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第 7 期吕新荣等 无差别移动性管理网络 79 无差别移动性管理网络 吕新荣 1 2 廖建新1 2 朱晓民1 2 武家春1 2 1 北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室 北京 100876 2 东信北邮信息技术有限公司 北京 100083 摘 要 为了使 IMS 网络提供更加灵活的移动性支持 提出了一种无差别移动性管理网络 这种网络可以提供良 好的服务移动性和用户移动性 使得用户可以永远以本地用户的身份使用接入地的服务 并对在此网络结构下的 用户位置管理和会话建立进行了分析 实验结果表明 这种网络结构可以很好地支持用户移动性和服务的移动性 并且在此网络结构下的会话建立开销和用户位置注册开销 均比 IMS 目前采用的归属地控制方式下的用户注册 开销和会话建立开销要小 关键词 无差别移动性 位置管理 会话 IMS 中图分类号 TN913 24文献标识码 A文章编号 1000 436X 2007 07 0001 07 Differenceless mobility management network LV Xin rong 1 2 LIAO Jian xin 1 2 ZHU Xiao min 1 2 WU Jia chun1 2 1 State Key Laboratory of Networking and Switching Technology Beijing University of Posts and Telecommunications Beijing 100876 China 2 EBUPT Information Technology Co Ltd Beijing 100083 China Abstract The differenceless mobility management network was proposed to support the mobility of IMS better This kind of network can provide excel service mobility and user mobility and it make user use service as local user in where it access the network The user location management and session creation were analyzed The result proved its target It also proved that under this network architecture the cost of user location register and session creation is lower that home control model which IMS nowadays employs Key words differenceless mobility location management session IMS 1 引言 服务移动性是移动网络必须提供的特性之一 是用户订阅的服务的可达性不依赖于用户的实际 物理位置 其关健是网络如何向移动用户提供服 务 即网络服务的控制模式 在 2G 和 3G 系统中 采用漫游方式和归属网服务控制方式来解决服务 的移动性 这种服务控制模式下 必须到先去被 叫归属地取得位置信息才能寻址到被叫的访问地 此结构使得漫游用户的呼叫建立的信令过程复杂 NGN 第 28 卷第 7 期通 信 学 报Vol 28 No 7 2007 年 7 月Journal on CommunicationsJuly 2007 收稿日期 2006 07 07 修回日期 2007 05 20 基金项目 国家重点基础研究发展计划 973 计划 基金资助项目 2007CB307100 2007CB307103 国家杰出青年 科学基金资助项目 60525110 新世纪优秀人才支持计划基金资助项目 NCET 04 0111 电子信息产业发展基金项目 基于 3G 的移动业务应用系统 电子信息产业发展基金重点项目 下一代网络核心业务平台 Foundation Items The National Basic Research Program of China 973 Program 2007CB307100 2007CB307103 The National Science Fund for Distinguished Young Scholars 60525110 The Program for New Century Excellent Talents in University NCET 04 0111 The Development Fund Project for Electronic and Information Industry Mobile Service and Application System Based on 3G The Development Fund Key Project for Electronic and Information Industry Core Service Platform for Next Generation Network 2 通 信 学 报第 28 卷 下一代网络 中服务的复杂性使得这种结构下 漫游用户的呼叫建立的过程更加长 随着网络的 发展 在 IMS IP 多媒体子系统 和 NGN 中 服务是丰富多彩的 各个通信网络之间的服务差 距很大 采用目前的服务移动性支持方式 不能 很好地满足网络和应用的要求 本文致力于研究 一种新的移动性提供方式 实现移动性的无差别 管理 不仅可以灵活地提供服务移动性支持 而 且对个人移动性也提供了更好的支持 2 服务控制网络的结构 总体设计思想 被叫位置信息就近可获得 就近获得网络服务 用户的数据根据用户的实际 接入的网络位置而移动 为其提供服务的服务节 点随着用户接入位置的变化而变化 图 1 表示了服务控制网络的结构 UE 用户 设备 通过接入网接入服务控制网络 下面对其 网络元素进行介绍 服务控制网络 服务控制网络是在服务提供 层面和用户接入网络相对的网络概念 它是服务 网络的核心 作为一个整体对用户提供所有服务 包括选择哪个服务提供点为用户提供服务 用户 数据的管理和迁移 用户的安全和权限认证 用 户的位置管理 新服务的发布等 接入用户 终 端 将其看作是一个为其提供服务的服务器 用 户不需要关心为自己提供服务的网络是在什么位 置 只关心所需要服务的服务名称 临界节点 临界点位于控制网络和接入网络之 间 是用户接入控制网络的节点 控制网络中的其 它节点不和用户直接通信 对用户来讲临界点代表 了服务控制节点和位置管理节点 并负责对用户的 安全和权限认证 临界点要充当用户的注册服务器 完成用户的注册功能 负责同用户之间的安全认证 确保用户接入的安全性和服务使用的合法性 判定 为用户提供所申请服务的控制节点并将服务控制信 令引导向该服务控制节点 分配最佳的服务提供点 给用户 计算在本地注册的用户的最佳服务提供点 同一个用户不同的服务提供点也可能不同 发现被 叫用户的服务提供点和位置信息 并引导服务控制 信令到该服务提供点 服务提供点 负责对服务进行控制 包括信 令的路由和控制 对媒体流的控制 用户使用服 务权限的认证等 服务提供点不一定是一个网络 实体 可能是一个小的网络 比如 IMS 中的 CSCF 呼叫会话控制功能 和 AS 应用服务器 组成的网络 包括执行控制的节点和提供应用服 务的节点 每个服务控制网络中部署的服务可能 是不同的 服务控制网络中的各个网络实体之间是可信 的 认证和授权发生在 UE 和临界点之间 临界点 允许用户使用某个服务提供点意味着用户通过了 安全和权限检查 控制网络中的元素作为资源随 着用户接入位置的不同而进行优化的分配 在网 络中保存有服务分布的拓扑图和用户位置信息 从任何一个临界点都能找到网络中的任何用户的 接入位置和服务提供点 用户使用服务时 向临 界点发送请求信令 临界点根据获得的服务分布 将服务控制信令引导向分配给用户的服务提供点 用户从任何位置接入控制网络 都等同于本地用 户 从而使得用户从任何接入网接入控制网络 使用的服务可以保证是无差别的 网络处理任何 的接入用户也是无差别的 因此称为无差别的移 动性管理网络 图 1 服务控制网络结构 3 位置管理 用户的移动带来用户数据在临界点之间的迁 移 用户数据移动在网络中存在两个问题 1 颠簸 问题 即用户数据在相邻的两个临界点 之间频繁的移动 2 无用移动 问题 用户数 据从 A 地移动到 B 但是用户在 B 地并没有会话发 生 浪费了用户数据在网络中移动的开销 很可 能用户再次发生会话时又回到了 A 地 为了减少 第 7 期吕新荣等 无差别移动性管理网络 3 位置管理的开销已经提出了许多方案 如文献 1 中使用位置拉链的方法来减少注册开销 文献 2 4 采 用三级位置管理来减少注册开销 新服务控制网络的注册过程相对于传统网络的 注册过程来说比较简单 用户将整个控制网络当作 它的注册服务器 用户发现自己所处的网络位置变 化 向控制网络发起注册信令 当前接入临界点记 录用户位置和服务信息 并向上一个临界点修改用 户的位置信息并下载认证数据到本地 如图2 所示 用户由临界点1 迁移到临界点4 但期间没有会话 发生 此时用户数据仍在临界点1 中存储 一旦用 户在当前临界点有数据传输则把用户数据从临界点 1 下载到本地 位置注册详细处理过程如图3 所示 图 2 服务控制网络下的用户位置注册过程 图 3 服务控制网络下的用户位置更新相关过程 3 1 IMS 归属地服务控制方式下的注册开销和会 话建立开销 用户必须通过拜访地的 P CSCF 代理 CSCF 到归属地网络去注册 会话信令也必须经 过归属地的 S CSCF 节点 如图 4 图 5 所示 图 4 为 IMS 的归属地服务控制方式 图 5 是 IMS 会 话建立信令路径 图 4 IMS 的归属地服务控制方式 图 5 IMS 归属地服务控制方式下的会话建立信令路径 为了分析方便做如下标记 Cup是从 UE 到 P CSCF 的传输开销 Cph是从 P CSCF 到归属地的 传输开销 Pp是 P CSCF 的处理开销 R 是在一个 IMS 网络内位置更新操作的开销 P 是在一个 IMS 网络内的信令处理开销 假定固定网一跳的开销 为 u 因为无线链路的传输开销要高于有线链路 因此假定无线链路的开销是有线链路的 m 倍 假 设主叫和被叫之间的平均路进长度为 n 漫游平均 距离也为 n 漫游距离是指用户拜访地网络和归属 地网络之间的跳数 设用户处于漫游状态的概率 为 呼叫为跨网络呼叫的比率为 则 1 upphhh 1 Cmu Cnu Cnuaab 设注册刷新的时间间隔为 T 用户的移动频率 为 表示用户的移动间隔同注册信令的 T 1 刷新间隔比 只考虑单趟信令 则原注册过程的 开销为 用户注册过程 If 用户进入新的网络 用户向网络进行注册 网络自动把注册信令导向新临界点 注册过程中接入临界点的处理过程 根据用户注册信令携带的信息到用户数据驻留节点执行认证过程 If 认证通过 向用户返回注册失败信息 Else 在用户信息中记录记前一个接入临界点的位置信息和用户数据驻 留临界点的位置信息 向前一接入临界点发送位置更新信令 从上一个临界点中下载认证信息存入用户信息 为用户的服务匹配合适的服务提供节点 向用户返回注册成功信息 ENDIF 注册中的中间临界点的处理过程 收到来自某个临界点的位置更新信令 执行认证过程 If 通过认证 更新本地的用户数据中的用户网中信息 返回更新结果 携带用户数据驻留的临界点地址 Else 返回更新拒绝 ENDIF 用户接入新的临界点后 用户的第一个应用数据到达临界点 临界点从用户数据驻留临界点下载用户数据到本地 向前一个临界点发送位置注销信令 位置注销过程 临界点收到位置注销信令 执行认证过程 If 通过认证 删除用户在本地的用户信息 如果节点是位置注册链中间节点则向前一个位置注册节点发送 位置注销信令 Else 返回更新拒绝 ENDIF 4 通 信 学 报第 28 卷 2 R Huppphi pi 11 1 1 CCPCRT muPnuR g aah 由图 4 图 5 可得到 在原位置管理方案下会 话建立过程的开销 CS H为 3 S Hupphhhpi 2222CCCCPP 根据式 1 则式 3 变为 S Hpi pi 22 1 22 2 1 22 CmununuPP mnunuPP aab aab 4 3 2 无差别服务控制网络下的注册开销分析 注册涉及不同的过程 位置移动但没有会话 发生 位置移动并有会话发生 为了分析方便 做如下定义 L 位置注册所需开销 R 一步消链所需开销 Rl 临界点的注册处理开销 M 用户数据移动开销 用户的呼叫移动比 Rcm i 是用户两次相邻呼叫之间所经过的 i 个 网络的概率 位置注册所需的整体开销 位CLiRiM 置注册的开销为 5 1 1 0 i CLiRiMi LR M a a r 呼叫到达率为 用户在一个子网中驻留的平 均时间为 用户移动规律服从负指数分 1 布 则移动计数服从泊松分布 可知 1 0 e r a 则式 5 变为 6 1 1e LR CM r r 位置注册是本地注册 认证信令需要到上一 个注册节点去认证 会有多个信令交互 因此开 销比较大 L 数值化定为 2 R 是一步消链过程 携带的数据和信令交互过程都很简单 因此设为 1 M 是用户数据的移动开销 随着应用的增多 用户数据地整体变化趋势是增加的 因此数据量 较大 但是数据移动过程是目前用户接入临界点 同用户数据驻留临界点直接交互 因此路径长度 最大值是网络直径 不会出现数据在网络中迂回 的情况 路径长度同相邻两次会话间的移动次数 是没有太大关系的 而且信令交互简单 根据流 量在分析中的重要性 M 取值范围设为 1 2 2 之间 图 6 是位置注册在不同的 M 取值下随 Rcm变 化的开销变化图 可以看出 M 的变化对整体开 销的影响很小 除非将来用户庞大到移动占用网 络的大量带宽 图中给出了用户数据移动开销 5 倍于没有数据移动的注册开销的情况 整体注册 开销增加也很小 对于 Rcm很小的用户 增加的较 多 但是由于这种情况由于呼叫很少 数据移动 的次数也很少 对于 Rcm较大的情况 位置注册整 体开销基本没有变化 因此从总体上来讲 用户 数据的移动对注册整体开销影响很小 图 6 注册过程开销 Rcm 图 7 新旧网络结构下注册过程开销比较 归属地服务控制方式下的平均注册开销代价 见式 2 新的服务控制网络下的位置管理过程 如图 2 所示 用户只在本地注册 临界点充当注 册服务器的角色 则新的网络中一次注册的平均 开销如下所示 Rcm 第 7 期吕新荣等 无差别移动性管理网络 5 R nouppipL 11 1 CCPRTmuPRgh 由于对于已经存在的网络 信令在网络中的 开销是可知的 信令的传输时间和在节点的处理 时间是固定的 而漫游用户的比例和长话的比例 是可变的 因此假设系统参数如表 1 所示 表 1系统开销的参数权重定义 PpPiu RiRlm 152010 25302510 设固网中的一跳传输开销 u 为 1 由于无 线信道的传输速率比较低 无线传输一跳的开销 为固网一跳的开销要大得多 因此假定 m 为 10 P CSCF 处的处理开销 Pp 包括对 SIP 信令的 压缩和解压缩处理因此开销也比较大 令其为 15 Pi包括了 I CSCF 和 S CSCF 的处理 还需要 同 HSS 的交互 因此其开销应比 Pp大 令其为 20 Ri核心网中注册的处理开销 交互的过程多 因此要比 Pi大 令其为 30 在临界点的注册开销 近似于 IMS 网络中的归属地的注册处理开销 Ri 新的网络结构下涉及的节点少 取 Rl Ri 假设为 25 个单位 根据发布的数据推算固定电话中 长 话占四分之一的比例 从个人的通信行为规律来 讲 移动通信和固定通信类似 即便将来固网和 移动网融合长话比例也不会有太大变化 但是如 果融合 IP 网则远程通信的比例会增大 因此假定 长话的比例 为 25 漫游的概率相对来说不 是太高 但随着社会的发展 人的活动空间的增 大 人的流动性也会加大 因此漫游也会增多 假定漫游用户比例 在区间 5 20 之间 假 定通话的两个网络之间的平均距离在区间 4 10 图 7 是对 CR H和 CR no的图形化表示 从图中 可以看出 新的网络结构下注册开销比原网络结 构下的开销少 而且随着注册刷新频率的增大 减少的趋势越明显 4 会话建立过程 会话建立过程是会话信令的路由过程 如果 会话信令能够正确的到达主叫的服务提供点 被 叫的服务提供点 被叫终端 则会话过程可以建 立 否则呼叫失败 会话建立涉及到的网络元素 有主叫终端 主叫网络接入临界点 主叫的服务 提供点 被叫的服务提供点 被叫网络接入临界 点 被叫用户终端 会话信令路由过程如图 8 所 示 用户 A 把会话建立信令发送给服务控制网络 临界点收到呼叫信息 根据会话信令中带来服务 标识把会话信令传给用户 A 的对应于该服务的服 务提供点 用户 A 的服务提供点如果决定接受用 户 A 的请求 执行相应服务控制功能 在网络中 查找用户 B 的对应该服务的服务提供点和用户 B 的位置信息 用户 A 的服务提供点向用户 B 的服 务提供点发送用户 A 的会话请求信令 携带用户 B 的位置信息 用户 B 的服务提供点如果决定向 B 提供服务 则根据用户 B 的位置信息把会话信 令转给 B 的临界点 此临界点如果发现用户 B 不 在本地 则查找用户 B 的位置信息并重定向会话 信令 临界点最后把会话信令转给用户 B 图 8 会话建立信令路由过程 此过程中的关键点是用户 A 的服务提供点如 何获得被叫用户的位置信息 可以在 A 的临界点 出得到 B 的位置信息 甚至服务提供点的位置信 息并作为会话信令的参数传给 A 的服务提供点 4 1 被叫信息的查找算法 呼叫过程中会话信令可以从主叫的服务提供 点传送到被叫的服务提供点前提是主叫的服务提 供点必须得到被叫的服务提供点的位置信息 即 被叫的寻址过程 系统寻址不仅仅是寻找用户注 册的位置 更重要的是找到用户的服务提供点 被叫的服务提供点的信息同用户的其他数据一起 存储在被叫的接入网络的临界点 因为用户数据 信息必须从临界点中获得 而且用户数据信息在 网络中只有一份 因此要求以任何一个临界点为 入口均可以得到所有用户的用户数据驻留地的位 置信息 用户数据的存储采用分布式数据库 5 的概念 可以采用 P2P 6 结构来实现数据的分布共享 P2P 6 通 信 学 报第 28 卷 的位置查找往往需要多跳了减少查询数据的跳数 采用缓存的方法加快数据的查询速度 用户信息查询过程如下 1 在本地缓存数据库中查找被叫用户位置信 息数据 2 缓存中存在用户位置信息数据则返回位置 信息数据 3 否则按 P2P 方式查找被叫的位置信息数 据 4 把新的数据信息在本地缓存 4 2 会话建立过程开销进行分析 为了方便起见 只分析呼叫信令从主叫开始 寻址到被叫的过程 根据会话建立过程可知 会 话建立过程开销主叫涉及到信令的传输开销 临 界节点的位置查找开销 服务提供节点的处理开 销 由于骨干网的数据传输速度很快 主要开销 在节点处理上 做如下定义 L 临界点处理开销 R 位置查找开销 S 服务提供点处理开销 Re 重定向开销 M 链路传输开销 缓存命中率 L S 临界点到服务提供点的流量开销 S L 服务提供点到临界点的流量开销 S S 服务提供点之间的流量开销 Re 临界点查找用户位置信息所引起的流量 开销 则根据图 6 的会话建立流程 会话建立过程 的处理开销为 7 1 e 3 2 1 e CLRSSLRRSL LSRR m mmm 因为网络中的路径都是双向 L S 同 S L 的路径长度相同 所以 L S S L 网络流量开 销为 8 TL SS SS LL SS LRe L SS SRe Re 1 2 2 1 2 2 1 CMMMMMM MMM unuM m mm mbm 位置缓存的命中率在用户的 CMR 大于 3 的 情况下大于 0 8 根据不同的 CMR 值确定是否 采用缓存数据 缓存的状态与实际的情况非常相 符 因此网络的实际开销比式 7 和式 8 所描 述的要小 为了便于分析 对式 7 和式 8 中的参 数进行说明 临界点上所做的工作包括身份的认 证 服务的选择和信令的转发 服务选择只是简 单的匹配 所需开销可以忽略 因此类似 P CSCF 的处理 因此设为 L 为 15 与 Pp相同 被叫位置信息检索由于采用了本地缓存 主要在 本地进行 查找本地数据库 甚至可以是内存操 作 因此开销较少 设 R 为 1 5 控制服务的处 理开销 类似与 Pi 但部分处理移交到了临界点 因此比 Pi的值小一些 设 S 为 18 重定向开销 包括了两部分 位置检索和信令的转发处理 信 令转发比较简单 因此令 Re为 2 Re是位置查 找引起的流量 因为采用了缓存 命中率保障 0 8 以上 若缓存无效需要在全网查询 设网络的 平均直径为 n 因为位置查询的信息比会话信令 要少 假设一条是会话信令的 0 5 倍 则 Re n 0 2 0 5 0 1n 图 9 是新旧网络结构下会话建立开销的比较 图 旧的网络结构下的网络处理开销 只涉及到 主被叫的 IMS 接入节点 P CSCF 和各自的归属 地服务注册点 S CSCF 处理开销是固定的 根 据参数设置可得器处理开销为 70 个单位 根据式 8 可得如图 9 随着命中率的升高处理开销逐 渐降低 在理想的命中率下 处理开销要低于原 始网络 6 个单位 图 9 新旧网络结构下处理开销对比 图 10 和图 11 分别是新旧网络结构下传输开 销图 从图 10 可以看出随着命中率的升高传输开 销逐渐降低 在理想的状态下传输开销在 23 0 左 第 7 期吕新荣等 无差别移动性管理网络 7 右 从图 11 中可以看出随着漫游比的升高 原始 网络结构下的传输开销逐渐升高 开销最好的情 况是 23 3 左右 是在基本没有漫游的情况下 事 实上在这种情况下移动网络已经失去了移动的意 义 传输开销中从 UE 到服务网络的开销所占的比 重很大 这里是 20 个单位 因此传输开销减少 1 个单位就是很大的提高 图 10 新网络结构下的会话建立传输开销 图 11 旧网络结构下的会话建立传输开销 5 结束语 本文提出的服务控制网络结构 无差别移 动网络 实现了全网服务移动性 同时对用户移 动性也有很大的益处 使得用户在网络的任何地 方接入网络都可以得在近处获得自己所订阅的服 务 从分析中可以看出网络对用户移动性和服务 移动性都提供了很好的支持 能够使得在网络中的任何一个临界点上 快 速地检索到任何一个用户的准确位置 是网络得 到高性能的一个保证 因此要想完善所提出的这 种网络结构 必须在这方面继续研究 另外 服 务的拓扑发现和服务发布 服务部署的位置等问 题也是新的网络结构中必须解决的问题 虽然在 目前的状态下实现这样的全移动网络有很大的难 度 方案还不完善 但是根据网络融合的发展趋 势 特别是对于 IMS 这样的融合性网络实施这样 的服务控制方式也是很可能的 参考文献 1