智能管道发展及技术实现

摘要：深入剖析了运营商网络目前存在的主要问题，并在此基础上给出了智能管道的特征要素以及目标网络要求，同时从网络感知、动态调控两个方面对智能管道的解决方案进行了深入探讨并最终给出了智能管道发展建议。

0  前言

互联网业务的飞速发展使得电信运营商的分组网络越来越繁忙，然而网络流量的激增却没有给电信运营商带来与之对等的利润；反之，一些传统电信业务，如语音电话正逐步被一些新兴的分组业务所取代，从而在一定程度上降低了运营商收入。随着移动运营商在开创移动宽带业务市场方面取得巨大成功，移动数据流量的增长在智能终端迅速普及的情况下远远超过移动用户数的增长，运营商的网络也从承载语音话务量为主向承载数据流量的方向转变，昨天在固定宽带互联网上发生事情，也同样发生在移动互联网上。面对分组业务发展带来的巨大挑战，电信运营商应当如何走出困境，探索出一条符合自身特点的发展之道是目前各大运营商急需面对的问题。

1  运营商网络现状及问题分析

1.1  运营商网络

随着业务及终端种类的不断丰富，越来越多的角色参与到电信运营的整个过程中间。而被电信运营商牢牢控制的运营商网络（见图1），是指位于终端与业务平台之间，包括接入网、城域网和骨干网在内的由运营商建设并运营维护的网络。电信运营商如何面对分组业务发展带来的巨大挑战，关键在于针对现有网络存在问题，探讨如何改善并加强对现有网络的管理。

1.2  网络流量分析

随着3G移动通信系统的蓬勃发展，移动互联网的数据业务进入了突飞猛进的发展阶段。据统计，2010年，在中国仅无线数据业务量就达到了550亿MB，2011年达到了1 400亿MB。根据思科预测，全球移动数据流量将在2010—2015年增长26倍，保持92%的年复合增长率；移动互联网用户数，在2010—2015年将增加25倍（见图2和图3），2015年，全球移动数据流量将达到每月6 300 000  TB，而移动互联网用户数也将增至7.88亿。

一方面，数据流量如此巨大的增幅，使得网络面临巨大的流量压力；另一方面，许多新的应用，需要长时间的高带宽保障，网络使用率提高，而运营商原有网络设计存在收敛比，不能满足所有签约用户，同时使用最大签约带宽的需求，直接导致网络趋于饱和，部分时段及小区出现网络拥塞，用户不能正常使用业务，体验下降，投诉增加，于是运营商不得不加大投资，进行网络扩容，极大地缩小了运营商的利润空间。

1.3  业务类型分析

移动互联网为用户提供了丰富多彩的应用，而不同的应用对运营商来讲，存在不同的价值差异。许多永远在线类应用，比如QQ，不断申请无线公共信道资源，对无线信令开销很大，导致网络出现大量寻呼拥塞，用户被叫无法接通、短消息延迟等； Skype、QQ语音等新兴的VoIP业务挤占了电信运营商的移动电话语音通话收入，QQ、米聊、微信等通信软件提供了即时文本通信的服务，挤占了电信运营商的移动电话短信收入，只付给电信运营商相对低廉的流量费用，极大地分流了运营商的长话收入；还有P2P等低价值业务占用了网络过多的带宽，影响其他用户业务体验。反之，一些运营商自己开发的业务，如中国移动的飞信等则能够给运营商带来一些额外的收益。

1.4  运营模式分析

电路域业务为主的时代，电信运营商向用户提供完整的语音及短信业务，而不需要其他运营商介入。随着移动互联网的飞速发展，数据业务量激增，在数据业务时代运营商自营业务在整个用户的业务量中占的比例非常低，在大量的移动互联网业务中，电信运营商只提供网络资源，内容往往由第三方内容提供商（ICP）、智能手机资源提供商（如苹果等）来运营。现有的运营模式如图4所示，用户与电信运营商之间，依据接入带宽、使用流量等达成契约关系；依据提供的业务内容、使用量等同内容提供商达成契约关系。用户通过自由分享或向业务平台付费下载获得相关应用程序，通过向资源提供商付费获取相关视频、音频资源，电信网络在整个互联网生态系统中完全沦为了管道，仅提供连接通道的作用。

1.5  现网主要问题

从以上面3个方面的分析可以看出，目前运营商网络（管道）中主要存在两大问题。

a） 电信运营商增量不增收。一方面，网络流量激增，现有网络不能满足用户需求，运营商需要投入大量的成本升级、扩容现有网络，如电信新技术的开发，巨额的基础设施投资等，以满足用户日益增长的带宽需求；另一方面，流量增长给运营商带来的利润增长微乎其微，而现有的运营模式，导致运营商没有更多的利润增长点，互联网生态系统产生的回报却没有成比例地回馈到运营商手中，而是由业务及平台提供商获得。运营商的收入逐渐转移到提供通信服务的内容提供商上，运营商的业务量与收入之间的剪刀差日益扩大。

b） 网络负载不均衡。网络流量的激增，及网络设计的收敛比直接导致网络拥塞，但这种拥塞并不是时时存在的。现有的网络负载不均衡主要体现在5个方面。

（a） 业务不均衡：运营商自营业务占用资源较少，利润较高，互联网业务占用资源多，运营商分得利润少，部分业务（如P2P）过多占用网络带宽导致系统过载。

（b） 网络不均衡：2G、3G网络用户数较多，网络压力较大，而WLAN网络负载并不是很高。

（c） 时间不均衡：忙时业务量较高，网络出现过载情况，闲时网络负载较轻，网络得不到充分利用。

（d） 区域不均衡：部分区域，用户密集，业务量较高，出现网络过载，另外一些区域，网络负荷相对较轻，校园、企业等特定区域，网络负载各自呈现不同特征。

（e） 终端不均衡：智能终端数量增多，频繁的模式转换，大量的短时业务传输导致网络负荷急剧上升，给网络带来新的冲击和挑战，传统终端对网络的冲击较小。

2  管道智能化

针对上述问题，业内提出了智能管道的概念，但究竟什么才是智能管道？智能管道的核心是按照业务类型实现控制和计费、按照用户类别提供不同水平的网络服务。智能管道应当具备以下3个特征。

a） 流量清晰：网络运营商能够清晰地获取各种业务的流向，采取合理的方式加强运营商管控，能够按照运营商的需求进行流量疏导。

b） 负载均衡：网络运营商应当能够采用合理的手段，做到各类用户公平使用网络资源，同时保证网络运行效率，尽量做到在任何时刻都能充分利用网络资源。

c） 契约关系合理：改变现有计费方式，将整个互联网生态环境产生的利润在网络运营商与业务提供商之间合理分配，从而提高运营商收益。

具体来讲，管道智能化可以从多维感知和动态调控2个方面入手。

多维感知包括：感知用户，即感知用户所处的位置、用户正在使用的业务、用户签约的等级等等；感知网络，即感知网络类型、当前网络资源使用情况、网络是否拥塞、网络当中的设备故障信息等；感知业务，即感知用户当前使用的业务类型、业务对网络资源的需求情况、业务自己的位置特征，比如QQ等业务，校园区域使用量较大，而其他区域较少。

动态调控包括：定义优先级策略，即根据需求，结合用户、网络、业务多维度定义不同的优先级策略；动态资源调整，即根据优先级策略，动态调整用户所使用业务的QoS，根据不同的用户、时间、位置等信息调整业务的QoS；契约关系的改变，即根据优先级策略实现差异化的计费，根据不同的业务类型、用户类型采用不同的计费费率，以及流量、时长等不同的计费方式。

3  智能管道关键技术

3.1  业务感知技术

随着网络应用不断翻新，原有的普通报文检测已经不能满足现有业务感知的需要，深度包检测（DPI）技术是一种针对应用层的流量检测和控制技术。它能更精细地识别网络中的各种应用，并为网络运营中的业务识别、业务控制和业务统计服务。通过DPI，能够获取终端信息、识别用户，感知网络状态，区分不同的业务，DPI是实现智能管道的前提，可以与策略控制技术相结合，实现更加精细的网络管理。

DPI技术主要是分析IP报文中4~7层数据，并通过端口检测、特征分析、关联识别和行为特征检测等多种技术手段从实时网络流量中获取信息。DPI具体分析的信息包括：

a） 承载层（基于PDP上下文或APN，指对业务过滤规则有效的APN）。

b） IP协议的第三层（基于源IP地址、源IP地址掩码、目的IP地址和目的IP地址掩码）。

c） IP协议的第四层（基于协议类型（如TCP/UDP等）、源、目的端口号），在第四层协议中，应能支持控制面与承载面分离（承载平面由控制平面动态分配）的协议类型。

d） IP协议的应用层（第七层，例如基于应用的URL等）。

3.2  移动网策略控制技术

3GPP在R7版本中提出了PCC架构，用于实现3GPP无线分组网络业务数据传输QoS等策略和计费控制。基于PCC架构，可以实现基于用户等级、时间、区域、累计流量、使用时长、业务类型、带宽等各个维度的策略控制。PCC逻辑架构如图5所示。

PCRF负责根据AF、SPR和PCEF提供的信息制定并动态下发控制与计费策略给PCEF；PCEF负责对业务数据流进行检测，根据从PCRF获取策略，执行基于业务的控制与计费。其控制策略包括基于用户签约数据，为用户提供不同的QoS参数，实现区分用户的QoS策略控制。基于用户累积使用情况的策略控制，使运营商能够基于用户在一段时间的使用量限制用户的QoS。基于业务的策略控制：限制P2P等低附加值、大量侵占网络资源业务的最大带宽；提高企业应用、流媒体等高附加值业务的承载级别。 基于用户位置信息或接入类型的策略控制，按照用户所处位置、接入类型进行QoS控制，如对商务区和办公区提高某些用户的QoS、降低繁忙小区某些用户的QoS。基于时间信息的QoS策略控制，如网络忙闲时给与用户不同的网络资源。

3.3  固网策略控制技术

TISPAN、BBF、ITU分别制订了RACS、BPCF、RACF等策略控制体系，但只有RACS较为完善、成熟。究其原因，主要是因为目前固网大多是采用包带宽的方式进行销售，因此采用策略控制架构进行更精细化的运营管理，对业务带宽进行控制的需求并不强烈，缺少合适的应用场景，导致目前固网运营商部署积极性不高，相关策略控制架构的产品成熟较慢。固网策略控制的应用场景，目前主要可以归结为以下3种。

a） 流量管理：如包月流量，到达流量门限后，提示用户购买新的套餐包。

b） 业务类型管理：通过资源接纳控制技术，限制低价值业务带宽（如P2P）；对于高价值业务（如运营商自营业务），提供较高业务带宽；基于用户发起的请求，临时提高用户带宽。

c） 时长管理：包时长用户，限制用户带宽。

RACS的逻辑架构如图6所示。

3.4  固移融合统一策略控制技术

对于未来网络的架构，固移融合是业内普遍认为的未来网络发展方向。固定和移动融合网络统一策略控制平台的部署，可以产生很多全新的策略控制应用案例。例如，统一分配带宽配额；有效调度各种不同的网络资源，降低无线带宽瓶颈对于业务质量的影响；更全面地针对特殊网段和特殊应用，限制带宽消耗者获取带宽。目前各大标准组织都在积极开展相关研究探索工作，但相关标准及产品还很不成熟。3GPP从R10开始考虑移动和固定策略控制系统的统一，并与BBF成立联合工作组。现阶段，主要考虑固定和移动策略控制系统的互通,后续将考虑两者的融合。TISPAN认为可研究P-CSCF通过对接入网的识别来选择不同策略控制系统接口（Gq′或Rx），或者采用融合的Gq′/Rx接口实现对业务层的融合服务提供。

3.5  智能CDN技术

CDN（Content Delivery Network）是构建在数据网络上的一种分布式的内容分发网。 CDN 的作用是采用流媒体服务器集群技术，克服单机系统输出带宽及并发能力不足的缺点，可极大提升系统支持的并发流数目，减少或避免单点失效带来的不良影响。 CDN 利用全局负载均衡技术将用户的访问指向离用户最近的工作正常的流媒体服务器上，由流媒体服务器直接响应用户的请求，从技术上全面解决由于网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等原因造成的用户访问网站响应速度慢的问题。CDN代表了一种基于质量与秩序的网络服务模式。简单地说，内容发布网（CDN）是一个经策略性部署的整体系统，包括负载均衡技术就是将网络的流量尽可能均匀分配到几个能完成相同任务的服务器或网络节点上，由此来避免部分网络节点过载。这样既可以提高网络流量，又提高了网络的整体性能；动态内容分发与复制技术是将占网站主体的静态网页、图像和流媒体数据分发复制到各地的加速节点上解决网络的带宽瓶颈、传输阻塞和延迟、网站服务器的处理能力及访问距离等影响访问者与网站服务器之间响应速度而带来的用户感知问题；分布式缓存技术降低本地用户访问对互联网远端数据存取的压力。使得运营商通过智能CDN降低承载成本，对用户提供尽可能好的体验。

4  发展建议

通过上面的分析可以看出，发展智能管道主要可以从以下3个方面入手。

a） 改变现有契约关系，提高网络的利用率，提高网络收入。在电信运营商与用户的契约中附加业务类型、时间、位置等要素平衡网络资源，提高网络利用率，使在现有网络条件下承载更多的用户，提高网络收入。

b） 调节网络资源，平衡网络负载，提高用户感受。通过DPI获得用户及业务使用数据，分析网络资源占用情况，在忙时数据业务集中区域限制某些业务的使用，提高整体用户感受；通过CDN实现网络能力、存储能力、调度能力的协调统一，实现流量的精细化管理。

c） 关注网络发展情况，逐步实现统一策略控制。考虑到融合的策略控制相关标准不完善，产品不成熟，需要根据实际需求及技术发展情况，逐步实现统一策略控制。初期可以考虑融合用户管理、多账户关联、综合用量管理、统一策略定制等相关内容的融合。未来最终实现固定、移动网络资源统一调度，固网与移动网之间无缝切换，WLAN、HNB有效分流宏网络压力；同时进一步实现固定、移动统一业务体验，实现业务平台融合。

参考文献：

［1］  3GPP TS23.203 Policy and charging control architecture［EB/OL］. ［2011-12-12］. http://www.docin.com/p-105041653.html.

［2］  许立东，张悦. 如何让"管道"智能起来?［EB/OL］. ［2011-12-12］. http://wenku.baidu.com/view/1af81dd080eb6294dd886ce8.html.

［3］  智能——运营商转型之道［EB/OL］. ［2011-12-12］. http://www.c114.net/topic/2960.html.

［4］  赵明刚. 智能管道的商业价值剖析［EB/OL］. ［2011-12-12］. http://tech.sina.com.cn/t/2011-09-17/17426075805.shtml.

［5］  韦乐平. 漫谈智能管道的发展［EB/OL］. ［2011-12-12］.