NGN若干技术问题的思考

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导读　本文深入探讨了网络融合和业务融合的理论问题，论证了三层网络模型；提出了承载层组网功能评价体系；指出了MPLS技术发展的若干方向；比较了电信业务和因特网业务的主要特点，以及由于这些特点不同而对网络要求的差异；论述了业务连接和网络连接，指出网络连接的重要性。


一、前言

　　网络融合的目的是为了在一个统一的网络上进行各种信息的通信。今天，通信的环境已经发生了很大变化，首先信息的类型已经从电话电报扩展到视讯和各种数据，尤其是因特网业务的通信量越来越大。其次由于各种分组网络技术的出现，特别是无连接的IP组网技术的出现，端到端固定带宽信道的模型已经不能充分表征通信的环境。作为信源和信宿的载体，除了人以外，更多地扩大到了机器(计算机、办公设备、家电、遥控遥测遥感设备等)，它们的通信特性有很多新的特点，但是人的视觉、听觉以及发声的生理特性没有变化。因此今天我们需要研究信源、信宿和网络的通信模型，研究各种信息通信对网络的要求。网络应当满足各种信息通信的要求，达到各种信息通信要求的服务质量(QoS)，具有信息通信安全的保证，同时还应当满足网络运营的要求。

二、三层网络模型

　　通信过程中的各种信源的共同特性之一是非固定速率特性。最适合人们发声特点的的语音编码算法是变速率编码算法(VBR)。移动通信系统GSM、CDMA的语音编码算法都是变速率编码。ITU-T正在制订适合3G移动网和IP网络的语音变速率编码标准和宽带语音的变速率编码标准。ISO和ITU-T制订的视频编码算法MPEGx、H.26x都是变速率编码。HTTP/WWW、FTP、E-mail、Telnet等因特网业务都是突发性很强的数据流，监控信息(雷达、传感器、遥感遥测遥控等)也是变速率的数据流。

　　因此这一共同特性要求交换传送这些信息的网络应该是分组网络，分组网络的统计复用特点也能够高效地使用网络资源。

　　但是各种信源通信对网络有不同的要求：

　　*会话型语音、视频通信要求实时性高，对丢包、抖动、时延敏感，要求网络传送可靠性高。要由网络提供服务质量保证和一定的安全保证。

　　*广播型语音、视频通信对丢包、抖动敏感，但对时延要求不高，要求网络传送可靠性高，要由网络提供QoS保证。

　　*HTTP/WWW、FTP、E-mail等因特网业务实时性要求不高，对丢包、抖动、时延不敏感，可通过终端重传机制保证数据传送可靠性，网络提供尽力而为的服务质量。

　　*监控信息突发性强，实时性要求高，传送可靠性要求高，但数据量有大有小，要求网络提供传送质量保证和安全保证。

　　分组网络技术分为有连接组网技术和无连接组网技术，例如ATM/FR技术是有连接分组组网技术，而IP技术和以太网技术是无连接分组组网技术。简单的无连接网络不能完全满足以上不同信源通信对网络的要求，尤其是实时业务通信的要求。而端到端的有连接网络是非常复杂而不可行的。

　　为了适应信源的不同特性，满足不同信源通信对网络的不同要求，我们提出了如图l所示的三层网络模型。基本思路是通过三个层面网络各自解决不同的问题，从而融合不同组网技术的长处，互相弥补各自的短处，实现支持各种信源通信的网络。

　　传输层是网络的物理基础，主要采用光传输技术(DWDM、SDH等)，提供点到点连接的固定带宽的电路或光路。目前的光传输技术不能提供适合不同信源通信要求的分组统计复用功能。

　　承载层是分组网络，适应各种信源的非固定速率特性和提供统计复用功能。在承载层组建不同的承载VPN，为不同信源通信提供其所需要的网络QoS保证和网络安全保证。

　　业务层解决各种信源通信的特点、属性、编址、控制信令、媒体处理等不同的个性化问题。业务层根据不同信源的特点进行信源编码，并分组化。

　　在网络模型中按地域分为骨干网、城域网、接入网和驻地网。其中城域网和接入网除了解决城域接入范围的QoS、安全、管理问题外，很重要的是要完成用户管理和业务呼叫管理并配合骨干网实现对网络资源的管理。

　　由于驻地网不一定由运营商管理，在驻地网如何实现综合业务是个大问题。

　　作为运营网必须有完善的运营支撑系统，包括网管系统、计费结算清算系统、认证系统、营账系统、客服系统等。

三、承载层组网功能评价体系

　　根据上面的论述，承载层应采用分组网络，为了分析比较不同分组组网技术对不同信源通信的适应程度，我们有必要建立一套组网功能评价体系。

　　网络是由三要素有机组合而成的，即：节点、中继和拓扑。

　　节点如：ATM交换机、路由器、以太网交换机等；中继有：SDH电路、光波、光纤、无线链路等；拓扑的形式有：网状、星状、部分网状、环状、混合等。

　　当前的一些组网技术只是解决节点或中继问题的技术，并不是解决网络整体的技术。因此对各种组网技术应分析清楚它是解决节点、中继还是拓扑的技术，或者是解决网络整体的技术。

　　本文提出图2所示的，由网络路由管理功能、静态网络资源管理功能和动态网络资源管理功能所构成的三层组网功能评价体系。各种组网技术都能够放在这个体系中进行分析评价，看看这种组网技术具有哪些层次的组网功能。

　　网络路由管理功能根据网络拓扑和中继的情况，在每个节点确定每个分组向目的地的转发或交换的方向。确定方向的过程可以是静态的，也可以是动态的；可以是分布式的，也可以是集中式的。路由器组网的OSPF、IS-IS和ATM组网的PNNI、VNN(Lucent的ATM动态组网协议)是分布式的动态路由协议，ATM组网的IISP和路由器组网的静态路由指向是静态路由协议。网络路由管理功能要维护路由表(转发表或交换表)。

　　静态网络资源管理功能需要掌握网络的资源情况，主要是各中继的带宽、各节点的端口、交换容量、优先队列数量和由网络拓扑确定的路径等。静态网络资源管理功能根据应用需要对网络资源进行配置或者预留，资源配置有两种方式，一种是由网管进行配置；一种是由使用者发起资源申请(呼叫)，通过信令系统建立连接或预留资源。RSVP是路由器组网的资源预留信令协议，PNNI和VNN具有ATM网建立连接的NNI信令功能。静态网络资源管理功能要维护网络资源使用状态表(流量工程数据库)。

　　动态网络资源管理功能是在网络运行过程中，网络发生拥塞和网络故障时，对网络资源进行及时调整的功能。为了进行动态网络资源管理，就需要传送网络运行和维护状态信息(OAM)的协议，并遵循某种网络资源动态调整的规则。ATM/FR组网的OAM就是实现网络运行和维护状态信息传送的协议。无连接组网没有这种功能，因此无连接网络只能在节点进行节点资源的调整，而不能对网络进行网络资源的调整。

　　有两种截然不同的网络资源动态调整规则。一种是在无连接网络中，当某个节点或中继发生拥塞时采用的丢包的规则，IP QoS的各种机制：如WFQ、CBWFQ、CAR等都是丢包的规则。另一种是在有连接网络中，当发现某个方向的网络资源不足以接纳新的资源申请(呼叫)时，拒绝新的呼叫的呼叫接纳控制(CAC)的规则。要实现呼叫接纳控制，必须动态掌握网络资源使用情况，还必须与业务层建立层间控制关系。丢包规则提供的是相对的QoS保证，呼叫接纳控制规则提供的是绝对的QoS保证。

四、MPLS的发展方向

　　MPLS组网是有连接组网，但它是对每种业务的有连接，而不是对每个业务呼叫的有连接。它融合了无连接组网的灵活性、扩展性和有连接组网的QoS保证性、可管理性。

　　对照图2的三层组网功能，MPLS组网涉及到了网络路由管理和静态网络资源管理功能。通过流量工程扩展的OSPF-TE、ISIS-TE、CSPF(受约束的最短路径优先)进行各节点各中继资源信息通信，带网络资源约束的路由计算；采用流量工程扩展的RSVP-TE信令，建立具有网络资源保证的LSP；每个节点维护流量工程数据库(TED)。一个新的动向是新研制的MPLS交换机/路由器已经向着融合ATM技术和路由器技术的方向迈进，主要标志是：

　　*节点优先队列数量达上千，甚至几十万；

　　*单节点具有1O万LSP处理和状态保持维护能力；

　　*具有OSPF-TE、ISIS-TE或CSPF流量工程扩展的动态路由协议；

　　*具有RSVP-TE建立有资源保证的LSP的能力；

　　*以信元为间隔进行优先队列调度；

　　*单节点转发时延控制在数十微秒；

　　*维护网络资源使用状态表。

　　这种MPLS交换机/路由器还正在融合节点设备的二层(ATM/FR等)功能和2.5层(MPLS)功能，能够通过各个LSP的属性(如QoS属性)直接控制节点资源(如优先队列)，而不是原来的映射关系。

　　但是，MPLS组网基本没有第三层动态网络资源管理功能，跨域组大网的功能不完善。因此，MPLS技术发展方向是：

　　*节点具有探测各方向拥塞程度的能力(网络测量能力)；

　　*增加网络OAM机制；

　　*实现业务呼叫接纳控制(CAC)；

　　*跨MPLS域的LSP粘接，保持LSP资源保证性能功能的BGP扩展。

五、电信业务和因特网业务

　　我们下面宏观地比较电信业务和因特网业务的特点和对网络的要求。

　　电信业务主要特性：

　　*主要解决人与人的听觉、视觉通信；

　　*表现为实时性强，对网络QoS要求高，要求绝对的网络QoS；

　　*业务流量随机性较平稳，业务流量流向可以统计预测；

　　*主要通信形态是端到端的通信；

　　*终端必须既做主叫又做被叫，终端始终在网；

　　*既要做用户授权认证，还要做业务呼叫处理。

　　多媒体的电信业务增加以下特性：

　　*多点通信；

　　*网络中要进行信号处理；

　　*终端与终端、终端与网络设备需进行能力协商；

　　*呼叫过程中改变通信模式；

　　*用户呼叫方式不同于电话呼叫方式。

　　因特网业务主要特性：

　　*主要解决人与机器、机器与机器的通信问题；

　　*实时性要求不高，但可靠性要求高；

　　*业务QoS由终端之间的反馈重传机制保证；

　　*业务流量突发性强，非平稳随机过程，很难统计预测；

　　*主要通信形态是客户机/服务器模式；

　　*客户机主要做主叫、服务器做被叫；

　　*客户机不是常在网上；

　　*只进行接入认证。

　　电信业务和因特网业务的特点的不同，造成了对网络资源需求和对网络通信要求的不同。

　　(1)地址的需求不同

　　由于因特网业务主要通信形态是客户机/服务器模式，可以通过动态地址分配给客户机分配地址；而电信业务主要是端到端通信形态，每个端设备都要做被叫，每个端设备都应固定分配地址。

　　(2)信令系统不同

　　电信业务需要对每个业务呼叫进行控制的信令系统，如对语音通信的7号信令系统，对视讯多媒体通信的H.323建议族；因特网业务需要把别名解析为IP地址的域名系统，如DNS系统、SIP系统。

　　(3)网络通信的处理需求不同

　　电信业务在通信过程中，从呼叫建立到呼叫结束，网络需要维持呼叫的通信状态，由此进行网络资源的调度，实现呼叫接纳控制，产生计费信息；因特网业务只进行接入控制，并不进行网络资源调度。

　　(4)带宽对称性不同

　　电信业务基本上是对称带宽业务；因特网业务主要是非对称带宽业务。

　　(5)实时性不同

　　电信业务主要是人与人的视觉、听觉通信，由于人的视觉、听觉生理特性，对通信的实时性要求高；因特网业务实时性要求不高。

　　(6)网络QoS要求不同

　　电信业务必须由网络提供QoS保证，而且是绝对的QoS保证；因特网业务由终端之间的高层反馈重传协议来保证数据的传送可靠性，网络并不提供QoS保证。

　　(7)运营模式不同，对运营支持系统要求不同

　　电信业务要对每个用户的每个业务呼叫进行管理控制、网络资源调度、认证授权计费，根据每次呼叫使用网络资源的情况进行统计，确保QoS，按质论价。因特网业务只进行接入控制，实行包月或按上网时长计费，不能按质论价，当然也不保证QoS。运营支持系统必须适应相应的运营模式。

六、业务连接性和网络连接性

　　大多数业务都有连接性，会话型语音、视讯通信具有端到端网络连接；因特网业务具有客户机到服务器的TCP连接；VPN也是由不同的连接构成的：二层VPN由网络二层连接(ATM/FR-PVC/SVC，MPLS-LSP，VLAN)构成，三层VPN由IP层的连接(隧道)构成(又可以分为网络VPN和用户发起的VPN)。由此可见，连接性是业务的一个基本属性。具有连接性的业务才是具有卖点的业务，是运营商能够较好经营管理的业务，也是确保通信安全的前提。

　　不同的业务连接性将涉及到不同的通信元素。TCP连接性是由客户机和服务器这种端设备维持的；会话型语音、视讯通信的端到端连接、二层VPN及由网络发起的VPN(如MPLS-VPN)的连接性是由网络维持的；而L2TP、IPsec、VPDN等是由终端和路由终结设备维持的。网络运营商最关心的是网络维持的连接性是否达到业务的性能要求，是否满足用户的需要。这一类连接就是网络连接。

　　网络连接可以分为资源独立的连接和资源不独立的连接。IP-VPN、MPLS-VPN仅仅做了路由隔离和地址隔离，网络资源并没有做隔离，它们是资源不独立的连接。语音、视讯通信的连接和二层VPN的连接是资源独立的网络连接，但是资源独立的连接也有程度的不同。

　　资源独立的网络连接才能保证绝对的网络QoS。

七、结束语

　　几年的实践，使我们更加深入地认识了网络和业务的关系。我们务必牢记网络是为业务服务的，不同业务对网络有不同的要求，我们应该改造网络来适应业务，而不是相反。通过对各种信源、信宿特性和各种信源通信对网络的要求的研究，我们能够勾画出三层网络模型。承载层在QoS保证、安全保证、管理方面的重要作用已经越来越清晰，承载层组网功能评价体系可以客观衡量承载网络对不同业务的支持能力。MPLS是有希望承载综合业务的组网技术，但需要在动态网络资源管理和组建大网等方面有所突破。电信业务和因特网业务有着不同的业务属性，对网络的资源和网络的性能有不同的要求。连接性是业务的基本属性，但体现在不同的层面；网络连接是运营商最关心，也是最有价值的；资源独立的网络连接是确保绝对的网络QoS的方法，因此是承载实时业务的承载网的重要特性。