全IP下一代網(wǎng)絡體系結構研究

　　摘要 下一代固定和移動電話網(wǎng)體系結構將建立在全IP的基礎上，從某種意義上說，它將是一種可編程的、基于IP的網(wǎng)絡，這必然要求下一代網(wǎng)絡為應用開發(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)絡的API體系結構，描述了系統(tǒng)構件智能化程度的演變趨勢，給出了下一代網(wǎng)絡的分層結構與功能結構。

　　1、引言

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

　　身具有統(tǒng)一提取功能，能夠隱藏和分擔協(xié)議棧的復雜性，并使得IP網(wǎng)絡的應用開發(fā)變得容易。這將導致大量Internet應用的快速開發(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)絡目前或潛在的市場進行競爭。提出全IP網(wǎng)絡的第二個原因是隨著新型Internet應用的出現(xiàn)，電信網(wǎng)絡必須與Internet進行有效集成，要么允許用戶通過網(wǎng)絡接入Internet應用，要么允許與Internet應用在某些方面進行互操作，基于IP的下一代網(wǎng)絡體系結構的應用能夠使得這種集成更為簡單。

　　2、下一代網(wǎng)絡的API體系結構

　　在某種意義上，下一代網(wǎng)絡必須是一種可編程的、基于IP的網(wǎng)絡，這必然要求XG為應用開發(fā)提供強大的、方便的、定義明確的API。對于一些業(yè)務提供商來說，API思想本身并非僅僅是一個基本概念。目前，公共API是指所有第三方都可用的API，它包括標準的、開放的API子集。另一方面，專用API 是指由某個公司控制、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API體系結構的一種高級分類方法。

　　圖1　由分層API定義的下一代網(wǎng)絡體系結構

　　從歷史的角度來看，電信網(wǎng)絡是由一個復雜的、智能的核心網(wǎng)和簡單的終端組成。核心網(wǎng)高度集成，能夠滿足嚴格的性能和可靠性要求;終端設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雜終端設備進行互連，導致了系統(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)引起廣泛關注，成為體系結構中的關鍵決策。

　　圖2描述了系統(tǒng)構件的智能演進情況。過去10年中，核心網(wǎng)中交換和路由功能實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(xiàn)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)務邏輯被去除，并將其移到分布式數(shù)據(jù)庫中。

　　事實上，SS7和IN體系結構標志著控制層的出現(xiàn)，控制層變得越來越成熟，且越來越趨于分布式。20世紀90年代的下一代網(wǎng)絡(NGN)設計，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(通常是ATM而不是IP網(wǎng)絡)，該網(wǎng)絡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器提供業(yè)務邏輯和接口。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IP協(xié)議)，將功能配置在分布式服務器(如本地代理和寄存器)上。

　　圖2　系統(tǒng)構件智能化程度的演變趨勢

　　另一方面，在IP網(wǎng)絡中，疊加網(wǎng)絡的使用正在穩(wěn)步增長，它可以作為配置和使用核心路由器功能的一項可選方案。主要由于以下因素決定的：新協(xié)議的標準化進程滯后;核心要素(路由器)復雜性不斷提高，且缺乏開放性;邊緣網(wǎng)絡計算具有很好的經(jīng)濟性。有趣的是，這些都是傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡存在的缺點。同樣，移動終端和無線接入網(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計相比，控制功能實體逐步實現(xiàn)分布化。下一代網(wǎng)絡體系結構順應這些歷史性的發(fā)展趨勢。

　　3、下一代網(wǎng)絡的分層結構

　　全IP下一代網(wǎng)絡的分層結構如圖3所示。它包括疊加層、控制層、核心層和接入層。下一代網(wǎng)絡體系結構包括一個核心IP網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡的智能化程度極低。因此，大部分核心網(wǎng)絡功能(如路由)是由現(xiàn)有的和即將出現(xiàn)的IP技術來完成的。在核心網(wǎng)絡之上是高級控制層，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移到了核心網(wǎng)絡。高級控制層主要關注那些能夠為應用和疊加網(wǎng)絡要素所用的功能，如接入AAA的決策點、移動性管理代理、策略管理的作用與規(guī)則等。控制層和核心網(wǎng)絡之間的疏耦合意味著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程。核心網(wǎng)下面是接入網(wǎng)絡集合，這些網(wǎng)絡用于滿足不同的市場機會和需求。4G RAN是目前的無線接入網(wǎng)(RAN)向更高數(shù)據(jù)速率進化的產(chǎn)物，支持互操作業(yè)務、多媒體業(yè)務以及通過IP網(wǎng)絡互連的分布式控制要素。由于實時限制條件在該層非常關鍵，因而 在核心網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡之間需要相對嚴格的協(xié)調和耦合。核心網(wǎng)絡也為專門網(wǎng)絡提供支持業(yè)務和連接，如由下一代網(wǎng)絡運營商運營的企業(yè)網(wǎng)、多跳/Ad Hoc網(wǎng)或對等網(wǎng)絡等。這些專門的網(wǎng)絡可能需要本地控制，尤其是對于關鍵特征(如AAA)的控制。在某些區(qū)域中提供匿名性服務，同時又保證服務質量(QoS)和可靠性，是目前需要重點研究的問題。

　　圖3 下一代網(wǎng)絡分層結構示意圖

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

　　4、下一代網(wǎng)絡的功能結構

　　圖4給出了下一代網(wǎng)絡的功能結構。若對水平方向4個抽象層及其功能進行細分，功能可分成多個垂直集合，每個集合被稱之為“面”，包括跨越所有層或跨越數(shù)層的關鍵能力。這些面是安全、QoS/資源控制和其他類似功能(如傳輸、移動性、組網(wǎng)和業(yè)務控制等)。需要注意的是，圖4只給出了系統(tǒng)的一個平面。獨立的平行面包括運行、管理和維護面以及用戶設備面。每個平面和每層與其他面都相互獨立，從而形成一個面向 對象的網(wǎng)絡體系結構，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，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行混合，組合方式主要取決于接入網(wǎng)絡技術和網(wǎng)絡某一部分的特定拓撲需求。

　　圖4　下一代網(wǎng)絡的功能結構

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

　　協(xié)助其他層完成其任務和使命的網(wǎng)絡業(yè)務稱為支持業(yè)務。支持業(yè)務可分為兩個等級。1級支持業(yè)務大多與網(wǎng)絡的傳輸功能有關;2級支持業(yè)務為終端業(yè)務正常工作提供必要的功能。1級業(yè)務包括網(wǎng)絡級AAA業(yè)務、漫游業(yè)務、宏移動性管理業(yè)務和QoS執(zhí)行功能，QoS執(zhí)行功能主要用于對網(wǎng)絡的不同部分進行配置以提供符合網(wǎng)絡策略和用戶配置文件的服務質量。

　　2級支持業(yè)務提供了便于終端業(yè)務開展的豐富的業(yè)務集合，包括允許應用發(fā)現(xiàn)業(yè)務并與之進行交互以提供更多高級組合業(yè)務的業(yè)務注冊。該層為終端業(yè)務提供應用層AAA服務、便于應用和內容分發(fā)及其他優(yōu)化業(yè)務開展的疊加網(wǎng)絡、證書業(yè)務和一系列網(wǎng)關，這些網(wǎng)關能夠提供與傳統(tǒng)網(wǎng)絡業(yè)務(如3G網(wǎng)絡中的話音、視頻業(yè)務和與PSTN的組網(wǎng)業(yè)務)業(yè)務級集成。

　　圖5　全IP下一代網(wǎng)絡體系結構的一個實例

　　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體可舉。圖5給出了以物理網(wǎng)絡和業(yè)務要素作為實例的體系結構視圖。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)絡和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(甚至與Internet連接)時使用了正確的網(wǎng)關和防火墻。同時，功能互連或物理互連可能是跨層的(如從終端用戶業(yè)務到核心網(wǎng)絡)，這種跨層連接便于通過跨層API來實現(xiàn)跨層改進。

　　5、結論

　　目前，如IP電視這類大量消耗帶寬服務將需要新的IP基礎結構來支持。運營商也希望通過將所有服務轉向IP網(wǎng)絡來降低運營成本。全IP體系結構是開發(fā)創(chuàng)新性和贏利性業(yè)務的最好選擇。下一代網(wǎng)絡能使運營商在新網(wǎng)絡基礎上調用服務平臺和IP多媒體子系統(tǒng)，同時整合各種運營業(yè)務，并且能更快地推出各種新服務?？偟膩砜矗蚓W(wǎng)絡運營商將緩慢地開始推進全IP下一代網(wǎng)絡。對固定線路網(wǎng)絡而言，轉向基于IP的基礎結構是寬帶服務的自然演進，包括IP電話，它們將取代目前的電話網(wǎng)。移動網(wǎng)則將以較慢的速度同時轉向IP結構，但是標準化工作將加快速度。