CN102271166A - 一种sip网络的过载控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种SIP网络的过载控制系统，该过载控制系统部署于SIP网络的边缘服务器上，包括呼叫测量模块、控制决策模块和呼叫限制模块等三个功能模块；呼叫测量模块测量相邻呼叫的时间间隔，计算呼叫到达平均时间间隔和呼叫平均到达率；控制决策模块周期性地执行速率适配方法，计算呼叫准入速率；呼叫限制模块采用呼叫门限来限制到达的呼叫；本发明还提出了一种SIP网络的过载控制方法；本发明通过在边缘服务器上控制网络的负载，使得当呼叫达到率超过网络容量时，网络仍然能够保持较高的吞吐率，保证准入呼叫的会话建立时间，从而保证用户的QoS，并且不会对网络产生额外开销，具有较高的响应性。

Description

一种SIP网络的过载控制系统和方法

技术领域

本发明涉及一种SIP网络的过载控制系统和方法，属于计算机通信网络技术领域，特别是属于SIP网络技术领域。

背景技术

在SIP(会话初始协议，Session Initiation Protocol)网络中，当接收到消息的速率大于处理能力时，SIP服务器会发生过载。当发生过载时，SIP服务器的吞吐率会显著降低，响应时间也会增长从而不能满足实时多媒体呼叫的要求。除此之外，由于SIP协议中有重传机制，当一个SIP服务器过载时，相邻服务器发送请求后不能及时收到响应，这使得相邻服务器会产生大量的重传消息。这些重传消息不仅会恶化过载服务器的负载，而且会加重相邻服务器的负载，从而导致相邻服务器也发生过载。因此，当SIP网络中有一个服务器过载时，会使得网络中的所有服务器都过载。

目前因特网工程任务组IETF制定的RFC3261规范中的过载控制机制主要有以下两种：(1)尾部丢弃，即当SIP服务器的队列满时，丢弃新收到的消息。这种方式不能很好控制SIP服务器的过载，因为SIP有重传机制，丢弃的消息会被相邻服务器重传，从而使得过载服务器的负载变得更加严重；(2)503响应，即当SIP服务器检测出负载偏高时，使用503响应来拒绝新接收的请，每个503响应与一个呼叫请求对应。由于呼叫请求被拒绝，消息不会被重传，从而避免了尾部丢弃方法中存在的问题。但使用503响应拒绝新收到的呼叫请求时，由于拒绝呼叫请求仍然需要消耗服务器的处理资源，当接收到呼叫请求非常多时，会使得服务器的资源都耗费在拒绝呼叫请求上，从而导致服务器的吞吐率下降。

参见图1，SIP网络由边缘服务器和核心服务器组成，图1中SIP网络有两个域A和B组成，两个域中E1～E8表示边缘服务器，C1～C4表示核心服务器。对于每个进入网络的呼叫即呼叫的INVITE消息进入SIP网络，其到达的第一个服务器为该呼叫的入口服务器，到达的最后一个服务器为该呼叫的目标服务器，入口服务器和目标服务器都是边缘服务器。在SIP网络中，一个呼叫被某个服务器拒绝之前，很可能要经过网络中的很多其它服务器。这些服务器中用于转发最终被拒绝的呼叫所花费的资源实际上是没有必要的。对于过载控制机制来说，只有在网络的边缘服务器拒绝最终会被拒绝的呼叫，才能达到网络的最佳性能。因此，如何基于SIP网络的边缘服务器，发明一种SIP网络的过载控制机制成为一个急需要解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是发明一种基于SIP网络边缘服务器的过载控制系统和方法，能够有效解决SIP网络的过载控制问题。

为了达到上述目的，本发明提出了一种SIP网络的过载控制系统，该过载控制系统部署于SIP网络的边缘服务器上，包括如下三个功能模块，

呼叫测量模块，呼叫测量模块的功能是在一个呼叫到达所述的边缘服务器后，测量相邻呼叫的时间间隔，按照设定的计算方法计算呼叫到达平均时间间隔和呼叫平均到达率；

控制决策模块，控制决策模块的功能是按照设定的周期，根据测量模块计算的呼叫平均到达率和在本周期内所收到的来自SIP网络的503响应数目，以及本周期的呼叫准入速率，周期性地执行速率适配方法，计算得到下一个周期的呼叫准入速率，并发送给呼叫限制模块；

呼叫限制模块，呼叫限制模块的功能是采用呼叫门限来限制到达的呼叫，具体是：呼叫限制模块根据所述的控制决策模块发送来的呼叫准入速率，和从所述的呼叫测量模块得到的呼叫平均到达率，计算出一个门限间隔时间，然后一旦一个呼叫允许进入边缘服务器所在的SIP网络后，呼叫限制模块则启动一个持续时间为所述的门限间隔的定时器，所有在定时器超时之前到达的呼叫都会被拒绝。

所述的呼叫测量模块计算呼叫到达平均时间间隔的具体方法是指数加权移动平均方法，即按照下式计算呼叫到达平均时间间隔，

ΔI(n)＝(1-w)×ΔI(n-1)+w×Δi(n)

式中，ΔI(n)是指第n个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫到达平均时间间隔，ΔI(n-1)是指第n-1个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫到达平均时间间隔，Δi(n)是指第n个呼叫与第n-1个呼叫之间的时间间隔，w是一个大于零小于1的实数；

所述的呼叫测量模块按照下式计算呼叫平均到达率：

λ(n)＝1/ΔI(n)

式中，λ(n)是指第n个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫平均到达率。

所述的速率适配方法具体内容是：

如果在本周期中所述的控制决策模块没有收到503响应消息，并且此时来自所述的呼叫测量模块的呼叫平均到达率大于本周期的呼叫准入速率，则增加下一个周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块没有收到503响应消息，并且此时来自所述的呼叫测量模块的呼叫平均到达率小于等于本周期的呼叫准入速率，则下一个周期的呼叫准入速率保持为本周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块虽然收到503响应消息，但所收到的503响应消息的数目小于上一个周期所收到的503响应消息的数目，则下一个周期的呼叫准入速率保持为本周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块新收到503响应消息或者所收到的503响应消息的数目大于上一个周期所收到的503响应消息的数目，则减小下一个周期的呼叫准入速率。

所述的控制决策模块按照下式增加下一个周期的呼叫准入速率：

r_t+1＝r_t+α(r_t-r₀)^k

式中，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，r_t表示第t个周期的呼叫准入速率，r₀表示呼叫准入速率由降转升时的起始呼叫准入速率，α为大于零的实常数，k为大于等于零且小于1的实常数；

所述的控制决策模块按照下式减小下一个周期的呼叫准入速率：

r_t+1＝r_t-βr_t

式中，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，r_t表示第t个周期的呼叫准入速率，β为大于零小于1的实常数；

所述的门限间隔是所述的呼叫限制模块按照下式进行计算得到的：

τ_t+1＝max(0，1/r_t+1-1/λ_t)

式中，τ_t+1表示第t+1个周期的门限间隔，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，λ_t表示在第t个周期，所述的呼叫限制模块从呼叫测量模块获得的呼叫平均到达率。

根据SIP网络的载荷情况，一个SIP网络的边缘服务器上可以部署多个所述的过载控制系统。

本发明还提出了一种SIP网络的过载控制方法，该方法包括下列操作步骤：

(1)把过载控制系统部署在SIP网络的边缘服务器上；

(2)当一个新呼叫到达SIP网络后，所述的过载控制系统的呼叫测量模块测量相邻呼叫的时间间隔，按照设定的计算方法计算呼叫到达平均时间间隔和呼叫平均到达率；

(3)所述的过载控制系统的控制决策模块按照设定的周期，根据测量模块计算的呼叫平均到达率和在本周期内所收到的来自SIP网络的503响应数目，以及本周期的呼叫准入速率，周期性地执行速率适配方法，计算得到下一个周期的呼叫准入速率，并发送给呼叫限制模块；

(4)所述的过载控制系统的呼叫限制模块根据所述的控制决策模块发送来的呼叫准入速率，和从所述的呼叫测量模块得到的呼叫平均到达率，计算出一个门限间隔时间，然后采用呼叫门限来限制到达的呼叫，即一旦一个呼叫允许进入边缘服务器所在的SIP网络后，呼叫限制模块则启动一个持续时间为所述的门限间隔的定时器，所有在定时器超时之前到达的呼叫都会被拒绝。

本发明的有益效果在于：通过在边缘服务器上控制网络的负载，使得当呼叫达到率超过网络容量时，网络仍然能够保持较高的吞吐率，保证已经准入呼叫的会话建立时间，从而保证用户的QoS；本发明的过载控制系统在控制网络负载时不会对网络产生额外开销，具有较高的响应性，当呼叫达到率变化或者网络负载变化时，可以及时调整呼叫准入速率从而使得网络资源被充分利用并且避免网络过载。

附图说明

图1是SIP网络的结构示意图。

图2是本发明的过载控制系统的模块结构示意图。

图3是本发明一实施例的呼叫准入速率的变化示意图。

图4是本发明的过载控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图2，介绍本发明提出的一种SIP网络的过载控制系统，该过载控制系统部署于SIP网络的边缘服务器上，包括如下三个功能模块，

呼叫测量模块，呼叫测量模块的功能是在一个呼叫到达所述的边缘服务器后，测量相邻呼叫的时间间隔，按照设定的计算方法计算呼叫到达平均时间间隔和呼叫平均到达率；

控制决策模块，控制决策模块的功能是按照设定的周期，根据测量模块计算的呼叫平均到达率和在本周期内所收到的来自SIP网络的503响应数目，以及本周期的呼叫准入速率，周期性地执行速率适配方法，计算得到下一个周期的呼叫准入速率，并发送给呼叫限制模块；

在实施例中，周期时间可以根据网络的载荷情况，设定为1分钟。

呼叫限制模块，呼叫限制模块的功能是采用呼叫门限来限制到达的呼叫，具体是：呼叫限制模块根据所述的控制决策模块发送来的呼叫准入速率，和从所述的呼叫测量模块得到的呼叫平均到达率，计算出一个门限间隔时间，然后一旦一个呼叫允许进入边缘服务器所在的SIP网络后，呼叫限制模块则启动一个持续时间为所述的门限间隔的定时器，所有在定时器超时之前到达的呼叫都会被拒绝。

所述的呼叫测量模块计算呼叫到达平均时间间隔的具体方法是指数加权移动平均方法，即按照下式计算呼叫到达平均时间间隔，

ΔI(n)＝(1-w)×ΔI(n-1)+w×Δi(n)

式中，ΔI(n)是指第n个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫到达平均时间间隔，ΔI(n-1)是指第n-1个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫到达平均时间间隔，Δi(n)是指第n个呼叫与第n-1个呼叫之间的时间间隔，n为大于等于2的自然数，w是一个大于零小于1的实数；

在实施例中，我们把w取值为0.1。

所述的呼叫测量模块按照下式计算呼叫平均到达率：

λ(n)＝1/ΔI(n)

式中，λ(n)是指第n个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫平均到达率。

所述的速率适配方法具体内容是：

如果在本周期中所述的控制决策模块没有收到503响应消息，并且此时来自所述的呼叫测量模块的呼叫平均到达率大于本周期的呼叫准入速率，则增加下一个周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块没有收到503响应消息，并且此时来自所述的呼叫测量模块的呼叫平均到达率小于等于本周期的呼叫准入速率，则下一个周期的呼叫准入速率保持为本周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块虽然收到503响应消息，但所收到的503响应消息的数目小于上一个周期所收到的503响应消息的数目，则下一个周期的呼叫准入速率保持为本周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块新收到503响应消息或者所收到的503响应消息的数目大于上一个周期所收到的503响应消息的数目，则减小下一个周期的呼叫准入速率。

参见图3，所述的控制决策模块按照下式增加下一个周期的呼叫准入速率：

r_t+1＝r_t+α(r_t-r₀)^k

式中，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，r_t表示第t个周期的呼叫准入速率，r₀表示呼叫准入速率由降转升时的起始呼叫准入速率，在图3中，用一个黑色的点进行了标注，α为大于零的实常数，k为大于等于零且小于1的实常数；在实施例中，取值为α＝0.2，k＝0.5。

所述的控制决策模块按照下式减小下一个周期的呼叫准入速率：

r_t+1＝r_t-βr_t

式中，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，r_t表示第t个周期的呼叫准入速率，β为大于零小于1的实常数；在实施例中，取值为β＝1/8。

所述的门限间隔是所述的呼叫限制模块按照下式进行计算得到的：

τ_t+1＝max(0，1/r_t+1-1/λ_t)

式中，τ_t+1表示第t+1个周期的门限间隔，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，λ_t表示在第t个周期，所述的呼叫限制模块从呼叫测量模块获得的呼叫平均到达率。

根据SIP网络的载荷情况，一个SIP网络的边缘服务器上可以部署多个所述的过载控制系统。

参见图4，本发明还提出了一种SIP网络的过载控制方法，该方法包括下列操作步骤：

(1)把过载控制系统部署在SIP网络的边缘服务器上；

(2)当一个新呼叫到达SIP网络后，所述的过载控制系统的呼叫测量模块测量相邻呼叫的时间间隔，按照设定的计算方法计算呼叫到达平均时间间隔和呼叫平均到达率；

(3)所述的过载控制系统的控制决策模块按照设定的周期，根据测量模块计算的呼叫平均到达率和在本周期内所收到的来自SIP网络的503响应数目，以及本周期的呼叫准入速率，周期性地执行速率适配方法，计算得到下一个周期的呼叫准入速率，并发送给呼叫限制模块；

(4)所述的过载控制系统的呼叫限制模块根据所述的控制决策模块发送来的呼叫准入速率，和从所述的呼叫测量模块得到的呼叫平均到达率，计算出一个门限间隔时间，然后采用呼叫门限来限制到达的呼叫，即一旦一个呼叫允许进入边缘服务器所在的SIP网络后，呼叫限制模块则启动一个持续时间为所述的门限间隔的定时器，所有在定时器超时之前到达的呼叫都会被拒绝。

在系统初始状态时，可以将最初的呼叫准入速率设置为0。

本发明所提出的系统和方法经过试验验证，证明是完全可行并非常有效。

Claims (7)

1.一种SIP网络的过载控制系统，该过载控制系统部署于SIP网络的边缘服务器上，其特征在于：所述的过载控制系统包括如下三个功能模块，

呼叫测量模块，呼叫测量模块的功能是在一个呼叫到达所述的边缘服务器后，测量相邻呼叫的时间间隔，按照设定的计算方法计算呼叫到达平均时间间隔和呼叫平均到达率；

控制决策模块，控制决策模块的功能是按照设定的周期，根据测量模块计算的呼叫平均到达率和在本周期内所收到的来自SIP网络的503响应数目，以及本周期的呼叫准入速率，周期性地执行速率适配方法，计算得到下一个周期的呼叫准入速率，并发送给呼叫限制模块；

呼叫限制模块，呼叫限制模块的功能是采用呼叫门限来限制到达的呼叫，具体是：呼叫限制模块根据所述的控制决策模块发送来的呼叫准入速率，和从所述的呼叫测量模块得到的呼叫平均到达率，计算出一个门限间隔时间，然后一旦一个呼叫允许进入边缘服务器所在的SIP网络后，呼叫限制模块则启动一个持续时间为所述的门限间隔的定时器，所有在定时器超时之前到达的呼叫都会被拒绝。

2.根据权利要求1所述的一种SIP网络的过载控制系统，其特征在于：所述的呼叫测量模块计算呼叫到达平均时间间隔的具体方法是指数加权移动平均方法，即按照下式计算呼叫到达平均时间间隔，

ΔI(n)＝(1-w)×ΔI(n-1)+w×Δi(n)

式中，ΔI(n)是指第n个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫到达平均时间间隔，ΔI(n-1)是指第n-1个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫到达平均时间间隔，Δi(n)是指第n个呼叫与第n-1个呼叫之间的时间间隔，w是一个大于零小于1的实数；

所述的呼叫测量模块按照下式计算呼叫平均到达率：

λ(n)＝1/ΔI(n)

式中，λ(n)是指第n个呼叫到达后所述的呼叫测量模块计算得到的呼叫平均到达率。

3.根据权利要求1所述的一种SIP网络的过载控制系统，其特征在于：所述的速率适配方法具体内容是：

如果在本周期中所述的控制决策模块没有收到503响应消息，并且此时来自所述的呼叫测量模块的呼叫平均到达率大于本周期的呼叫准入速率，则增加下一个周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块没有收到503响应消息，并且此时来自所述的呼叫测量模块的呼叫平均到达率小于等于本周期的呼叫准入速率，则下一个周期的呼叫准入速率保持为本周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块虽然收到503响应消息，但所收到的503响应消息的数目小于上一个周期所收到的503响应消息的数目，则下一个周期的呼叫准入速率保持为本周期的呼叫准入速率；

如果在本周期中所述的控制决策模块新收到503响应消息或者所收到的503响应消息的数目大于上一个周期所收到的503响应消息的数目，则减小下一个周期的呼叫准入速率。

4.根据权利要求3所述的一种SIP网络的过载控制系统，其特征在于：所述的控制决策模块按照下式增加下一个周期的呼叫准入速率：

r_t+1＝r_t+α(r_t-r₀)^k

式中，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，r_t表示第t个周期的呼叫准入速率，r₀表示呼叫准入速率由降转升时的起始呼叫准入速率，α为大于零的实常数，k为大于等于零且小于1的实常数；

所述的控制决策模块按照下式减小下一个周期的呼叫准入速率：

r_t+1＝r_t-βr_t

式中，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，r_t表示第t个周期的呼叫准入速率，β为大于零小于1的实常数。

5.根据权利要求1所述的一种SIP网络的过载控制系统，其特征在于：所述的门限间隔是所述的呼叫限制模块按照下式进行计算得到的：

τ_t+1＝max(0，1/r_t+1-1/λ_t)

式中，τ_t+1表示第t+1个周期的门限间隔，r_t+1表示第t+1个周期的呼叫准入速率，λ_t表示在第t个周期，所述的呼叫限制模块从呼叫测量模块获得的呼叫平均到达率。

6.根据权利要求1所述的一种SIP网络的过载控制系统，其特征在于：根据SIP网络的载荷情况，一个SIP网络的边缘服务器上可以部署多个所述的过载控制系统。

7.一种SIP网络的过载控制方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(1)把过载控制系统部署在SIP网络的边缘服务器上；

(2)当一个新呼叫到达SIP网络后，所述的过载控制系统的呼叫测量模块测量相邻呼叫的时间间隔，按照设定的计算方法计算呼叫到达平均时间间隔和呼叫平均到达率；

(3)所述的过载控制系统的控制决策模块按照设定的周期，根据测量模块计算的呼叫平均到达率和在本周期内所收到的来自SIP网络的503响应数目，以及本周期的呼叫准入速率，周期性地执行速率适配方法，计算得到下一个周期的呼叫准入速率，并发送给呼叫限制模块；

(4)所述的过载控制系统的呼叫限制模块根据所述的控制决策模块发送来的呼叫准入速率，和从所述的呼叫测量模块得到的呼叫平均到达率，计算出一个门限间隔时间，然后采用呼叫门限来限制到达的呼叫，即一旦一个呼叫允许进入边缘服务器所在的SIP网络后，呼叫限制模块则启动一个持续时间为所述的门限间隔的定时器，所有在定时器超时之前到达的呼叫都会被拒绝。

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