کد مقاله : 13990321237704 بازدید : 4152 صفحه: 1 - 12

نوع مقاله: پژوهشی

مدیریت منابع در شبکه‌های چندرسانه‌ای با استفاده از شبکه‌های نرم‌افزارمحور

محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر

1 - دانشگاه اصفهان،دانشكده مهندسي كامپيوتر

تاریخ دریافت : 1399/03/21 تاریخ پذیرش : 1400/09/21 تاریخ انتشار : 1401/03/30

کلید واژه: شبکه‌های نرم‌افزارمحور, کنترل اضافه‌بار, مدل‌سازی ریاضی, شبکه SIP, مدیریت منابع شبکه,

چکیده مقاله :

امروزه شبکه‏های چندرسانه‏ای بر روی اینترنت به یک جایگزین کم‌هزینه و کارامد برای PSTN تبدیل شده است. برنامه‏های کاربردی جهت انتقال مالتی‌مدیا بر روی بستر اینترنت روزبه‌روز فراگیرتر شده و به محبوبیت بسیار چشم‌گیری دست پیدا کرده‌اند. این ارتباط از دو فاز تشکیل شده است: فاز سیگنالینگ و فاز تبادل مدیا. فاز سیگنالینگ توسط پروکسی‌های SIP و فاز تبادل مدیا توسط سوئیچ‏های شبکه انجام می‌شود. از مهم‌ترین چالش‌ها در شبکه‏های چندرسانه‏ای، اضافه‌بار شدن پروکسی‌های SIP و سوئیچ‌های شبکه به ترتیب در فازهای سیگنالینگ و مدیا است. وجود این چالش سبب می‌شود که طیف وسیع کاربران شبکه با افت شدید کیفیت سرویس مواجه شوند. ما در این مقاله به مدل‌سازی مسئله مسیریابی در شبکه‏های چندرسانه‏ای جهت مقابله با اضافه‏بار می‏پردازیم. در این راستا یک روش مبتنی بر فناوری شبکه‌های نرم‌افزارمحور و بر پایه یک مدل برنامه‏ریزی ریاضی محدب در شبکه‏های چندرسانه‏ای ارائه می‏کنیم. روش پیشنهادی تحت سناریوها و توپولوژی‌های متنوع شبیه‌سازی می‌گردد و نتایج نشان می‌دهند که گذردهی و مصرف منابع، بهبود یافته است.

چکیده انگلیسی:

Nowadays, multimedia networks on the Internet have become a low-cost and efficient alternative to PSTN. Multimedia transfer applications on the Internet are becoming more and more popular. This connection consists of two phases: signaling and media. The signaling phase is performed by SIP proxies and the media phase by network switches. One of the most important challenges in multimedia networks is the overload of SIP proxies and network switches in the signaling and media phases. The existence of this challenge causes a wide range of network users to face a sharp decline in the quality of service. In this article, we model the routing problem in multimedia networks to deal with the overload. In this regard, we present a technology-based method of software-based networks and a mathematical programming model in multimedia networks. The proposed method is simulated under various scenarios and topologies. The results investigate that the throughput and resource consumption has improved.

منابع و مأخذ:

[1] J. Rosenberg, et al., SIP: Session Initiation Protocol, IETF RFC 3261, Jun. 2002.
[2] J. Rosenberg, et al., Requirements for Management of Overload in the Session Initiation Protocol, RFC5390, Dec. 2008.
[3] E. M. Nahum, J. Tracey, and C. P. Wright, "Evaluating SIP server performance," ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review, vol. 35, no. 1, pp. 349-350, Jun. 2007.
[4] M. Ohta, "Performance comparisons of transport protocols for session initiation protocol signaling," in Proc. 4th Int. Telecommunication Networking Workshop on QoS in Multiservice IP Networks, pp. 148-153, Venezia, Italy, 13-15 Feb. 2008.
[5] E. Noel and C. Johnson, "Initial simulation results that analyze SIP based VoIP networks under overload," in Proc. 20th int. Teletraffic Conf. on Managing traffic performance in converged networks, pp. 54-64, Ottawa, Canada, 17-21 Jun. 2007.
[6] M. Ohta, "Simulation study of SIP signaling in an overload condition," in Proc. Communication Internet, and Information Technology, pp. 321-326, Cote d'Azur, France, 26-29 Aug. 2004.
[7] V. K. Gurbani and R. Jain, "Transport protocol considerations for session initiation protocol networks," Bell Labs Technical J., vol. 9, no. 1, pp. 83-97, 2004.
[8] V. Pascual, SIP Server Overload Problem Statement, http://siprouter.org/wiki/_media/tbd/overload_control_problem_statement_vpascualv10.pdf, 2009.
[9] V. Hilt and I. Widjaja, "Controlling overload in networks of SIP servers," in Proc. IEEE Int. Conf. on at the Network Protocols, pp. 83-93, Orlando, FL, USA, 19-22 Oct. 2008.
[10] P. McGregor, R. Kaczmarek, V. Mosley, D. Dease, and P. Adams, "National security/emergency preparedness and the next-generation network," IEEE Communications Magazine, vol. 44, no. 5, pp. 133-143, May 2006.
[11] V. Hilt, Design Considerations for Session Initiation Protocal (SIP) Overload Control, RFC6357, Aug. 2011.
[12] I. Widjaja, V. Hilt, and H. Schulzrinne, Session Initiation Protocol (SIP) Overload Control, IETF, http://tools.ietf.org/html/draft-hilt-sipping-overload-02, 2008
[13] C. Shen and H. Schulzrinne, "On TCP-based SIP server overload control," in Proc. The Principles, Systems and Applications of IP Telecommunications, pp. 71-83, Munich Germany, 2-4 Aug. 2010.
[14] H. Schulzrinne, S. Narayanan, J. Lennox, and M. Doyle, SIP Stone-Benchmarking SIP Server Performance, Columbia University, 2002.
[15] H. Lindholm, T. Vahakangas, and K. Raatikainen, "A control plane benchmark for telecommunications signalling applications," Sort, vol. 20, no. 5, pp. 100-125, May 2007.
[16] M. Cortes, J. R. Ensor, and J. O. Esteban, "On SIP performance," Bell Labs Technical J., vol. 9, no. 3, pp. 155-172, Nov. 2004.
[17] S. Wanke, M. Scharf, S. Kiesel, and S. Wahl, "Measurement of the SIP parsing performance in the SIP express router," in Proc. 13th open European Summer School and IFIP TC6.6 Conf. on Dependable and Adaptable Networks and Services, pp. 103-110, Enschede, The Netherlands, 18-20 Jul. 2007.
[18] S. S. Gokhale and J. Lu, "Signaling performance of SIP based VoIP: a measurement-based approach," in Proc. IEEE Global Telecommunications Conf., pp. 761-765, St. Louis, MO, USA, 28-Nov.-3 Dec. 2005.
[19] C. Chi, D. Wang, R. Hao, and W. Zhou, "Performance evaluation of SIP servers," in Proc. 3rd Int. Conf. on the Communications and Networking in China, pp. 674-679, Hangzhou, China, 25-27 Aug. 2008.
[20] D. Pesch, M. I. Pous, and G. Foster, "Performance evaluation of SIP-based multimedia services in UMTS," Computer Networks, vol. 49, no. 3, pp. 385-403, Oct. 2005.
[21] M. Homayouni, et al., "Configuration of a sip signaling network: an experimental analysis," in Proc. 5th Int. Joint Conf. on INC, IMS and IDC, pp. 76-81, Seoul, South Korea, 25-27 Aug. 2009.
[22] K. K. Ram, I. C. Fedeli, A. L. Cox, and S. Rixner, "Explaining the impact of network transport protocols on SIP proxy performance," in Proc. IEEE Int. Symp. on the Performance Analysis of Systems and Software, pp. 75-84, Austin, TX, USA, 20-22 Apr. 2008.
[23] X. Wenfeng, et al., "A survey on software-defined networking," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 1, pp. 27-51, Firstquarter 2015.
[24] A. R. Montazerolghaem, S. K. Shekofteh, M. H. Yaghmaee, and M. Naghibzadeh, "A load scheduler for SIP proxy servers: design, implementation and evaluation of a history weighted window approach," International J. of Communication Systems, vol. 30, no. 3, Article ID: e2980, May 2015.
[25] J. Hongbo, et al., "Design, implementation, and performance of a load balancer for SIP server clusters," IEEE/ACM Trans. on Networking, vol. 20, no. 4, pp. 1190-1202, Aug. 2012.
[26] K. Singh and H. Schulzrinne, "Failover, load sharing and server architecture in SIP telephony," Computer Communications, vol. 30, no. 5, pp. 927-942, Mar. 2007.
[27] W. M. Wu, K. Wang, R. H. Jan, and C. Y. Huang, "A fast failure detection and failover scheme for SIP high availability networks," in Proc. 13th Pacific Rim Int. Symp. on the Dependable Computing, pp. 187-190, Melbourne, Australia, 17-19 Dec. 2007.
[28] Y. J. Cheng, K. Wang, R. H. Jan, C. Chen, and C. Y. Huang, "Efficient failover and load balancing for dependable SIP proxy servers," in Proc. IEEE Symp. on the Computers and Communications, pp. 1530-1346, Marrakech, 6-9 Jul. 2008.
[29] G. Kambourakis, D. Geneiatakis, T. Dagiuklas, C. Lambrinoudakis, and S. Gritzalis, "Towards effective SIP load balancing," in Proc. 3rd VoIP Security Workshop, 6 pp., Berlin, Germany, 15-17 Jun. 2006.
[30] S. Montagna and M. Pignolo, "Performance evaluation of load control techniques in sip signaling servers," in Proc. 3rd Int. Conf. on the Systems, pp. 51-56, Cancun, Mexico, 13-18 Apr. 2008.

متن کامل:

معرفي يک روش جديد خوشه‌يابي خودکار

مقاله پژوهشی

مدیریت منابع در شبکه‌های چندرسانه‌ای
با استفاده از شبکه‌های نرم‌افزارمحور

احمدرضا منتظرالقائم

چكیده: امروزه شبکه‏های چندرسانه‏ای بر روی اینترنت به یک جایگزین کم‌هزینه و کارامد برای PSTN تبدیل شده است. برنامه‏های کاربردی جهت انتقال مالتی‌مدیا بر روی بستر اینترنت روزبه‌روز فراگیرتر شده و به محبوبیت بسیار چشم‌گیری دست پیدا کرده‌اند. این ارتباط از دو فاز تشکیل شده است: فاز سیگنالینگ و فاز تبادل مدیا. فاز سیگنالینگ توسط پروکسی‌های SIP و فاز تبادل مدیا توسط سوئیچ‏های شبکه انجام می‌شود. از مهم‌ترین چالش‌ها در شبکه‏های چندرسانه‏ای، اضافه‌بار شدن پروکسی‌های SIP و سوئیچ‌های شبکه به ترتیب در فازهای سیگنالینگ و مدیا است. وجود این چالش سبب می‌شود که طیف وسیع کاربران شبکه با افت شدید کیفیت سرویس مواجه شوند. ما در این مقاله به مدل‌سازی مسئله مسیریابی در شبکه‏های چندرسانه‏ای جهت مقابله با اضافه‏بار می‏پردازیم. در این راستا یک روش مبتنی بر فناوری شبکه‌های نرم‌افزارمحور و بر پایه یک مدل برنامه‏ریزی ریاضی محدب در شبکه‏های چندرسانه‏ای ارائه می‏کنیم. روش پیشنهادی تحت سناریوها و توپولوژی‌های متنوع شبیه‌سازی می‌گردد و نتایج نشان می‌دهند که گذردهی و مصرف منابع، بهبود یافته است.

کلیدواژه: شبکه‌های نرم‌افزارمحور، کنترل اضافه‌بار، مدل‌سازی ریاضی، شبکه SIP، مدیریت منابع شبکه.

1- مقدمه

امروزه علاقه‌مندی به شبکه‏های چندرسانه‏ای بر روی اینترنت، رو به افزایش است [1]. گستردگي و تنوع سرويس‌هاي فراهم‌شده توسط شبکه‌هاي IP سبب روي‌آوردن فناوری‌های مختلف به يکپارچه و مجتمع سازي انواع شبکه‌ها و گرويدن به شبکه‏های چندرسانه‏ای بر روی اینترنت شده است. ارتباطات در این شبکه دو فاز اصلی دارد: فازهای سیگنالینگ
و مدیا. پروتکل SIP [2] برای سيگنالينگ مکالمات صوتی و تصویری
از رشد روزافزونی برخوردار گردیده و به عنوان پروتکل سيگنالينگ پيشنهادي براي شبکه‌هاي نسل آينده در نظر گرفته شده است [3]. همچنین روزبه‌روز فناورهای بی‌سیم نسل چهارم و پنجم از سوی شرکت‏های مخابراتی بیشتری مورد استفاده قرار می‏گیرد و در نتیجه در آینده‏ای نه‌چندان دور تقریباً تمامی تلفن‏ها و دستگاه‏های موبایل مجبور خواهند بود که برای جلسات چندرسانه‏ای خود، از پروتکل SIP به عنوان پروتکل سیگنالینگ پشتیبانی نمایند [4]. پس از فاز سیگنالینگ، فاز
مدیا برای تبادل مالتی‌مدیا است. شکل 1 یک پیکربندی معمول SIP را نشان می‏دهد. پیش از ایجاد یک جلسه بین تماس‌گیرنده (یا UAC) و تماس‌پذیرنده (یا UAS)، اطلاعات مورد نیاز برای ایجاد یک جلسه از طریق سیگنالینگ SIP مبادله می‌شود [5]. سیگنالینگ SIP از طریق ارسال پیام‌های درخواست‌ و پاسخ‌ به وسیله پروکسی سرورهای SIP‏ انجام می‏شود. مسیر پیام‌های درخواست و پاسخ از مسیر عبور مدیا مستقل است [6]. سیگنالینگ SIP را به وسیله (1) تا (7) در این شکل نشان داده‏ایم. ارتباط (8) نیز نشان‌دهنده عبور مدیا از سوئیچ‌های شبکه از طریق پروتکل RTP است [7]. پس پیام‌های سیگنالینگ هم از سوئیچ‌های شبکه عبور می‌کنند و هم از پروکسی‌های SIP. اما پیام‌های مدیا فقط از سوئیچ‌های شبکه عبور می‌کنند. پیام‌ها برای رسیدن به مقصد (تماس‌پذیرنده) نیاز به مسیریابی دارند [8].

پروکسی‌های SIP وظیفه مسیریابی لایه هفت پیام‌ها و سوئیچ‌های شبکه وظیفه مسیریابی لایه سه پیام‌ها را بر عهده دارند [9]. عدم مسیریابی مناسب پیام‌ها سبب عدم استفاده درست از منابع پروکسی‌های SIP و همچنین سوئیچ‌های شبکه می‌شود [5]. از آنجا که دو فاز مطرح‌شده مستقل از هم عمل می‌کنند، مسیریابی و مدیریت منابع نیز به صورت مستقل در دو سطح پروکسی‌های SIP و سوئیچ‌های شبکه انجام می‌گیرد [10]. علاوه بر این که این نوع مسیریابی بین تمام سوئیچ‌ها و پروکسی‌ها توزیع شده است. این باعث عدم یک دید کلی از کل شبکه
به عنوان یک شبکه واحد می‏شود که سبب پدیده اضافه‌بار می‌گردد و مستقیماً بر گذردهی شبکه تأثیرگذار است [11].

2- مفاهیم

در شکل 2 مشاهده می‌شود که پدیده اضافه‌بار در شبکه‏های چندرسانه‏ای سبب شده که گذردهی شبکه به صفر نزول کند [4]. پس‌نیاز به یک مدیریت منابع درست و متمرکز بسیار احساس می‌شود. به عبارت دیگر منابع در شبکه‏های چندرسانه‏ای به دو دسته منابع محاسباتی (پروکسی سرورهای SIP) و منابع شبکه‏ای (سوئیچ‌های شبکه) تقسیم می‌شوند که بایستی به صورت مرکزی مدیریت شوند تا مسیریابی مبتنی بر منابع به درستی انجام گردد.

همان طور که در شکل 3 مشاهده می‌شود، شبکه‏های چندرسانه‏ای تشکیل‌شده از مجموعه‏ای از پروکسی‌های SIP هستند که پیام‌های سیگنالینگ را با استفاده از سرآیند لایه 7، پرش به پرش تا مقصد مسیریابی می‌کنند [12]. این شبکه، خود بر روی شبکه‌ای از سوئیچ‌های سنتی قرار دارد که وظیفه مسیریابی پیام‌ها توسط سرآیند لایه 3 را دارند. متأسفانه در این ساختار سنتی، مسیریابی توزیع‌شده و بدون در نظر گرفتن یکپارچه منابع محاسباتی و شبکه‏ای انجام می‌شود [13]، علاوه بر این که پیچیدگی زیادی دارد. همان طور که قبلاً ذکر شد، مسیریابی نامناسب باعث پدیده اضافه‌بار می‌شود که عواقب وخیمی برای شبکه دارد [14].

[1] این مقاله در تاریخ 21 خرداد ماه 1399 دریافت و در تاریخ 20 مهر ماه 1400 بازنگری شد.

احمدرضا منتظرالقائم، دانشكده مهندسي كامپيوتر، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران، (email: a.montazerolghaem@comp.ui.ac.ir).

شکل 1: سیگنالینگ و مدیا جهت برقراری مالتی‌مدیا.

شکل 2: افت گذردهی پروکسی SIP در مواجهه با اضافه‌بار [4].

در این ساختار هر پروکسی SIP مستقلاً یک واحد کنترل اضافه‌بار شامل تابع کنترل بار، ناظر و بکارانداز دارد [15]. پردازنده SIP هم وظیفه بررسی پیام‏های SIP و مسیریابی آنها را بر عهده دارد. در این ساختار، شناسایی و مقابله با اضافه‌بار با همکاری همه پروکسی‏ها اتفاق می‌افتد و آمار بار ترافیکی به صورت محلی بین پروکسی‌ها دست‌به‌دست می‌شود [16]. عدم وجود یک کنترل‌کننده مرکزی در این ساختار باعث عدم آگاهی از توپولوژی و منابع کل شبکه می‌گردد [17].

ما در این مقاله یک روش متمرکز کنترل اضافه‌بار را برای شبکه SIP توسط مفهوم شبکه‌های نرم‌افزارمحور پیشنهاد می‌دهیم. این روش به مدیریت کلیه منابع محاسباتی و شبکه‏ای به صورت یکپارچه می‌پردازد. شبکه‌های نرم‌افزارمحور یک معماری جدید در شبکه هستند و با استفاده از معماری کل شبکه و اجزای آن به صورت یک شبکه مجازی واحد دیده می‌شوند که با استفاده از نرم‌افزارها و APIهای طراحی‌شده قابل کنترل می‌گردند.

پس‌نیاز به یک پروتکل ارتباطی بین نرم‌افزارها و سخت‌افزارها مشهود است که پروتکل OpenFlow مطرح گردید. هر جزیی از شبکه که
این پروتکل را پشتیبانی کند می‌تواند در شبکه نرم‏افزارمحور قرار گیرد. معماری شبکه‌های نرم‌افزارمحور دارای ویژگی‌های ارتقای پیکربندی، بهبود كارايي، پويايي، مديريت یکپارچه منابع و توان، مدیریت ترافیک، قابلیت برنامه‏ریزی، کاهش هزینه‏ها و دسترس‏پذیری بالا است.

شكل 4 نمايي از معماري شبکه‌های نرم‌افزارمحور را نمايش مي‏دهد که از سه قسمت اصلی صفحه کنترل، صفحه داده و صفحه برنامه‏های کاربردی تشکیل شده است. صفحه داده شامل دستگاه‏های شبکه از جمله دستگاه‏های مسیریابی، سوئیچ و ... است به طوری که فاقد بخش کنترلی و یا نرم‌افزاری جهت تصمیم‌گیری‌های خودکار می‌باشند. بخش هوشمند شبکه در کنترل‏کننده‏های نرم‌افزاری شبکه‌های نرم‌افزارمحور قرار دارد که ساختار کلی شبکه را نگهداری می‌کند (صفحه کنترل). صفحه برنامه‏های کاربردی نیز شامل مجموعه‌ای از برنامه‌های کاربردی مانند مسیریابی، فایروال، تعادل بار، نظارت و غیره است. پروتکل ارتباطی بین صفحات، یک سری Open APIs استاندارد از جمله پروتکل OpenFlow است. در صورت وجود چنین رابط‌هایی، کنترل‏کننده قادر به برنامه‌ریزی دستگاه‌های ناهمگون شبکه به صورت پویا می‌باشد.

مشارکت‌های اصلی این مقاله در ادامه آمده است:

- پیش‌گیری از وقوع اضافه‌بار و توزیع بار در شبکه SIP از طریق مدیریت یکپارچه منابع

- طراحی یک روش متمرکز مبتنی بر شبکه‌های نرم‌افزارمحور جهت مسیریابی در دو سطح سوئیچ‌ها و پروکسی‌ها

- مدل‌سازی ریاضی مسئله مسیریابی در شبکه‌های SIP در دو فاز سیگنالینگ و مدیا

- شبیه‌سازی روش پیشنهادی در یک بستر آزمون واقعی و ارزیابی عملکرد تحت سناریوهای متنوع

پس در این راستا اهداف ذیل کسب می‌شوند:

1) افزایش گذردهی کل شبکه SIP

2) کاهش تأخیر برقراری تماس

3) مسیریابی در مسیرهای پروکسی‌ها و سوئیچ‌ها جهت توزیع بار

3- کارهای پیشین

عمده مقالات در این حوزه در تلاش برای حل مشکل اضافه‌بار از طریق بازطراحی سیستم کنترلی اضافه‌بار سنتی هستند. طراحی مناسب شبکه و توزیع مناسب بار بین پروکسی‏های SIP یکی از عوامل جلوگیری از کارافتادن سرویس در شبکه‏های چندرسانه‏ای است [18] تا [23]. یک رویکرد برای مقابله با اضافه‏بار، توزیع ترافیک ورودی جدید بین سرورهای SIP بر اساس ظرفیت در دسترس آنها با استفاده از یک متعادل‏ساز بار است [24] تا [26]. بنابراین احتمال این که اضافه‏بار در سرور مشخصی اتفاق بیفتد، کاهش می‏یابد. اما عملکرد این روش‌ها وابسته به کارایی متعادل‏ساز بار است، چرا که تمام ترافیک سیگنالینگ شبکه SIP از آن عبور می‌کند. در نتیجه در اضافه‏بار شدید امکان وقوع اضافه‏بار در خود متعادل‏ساز بار نیز وجود دارد و باید با روش‌هایی ظرفیت آن را نیز بالا برد.

در [25] سه الگوریتم توزیع بار به نام‌های ¹CJSQ، ²TJSQ و

[1] . Call-Join-Shortest-Queue

[2] . Transaction-Join-Shortest-Queue

شکل 3: سیگنالینگ SIP در شبکه‌ای از پروکسی‌ها و سوئیچ‌ها.

شکل 4: معماری لایه‌ای در شبکه‌های نرم‌افزارمحور.

¹TLWL معرفی شده است. CJSQ بر مبنای تعداد جلسات تخصیص‌یافته به یک سرور، میزان کاری را که بر عهده آن سرور می‌باشد برآورد می‌کند. مطابق شکل 5، متعادل‏ساز بار برای هر سرور یک شمارشگر جهت شمارش تعداد تماس‏های تخصیص‌یافته دارد. زمانی که یک درخواست INVITE جدید (که متناظر با یک تماس جدید است) دریافت می‏شود، این تقاضا به سروری که کمترین شمارشگر را دارد اختصاص و شمارشگر آن سرور یک عدد افزایش می‏یابد. زمانی که متعادل‏ساز بار برای یک درخواست BYE مربوط به این تماس، یک پاسخ OK 200 دریافت کند، متوجه می‏شود که پردازش آن تماس توسط این سرور به اتمام رسیده و در نتیجه شمارشگر این سرور را یک عدد کاهش می‌دهد.

یکی از محدودیت‌های این روش این است که تعداد تماس‏های اختصاص‌یافته به یک سرور همواره سنجه دقیقی از بار آن سرور نیست. ممکن است بین تراکنش‌های یک تماس، زمان‌های توقف (بی‌باری) طولانی‏ای وجود داشته باشد. علاوه بر این، تماس‌های مختلف، ممکن است از تعداد متفاوتی تراکنش تشکیل شده باشند.

در TJSQ، متعادل‏ساز بار تماس جديد را به جای سرور با كمترين تماس‌های فعال، به سروري كه كمترين تعداد تراكنش‏هاي فعال را دارد، مسیردهی مي‏كند. در واقع شمارشگرها، تعداد تراکنش‏های تخصیص‌یافته به هر سرور را مشخص می‏کنند و تماس‌های جدید به سرورهایی که پایین‌ترین شمارشگر را دارند اختصاص می‌یابند. یکی از محدودیت‌های این روش این است که در آن تمامی تراکنش‌ها به طور برابر وزن‌دهی می‏شوند. در پروتکل SIP، تراکنش‏های INVITE از تراکنش‏های BYE پرهزینه‌تر هستند، زیرا ماشین حالت تراکنش INVITE نسبت به ماشین حالت تراکنش‌های BYE پیچیده‌تر است. در [25] با یک سری آزمایش نشان داده شده که تراکنش‌های INVITE در حدود 75% بيشتر از تراکنش‌های BYE هزينه دارند.

در TLWL يك تماس جديد به سروري كه كمترين كار را دارد، مسیردهی مي‏شود. در اینجا كار (يا به عبارت دیگر بار) بر مبناي تخمین‌های نسبي از هزینه‌های تراكنش می‌باشد. به عبارت دیگر در این روش، شمارشگرها مجموع وزن‌دار تراکنش‏های تخصیص‌یافته به هر سرور را مشخص می‏کنند و تماس‌های جدید به سرورهایی که پایین‌ترین شمارشگر را دارند اختصاص می‏یابند. به عنوان مثال اگر یک سرور در حال پردازش یک تراکنش INVITE (با هزینه نسبی 75/1) و BYE (با هزینه نسبی 0/1) باشد، آن گاه بار آن سرور برابر 75/2 است.

در [26] نیز یک متعادل‏ساز بار برای SIP با استفاده از تابع آمیزش² ارائه شده که بر مبنای دریافت‌کننده تماس، درخواست‏ها به سرورها مسیردهی می‏شوند. در [27] یک مدل افزونگی برای توزیع‌کننده‌های بار در شبکه SIP پیشنهاد شده و با استفاده از OpenAIS [28] سلامت پروکسی‏های پایین‌دست، نظارت و خرابی یک پروکسی به سرعت کشف و پروکسی دیگری جایگزین آن می‏شود.

در [29] ساختاری تحت عنوان Snocer برای توزیع بار در شبکه‏های SIP معرفی شده که در آن کاربر در صورت دسترسی به توزیع‌کننده بار به آن وصل می‏شود و در غیر این صورت از طریق DNS و یا به طور مستقیم به یکی از پروکسی‏های موجود در شبکه وصل می‏گردد.

در [28] و [29] از سرورهای پشتیبان به عنوان افزونگی استفاده شده است. در [30] انواع افزونگی به چهار دسته مبتنی بر مشتری، مبتنی بر DNS، مبتنی بر IP و مبتنی بر تکرار پایگاه داده، طبقه‌بندی گردیده و مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین انواع روش‏های تقسیم و توزیع بار با استفاده از DNS، شناسه SIP، پروکسی‏های با آدرس یکسان و مترجم آدرس شبکه، معرفی و کارایی آنها روی یک معماری دوسطحی متشکل از پروکسی‏های SIP ارزیابی شده است.

به عنوان نتیجه‌گیری این بخش می‌توان به این نکته اشاره کرد که تقریباً تمامی رویکردهای پیشین این حوزه توزیع‌شده هستند و همین توزیع‌شدگی باعث پیچیدگی، کاهش کارایی و همچنین عدم مدیریت یکپارچه و متمرکز منابع می‌شود. البته ذکر این نکته ضروری است که تحقیقات پژوهشی در این زمینه هنوز به شدت ادامه دارد.

4- رویکرد پیشنهادی

4-1 مدل سیستم

در حالت کلی، شبکه SIP یک مجموعه تایی از پروکسی‌های SIP به همراه یک مجموعه تایی از سوئیچ‌ها با منابع پردازشی و حافظه‏ای محدود می‌باشد. هر پروکسی یا سوئیچ منابع خود را جهت برقراری جلسه بین کاربران محلی خود و یا کاربران دامنه‌های مختلف مصرف می‌کند. در

[1] . Transaction-Least-Work-Left

[2] . Hash Function

شکل 5: توزیع بار بین سرورهای SIP توسط متعادل‏ساز بار [25].

این مدل سیستم، فرض شده که ماتریس باینری و متقارن توپولوژی شبکه SIP را در بر دارد. در این ماتریس اگر برابر یک باشد به معنی وجود لینک فیزیکی بین نود و است و در غیر این صورت، عدم وجود لینک فیزیکی بین دو نود را نشان می‏دهد. قطر اصلی این ماتریس صفر می‏باشد.

همچنین ماتریس مربعی نشان‌دهنده تعداد درخواست تماس از کاربران پروکسی به کاربران پروکسی می‌باشد. در این صورت تعداد درخواست‌های محلی پروکسی و تعداد درخواست‌های خارج دامنه‌ای پروکسی می‌باشد. فرض می‏کنیم مقدار بهینه تعداد تماس‌های پذیرفته‌شده از پروکسی به پروکسی ، باشد به طوری که است.

همچنین نشان‌دهنده تعداد درخواست‌های سیگنالینگ از سوئیچ به سوئیچ می‌باشد و بهینه آن است. تعداد درخواست‌های مدیا بین دو سوئیچ و نیز و بهینه آن می‌باشد. همچنین نیز نشان‌دهنده تعداد درخواست‌های پذیرفته‌شده از مبدأ به مقصد است که از دو پروکسی مجاور و می‌گذرد . بنابراین تعداد کل درخواست‏های پذیرفته‌شده از به با مشخص می‏گردد به طوری که نحوه توزیع آن بین مسیرهای موجود بین و را نشان می‌دهد. ما در این مقاله را جریان مبدأ به مقصد که از مسیر و می‌گذرد، تعریف می‏کنیم.

هر پروکسی یا سوئیچ برای انجام عملیات خود متکی به میزان باقیمانده منابع خود یعنی پردازنده و حافظه می‏باشد. مقدار باقیمانده پردازنده و حافظه پروکسی یا سوئیچ را به ترتیب با ، ، و نشان می‌دهیم.

کنترل‏کننده وظیفه مدیریت این منابع را بر عهده دارد. در ابتدای هر بازه زمانی ، هر پروکسی و سوئیچ تعداد درخواست‌های جدید خود را به همراه مقادیر ، از طریق پروتکل OpenFlow به کنترل‌کننده ارسال می‌کنند (جمع‌آوری اطلاعات در ابتدای زمان ). کنترل‌کننده با توجه به ماتریس و اطلاعات دریافتی و با استفاده از مدل برنامه‌ریزی خطی معرفی‌شده در زیر، مقادیر بهینه پارامترهای ، ، ، ، ، و را محاسبه (محاسبات) می‌کند و سپس به پروکسی‌ها جهت اعمال، اطلاع می‌دهد (اطلاع‌رسانی).

4-2 فاز سیگنالینگ

در ادامه یک مدل خطی چندهدفه برای مسئله مسیریابی پیام‌های سیگنالینگ با توجه به محدودیت‌های مطرح‌شده ارائه می‌دهیم

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

در مدل فوق، هدف، ماکسیمم‌کردن گذردهی پروکسی‌ها و سوئیچ‌ها و همچنین کاهش مصرف منابع آنهاست. تعداد درخواست‌های پذیرفته به کل درخواست‌های پروکسی و تعداد درخواست‌های پذیرفته به کل درخواست‌های سوئیچ را نشان می‌دهد. ترم‏های سوم و چهارم در تابع هدف به ترتیب نشان‌دهنده منابع مصرفی (پردازنده و حافظه) پروکسی‌ها و سوئیچ‌ها هستند که به دنبال کاهش آنها هستیم. ضرایب ، ، و درجه تأثیر گذردهی یا منابع در تابع هدف را نشان می‌دهد. با این ضرایب می‌توان یک موازنه بین گذردهی و منابع ایجاد کرد، به این معنی که اگر ضرایب مربوط به گذردهی بیشتر باشد و ، آن گاه تابع هدف با صرف منابع بیشتر، به دنبال ماکسیمم‌کردن گذردهی است. برعکس اگر ضرایب مربوط به منابع بیشتر باشد و ، آن گاه تابع هدف به دنبال کاهش مصرف منابع است.

محدودیت‌ها به 2 دسته کلی محدودیت‌های پروکسی‌ها و سوئیچ‌ها تقسیم شده است. قید (2) نشان می‌دهد که حداکثر می‌توان به تعداد درخواست‌ها، پذیرش داشت . قید (3) در هر پروکسی بین جریان‌های ورودی و خروجی توازن برقرار می‌کند، یعنی مجموع جریان‌های ورودی و خروجی به پروکسی که از مبدأ به مقصد می‌باشند، باید برابر باشند. قید (4) مجموع جریان‌های ورودی به پروکسی از مبدأ که از پروکسی‌های بین مسیر می‌گذرد را ملزم می‏کند که برابر با باشد. قید بعدی نیز مجموع جریان‌های خروجی از سرور به مقصد را بین سرورهای هم‌جوار سرور توزیع می‏کند. قید (6) امکان ایجاد جریانی با مبدأ و مقصد یکسان را نخواهد داد. قید (7) نیز از ایجاد دورها در مسیر جلوگیری می‌نماید. قیود (8) تا (11) قیود تخصیص منابع پروکسی‌ها هستند. قید (8) نشان می‌دهد که پردازنده پروکسی‌ها
با ضرایب و صرف رسیدگی‌کردن تماس‌های محلی و خارج دامنه‌ای می‌شود. قید (9) نیز نشان می‌دهد که حافظه پروکسی‌ها با ضرایب و صرف رسیدگی‌کردن تماس‌های محلی و خارج دامنه‌ای می‌شود.

حدود بالای منابع پردازشی و حافظه‌ای مصرفی بهینه در مدل بالا و هستند که بنا بر قیود (10) و (11) حداکثر می‌توانند و باشند. قید (12) پذیرش درخواست‌ها توسط سوئیچ‌ها را محدود به ظرفیت آنها می‌کند. قیود (13) تا (17) جهت مسیریابی ترافیک سیگنالینگ در سوئیچ‌ها می‌باشد. قیود (18) تا (21) نیز جهت مدیریت منابع سوئیچ‌ها هستند. از آنجا که طرفین (18) و (19) هم‌جنس نیستند، از ضرایب و برای نرمالایزکردن این معادلات استفاده شده است.

نهایتاً مدل فوق بدون وقوع اضافه‏بار به دنبال افزایش مجموع گذردهی شبکه از طریق تخصیص بهینه منابع می‌باشد. مجموع گذردهی را می‌توان به صورت مجموع جریان‌هایی که از شبکه عبور می‌کنند، در نظر گرفت. پس با توجه به منابع، کنترل‏کننده سعی در حداکثرنمودن پذیرش تماس‌ها دارد به نحوی که بتواند آنها را بین پروکسی‌ها و سوئیچ‌های شبکه توزیع کند.

4-3 فاز مدیا

فاز بعدی کنترل‌کننده، مسیریابی مدیا در بین سوئیچ‌های شبکه می‌باشد و بدین جهت مدل خطی زیر پیشنهاد شده است. هدف، افزایش گذردهی مدیا در شبکه سوئیچ‌ها با حداقل مصرف منابع می‌باشد

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

در (22) ضرایب و موازنه بین گذردهی مدیا و منابع ایجاد می‌کنند. اگر از بیشتر باشد آن گاه وزن بیشتر با افزایش گذردهی است اما اگر از بیشتر باشد آن گاه کاهش مصرف منابع، وزن بیشتری دارد. قید (23) حداکثر ظرفیت سوئیچ‌ها برای تبادل مدیا را مشخص می‌کند. قیود (24) تا (28) برای مسیریابی مدیا با توجه به ترافیک مدیا است. قیود (29) تا (32) نیز منابع را به مسیریابی مدیا تخصیص می‌دهند. ضرایب و جهت نرمالایزکردن (29) و (30) استفاده می‌شوند.

5- ارزیابی کارایی

به منظور ارزیابی متد پیشنهادی، 3 سناریوی کم‌بار، بار متوسط و پربار

(الف)

(ب)

(ج)

شکل 6: پردازنده و حافظه مصرفی به همراه نرخ پذیرش مربوط به فاز سیگنالینگ در پروکسی‌ها، (الف) میزان مصرف پردازنده پروکسی‏ها ، (ب) میزان مصرف حافظه پروکسی‏ها و (ج) نرخ پذیرش تماس‏ها توسط پروکسی‏ها .

در نرم‌افزار Matlab استفاده شده است. سناریوها تصادفی با توزیع نرمال هستند. همچنین هر سناریو با حالت‌های متفاوت و در فاز سیگنالینگ (که با تا نمایش می‌دهیم) و حالات متفاوت و در فاز مدیا (که با تا نمایش می‌دهیم) مورد بررسی قرار گرفته است. مقادیر ، و را برای تمامی پروکسی‌ها و سوئیچ‌ها در ابتدا به ترتیب 100، 512 و 350 در نظر گرفتیم. همچنین توپولوژی‌های ، و نشان‌دهنده تعداد نودهای شبکه می‌باشند (به ترتیب 10، 18 و 23). در ادامه نتایج ارائه می‌گردد.

5-1 آزمایش اول: فاز سیگنالینگ

در این آزمایش به بررسی عملکرد پروکسی‌ها و سوئیچ‌ها در فاز سیگنالینگ می‌پردازیم. در آزمون‌های این بخش، فرض گردیده است
که ، و و همچنین ، و است.

پروکسی: در شکل‌های 6 مقادیر بهینه ، و برای حالات مختلف در سه سناریو و سه توپولوژی نشان داده شده است. در هر سه سناریو و در هر سه توپولوژی با تغییر حالت از تا ، منابع مصرفی

(الف)

(ب)

(ج)

شکل 7: پردازنده مصرفی پروکسی‌ها در سه توپولوژی در فاز سیگنالینگ، (الف) مصرف پردازنده پروکسی‌ها در توپولوژی ، (ب) مصرف پردازنده پروکسی‌ها در توپولوژی و (ج) مصرف پردازنده پروکسی‌ها در توپولوژی .

رشد و درصد پذیرش تماس‌ها نیز افزایش می‌یابد، چرا که نسبت ضرایب و به یکدیگر نشان‌دهنده اهمیت پذیرش تماس‌ها یا حفظ منابع می‌باشد. در حفظ منابع نسبت به بسیار پراهمیت‌تر بوده و حتی باعث می‏گردد درصدی از تماس‌ها بلاک شوند. برعکس در حالت پذیرش هرچه بیشتر تماس‌ها مهم است، حتی اگر به قیمت صرف منابع بیشتر باشد. می‌توان با ایجاد یک توازن بین این ضرایب هم درصد پذیرش تماس بالایی داشت و هم از منابع به صورت مناسبی استفاده کرد. با حرکت از سناریوی 1 (کم‌بار) به سناریوی 3 (پربار)، منابع مصرفی رشد می‏یابند اما ممکن است بار ورودی به شبکه آن قدر زیاد شود که حتی با صرف تمام منابع شبکه نیز نتوان به تمام تماس‌های ورودی پاسخگو بود (سناریوی 3 حالت و ).

شکل 7 مصرف پردازنده پروکسی‌ها در سه توپولوژی را نشان می‌دهد. در این شکل‌ها ترکیب‌های مختلفی از حالت و سناریو در نظر گرفته شده است (مثلاً یا ). همان طور که مشاهده می‏شود، مستقل از توپولوژی و سناریو، بار بین پروکسی‌ها، بالانس توزیع‌شده است.

(الف)

(ب)

(ج)

(د)

(ﻫ)

(و)

شکل 8: تأثیر و بر ، ، و پروکسی‌ها، (الف) تأثیر بر پردازنده، (ب) تأثیر بر تماس‌های محلی، (ج) تأثیر بر تماس‌های خارج دامنه‌ای، (د) تأثیر بر حافظه، (ﻫ) تأثیر بر تماس‌های محلی و (و) تأثیر بر تماس‌های خارج دامنه‌ای.

زیرا کنترلر از منابع باقیمانده پروکسی‌ها آگاه بوده و با توجه به آن در مورد توزیع بار و مسیر ترافیک تصمیم‌گیری می‏کند. همین روند برای حافظه نیز صادق است و از ارائه نتایج آن صرف نظر می‌کنیم.

شکل‌های 8 به بررسی اثر پارامترهای و بر منابع پردازشی، حافظه‌ای، تماس‌های محلی و تماس‌های خارج دامنه‌ای می‌پردازد. همان طور که در شکل‌های 8- الف تا 8- ج مشخص است، با افزایش نسبت به ، تماس‌های محلی پذیرفته‌شده افزایش و تماس‌های خارج دامنه‌ای کاهش می‌یابد. همچنین پردازنده مصرفی نیز کاهش می‌یابد. دلیل آن این است که در (8)، ضریب است و همچنین رسیدگی‌کردن به تماس‌های محلی منابع کمتری را نیاز دارد. از آنجا که در معادله تخصیص حافظه (9)، ضریب است پس افزایش باعث افزایش تماس‌های محلی پذیرفته‌شده می‌شود (شکل 8- ﻫ). افزایش تماس‌های محلی نسبت به تماس‌های خارج دامنه‌ای به حافظه کمتری نیاز دارد (شکل 8- د).

سوئیچ: در شکل‌های 9 مقادیر بهینه ، و برای حالات مختلف تابع و همچنین سه سناریو و سه توپولوژی نشان داده شده است. یک تابع از ضرایب و است که وزن "پذیرش جریان‌ها" و "منابع سوئیچ‌ها" در تابع هدف (1) هستند. همان طور که در این شکل‌ها مشاهده می‌شود، در هر سه سناریو با حرکت از تا منابع مصرفی رشد و درصد پذیرش تماس‌ها نیز افزایش می‌یابد، چون ضریب در بیشتر می‌شود. همچنین با حرکت از سناریوی 1 (کم‌بار)
به سناریوی 3 (پربار)، منابع مصرفی رشد می‏یابند. اما نتایج مستقل از توپولوژی است و با پیچیده‌شدن توپولوژی عملکرد کنترلر تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. این گویای این است که شبکه‏ نرم‏افزارمحور می‌تواند شبکه گسترده‌ای از سوئیچ‌های OpenFlow را به دلیل داشتن دید کلی مدیریت کند.

پردازنده و حافظه مصرفی سوئیچ‌ها در فاز سیگنالینگ برای توپولوژی‌های و به ترتیب در جداول 1 و 2 آورده شده است. همان طور که در این جدول‌ها مشاهده می‌شود، منابع مصرفی سوئیچ‌ها بسیار نزدیک به هم هستند. به عنوان مثال در سناریوی 1 و در حالت ، پردازنده مصرفی هر هفت سوئیچ حدوداً 22% است که این روند برای حافظه مصرفی هم صادق می‌باشد. این نشان می‌دهد که بار به صورت عادلانه و یکنواخت بین سوئیچ‌ها توزیع شده است. نتایج برای توپولوژی نیز از همین الگو پیروی می‌کند و از آوردن مجدد آن صرف نظر کردیم. فاز بعدی، فاز مدیا است.

5-2 آزمایش دوم: فاز مدیا

در این فاز سوئیچ‌ها درگیر هستند و پروکسی‌ها نقشی ندارند. نتایج این فاز برای سه سناریوی کم‌بار، بار متوسط و پربار در شکل 10 آورده شده است. تابعی از و است. در مقدار (حفظ منابع) و در مقدار (نرخ پذیرش) بیشتر است. مقادیر بهینه ، و در این شکل برای مدت 600 ثانیه آورده شده است. در 200 ثانیه اول، سناریوی کم‌بار اجرا شده و سپس در 200 ثانیه دوم و سوم به ترتیب سناریوهای بار متوسط و پربار اجرا گشته است. همان طور که مشاهده می‌شود با افزایش بار در گذر زمان، منابع مصرفی و نیز به جهت ثابت نگه داشتن نرخ پذیرش جریان، افزایش می‌یابند. این افزایش با بیشتر است به طوری که در سناریوی سوم با مصرف کل منابع (شکل 10- الف و 10- ب)، نرخ پذیرشی بهتر از 78% به دست نمی‌آید.

(الف)

(ب)

(ج)

شکل 9: پردازنده و حافظه مصرفی و نرخ پذیرش در فاز سیگنالینگ سوئیچ‌ها، (الف) میزان مصرف پردازنده سوئیچ‏ها ، (ب) میزان مصرف حافظه سوئیچ‏ها و (ج) نرخ پذیرش جریان سیگنالینگ توسط سوئیچ‏ها .

5-3 آزمایش سوم: تأثیر زمان اجرا

در این بخش به تأثیر بر کارایی روش پیشنهادی می‏پردازیم. بدین منظور ما نرخ پذیرش تماس و منابع مصرفی را با مقادیر مختلف (2، 4، 6 و 8 ثانیه) به دست می‏آوریم. همان گونه که در شکل 11- الف مشاهده می‏شود، زمانی که کم است (2 ثانیه)، زمان انتظار برای تماس‏های جدید کم می‌باشد و فاصله زمانی تصمیم‏گیری کنترلر نیز کوتاه است. در نتیجه ، و دقیق‏تر هستند که این باعث افزایش نرخ پذیرش تماس می‏شود. با این حال همان گونه که در شکل 11- ب و 11- ج نشان داده شده است، میانگین پردازنده و حافظه مصرفی در حالت برابر 2 ثانیه، بیشتر از سایر موارد است.

در شکل‏های 12 نیز به تأثیر بر کارایی سوئیچ‏ها در روش پیشنهادی می‏پردازیم. بدین منظور ما نرخ پذیرش تماس و منابع مصرفی سوئیچ‏ها را با مقادیر مختلف (2، 4، 6 و 8 ثانیه) به دست می‏آوریم. همان گونه که در شکل 12- الف مشاهده می‏شود، زمانی که کم است (2 ثانیه)، زمان انتظار در سوئیچ‏ها برای تماس‏های جدید کم می‌باشد که

(الف)

(ب)

(ج)

شکل 10: پردازنده و حافظه مصرفی سوئیچ‌ها و نرخ پذیرش در فاز مدیا، (الف) میزان مصرف پردازنده سوئیچ‏ها ، (ب) میزان مصرف حافظه سوئیچ‏ها و (ج) نرخ پذیرش جریان مدیا توسط سوئیچ‏ها .

در نتیجه نرخ پذیرش تماس توسط سوئیچ‏ها بالاست. با این حال همان گونه که در شکل 12- ب و 12- ج مشخص است، میانگین پردازنده و حافظه مصرفی در حالت برابر 8 ثانیه، کمتر از سایر موارد است. دلیل این امر این است که هرچه کمتر باشد، سربار کنترلر نیز بیشتر است، چرا که تصمیمات و حل مدل ریاضی در بازه‏های زمانی کمتری انجام می‌شود، پس مصرف منابع در این حالت بیشتر می‌باشد. تصمیم‌گیری در مورد و بازه‏های زمانی حل مدل توسط کنترلر از این جهت حایز اهمیت است که مستقیماً روی مصرف منابع و افزایش یا کاهش پیچیدگی روش پیشنهادی تأثیرگذار است. پس باید با توجه به منابع و نرخ پذیرش تماس‏های مد نظر، یک مناسب را در نظر گرفت.

5-4 آزمایش چهارم: تأثیر خرابی نودها

علاوه بر ازدحام آنی، یکی دیگر از دلایلی که ممکن است سرورهای SIP را با اضافه‏بار روبه‌رو کند، خراب‌شدن ناگهانی اجزای شبکه و کاهش

جدول 1: منابع مصرفی سوئیچ‌ها در توپولوژی (%).

		سناریوی 1				سناریوی 2				سناریوی 3

سوئیچ 1	پردازنده	2	12	22	22	5	42	60	70	8	47	70	78
سوئیچ 2	پردازنده	3	11	23	23	5	41	62	69	7	46	71	79
سوئیچ 3	پردازنده	2	11	22	22	6	40	62	69	8	46	70	77
سوئیچ 4	پردازنده	3	13	21	22	4	43	63	68	7	45	72	76
سوئیچ 5	پردازنده	2	11	22	22	5	44	60	70	7	48	70	75
سوئیچ 6	پردازنده	3	10	21	23	6	42	61	69	6	46	71	77
سوئیچ 7	پردازنده	2	12	20	22	4	41	62	70	8	45	73	74
سوئیچ 1	حافظه	6	64	128	28	15	196	344	418	48	298	412	472
سوئیچ 2	حافظه	7	64	128	126	14	199	343	417	47	298	410	471
سوئیچ 3	حافظه	5	63	127	126	16	198	342	416	46	297	411	470
سوئیچ 4	حافظه	6	62	125	128	14	200	344	418	48	296	413	472
سوئیچ 5	حافظه	7	66	128	125	15	197	342	417	47	295	411	473
سوئیچ 6	حافظه	7	61	125	128	16	196	344	420	46	298	410	472
سوئیچ 7	حافظه	5	62	126	124	15	196	343	418	48	297	411	470

جدول 2: منابع مصرفی سوئیچ‌ها در توپولوژی (%).

		سناریوی 1				سناریوی 2				سناریوی 3

سوئیچ 1	پردازنده	2	14	24	25	8	46	61	72	11	51	69	79
سوئیچ 2	پردازنده	2	13	23	25	7	45	60	72	10	50	69	78
سوئیچ 3	پردازنده	3	12	24	24	8	45	62	71	12	52	68	77
سوئیچ 4	پردازنده	4	14	22	26	6	47	61	70	11	51	67	79
سوئیچ 5	پردازنده	3	13	23	27	7	44	62	70	10	51	69	77
سوئیچ 6	پردازنده	2	14	24	25	8	46	60	71	12	52	69	78
سوئیچ 7	پردازنده	3	12	22	24	8	46	60	72	11	53	67	77
سوئیچ 8	پردازنده	4	13	24	24	7	47	62	72	12	52	66	78
سوئیچ 9	پردازنده	3	14	23	25	8	47	61	72	13	51	68	79
سوئیچ 10	پردازنده	2	14	22	25	7	46	62	72	12	53	67	79
سوئیچ 1	حافظه	16	85	150	160	25	226	354	422	59	308	412	472
سوئیچ 2	حافظه	15	83	149	161	24	224	353	421	58	308	412	470
سوئیچ 3	حافظه	14	84	152	160	23	225	354	420	57	607	411	471
سوئیچ 4	حافظه	16	85	151	162	25	226	355	418	59	306	410	470
سوئیچ 5	حافظه	15	86	152	163	24	227	354	419	58	308	412	469
سوئیچ 6	حافظه	14	85	153	160	23	224	355	423	57	308	411	473
سوئیچ 7	حافظه	16	84	152	161	25	224	356	422	59	307	412	472
سوئیچ 8	حافظه	14	85	151	162	24	226	354	422	58	306	410	471
سوئیچ 9	حافظه	15	86	150	163	23	225	355	421	57	306	410	470
سوئیچ 10	حافظه	16	84	149	160	24	224	354	420	58	307	411	469

ناگهانی ظرفیت می‌باشد. این خرابی ممکن است تحمیل بار سرور خراب‌شده روی سایرین در یک مجموعه سرور باشد. برای آزمایش چنین وضعیتی، 1000 تماس (بار ارائه‏شده¹) در یک بازه زمانی 600 ثانیه‏ای به توپولوژی  تزریق شد. در ثانیه 200، نودی از شبکه دچار خرابی شده و در ثانیه 400 مجدداً به کار می‏افتد. همان گونه که در شکل 13- الف مشاهده می‏شود، با کنترلر تا قبل از ثانیه 200 به طور میانگین 955 درخواست سرویس داده می‏شوند. میانگین مصرف پردازنده و حافظه برای پروکسی‏ها در این 200 ثانیه تقریباً 61% و 59% می‏باشد (شکل 13- ب و 13- ج). با خراب‌شدن یک سرور در ثانیه 200 مسیری از مسیرهای شبکه حذف می‏گردد که تنها کنترلر از آن آگاه است. در این حالت، کنترلر
به دلیل حالت  قصد دارد بدون دچارشدن به عواقب اضافه‏بار از
بیشتر ظرفیت سرورهای موجود در مسیرهای جایگزین برای مقابله با افت شدید نرخ سرویس استفاده کند. به همین خاطر میانگین مصرف پردازنده و حافظه افزایش می‏یابد (شکل 13- ب و 13- ج منحنی با برچسب "With controller" از ثانیه 200 تا 400). در صورت عدم وجود کنترلر، تعداد  درخواست‌های  سرویس  داده  شده  در  200 ثانیه  دوم  تقریباً  به  636

(الف)

(ب)

(ج)

شکل 11: نرخ پذیرش، پردازنده و حافظه مصرفی پروکسی‏ها با تغییر ، (الف) نرخ پذیرش تماس توسط پروکسی‏ها ، (ب) میزان مصرف پردازنده پروکسی‏ها و (ج) میزان مصرف حافظه پروکسی‏ها .

افت می‌یابد و میانگین نرخ پذیرش تماس برابر 5/63% می‏شود (شکل 13- الف منحنی با برچسب "Without controller" از ثانیه 200 تا 400).

(الف)

(ب)

(ج)

شکل 12: نرخ پذیرش، پردازنده و حافظه مصرفی سوئیچ‏ها با تغییر ، (الف) نرخ پذیرش تماس توسط سوئیچ‏ها ، (ب) میزان مصرف پردازنده سوئیچ‏ها و (ج) میزان مصرف حافظه سوئیچ‏ها .

با بازگشت مجدد پروکسی سرور خراب‌شده به مسیر در ثانیه 400 و عبور از وضعیت اضافه‏بار، نرخ پذیرش تماس در هر دو حالت برابر می‌شود اما به دلیل مدیریت هوشمندانه منابع توسط کنترلر، میانگین مصرف

(الف)

(ب)

(ج)

شکل 13: کارایی در طول زمان و در صورت خرابی یک نود در ثانیه 200، (الف) نرخ پذیرش تماس، (ب) میزان مصرف پردازنده و (ج) میانگین حافظه مصرفی.

پردازنده و حافظه کمتر است. یعنی کنترلر به نرخ پذیرش مناسب با مصرف منابع کمتر دست می‏یابد و این به دلیل آگاهی جامع از کل شبکه توسط کنترلر است. از ثانیه 400 به بعد مجدداً تمام پروکسی سرورها می‏توانند به نرخ سرویس قبل از اضافه‏بار بازگردند.

6- جمع‌بندی و کارهای آتی

اضافه‏بار پروکسی‌های SIP از مشکلات مهم شبکه‏های چندرسانه‏ای مبتنی بر اینترنت است که به دلیل مسیریابی نامناسب درخواست‏های تماس در لایه کاربرد، باعث اشباع منابع و در نتیجه افت شدید کارایی می‏شود. علاوه بر این، در فاز مدیا نیز عدم مسیریابی متمرکز باعث افت "کارایی سوئیچ‌ها" و "گذردهی شبکه" می‌شود. در این مقاله، یک روش مبتنی بر فناوری‌ شبکه‏های نرم‏افزارمحور برای ارتقای شبکه‏های SIP ارائه شد تا بتوان بر این مشکلات فایق آمد. در این راستا، در لایه کنترل یک کنترلر OpenFlow بر پایه مدل‌های برنامه‌ریزی خطی طراحی شد و قیود این مدل‏ها، مصرف منابع و مسیریابی هستند. برای ارزیابی کارایی روش پیشنهادی به شبیه‌سازی آن پرداخته شد و آزمایش‌های متنوع در قالب چند سناریو و در سه توپولوژی انجام گردید. نتایج نشان‌دهنده بهبود گذردهی و مصرف منابع، در هر دو فاز سیگنالینگ و مدیا بود. برای کارهای آتی به تعمیم و توسعه مدل‏های ریاضی برای تخصیص بهینه منابع برای همه تجهیزات شبکه به صورت عمومی خواهیم پرداخت. همچنین چارچوب پیشنهادی را مجهز به فناوری مجازی‌سازی توابع شبکه خواهیم کرد. در این صورت منابع به صورت مجازی و در صورت تقاضا در دسترس خواهند بود. همچنین در نظر داریم متد پیشنهادی
را در زیرسیستم چندرسانه‏ای ²(IMS) با استفاده از Open IMS پیاده‌سازی کنیم.

مراجع

[1] J. Rosenberg, et al., SIP: Session Initiation Protocol, IETF RFC 3261, Jun. 2002.

[2] J. Rosenberg, et al., Requirements for Management of Overload in the Session Initiation Protocol, RFC5390, Dec. 2008.

[3] E. M. Nahum, J. Tracey, and C. P. Wright, "Evaluating SIP server performance," ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review, vol. 35, no. 1, pp. 349-350, Jun. 2007.

[4] M. Ohta, "Performance comparisons of transport protocols for session initiation protocol signaling," in Proc. 4th Int. Telecommunication Networking Workshop on QoS in Multiservice IP Networks, pp. 148-153, Venezia, Italy, 13-15 Feb. 2008.

[5] E. Noel and C. Johnson, "Initial simulation results that analyze
SIP based VoIP networks under overload," in Proc. 20th int. Teletraffic Conf. on Managing traffic performance in converged networks, pp. 54-64, Ottawa, Canada, 17-21 Jun. 2007.

[6] M. Ohta, "Simulation study of SIP signaling in an overload condition," in Proc. Communication Internet, and Information Technology, pp. 321-326, Cote d'Azur, France, 26-29 Aug. 2004.

[7] V. K. Gurbani and R. Jain, "Transport protocol considerations for session initiation protocol networks," Bell Labs Technical J., vol. 9, no. 1, pp. 83-97, 2004.

[8] V. Pascual, SIP Server Overload Problem Statement, http://siprouter.org/wiki/_media/tbd/overload_control_problem_statement_vpascualv10.pdf, 2009.

[9] V. Hilt and I. Widjaja, "Controlling overload in networks of SIP servers," in Proc. IEEE Int. Conf. on at the Network Protocols, pp. 83-93, Orlando, FL, USA, 19-22 Oct. 2008.

[10] P. McGregor, R. Kaczmarek, V. Mosley, D. Dease, and P. Adams, "National security/emergency preparedness and the next-generation network," IEEE Communications Magazine, vol. 44, no. 5, pp. 133-143, May 2006.

[11] V. Hilt, Design Considerations for Session Initiation Protocal (SIP) Overload Control, RFC6357, Aug. 2011.

[12] I. Widjaja, V. Hilt, and H. Schulzrinne, Session Initiation Protocol (SIP) Overload Control, IETF, http://tools.ietf.org/html/draft-hilt-sipping-overload-02, 2008.

[13] C. Shen and H. Schulzrinne, "On TCP-based SIP server overload control," in Proc. The Principles, Systems and Applications of IP Telecommunications, pp. 71-83, Munich Germany, 2-4 Aug. 2010.

[14] H. Schulzrinne, S. Narayanan, J. Lennox, and M. Doyle, SIP Stone-Benchmarking SIP Server Performance, Columbia University, 2002.

[15] H. Lindholm, T. Vahakangas, and K. Raatikainen, "A control plane benchmark for telecommunications signalling applications," Sort, vol. 20, no. 5, pp. 100-125, May 2007.

[16] M. Cortes, J. R. Ensor, and J. O. Esteban, "On SIP performance," Bell Labs Technical J., vol. 9, no. 3, pp. 155-172, Nov. 2004.

[17] S. Wanke, M. Scharf, S. Kiesel, and S. Wahl, "Measurement of the SIP parsing performance in the SIP express router," in Proc. 13th open European Summer School and IFIP TC6.6 Conf. on Dependable and Adaptable Networks and Services, pp. 103-110, Enschede, The Netherlands, 18-20 Jul. 2007.

[18] S. S. Gokhale and J. Lu, "Signaling performance of SIP based VoIP: a measurement-based approach," in Proc. IEEE Global Telecommunications Conf., pp. 761-765, St. Louis, MO, USA, 28-Nov.-3 Dec. 2005.

[19] C. Chi, D. Wang, R. Hao, and W. Zhou, "Performance evaluation of SIP servers," in Proc. 3rd Int. Conf. on the Communications and Networking in China, pp. 674-679, Hangzhou, China, 25-27 Aug. 2008.

[20] D. Pesch, M. I. Pous, and G. Foster, "Performance evaluation of SIP-based multimedia services in UMTS," Computer Networks, vol. 49, no. 3, pp. 385-403, Oct. 2005.

[21] M. Homayouni, et al., "Configuration of a sip signaling network: an experimental analysis," in Proc. 5th Int. Joint Conf. on INC, IMS and IDC, pp. 76-81, Seoul, South Korea, 25-27 Aug. 2009.

[22] K. K. Ram, I. C. Fedeli, A. L. Cox, and S. Rixner, "Explaining the impact of network transport protocols on SIP proxy performance," in Proc. IEEE Int. Symp. on the Performance Analysis of Systems and Software, pp. 75-84, Austin, TX, USA, 20-22 Apr. 2008.

[23] X. Wenfeng, et al., "A survey on software-defined networking," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 1, pp. 27-51, Firstquarter 2015.

[24] A. R. Montazerolghaem, S. K. Shekofteh, M. H. Yaghmaee, and
M. Naghibzadeh, "A load scheduler for SIP proxy servers: design, implementation and evaluation of a history weighted window approach," International J. of Communication Systems, vol. 30, no. 3, Article ID: e2980, May 2015.

[25] J. Hongbo, et al., "Design, implementation, and performance of a load balancer for SIP server clusters," IEEE/ACM Trans. on Networking, vol. 20, no. 4, pp. 1190-1202, Aug. 2012.

[26] K. Singh and H. Schulzrinne, "Failover, load sharing and server architecture in SIP telephony," Computer Communications, vol. 30, no. 5, pp. 927-942, Mar. 2007.

[27] W. M. Wu, K. Wang, R. H. Jan, and C. Y. Huang, "A fast failure detection and failover scheme for SIP high availability networks," in Proc. 13th Pacific Rim Int. Symp. on the Dependable Computing, pp. 187-190, Melbourne, Australia, 17-19 Dec. 2007.

[28] Y. J. Cheng, K. Wang, R. H. Jan, C. Chen, and C. Y. Huang, "Efficient failover and load balancing for dependable SIP proxy servers," in Proc. IEEE Symp. on the Computers and Communications, pp. 1530-1346, Marrakech, 6-9 Jul. 2008.

[29] G. Kambourakis, D. Geneiatakis, T. Dagiuklas, C. Lambrinoudakis, and S. Gritzalis, "Towards effective SIP load balancing," in Proc. 3rd VoIP Security Workshop, 6 pp., Berlin, Germany, 15-17 Jun. 2006.

[30] S. Montagna and M. Pignolo, "Performance evaluation of load control techniques in sip signaling servers," in Proc. 3rd Int. Conf. on the Systems, pp. 51-56, Cancun, Mexico, 13-18 Apr. 2008.

احمدرضا منتظرالقائم تحصيلات خود را در مقاطع كارشناسيِ مهندسی فناوری اطلاعات و كارشناسي‏ارشد مهندسی کامپیوتر بهترتيب در سالهاي 1389 و 1392 به پايان رسانده است. او همچنین دکتری سیستم‏های نرم افزاری خود را در سال 1396 با درجه عالی از دانشگاه فردوسی مشهد اخذ نموده است و هم اكنون استادیار دانشكده مهندسي كامپيوتر دانشگاه اصفهان مي‎باشد. ایشان در سال 1393 موفق به دریافت جایزه تحصیلی بنیاد ملی نخبگان شده و پژوهشگر برتر سال 1395 دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد بوده است. نامبرده قبل از پيوستن به دانشگاه اصفهان، در سالهاي 1389 الي 1397 مدیر کیفی آزمایشگاه تایید نمونه تجهیزات شبکه ویپ دانشگاه فردوسی مشهد بوده است. از دیگر سوابق وی می‏توان به شرکت در پروژه‏ توسعه زیرساختِ ابر مجازی و هوشمندِ SAVI دانشگاه تورنتو کانادا و تحقیق به عنوان پژوهشگر پسادکتری بر روی مدیریت انرژی شبکه‏های ارتباطی نرمافزار محور در دانشگاه فردوسی مشهد اشاره کرد. همچنین ایشان در طرح‏های پژوهشی و پروژه‏های متعددی از جمله پیاده سازی ویپ شرکت ایران خودرو خراسان، طراحی و پیاده سازیِ معماری دیتاسنتر شرکت توزیع برق مشهد و همچنین بررسی، مطالعه، راه اندازی و استقرار سیستم ویپ استانداری خراسان رضوی مشارکت داشته‏اند. زمينه‎هاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان عبارتند از: شبکه‏های کامپیوتری، شبکه‏های نرمافزار محور، مجازیسازی توابع شبکه، شبکه‏های چند‏رسانهای، شبکه‏های سلولی و اینترنت اشیا.

[1] . Offered Load

[2] . IP Multimedia Subsystem

اشتراک گذاری

آدرس مقاله

مدیریت منابع در شبکه‌های چندرسانه‌ای با استفاده از شبکه‌های نرم‌افزارمحور

رایمگ

پیوندهای سایت

مراکز مرتبط

پشتیبانی

صفحات رسمی