首頁>>>技術>>>VoIP

淺析VoIP監(jiān)測

馮亞明 2006/08/07

　　摘要：近年來隨著技術的發(fā)展,VoIP逐漸取代傳統的長話業(yè)務,相應的對VoIP業(yè)務進行監(jiān)測的需求也應用而生。

　　目前較多設備往往都是通過路由器,防火墻等改裝而成,但是要滿足OC192線速需求的設備往往價格非常的高,對于整個網絡進行全面的監(jiān)控投入十分巨大。因此采用特殊算法和器件對網絡數據進行分析的同時降低設備價格對于VoIP的全網監(jiān)控是一個可行的解決辦法。本文在解決實際問題的同時提出新型的算法和結構,對于目前的網絡測量,網絡計費都可以作為一種借鑒方法。

關鍵詞：VoIP并行硬件過濾OC192

一、概述

　　過去的幾十年中，以TCP/IP為核心技術的互聯網得到了極大的發(fā)展，并已經成為普通人日常生活的一部分。網絡測量在互聯網發(fā)展的早期并不為人們所重視，那時網絡的設計者更關注于提升網絡的速度、容量和覆蓋范圍。隨著互聯網規(guī)模的不斷擴大和網絡結構的日益復雜，網絡本身也顯示出了許多問題，比如說病毒，網絡攻擊，垃圾郵件等等。這些問題的解決需要我們對于網絡的基本特征和網絡行為做進一步的了解。而網絡學科作為一門具有實驗物理學性質的學科要想進一步發(fā)展又必須依賴于網絡真實數據的獲得，因此互聯網的測量和分析已經成為當今網絡研究者所關心的重要課題之一。

　　網絡測量所研究的主要內容就在于通過使用各種工具對網絡當前的參數進行測量，并進行相應的分析。網絡測量的分類標準有多種，根據測量的方式分為主動測量和被動測量；根據測量點的多少，分為單點測量和多點測量；根據被測量者知情與否,分為協作式測量與非協作式測量；根據測量所采用的協議,分為基于BGP,OSPF等路由協議的測量、基于TCP/IP等網絡及傳輸層協議的測量以及基于SNMP，DNS等應用層協議的測量等；根據測量的內容又可分為拓撲測量與性能測量等。網絡中的參數可以主要分為:可用性（Availability）、丟失率（Loss）、延遲（Delay）、吞吐量（Throughput）等幾個方面。

　　隨著網絡技術的不斷進步和網絡融合趨勢的不斷增強，IP網絡上開始承載越來越多的傳統電信網和電視網上的業(yè)務；與此同時，互聯網也不斷涌現更多的新業(yè)務。對于網絡應用的測量也越來越受到研究人員的重視。尤其是VoIP業(yè)務的應用在Internet網絡上發(fā)展速度尤其驚人。VoIP協議不斷涌現,目前已經在網絡中流行的協議包括H.323、MGCP、SIP、SKYPE。VoIP是一個CTI(三網合一)的一個典型應用,它利用現有的數據網Internet作為基礎的承載網絡,將傳統的電信語音信號進行編碼,然后在Internet上進行數據通信,完成語音的接續(xù)。

　　出于商業(yè)或者安全的目的,我們需要對這種新型的業(yè)務進行監(jiān)督。傳統的電信網絡監(jiān)測由于網絡是一個樹形結構,同時集中控制,非常有利于監(jiān)測,但是Internet網絡存在的結構是網狀,同時沒有集中控制,所示需要新的設備來完成監(jiān)督和監(jiān)測，這是我們設計VoIP監(jiān)測的出發(fā)點。

二、系統描述與評價指標

１．系統描述

　　某個骨干網絡有n條出口,在某一段時間其中流過的數據包設為,其中存在m條VoIP(協議不盡),在經過系統黑盒子分析后得到這m條呼叫記錄的元組(),分別是源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口、協議類型、創(chuàng)建時間、呼叫時長。

　　問題的難點在于IETF為許多應用定義了一些公共的端口（Well-Knownport）用于提供應用標識。不同應用的識別可以通過檢測網絡報文中的端口號完成。目前絕大多數實際網絡之上的應用測量工作采用的也是這種僅僅通過IP報頭中的五元組（源IP地址、源端口號、目的IP地址、目的端口號和協議號）進行識別的方法。

　　但是，隨著互聯網技術的不斷發(fā)展，尤其是VoIP技術的廣泛應用，僅僅靠端口號標識已經無法識別網絡中的不同應用，這些應用主要是一些使用流媒體技術的新興應用。另外，由于防火墻的廣泛應用，越來越多的應用開始故意的使用一定范圍內隨機的或者是完全隨機的端口，除此之外，有些應用不僅僅會使用非標準化的端口，有的時候還會故意的占用一些特殊的端口（比如說HTTP的80端口），來達到迷惑防火墻的目的。概括來說，目前網絡上的應用識別和分類所遇到的困難主要有以下幾點：端口的隨機化；應用的隱藏；新應用的不斷出現；網絡貸款的不斷提高。

　　系統的分析不能在傳統意義上的五元組匹配的方式進行,而必須使用更為高層的應用層的數據分析。

２．評價指標

　　我們的目標是設計與實現一種新的網絡語音應用層程序的識別與分析系統，這個系統有如下的特點：

　�。ǎ保┚�速分析骨干網絡數據。電信級系統的基本要求就是在骨干網絡上的設備具有高度的穩(wěn)定性，與峰值流量的穩(wěn)定性。這個特點保證使得設備無論是串接或者是并行接入骨干網絡線路的時候不會對于整體網絡的影響。

　�。ǎ玻┸浻布到y的成本價格。由于Internet通信的特點,要將呼叫進行監(jiān)控時必須要對整個網絡進行布控,因此需要設備臺數較多,因此降低單位設備價格對于整個系統的投入十分有利。

三、相關工作：

　　當前，網絡測量已經成為了網絡研究人員所關注的熱點問題。在國內外，已經有各種組織和研究機構對其進行了大量的研究。這主要包括以下幾大方面。

　　（１）從標準制定方面來看：互聯網的標準化組織IETF其下屬的IPPMWG、IPFIXWG、PSAMPWG等工作組都在進行有關網絡測量的研究。其中IPPM工作負責組織制定了有關的互聯網數據傳輸的質量，性能和可靠性相關指標；IPFIX工作組主要研究IP設備輸出數據流信息的相關標準；PSAMP工作組則主要研究通過使用統計學和其它方法進行報文采樣的相關標準化工作。

　�。ǎ玻⿵难芯繖C構來看：比較著名的進行大規(guī)模網絡測量研究的國際組織有NLANR、CAIDA、PLANETLAB等。這其中美國的應用網絡研究國家實驗室NLANR（NationalLaboratoryforApplied Network Research）下屬的AMP(Active Measurement Project)和PAM（Passive Measurement and Analysis Project）項目對于美國的學術網絡進行了大規(guī)模的主動測量和被動測量的相關研究，是網絡測量領域非常有影響力的項目。CAIDA（Cooperative Association for Internet Data Analysis）是一個由商業(yè)，政府和研究機構共同組成的專門從事網絡測量相關研究的國際組織，做出了很多有影響力的研究工作，開發(fā)了很多網絡測量工具，同時該組織也提供相關的試驗源數據供研究人員進行分析。PlanetLab項目所關注的重點則主要在Overlay網絡之上的相關網絡測量。

　�。ǎ常⿵膶W術研究上來看：隨著網絡測量越來越受到研究人員的重視，這幾年來也有大量的相關研究成果產生。國際上比較著名的計算機組織比如說IEEE和ACM都有專門的會議對行這方面的研究進行交流。比較著名的國際會議有ACM組織的SIGCOM會議贊助的IMC（InternetMeasurementConference），PAM（Passive& Active Measurement Workshop）等。除此之外在IPOM、NOMS以及INFOCOM等與網絡管理和網絡技術研究相關的會議中也有許多相關的學術論文發(fā)表，對網絡測量及其相關研究做出了很多理論工作。

　�。ǎ矗⿵腣oIP測量技術方面來看:國內外的研究處在一個發(fā)展的階段,各個協議有相關的網絡管平臺和網管標準來對呼叫進行集中控制.集中起來進行控制的研究目前還是一個盲點.我們的工作利用網絡測量技術在VoIP方面進行應用,同時根據VoIP測量本身的特點提出了一個體系結構和核心查找器件,在這方面進行了有益的嘗試。

四、VOIP監(jiān)測系統

　�。保g語

　　接入網：省、市、自治區(qū)的各種網絡接入服務器之間構成的網絡。

　　骨干網：各個接入網的上一級網絡,相當于OSPF協議的Area0。

　　流量鏡像：利用路由交換機的流量鏡像功能,將某個設備端口的流量按照某種方式鏡像產生到該設備另外一個空閑的端口上。

　　語音干擾：在原有話音的基礎上加入一些合成的提示音（常見于剩余通話時間提示）,或者加入噪聲干擾,是的通話質量降低。

２．系統結構

　　網絡監(jiān)測系統是一個采用跨接或者鏡像分析互連網絡數據的系統。它的主要功能是從海量的數據包中快速過濾出需要的信息，然后對過濾出的數據進行分析，得出監(jiān)測結果。例如某IP群用戶的網絡訪問目的，所有互聯網H.323呼叫信息，ICQ信息中包含特定字符的用戶等等。網絡監(jiān)測系統相對于網絡計費系統來說的特點是需要處理高速的數據流，過濾出的有用信息非常少。因此降低了監(jiān)測成本與監(jiān)測速度比的核心就是采用簡單的硬件設備，來完成數據的過濾。

　　目前的網絡監(jiān)測系統很多都是利用現有的高端路由器或者防火墻來進行改造，這樣的做法優(yōu)點是開發(fā)周期短，但是缺點是大量的硬件配置閑置與巨大成本投入。本文介紹的網絡監(jiān)測系統的結構能夠利用簡單的器件來完成高速的過濾，能夠在節(jié)省開發(fā)周期的同時減少硬件成本的投入。

　　下面先介紹網絡監(jiān)測系統在網絡的架設與連接方式。網絡監(jiān)測設備的實際機架物理圖，這個物理結構不是必須的。但這樣可充分利用網絡監(jiān)測設備的連接特點，既能連接匯聚層或者骨干層的設備，同時也使用了接入設備。

　　網絡監(jiān)測設備的兩種邏輯連接結構。這兩種方式各有優(yōu)缺點，第一種方式需要對網絡首先進行斷網或者數據流的轉向（首先利用其它設備進行通信然后進行施工），同時監(jiān)測設備的性能直接影響到整個網絡的性能，對于監(jiān)測設備這種周邊設備，很少有運營商愿意接受。第二種方式是采用路由交換機的鏡像功能來進行數據的取得，但是也存在問題，利于路由交換機的速率較低一般都在2.5G以下。

３．設計與實現

（１）硬件系統

　　硬件的結構,其中數據從光纖數據接口經過模塊轉化為實際的數據包,由于大多數光纖的速度為OC48(2.5G)或者OC192(10G)的接口,對于這樣高速度的數據進行緩存然后分析按照目前SDRAM的速度來說是不可能實現的,同時網絡VoIP數據的特點就是VoIP只占整個網絡流量的很少一部分,而且在分析的過程中只需要分析協議的開始于結尾信息(經過實際分析發(fā)現只有百萬分之二一下的流量)。于是我們在設備中加入了一個并行硬件過濾系統,來將整個網絡流量的絕大多數過濾。

（２）并行硬件過濾系統結構

　　這個系統模擬人的思維過程。在我們長期對于人類思維模式的分析中我們發(fā)現有時候我們不能準確的記住某個畫面或者某個人物(相比計算機來說)。但是當情景再現或者整個人出現在我們面前的時候我們就能立刻認出來。同時這種認出也是一種在很少概率情況下允許錯誤的。BloomFilter的出現模擬了人的思維過程,BloomFilter在可調整的允許地范圍內設定匹配錯誤的幾率,通過少量的存儲來完成搜索的過濾。

　　但是對于電信級的應用來說,需要達到線速的處理,而且準確率需要達到99.999%的情況下使用BloomFilter已經意義不大,而且BloomFilter實現起來仍然需要大量設備與存取器件,我們設計出一種新的算法:并行硬件過濾算法,同時采用硬件實現了該算法。

（３）算法介紹

　　令表示一串字符表,我們將整個字符分段.下面的表1給出了一個例子,其中m=6。

　　下面我們將縱向上的一個串放到一個環(huán)形數字圖上進行分析。令分別表示的縱向方向上存在最大空襲的最大值和最小值。以表1的第一個串為例,按照從小到大,在構成環(huán)的方式。其中可以看出01010101與11000011之間的空隙最大,因此max()=11000011,min()=01010101.由于空隙的出現有可能在兩端(例如:00000000和11111111之間),我們設置一個位寄存器flag來記錄是否存在這樣的現象。

　　對于任何進行匹配的字符串,取出相應的字段K,然后按照下面的偽碼來進行分析。

　　if(min
　　if(flag=0)丟棄該包
　　else本節(jié)匹配
　　else
　　if(flag=0)本節(jié)匹配
　　else丟棄該包

（４）硬件實現

　　硬件的實現結構,改結構實現上面的偽碼算法.值得注意的是該硬件結構需要硬件少,而且都是高速器件,因此完全可以滿足OC192的百萬包/秒的速度。

由于這種查找具有并行的特點,因此采用硬件復制的方法進行并行查找,同時在查找結果進行邏輯乘的運算,輸出就是匹配結果。

（５）算法分析的試驗結果

　　算法的第一個特點就是算法構造簡單、實現硬件簡單、高速。第二個特點就是排除的可能性很好。假設某個字段排除的可能性為,那么對于n個并行器件的排除的可能性為,當時 。這個結果表明有98.65%的數據包將不經過分析而直接被排除。

　　將現有的VoIP協議關鍵字段放入查找結構,在匹配的過程中只有百分之二的數據包進入緩沖,OC192的網絡流量只有204.8Mb的流量進入緩沖分析,采用嵌入式系統進行分析是低端設備就可以完成的。

五、效果評價

　　當前我們已經成功實現VoIP監(jiān)測系統，并且在福建各地市電信的骨干網進行應用。這個系統核心技術部件包括：

　�。ǎ保┎⑿杏布^濾系統，這個系統模擬人的記憶思維模式，在利用少量并行器件進行網絡海量數據包的過濾。這個系統能夠保證被過濾的數據包不是需要協議，而過濾后的數據允許部分錯誤判斷地特點，快速將網絡流量的95％以上進行過濾，從而在低端嵌入式系統就能實現線速分析骨干網絡數據。

　�。ǎ玻┰O備利用低端器件完成骨干網絡的監(jiān)測任務,對于設備的價格降低十分有利,相比其他OC192的設備相比價格比同類設備低一個數量級。

　　通過在實際部署、采集和分析，發(fā)現我省IP網絡上確實存在一定的VoIP話務量，部分地區(qū)VoIP分流的長途話務量較大。以廈門本地網測試為例說明測試情況及控制效果。

　　經過對廈門城域網匯聚層交換機Cisco6509的一條上行千兆鏈路連續(xù)一天的測試，發(fā)現了20多個語音網關在利用廈門電信的互聯網進行語音業(yè)務，呼叫量共計1157次。其中至臺灣的幾個VoIP網關（臺灣Savecom公司）呼叫量占90%以上，由于測試設備為100M端口，抽樣率為10%左右，該中繼上實際產生的呼叫應該約為11570次左右，大量分流了廈門的長途電話業(yè)務。目前，廈門分公司已針對分析結果，對臺灣的VOIP網關IP地址進行了封堵，結果如下：第一次封堵4個IP的次日（3月1日），廈門電信的臺灣發(fā)話應答次數（基本等同于話單數）增長59%，話務量增長62%；第二次封堵另4個IP的次日（3月14日），廈門電信的臺灣發(fā)話應答次數增長59%，話務量增長17%。

　　3月份（計費月）廈門電信的臺灣發(fā)話應答次數增長112%，話務量增長63%；國際話務（含臺灣）應答次數增長30%，話務量增長39%；扣除臺灣話務后的國際話務應答次數增長16%，話務量增長18%；3月份臺灣話務占國際話務的33.5%。

　　同期（3月份）廈門電信香港發(fā)話應答次數增長19%，話務量增長15%；澳門發(fā)話應答次數增長2%，話務量增長8%。

六結論

　　VoIP監(jiān)測系統利用VoIP協議本身特點,采用新型算法和硬件結構,來完成網絡數據的過濾,在達到高比率過去的情況下保證電信級的應用。在采用低端設備來完成高速網絡數據分析的任務,降低了設備的成本,為大面積,多層次的布置分析系統奠定了基礎。

通信世界網(www.cww.net.cn)


相關鏈接:
用skype實現免費的客戶服務中心 2006-08-07
VoIP&WLAN發(fā)展遭瓶頸 企業(yè)網市場遇挑戰(zhàn) 2006-08-07
世紀網通CEO李濤先生采訪錄 2006-08-07
VOIP在企業(yè)中的核心價值 2006-08-04
VoIP通訊協議及4大術語 2006-08-04

相關頻道:           文摘   VOIP專欄_新聞   技術_voip_文摘