电信级IP承载网规划方法研究

摘要　IP化已经成为今后电信业务发展的必然趋势，IP网也成为NGN在承载层面实现网络融合的唯一选择。传统的IP网络由于其最初的设计理念，将很难满足电信业务的QoS、安全、可靠性和管控要求。通过对电信业务的需求分析，探讨了保证IP网QoS、高安全、高可靠性和可控可管的各项技术，并在此基础上给出电信级IP承载网的规划方法。

经过多年的讨论，IP网最终成为实现未来网络融合的基石和各种业务的统一网络层承载平台。但传统的IP网是一个强调自治，缺乏集中控制和管理的网络，其采用尽力而为的（best effort）的方式进行无差别包转发，对延迟、抖动和丢包率等影响IP包性能的指标也缺乏保障措施。传统的电信网络是一个有着完善网络管理系统，对网络的配置、性能、故障、安全和计费等进行全面管控，且能够严格保证业务质量的网络。而传统的IP网络不能满足电信业务的承载和运营需求，因此需要对传统IP网络进行改进，实现"电信网络IP化，IP网络电信化"。随着传统IP网络向着电信级IP承载网的演进，对IP网络的规划方法也将发生变化。

1、电信级IP承载网业务的差异性

随着IP网成为今后统一的业务承载平台。其承载的业务种类将日益繁多，涵盖了现在多个专业网络的业务，包括传统电信业务（如话音业务）、视频通话业务、流媒体业务（如视频点播和IPTV业务）、专线租用业务，传统的互联网业务（如Web浏览和文件下载）和非传统互联网业务（如基于P2P技术的各种业务）等等。这些业务之间存在着较大的差异，需要对这些差异性进行分析，从而可以选择合适IP承载技术。

1）不同业务对网络的性能要求各不相同。如语音业务和流媒体业务对时延和抖动要求较高，需要保证语音包传输过程中的顺序性，但可以容忍一定程度上的丢包率；专线业务对安全性要求较高；后台型数据业务对时延和抖动没有严格要求，但要求IP包的无误率为百分之百。

2）业务的流量模型存在很大的差异。话音（视频）业务的流量模型是比较有规律的，这主要源于两个方面的原因：话音（视频）业务的带宽需求是确定的，用户的话务模型是基本稳定和可预测的。但对于互联网业务而言，其流量模型的规律往往难以准确获得。这主要是因为互联网的业务是不断发展变化的，不断出现新的业务，这些新的互联网业务对带宽的需求是不确定的，其流量分布也是不同的（如文件下载，最初是从服务器下载，则其流量模式是以中心向外围扩散为特点的[1]，随着现在P2P（peer-to-peer）下载的日益流行，其流量模式是无中心，导致流量模型更加难以确定）。从业务的上下行流量上来看：语音（视频通信）是上下行对称的业务；流媒体、传统的互联网业务往往是以下行流量为主；P2P业务的上下行流量没有必然的规律。

3）业务的价值和业务对资源的消耗没有相关性。话音（视频通信）业务和专线出租业务能够给运营商带来很高的收入回报，但其消耗的带宽往往只占总带宽的5%-10%。基于IP网络的VoIP、及时通信对电信运营商的主营业务形成了替代性威胁，分流了大量的业务收入，这类业务消耗了资源，而且对运营商带来了损失。

基于P2P技术的各类业务降低对服务器端的带宽和性能要求，而加大对网络带宽的需求，消耗了大量的带宽资源（目前P2P应用占总流量的50%～90%）；但对于运营商而言，如果不考虑接入费用，使用这些业务是免费的。同时现有的IP网络基于传统的互联网流量模型建设，P2P流量模型的变化使得传统IP网络面临着流量和网络资源的不匹配。一个收益和回报不匹配的网络，从产业链健康发展的角度而言不具备可持续发展能力。

2、电信级IP承载网保证措施

目前，以IETF为代表的各类国际标准化组织和企业（包括设备制造商和运营商）进行了大量的技术研究工作，希望通过对传统IP网络进行改进，从而使得IP网能够担当起电信级业务承载网的重任。这些研究工作主要围绕传统IP网和电信网络之间的性能差别，从QoS（服务质量）、安全性、可靠性和IP网络的可控可管等方面进行了探索和研究。

2.1　QoS保证措施

QoS的评价主体应该是使用业务的最终用户[2]。影响最终用户业务使用体验的因素包括从物理层、链路层、网络层一直到应用层、表现层。ITU-T和ISO在定义QoS时，对QoS所涉及的范围均不仅仅局限于IP层。由于本文讨论的主要是IP网络，故文中QoS所指是IP层的QoS，其主要性能描述参数包括丢包率、吞吐量、时延、抖动等指标，这些性能参数所约束的行为主体是IP包。

保证业务QoS的方法有多种，包括：过量资源配置，资源预留和业务区分。为保证IP QoS，IETF提出了区分服务（DiffServ）和集成服务（IntServ）模型，同时随着MPLS技术的不断完善，出现了基于MPLS（多协议标记交换）的QoS保证方案[3]。

2.1.1　过量资源配置

充足的资源保证使得IP承载网是轻载网络。试验表明，IP网络在轻载的情况下（峰值带宽利用率在50%以下），一般可以满足电信业务QoS要求。但由于IP网络上承载的业务（特别是一些互联网业务）其可控可管的能力较差，同时由于病毒和黑客攻击等原因，容易在短时间内产生很大的流量冲击，导致网络负荷加大，此时IP包的QoS性能将大大下降，完全不满足电信业务的承载要求。故仅仅采用过量资源来保证QoS存在较大的风险，在实际应用中需要和其他QoS保证技术配合使用。

2.1.2　资源预留

资源预留的基本思想是在传送业务流之前，根据业务的服务质量需求进行网络资源预留（包括带宽、CPU处理时间片和队列），从而为该数据流提供端到端的服务质量保证。资源预留是一种传统电信业务实现思路，理论上可以严格保证业务的QoS。

IETF提出的集成服务（IntServ）模型采用了资源预留技术，采用面向流的资源预留协议（RSVP），在流传输路径上的每个节点为流预留并维护资源。其主要缺点是由于RSVP信令需要为每一个业务流进行端到端的信令建立，同时为了维持链路状态还需要大量的定期刷新信息，占用大量带宽资源和路由器的CPU处理能力，扩展性差，难以在大型IP网络中实施。

2.1.3　业务区分

区分服务的基本思想是通过对不同的业务流（包）按照服务质量要求进行标识，划分不同等级，从而使得不同的业务流（包）能够在网络节点上获得区别对待：语音等电信级业务具有最高的服务等级；普通用户互联网业务的服务等级最低。当网络出现拥塞时，服务等级高的业务流比级别低的业务流有更加优先的转发权，从可以有效改善电信业务流的QoS性能。

IETF提出的区分服务（DiffServ）模型通过DSCP（DiffServ CodePoint）字段（6 bit）来标识业务，理论上可最多支持64种业务分类[4]。业务的标识一般在网络接入边缘完成，网络核心节点（路由器）通过DSCP匹配相应的PHB（每跳行为）来进行包的策略转发，PHB主要依靠各种复杂排队机制来实现。由于区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息数量少，同时不需要维持庞大的链路状态信息，其扩展性要比集成服务模型好。但区分服务模型只是改善了业务流流经的业务节点对IP包的处理，缺乏全局的信令机制以协调节点之间的信息传递与控制，因而其对业务QoS的保证也是相对的和局部的。

2.1.4　基于MPLS技术的QoS解决方案

MPLS是一种介于第二层和第三层的包转发技术，引入了基于标签的机制，把路由选择和IP包转发分开，由标签来规定一个IP分组通过网络的路径。MPLS网络由核心标签交换路由器（LSR）、标签边缘路由器（LER）组成。MPLS的报文头中包含一个3bit的EXP字段，通过该字段可以标记该MPLS报文的优先级，从而使设备在转发该MPLS报文时能根据优先级标志进行区别对待。MPLS技术是一个良好的基础平台，被认为是构建电信级IP承载网的关键技术之一。在此基础上又衍生出了MPLS VPN技术、MPLS/DiffServ技术和MPLS TE（流量工程）技术等。

基于MPLS TE通过将MPLS技术、RSVP技术和约束路由技术相结合，也可以提高业务的QoS性能。通过RSVP-TE信令可以创建一条具有严格的资源保证的LSP（标记交换路径），从而严格保证业务QoS。同时，通过MPLS FRR（快速重路由）可以实现链路的快速故障倒换，从而提高网络的QoS性能。

2.2　安全保证措施

从网络层面来看，解决电信业务安全问题的一个根本方法就是将电信业务和非电信业务进行隔离。根据具体实现方式的不同，隔离又可以分为物理隔离和逻辑隔离。所谓物理隔离也就是专网专用，通过构建电信业务的专用承载网络来确保电信业务安全。逻辑隔离主要通过VPN（虚拟专用网）的方式，在公用网络上划分出电信业务的专用通道，其他业务不能渗透到这些专业通道上，从而实现业务安全。从管理难度和复杂性来看，物理隔离无疑具有管理难度较小和复杂性较低的特点。但从节省网络建设投资的角度和未来的发展趋势来看，统一的IP承载网则是一个更好的选择。

目前，运营商主要采用物理隔离来建设电信业务的IP承载网，这主要考虑到现有的IP网络在网络规划设计、设备功能等方面没有进行过多的QoS、安全性和高可靠性考虑，如果对其升级改造则成本巨大，甚至高于新建一张IP网，且不能完全满足业务要求。在这样的背景下，选择物理隔离就成为一个自然的选择。同时，逻辑隔离也存在一些安全隐患，由于电信业务和互联网业务均通过相同的网络（路由器）进行包转发，如果攻击导致路由器瘫痪，则无论是电信业务还是其他所有途经其上的业务均将中断。

必须指出的是无论物理隔离还是逻辑隔离只能将潜在的威胁降低到相对较低的水平，是一种主动防范措施，还需要对应用系统、网络网元（包括路由器，交换机，宽带接入服务器等）和用户终端的安全进行全面考虑，从而将安全风险控制在可控的水平上。

2.3　高可靠性保证措施

传统电信级业务要求99.999%的可靠性，但目前IP网的可靠性一般只能达到99.9%，还存在一定的差距。传统IP网络的故障自我恢复能力是比较强的，当发生链路或节点故障时，依靠路由协议的重新收敛，只要存在连通的物理链路，理论上目的地址就可达。但依靠传统路由协议的收敛来实现故障恢复，其所需时间较长（根据故障检测方法、网络规模、路由协议的不同，故障恢复时间有所不同，一般为秒级或10秒级），不能满足电信业务要求。需要提高IP网络的可靠性，减少IP网络的故障率。

为了提高IP网可靠性，可以从网络结构设计、链路保护技术和节点冗余技术来采取相应的措施。

1）采用双平面架构来提高网络可靠性。采用类似于七号信令的网络架构设计思路，分别设置两个IP平面，业务设备同时接入两个IP平面，当一个平面出现某种故障，对业务产生影响时，可以快速切换到另一个平面，从而提高业务的可靠性。从工作方式上来看，双平面架构可以采用负荷分担方式工作，也可以采用主备方式工作。

2）采用MPLS FRR（快速重路由）技术来实现链路的快速保护机制[5]。目前传输网能够实现50ms以内的故障倒换，故电信级IP承载网的链路故障倒换时间也应该控制在类似水平。MPLS FRR通过对主用LSP建立备用LSP，当链路、节点和LSP出现故障时，通过主备用LSP之间的切换实现对LSP的保护，其切换时间理论上小于50 ms。能否保证主备用LSP在50 ms内进行切换，主要取决于底层故障检测是否及时。为了改善FRR的故障检测效率，目前又提出了所谓FRR增强形式，故障检测依赖于物理层检测，从而提高响应速度，同时LSP在经过的路由器上指定备份接口，并形成备用LSP，当故障发生时可以快速检测并进行LSP切换。

3）提高路由器可靠性。一方面可以对路由器在框架系统设计、元器件可靠性、备份电源风扇等方面不断进行改善，降低故障率和缩短故障修复时间。同时也可以从路由器的工作机制来提高路由器在业务转发时的可靠性，如平稳重启技术和不间断路由技术。平稳重启（graceful restart）技术在路由器发生故障（如软件升级、软件缺陷或硬件故障）导致控制平面发生重启过程中，继续保持转发数据表，从而可以维持现有业务流的转发。当控制平面恢复之后，依赖邻居路由器刷新路由表。不间断路由（NSR）技术通过路由器冗余配置主用板和备用板，主用板定期将路由信息和状态信息备份到备用板，当主用板故障后，路由器倒换到备用板，备用板根据备份信息继续进行包转发。

2.4　网络管理能力

为了保证承载在IP网络上的业务QoS。高安全和高可靠性，必然要求加强对IP网络的管理能力建设。电信网络一直强调严格和高度的网络管理，通过网络管理可以对网络的性能、故障、配置、安全和业务计费进行有效控制，从而对电信业务的运营起到支撑和保障作用。传统的IP网络是一个自治网络，相对而言其网络管理能力是比较弱的。现有的IP网络管理系统主要通过SNMP、ICMP等协议，实现网络拓扑发现、设备性能监测、链路状态监视、异常接入发现、异常告警等网络管理功能。但这些功能对于电信级IP承载网的需求还存在较大差距。ITU-U已经提出了可管理的IP网络框架（MAN-NGN），它是基于服务等级协议（SLA）的可管理的IP网络，SLA是运营商与用户之间的业务协定，SLA运营商规定了提供的服务质量标准，并设定相关的性能指标。保证电信业务的QoS，需要有一个端到端的、统一的QoS管理平台。现有的IP网络管理系统往往只能实现对网元的QoS管理，缺少全网的QoS管理结构和应用方案。目前，有的厂商提出通过在网络中部署策略服务器来达到整个网络中所有设备QoS策略的统一管理，但还没有得到广泛的认可。关于电信级IP承载网的网络管理系统研究还有待进一步深入。

3、电信级IP承载网的规划流程

一般而言，描述（确定）一个网络规划方案从逻辑上可以通过点、线、面来描述。所谓点就是网元（包括设备数量和配置），所谓线就是网元之间的互联方式（包括单联、双联和多联），所谓面就是网络的拓扑结构（包括网状、环状、星型等）。如果能够确定一个网络方案的点、线、面，那么大部分网络规划的工作就完成了。

电信级IP承载网的规划一般可以分为如下几步（注：本文中假设新建一张IP承载网，且承载包括电信业务在内的多种业务）。

3.1　用户数和业务话务模型确认

通过用户数和业务模型可以大致计算出总的业务量T。

T=N×（M1+M2+…Mn）

其中，N为用户数，Mn为业务n的话务模型。用户数一般通过预测获得，对于国家IP承载网规划，用户数以省为单位进行预测；对于省内长途网，用户数以本地网为单位进行预测；对于城域网，用户数可以按照数据用户的接入片区进行预测。

业务的话务模型，对于电信级业务（如语音通信、视频通信和流媒体业务），其业务的平均带宽是可预知的，其业务使用模式也往往遵循一定的规律，故这类业务的话务模型能够相对比较准确的获得。对于非电信业务。如Web浏览其流量模型也是有其使用规律，如Paxson的网络流量模型等。目前，对业务流量模型预测准确性影响最大的是P2P业务。P2P技术改变了传统Internet以大网站为中心的流量分布，其流量大都分布在客户终端之间。同时，P2P业务（特别是P2P下载）是一种黑洞业务，其带宽不可控，可以无限制地耗尽所有的可用带宽。对P2P进行带宽限制或差异化的流量计费是改变P2P业务带宽消耗和付出—收益代价失衡的基本措施，这同时也可以作为用户P2P流量模型的依据。

3.2　业务流量的流向分析

在获得某个区域总的IP业务流量之后。就需要对业务流量的分布进行研究，确定本地业务流量、出本地业务流量、出省业务流量和出国业务流量的比例。

在引入电信级业务之后。语音业务的流量流向可以参考现有交换网的本地长途比例进行确认。对于IPTV和视频点播等持续高带宽的视频业务，考虑到对骨干IP网的压力以及服务质量等因素，运营商往往通过在本地设置媒体源，从而将这类业务流量主要限制在本地网内，故这类业务流量的本地比例将大于非本地比例。

传统IP网在分析业务流量流向时，对于本地和非本地流量的比例可以结合现网流量的统计分析数据，并对未来业务流量流向进行预测后，调整后获得；对于非本地流量的分布，可以采用重力法进行预测，也可以采用流量分析软件对现网流量分析后获得。P2P其业务流量分布需要通过一些流量检测软件进行分析，并不断进行调整，从而可以基本确定P2P业务的流量流向分布。为了使得P2P业务可管理，未来P2P业务也希望能够选择本地的对等实体进行流量交换，从而其流量压力将主要集中在本地范围。

结合3.1节所获得的业务量，以及流量流向的分布，就可以计算出各个区域之间的流量流向分布矩阵（如省际之间的流量流向矩阵、本地网之间的流量流向矩阵等）。

3.3　不同业务的资源（带宽）预留

在传统IP网络规划中，为了保证一定的业务质量，主要通过过量的资源预留来实现。如要求带宽配置按照忙时峰值流量的120%-150%进行配置等。

为了保证电信级业务的QoS要求，轻载网络是一个有效的解决办法，并要求预留更多的资源，如按照所需总带宽的200%进行带宽配置。同时，为了避免非电信业务的流量突发对电信业务的影响。可以进一步采用MPLS RSVP TE技术，为电信业务预留单独的、有带宽保证的LSP，则对于不同的业务可以进行不同比例的带宽预留。如对于电信级业务可以考虑300%-400%的过带宽预留；对于流媒体业务可以考虑200%-300%的带宽预留。

根据不同业务的带宽预留比例对3.2节获得的流量流向矩阵进行调整，获得考虑资源预留后的流量流向矩阵。

3.4　IP承载网网络物理结构的确定

网络物理结构的确定需要结合工程投资规模、传输资源、用户分布、信息源分布等诸多约束因素，通过多方案比较来从中优选出最佳方案。从IP网络的发展趋势来看，IP网络的结构深度不宜过深，是一个扁平化的网络，一般可分为核心层、汇聚层和接入层。其中核心层一般可以选择网状或不完全网状结构；汇聚层内部可以采用网状或不完全网络结构，其上联核心层可以采用单星型或双星型结构；接入层上联汇聚层一般采用双星型结构。同时，为了提高网络的可靠性，可以在核心层和汇聚层构建双平面架构。

3.5　业务流量向物理网络的映射

3.3节所得到的流量流向矩阵是一个逻辑上全连接的流量流向矩阵（各省或各本地网的流量流向矩阵），实际的物理网络一般不是一个全网状的网络结构。这就存在一个逻辑上的流量流向矩阵向物理网络结构的映射过程。对于比较简单的网络拓扑结构（如星型结构）可以通过手工计算方式，实现这样映射过程；对于比较复杂的网络拓扑结构（如网状，不完全网状）则需要借助相应的流量仿真软件，并对路由协议进行配置后进行流量映射。

3.6　中继带宽和节点配置

根据3.5节获得基于物理网络的流量流向矩阵之后，就可以进行带宽配置（如省际中继可以考虑40 Gbit/s或10 Gbit/s；省内中继可以考虑40 Gbit/s、10 Gbit/s或2.5 Gbit/s）和节点配置（如路由器包交换能力和接口板块配置等）。在进行带宽和节点配置时需要充分考虑到今后一段时间内的发展趋势。保证网络具备良好可扩展能力。

同时一些支撑和辅助网络设施也需要同步考虑，如统一的业务和网络管理平台，安全系统和安全管理中心，路由反射器（RR）和电源空调等各种配套设施。需要指出的是，IP路由协议的配置对网络的规划也有很大影响，良好的路由配置可以优化流量的合理分布，减少包转发跳数，方便运行维护。

4、结论

目前，实现各类业务的统一IP承载还没有完全具备条件，这一方面是由于虽然有了多种多样的技术来改善QoS、可靠性和安全性，但这些技术还都存在某种不足或存在较大的实施难度，导致IP网络实现电信级业务承载还存在一定的差距；同时从建设运营策略上来看，目前建设统一IP承载网并不能带来很大的收益，反而存在较大的风险，故运营商并不热衷于建设统一的IP承载网。但随着网络融合的不断推进，统一的基于IP的业务承载平台是一个必然的发展趋势。随着技术的不断完善和业务进一步深度融合的发展需求，电信级IP承载网将成为未来各种业务在网络层的统一平台。

参考文献：

[1]　程光，龚俭，丁伟.大规模互联网活动IP流分布研究[J].计算机科学，2003,30（4）：43-46.

[2]　糜正琨，徐名海.IP网络QoS模型及实现技术[J].中兴通讯技术.2003,（增刊1）：40-43.

[3]　赵慧玲，杨明川.IP QoS标准进展[J].中兴通讯技术，2003,（增刊1）：13-16.

[4]　BLAKE S，BLACK D，CARLSON M，et.al.An architecture for differentiated services[EB/OL].http：//www.ietf.org/rfe/rfe2475.txt.1998-12.

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