x p l o i tt h ed i f f e r e n c e so ft w ob a s i cs e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e si n e a c hp e r f o r m a n c ea s p e c t s i n c es e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e su s et i m e t o l i v e ( 1 t l ) 一b a s e dc o n t r o lm e c h a n i s m st os a v et h eb a n d w i d t h ，w ea l s om o d e lt h ei m p a c t s o ft h et t l sv a l u e m a k i n gu s eo fn e t w o r ks i m u l a t i o n s ，t h ep r o p o s e dm o d e li s v a l i d a t e d a n d ，w eo b t a i nt h ea p p r o p r i a t ea p p r o a c h e st os e p a r a t e l ys e tt h et t l s v a l u ef o rt w od i f f e r e n ts e r v i c ed i s c o v e r ya r c h i t e c t u r e s v 北京邮电大学博十学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：n g n ，i m s ，s e r v i c ep r o v i s i o n i n gp l a t f o r m ，p 2 pt e c h n o l o g i e s ，s e r v i c e d i s c o v e r y , a n a l y t i c a lm o d e l ，p e r f o r m a n c ea n a l y s e s v i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：型日期：垫呸2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期：2 0 07 5 ，7 5 j t 京j l i i j 电大学f c i ：l j 学位论文 第常绪论 1 i引言 第一章绪论 凶特网的广泛廊用带来了数据业务的急剧增长，尤其是p 2 p 业务的流量逐 年上升【l 】。与此i 司时，用户对多媒体服务和移动性的需求也与日俱增。人们渴 望在移动的环境中，也可以高速地接入全球信息网络，访问所有感兴趣的信息 服务和应用。在这种形势下，业界出现了下一代网络( n e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k ， n g n ) 的概念。标准组织、各学术团体、电信运营商和设备制造商近年来都纷 纷投入到n g n 的研究与开发中。北美的v e r i z o n 通信公司于2 0 0 4 年初，宣布 引入n g n 整体解决方案，全面启动固网演进。法国电信则希望通过建设n g n ， 发展统一服务门户、统一客户标识和各种新型的通信、娱乐和企业服务。n t t d o c o m o 预计在2 0 1 0 年完成n g n 建设的第一阶段，其最终的月标是开发丰富 多彩的新业务以提供更多的利润增长点。 在众多对n g n 展开全面研究的组织中，i t u t 的f g n g n ( f o c u sg r o u po n n e x t - g e n e r a t i o nn e t w o r k ) 和e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i n s t i t u t e ) 的t i s p a n ( t e l e c o m m u n i c a t i o na n di n t e r a c tc o n v e r g e ds e r v i c e sa n d p r o t o c o l sf o r a d v a n c e dn e t w o r k i n g ) 是其中最丰要的两个。它们丰要致力于n g n 的标准化工作。根据它们的定义【4 】【5 】【8 】，n g n 是基于分组的网络：能够提供现 有的和未来将要山现的、包括电信服务在内的所有类型的服务；能够利用多种 宽带和具有服务质量保证的传送技术：服务提供的相关功能和网络的传送技术 相独立：用户可以自由接入不同的服务提供商；并且支持通用移动性，为用户 提供始终如一的、普遍存在的服务。因此，对n g n 的研究涉及网络的各个层 面和部分，内容非常厂。泛。 从n g n 的标准定义和各大公司对n g n 的前景展望来看，我们不难得出， 提出n g n 的源动力就是为了向用户提供丰富、便捷的信息服务与应用，以实 现在当代和将来都能够满足用户不断变化和发展的需求。并且，只有为用户提 供新颖、有质量保证的服务，才能够形成良好的价值链，从而保证n g n 整个 通信网络系统的成功。所以，n g n 是一个服务驱动型的网络。n g n 体系结构 的大特点就是服务层和传输层的分离。并且，服务层和传输层可以各自独立 北京邮电大学怫i + 学位i = 仑义 第常 绪沦 地发展，这也是n g n 能够具备诸多特性的个关键基础。到日前为止，e t s i 和i t u t 等研究单位和组织已经基本达成一个共识，即以基于i p 多媒体子系 统( i m s ) 19 1 的架构为基础来实现下一代融合的网络。图卜1 【8 】和图1 2 t 4 1 分别 给出了e t s i 和i t u t 提山的n g n 的体系架构。 图l - 1e t s i 提出的n g n 架构 从这两幅图中，我们可以清楚地看到传输层和服务层各自的丰要功能。服 务层丰要包括了服务的控制功能、应用和与服务相关的用户信息，这一层将以 基于会话初始协议( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，s i p ) 2 3 】的i m s 为基础来搭建， 并通过不断地完善和改进，来实现对仃意服务的支掣7 】【9 。传输层则包含了接 入、瓦联、资源控制与分配等各种与传输相关的功能，以保证劂络中信令流和 数据流的传输质量。 i m s 最初是由3 g p p 在u m t sr 5 版本中为了解决如何i 勺移动数据用户提 供【p 多媒体服务而提f “的。i m s 以承载与控制分离、控制与服务分离的方工匕， 采用s i p 进行呼叫控制，具备了与接入无关、灵活提供多种服务的特性。j m s 由所有能提供多媒体服务的核心网功能实体组成，包括了与信令和承载相关的 功能实体的集合。譬如，呼叫会话控制功能( c a l ls e s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n ， c s c f ) 之问通过交换s i p 消息来建立、维持和终止应用层端到端的会话。而 媒体资源功能( m e d i ar e s o u r c ef u n c t i o n ) 则负责媒体资源的处理和控制。目 前，3 g p p 对i m s 的研究工作已经发展到了版本r g 。i m s 给人们带来的最直 接利益就是实现了端到端的j p 多媒体通信。除此以外，i m s 还可以提供交百 式端到端游戏、即时信息( i m ) 、移动电话、个人电脑和固定电话之间的通信等 北京i f l | j 电大学懈i ：学位沦文第常绪论 多种类型的服务与应用。目前，f g n g n 和t i s p a n 均积极开展对i m s 的研究 工作，分别制定了y 2 0 2 1 t 7 1 和e s2 8 20 0 7 9 1 来规范n g n 中的i p 多媒体子系统。 l 一时，开放移动联盟( o p e nm o b i l ea l l i a n c e ，o m a ) 3 0 1 组织也是基于i m s 来制 定未来服务的标准。i m s 已经被公认为发展n g n 服务提供平台的基础。 图1 - 2i t u t 提出的n g n 架构 i m s 之所以能够成为未来提供所有信息服务与应用的通用平台，是因为。 i m s 能够满足未来的服务和应用对网络和控制技术的要求。伴随通信与计算技 术的高速发展，未来的服务将明显地区别于以往。首先，更新的接入和传输技 术的使用将给未来的服务带来高速率、高质量、多媒体、交互性强等直观特征。 其次，未来的服务将更多地关注用户的实际需求，通过对用户当前所处环境的 感知与适配，为用户提供个性化的服务【2 7 】。另外，未来的服务更具开放性。目 前，o m a 和开放式服务架构( o p e no e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，o s a ) p a r l a y t 3 1 j 等标 准化组织已经着手于定义各种开放接口，从而允许第三方利用网络能力和资源 灵活快速地开发和部署新的服务。不仅传统的服务提供商、内容提供商和软件 开发商将延续服务提供者的角色，用户本身也可以加入这一行列，进行服务的 创新性开发和部署，供其他感兴趣的用户访问。这是未来服务的又一大特点。 开放性接口还使得未来的服务具有模块化、可重用的特性，从而可以借助服务 合成技术【3 0 】【3 3 】【3 4 1 组合多个功能单一的基本服务单元，创建功能复杂、个性特 征鲜明的服务。 我们可以预见，未来的服务不仅形式多变、类型丰富，而且数量庞大。考 北京邮电大学l l l ：j ：学位论文 第。章缀沦 虑用户在不同网络问的自由移动，如何在动态的环境下从海量的服务资源中找 到能够完全满足用户需求的服务是一个非常重要的研究课题。另外，为了提供 个性化服务，我们倾向于充分利用现有服务资源进行整合，而不是为每个用户 设计开发一套独立的服务。因此，找到最匹配的服务是实现个性化服务的重要 前提。服务发现就是为用户找到其真正需要的服务，是未来服务架构必须实现 的基本功能之一。 服务发现【4 2 1 1 4 3 是随着基于有线网络的分布式计算及分布式对象技术的 出现而产牛并发展起来的，它最丰要的功能就是发现网络中存在的服务资源及 其特征属性。在服务发现系统中，我们称需要使用某服务的网络节点为客户， 而提供该服务资源的网络节点是服务提供者。通常来说，网络中的每个节点都 i _ j 时具有双重角色，根据当前的场景在客户和服务提供者之问转换。需要查找 某些资源时，节点就扮演客户的角色；在帮助网络中的其它节点完成某些工作 时，节点就转变成为服务的提供者。 客户可以通过主动查询的模式找到所需要的服务。i 刊时，服务发现系统中 还存在另外一种发现模式，即客户被动获得服务的信息。服务提供者都会丰动 地把所提供服务的有关信息告诉周围的节点，这些服务信息通常是通过周期性 广播的方式散布到整个网络当中。由于客户很可能早已缓存了所需服务的信 息，被动获得的发现模式可以在一定程度上缩短发现时间，但这却是以占用更 多的网络带宽资源为代价。 为了向客户提供最匹配的服务，服务发现系统中除了发现模式之外，还需 要考虑其他问题。譬如，由于服务的多样性和需求的多样性，以及n g n 的异 构性和动态性，服务发现系统需要语法简单、描述能力丰富且易进行匹配的描 述语言来描述服务和客户的需求。而在服务的匹配方面，用户选择还是自动选 择、服务质量感知和上下文感知都是关键性的问题。在找到匹配的服务之后。 如何快速、安全地访问服务也是需要考虑的。除此以外，作为整个服务发现系 统的基础，服务发现的架构直接关系着整个系统的性能。凶此，本论文集中对 服务发现梨构展开了深入而细致的理论研究。服务发现架构定义了服务发现系 统存在的功能实体以及相百之间的关系。就我们的了解，服务发现架构可以分 为三类：集中式、非集中式和混合式的服务发现架构。其中，集中式和非集中 武是两种基本的服务发现架构，而混合式则是前两者的结合，并且取长补短， 尽最大可能地发挥两种基本架构各自的优点。 从功能实体的角度来看，所有的服务发现架构中都至少存在客户和服务提 供者这两种实体。然而，集中式架构和非集中式架构之间最大的区别是，集中 式架构中引入了第三种功能实体，即服务目录。图1 3 中的( a ) 和( b ) 分别描述了 4 北京i | | l ；电大学坼i ：学位论文 第案绪论 两种服务发现架构和其中功能实体之间的交互方式。在非集中式的服务发现架 构中，客户和服务提供者之问直接交换与服务发现有关的消息。但是，这样的 直接交瓦在集中式服务发现架构中并不存在。在集中式的服务发现架构中，服 务提供者需要发送服务通告( s e r v i c ea n n o u n c e m e n t ) 向服务同录( s e r v i c e d i r e c t o r y ) 注册其提供的服务。之后，客户将直接查询服务目录来找到所需要 的服务。也就是说，服务目录一方面负责存储来自服务提供者的服务通告。另 一方面，服务r 录通过服务应答( s e r v i c er e p l y ) 对来自客户的服务请求( s e r v i c e r e q u e s t ) 做出响应。 简单地对比两种服务发现架构。集中式服务发现架构中所有的服务通告都 由服务月录来存储与维护，达i 此信息集中，方便查找。 h 这也使得整个系统过 分依赖服务目录，健壮性比较差。相对而言，非集中式架构简单、健壮性好。 f h 是，其中所有的消息交换都是通过广播或组播方式来实现，不仅需要占用大 量带宽，而且不适合在较大规模的网络中使用。所以，如何为不同类型的网络 选择恰当的服务发现架构，并提供相关的理论依据，是非常有学术价值的研究 课题。 用户 ( a ) 服务目录 用户 服务提供者 ( b ) 图1 3两种基本服务发现架构( a ) 非集中式( b ) 集中式 北京邮电大学博i ：学位论文第审绪论 1 2国内外研究现状及面临的主要问题 1 2 1 下一代网络服务提供平台 n g n 是一个融合的网络，可以提供所有的信息服务和麻用。这就要求其 中的服务提供平台具备足够的开放性，能够兼容设备、技术等各项凶素的千变 万化。采用控制和服务与传输分离思想的i m s 已经被公认为发展n g n 服务提 供平台的基础。对i m s 进行标准化的国际标准组织有3 g p p 、e t s it i s p a n 和 i t u tf g n g n ，它们的研究也都各有侧重。3 g p p 在r 5 版奉中首次提出i m s ， 对框架结构、呼叫流程和一些接口协议制定了系列规范，该版冷在2 0 0 2 年9 月已经冻结。在随后的r 6 版本中，3 g p p 更加侧重于i m s 和外部网络之问互 通的研究，包括i m s 和电路域( c s ) 网络的互通、l m s 和i p 网络的互通以及i m s 和无线局域网的互通。此外，r 6 版本明确了服务由i m s 用户的归属地提供和 控制，并定义了支持在线( p r e s e n c e ) 、即时消息( i n s t a n tm e s s a g e ) 、组管理 ( g r o u pm a n a g e m e n t ) 等各种服务的能力。该版本在2 0 0 5 年3 月也已经冻结。 r 7 版本更多考虑固定方面的特性要求，将吸纳很多t i s p a n 的研究成果，涉 及到支持d s l 或c a b l em o d e m 的固定宽带接入、通过电路域承载提供i m s 话 音、通过分组域提供紧急服务等。目前，3 g p p 已经开始了r 8 版奉的研究工作， 是各个标准组织中进展最快的。 相比于3 g p p 从移动的角度出发，e t s it i s p a n 则侧重于从固定的角度对 i m s 提出需求，目前已经发布了r l 版_ = 本：相关规范，并正在开展1 2 阶段的研 究工作。在r 1 阶段，t i s p a n 采用3 g p pr 7 定义的i m s 架构，并针对性地提 出了网络附着子系统( n a s s ) 和资源控制子系统( r a c s ) ，定义了基于i m s 的 p s t n i s d n 仿真子系统( p e s ) 的实现方案等。r 2 阶段丰要关注网络电视 ( i p t v ) 、固定移动融合( f m c ) 、家庭网络、p e s 架构的完善等问题。i t u t 的 工作重点和e t s it i s p a n 的类似，在于从支持固定接入方式的角度对i m s 提 出各种需求，而且大部分工作都借鉴另外两个组织的研究成果。在各国际标准 组织的推动之外，i m s 也吸引了广大科研人员的关注，其中的研究热点有移动 性管理、s i p 在无线环境中的性能、服务质量( q o s ) 保证等等。 对于融合的n g n 来说，用户的移动性始终都是一个关键性的课题。同前， 移动i p 和s i p 都能够提供移动性管理，但是它们对于移动性管理各有侧重。 移动i p 解决网络层的移动性，而s i p 主要针对廊用层的会话移动性、服务移 动性和个人移动性。移动i p 和s i p 在i m s 中都存在，这势必要求一种综合的 移动性管理方案，能够支持用户在网络、设备之问无缝地进行任意类型的切换。 6 北京邮电大学杜l fl j 学位论文第章绪论 【3 6 分析了在i m s 中采用s i p 、移动i p 、或者二者的结合来进行移动性管理的 优劣，并得出结论：移动i p 更适合用来管理设备的网络层移动性。另外，也 有一些结合移动i p 和s i p 的移动性管理方案。例如，【3 7 提出了一种两层的移 动性管理方案，利用移动i p 和s i p 两种协议来实现进行中v o l p 服务的切换。 仇是该方案不能支持正在传输过程中的t c p 连接，且必须等到s i p 的r e i n v i t e 消息发送完毕才能传递有效的服务数据。 i m s 的会话建立时延一直是研究人员关注的焦点。【3 8 提出在i - c s c f 中 使用缓存来加速到达呼叫的建立过程。为了提高可用性和可靠性，作者还设计 了两种备份机制，对i - c s c f 缓存的内容进行周期性的备份。这样，i - c s c f 在 损坏之后可以立即恢复其中缓存的信息。结果表明，i - c s c f 的缓存能明显地 减少到达呼叫的建立时延，而备份机制的采用有效地提升了i - c s c f 的可用性。 由于s i p 是i m s 中最丰要的信令协议，还有一部分关于会话建立时延的工作都 基于s i p 展开。其中包括i e t f 的r f c3 4 8 5 t 25 ，它定义了s i p 和s d p 使用 s i g c o m p 的静态字典。在i m s 中，u e 和p c s c f 负责完成s i p 消息的压缩和 解压缩。由于无线带宽资源的稀缺，i m s 规范已经明确指出，无线链路中，s i p 信令的压缩是必须支持的。【3 9 贝i j 分析了s i p 在c d m a 2 0 0 0e v d o r a 链路中 的呼叫建立时延，并提出使用跨层优化的方法提高信令效率，其做法是让s i p 压缩信令适应无线帧的大小，从而减少为传输s i p 信令所用无线帧的数量。 q o s 保证也是1 m s 的一个关键性问题。尽管i m s 在整个网络架构中扮演 控制核心的角色，实际的数据流可能根本就不穿越任何i m s 的功能实体， h 是 i m s 通过策略决策功能( p d f ) 和传输层网络元素交互，从而提供已协商的服 务质量。所以，i m s 的q o s 保证重点研究基于策略的q o s 控制、p c s c f 、p d f 和g g s n 之间q o s 参数的映射和资源的预留机制。【4 0 提出了i m s 中基于策 略的q o s 架构，详细描述了功能模型以及交互过程。 同绕i m s 的研究工作开展得如火如茶，也取得了很多研究成果，仇其中存 在的问题也比较突出。例如，i m s 首次在传统的电信核心网中引入分组域，并 l 勺用户提供i p 多媒体服务。但是，传统核心网中固有的层级关系以及结构紧 凑的协议栈使得针对i p 的技术并不能充分发挥作用。因此，在引入分组交换 概念的基础上，如何使基于i p 的技术在i m s 中也能物尽其用是一个醺待解决 的关键问题。此外，只前还没有真正适合i m s 的完整的移动性管理方案。i b i s 在引入分组技术f i 勺n n , j 仍然要提供电信级的服务质量是非常有挑战性的重要 课题。 7 北京邮电大学1 i j 一i ：学位论文第常绪论 1 2 2 服务发现 对于服务发现这一热点问题，学术界和产业界已经提出了很多相麻的解决 方案。基于奉论文之前对服务发现架构的分类，下面分别介绍目前比较成熟的 服务发现系统和协议。 最初的服务发现系统都是面向有线网络的。既然有线网络可靠性高、网络 结构固定且多采用客户服务器模式进行通信，最初的方案大多采用集中式的架 构，包括j i n i t 4 5 1 ，s a l u t a t i o n 【4 7 1 ，s s d s t 4 8 】等等。另外，在移动网络的服务发现 领域，一些早期的工作也是基于集中式的架构，譬如i n s 4 9 1 。下面，我们先以 j i n i 为例详细分析集中式服务发现系统中的消息流程。之后，我们将挑选几种 比较有特点的集中式服务发现系统做更深入的探讨，包括s a l u t a t i o n ，s s d s 和 i n s 。 j i n i s u nm i c r o s y s t e m s 提出的j i n i 是一个分布式系统，由三个部分组成：服务 提供者、客户和将相互独立的服务提供者与客户连在一起的查找服务。j i n i 是 一个典型的集中式服务发现系统，垒找服务充当了服务提供者和客户之问的中 介。无论是客户还是服务提供者，首要任务就是发现查找服务。服务提供者只 有找到了查找服务才能进行注册，而客户必须通过查找服务来找到自己感兴趣 的服务。j i n i 支持客户和服务提供者通过j “播的方式发送请求来定位金找服务。 查找服务收到请求后，向请求的发起者返回一个金找服务代理。然后，用户和 服务提供者便可以通过这个代理建立与查找服务的通信。j i n i 实现服务发现的 核心是命名为d i s c o v e r y 和l o o k u p 的一组协议。它们分别作用于服务发现的不 同阶段。图1 - 4 描述了这一组协议是如何工作的，图中的文字说明以斜线分隔 每一次交互涉及的操作和使用的通信协议。举例如下：“注册d i s c o v e r y ”表 示当前进行的是“注册”操作，且使用d i s