IP电信网体系架构刍议

　　摘要　因为现实和演进等原因，电信网络IP化的趋势不可阻挡。IP技术最成功的应用就是Internet，但30多年来Internet已经从教育科研走向了商业化应用，再加上技术和社会进步，相关政策的调整等原因，其核心设计理念“端到端的透明性”面临着严峻挑战，已经成为很多问题(尤其是商业模式和安全问题)的根源。因此，构建IP电信网不应是简单地在现有的IP之上增加业务控制、QoS和安全机制等，而是要更新Internet的设计理念，从体系架构开始重新考虑。

　　关键词　Internet　体系架构　IP电信网　端到端的透明性

1、IP化的趋势不可阻挡

　　人们对于采用综合技术，将数据、语音和视频等业务“一网打尽”梦想的追求从来都没有停止过。从20世纪80年代的综合业务数字网(ISDN)技术，到90年代的基于异步传输模式(ATM)的宽带ISDN，直到现在的IP+MPLS(多协议标记交换)技术等。在这一过程中，虽然在技术选择上屡战屡败，但却屡败屡战，对融合目标的追求从来都没有动摇过。现在的问题不是要不要融合，而是采用什么样的技术和方式融合的问题。

　　在21世纪初，IP技术彻底击败ATM技术，成为业界普遍看好的下一代网络(NGN)的承载技术。但IP最初设计以尽力而为(best effort)的方式工作，用于教育和科研目的，因此面临着服务质量(QoS)、安全和商业应用等问题。虽然将IP技术“电信化”的工作已经进行了数年，但效果并不理想。比如在QoS方面，一直没有能够找到一种经济合理的解决方案：轻载方式成本过高，流量规划困难；InterServ/RSVP模型需要在网络中保留状态信息，扩展性不好；DiffServ模型无法严格保证QoS；流量工程技术过于复杂。

　　近年来，虽然IP技术在数据通信领域的应用范围继续扩大，但业界一些人开始对IP技术是否能够满足下一代网络所期望的“电信级”服务的要求产生了动摇。笔者以为：之所以选择IP，并非IP技术就比别的技术先进多少，而是诸多原因综合的结果：

　　·市场现实。勿庸置疑，数据业务是通信业务的发展方向。目前市场上几乎所有的数据业务(包括传感器网络、家庭网络、移动数据网等)已经或可以是基于IP的。现实已经证明：开发和部署基于IP的数据业务不仅是可行的，而且也是合理的。

　　·已有投入。目前已经存在一个支持IP业务的全球性的Internet；具有大量的使用和支持IP的用户、业务开发人员、运行维护人员；并且正在投入大量的人力、财力和物力完善IP技术，开发IP新业务和应用。

　　·业务与承载的分离。NGN主张业务与承载的分离，而IP早就这么做了。IP具有一套完善的、开放的、经过实践检验的用户编程接口(SOCKET)，新业务和应用的开发和部署独立于IP网络，这为业务和应用的创新提供了广阔的空间。浏览器、门户网站、搜索引擎、P2P应用等，无一不是IP开放性所带来的创新。

　　·实践已经证明IP承载语音(VoIP)等实时业务是可行的。VoIP网络的成功运营证明只要处理得当，IP技术足以保证语音业务的安全性和服务质量。虽然其它技术从原理上来说承载数据业务是可行的，但从来都没有得到过真正的验证。难以想象，如果再投入巨大的人力、物力和财力去尝试诸如WWW/E-mail/FTP/Telnet over ATM(或over PSTN，或over SDH/WDM)会是怎样的情形。

　　·良性循环。业界已基本停止了在时分复用(TDM)和ATM技术方面的研发，加大了在IP技术上的研发投入，同时由于ITU、ETSI等电信领域的国际组织在IP技术领域的介入，IP电信化的投入、研发和人才储备出现了良性循环的局面，而TDM和ATM所面临的局面则正好相反。

　　可以预见，随着IP技术的发展，宽带接入的普及，基于IP的新业务的不断涌现，业务运营模式的逐渐成熟，基于IP的数据业务不但会像现在这样成为运营商业务流量的主体，未来也必将会成为其业务收入的主体，改变现在所面临的这种IP业务量占绝对主体而语音业务的收入却占绝对主体的“尴尬”局面。

2、Internet架构核心：端到端的透明性

　　IP技术最成功的应用就是Internet。RFC3439等所描述的“端到端的透明性”是Internet少有的、一直坚持的体系架构的核心设计理念。所谓端到端的透明性，就是在TCP/IP的设计中，将Internet系统中与通信相关的部分(IP网络)与高层应用(端点)分离，最大限度地简化网络的设计。在有些文献中也称其为“沙漏”模型，如图1所示。

图1　Internet的“沙漏”模型

　　Internet“端到端透明性”原理的设计基础(假设)是：

　　·Internet最初是由具有共同爱好的技术专家设计开发的，他们之间相互信任。

　　·Internet是由科研团体或政府研究机构管理下的非商用网络。

　　这一理念后来随着Internet的发展得到了延伸，在其内涵中包含了开放性和可靠性等，被扩展为：TCP/IP协议设计中应尽可能地将状态信息维护在端点上，网络内部不维护与特定应用相关的任何状态信息，因为只有这样，才可能在网络中的某部分发生故障时不会中断通信，除非通信端点自身出现故障。根据这一扩展后的理念，出现了下面的大家熟知的推论：

　　·(无连接的)分组交换技术优于传统的电路交换网络，因为分组交换网络中不维护状态信息，因此只有通信终端发生故障时才会中断通信。

　　·业务与承载分离，IP网络中不保存与业务和应用相关的信息，终端智能化而网络傻瓜化。

3、IP技术面临严峻的挑战

　　但与设计IP时的30多年前相比，目前无论是IP所面临的技术环境、商业环境、社会环境还是政策环境，都发生了翻天覆地的变化。这些变化导致IP技术面临严峻挑战。

　　IP诞生时还没有个人计算机(PC)和局域网(LAN)的概念，光通信技术还没有走出实验室，商业上可用的跨国电路只有56kbit/s，IP只用于文本方式的通信，计算规模也不很大。另外，IP设计用于教育科研，根本没有商业化使用的考虑。政策层面，IP所面对是垄断政策下的电话通信，对IP没有任何政策要求(限制)。

　　但现在，通信速率已经是当时的100万倍以上，出现了多种无线通信方式，PC和嵌入式计算已经无处不在。其次，IP已经走向了商用，用户群和社会环境发生了很大的变化，相关的通信政策也已经由垄断走向了自由竞争。虽然IP以其顽强的生命力适应了很多变化和挑战，但在商用模型、QoS、安全和网络管理等方面却步履艰难，根本原因在于Internet“端到端的透明性”体系架构已经无法适应“商用化”和“用户群”的变化。

　　3.1　商用化

　　20世纪90年代出现的互联网服务运营商(ISP)，标志着Internet从教育科研走向了商业化应用。但在激烈的市场竞争环境下，端到端透明性所带来的开放架构的Internet让ISP能够提供的业务只能是“比特管道(bit pipe)”，而同时ISP又必须投入大量的人力、财力和物力在Internet上，这在经济学上是一个悖论，导致我们已经看到的前几年大量的ISP破产或被兼并，严重损害了竞争环境，也降低了ISP对Internet的投入。

　　这样发展下去的结果无非有两个：要么诸多ISP从自由竞争逐步演变成区域性的寡头垄断；要么ISP不只是提供“比特管道”服务，而是利用所谓的“中间体”(middlebox)技术对其IP网络进行控制，提供利润更高的、差异化的、用户可见的其它应用以增加收益，但这是以破坏Internet端到端的透明性的核心设计理念为代价的。

　　3.2　用户群的变化

　　对IP造成严峻挑战的另外一个重要变化是用户群。Internet最初是由具有共同爱好的彼此信任的技术专家设计开发的，并且是由科研团体或政府研究机构管理下的非商用网络。可以说Internet最初只是为了在一个关系密切的社区内多台电脑之间的相互通信设计的，因此Internet的用户彼此之间相互信任是其非常重要的一个设计假设。

　　如今随着Internet规模和用户数量的日益增加，Internet已经演变成了在一个开放的社区中任何人相互之间的通信方式。这个社区从地域上说是全球化的，不存在什么管制规则，用户彼此之间不再相互信任。另外，相互并不信任的用户之间的利益也不再是一致的了，而是可能存在冲突，如病毒与反病毒、保密与合法拦截、共享与版权保护等，但假设用户相互信任的Internet“端到端透明性”设计原则方便了安全攻击、病毒和其它有害信息的传播。最后，现在的Internet用户已经从原来的技术人员发展到不懂技术的普通用户，用户希望Internet终端像电话终端那么“傻”和容易使用，导致智能性被迫从终端向网络中迁移。

4、IP电信网体系架构：从叠加模型到集成模型

　　IP技术是目前最被看好的网络层技术，而以太网技术是目前最被看好的链路层技术，这里做一个简单的类比。

　　以太网最初设计用于局域网(LAN)范围内，以共享总线的单工模型工作，利用带冲突检测的多路访问控制机制(CSMA/CD)解决设备之间竞争总线的问题。经过30多年的发展，现在的以太网技术已经发生了翻天覆地的变化，不仅工作速率从10Mbit/s上升到了10Gbit/s，传输介质从有线走向了无线，从单工走向了全双工，从本地走向了城域网(MAN)和广域网(WAN)，而且增加了流量控制、优先级、VLAN和生成树协议等内容。经典的CSMA/CD技术已经被抛弃，取而代之的是交换式以太网。

　　虽然以太网技术从诞生之初到现在已经发生了这么多变化，而且还在发展变化中，但之所以仍然被称作“以太网”，是因为有两点一直没有改变：一是帧格式，二是MAC地址分配的惟一性。换言之，为了适应不同的工作环境和要求，适应承载电信业务的需要等，除了以太网帧的封装格式，其它的已经发生了非常大的改变，尤其是以太网的交换路由机制已经不复存在。

　　对比以太网的发展史，IP电信网可能的发展思路有三条：(1)继续沿用Internet的架构和已有IP技术，在现有架构和技术基础上，增加对QoS、安全和运营等的支持，最大限度地“IP化”；(2)只使用IP头格式和地址，只保留IP封装而抛弃其它与电信化关系不大的技术，最小限度地“IP化”；(3)进行取舍，将二者有机地结合起来。

　　传统电信网和Internet都取得了巨大的成功，但二者采用了不同的、甚至矛盾的设计理念。IP中的很多技术，或者是IP电信网所不希望的，或是没有必要的。但笔者以为，非常令人遗憾的是目前国内外对IP电信网的研究思路似乎都是在走第一条道路。将电信领域希望的一些功能要求简单地“叠加”到现有的IP和Internet架构上去，否定传统电信中一些仍然非常行之有效的技术，或者因为Internet存在的问题而一味否定IP技术的做法，并不科学。笔者将这种模式称为“叠加模型”。

　　而IP电信网应走第三条道路，即笔者所谓的“集成模型”。构建IP电信网不应该是简单地在现有的IP之上增加业务控制、QoS和安全机制等，而是要更新Internet的设计理念。现在要做的是改变思路，研究如何根据IP技术和传统电信技术各自的特点，根据商用的需要，从体系架构开始重新考虑，先对IP技术做“减法”，去掉不适合商用的东西，再做“加法”，增加必要的机制，将二者真正有机地紧密“集成”起来，而不是简单地“叠加”起来。

作者：何宝宏 来源：泰尔网