EP1436954A2 - Überlastschutz für steuerungseinheiten in kommunikationsnetzen - Google Patents

Überlastschutz für steuerungseinheiten in kommunikationsnetzen

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EP1436954A2
EP1436954A2 EP02776836A EP02776836A EP1436954A2 EP 1436954 A2 EP1436954 A2 EP 1436954A2 EP 02776836 A EP02776836 A EP 02776836A EP 02776836 A EP02776836 A EP 02776836A EP 1436954 A2 EP1436954 A2 EP 1436954A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
control unit
load
messages
gatekeeper
overload
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02776836A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Leis
Rainer Liebhart
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Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Nokia Siemens Networks GmbH and Co KG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Nokia Siemens Networks GmbH and Co KG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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    • H04L47/10—Flow control; Congestion control
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    • H04L47/10—Flow control; Congestion control
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    • H04L47/70—Admission control; Resource allocation
    • H04L47/74—Admission control; Resource allocation measures in reaction to resource unavailability
    • H04L47/745—Reaction in network

Definitions

  • the ITU-T standard H.323 defines a protocol family for the standardized control of services in multimedia packet networks (in particular IP networks), i.e. of networks in which a plurality of different services can be transmitted. These services, which are implemented in a unified, multimedia environment, are also called 'multimedia applications'.
  • multimedia application includes both services such as ordinary telephony (keyword 'Voice over IP (VoIP)'), as well as services such as fax, telephone conference, video conference, video on demand (VoD) and the like.
  • the essential network components of the packet-oriented H.323 are endpoints (units that want to use applications such as a PC client), gateways (GW) for the transition to the line-oriented telephone network, multipoint control units (MCU) for controlling conferences and gatekeepers (GK ).
  • a gatekeeper controls access to the IP network for all H.323 network components (endpoints, GW, MCU) that belong to its zone.
  • the following functions are assigned to a GK:
  • the functions 3), 4) and 5) are based on the processing of H.225 call signaling messages. If, due to too many H.225 signaling messages, the gatekeeper becomes overloaded in a certain time interval and messages have to be discarded, many functions of the gatekeeper and consequently many of the services mentioned above no longer or only stand for the end points of its zone limited available.
  • Smarter endpoints also help Overload of their (primary) gatekeeper to a second (secondary) gatekeeper assigned to them and thus carry out a dynamic (in contrast to the simpler static) load distribution.
  • Each new connection that an endpoint wants to set up (in the picture EP ⁇ ) is first trained by the gatekeeper according to the RAS protocol (Registration, Admission, Status)
  • a gatekeeper recognizes overload before the (TCP-based) H.225 messages by evaluating (UDP-based) RAS messages and subsequently reduces the load (e.g. measured as connections in a given time unit).
  • the gatekeeper advantageously rejects connection requests that have no prospect of success before the complex signaling and processing of TCP-based H.225 call signaling messages in the network and individual network components occurs, which then occur during the connection establishment rejected for overload would have to be.
  • the limit value from which signaling overload is present is defined, for example, as the number of maximum possible connection attempts per second that the gatekeeper can process.
  • threshold values are used to reduce connection requests e.g. on a percentage basis.
  • the percentage of connections to be rejected can again be freely administered or permanently linked to a threshold value.
  • a solution is very flexible, in which the more the connection requests are rejected, the higher the threshold value - i.e. the closer the current signaling load - to a predefined, maximum load.
  • the invention describes a simple method for determining the H.225 signaling load of a gatekeeper based on the first UDP-based RAS message ARQ. It also explains how a gatekeeper can reject connection requests in a controlled manner in the event of an overload.
  • the invention is event-controlled and thus avoids cyclical processes which could have a negative impact on the processor load of the gatekeeper. Since connection requests in the event of an overload are rejected even before the H.225 Call Setup message is sent, the unsuccessful establishment of TCP connections, which increase the network load and ' important resource cen prove, be avoided.
  • FIG. 1 shows an arrangement for carrying out the method according to the invention, which comprises a gatekeeper GK with a database DB and a client EP and a gateway GW,
  • FIG. 2 shows a table with threshold-dependent connection rejection values for reducing the overload of a gatekeeper
  • Figure 1 shows the connection establishment from the end point EP to the gateway GW.
  • the end point is registered with the gatekeeper GK. Therefore, it sends a RAS ARQ message to this gatekeeper.
  • This message acts in the gatekeeper as an event which triggers its processing according to the invention.
  • the connection establishment request is either confirmed with an ACF message or rejected with an ARJ message.
  • the connection between endpoint EP and gateway GW is only continued by exchanging further H.225 messages if confirmed.
  • the table shown in Figure 2 describes the processing of incoming connection requests depending on the current signaling load of the gatekeeper.
  • This table is preferably implemented in the gatekeeper's call processing machine and updated with each admission request ARQ received by an endpoint or gateway.
  • the gatekeeper calculates the current signaling load for each new incoming ARQ message of an end point, which indicates a new connection establishment request, and compares it with defined threshold values. If the current load is greater than one of these threshold values, the gatekeeper rejects the specified percentage value against new ones Connections.
  • the time interval T 0 V is used to calculate the current signaling load. For example, it is specified in seconds. All connection requests received within this time interval are taken into account when calculating the load. The default is 1 second.
  • the gatekeeper With (preferably every) admission request ARQ of an endpoint or gateway, the gatekeeper first checks its current signaling load before processing the connection request.
  • a transient time stamp T TRA N ⁇ is initialized with the current time T CURR and the transient counter C AR Q with 0.
  • the counter C ARQ is incremented by 1 and the current one Time T CURR determined.
  • the transient time stamp T TRAN s is set to the current time TCURR;
  • This mechanism is event driven, i.e. it only expires when ARQ messages arrive. No cyclic process has to be implemented in the gatekeeper. As a result, only little CPU (Central Processing Unit) time is advantageously used for this method.
  • CPU Central Processing Unit
  • connection establishment is continued with the RAS message Admission Confirm ACF or Admission Reject ARJ by the gatekeeper.
  • connection requests are processed, while the remaining connection requests are rejected with the RAS message Admission Reject ARJ.
  • the message ARJ preferably contains because of the value "resourceUnavailable”. The number of rejected connection requests depends on the defined percentage according to FIG. 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)
  • Telephonic Communication Services (AREA)

Abstract

Steuerungseinheiten wie z.B. Gatekeeper GK gemäss dem Standard H.323 werden vor H.225 Signalisierungsüberlast geschützt, indem Verbindungswünsche ohne Aussicht auf Erfolg entsprechend den H.323 Protokollvorschriften abgelehnt werden. Vorzugsweise erfolgt dies bereits während des initialen Austausches von entsprechend den RAS Protokollvorschriften ausgebildeten Nachrichten.

Description

Beschreibung
Überlastschutz für Steuerungseinheiten in Kommunikationsnet- zen
Der ITU-T Standard H.323 definiert eine Protokollfamilie zur vereinheitlichten Steuerung von Diensten in multimedialen Paketnetzen (insbesondere IP Netze) , d.h. von Netzen, in denen eine Mehrzahl von unterschiedlichen Diensten übermittelt werden kann. Diese in einer vereinheitlichten, multimedialen Umgebung realisierten Dienste werden auch 'Multimediaanwendungen' genannt. Unter den Begriff Multimediaanwendung fallen dabei sowohl Dienste wie gewöhnliche Telephonie (Stichwort 'Voice over IP (VoIP) ' ) , als auch Dienste wie Fax, Telephonkonferenz, Videokonferenz, Video on Demand (VoD) und ähnliches mehr.
Die wesentlichen Netzkomponenten des paketorientierten H.323 sind Endpunkte (Einheiten, die Anwendungen nutzen möchten wie z.B. ein PC Client), Gateways (GW) für den Übergang in das leitungsorientierte Telephonnetz, Multipoint Control Units (MCU) zur Steuerung von Konferenzen und Gatekeeper (GK) .
Ein Gatekeeper steuert dabei den Zugang in das IP Netz für alle H.323 Netzkomponenten (Endpunkte, GW, MCU), die seiner Zone angehören. Eine GK sind folgende Funktionen zugeordnet:
1) Admission Control (Netzzugangskontrolle)
2) Call Authorization (Authentifizierung einzelner Verkehrsströme - insb. bei VoIP auch 'Verbindungen' genannt)
3) Address Translation (Umwandlung zwischen Wahlinformation und IP Adressen) 4) Call Control Signalling (Steuerung des Auf- und Abbaus von Verkehrsströmen sowie von Teilnehmerfeatures)
5) GK Communication (Kommunikation mit den GK anderer Zonen)
Die Funktionen 3), 4) und 5) basieren auf der Bearbeitung von H.225 Call Signalling Nachrichten. Wenn der Gatekeeper aufgrund zu vieler H.225 Signalisierungsnachrichten in einem bestimmten Zeitintervall in Überlast gerät und damit Nach- richten verworfen werden müssen, stehen viele Funktionen des Gatekeepers und in der Folge viele der eingangs genannten Dienste insbesondere für die Endpunkte seiner Zone nicht mehr oder nur eingeschränkt zur Verfügung.
Die uneingeschränkte Verfügbarkeit von Diensten wie z.B. der telephonischen Erreichbarkeit genießt aber hohe Priorität und ist für carriergrade VoIP ausnehmend wichtig.
Bisher sind keine Mechanismen bekannt, mit denen das aufge- zeigte Problem gelöst werden könnte. Der einschlägige H.323 Standard ist nicht mit dem Thema Signalisierungslast von Netzkomponenten wie dem Gatekeeper befasst. Daher sind auch keine protokollspezifischen Abwehrmechanismen für Überlast im H.323 Standard beschrieben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, auch bei Signalisierungsüberlast eines Gatekeepers die zugeordneten Dienste weitgehend uneingeschränkt verfügbar zu halten.
Es wird vorgeschlagen, Gatekeeper vor H.225 Signalisierungsüberlast zu schützen. Verbindungswünsche ohne Aussicht auf Erfolg sollen entsprechend den H.323 Protokollvorschriften und insbesondere bereits entsprechend den RAS Protokollvorschriften abgelehnt werden.
In den Endpunkten werden alle bereits belegten Resourcen freigegeben. Intelligentere Endpunkte sprechen außerdem bei Überlast ihres (primary) Gatekeepers einen ihnen zugewiesenen zweiten (secondary) Gatekeeper an und führen damit eine dynamische (im Gegensatz zur einfacheren statischen) Lastverteilung durch.
Im H.323 Standard wird jede neue Verbindung bei Einsatz eines Gatekeepers wie folgt aufgebaut (GK = Gatekeeper; EP = Endpunkt) :
ARQ -->
<-- ACF SETUP —> SETUP -->
Jede neue Verbindung, die ein Endpunkt aufbauen will (im Bild EPα) , wird dem Gatekeeper zunächst durch eine gemäß dem Pro- tokoll RAS (Registration, Admission, Status) ausgebildete
Nachricht Admission Request ARQ angezeigt. Wenn diese positiv mit der RAS Nachricht Admssion Confirm ACF quittiert wurde, fährt der Endpunkt im Verbindungsaufbau mit einer gemäß dem Standard H.225 ausgebildeten Nachricht SETUP fort.
Erfindungsgemäß erkennt ein Gatekeeper bereits vor den (TCP basierten) H.225 Nachrichten Überlast durch Auswertung von (UDP basierten) RAS Nachrichten und reduziert in der Folge die Last (z.B. gemessen als Verbindungen in vorgegebener Zeiteinheit) .
Vorteilhaft weist der Gatekeeper schon im Zuge der RAS- Signalisierung Verbindungswünsche, die keine Aussicht auf Erfolg haben, ab, bevor es zur aufwändigen Signalisierung und Bearbeitung von TCP basierten H.225 Call Signalling Nachrichten im Netz und einzelnen Netzkomponenten kommt, die dann während des Verbindungsaufbaus wegen Überlast zurückgewiesen werden müssten.
Vorteilhaft wird bei ereignisgesteuerter Realisierung der Erfindung übermäßige Signalisierungslast auf einem Gatekeeper mit geringer interner Prozessorleistung erkannt und in der Folge über einen geeigneten Mechanismus reduziert. Als Ereignis kommt das Eintreffen bestimmter Nachrichten in Betracht, insbesondere der Nachricht ARQ.
Der Grenzwert, ab dem Signalisierungsüberlast vorliegt, wird beispielsweise als die Anzahl der maximal möglichen Verbindungsversuche pro Sekunde definiert, die der Gatekeeper bearbeiten kann.
Fest eingestellte oder auch frei administrierte Schwellwerte dienen der Reduktion von Verbindungswünschen z.B. auf Prozentbasis. Der Prozentsatz an abzuweisenden Verbindungen kann dabei wieder frei verwaltbar oder fest an einen Schwellwert gekoppelt sein.
Sehr flexibel gestaltet sich eine Lösung, bei der umso mehr Verbindungswünsche abgelehnt werden, je höher der Schwellwert - d.h. je näher die aktuelle Signalisierungslast - einer vordefinierten, maximalen Last kommt.
Durch die Erfindung wird ein einfaches Verfahren zur Ermittlung der H.225 Signalisierungslast eines Gatekeepers basierend auf der ersten UDP basierenden RAS Nachricht ARQ beschrieben. Zusätzlich wird dargelegt, wie ein Gatekeeper bei Überlast Verbindungswünsche auf kontrollierte Art abweisen kann. Die Erfindung ist ereignisgesteuert und vermeidet damit zyklische Prozesse, die sich negativ auf die Prozessorlast des Gatekeepers auswirken könnten. Da Verbindungswünsche bei Überlast bereits vor dem Senden der H.225 Call Setup Nach- rieht abgewiesen werden, kann der erfolglose Aufbau von TCP Verbindungen, die die Netzlast erhöhen und 'wichtige Ressour- cen belegen, vermieden werden.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigt hierbei:
Figur 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die einen Gatekeeper GK mit einer Datenbasis DB sowie einen Client EP und einen Gateway GW umfasst,
Figur 2 eine Tabelle mit schwellwertabhängigen Verbindungs- abweisungswerten zur Reduzierung von Überlast eines Gatekeeper
Figur 1 zeigt den Verbindungsaufbau vom Endpunkt EP zum Gateway GW. Der Endpunkt ist beim Gatekeeper GK registriert. Deshalb sendet es eine RAS Nachricht ARQ zu diesem Gatekeeper. Diese Nachricht wirkt im Gatekeeper als Ereignis, durch das deren erfindungsgemäße Bearbeitung ausgelöst wird. Der Verbindungsaufbauwunsch wird entweder mit einer Nachricht ACF bestätigt oder mit einer Nachricht ARJ abgelehnt. Nur bei Bestätigung wird der Verbindungsaufbau zwischen Endpunkt EP und Gateway GW durch Austausch weiterer H.225 Nachrichten fortgesetzt.
Die in Figur 2 gezeigte Tabelle beschreibt die Bearbeitung von eingehenden Verbindungswünschen in Abhängigkeit von der aktuellen Signalisierungslast des Gatekeepers. Diese Tabelle wird vorzugsweise in der Call Processing Maschine des Gate- keepers implementiert und mit jedem Admission Request ARQ, der von einem Endpunkt oder Gateway empfangen wird, aktualisiert. Der Gatekeeper berechnet bei jeder neu eingehenden ARQ Nachricht eines Endpunkts, durch die ein neuer Verbindungsaufbauwunsch anzeigt wird, die aktuelle Signalisierungslast und vergleicht diese mit definierten Schwellwerten. Falls die aktuelle Last größer als einer dieser Schwellwerte ist, lehnt der Gatekeeper den festgelegten prozentualen Wert an neuen Verbindungen ab.
Im folgenden wird diese erfindungsgemäße Überlaststeuerung in einem detaillierten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Überlast ist definiert durch einen festzulegenden Wert OBEG = maximale Zahl von Verbindungswünschen pro Sekunde, die der Gatekeeper bearbeiten kann. Dieser Wert kann z.B. durch Lasttests auf einer konkreten Maschine ermittelt werden.
Das Zeitinterval T0V dient der Berechnung der aktuellen Signalisierungslast. Es wird z.B. in Sekunden angegeben. Bei der Berechnung der Last werden alle Verbindungswünsche berücksichtigt, die innerhalb dieses Zeitintervalls eingehen. Stan- dardmäßig wird 1 Sekunde verwendet.
Im Zähler CARQ werden alle von einem Endpunkt oder Gateway innerhalb des definierten Zeitintervalls T0V kommenden Admission Requests ARQ erfasst. Dabei wird die H.225 Signalisie- rungslast mit der Zahl der ARQ im definierten Zeitintervall TOVL identifiziert. Dies ist aus den eingangs erwähnten Gründen möglich.
Beim (vorzugsweise jedem) Admission Request ARQ eines End- punkts oder Gateways, überprüft nun der Gatekeeper zunächst seine aktuelle Signalisierungslast, bevor er den Verbindungswunsch bearbeitet.
Verfahren zur Ermittlung der Signalisierungslast:
Bei Systemstart wird ein transienter Zeitstempel TTRANΞ mit der aktuellen Zeit TCURR und der transiente Zähler CARQ mit 0 initialisiert.
1. Wenn eine Nachricht ARQ durch den Gatekeeper empfangen wird, wird der Zähler CARQ um 1 erhöht und die aktuelle Zeit TCURR ermittelt.
2. Falls das definierte Zeitinterval T0V verstrichen ist (d.h. TCURR - TTRANS >= T0VL) wird:
2.1. die aktuelle Last mittels Load = CARQ / (TTRΛNS - TCURR) berechnet;
2.2. der transiente Zeitstempel TTRANs auf die aktuelle Zeit TCURR gesetzt;
2.3. der Zähler CARQ auf 0 zurückgesetzt.
Mit der nächsten empfangenen Nachricht ARQ wird in der glei- chen Weise verfahren.
Dieser Mechanismus ist ereignisgesteuert, d.h. er kommt nur dann zum Ablauf, wenn Nachrichten ARQ eintreffen. Es uss kein zyklischer Prozess im Gatekeeper implementiert werden. Dadurch wird für dieses Verfahren vorteilhaft nur wenig CPU (Central Processing Unit) Zeit verbraucht.
Abweisen von Verbindungswünschen aufgrund von Signalisierungsüberlast :
- Wenn die aktuelle Auslastung unterhalb des niedrigsten definierten Schwellwertes liegt, wird ein Verbindungswunsch wie gewohnt bearbeitet und der Verbindungsaufbau mit der RAS Nachricht Admission Confirm ACF oder Admission Reject ARJ durch den Gatekeeper fortgesetzt.
- Wenn die aktuelle Auslastung des Gatekeepers über einem der festgelegten Schwellwerte liegt, wird nur mehr ein bestimmter Prozentsatz der eingehenden Verbindungswünsche bearbeitet, während die restlichen Verbindungswünsche mit der RAS Nachricht Admission Reject ARJ abgewiesen werden. Die Nachricht ARJ enthält dabei vorzugsweise als Auslöse- grund den Wert "resourceUnavailable" . Die Anzahl der abgewiesenen Verbindungswünsche richtet sich dabei nach dem definierten Prozentsatz gemäß Figur 2.
Abschließend sei betont, dass die Beschreibung der für die Erfindung relevanten Komponenten grundsätzlich nicht einschränkend zu verstehen ist. Für einen einschlägigen Fachmann ist insbesondere offensichtlich, dass Begriffe wie 'Endpunkt', 'Gateway' oder 'Gatekeeper' funktional und nicht physikalisch zu verstehen sind. Somit können sie beispielsweise auch teilweise oder vollständig in Software und/oder über mehrere physikalische Einrichtungen verteilt realisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überlastschutz einer Steuerungseinheit (GK) eines Kommunikationsnetzes, mit folgenden Schritten:
- Erfassen der aktuellen Last (Load) der Steuerungseinheit durch Zählen von bestimmten Ereignissen,
- Vergleich der aktuellen Last mit zumindest einem Schwell- wert (S) , der unter Berücksichtigung einer vordefinierten, maximalen Last der Steuerungseinheit gebildet wird,
- Reduktion der Last der Steuerungseinheit über einen geeigneten Mechanismus bei Überschreiten des Schwellwertes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ereignisse als das Eintreffen von bestimmten Nachrichten, insbesondere von Anträgen (ARQ) auf Zulassung von Übermittlungen in dem Kommunikationsnetz ausgebildet sind.
3. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, bei dem der Schwellwert unter Berücksichtigung der ohne Überlast maximal bearbeitbaren Anzahl (0BEG) von Nachrichten, insbesondere der maximal annehmbaren Anzahl von Anträgen gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, bei dem die geeignete Maßnahme als Nichtbearbeitung von zumindest einer Nachricht, insbesondere als Abweisung von zu- mindest einem Antrag ausgebildet ist.
5. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, bei dem eine auf Prozentbasis angegebene Anzahl von Nachrichten nicht bearbeitet wird.
6. Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, bei dem umso mehr Nachrichten nicht bearbeitet werden, je näher die aktuelle Last der vordefinierten, maximalen Last der Steuerungseinheit kommt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem durch mehrere Schwellwerte (Sι-S4) mehrere disjunkte Klassen gebildet werden, denen jeweils eine homogene geeignete Maßnahme zugeordnet ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Schwellwerte und/oder die geeigneten Maßnahmen wahlweise fest eingestellt oder frei administriert werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die aktuelle Last zyklisch in vorgegebenen Zeiteinheiten erfasst wird.
10. Computerprogrammprodukt, umfassend Softwarecodeabschnitte, mit denen ein Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche durch zumindest einen Prozessor ausgeführt wird.
11. Einrichtung, insbesondere Steuerungseinheit (GK) oder Endpunkt (EP) , umfassend zumindest ein Mittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche.
12. Anordnung, insbesondere Kommunikationsnetz, umfassend zumindest ein Computerprogrammprodukt und/oder eine Einrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen.
EP02776836A 2001-10-19 2002-10-17 Überlastschutz für steuerungseinheiten in kommunikationsnetzen Withdrawn EP1436954A2 (de)

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