全IP下一代網(wǎng)絡(luò )體系結構研究

　　摘要 下一代固定和移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)體系結構將建立在全IP的基礎上，從某種意義上說(shuō)，它將是一種可編程的、基于IP的網(wǎng)絡(luò )，這必然要求下一代網(wǎng)絡(luò )為應用開(kāi)發(fā)提供強大的、方便的、定義明確的API。文章首先介紹了全IP下一代網(wǎng)絡(luò )的API體系結構，描述了系統構件智能化程度的演變趨勢，給出了下一代網(wǎng)絡(luò )的分層結構與功能結構。

　　1、引言

　　人們逐漸認識到，下一代固定和移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)體系結構將建立在IP的基礎上。提出全IP網(wǎng)絡(luò )[1-3]的首要動(dòng)機是由于目前它是支持絕大多數創(chuàng )新性和贏(yíng)利業(yè)務(wù)的最佳體系結構選擇。提出全IP網(wǎng)絡(luò )的第二個(gè)原因是基本IP在技術(shù)上相對比較簡(jiǎn)單，IP本

　　身具有統一提取功能，能夠隱藏和分擔協(xié)議棧的復雜性，并使得IP網(wǎng)絡(luò )的應用開(kāi)發(fā)變得容易。這將導致大量Internet應用的快速開(kāi)發(fā)和部署，其中的一些應用(如E-mail、短消息、內容分發(fā))可以直接與PSTN網(wǎng)絡(luò )目前或潛在的市場(chǎng)進(jìn)行競爭。提出全IP網(wǎng)絡(luò )的第二個(gè)原因是隨著(zhù)新型Internet應用的出現，電信網(wǎng)絡(luò )必須與Internet進(jìn)行有效集成，要么允許用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接入Internet應用，要么允許與Internet應用在某些方面進(jìn)行互操作，基于IP的下一代網(wǎng)絡(luò )體系結構的應用能夠使得這種集成更為簡(jiǎn)單。

　　2、下一代網(wǎng)絡(luò )的API體系結構

　　在某種意義上，下一代網(wǎng)絡(luò )必須是一種可編程的、基于IP的網(wǎng)絡(luò )，這必然要求XG為應用開(kāi)發(fā)提供強大的、方便的、定義明確的API。對于一些業(yè)務(wù)提供商來(lái)說(shuō)，API思想本身并非僅僅是一個(gè)基本概念。目前，公共API是指所有第三方都可用的API，它包括標準的、開(kāi)放的API子集。另一方面，專(zhuān)用API 是指由某個(gè)公司控制、僅僅在公司內部或合作伙伴內部可用的API。圖1給出了下一代網(wǎng)絡(luò )API體系結構的一種高級分類(lèi)方法。

　　圖1　由分層API定義的下一代網(wǎng)絡(luò )體系結構

　　從歷史的角度來(lái)看，電信網(wǎng)絡(luò )是由一個(gè)復雜的、智能的核心網(wǎng)和簡(jiǎn)單的終端組成。核心網(wǎng)高度集成，能夠滿(mǎn)足嚴格的性能和可靠性要求;終端設備可由市場(chǎng)大量提供，并提供固定的、易于使用的用戶(hù)接口。這與Internet形成鮮明對比，Internet主要考慮通過(guò)相對簡(jiǎn)單的核心路由器使得非常復雜終端設備進(jìn)行互連，導致了系統總體在性能和可靠性方面有所下降。這種智能核心網(wǎng)和簡(jiǎn)單核心網(wǎng)之間的折衷已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，成為體系結構中的關(guān)鍵決策。

　　圖2描述了系統構件的智能演進(jìn)情況。過(guò)去10年中，核心網(wǎng)中交換和路由功能實(shí)體的智能化程度在降低，20世紀70年代通用信道信令(CCS)的引入，智能網(wǎng)(IN)體系結構的出現更是加劇了這種趨勢。在智能網(wǎng)體系結構中，電信交換機的業(yè)務(wù)邏輯被去除，并將其移到分布式數據庫中。

　　事實(shí)上，SS7和IN體系結構標志著(zhù)控制層的出現，控制層變得越來(lái)越成熟，且越來(lái)越趨于分布式。20世紀90年代的下一代網(wǎng)絡(luò )(NGN)設計，可能稱(chēng)為分組話(huà)音(VoP)更為合適一些，它使用分組傳輸網(wǎng)絡(luò )(通常是ATM而不是IP網(wǎng)絡(luò ))，該網(wǎng)絡(luò )是由負責所有呼叫處理的高層呼叫代理(或軟交換)控制的。呼叫代理也為外部應用服務(wù)器提供業(yè)務(wù)邏輯和接口。更新的體系結構要求直接使用Internet協(xié)議(如SIP協(xié)議和移動(dòng)IP協(xié)議)，將功能配置在分布式服務(wù)器(如本地代理和寄存器)上。

　　圖2　系統構件智能化程度的演變趨勢

　　另一方面，在IP網(wǎng)絡(luò )中，疊加網(wǎng)絡(luò )的使用正在穩步增長(cháng)，它可以作為配置和使用核心路由器功能的一項可選方案。主要由于以下因素決定的：新協(xié)議的標準化進(jìn)程滯后;核心要素(路由器)復雜性不斷提高，且缺乏開(kāi)放性;邊緣網(wǎng)絡(luò )計算具有很好的經(jīng)濟性。有趣的是，這些都是傳統電信網(wǎng)絡(luò )存在的缺點(diǎn)。同樣，移動(dòng)終端和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(RAN)的智能化程度不斷提高，與基站和基站控制器相對集中設計相比，控制功能實(shí)體逐步實(shí)現分布化。下一代網(wǎng)絡(luò )體系結構順應這些歷史性的發(fā)展趨勢。

　　3、下一代網(wǎng)絡(luò )的分層結構

　　全IP下一代網(wǎng)絡(luò )的分層結構如圖3所示。它包括疊加層、控制層、核心層和接入層。下一代網(wǎng)絡(luò )體系結構包括一個(gè)核心IP網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )的智能化程度極低。因此，大部分核心網(wǎng)絡(luò )功能(如路由)是由現有的和即將出現的IP技術(shù)來(lái)完成的。在核心網(wǎng)絡(luò )之上是高級控制層，它無(wú)法提供路由和呼叫路徑建立功能，高級控制層將這些功能轉移到了核心網(wǎng)絡(luò )。高級控制層主要關(guān)注那些能夠為應用和疊加網(wǎng)絡(luò )要素所用的功能，如接入AAA的決策點(diǎn)、移動(dòng)性管理代理、策略管理的作用與規則等?？刂茖雍秃诵木W(wǎng)絡(luò )之間的疏耦合意味著(zhù)高級控制層通常不參與分組轉發(fā)和處理的快速路徑建立過(guò)程。核心網(wǎng)下面是接入網(wǎng)絡(luò )集合，這些網(wǎng)絡(luò )用于滿(mǎn)足不同的市場(chǎng)機會(huì )和需求。4G RAN是目前的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(RAN)向更高數據速率進(jìn)化的產(chǎn)物，支持互操作業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)以及通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )互連的分布式控制要素。由于實(shí)時(shí)限制條件在該層非常關(guān)鍵，因而 在核心網(wǎng)絡(luò )和接入網(wǎng)絡(luò )之間需要相對嚴格的協(xié)調和耦合。核心網(wǎng)絡(luò )也為專(zhuān)門(mén)網(wǎng)絡(luò )提供支持業(yè)務(wù)和連接，如由下一代網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商運營(yíng)的企業(yè)網(wǎng)、多跳/Ad Hoc網(wǎng)或對等網(wǎng)絡(luò )等。這些專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)絡(luò )可能需要本地控制，尤其是對于關(guān)鍵特征(如AAA)的控制。在某些區域中提供匿名性服務(wù)，同時(shí)又保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)和可靠性，是目前需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

　　圖3 下一代網(wǎng)絡(luò )分層結構示意圖

　　下一代網(wǎng)絡(luò )體系結構具有一個(gè)疊加層，提供高層功能并為應用提供業(yè)務(wù)，如應用層組播(ALM)、位置業(yè)務(wù)和內容分發(fā)業(yè)務(wù)。疊加層可以分為兩個(gè)等級，靠近核心網(wǎng)絡(luò )的低等級功能(如ALM)和高等級功能(如位置業(yè)務(wù))。

　　4、下一代網(wǎng)絡(luò )的功能結構

　　圖4給出了下一代網(wǎng)絡(luò )的功能結構。若對水平方向4個(gè)抽象層及其功能進(jìn)行細分，功能可分成多個(gè)垂直集合，每個(gè)集合被稱(chēng)之為“面”，包括跨越所有層或跨越數層的關(guān)鍵能力。這些面是安全、QoS/資源控制和其他類(lèi)似功能(如傳輸、移動(dòng)性、組網(wǎng)和業(yè)務(wù)控制等)。需要注意的是，圖4只給出了系統的一個(gè)平面。獨立的平行面包括運行、管理和維護面以及用戶(hù)設備面。每個(gè)平面和每層與其他面都相互獨立，從而形成一個(gè)面向 對象的網(wǎng)絡(luò )體系結構，這種結構易于維護和升級。

　　低層(L1、L2和L2.5)是接入網(wǎng)絡(luò )層，主要提供物理和媒體接入控制(MAC)級連接、必要的接入控制、廣域移動(dòng)性和具有QoS保證的交換能力。低層中最高的是基于IP的接入網(wǎng)絡(luò )，它提供IP連接性、必要的接入控制、集成的QoS管理、地址分配、使用快速移動(dòng)IP協(xié)議的子網(wǎng)間切換能力。這兩層靈活性較大，且以不同的組合方式進(jìn)行混合，組合方式主要取決于接入網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )某一部分的特定拓撲需求。

　　圖4　下一代網(wǎng)絡(luò )的功能結構

　　核心網(wǎng)絡(luò )層由純IP區分核心網(wǎng)絡(luò )組成，這些網(wǎng)絡(luò )通常提供原始帶寬用于連接網(wǎng)絡(luò )的不同部分。它還包括用于連接外部網(wǎng)絡(luò )(如Internet)的網(wǎng)關(guān)，并使用必要的預防措施來(lái)防止來(lái)自外部網(wǎng)絡(luò )的拒絕服務(wù)攻擊(DoS)。

　　協(xié)助其他層完成其任務(wù)和使命的網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)稱(chēng)為支持業(yè)務(wù)。支持業(yè)務(wù)可分為兩個(gè)等級。1級支持業(yè)務(wù)大多與網(wǎng)絡(luò )的傳輸功能有關(guān);2級支持業(yè)務(wù)為終端業(yè)務(wù)正常工作提供必要的功能。1級業(yè)務(wù)包括網(wǎng)絡(luò )級AAA業(yè)務(wù)、漫游業(yè)務(wù)、宏移動(dòng)性管理業(yè)務(wù)和QoS執行功能，QoS執行功能主要用于對網(wǎng)絡(luò )的不同部分進(jìn)行配置以提供符合網(wǎng)絡(luò )策略和用戶(hù)配置文件的服務(wù)質(zhì)量。

　　2級支持業(yè)務(wù)提供了便于終端業(yè)務(wù)開(kāi)展的豐富的業(yè)務(wù)集合，包括允許應用發(fā)現業(yè)務(wù)并與之進(jìn)行交互以提供更多高級組合業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)注冊。該層為終端業(yè)務(wù)提供應用層AAA服務(wù)、便于應用和內容分發(fā)及其他優(yōu)化業(yè)務(wù)開(kāi)展的疊加網(wǎng)絡(luò )、證書(shū)業(yè)務(wù)和一系列網(wǎng)關(guān)，這些網(wǎng)關(guān)能夠提供與傳統網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)(如3G網(wǎng)絡(luò )中的話(huà)音、視頻業(yè)務(wù)和與PSTN的組網(wǎng)業(yè)務(wù))業(yè)務(wù)級集成。

　　圖5　全IP下一代網(wǎng)絡(luò )體系結構的一個(gè)實(shí)例

　　圖3和圖4中所示的總體結構和功能結構還有許多可能的實(shí)體可舉。圖5給出了以物理網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)要素作為實(shí)例的體系結構視圖。需要注意的是，IP在所有層(包括無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)和業(yè)務(wù)層)中用作基本傳輸機制，通常假定連接基于IP的下一代網(wǎng)絡(luò )和傳統網(wǎng)絡(luò )(甚至與Internet連接)時(shí)使用了正確的網(wǎng)關(guān)和防火墻。同時(shí)，功能互連或物理互連可能是跨層的(如從終端用戶(hù)業(yè)務(wù)到核心網(wǎng)絡(luò ))，這種跨層連接便于通過(guò)跨層API來(lái)實(shí)現跨層改進(jìn)。

　　5、結論

　　目前，如IP電視這類(lèi)大量消耗帶寬服務(wù)將需要新的IP基礎結構來(lái)支持。運營(yíng)商也希望通過(guò)將所有服務(wù)轉向IP網(wǎng)絡(luò )來(lái)降低運營(yíng)成本。全IP體系結構是開(kāi)發(fā)創(chuàng )新性和贏(yíng)利性業(yè)務(wù)的最好選擇。下一代網(wǎng)絡(luò )能使運營(yíng)商在新網(wǎng)絡(luò )基礎上調用服務(wù)平臺和IP多媒體子系統，同時(shí)整合各種運營(yíng)業(yè)務(wù)，并且能更快地推出各種新服務(wù)?？偟膩?lái)看，全球網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商將緩慢地開(kāi)始推進(jìn)全IP下一代網(wǎng)絡(luò )。對固定線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò )而言，轉向基于IP的基礎結構是寬帶服務(wù)的自然演進(jìn)，包括IP電話(huà)，它們將取代目前的電話(huà)網(wǎng)。移動(dòng)網(wǎng)則將以較慢的速度同時(shí)轉向IP結構，但是標準化工作將加快速度。