CN106254526A - 一种基于负载均衡的分布式ims体系架构的设计与优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法。其包括基于IMX节点的负载信息的收集和更新：利用全局资源控制器发送消息给所有IMX节点的局部资源控制器，再将收集到的所有IMX节点的负载参数回送给所有的局部资源控制器；资源分配：在上述基于节点的负载信息的收集和更新后，IMX节点对负载进行重新分配，即均衡利用所有的资源完成会话的建立、传输。本发明方法提出了分布式系统中的负载分享机制，通过分析设计空间和被认可一些机制，基于这些，本发明提出了一个最适合分布式IMS实现需求的策略；这个负载分享机制是轻量的，且开销最小。本发明的研究可为进一步完善负载分享的具体实施提供了基础和指导。

Description

一种基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法

技术领域

本发明属于基于IP的多媒体子系统技术领域，特别是涉及一种基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法。

背景技术

基于IP技术的下一代网络的发展促进了公共语音电话的发展。3GPP IP多媒体子系统(IMS)及其扩展ETSI TISPAN为NGN(下一代网络)的全IP网络端到端多媒体会话业务的融合会话控制功能框架提供了标准。这些下一代框架不仅仅旨在代替现有的PSTN，而是想为快速的服务创新提供一个平台。IMS定义了会话控制、应用服务和多媒体传输等功能，实现可以是分布式的，也可以是集中式的。在大多数配置场景中，会话边缘控制是放置在网络边界处，传统的SBC只执行会话控制函数的一部分。S.Wahl,K.Oberle,M.Kessler,P.Domschitz,The next Step in IMS Architecture–a Comprehensive IMS NetworkElement,Proc.Broadband Europe 2006,Geneva,Switzerland,Dec.2006.中提出了一个IP多媒体交换的概念，是一个融合了会话控制、应用服务和边界多媒体的可替换架构，所以减少了集中式的部件。这个平台的边缘包括了实现IMS功能的目的节点。这样的融合不仅仅简化了平台的管理和操作，而且减少了系统内部信令的复杂度。但是，这样的分布式架构也给系统带来一些开销，由于不可预测的交通流量、突发流的影响和增值业务(电话投票、平台失败)，有些分布式节点会出现过载的情况。所以，会话可能在某个节点丢失，而此时不妨存在其他仍有很多空闲空间的节点。理论上，可以通过度量每个节点最坏的情况来避免这样的情况，但是开销太大。这相对于集中式设计来说太浪费资源了，这就是为什么分布式设计需要负载均衡机制来在不同的节点上分发处理工作了。

负载分享不是一个新的概念，已经在PSTN设备(M.Asif,S.Majumdar,G.Kopec,Load sharing in Call Server clusters,Computer Comm.,vol.30,nr.16,pp.3027-3045,2007)和大规模的服务集群上广泛使用(V.Cardellini,E.Casalicchio,M.Colajanni,P.S.Yu,The state of the art in locally distributed Web-serversystems,ACM Computer Surveys,vol.34,nr.2,pp.263-311,2002)。IMS服务器的局部负载平衡机制已经被研究过(T.Bessis,Improving performance and reliability of an IMSnetwork by co-locating IMS servers,Bell Labs Technical Journal,vol.10,nr.4,pp.167-178,2006)，过载信令也在不断的研究改进中(V.Hilt,I.Widjaja,D.Malas,H.Schultzrinne,Session Initiation Protocol(SIP)Overload Control,IETF draft-hilt-sipping-overload-05,Jul.2008)。但是在高分布的IMS系统中实现却遇到了一些困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)基于IMX节点的负载信息的收集和更新：利用全局资源控制器发送消息给所有IMX节点的的局部资源控制器，再将收集到的所有IMX节点的负载参数回送给所有的局部资源控制器；

步骤2)资源分配：在上述基于节点的负载信息的收集和更新后，IMX节点对负载进行重新分配，即均衡利用所有的资源完成会话的建立、传输。

在步骤1)中，所述的基于IMX节点的负载信息的收集和更新方法包括如下步骤：

步骤1.1)全局资源控制器(GRM)通过发送updateRequest消息给所有IMX节点的局部资源管理器(LRM)来触发更新；

步骤1.2)IMX节点在接收到这条消息后测量节点内的平均资源利用率，并把它转化成负载参数；

步骤1.3)每个IMX节点发送包含负载参数的更新回复消息给全局资源控制器；

步骤1.4)一旦全局资源控制器接收到更新回复消息，它会给所有的IMX节点发送一个包含所有节点负载消息的更新结果消息。

在步骤2)中，所述的资源分配的方法包括如下步骤：

步骤2.1)在IMX节点处于过载的情况下，传输机制被触发以开始卸载会话，并由传输机制规定何时进行IMX节点的重分配或者重定位；

步骤2.2)当传输机制被触发后，由定位机制决定从处于接收状态的IMX节点中选择哪一个IMX节点来接收上述卸载会话；

步骤2.3)由重定向机制将所有过载IMX节点的新会话全部卸载。

本发明提供的基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法提出了分布式系统中的负载分享机制，通过分析设计空间和被认可一些机制，基于这些，本发明提出了一个最适合分布式IMS实现需求的策略；这个负载分享机制是轻量的，且开销最小。本发明的研究可为进一步完善负载分享的具体实施提供了基础和指导。

附图说明

图1为负载均衡机制结构示意图。

图2为测量和更新机制示意图。

图3为本发明提供的基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提出的基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法进行详细说明。

如图1所示，负载均衡机制是将负载信息收集机制进一步划分为测量和更新机制，将资源分配机制进一步划分为传输、定位和重定向机制。测量和更新机制示意图如图2所示，其中测量机制定义了系统执行负载测量的频率，形成局部节点的负载，更新机制能使节点快速获知网络中所有节点的负载情况。资源分配机制是基于全局负载的角度，其中传输机制具体说明了什么时候重分配或者重定位任务。当重分配或者重定位被触发时，定位机制决定负载是如何在节点之间转移的，重定向机制决定有多少负载要被重定位。

如图3所示，本发明提供的基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)基于IMX节点的负载信息的收集和更新：为了使网络中的所有IMX节点协调运作，首先需要了解自身以及其他节点的负载，以便进行合理的负载均衡。在此步骤中，利用全局资源控制器发送消息给所有IMX节点的的局部资源控制器，再将收集到的所有IMX节点的负载参数回送给所有的局部资源控制器，以便每个IMX节点对网络中的负载情况有全面的掌握，为下一步资源分配做准备。

步骤2)资源分配：为了实现基于负载均衡的分布式IMS体系架构，在上述基于节点的负载信息的收集和更新后，IMX节点对负载进行重新分配，即均衡利用所有的资源完成会话的建立、传输。

如图2所示，在步骤1)中，所述的基于IMX节点的负载信息的收集和更新方法包括如下步骤：

步骤1.1)全局资源控制器(GRM)通过发送updateRequest消息给所有IMX节点的局部资源管理器(LRM)来触发更新；

步骤1.2)IMX节点在接收到这条消息后测量节点内的平均资源利用率，并把它转化成负载参数；

步骤1.3)每个IMX节点发送包含负载参数的更新回复消息给全局资源控制器；

步骤1.4)一旦全局资源控制器接收到更新回复消息，它会给所有的IMX节点发送一个包含所有节点负载消息的更新结果消息。

在上述过程中，所有的负载情况会在很短的时间里到达全局资源控制器，然后被直接包含在更新结果消息中。

在上面的负载分享机制中，每一个IMX节点独立决定是否采取重定位策略，所以这种资源分配机制是一种基于值的分布式机制，这使得基于IMX节点能在高负载情况下快速地做出反应以及会话到达时能够及时地重定位。

与分布式的资源分配机制不同，负载信息的收集和更新机制采用集中式的机制来决定何时对基于IMX节点中的负载信息作出反应。为减少IMX节点需要处理的负载更新消息的数量，网络采用星型的拓扑结构，其中全局资源控制器(GRM)是中心节点。为了获得及时的消息，采用基于时间的策略来周期性地触发负载消息的更新。由于IMX平台是基于高宽带的核心网，所以在IMX节点之间传播消息是无需吝啬的。基于三向握手的“拉模型”比较适合这种触发过程，原因在于这种“拉模型”更新快并且能同时给所有的IMX节点提供新消息。

根据消息和数据速率，更新机制的开销可以被量化。假如有n个IMX节点，每个IMX节点在更新周期μ内有3个消息需要发送给全局资源控制器，即在全局资源控制器中接收的消息速率为：

$m=\frac{3n}{\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

假设一个更新请求包或者更新回复包的大小是L，更新结果包的大小为nL，所以对于全局资源控制器来说，更新机制的数据速率为：

$r=\frac{2nL+n*n*L}{\mathrm{\μ}}=\frac{L}{\mathrm{\μ}}(2n+n^2)---\left(2\right)$

假设μ＝1s，L＝50B，n＝50。根据公式(2)可得数据速率为1.04Mbps，每秒传输150条消息。与SIP协议相比较，IMX节点的更新协议上的消息和数据速率是可被忽略的。

在步骤2)中，所述的资源分配的方法包括如下步骤：

步骤2.1)在IMX节点处于过载的情况下，传输机制被触发以开始卸载会话，并由传输机制规定何时进行IMX节点的重分配或者重定位；

步骤2.2)当传输机制被触发后，由定位机制决定从处于接收状态的IMX节点中选择哪一个IMX节点来接收上述卸载会话；

步骤2.3)由重定向机制将所有过载IMX节点的新会话全部卸载。

因为会话不能被完全卸载而且重定位的开销很大，所以所有的会话应该尽可能在入口的IMX节点中被处理。所以，早期的会话重定位不能获得一个均衡的负载分布。而且，IMX平台应该根据它们所服务的接入网的大小来获得相应的资源。IMX节点只有在高负载的情况下才会卸载会话。负载系数的定义对高负载有着影响。

负载系数是基于负载等级ρ计算出来的。负载等级是前一个测量时间段里的已用资源除以可用资源的比值。负载等级ρ只定义了分配给每一个用户通话的IMX功能实体的资源占用率。所以，当负载等级ρ＝0.0时，用户只是完成了注册，并没有会话被激活。当负载等级ρ＝1.0时，IMX节点的资源只能处理现有的会话，新来的会话已经无法处理，此时的超负荷控制机制已经被激活了。

本发明中的重定向机制将负载系数分成三类。当IMX节点处于可以接收会话的状态；当IMX节点处于激活状态；当ω≤ρ≤1.0，IMX节点处于过载状态。在负载分享机制中，每一个IMX节点在内部定义了如何根据当前的负载系数重定位会话，是一种分布的、基于值得、源驱动的机制。传输机制是指只要IMX节点在过载的状态下，就会卸载会话；定位机制则具体说明了卸载会话将会转移到哪个处于接收状态的IMX节点上，处于过载状态的节点以循环方式从updateResult消息中的处于接收状态的IMX节点中选择。在重定向机制中，过载IMX节点会将所有的新会话卸载。

负载分享机制在IMX节点上只增加了测量和更新机制，参数ω都可以根据负载情况和系统参数事先计算出来。过载状态可以通过转移负载切换到接收状态，中间有一个激活状态。激活状态是滞后系统的因素，增加激活状态的范围会减少处于接收状态的IMX节点，就会限制系统的整体容量。如何设置激活状态的门限在很大程度上取决于系统实现和对于震荡的敏感度，所以在本发明的评估中不考虑这个阶段。

Claims (3)

1.一种基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法，其特征在于：所述的基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤1)基于IMX节点的负载信息的收集和更新：利用全局资源控制器发送消息给所有IMX节点的的局部资源控制器，再将收集到的所有IMX节点的负载参数回送给所有的局部资源控制器；

步骤2)资源分配：在上述基于节点的负载信息的收集和更新后，IMX节点对负载进行重新分配，即均衡利用所有的资源完成会话的建立、传输。

2.根据权利要求1所述的基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的基于IMX节点的负载信息的收集和更新方法包括如下步骤：

步骤1.1)全局资源控制器(GRM)通过发送updateRequest消息给所有IMX节点的局部资源管理器(LRM)来触发更新；

步骤1.2)IMX节点在接收到这条消息后测量节点内的平均资源利用率，并把它转化成负载参数；

步骤1.3)每个IMX节点发送包含负载参数的更新回复消息给全局资源控制器；

步骤1.4)一旦全局资源控制器接收到更新回复消息，它会给所有的IMX节点发送一个包含所有节点负载消息的更新结果消息。

3.根据权利要求1所述的基于负载均衡的分布式IMS体系架构的设计与优化方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的资源分配的方法包括如下步骤：

步骤2.1)在IMX节点处于过载的情况下，传输机制被触发以开始卸载会话，并由传输机制规定何时进行IMX节点的重分配或者重定位；

步骤2.2)当传输机制被触发后，由定位机制决定从处于接收状态的IMX节点中选择哪一个IMX节点来接收上述卸载会话；

步骤2.3)由重定向机制将所有过载IMX节点的新会话全部卸载。