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北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 s c p 数据库访问机制的优化 摘要 智能网( i n ，i n t e l l i g e n tn e t w o r k ) 是在原有通信网的基础上，为了快速方便 提供新业务而设置的一个叠加网络。c a m e l ( c u s t o m i z e d a p p l i c a t i o n f o rm o b i l e n e t w o r ke n h a n c e dl o g i c ) 是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 n ss t a n d a r d i n s t i t u t e ) 制定的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 移动智能网 标准，c a m e l 为g s m 移动运营商提供了灵活而强大的业务提供能力。国内已 经建成了世界上规模最大的g s m 移动智能网，在c a m e l 业务环境下，各种移 动智能业务不断推出，丰富的业务属性极大地方便了移动用户的使用，同时也成 为国内移动运营商新的利润增长点，智能网在事实上已经成为核心网络的重要部 分。 随着增值业务的开展，智能网用户急剧增长，提供超大容量s c p ( s e r v i c e c o n t r o lp o i n t ) 成为一个重要的技术问题。本文着重讨论了实现大容量s c p 服务器 的两种方式，其一是通过增加账户数量获取尽量高的c p u 占用率以期线形提高 s c p 性能，该方式将导致账户数量极其庞大，给未来升级维护造成极大困难。因 此该方案在实际中并不可行。但是通过方案一的探讨，我们可以看出，解决单账 户处理能力是解决大容量s c p 服务器配置庞杂的重要途径。由此提出方案二， 通过剥离s c p 核心进程s c f 的数据库操作，显著的提高了单个s c f 的处理能力， 从而显著提高了单账户的处理能力。从而有效地解决了大容量s c p 服务器研发 中的重大问题。 数据库同步问题在智能网系统中非常重要，几乎所有的网员之间都要用到数 据库同步，因此选择合适的数据同步方式对智能网系统来说是一项极为重要的任 务。从整个产品线而言，目前同步方式众多，软件种类庞杂，产品线混乱，软件 。复用越来越难，开发部门需要花费更多的人力资源对各软件进行维护升级，后期 现网维护也要花费更多的人力，因此如果有一种可以统一满足各网元的同步需 求，并且简单易行的方式，将会极大的提高现有软件的质量并降低软件和产品的 维护成本。从单个产品而言，目前的各种同步方式都存在一些问题，严重影响了 智能网各网元的能力，从能力提供这方面而言，开发一种更加完善的同步方式也 成为当务之急。 本文在理论推导和实验验证基础上，对上述两个问题提出了统一的解决方 案，即s d f a g e n t ( s e r v i e ed a t af u n c t i o na g e n t ，业务数据功能代理) 方案：首先， 将s c p 的数据库操作剥离出来，交由新的逻辑节点s d f a g e n t 实现，大大提高了 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 1 北京邮电大学硕士学位论文 s c p 数据库访问机制的优化 s c p 业务处理过程的并发性，实验验证s c p 单账户呼叫处理能力提高为原来的5 倍；其次，为确保其高可靠性，对s d f a g e n t 内部各个进程进行了冗余备份；其 三，将整个智能网的所有s d f a g e n t 节点互联构成一个分布式的数据库操作平台， 有效的实现了远程数据库查询及不同数据在多个不同数据库之间进行实时同步 的功能。本文对该方案的理论基础和具体实现进行了阐述，对其中的关键技术点 进行了讨论。本文提出的分布式的数据功能代理方案对其他大型分布式服务器数 据库功能的设计也有良好的借鉴意义。 关键词：异步访问，性能优化，数据实时同步 2 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 o p t i m i z a t i o no fs c pd a l ：a b a s ea c c e s s m e c h a n i s m a b s t r a c t i n t e l l i g e n t n e t w o r k ( i 聊 i sa n o v e r l a y n e t w o r ko v e r t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，w h i c he n a b l e sn e ws e r v i c e st ob ep r o v i d e d r a p i d l ya n de f f i c i e n t l y f l e x i b l ea n da t t r a c t i v es e r v i c ef e a t u r e sg i v et h e c o n v e n i e n c et ot h ec u s t o m e r sa n da l s ob r i n gt h et r e m e n d o u sp r o f i tf o r g s mc a r r i e r s t h u si nh a st u r n e di n t oak e yc o m p o n e n to ft h e t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 。 w i t ht h el a u n c ho fv a l u ei n c r e m e n ts e r v i c e ，a n dt h er a p i dg r o w t ho f i nu s e r s ，i tb e c o m e sai m p o r t a n tp r o b l e mt os u p p l yl a r g ea m o u n ts c p ( s e r v i c e c o n t r o l p o i n t ) t h i sp a p e r t a l k sa b o u tt w om e t h o d so f i m p l e m e n t i n gh i g hc a p a b i l i t y s c ps e r v e r t h ef i r s ti s r a i s i n g t h e p e r f o r m a n c eo fs c pl i n e a r l yt h r o u g hi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fa c c o u n t s t oo c c u p ym o r ec p u b u tt h i sm e t h o dw i l lm a k et o om a n ya c c o u n t sa n d m a k et h em a i n t e n a n c ed i f f i c u l t s oi ti sn o tf e a s i b l ei np r a c t i c e t h r o u g h t h es t u d yt ot h ef i r s tm e t h o d ，w ec a nf i n di ti sa l li m p o r t a n tw a yo f a c c o m p l i s h i n gh i g hc a p a b i l i t ys c ps e r v e rt or a i s ec a p a b i l i t yo fs i n g l e a c c o u n t t h e nw eg i v et h es e c o n dm e t h o d ，a si sr a i s i n gc a p a b i l i t yo f s i n g l es c fp r o c e s st h r o u g ha v u l s et h ed a t a b a s eo p e r a t i o nf r o ms c fa n d s o l v e st h eh i g hc a p a b i l i t ys c pp r o b l e m d a t a b a s es y n c h r o n i s mi sv e r yi m p o r t a n ti ni ns y s t e ma n dt h e r ei s 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 3 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 d a t a b a s es y n c h r o n i s mi na l m o s ta l lt h en e t w o r ke l e m e n t s b u tn o w , i ni n p r o d u c t ，t h e r ea r em a n ys y n c h r o n i s mm e t h o d sa n dm u c hs o f t w a r ea n da s w a s t e sm u c hh u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e i na n o t h e rw a y , t h e r ea r e m a n yd e f e c t si ne a c hs y n c h r o n i s mm e t h o da n da sb r i n g sd o w nt h ea b i l i t y o fi nn e t w o r ke l e m e n t s s od e v e l o p i n gas o p h i s t i c a t e da n da l l p u r p o s e s y n c h r o n i s mm e t h o db e c o m e sat o pp r i o r i t yt a s k t h i sp a p e rg i v e sas d f a g e n t ( s e r v i c ed a t af u n c t i o na g e n t ) s c h e m e o nt h eb a s e o ft h e o r yi n f e r e n c ea n de x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n f i r s t l y , t r a n s f e rt h ed a t a b a s eo p e r a t i o nf r o ms c pt oan e wl o g i cp o i n tc a l l e d s d f a g e n t ，a se n o r m o u s l yr a i s et h ep a r a l l e lc h a r a c t e r i s t i co fs c ps e r v i c e e x e c u t i n gp r o c e s sa n dt h ep e r f o r m a n c eo fs i n g l es c pa c c o u n tr a i s e sb y5 t i m e s t h es e c o n d ，f o rt h eh i g hr e l i a b i l i t y , e v e r yp r o c e s sh a si t so w n r e d u n d a n c yb a c k u pi n s i d es d f a g e n t t h et h i r d ，c o n s t r u c tad i s t r i b u t i n g d a t a b a s eo p e r a t i o np l a t f o r mb y c o n n e c t i n ga l lt h es d f a g e n tp o i n t si ni n ， a n d e f f e c t i v e l y r e a l i z et h ef u n c t i o no fr e m o t ed a t a b a s e q u e r y a n d r e a l - t i m ed a t as y n c h r o n i s mi nm u l t i p l ed a t a b a s e t h i sp a p e rp r e s e n tt h e t h e o r yb a s ea n ds p e c i f i ci m p l e m e n to ft h es c h e m e ，a n dt a l ka b o u tt h ek e y t e c h n o l o g y t h ed i s t r i b u t i n gd a t a b a s ef u n c t i o na g e n ts c h e m ep r e s e n ti n t h i sp a p e ri sag o o dr e f e r e n c et od a t a b a s ef u n c t i o nd e s i g no fo t h e rl a r g e d i s t r i b u t i n gs e r v e r k e yw o r d s ：a s y n c h r o n i e sa c c e s s ，p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ，r e a l - t i m e d a t as y n c h r o n i e s 4 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 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。 本人签名姿垒塾 日期：竺丫二彳! - 7 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：叠垒垫日期：竺墨三：! 导师签名硷日期：丝量：三：1 1 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 1 1 智能网的概念 第1 章背景介绍 随着电信网络的发展，用户对新的业务的需求越来越高，传统的电话业务已 渐渐不能满足用户的需要，用户对通信能力的要求不断提高，用户希望提供的业 务种类多、使用方便快速，能够以灵活的手段获取信息，甚至希望自己能够参与 管理。 在传统电话业务中，用户的所有信息都存贮在其物理接入点所对应的本地交 换机上，用户和接入点之间具有严格的一一对应关系。在智能网出现以前，开发 这类新业务的方法是：每增加一种新业务，网络中所有交换机都需要增加相应的 软件模块。由于交换机数量十分庞大，而且型号各异，交换机的原理、结构、设 计方法和软件都各不相同。因此，每增加一种新业务，必须对网络中所有交换机 的软件进行修改，这样做不但工作量大，而且涉及面广。有些交换机还受到设计 上的限制，仅仅修改软件无法实现新业务；即便能实现，但由于实现的费用高、 周期长、可靠性差，所以，新业务推广进程非常缓慢。为了克服上述问题，人们 试图寻求一种新的方法，希望交换机只完成最基本的接续功能，而新业务则由另 一套网络来完成，无需修改交换机中的软件。 随着新业务的增多，业务生成周期、网络中多厂商设备、业务的顾客化、业 务提供者在单一网络上的竞争等问题也越来越突出，因此，寻求一种统一的并且 能保护网络上现有交换设备巨大投资的解决方案，成为了智能网概念产生的重要 驱动因素。 1 9 9 2 年3 月，c c t ( i n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p hc o n s u l t a t i v e c o m m i t t e e ，现国际电联u t ) 发布了关于智能网的第一套建议智能网能力集1 ( i nc s 1 ) ，提出了智能网概念模型( i n c m ：i n t e l l i g e n tn e t w o r kc o n c e p t u a l m o d e l ) 。 智能网酣是在原有通信网的基础上，为了快速方便提供新业务而设置的一 层叠加网络。智能网的目标是为包括电话网( p s t n ，p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ) 、综合业务数字网( i s d n ，i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i 西t a ln e t w o r k ) 、移动 通信网( g s m ，c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等) ，宽带综合业务数 字网( b i s d n ( b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) ) ，互联网( i n t e m e t ) 在内的所有通信网络服务，不断为各种网络提供满足用户需要的新业务。智能网 的这一特点深受网络运营者和用户的青睐，智能网业务因此得到了迅速的发展， 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 l 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 引起了世界各国电信部门的重视，智能化也成为了电信网发展的目标之一【l 】【2 】【3 1 。 智能网的定义中并没有人们通常理解的“智能含义，它仅仅是一种“业务 网 。智能网依靠先进的n o 7 信令网和大型集中数据库支持。智能网的基本思想 是将传统交换机的交换功能和业务控制功能相分离，在交换网上设置一些新的功 能部件，把电话网中原来位于各个端局交换机中的网络智能集中到若干个新设的 功能部件中，原有交换机仅完成基本的接续功能，所有新业务的提供和控制由这 些新的功能部件协同原有交换机共同完成。这样，新业务就可以随时方便地在新 的功能部件中提供，而不会对正在运营中的业务产生影响。通过引入智能网，网 络可以快速、灵活、方便地产生各种新的电信业务，促进了电信业务的发展。 1 2c m i n 0 2 s c p 系统介绍 c m i n 0 2 是东信北邮推出的符合e t s ig s mc a m e l 标准和中国移动通 信集团公司c a m e l 规范的移动智能网系统【9 l 。该系统是在北京邮电大学程控交 换技术与通信网国家重点实验室研制的固定智能网c i n 0 2 系统的基础上，遵照 最新的e t s ig s mc a m e l 2 规范开发成功的移动智能网产品。在继承了c i n 0 2 系统技术领先、标准化程度高的特点的同时，c m i n 0 2 系统适应我国的实际情况， 在系统中针对不同的情况可提供多种解决方案( 如完全c a m e l 2 方式和o v e r l a y 方式) 。 1 2 1c m i n 0 2 移动智能网系统的体系结构 智能网的体系结构如图1 所示。包括i p ( i n t e l l i g e n tp e r i p h e r a l ，智能外设) 、 s s p ( s e r v i c es w i t c hp o i n t ，业务交换点) 、s c p ( s e r v i c ec o n t r o lp o i n t ，业务控制 点) 、s m p ( s e r v i c em a n a g e m e n tp o i n t ，业务管理点) 、s m a p ( s e r v i c em a n a g e m e n t a c c e s sp o i n t ，业务管理接入点) 、s c e ( s e r v i c ec r e a t i o ne n v i r o n m e n t ，业务生成 环境) 等节点。 2北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 s m a p ll s m p ii s c e i s m s c - 耄m g l 为s d ( )i v cl i p ， i l 。s s p - ；。一 m s c ，v l r ， s s f ；八矣尺 ： 。一 一一一一：1 h l r is s p s s p 。 。 i m s c v l r s s f - ：。 jm s c ，v ir ，s s fl l 啊。o u - l - r 、o o 。l mscp移动业务控制点mscf移动业务控制功能 ssp业务交换点ssf业务交换功能 msc移动交换中心hlr归属位置寄存器 vlr拜访位置寄存器sdf业务数据功能 smp 业务管理点口智能外设 sce业务生成环境点srf专用资源功能s map业务管理接入点vc充值中心 smsc短信中心ismg互联网短消息网关 图1c m i n 0 2 移动智能网系统( 独立i p ) 物理结构图 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 3 北窳邮电犬学硕士学位论文$ c p 数据库访问机制的优化 图1 所示，c m i n 0 2 移动智能网系统的物理平蕊包含如下物理结点：s c e 、 s m p 、m s c p 、i p 、v c 、s m s c 、i s m g 、h l r 、s s p 和s m a p 。其中，v c 为充 值中心。移动智能网中可以有单独设置的v c ，此时m s c p 通过7 号信令网与 v c 相连。m s c p 自身也具有v c 的功能。 一般遗，顼新业务由业务创建环境s c e 生成，经过验证后由业务管理点 s m p 提交给业务控制点s c p 。业务在s c p 内执行，业务的一次执行由s c p 与 s s p 共同协作完成。智能外设i p 提供智能网业务所需的专用资源。在业务执行 的过程中，s c p 控制i p 向用户播放录音通知和收集拨号数据等。此外，智能网 体系结构中还包含业务管理接入点s m a p ，向用户提供接入到s 轰秘，对智能阙 业务及节点进行管理的接口。 矾结构网中，s c p 与s s p 、i p 通过标准n o 7 互连，完成业务的呼叫控制； s c p 与s m p 可以通过公用数据网( 如x 2 5 ) 或高速局域网( l a n ，l o c a la r e a n e t w o r k ) 连接，完成系统的业务管理、网络管理及接入管理的控制。 1 2 2 m s c p 在a 滋n 0 2 系统巾的作雨 作为移动智能网中的业务控制点，m s c p 是c m i n 0 2 系统的核心部分。它负 责执行移动智能业务的业务逻辑程序( s e r v i c el o g i cp r o g r a m s ，s l p ) ，并提供移 动智能业务的数据。在c m 戮0 2 系统中，m s c p 作为一个物理实体氢含两个功能 实体： 移动业务控制功能( m s c f ) 负责移动智能业务的控制及处理。 业务数据功能( s d f ) 保存并管理系统中的业务数据、用户数据、网络数据和资费数据。m s c f 或 s m f 通过s d f 对m s c p 中的各种数据进行访问操作。 1 2 3 m s c p 的软件体系 m s c p 的后台进程包括s c f 、s c f _ s y n c 、m a n a g e r 、i n i n i t 鞠i n a c c e s s ，前套 进程主要包括n 7 s e r v e r 和s s 7 协议栈【l o l ，如图2 所示。 4 北京邮电丈学网络与交换技术网家重点实验赛 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 s s p 业务交换点 f i f 0 u n i x 中的进程通信机制 s m p业务管理点s c f o s c f h 移动业务控制功能进程 m a n a g e r 总控管理模块 s c fs y n c 业务数据功同步进程 | i n a c c e s s 人机交互功能进程 i n i n i t 守护进程 y a c c 业务逻辑编译程序 图2cm i n 0 2 s c p 软件总体结构 下面对各部分的软件功能及其实施方法进行阐述。 1 s c f 是s c p 软件的主体，它负责业务逻辑的解释执行，接收并处理s s p 的操作， 数据库的访问，提供网络的管理与统计信息等。为了提高系统的性能，s c f 采用多 进程方式，各个s c f 进程之间通过共享内存来通信和协调 2 m a n a g e r 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 5 北京邮电丈学硕士学位论文 s c p 数据瘁诱闷视制斡傀纯 耄予s 醛进程运行不能中止，它需要m a n a g e r 程序来守护。为了有效的利用 硬件的资源，s c f 进程应该启多个，他们也需要m a n a g e r 程序的管理。此外，m a n a g e r 还应该支持多种不同的透信协议 3 s c f _ s y n c 主要震予s m p 与s c p 数据的同步。 1 3 研究课题 近十年来，中国移动通信处在中国通信行业的最前端，取得了飞速的发展， 提供更高性能更大容量的智能网平台成为各平台提供商的有力竞争筹码。因此， 提高智能网处理能力，实现大容量智能网平台，已成为当务之急。通过分析发现， 墨前实现系统豹数据库访问机制成为阻碍其性箍提高的最大瓶颈。 另外，随着智能网网元功能的不断增强，各个网元之间的数据库同步需求越 来越大，凡乎所有的网元之阆都要用到数据库同步，数据库网步翊题在智麓网系 统中成为非常突出的问题。从单个产品而言，目前的各种同步方式都存在一些问 题，严重影响了智能网各网元的能力。从能力提供方面，开发一种更加完善的同 步方式也成为当务之急。 综上所述，提供一个更加完善高效的数据库访问机制是豳前智能网实现系统 中一个亟待解决的问题。作为移动智麓网中的业务控制点，s c p 是智能网系统的 核心部分，其数据库访问机制的优劣是决定整个智能网系统运行质量和运行效率 的关键毽素。论文针对c m i n 0 2 s c p 实现系统的数据库访问机制进行分析改进 工作。 1 4 本章小缩 本章首先介绍了智能瘸的概念及其褶关标准。智能瘸戮是在原有通信网的 基础上，为了快速方便提供新业务而设置的一层叠加网络。智能网深受网络运营 者和用户的青睐，智能嬲业务因此得到了迅速的发震，弓| 起了世界各国电信部f j 的重视，智能化也成为了电信网发展的目标之一。e t s i 针对g s m 网络提出了 c a m e l 标准，成为当今使用最广泛的移动智能网标准。c m i n 0 2 是东信北邮推 出的符合e t s lg s mc a m e l 标准和中国移动通信集团公司c a m e l 规范的 移动智能网系统。 通过阐述目前c m i n 0 2 系统的体系结构，给出其核心网元s c p 在移动通信 网中的位置，说明了s c p 在移动通信网中的重要作用。s c p 是c m i n 0 2 系统的 北京邮电大学网络与交换技术图家重点实验塞 北京邮电大学硕士学位论文 s c p 数据库访问机制的优化 核心部分，主要完成业务逻辑的执行和用户数据的管理两大功能。并说明s c f 是 s c p 的核心模块。 然后，介绍了s c p 的软件架构，对其主要模块的功能进行了概述，其中s c f 完成的工作占s c p 总功能的9 0 以上，是s c p 的核心模块。在本文中，主要围 绕s c f 展开论述。 最后，阐述了当前智能网研究中亟待解决的两个问题，并以此作为本文的研 究课题。 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 7 2 1 性能需求 第2 章s c p 性能分析与改进 近十年来，中国移动通信处在中国通信行业的最前端，取得了飞速的发展， 中国移动电话用户数量呈现井喷态势，每年平均保持8 0 的增长速度，十年间， 8 图51 9 9 7 2 0 0 6 年中国移动电话用户规模 图61 9 9 7 - 2 0 0 6 年中国彩铃用户规模 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 随着中国移动建成世界上第一张目标网，中国智能网用户的数量也呈现了相 同的增长态势，以中国移动彩铃用户数量增长为例，图6 所示，2 0 0 3 年5 月彩 铃市场启动，当年年底，用户数为2 0 0 万，市场规模达到了1 6 8 0 万元。而到2 0 0 4 年末，全国手机彩铃注册用户就达到2 2 0 0 万，行业产值达到了8 6 亿元；截至 2 0 0 5 年5 月，全国彩铃用户达3 4 0 0 万，市场规模已经突破1 0 亿元。2 0 0 7 年用 。户数可达到6 0 0 0 万以上，市场规模高达5 0 亿。 目前，中国移动已拥有手机用户3 2 亿，平均每日通话时长4 6 亿分钟，每天 1 2 亿条短信，智能网用户达到7 0 0 0 万以上，彩铃用户达到4 0 0 0 万以上。中国 移动智能网承载的业务也层出不穷，目前为止已有预付费业务、虚拟专用网业务、 分时分区业务、虚拟聊天业务、通用个人通信业务、通用个人通信业务、移动 3 0 0 业务、移动子母机业务、统一账号业务、拒绝不希望的干扰电话呼叫、无线 广告业务、亲密号码业务、银行充值业务、平等接入业务、小额支付业务、彩铃 业务等4 0 多种业务。随着智能网业务的高速发展和智能网用户的飞速增长，智 能网平台也不断扩容，短短五年中，以四川移动为例，目前已有s c p 平台1 8 套， 湖南移动也拥有s c p 平台1 4 套。急速扩展的平台数量给运营商的维护带来了更 大的难度，也使运营成本有所上升，因此运营商希望设备提供商可以提供超大容 量的s c p 平台，以减缓扩容压力，减小维护成本。反观之，提供更高性能更大 容量的s c p 平台成为各平台提供商的有力竞争筹码，也就是说，谁掌握了更高 性能服务器的技术，谁就拥有了更广阔的市场前景。因此，提高s c p 处理能力， 实现大容量s c p 平台，已成为一个亟待解决的技术问题。 大容量s c p 主要对呼叫处理能力提出需求。一般情况下，提高处理能力主要 从两方面入手：一，提高软件效率，使之在相同的资源消耗下可以处理更多的呼 叫；二；提高硬件性能，采用更高性能的服务器硬件平台，该方案同样需要更改 软件，使之适应高性能服务器的硬件环境，充分发挥硬件优势。 通过分析当前s c f 的运行机制，我们从s e f 进程性能改进、针对高性能硬件环 境的优化部署及数据库访问三方面提出s c p 性能提升的改进方案并进行具体分 析。 2 2s c f 业务逻辑执行机制 智能网的主要特点之一是将各种网络功能分解成与业务无关的构件( s i b ) ，由 不同的与业务无关的构件来构成各种业务逻辑程序( s u ) n l l 。s l p 定义一系列s i b 如何链接，并按照一定的顺序执行以实现各种智能业务，s l p 中的每个s i b 有一 个逻辑入口、一个或多个逻辑出口。基本呼叫处理( b c p ) 模块式一个特殊的s i b ， 它进行基本的呼叫接续处理；始发点( p o i ) 描述了在呼叫处理过程中，当智能业 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 9 v 北京邮电大学硕士学位论文 s c p 数据库访问机制的优化 务被触发，从b c p 进入s l p 处理的始发点；终结点( p o r ) 则是在s l p 处理结束 后，返回b c p 继续呼叫处理的终结剧1 2 1 。 s c f 主要功能是执行业务逻辑，处理与智能网各网元包括s s p ( s e r v i c e s w i t c h i n gp o i n t ) 、h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 、v c等的消息( v o u c h e rc e n t e r ) 交互，从而完成用户信息获取、呼叫控制、计费等功能f 1 3 】【1 4 l 。 由于一个s c f 进程需要同时实时处理大量呼叫，而每一个呼叫需要持续一段 时间，这就要求s c f 对各个业务逻辑实例可以并行处理。根据这个要求，s c f 进程 采用消息驱动的伪并发方式，即每一个业务逻辑实例的动态执行过程都抽象成一 个呼叫状态自动机，自动机的状态改变由消息来驱动，同时存在大量的自动机。 图6 消息在s c f 内部流动示意图 如图6 所示，s c f 内部设一个消息队列m s g q u e u e ，一个自动机队列f s m o u e u e ， 自动机队列中同时存在多个呼叫自动机，分别代表不同的呼叫，从外部获取的消 息从尾部放入消息队列，消息处理模块从消息队列头部依次取出消息，分发至消 息i d 所对应的自动机，相应自动机执行相应功能s i b ，s i b 执行完毕会发送一 个内部驱动消息至消息队列，以驱动自动机进入下一个s i b 。 文献【1 5 i 认为有限状态自动机是一个五元组( 状态集、输入集、输出集、迁移 函数、输出函数) ，在呼叫状态自动机中，同一个呼叫对应的所有消息构成该自 动机的输入集，所有的s i b 状态构成自动机的状态集，对消息的处理和所有s i b 的执行构成自动机的迁移函数，s i b 执行完毕发送后续消息的函数构成自动机的 输出函数，所有s i b 发出的消息( 外部消息：用于与各网元的交互，内部消息： 1 0 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 用于驱动自动机) 构成自动机的输出集。s c f 将所有消息进行缓冲，并顺序的对 准备发往各个自动机的消息进行处理，每个消息的处理促使某个自动机执行一个 s i b ，一个呼叫的所有消息的处理过程，就等同于一个业务逻辑的执行过程。由 于s c f 的消息缓冲队列不区分目的自动机而将消息顺序排队，所以一个s c f 进程 可以同时处理多个呼叫，我们称这种用单进程实现多个呼叫并行处理的方式为伪 并发方式。其具体执行过程如图7 所示，进程在某一时刻只能处于图中的一种状 态。 发送 接收 图7 消息驱动模型 s c f 进程中，将数据库操作功能实现为一个s i b 。在业务执行过程中，当需要 查询或更改本地数据时，就可以执行数据库s i b ，由数据库s i b 调用数据库提供 的相应a p i 进行数据库操作，操作结束后，将数据放入业务逻辑的相应变量，从 而完成数据库操作，然后结束数据库s i b 的执行，并由系统向该呼叫所对应的自 动机发送一条内部驱动消息，继续向下执行。 s c f 内部运行一次主循环中做如下工作： 1 ) 接收外部消息，放入消息队列 劲检查超时队列，向定时器超时的自动机发送超时消息 3 1 分发消息队列头部的消息 4 1 检查并处理监控终端发来的监控命令 5 ) 每隔一秒向其守护进程发送例检消息 6 ) 每隔一秒激活定时执行时间表 其中业务逻辑的执行属于3 ) 的一部分，上述所有工作都是顺序执行，采用这种伪 并发多任务调度策略主要考虑其开销小和易于实现。 2 3 提高s c p 软件效率的途径 木桶效应表明，提高软件性能的根本方法是提高整个软件系统目前性能的瓶 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文$ c p 数据库访问机制的优化 颈部分。实验表明，目前s c p 软件的性能瓶颈为其核心进程s c f ，直观的解释 是m a n a g e r 以及n 7 s e r v e r 功能非常简单，只负责消息的路由与转发，而消息处理、 业务运行、用户数据管理等几乎所有s c p 的主要功能全部由s c f 完成，所以提高 s c f 的单进程性能不失为一条路径。就目前s c f 的运行机制来看，可以有以下两种 提高s c f 性能的办法：一是有将s c f 进程改为多线程进程；二是改变其消息驱动 模式，节省消息处理歼销。 由于s c f 本身需要进行大量的数据库操作，所以在简单分类上它属于i o 密集 型进程，而通常对i o 密集型进程的改进方案都会提到采用多线程方式，当一个 线程因i o 阻塞时，其他线程可以继续运行，通常的说法是，这种方案在提高进 程并发行、提高其响应速度的同时，性能下降可以忽略，因为相比于多进程切换 来说，线程切换因为量级较小，开销很小，所以对性能影响很小。 但实际上，多线程实现至少存在两个问题： 1 ) c + + 标准中对线程只字未提，也就是说对多线程的支持并没有标准可依， 因此若采用多线程方式，将使其可以执行大大下降。 2 ) 虽然很多操作系统如s o l a r i s 都实现了真正意义上的多线程运行环境，但 同时，很多操作系统如l i n u x 并没有实现真正多线程，实际上l i n u x 是 以进程充当线程。所以从这个意义上说，其切换开销小的优势并没有发 挥出来。否则类似多进程。 3 ) 只有实现自动机粒度的多线程才能够真正解决l o 操作所带来的阻塞问 题，即需要在一个s c f 进程中创建与呼叫数目等量的线程，这样的线程 数量将是非常庞大的，即使是真正支持多线程的环境下，其切换开销也 不可忽视，如果在l i n u x 等伪多线程环境下，其切换开销将是惊人的， 甚至可以使整个主机性能急剧下降。 4 ) 在s c f 内部，存在大量的共享内存，同时存在大量公共数据，在访问临 界区时，尽管采用当前的多线程提供的多种同步方式可以实现安全访 问，但是几乎每个线程在处理每个呼叫时都要访问一些特定的共享内 存，这就必然导致大量临界冲突，在临界冲突很少的情况下，对性能影 响不大，但是当几百个甚至几千个线程都在少数有几个临界区发生冲突 的话，其性能下降将是非常明显的。 基于以上原因，细粒度的多线程改进方案并不可行，然而，还有一种方式是 将s c f 有多进程改为多线程，每个线程完成当前s c f 进程完成的所有工作，改动 后，每个s c f 进程拥有1 0 个左右的线程，这种方式可以省去m a n a g e r ，但是实验 表明，它在性能方面没有任何变化，因为它相当于把改动后的s c f 进程替代了原 来的m a n a g e r ，用线程替代了s c f 进程，效果是一样的。所以这种改动是没有意 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京邮电大学硕士学位论文s c p 数据库访问机制的优化 义的。 第二种提高s c p 性能的途径是改变现有的s c f 的消息驱动模式，原有的消息 驱动完全以消息来驱动自动机运转，如果没有消息，则自动机静止。这种机制在 处理外部消息如s c p 与其他网元的交互消息时，由外部消息驱动自动机，同时 由该自动机处理该消息，非常简洁明了。但是在没有外部消息的情况下，或者确 切的说在自动机在s i b 切换时，一个s i b 执行完毕，另一个s i b 还没有开始， 此时必须有一条由系统生成的发往响应自动机的内部消息来驱动自动机运行下 一个s i b 。该消息唯一的意义就是告诉自动机往下运行一步。实际运行中，外部 消息数量很少，绝大多数的消息都是这种内部驱动消息，也就是说，s c f 的很大 一部分时间在处理这种无实际意义的消息，自动机完全可以采用其他方式驱动， 而不必要采用这种消耗大量运算的内部消息驱动方式。如采用轮询当前自动机的 方式，从自动机队列中每次取一个自动机，让它往下执行一步，这样省去内部消 息驱动，同时可以兼顾外部消息处理；另一种方式采用大粒度的消息驱动，即每 个内部消息驱动自动机运行一定数量的s i b ，如每次驱动运行1 0 个s i b ，这种方 式省去了大部分的内部消息，又兼顾了呼叫处理的并发性。实验表明，这两种方 式都会使s c f 处理能力有一定的提高，幅度大约在l o 2 0 。但是这种方式带来 的性能提高并幅度有限，并不能根本上满足大容量s c p 服务器的要求，同时， 如2 4 节将要提到的，这个增长幅度并不能从根上满足高性能硬件平台的要求。 所以虽然能在s c p 持续研发和现网运行十几年的基础上，能够提高1 0 的性能 已属不易，但是这个并不能满足本文要解决的问题。 2 4 优化部署配置 优化部署配置的原理简而言之就是通过合理配置一台服务器上的账户数量 以及每账户的s c f 进程数量，使其达成最佳性能，即整个s c p 服务器对外表现为 单位时间内处理最大的呼叫量。这种优化方式应属于为采用高性能硬件平台提高 性能所进行的软件调整，其目的是使s c p 能充分利用高性能硬件平台的优势。 在此引入两个概念：一，每