全IP下一代网络体系结构研究

摘要 下一代固定和移动电话网体系结构将建立在全IP的基础上，从某种意义上说，它将是一种可编程的、基于IP的网络，这必然要求下一代网络为应用开发提供强大的、方便的、定义明确的API。文章首先介绍了全IP下一代网络的API体系结构，描述了系统构件智能化程度的演变趋势，给出了下一代网络的分层结构与功能结构。

1、引言

人们逐渐认识到，下一代固定和移动电话网体系结构将建立在IP的基础上。提出全IP网络[1-3]的首要动机是由于目前它是支持绝大多数创新性和赢利业务的最佳体系结构选择。提出全IP网络的第二个原因是基本IP在技术上相对比较简单，IP本身具有统一提取功能，能够隐藏和分担协议栈的复杂性，并使得IP网络的应用开发变得容易。这将导致大量Internet应用的快速开发和部署，其中的一些应用（如E-mail、短消息、内容分发）可以直接与PSTN网络目前或潜在的市场进行竞争。提出全IP网络的第二个原因是随着新型Internet应用的出现，电信网络必须与Internet进行有效集成，要么允许用户通过网络接入Internet应用，要么允许与Internet应用在某些方面进行互操作，基于IP的下一代网络体系结构的应用能够使得这种集成更为简单。

2、下一代网络的API体系结构

在某种意义上，下一代网络必须是一种可编程的、基于IP的网络，这必然要求XG为应用开发提供强大的、方便的、定义明确的API。对于一些业务提供商来说，API思想本身并非仅仅是一个基本概念。目前，公共API是指所有第三方都可用的API，它包括标准的、开放的API子集。另一方面，专用API是指由某个公司控制、仅仅在公司内部或合作伙伴内部可用的API。图1给出了下一代网络API体系结构的一种高级分类方法。

图1　由分层API定义的下一代网络体系结构

从历史的角度来看，电信网络是由一个复杂的、智能的核心网和简单的终端组成。核心网高度集成，能够满足严格的性能和可靠性要求；终端设备可由市场大量提供，并提供固定的、易于使用的用户接口。这与Internet形成鲜明对比，Internet主要考虑通过相对简单的核心路由器使得非常复杂终端设备进行互连，导致了系统总体在性能和可靠性方面有所下降。这种智能核心网和简单核心网之间的折衷已经引起广泛关注，成为体系结构中的关键决策。

图2描述了系统构件的智能演进情况。过去10年中，核心网中交换和路由功能实体的智能化程度在降低，20世纪70年代通用信道信令（CCS）的引入，智能网（IN）体系结构的出现更是加剧了这种趋势。在智能网体系结构中，电信交换机的业务逻辑被去除，并将其移到分布式数据库中。

事实上，SS7和IN体系结构标志着控制层的出现，控制层变得越来越成熟，且越来越趋于分布式。20世纪90年代的下一代网络（NGN）设计，可能称为分组话音（VoP）更为合适一些，它使用分组传输网络（通常是ATM而不是IP网络），该网络是由负责所有呼叫处理的高层呼叫代理（或软交换）控制的。呼叫代理也为外部应用服务器提供业务逻辑和接口。更新的体系结构要求直接使用Internet协议（如SIP协议和移动IP协议），将功能配置在分布式服务器（如本地代理和寄存器）上。

图2　系统构件智能化程度的演变趋势

另一方面，在IP网络中，叠加网络的使用正在稳步增长，它可以作为配置和使用核心路由器功能的一项可选方案。主要由于以下因素决定的：新协议的标准化进程滞后；核心要素（路由器）复杂性不断提高，且缺乏开放性；边缘网络计算具有很好的经济性。有趣的是，这些都是传统电信网络存在的缺点。同样，移动终端和无线接入网（RAN）的智能化程度不断提高，与基站和基站控制器相对集中设计相比，控制功能实体逐步实现分布化。下一代网络体系结构顺应这些历史性的发展趋势。

3、下一代网络的分层结构

全IP下一代网络的分层结构如图3所示。它包括叠加层、控制层、核心层和接入层。下一代网络体系结构包括一个核心IP网络，该网络的智能化程度极低。因此，大部分核心网络功能（如路由）是由现有的和即将出现的IP技术来完成的。在核心网络之上是高级控制层，它无法提供路由和呼叫路径建立功能，高级控制层将这些功能转移到了核心网络。高级控制层主要关注那些能够为应用和叠加网络要素所用的功能，如接入AAA的决策点、移动性管理代理、策略管理的作用与规则等。控制层和核心网络之间的疏耦合意味着高级控制层通常不参与分组转发和处理的快速路径建立过程。核心网下面是接入网络集合，这些网络用于满足不同的市场机会和需求。4G RAN是目前的无线接入网（RAN）向更高数据速率进化的产物，支持互操作业务、多媒体业务以及通过IP网络互连的分布式控制要素。由于实时限制条件在该层非常关键，因而在核心网络和接入网络之间需要相对严格的协调和耦合。核心网络也为专门网络提供支持业务和连接，如由下一代网络运营商运营的企业网、多跳/Ad Hoc网或对等网络等。这些专门的网络可能需要本地控制，尤其是对于关键特征（如AAA）的控制。在某些区域中提供匿名性服务，同时又保证服务质量（QoS）和可靠性，是目前需要重点研究的问题。

图3 下一代网络分层结构示意图

下一代网络体系结构具有一个叠加层，提供高层功能并为应用提供业务，如应用层组播（ALM）、位置业务和内容分发业务。叠加层可以分为两个等级，靠近核心网络的低等级功能（如ALM）和高等级功能（如位置业务）。

4、下一代网络的功能结构

图4给出了下一代网络的功能结构。若对水平方向4个抽象层及其功能进行细分，功能可分成多个垂直集合，每个集合被称之为"面"，包括跨越所有层或跨越数层的关键能力。这些面是安全、QoS/资源控制和其他类似功能（如传输、移动性、组网和业务控制等）。需要注意的是，图4只给出了系统的一个平面。独立的平行面包括运行、管理和维护面以及用户设备面。每个平面和每层与其他面都相互独立，从而形成一个面向对象的网络体系结构，这种结构易于维护和升级。

低层（L1、L2和L2.5）是接入网络层，主要提供物理和媒体接入控制（MAC）级连接、必要的接入控制、广域移动性和具有QoS保证的交换能力。低层中最高的是基于IP的接入网络，它提供IP连接性、必要的接入控制、集成的QoS管理、地址分配、使用快速移动IP协议的子网间切换能力。这两层灵活性较大，且以不同的组合方式进行混合，组合方式主要取决于接入网络技术和网络某一部分的特定拓扑需求。

图4　下一代网络的功能结构

核心网络层由纯IP区分核心网络组成，这些网络通常提供原始带宽用于连接网络的不同部分。它还包括用于连接外部网络（如Internet）的网关，并使用必要的预防措施来防止来自外部网络的拒绝服务攻击（DoS）。

协助其他层完成其任务和使命的网络业务称为支持业务。支持业务可分为两个等级。1级支持业务大多与网络的传输功能有关；2级支持业务为终端业务正常工作提供必要的功能。1级业务包括网络级AAA业务、漫游业务、宏移动性管理业务和QoS执行功能，QoS执行功能主要用于对网络的不同部分进行配置以提供符合网络策略和用户配置文件的服务质量。

2级支持业务提供了便于终端业务开展的丰富的业务集合，包括允许应用发现业务并与之进行交互以提供更多高级组合业务的业务注册。该层为终端业务提供应用层AAA服务、便于应用和内容分发及其他优化业务开展的叠加网络、证书业务和一系列网关，这些网关能够提供与传统网络业务（如3G网络中的话音、视频业务和与PSTN的组网业务）业务级集成。

图5　全IP下一代网络体系结构的一个实例

图3和图4中所示的总体结构和功能结构还有许多可能的实体可举。图5给出了以物理网络和业务要素作为实例的体系结构视图。需要注意的是，IP在所有层（包括无线接入网和业务层）中用作基本传输机制，通常假定连接基于IP的下一代网络和传统网络（甚至与Internet连接）时使用了正确的网关和防火墙。同时，功能互连或物理互连可能是跨层的（如从终端用户业务到核心网络），这种跨层连接便于通过跨层API来实现跨层改进。

5、结论

目前，如IP电视这类大量消耗带宽服务将需要新的IP基础结构来支持。运营商也希望通过将所有服务转向IP网络来降低运营成本。全IP体系结构是开发创新性和赢利性业务的最好选择。下一代网络能使运营商在新网络基础上调用服务平台和IP多媒体子系统，同时整合各种运营业务，并且能更快地推出各种新服务。总的来看，全球网络运营商将缓慢地开始推进全IP下一代网络。对固定线路网络而言，转向基于IP的基础结构是宽带服务的自然演进，包括IP电话，它们将取代目前的电话网。移动网则将以较慢的速度同时转向IP结构，但是标准化工作将加快速度。

1　郎为民.下一代网络技术原理与应用.北京：机械工业出版社，2006

2　郎为民.下一代移动通信系统：3G/B3G.北京：机械工业出版社，2007

3　郎为民．3G CDMA网络中的全IP技术.北京：机械工业出版社，2007

来源：中国联通网站