全I(xiàn)P下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究

　　摘要 下一代固定和移動(dòng)電話網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)將建立在全IP的基礎(chǔ)上，從某種意義上說，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(yīng)用開發(fā)提供強(qiáng)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(jié)構(gòu)，描述了系統(tǒng)構(gòu)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(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)。

　　1、引言

　　人們逐漸認(rèn)識到，下一代固定和移動(dòng)電話網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)將建立在IP的基礎(chǔ)上。提出全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)[1-3]的首要?jiǎng)訖C(jī)是由于目前它是支持絕大多數(shù)創(chuàng)新性和贏利業(yè)務(wù)的最佳體系結(jié)構(gòu)選擇。提出全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)原因是基本IP在技術(shù)上相對比較簡單，IP本

　　身具有統(tǒng)一提取功能，能夠隱藏和分擔(dān)協(xié)議棧的復(fù)雜性，并使得IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)變得容易。這將導(dǎo)致大量Internet應(yīng)用的快速開發(fā)和部署，其中的一些應(yīng)用(如E-mail、短消息、內(nèi)容分發(fā))可以直接與PSTN網(wǎng)絡(luò)目前或潛在的市場進(jìn)行競爭。提出全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)原因是隨著新型Internet應(yīng)用的出現(xiàn)，電信網(wǎng)絡(luò)必須與Internet進(jìn)行有效集成，要么允許用戶通過網(wǎng)絡(luò)接入Internet應(yīng)用，要么允許與Internet應(yīng)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠使得這種集成更為簡單。

　　2、下一代網(wǎng)絡(luò)的API體系結(jié)構(gòu)

　　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(yīng)用開發(fā)提供強(qiáng)大的、方便的、定義明確的API。對于一些業(yè)務(wù)提供商來說，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(biāo)準(zhǔn)的、開放的API子集。另一方面，專用API 是指由某個(gè)公司控制、僅僅在公司內(nèi)部或合作伙伴內(nèi)部可用的API。圖1給出了下一代網(wǎng)絡(luò)API體系結(jié)構(gòu)的一種高級分類方法。

　　圖1　由分層API定義的下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　從歷史的角度來看，電信網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)復(fù)雜的、智能的核心網(wǎng)和簡單的終端組成。核心網(wǎng)高度集成，能夠滿足嚴(yán)格的性能和可靠性要求;終端設(shè)備可由市場大量提供，并提供固定的、易于使用的用戶接口。這與Internet形成鮮明對比，Internet主要考慮通過相對簡單的核心路由器使得非常復(fù)雜終端設(shè)備進(jìn)行互連，導(dǎo)致了系統(tǒng)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(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵決策。

　　圖2描述了系統(tǒng)構(gòu)件的智能演進(jìn)情況。過去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(jì)70年代通用信道信令(CCS)的引入，智能網(wǎng)(IN)體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)更是加劇了這種趨勢。在智能網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，電信交換機(jī)的業(yè)務(wù)邏輯被去除，并將其移到分布式數(shù)據(jù)庫中。

　　事實(shí)上，SS7和IN體系結(jié)構(gòu)標(biāo)志著控制層的出現(xiàn)，控制層變得越來越成熟，且越來越趨于分布式。20世紀(jì)90年代的下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)設(shè)計(jì)，可能稱為分組話音(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(fù)責(zé)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(yīng)用服務(wù)器提供業(yè)務(wù)邏輯和接口。更新的體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)構(gòu)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(wěn)步增長，它可以作為配置和使用核心路由器功能的一項(xiàng)可選方案。主要由于以下因素決定的：新協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程滯后;核心要素(路由器)復(fù)雜性不斷提高，且缺乏開放性;邊緣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算具有很好的經(jīng)濟(jì)性。有趣的是，這些都是傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)存在的缺點(diǎn)。同樣，移動(dòng)終端和無線接入網(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(shè)計(jì)相比，控制功能實(shí)體逐步實(shí)現(xiàn)分布化。下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)順應(yīng)這些歷史性的發(fā)展趨勢。

　　3、下一代網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)

　　全I(xiàn)P下一代網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xiàn)有的和即將出現(xiàn)的IP技術(shù)來完成的。在核心網(wǎng)絡(luò)之上是高級控制層，它無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(zhuǎn)移到了核心網(wǎng)絡(luò)。高級控制層主要關(guān)注那些能夠?yàn)閼?yīng)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(guī)則等?？刂茖雍秃诵木W(wǎng)絡(luò)之間的疏耦合意味著高級控制層通常不參與分組轉(zhuǎn)發(fā)和處理的快速路徑建立過程。核心網(wǎng)下面是接入網(wǎng)絡(luò)集合，這些網(wǎng)絡(luò)用于滿足不同的市場機(jī)會(huì)和需求。4G RAN是目前的無線接入網(wǎng)(RAN)向更高數(shù)據(jù)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(yán)格的協(xié)調(diào)和耦合。核心網(wǎng)絡(luò)也為專門網(wǎng)絡(luò)提供支持業(yè)務(wù)和連接，如由下一代網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商運(yùn)營的企業(yè)網(wǎng)、多跳/Ad Hoc網(wǎng)或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)等。這些專門的網(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(qū)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)研究的問題。

　　圖3 下一代網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)示意圖

　　下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有一個(gè)疊加層，提供高層功能并為應(yīng)用提供業(yè)務(wù)，如應(yīng)用層組播(ALM)、位置業(yè)務(wù)和內(nèi)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(jié)構(gòu)

　　圖4給出了下一代網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)構(gòu)。若對水平方向4個(gè)抽象層及其功能進(jìn)行細(xì)分，功能可分成多個(gè)垂直集合，每個(gè)集合被稱之為“面”，包括跨越所有層或跨越數(shù)層的關(guān)鍵能力。這些面是安全、QoS/資源控制和其他類似功能(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(tǒng)的一個(gè)平面。獨(dú)立的平行面包括運(yùn)行、管理和維護(hù)面以及用戶設(shè)備面。每個(gè)平面和每層與其他面都相互獨(dú)立，從而形成一個(gè)面向 對象的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)易于維護(hù)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?fù)湫枨蟆?/P>

　　圖4　下一代網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)構(gòu)

　　核心網(wǎng)絡(luò)層由純IP區(qū)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(yù)防措施來防止來自外部網(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(zhí)行功能，QoS執(zhí)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)開展的豐富的業(yè)務(wù)集合，包括允許應(yīng)用發(fā)現(xiàn)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(yīng)用層AAA服務(wù)、便于應(yīng)用和內(nèi)容分發(fā)及其他優(yōu)化業(yè)務(wù)開展的疊加網(wǎng)絡(luò)、證書業(yè)務(wù)和一系列網(wǎng)關(guān)，這些網(wǎng)關(guān)能夠提供與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)(如3G網(wǎng)絡(luò)中的話音、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I(xiàn)P下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例

　　圖3和圖4中所示的總體結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)視圖。需要注意的是，IP在所有層(包括無線接入網(wǎng)和業(yè)務(wù)層)中用作基本傳輸機(jī)制，通常假定連接基于IP的下一代網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)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(如從終端用戶業(yè)務(wù)到核心網(wǎng)絡(luò))，這種跨層連接便于通過跨層API來實(shí)現(xiàn)跨層改進(jìn)。

　　5、結(jié)論

　　目前，如IP電視這類大量消耗帶寬服務(wù)將需要新的IP基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來支持。運(yùn)營商也希望通過將所有服務(wù)轉(zhuǎn)向IP網(wǎng)絡(luò)來降低運(yùn)營成本。全I(xiàn)P體系結(jié)構(gòu)是開發(fā)創(chuàng)新性和贏利性業(yè)務(wù)的最好選擇。下一代網(wǎng)絡(luò)能使運(yùn)營商在新網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上調(diào)用服務(wù)平臺(tái)和IP多媒體子系統(tǒng)，同時(shí)整合各種運(yùn)營業(yè)務(wù)，并且能更快地推出各種新服務(wù)?？偟膩砜矗蚓W(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將緩慢地開始推進(jìn)全I(xiàn)P下一代網(wǎng)絡(luò)。對固定線路網(wǎng)絡(luò)而言，轉(zhuǎn)向基于IP的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是寬帶服務(wù)的自然演進(jìn)，包括IP電話，它們將取代目前的電話網(wǎng)。移動(dòng)網(wǎng)則將以較慢的速度同時(shí)轉(zhuǎn)向IP結(jié)構(gòu)，但是標(biāo)準(zhǔn)化工作將加快速度。