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近年來，隨著網絡技術和電信技術的高速發展和人民生活水平的不斷提高，人們對通信質量的要求也越來越高[1]。除了對傳統通信方式的需求外，人們還對內容豐富多彩的多媒體相互網絡產生了濃厚的興趣[2]。但是傳統的電信交換技術是基于電路域的，因此在處理豐富多樣的多媒體內容時就會暴露出很多缺陷，其業務承載的靈活性、多樣性、可擴展性和可伸縮性都比不上基于分組交換IP網絡[3]。于是，業內把研究的熱點放在將因特網、電信網和廣播電視網的整合上，來提供內容更為豐富的多媒體通信。

國際電信標準化聯盟ITU-T、歐洲電信標準ETSI，3GPP以及3GPP2等眾多的國際上標準化組織都紛紛定義了下一代網絡（NGN）的基本框架，這類組織都認為下一代網絡以IP作為承載網將會是一種趨勢。以3GPP、ITU-T、ETSI為代表，都積極地定義IP多媒體子系統（IPMultimediaSubsystem，ims）作為NGN的核心網架構[4]。IMS的特點是實現了業務、控制、承載三方面的分離，服務網絡按照平面結構進行了分層。這種平面結構能夠有效地改善傳統電信技術垂直業務模式帶來的缺陷，使得業務的擴展和資源的共享能都夠更加有利地進行。IMS能夠有效地融合移動接入網和固定方式接入網，實現統一的QoS機制、用戶數據管理機制、業務觸發機制以及統一的計費機制[5]。在Internet發展進程中，分組交換技術憑借其高效、簡單、易擴展等諸多優勢，做出過巨大的貢獻。但是，由于基于分組交換的IP網絡只能夠提供“盡力而為”的服務，不能夠保證服務質量的準確性及可靠性[6]。因此，能否有效的解決IP網絡的QoS問題，成為了全球各大運營商推進下一代網絡部署與實施的首要難題。

1IMS與重疊網絡

1.1IP多媒體子系統IP多媒體子系統（IPMultimediaSubsystem），簡稱IMS，是由The3rdGenerationPartnershipProjec（t3GPP）定義的下一代的通信網絡（NextGenerationNetwork），實現IP網融合的解決方案架構[7]。IP多媒體子系統是一種基于多媒體的全新業務架構，可以充分滿足用戶多樣性的終端接入和對不同類型的多媒體業務需要。IMS技術不僅可以有效地管理用戶資源、網絡資源以及其他資源，提高網絡的整體性能，而且可以實現VoIP業務，使得用戶能夠使用各式各樣的終端并且跨越多種網絡，充分體驗融合的網絡通信方式。IMS核心網是由有限的功能實體組成的，圖1所示的是基于SIP會話建立過程中重要的功能實體。IP主機上部署著由功能實體組成的應用，然后這些IP主機通過網絡連接到各大運營商的IP基礎通信設施上。每個IP主機上都可能存在著不止一個功能實體，比如說多個實體可能被集合在一起，一個典型的例子就是S-CSCF，P-CSCF和I-CSCF集成在一起。IMS網絡中的所有功能實體都需要通過DNS服務來建立相互之間的通信，DNS客戶端通過本地的DNS服務器來訪問全局DNS，但是IMS網絡中的DNS服務器不會無條件地為IMS的功能實體連接到全局DNS上。當網絡內部中的功能實體需要與網絡外部的功能實體建立通信時，那么它就需要一個邊界網關，邊界網關可以和網絡外部的功能實體進行通信。IMS采用的是基于策略的QoS管理模式，其特點是將事先定義好的策略存儲在策略數據庫中，這樣不同的網元就可以根據策略數據庫中相對應的策略自適應地執行各自的任務。IMS通過這種將執行和管理分開QoS管理模式，使得整個網絡能夠很好地適應網絡的動態變化。IMS的網絡管理模式主要由以下四部分組成，它們分別是：策略執行點（PEP）、策略決策點（PDP）、策略數據庫和策略管理工具。IMS將網絡管理模式映射到對QoS管理上。在IMS的網絡中，策略的判決功能（PDF）映射策略決策點功能，策略執行點的功能包含在GGSN中。IMS的網絡QoS框架如圖2所示：在IMS網絡中，P-CSCF功能實體負責在拜訪網絡中會話的授權和資源管理，Gq參考點用于PDF和P-CSCF之間配置信息的交互，PDF和GGSN間的媒體授權是通過Go參考點來實現的。

1.2重疊網絡重疊網絡是在網絡底層的基礎上搭建出來的一個虛擬網絡，即在現有的IP基礎設施之上部署重疊網絡的節點。這種部署方式的優點是終端可以在不依賴底層的IP基礎設施就可以進行通信，并且還能夠動態地選擇性能和可靠性更優的鏈路進行數據的傳輸。重疊網絡與實際底層網絡的不同之處在于重疊網絡中的各個節點之間是通過邏輯鏈路進行連接的，它可以在不改變原有網絡架構的基礎之上，改善和提高網絡的性能。由于重疊網絡具有簡單、靈活和高擴展性等特點，使得其能夠為網絡上層提供具有質量保證的服務，可以滿足一些對實時性要求較高的網絡應用[8]。重疊網絡的應用對互聯網技術的發展發揮了重要的作用。傳統的互聯網特點的端到端不可見的，這樣就可以在不對骨干網進行任何改造的情況下，在網絡邊界布置新的業務。但是，隨著網絡規模的不斷加大，現有的骨干網已經不能滿足網絡需求而需要進行擴容的時候，骨干網改造升級困難的問題就顯露出來了。重疊網在這種情況下就可以很好的發揮其作用了，它可以在不改變原有網絡架構的基礎之上提高網絡的承載能力。重疊網絡的應用還可以有效地緩解IP網絡“盡力而為”的服務特性帶來的傳輸數據質量得不到保障的問題，它可以有效地避免由于網絡擴充和升級改造帶來的麻煩，以此來滿足網絡上層對應用越來越嚴格的需求。因此，重疊網絡的出現為互聯網技術的發展和演進發揮了重要的作用。

2IMS重疊網絡的拓撲探測方法

IMS網絡是集中式網絡，存在著網絡資源集中，單點效應等問題。目前的研究通過在IMS網絡上搭建重疊網絡可以解決此類問題。但是，重疊網絡傳輸路徑一般會途經多個網絡，多媒體數據在到達目標主機之前常常需通過多個路由，不但傳輸效率低下并且很大程度上浪費了網絡資源。因此，有必要對重疊網絡的拓撲探測方法進行研究。

2.1重疊網絡的管理本文采用服務管理功能節點（SMF，ServiceManagementFunction）對重疊網絡進行管理[9]。SMF作為一個網絡節點位于IMS的控制層，它具有搭建重疊網絡、搜索網絡資源和網絡測距的功能。SMF可以通過SIP協議和IMS核心網的CSCF實體進行通信來獲取終端的業務需求；SMF可以通過SNMP協議來獲取BGP路由表信息以及OSPF路由表信息；為搭建重疊網絡和搜索網絡資源，網絡內部的SMF可以和網絡外部的SMF通過遠程過程調用接口（RPC）來進行網絡通信。在每一個IMS核心網中都可以有一個或多個SMF實體，具體根據IMS核心網的規模而定。在IMS重疊網絡中，SMF將所屬IMS中能夠提供的資源共享的終端和資源信息索引存儲在DHT網絡中[10]。終端通過CSCF將搜索所需要的條件發送至SMF，然后SMF在DHT網絡中搜索終端需要的資源。搜索結果由SMF返回給終端，終端根據獲得的結果完成后續操作，這樣終端就可以通過SMF完成網絡資源的搜索。網絡拓撲感知是在測量網絡距離的基礎上進行的，本文提出的重疊網絡拓撲探測方法的核心思想是在利用灰色關聯算法[11]的基礎上，使用BGP/OSPF的相關路由信息來完成網絡距離的測算。在IMS重疊網絡中，終端在對某一網絡資源進行搜索時，SMF節點首先會在DHT網絡查找對應的資源。在獲取資源的候選列表后，SMF會利用灰色關聯算法對BGP/OSPF的相關路由信息進行屬性評估，然后將網絡距離較近的資源地址篩選出來，得到更新后的資源列表，最后按照評估所得評估值將新的資源列表進行排序，完成重疊網絡的拓撲探測。本文使用灰色關聯算法對候選列表的中資源進行評估，下面首先對灰色關聯算法的原理進行介紹。

2.2灰色關聯算法原理灰色系統理論是由鄧聚龍教授在20世紀80年代提出的，其中灰色關聯算法是其中的重要理論之一。利用灰色關聯算法，將SMF提取出的BGP路由表屬性進行定量的分析與比較，利用路由表屬性的類似性等級和可變性等級建立各種路由表屬性之間的關聯，從而完成候選列表中各個候選節點的屬性評估。灰色關聯算法主要步驟如下：（1）選擇評估因子：SMF將提取出的BGP或OSPF路由表信息中的Origin屬性、AS_path屬性和Next_hop等一些路由表屬性作為評估因子。（2）將候選列表中的節點資源進行排列，組成序列。

2.3探測方法的設計本文設計的探測方法流程圖如圖3所示，主要思想如下：（1）SMF首先從候選列表中選擇待評估的節點，然后根據BGP判斷該節點與服務節點是否處于同一AS內。（2）如果待評估節點與服務節點處于同一AS內，將該節點的評估分加上相同AS的加權值，然后進一步判斷該節點與服務節點是否處于同一子網內；否則，利用灰色關聯算法對BGP路由表信息終終端路由屬性進行評估得到該節點的評分。（3）如果該節點與服務節點處于同一子網內，將該節點的評估分加上相同子網的加權值；否則，利用灰色關聯算法對節點經過的路由進行評估得到該節點的評分。（4）節點得到評分后存入到待評價集合中，候選列表中的節點數減1，然后判斷候選列表中節點數是否為0。（5）如果候選列表中節點的數為0，拓撲探測結束，然后通過快速排序將待評價集合中的節點按評分高低進行降序排序得到結果集合；否則，開始新一輪的節點評估，直到候選列表中待評估的節點數為0。

3仿真驗證

為了驗證本文提出的探測方法，使用文獻[12]中提出的仿真方案，利用ProtoPeerFramework仿真平臺來仿真IMS重疊網絡[13]。本次仿真共部署15個IMS核心網AS，每個IMS核心網AS中都有一個SMF功能節點，用來完成網絡拓撲的探測和網絡資源的搜索。BGP和OSPF的路由信息管理和更新是通過仿真相對應的路由器來完成的。在每個IMS核心網AS中，都部署了相對應數量的普通節點，設定當普通節點在網絡數據下載流量達到整個AS資源的30%時，將該普通節點設置為新的服務節點。仿真開始時，為整個仿真網絡提供100MB的視頻資源。仿真開始20s后，每隔20s取一次仿真數據，一共取25組仿真實驗數據。通過對比使用本文設計探測方法的網絡和普通網絡實驗數據得到仿真結果，如圖4所示。通過圖4可以看出，使用了本文設計探測方法的重疊網絡在仿真時間160s時下載流量達到了最大值，而普通重疊網絡則是在仿真時間200s時下載流量達到最大值。另外，從整個仿真結果可以看出普通的重疊網絡AS間流量在整個仿真時間過程中都要大于使用了探測方法的重疊網絡。這是因為使用了探測方法的IMS重疊網絡可以提前探測到距離較近的服務器，從而避免了不必要遠距離傳輸。而普通的重疊網絡則不能提前對網絡拓撲進行探測，往往會選擇距離較遠的服務器進行傳輸。因此，仿真結果驗證了本文提出的探測方法可以有效的改善IMS重疊網絡媒體數據的傳輸質量，減少了不必要的跨AS間的傳輸流量。

4結語

本文提出的探測方法使IMS重疊網在網絡拓撲穩定的情況下，利用SMF節點能夠為用戶選擇符合QoS要求、距離較近、鏈路代價較小的網絡資源特性，可以有效、快速地探測到網絡底層的拓撲結構，實現網絡資源分散在AS邊緣，避免出現遠距離的、跨多個AS的數據傳輸，有利于改善網絡的系統吞吐量，提高網絡的資源利用率。為需求高帶寬的多媒體應用提供了很好的傳輸優化方案。

作者：何普勝 單位：福建省郵電規劃設計院有限公司