实时融合计费系统的设计与实现

摘要：为了解决准实时计费系统有较高的欠费风险，智能网系统数据业务支持能力及灵活性不足等问题，提出了一种实时融合计费系统的设计实现方法。采用了可定制规则分拣的预处理引擎、基于适配器模式的批价引擎和嵌入式脚本等方法，满足了灵活的多种业务融合计费需求；同时，还采用了多级消息分发、共享内存数据库等方法，保证了系统的实时性。经过测试实验获得系统消息平均响应时间99．9％小于400 ms，系统单节点支持用户数由现在的300万提升到2 000万，混合呼叫处理能力由现在的2 400 Caps提升到4 000 Caps；解决了现有计费系统实时性差、对数据业务支持能力不足、不能处理海量数据等问题；具有高实时性、高可扩展性、高灵活性等特点。
关键词：运营支撑系统；实时融合计费；适配器模式；共享内存数据库；嵌入式脚本

0 引言
    随着国内运营商纷纷进入全网运营一体化时代，对于具备固话、宽带、移动通信等多种网络业务的运营商来说，融合各种业务为用户提供具有个性化、多样化以及差异化的服务是取得竞争优势的关键。计费系统是全业务运营支撑系统之中的核心系统，必须满足实时性、全业务融合、高扩展性和统一客户视图等需求。目前国内外各大电信运营商均在使用传统的准实时计费系统以及智能网系统，两套系统独立运行。准实时计费系统是离线计费系统的一种，其特点是计费系统以联机方式得到使用记录后，马上进行计费，以尽可能缩短用户使用与计费之间的时间差，但计费系统不参与服务使用过程，而是在服务使用过程结束后根据使用记录进行计费。经过多年的实践证明，越来越高的欠费风险是传统准实时计费系统的致命弱点。智能网系统具备实时计费能力，但业务资费灵活性不够，对数据业务支持能力不足，新业务开发速度慢，又无法适应市场复杂灵活的变化要求。
    为了满足新一代计费系统的需求，3GPP组织提出了在线计费系统(OCS)的参考结构，给出了具有开放性和通用性的实时计费系统框架，支持承载层、会话层和应用层的统一计费。在此参考结构基础上，本文基于SOA架构，采用可定制规则分拣的预处理引擎、高扩展性的批价引擎以及共享内存数据库等技术设计实现了一种具有高实时性、高可扩展性和高灵活性的新一代实时融合在线计费系统。

1 系统架构
    在线计费指计费信息可以实时影响业务的提供、帐户余额可以实时更新的计费机制，可分为基于事件型和基于会话型的在线计费。会话型的典型例子是用户打电话，需要持续一段时间；事件型的典型例子是发短信，一次消息触发一次计费。以会话型计费在线计费为例，用户通话过程中消息可分为三种：初始化消息，更新消息和结束消息。用户通话一开始发送初始化消息，然后系统根据事先设定的预留策略(比如3min)，定时发送更新消息直至用户通话结束，之后向在线计费系统发送结束消息，在线计费系统则在线实时采集这些消息进行鉴权、预留、计费、扣费，一旦用户余额不够一次预留量，则根据余额反算时长，将时长通知网元，网元在用户达到指定时长后停止用户通话。
    在线计费系统架构图如图1所示。

    由在线采集模块负责采集话单文件及在线消息，并转化为统一格式消息进行主机级消息分发。计费消息调度模块负责消息的接收与发送以及消息的进程级分发。计费控制模块接收到计费消息后进行协议解析，生成计费事件，并根据计费事件类型及数据库数据分别由预处理引擎、批价引擎、余额管理和会话管理处理，实现基于会话承载的计费、基于内容事件的计费以及用户账户管理。最后，系统通过话单生成程序将业务使用记录和计费结果保存到CDR文件中。

    为了满足未来海量数据处理的需要以及系统扩容的需求，系统采用主机级消息分发和进程级消息分发两级分发策略。其中主机级消息分发由运行于IMPDiameter Server上的在线采集模块负责。如图2所示，IMP Diameter Server在收到信用控制请求包(CCR)后，会根据CCR中的用户标识信息以及共享内存数据库中的路由策略(如用户、地域、号段、网络设备等)来决定将这个CCR分发给那一个在线计费系统(OCS)主机进行处理。在OCS主机收到CCR后，计费消息调度模块中的分发进程会根据CCR的业务类型和OCS进程的负载情况将CCR包指派给某个具体的OCS进程进行处理。

2 在线计费控制
2．1 预处理引擎
    随着电信业务的发展，需要越来越灵活的资费套餐，这就需要多种多样、可灵活配置的扩展计费信息。另一方面，通信网元的多样化，使得原始计费信息变化较大。怎样把原始信息灵活转换成扩展计费信息就成为预处理引擎设计的关键。传统的预处理方法对于新的业务和规则，一般都是通过修改程序代码来实现的，这样给程序的管理和维护带来了很大的困难，而且风险比较高。
    本文提出了一种基于可定制规则分拣的预处理引擎，该引擎可以根据不同网元的业务需求，灵活地配置并验证逻辑，规整统一的批价接口，从而实现了全业务的融合。同时，由于不需要修改程序，系统维护方便且风险极小。
2．2 批价引擎
    批价引擎是在线计费的核心组件。随着资费策略越来越复杂，传统的基于参数表驱动或简单规则驱动的计费引擎表达起来越来越困难，计费引擎越做越复杂，扩展性也越来越差，维护代价越来越高。为了解决这一问题，采用适配器(Adapter)的设计模式以及嵌入脚本技术实现了一种高可扩展性的通用批价引擎。基于适配器模式的批价引擎分为三层，分别是核心层、适配器层和原始数据层，如图3所示。

    对一次性费用计算、使用费计算、周期费用计算和优惠计算等提供统一的属性访问接口，使得费用计算和数据源的变化无关，实现通用的费用计算引擎。当增加新的业务(新的格式、内容)时，只要增加实现一个适配器就可以被批价引擎接受。传统的资费模型通常通过用户资料中的多个属性，组合运算后得到若干条资费规则，资费规则只有在程序运行时才知道用户适用的资费。资费配置后是否正确生效具有不确定性。基于适配器模式的批价引擎采用了资费规则包的资费模型，形成可供用户选择的资费计划，这样用户所匹配的资费规则可以从用户资料中直接查询出来，可靠性更能得到保证。通过对各种话单、事件进行分析，资费配置和对抽象的“事件属性”进行定义，对新的网络(业务)计费只要在基础数据配置表中增加相应的事件属性描述即可。
    为了解决基于C／C++语言实现的批价引擎可扩展性差的问题，批价引擎还创新性的采用了嵌入Python脚本技术，利用C++程序运行时的动态解析Python脚本和Python本身强大的表达能力，可以使计费规则的表达无限灵活。Python语言是面向对象的脚本语言，同时也支持传统的结构化编程，具有很好的动态解释性。复杂的资费策略可以通过脚本实现。脚本就像插件一样，可以根据需要任意配置，极大地提高系统的表达能力和扩展性。为运营商提供强大的运营支撑能力，方便运营商的业务快速推出和开展。
2．3 虚拟余额技术
    传统的计费系统没有虚拟余额的概念，只支持一种余额类型，即金额。其他类型的消费都要转换为金额才能实现。随着电信业务的发展，各种各样的基于时长、次数、流量等消费的方式越来越多，都转成金额也是一种方式，但不灵活。在余额管理模块设计中，系统引入了虚拟余额的概念。系统支持用户的余额可以是除了金额外的其他类型“余额”，如时长、次数、流量等。同时支持虚拟类型的扩充，有效增加用户消费的方式，方便电信业务的拓展。

3 共享内存数据库
    计费系统中各种业务程序需要对数据库中的数据进行频繁的查询操作，涉及的数据量非常巨大，访问数据库的频率很高，由此产生过多的数据库交互导致程序性能降低。使用共享内存技术将数据库待查询的数据上载到业务程序所在的系统内存中，结合业务需求建立快速有效的查询方式，提高查询速度，减少对数据库性能的依赖。
    根据需要查询的数据量，在系统内存中开辟足够的共享内存段，用于存放数据记录。同时根据数据查询的需求建立对应的查询方式(即建立索引)，创建对应的共享内存段，用于存放索引及辅助维护数据。共享内存数据库框架如图4所示。

    守护进程根据预先定义，查询并获取数据库中的原始数据，经过处理形成需要存放的记录并插入共享内存的数据段，同时根据查询方式形成对应的索引记录，插入共享内存的索引段。在数据被批量上载后，业务进程可以连接共享内存，先访问索引段，然后获取对应的数据记
录。数据库数据发生变动时，守护进程根据相应的机制获取变动的数据，依照前面业务进程查询数据的方法，如果找到指定数据就更新，如果没找到就插入新记录。

4 结语
    随着电信技术的不断发展，传统的准实时计费系统已不能满足电信运营商的需求。本文设计了一种实时融合认证在线计费系统，该系统采用可定制规则分拣的预处理引擎、基于适配器模式的批价引擎和嵌入式脚本等技术满足了灵活的多种业务融合计费需求。同时，该系统还采用了多级消息分发、共享内存数据库等技术，保证了系统的实时性。该系统消息平均响应时间99．9％小于400 ms。系统单节点支持用户数由现在的300万提升到2 000万，系统容量提升后，一般的电信企业部署单节点，最多两个节点即可满足容量要求。系统的单节点混合呼叫处理能力由现在的2 400 CaPs提升到4 000 Caps。数据处理性能提升后，将能满足未来海量数据处理的需要。