Geum.ru

Телекоммуникация Концептуальная модель процесса установления соединения в подсистеме ims Кутбитдинов С. Ш. (Гуп «unicon. Uz»)

Вид материалаДокументы

Содержание


1. Функциональная организация подсистемы IMS
Рис.1 Функциональная схема сети NGN на платформе IMS
Рис.3 Функциональная схема процесса установления соединения
3. Концептуальная модель процесса предоставления услуг речевой связи в IMS
Рис.5 Диаграмма временных задержек при установлении соединения
Рис. 6 Структура модели процесса управления предоставлением
Подобный материал:
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИя




Концептуальная модель процесса установления

соединения в подсистеме ims


Кутбитдинов С.Ш. (ГУП «UNICON.UZ»)


В настоящей статье предлагается концептуальная модель процесса установления соединения в мультимедийной подсистеме IMS как современном варианте технической реализации концепции NGN при предоставлении речевых услуг, с учетом необходимости обеспечения гарантированного уровня качества обслуживания пользователей.

Ушбу мақолада фойдаланувчиларга хизмат кўрсатиш сифатининг кафолатланган даражасини таъминлаш зарурлигини ҳисобга олган ҳолда, нутқ хизматларини тақдим этишда NGN концепциясини техника амалга оширишнинг замонавий варианти сифатида IMS мультимедиали қуйи тизимида уланишни ўрнатиш жараёнининг концептуал модели таклиф этилади.

In this paper we propose a conceptual model of the process of establishing connections in the multimedia subsystem IMS as a modern version of the technical implementation of the concept of NGN in the provision of voice services, taking into account the need to ensure a guaranteed level of quality service to users.

Введение



Концепция сетей связи следующего поколения NGN (Next Generation Network), как известно [1-3], может реализовываться на различных технических решениях, основным из которых в настоящее время несомненно является [6-8, 13] платформа IMS (IP Multimedia Subsystem) – мультимедийная подсистема на основе протоколов IP. При этом концепция NGN предполагает построение пакетной сети связи общего пользования (ССОП) с гарантированным уровнем качества обслуживания пользователей, что может быть достигнуто путем создания новых механизмов управления качеством обслуживания и установления определенных взаимоотношений между операторами связи, а также между оператором и пользователем на основе заключаемых соглашений об уровне обслуживания – SLA (Service Level Agreement).

Не смотря на то, что трафик данных во многих странах уже превзошел речевой трафик, в структуре доходов операторов связи речевые услуги по-прежнему составляют основную долю, в связи с чем вопросы обеспечения качества предоставляемых речевых услуг продолжают оставаться актуальными и для создаваемой пакетной ССОП.

Изначально концепция IMS разрабатывалась консорциумом 3GPP (3rd Generation Partnership Project) для сетей мобильной связи третьего поколения 3G, однако позднее она была предложена в качестве основы и для сетей фиксированной связи следующего поколения NGN. Подсистема IMS является решением, используемым при построении пакетной ССОП, в которой речевые услуги реализуются на основе протокола инициирования сеансов связи SIP (Session Initiation Protocol) [5]. В статье рассматриваются функциональные узлы подсистемы IMS, применяемые как в мобильных, так и в фиксированных сетях, и поэтому их специфика не влияет на общность излагаемых далее результатов.

1. Функциональная организация подсистемы IMS


На рис.1 приведена функциональная схема сети NGN, построенной на трехуровневой архитектуре IMS, которая включает в себя: транспортный уровень, реализующий функции доступа на различных технологиях; уровень управления сеансами связи, включающий в себя функциональные модули управления вызовами CSCF (Call Session Control Function) и базу данных абонентов HSS (Home Subscriber Server); уровень приложений, включающий в себя серверы приложений PS (Presence Server) и SIP AS (SIP Application Server).

Как видно из рис. 1 управление предоставлением услуг речевой связи в архитектуре IMS реализуется с использованием протокола SIP, который определяет обмен сигнальными сообщениями между функциональными узлами подсистемы IMS, а для процедур авторизации, аутентификации и учета используется также протокол Diameter [9].

В состав модуля CSCF включены три функции - функция обслуживания
S-CSCF (Serving CSCF), функция запроса I-CSCF (Interrogating CSCF) и функция прокси сервера P-CSCF (Proxy CSCF). Функция S-CSCF предназначена для регистрации пользователей в базе данных абонентов HSS, а также осуществляет контроль и управление сеансами связи. Функция I-CSCF определяет какому серверу приложений следует маршрутизировать сигнальные сообщения и реализует доступ в домашнюю сеть. Функция P-CSCF обеспечивает первую точку контакта для терминала IMS, а также может выполнять шифрование и сжатие сообщений.

Необходимо отметить, что указанные выше объекты являются функциональными, т.е. для подсистемы IMS определена только функциональная архитектура, а физическая реализация данных функций зависит от решения конкретного производителя. В общем случае при управлении сеансами связи функциональные элементы IMS обмениваются сигнальными сообщениями и создают сигнальный трафик, который должен обслуживаться с заданными параметрами качества, которые могут определяться требованиями стандартов, а также соглашениями об уровне обслуживания SLA. Функциональные элементы CSCF обмениваются между собой сообщениями протокола SIP, а для обращения к серверу HSS используется протокол Diameter. Терминалы абонентов UE (User Equipment) соединяются посредством функциональных элементов P-CSCF тех сетей, в которых они на данный момент находятся и через эти функции взаимодействуют с другими узлами IMS, находящимися в их домашних сетях. При регистрации абонента в некоторой сети, функция P-CSCF этой сети определяет домашнюю сеть абонента и соответствующую функцию S-CSCF, в которой он обслуживается.

Рассмотрим процесс установления соединения в сети NGN, реализованной на платформе IMS. При этом в настоящей статье ограничимся рассмотрением вариантов установления соединения между абонентами А и В для случаев, когда два SIP абонента находятся в разных сетях и когда соединение осуществляется между SIP абонентом и абонентом ТфОП.






Рис.1 Функциональная схема сети NGN на платформе IMS

2. Формализованное описание процесса установления соединения


Голосовой трафик

Рис.2 Функциональные элементы подсистемы IMS, участвующие

в установлении соединения


На рис. 2 приведен пример установления соединения для случая когда два SIP абонента находятся в разных сетях, при этом абонент А, находящийся в своей домашней сети, инициирует соединение с абонентом В, находящимся в своей домашней сети.

Процесс установления соединения для данного случая приведен на рис.3 и состоит из следующих этапов:

1) от абонента А в функциональный элемент P-CSCF сети, в которой он находится, поступает сообщение INVITE - заявка инициации сеанса к абоненту В, находящемуся в сети В, что соответствует инициации нового вызова;

2) функциональный элемент P-CSCF сети А, обрабатывает запрос и направляет сообщение INVITE в S-CSCF своей сети;

3) функциональный элемент S-CSCF обрабатывает запрос и направляет сообщение INVITE, в соответствии с адресом абонента в I-CSCF домашней сети абонента В;

4) функциональный элемент I-CSCF сети абонента В направляет запрос LIR (Location-Info-Request) на HSS своей сети (используется протокол DIAMETER);

5) HSS направляет ответ LIA (Location-Info-Answer) в I-CSCF, сообщая местоположение абонента В, обслуживающий его функциональный элемент S–CSCF сети В;

6) функциональный элемент I-CSCF посылает сообщение INVITE в S-CSCF своей сети;

7) функциональный элемент S-CSCF направляет сообщение INVITE в P-CSCF сети в которой находится абонент В (в нашем случае- это своя сеть, но может быть и другая сеть);

8) функциональный элемент P-CSCF сети В направляет сообщение INVITE абоненту В. Во всех случаях в ответ на сообщение INVITE отправляется предварительный ответ 100 Trying (Запрос обрабатывается), данная команда пресекает повторные попытки посылки сообщения INVITE;

9) абонент В отправляет в ответ сообщение 180 Ringing, т.е. местоположение вызываемого абонента определено и вызываемый абонент получает сигнал о входящем вызове от своего терминала;

10) сообщение 180 Ringing транслируется абоненту А по направлению от
P-CSCF в S-CSCF домашней сети абонента В, далее в I-CSCF сети абонента В, далее в S-CSCF сети абонента А, далее к P-CSCF абонента А и абоненту А, который получает индикацию звонка (Ringing indication) от своего терминала;

11) после ответа абонента В абоненту А транслируется ответ 200 ОК от
P-CSCF в S-CSCF домашней сети абонента В, далее в S-CSCF сети абонента А, далее в P-CSCF абонента А и абоненту А, который получает индикацию соединения (Connection indication) от своего терминала;

12) от абонента А отправляется запрос ACK, который подтверждает прием ответа на команду INVITE. Этим сообщением терминал вызывающего абонента подтверждает получение окончательного ответа на свой запрос INVITE. В запросе ACK может содержаться окончательное описание сессии, передаваемое вызывающим абонентом. Запрос ACK передается абоненту В через P-CSCF, S-CSCF сети абонента А к S-CSCF, P-CSCF сети абонента В;

13) между абонентами А и В устанавливается сессия и происходит передача голосовой информации с использованием протокола RTP.

Функциональная схема процесса установления соединения для варианта, когда соединение осуществляется между SIP абонентом и абонентом ТфОП приведена на рис.4 .

Процесс установления соединения в этом случае начинается с отправки запроса INVITE со стороны абонентского терминала вызывающего абонента A. Запрос INVITE через уровни сети доступа и транспортной сети поступает на P-CSCF, далее передается через транспортный уровень сети в I-CSCF, и далее на S-CSCF домена, в котором расположен вызывающий абонент А, далее запрос передается BGCF, который взаимодействует с функцией управления медиа шлюзом MGCF.

Для подтверждения приема запроса INVITE отправляется ответ 100 Trying, данное сообщение передается в обратном направлении через рассмотренные функциональные элементы подсистемы IMS.






Рис.3 Функциональная схема процесса установления соединения






Рис.4 Функциональная схема процесса установления соединения
от SIP абонента к абоненту ТфОП



На следующем этапе, если вызываемый абонент B свободен, в сторону абонента A через те же функциональные элементы передается сигнальное сообщение 180 Ringing, свидетельствующее о том, что абоненту B передан сигнал вызова. После ответа вызываемого абонента B, в сторону абонента A передается сообщение 200 OK, в ответ на которое терминал вызывающего абонента A передает сообщение ACK. Сообщение ACK передается непосредственно в терминал абонента B, минуя элементы управления, по адресу, полученному в процессе установления соединения. После получения этого сообщения абонентом B между абонентами А и В устанавливается сессия и происходит передача голосовой информации (разговор).

После завершения сессии, если инициатором завершения является абонент B, в сторону абонента A передается сообщение BYE, в ответ на которое терминал абонента А передает сообщение 200 OK.

После приема этого сообщения сессия связи считается завершенной.

При этом на всех этапах установления соединения происходят задержки в очереди на ожидание и при обработке в каждом функциональном элементе подсистемы IMS.

На рис. 5 показан принцип формирования временных задержек при установлении сеанса связи между двумя SIP абонентами. При этом суммарное время установления соединения зависит от количества переданных запросов и ответов, что определяется различными факторами, например, если при инициации вызова запрашивается гарантированный QoS, вместо ответа 180 Ringing в первом случае, будет отправлен ответ 183 Session Progress, обеспечивающий резервирование ресурсов, и с последующей модификацией сеанса связи еще до ответа абонента В (т.е. будут необходимы PRACK, UPDATE), что приведет к увеличению суммарной задержки установления соединения.

3. Концептуальная модель процесса предоставления услуг речевой связи в IMS



На основе приведенного выше формализованного описания и принятых предположений о функционально-структурной организации взаимодействующих между собой SIP серверов, может быть построена концептуальная модель процесса предоставления речевых услуг в подсистеме IMS.





Рис.5 Диаграмма временных задержек при установлении соединения





SIP серверы, реализующие функции управления, могут иметь различную производительность и число процессоров, объем памяти, различные операционные системы и различные реализации функций управления. В общем случае, модель сервера может иметь несколько обслуживающих устройств, а также может использоваться различная дисциплина выбора заявок из очереди. Это определяется конкретной технической реализацией моделируемого устройства.

В данной работе при построении модели рассматриваются только внешние характеристики SIP производительности серверов без учета особенностей их аппаратной и программной реализации. Поэтому в качестве модели серверов предлагается модель системы массового обслуживания (СМО) с ожиданием, одним обслуживающим устройством и дисциплиной выбора из очереди в порядке поступления заявок FIFO.

Исходя из природы потока абонентских вызовов, сделаем допущение о том, что поток заявок, инициирующих процесс установления соединения, является простейшим. Учитывая возможность различных технических реализаций SIP серверов, а следовательно и различных характеристик времени обслуживания, сделаем допущение о том, что оно имеет экспоненциальное распределение. Таким образом, в качестве модели функционального элемента подсистемы IMS выберем модель M/M/1. Как показано в [7], функционирование SIP серверов, реализующих функции P-CSCF, I-CSCF и S-CSCF и BGCF в сети можно считать независимым. Тогда потоки заявок на входе и выходе каждого из них можно считать простейшими, а задержки, вносимые каждым из SIP серверов являются независимыми случайными величинами, имеющими плотность распределения [16]:
(1)

где - производительность -го сервера;

- загрузка -го сервера;

- интенсивность поступления заявок на -ый сервер.

Концептуальная модель процесса установления соединения с учетом принятых допущений может быть представлена как сеть (тандемное соединение) СМО типа M/M/1. При этом задержка установления соединения будет определяться суммой задержек обслуживания заявок каждой СМО и времени передачи сообщений на транспортном уровне и уровне доступа.

Время установления соединения определяется интервалом между моментом передачи сообщения INVITE со стороны абонента A до момента приема абонентом B сообщения ACK и складывается из времени, необходимого на передачу сигнальных сообщений на уровне транспортной сети и сети доступа , а также времени, необходимого на выполнение определенной работы функциональными элементами, участвующими в данном процессе . В общем случае, время передачи сообщений на транспортном уровне и уровне доступа определяется параметрами оборудования сети и величиной трафика. Время доставки пакетов в сети является параметром, характеризующим качество ее функционирования, а его величина регламентирована существующими нормами или соглашениями о качестве обслуживания SLA. Время доставки, как правило, существенно ниже времени, требуемого для выполнения функций управления. Поэтому, в предлагаемой модели будем рассматривать его как постоянную величину. Реализация функций управления в виде SIP серверов, имеющих определенные (ограниченные) ресурсы, позволяет рассматривать их как СМО, качество функционирования которой определяется соотношением между объемом ресурсов и интенсивностью нагрузки. Время обработки сообщений функциональными элементами на каждом из этапов установления соединения, в общем случае, зависит от производительности SIP серверов , а также от интенсивности поступающего на них потока сообщений .

Тогда общее время установления соединения складывается из времен передачи и времен обработки сигнальных сообщений на каждом этапе.

,
(2)

где - время обработки сообщения сервером на этапе;

- время доставки сообщения на этапе;

- производительность сервера (сообщений/с);

- интенсивность поступления сообщений на сервер (сообщений/с);

- количество этапов установления соединения.

На Рис.6 приведена модель взаимодействия функциональных элементов подсистемы IMS по управлению установлением сеансов связи.








Рис. 6 Структура модели процесса управления предоставлением

услуги речевой связи


Модель содержит четыре функциональных элемента P-CSCF, I-CSCF и S-CSCF и BGCF, взаимодействующих через уровень транспортной сети. На транспортном уровне вносится задержка доставки данных сигнализации, которая также может быть описана с использованием модели СМО. Однако, учитывая существенное различие в требованиях к задержке доставки пакетов [11] и к времени установления соединения [12], которое составляет более чем порядок, в данной модели будем считать эту величину постоянной и равной , , где - количество этапов установления соединения.

Выбор модели СМО, описывающей функциональные элементы, зависит от характеристик времени обслуживания и характеристик потока сигнальных сообщений.

Тогда с учетом (2) время установления соединения равно:

,
(3)

где , , , - задержка сообщения соответствующими функциональными элементами;

, , , -число сообщений, обслуживаемых в процессе установления соединения соответствующими функциональными элементами.

- время передачи сообщений на уровне транспортной сети и сети доступа;

- количество этапов установления соединения.



Таким образом, концептуальная модель процесса установления соединения, с принятыми допущениями, может быть представлена как сеть (тандемное соединение) СМО типа M/M/1. При этом задержка установления соединения будет определяться суммой задержек обслуживания сигнальных сообщений каждой СМО и времени передачи сообщений на транспортном уровне и уровне доступа. Задержка, вносимая каждым функциональным элементом, определяется как время пребывания заявки в СМО M/M/1.

Очевидно, что увеличение производительности обслуживающих устройств СМО приводит к снижению задержки установления соединения, однако это требует определенных затрат, связанных с использованием более производительных процессоров, большего объема оперативной памяти и т.д. Снижение производительности позволяет снизить затраты на оборудование, но приводит к росту задержки установления соединений. При некотором заданном значении задержки происходит прерывание процесса установления соединения и вызов получает отказ в обслуживании.

Выводы


Предложенная концептуальная модель процесса установления соединения в подсистеме IMS учитывает наиболее существенные особенности предоставления речевых услуг в пакетных ССОП и является основой для построения аналитических и имитационных моделей оценки вероятностно-временных характеристик пользовательского трафика и пропускной способности систем распределения информации.

Литература


1. Гольдштейн Б.С., Соколов Н.А., Яновский Г.Г. Сети связи. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010.

2. Росляков А.В. Сети следующего поколения NGN. – М.: Эко-Трендз, 2008.

3. Бакланов И.Г. NGN: принципы построения и организации. – М.: Эко-Трендз, 2008.

4. А.Е. Кучерявый, А.И. Парамонов, Е.А. Кучерявый. Сети связи общего пользования. Тенденции развития и методы расчета. М.: ФГУП ЦНИИС, 2008 – 296 с.

5. Гольдштейн Б.С. Справочник по телекоммуникационным протоколам: протокол SIP / Б.С. Гольдштейн, А.А. Зарубин, В.В. Саморезов.- СПб.: БХВ-Петербург, 2007.

6. V.S. Abhayawardhana, R. Babbage. A traffic model for the IP Multimedia Subsystem (IMS) // 2007, IEEE Magazine. - P.7839787

7. Яновский Г.Г. IP Multimedia Subsystem: принципы, стандарты и архитектура // Вестник связи. – 2006. – № 3.

8.Recommendation ITU-Т Y. 2021. IMS for Next Generation Network // 2006.

9. IETF RFC 3588 Diameter Base Protocol/2003

10. Recommendation Y.1541. Network performance objectives for IP-based services. ITU, 2006

11. ITU-T Recommendation E.721, Network grade of service parameters and target

values for circuit-switched services in the evolving ISDN. — 1991

12. Кучерявый А.Е., Цуприков А.Л. Сети связи следующего поколения. – М.: ЦНИИС, 2006.

13. Гольдштейн Б.С., Гольдштейн А.Б. Softswitch. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006.

14. Шварцман В.О. Качество услуг сетей следующего поколения //Электросвязь. – 2006. – № 3.

15. Шнепс-Шнеппе М.А. О соглашениях SLA в условиях NGN и услуг Triple Play // Электросвязь. – 2006. – № 3.

16. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. – М.: Машиностроение, 1979.







Новая книга


Сети связи

Гольдштейн Б.С., Соколов Н.А., Яновский Г.Г.

Изд.: БХВ-Петербург, Учебник для ВУЗов, 2010, стр. 400

Книга является учебником по современным сетям связи. Она будет полезна студентам, бакалаврам и магистрам, а также аспирантам, исследования которых прямо или косвенно затрагивают разные аспекты построения, эксплуатации и развития телекоммуникационных сетей. Инженеры и менеджеры, работающие в области электросвязи, тоже найдут для себя полезные сведения. Процессу усвоения пройденного материала, несомненно, будут способствовать помещенные после каждой лекции ключевые слова, контрольные вопросы, задачи и упражнения, дополнительная литература.

В учебнике рассматриваются три сети, создававшиеся для поддержки следующих видов обслуживания: фиксированная телефонная связь, мобильные коммуникации и документальная электросвязь. Для каждой из трех сетей изложены идентичные по своему характеру базовые принципы построения и функционирования. Сформулирована основная цель дальнейшего развития трех рассматриваемых сетей - переход к сети связи следующего поколения, известной по аббревиатуре NGN (Next Generation Network).