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关于新一代网络NGN关键技术问题的探讨

2/14/2005来源:电信网络人气:9095

中国联通 李晓明
  摘要:本文对NGN的若干问题进行了研究:描述了NGN的功能性能要求,提出了NGN的地域模型和功能模型;把当前一些热点技术放到NGN的网络体系中进行研究,重点指出这些技术在NGN中应用存在的不足及努力的方向;提出了一些新的问题和可能的解决方法。

关键词:NGN QoS 编址 MPLS

一、前言

  近来网络运营商、设备制造商和ITU、IETF以及众多披术论坛都在关注NGN(新一代网络),纷纷提出各自对NGN的设想,从不同角度描绘NGN。总结起来为大多数人接受的观点是:采用OTN(光传输网)或光网络解决传输和大带宽交换问题,采用ip技术承载各种业务实现三网(电信网、计算机网和CATV网)的融合,采用MPLS(多协议标记交换)实现IP层和链路层(ATM/FR、PPP、以太网,或SDH、光波)的结合,采用软交换技术实现端到端业务的交换,作者认为NGN所依靠的是一个网络体系的进步,它要满足现代社会对信息交流的各种需求。因此个别地讨论一个个的技术往往只见树木不见林,难以把全局的问题反映出来。本文试图宏观地、全景式地研究一下NGN。同时给出网络的地域模型和功能模型,目的便于讨论问题,在规划、研制NGN网络和设备时有一个较为全面的视角。

  简单地说,如果某种业务已经在现有网络上实现,在NGN上提供的这种通信业务的功能性能只能优于而不能低于现有网络上这种业务的功能性能;NGN应能提供人们感觉自然舒服的宽带多媒体新业务;NGN应能满足人与机器、机器与机器之间不同通信业务属性对通信的要求。

  NGN的网络模型分为地域模型和功能模型,地域模型是按地理区域表示的网络模型,而功能模型是按网络功能表示的网络模型。在地域模型中,把NGN分为骨干网、城域网、接入网和用户驻地网的4级模型。骨干网是连接城市与城市的网络,城域网是连接城市范围内的若干POP(业务汇接点)的网络,接入网解决最后一公里(从POP到大楼、小区、校园等)的接入,而用户地网是在大楼、小区、校园内的连接最终用户(端)的网络。

  在功能模型中把NGN分为传输层、路由交换层和业务层3层模型。传输层根据路由交换层指定的源和目的进行有QoS保证的信息的传送。路由交换层主要解决两大问题,一是端到端连接的O(N2)问题,另一个是多种信息类型通信问题。有路由交换,就有编址问题,因此组网设备和端设备的编址问题是NGN必须理清的重大问题。有路由交换,就意味着有网络资源要被共享,因此如何确保不同业务的端到端的质量(QoS),有效地管理和使用网络资源是NGN必须研究的重大问题。业务层是要处理各种业务的个性问题,提供各种增值业务、智能业务,为用户提供个性化的服务。在业务层应针对不同业务的属性进行适配性处理,引导路由交换层去调度网络资源来满足业务的需求。 二、传输

  光通信技术的进步是网络进步的最根本动力,它不仅仅解决了传输带宽问题,还带来了路由交换层的巨大变化,为业务层开创了一个崭新的平台,人们可以在这个平台上实现各种新的业务。

  近年来光通信技术的最主要进步表现在几个方面:

  ·大容量光传输系统。商用的单路波长SDH传输容量已达到10Gb/s乃至40Gb/s,正在开发的单路波长SDH传输容量将达160Gb/s、甚至320 Gb/s。密集波分复用(DWDM)在一对光纤上已经商用的传输、容量已达1.6Tb/s(160×10Gb/s),实验室开发的DWDM传输容量达到7.04Tb/s(176×40Gb/s)。电再生距离达到400~600km。长途干线光缆芯数达到288芯/缆,接入网光缆芯数达到864芯/缆。

  ·光网络。光网络是光传输资源从人工配置走向自动、智能配置的必然趋势。最主要的光器件包括波长控制器、动态增益平衡器、波长转换器、光交叉连接器等。其中光交叉连接器达到256×256,最新的记录达到1152×1152,有光器件构成的光交换设备,还需要驱动这些设备联网的动态路由协议和控制信令。人们把在数据网中获得成功的动态路由协议和控制信令应用到光网络中来,这就是用OSPF确定最佳路由,由MPLS建立最佳路由。光交换的带宽颗粒从155Mb/s到2.5Gb/s、10Gb/s乃至40Gb/s。

  ·光城域网。在城域网中光通信的突出进步就是经济型的DWDM应用(例如CWDM,粗波分复用器)和光波直驱的多业务传输设备的出现,如MSTP(多业务传输平台)、RPTR(弹性分组传输环)等。

  ·光接入网。由于接入网量大且成本十分敏感,光通信在这一领域显得力不从心。我们可以对大中型商业用户采用SDH、PON(无源光网络)接入,但光纤到桌面、光纤到户还是将来的事。

  从以上综述的光通信的进步,能够明确光通信技术在骨干网和城域网的传输中的完全主导地位。

  在NGN的传输层中,最突出的问题就是接入网和用户驻地网的传输技术选择问题。影响选择的因素主要有三个,第一是建设和运营成本,第二是多种业务综合接入,第三是QoS控制。光接入网和光用户驻地网,同轴电缆/HFC主要因为第一个因素难以决断。双绞线/xDSL中的VDSL已经达到下行13~52Mb/s,上行1.5~2.3Mb/s,只要成本降低到市场能接受的程度,线缆线对间的窜扰问题得到解决,它将是NGN未端接入的候选技术之一,固定无线接入在较低频段(例如3.5GHz)可提供的用户带宽不够,频率资源也有限,而LMDS既有建设成本过高的问题,又有易受自然环境影响的弱点。移动无线接入在2.5代还只能提供低速接入,而3G的2MB/s用户接入能力可以解决大多数移动数据业务的接入问题,但移动无线接入不适合做大带宽的始终在线接入。五类线/以太网成本较低,但它在多种业务综合接入、QoS控制和安全方面不足,难当重任。

  针对这些技术的不足,有关组织和厂商正在努力试图取得技术突破。例如光接入网主要由于光器件成本过高而不能商用,因此人们正在研制性能既稳定成本又低的适用于接入网的光器件;有的厂商正在研究在以太网帧结构中增加QoS控制字段,在以太网交换机中增加队列控制机制、网管功能和用户信息安全隔离功能来克服以太网作为NGN接入的不足。光网络还只是刚刚开始研究的技术,需要解决一系列的问题后才能商用。

三、编址

  编址是路由交换的基础,是组网的前提。目前全世界正在使用的编址体制ITU-T的E.164编号体制、IETF的Ipv4编址体制和IEEE的MAC编址体制,同时IETF正在研究Ipv6编址体制。

  E.164编号体制是电信网组网用的编址体制。它成功地应用于PSTN、ISDN、移动网(GSM、CDMA)、ATM/SVC、FR/SVC网络中。它是十进制的编号体制,长度可变。E.164的号码分配是一种政府行为,自上而下地进行:ITU-T为各国和地区分配国家和地区号码前缀,各国政府行业主管部门为各本地网和各运营商分配长途编号和网号,最后再由运营商为端用户分配号码。这种号码既是寻址的依据又是端设备的别名,用户直接拨叫对方编号就能寻址到对方。现在的IP电话采用的编址方式仍然是E.164编址方式,只是在通信的一些环节把E.164号码作为别名,将其转换成Ipv4的地址通过IP网中继,而在其它环节依然用E.164寻址。

  Ipv4是目前运行的因特网的编址体制。它是固定长度32位二进制编址。Ipv4地址的分配是一种民间组织行为,例如亚太地区的ISP要向APNIC(亚太网络信息中心)申请地址,基本上是采用先申请先审批的办法。由于因特网在各国各地区发展时间和规模上有差异,造成现在IP地址资源的分配严重不平衡,北美地区占掉大约3/4的IP地址资源,欧洲占掉约14%的IP地址资源,亚太占用不到10%的IP地址资源。今天人们在试图把电信网、CATV网上的业务搬到因特网上来的过程中,首先遇到的严重问题就是IP地址资源根本无法满足需求。有人提出采用动态地址分配或者NAT(网络地址转换)方法来缓解这一问题,但这样做将丧失许多业务要求端到端连接及无缝连接的基本原则。以电话为例,如果一部分电话没有固定IP地址,其他人要拨叫这部电话将不知道如何寻址,假如还用E.164作为别名为这部电话命名,通过类似DNS/DHCP方式为它动态分配IP地址,问题是各地IP地址池所要求的公共IP地址数量也是IPv4不能提供的。移动电话更要求每个手机必须固定配置公共IP地址,否则移动性无法保证。NAT方式不仅解决不了地址紧张的问题,还会成为处理瓶颈,造成业务质量下降。这就是目前IP电话无法在本地网内规模应用的重要原因之一。

  MAC地址是电子设备的以太网接口卡的链路层地址,固定长度6字节(48位)二进制编址体制。由制造电子设备的企业向IEEE申请,IEEE采用先申请先审批的方式,向企业分配表明厂商的前三字节,后三字节由厂商指定。每个联网电子设备的MAC地址是固定占有的。这种编址体制只是简单地给设备接口一个标识,并不考虑地址聚合,参与广域网组网的功能。

  正是Ipv4地址的匾乏,促使IETF开展了IPv6编址体制的研究。Ipv6是固定长度128位二进制编址体制。除了地址容量巨大以外,还充分考虑到了各种业务的需求,组网的要求。它的最主要的功能和特点有:

·分级结构化地址结构,分成了4级,TLA(顶级聚合)分配给骨干网提供商;NLA(次级聚合)分配给下一级网络提供商(例如城域网、下一级ISP);SLA(节点聚合)分配给下一级网络内的节点(例如接入网),最后是端用户地址。

·可保证QoS的流标签,在地址中就具有QoS的标志。

·内置安全功能。

·支持多点通信和广播通信。

·支持移动性。

·支持对信息家电的即插即用,直接把信息家电的MAC地址放到端用户地址部分。

  因此,Ipv6最有可能成为NGN的编址体制,但Ipv6必须解决包容Ipv4和E.164编址的问题,这既是技术问题,更是经济问题,关系到Ipv6能否被市场接受。当前研究Ipv6的组织和企业注意到了包容Ipv4的问题,但对包容E.164的问题没有引起重视。在Ipv6网络中要注意解决Ipv4网络由于聚合性差,使得BGP路由信息高达十几万条的弊端。Ipv6网络要特别重视解决QoS、移动性、安全性。

四、QoS

  通信服务质量是网络运营商的永恒主题,是在电信市场开放、竞争向更高层次发展的大环境下,网络运营商立于不败之地的基本保证。目前的PSTN/LDN对提供端到端的电话语音业务是服务质量有保证的网络。它们的特点是:端到端;用户自己发起呼叫,QoS参数是隐含在每次呼叫中的;带宽端到端并在通信的全过程中恒定保证,尽管是适合电话语音的窄带带宽;当通信的任何环节不能保证带宽,网络将拒绝该次呼叫(呼损);网络运营商只要控制到了市话终端局(远端模块是市话终端局的延伸)的用户端口,就能控制全程的QoS。

  我们也看到PSTN/ISDN的弱点:不能提供大带宽、可变带宽的业务;不适应数据业务的流量突发性;在通信过程中资源端到端独占,无统计复用功能;不能适应多媒体业务的通信要求。

  采用ATM/FR技术的B-ISDN是一种想克服PSTN/ISDN弱点的网络。ATM/FR的端到端连接的不同服务等级的虚电路(VC)使它成为一种有QoS保证的组网技术。然而当人们在制定了端到端的呼叫信令并实现具有这种信令的B-ISDN端设备,也就是ATM/SVC端诊备时,发现这是一种十分昂贵的设备,而且需要专业人员安装配置和维护,因此不能被市场接受。成为ATM到桌面这条路走不下去的主要原因。另外,B-ISDN的编址体制仍然是E.164,这对大量涌现的联网设备对地址的需求来说,显然是一个力不从心的编址体制。ATM/FR到桌面不行,但它的QoS保证,能够承载不同属性的多种业务的特点,是目前各种组网会术中最优秀的技术。因此仍然有运营商用ATM/FR技术组建网络,提供多业务传输交换,但主要是在骨干网、城域网和接入网范围,并且主要采用PVC方式,即由网络管理者配置虚电路的方式。

  近年来IP网络的高速发展主要得益于IP组网技术的可扩展性、接入灵活性和业务的包容性。但是我们要清醒地看到这是针对尽力而为的服务质量的网络。一旦我们要把实时业务(如话音业务、视频业务)、广播业务等放到这个IP网络上,问题就不这么简单了。为了解决IP网络的QoS问题,业界提出了各种方法,主要有两个方面,一是网络通信协议方面)二是设备(路由器、以太网交换机)的QoS处理方面。在网络通信协议方面最主要的QoS机制是:Diffserve、Interserve(RSVP)和MPLS;在设备的QoS处理机制方面,提出了各种处理方式,如WFQ(加权公平队列)、CBWFQ(基于类的加权公平队列)、CAR(承诺接入速率)、ACL(访问控制列表)等,以及以太网的802.1p/1q链路层QoS控制。

  网络通信协议的Diffserve是一种粗分类,利用IP包头的TOS字段的3比特,进行最多6级分类。Interserve(RSVP)是要一个一个地探索下一个路由器能否为某个流预留资源,只有当这个流所经过的所有的路由器都能预留资源时才能实现相应的QoS控制,显然这种方式在大网中成功的概率是小的,它不是一种组大网的技术。MPLS好象是一种众望所归的解决QoS问题的技术,但是它存在三大问题:

(1)如果它的下层(链路层)不能对每个LSP(标记交换通路)提供从MPLS云的入口到出口的网络资源,它的QoS保证也实现不了。

(2)MPLS只是在骨干网、城域网发挥作用,不是一种端到端的QoS机制。

(3)MPLS的LER(标记边缘路由器)要对每个业务(直至每个用户)根据IP包头的相关信息将不同QoS要求的IP数据流划分成不同的FEC(转发等效类),并打上相应的标记。这种划分需要网络管理人员做配置,工作量相当大,这对开展业务和创建新业务都是不利的、运行成本太大。

  以带宽换服务质量的轻载网络策略正在骨干网和城域网中获得越来越多的支持小但轻载是一个动态的相对的概念,而且是以增大传输成本为代价。作者认为完全没有QoS控制的网络,依然在QoS保证上没有把握。当然在骨干网和城域网只需要粗分类,再结合光通信的大带宽资源可能是比较好的保证QoS的方式。

  接入网和用户驻地网的Qos保证问题也许是最难掌握的,这是因为:

·即使到了NGN时代,接入网技术和用户驻地网技术的多样性依然会存在;

·具有QoS保证的接入网和用户驻地网设备的安装配置和维护;都需要专业人员;

·接入网和用户驻地网下一定在运营商的管理范围,端到端的QoS保证在管理上是个挑战;

·接入网和用户驻地网是成本最敏感的部分,如果开发具有QoS保证的设备成本昂贵,就会走到ATM到桌面的失败的路上去。

  和电路交换网(PSTN/ISDN)相比,分组交换网更要重视QoS问题,因为分组网在通信的各个环节几乎都是共享资源的。NGN要基于分组技术组网,QoS问题必须高度重视。

五、路由交换

  路由交换层起到承上启下的作用,对它的基本要求是:

·按业务层的要求把每个业务信息流从源端引导到目的端;

·按每种业务属性的要求调度网络资源确保业务的功能性能;

·实现多媒体业务对通信型态的特殊要求。

  路由器实现了第一个要求,但对第二个要求几乎无能为力,而对第三个要求尽管有多播(Muticast)功能,但尚未在大网上实现。ATM/FR交换比较好地实现了第一第二个要求,而对第三个要求基本上没有作为。

  MPLS的目标就是要把IP路由的灵活性、可扩展性与二层交换良好的QoS保证、流量管理结合起来。具有QoS保证、流量管理功能的二层交换技术目前就是ATM/FR技术。ATM/FR本身就采用标记交换机理(ATM有VPI/VCI,FR有DLCI),MPLS的标记可以容易地映射为ATM/FR的标记,MPLS标记中携带的QoS信息可以映射成ATM/FR的不同承载业务(ATM的CBR、VBR、ABR、UBR,FR的不同CIR)。PPP和以太网等原本不具有标记信息,必须在其帧结构中加上额外的封装带入MPLS标记,同时路由器和以太网交换机应增加带QoS功能的标记交换的能力,要实现这一点将是一件相当困难的事情。MPLS还将应用于光网络。

  MPLS是一种适合骨干网和城域网的交换技术。在国家,乃至全球范围组建NGN时,必然会遇到不同运营商网络互连互通,有两个问题应特别注意:

(1)不同运营商的网络甚至同一运营商网络的不同环节其MPLS所基于的下层交换技术可能不同,可能是ATM/FR、具有标记交换的PPP或以太网、或者是光波交换,这些下层交换技术的功能性能是不同的,如何有效地组建大网保证端到端的功能性能,需要认真研究。

(2)MPLS跨运营商网络,或者说跨AS(自治域)的技术还不成熟,组建APLS大网的技术基础还有待完善。

  正如第4章已讲到,MPLS不是端到端的交换技术,可以把它看作NNI情令标准。因此接入网和用户驻地网的路由交换或者有差别资源共享将是NGN的一大问题。

  业务层会有丰富多彩各种各样的业务,它们对路由交换层将有不同属性的要求,除了加强路由交换的能力来适应这种要求外,采用业务承载VPN(虚拟专网)也是很好的解决方法。

六、业务

  NGN的业务层是对网络运营商、ISP、ICP、asp和用户完全开放的,他们可以在NGN的业务层上创建业务。由于各种业务的特点不同,业务属性不同,在NGN的业务层需要解决这些个性化的问题。有两种解决问题的办法。

  第一是把业务的特点、属性映射成路由交换层的各种参数:如带宽、QoS、通信型态、路由限定、保护、安全等等,当然要把源和目的地址解析确定,交给路由交换层处理,完成业务通信。

  第二对于不能由路由交换层很好支持、覆盖面广、处理特殊的业务、网络安全性要求高的业务,通过组建业务网或者业务系统,利用路由交换层的业务承载VPN实现业务通信。

  目前因特网的业务可以通过第一种办法在NGN中实现。但高质量话音业务、视听多媒体业务等还要通过第二种办法来实现业务通信。等到有一天路由交换层能够很好地支持各种业务的不同业务属性,既能承载又能交换各种端到端的业务,同时网络的安全性得到充分保证时,我们就可以把各种业务放心地交给公共的路由交换层,由路由交换层来满足不同业务对网络的要求。

  业务网或者业务系统是市有端到端业务交换和业务的特殊处理功能的网络。VoIP业务网、会议电视业务网就是典型的业务网。H.323和软交换体系是业务网的体系结构,是NGN中业务层的技术体系。智能网也是NGN业务层的技术体系。

  对于H.323和软交换的关系,谈一些观点:

·经过不断修订升版的H.323,特别是H.323v4版本后,引入了H.248建议,H.323体系已经能够组建大的VoIP网,中国联通的VoIP大网就是实例。

·软交换的组大网的技术体系还不成熟,尤其是软交换的信令网还没有规范。

·作者认为软交换的最大好处是它的开放性,可以在软交换基础上,众多厂商来开发话音的各种增值业务和智能业务。

·软交换应用于智能型的SIP协议终端,才能更好地提供个性化的增值业务和智能业务,这种智能型的SIP协议终端需要大量的地址资源,只有到Ipv6时代才能满足。

·不论是H.323还是软交换,目前都没有解决好多媒体业务交换的问题。

·不论是H.323还是软交换都是把呼叫与承载分离的,其前提是假定承载网络能够完全满足业务网的网络质量要求,但是这个前提是否成立,这就是我们提出要构建可管理的承载网的原因。

  业务层是最活跃,最能发挥创造力,最能直接体现运营商竞争力的层面,也是NGN是否被市场接受的关键层面。因此对业务网的研究,对新的宽带多媒体业务的研究是运营商、设备商以及标准化组织责无旁贷的任务。

七、管理

  即使是NGN时代,资源也是有限的,服务也有差别,这是我们考虑问题的出发点,要使NGN有序有效地发挥作用,管理是十分重要的方面,NGN的管理有两个内容:网络资源的管理和用户的管理。

  相对于传统电信网络,NGN的网管有以下特点:

·由于NGN网络资源将大大丰富于现在的电信网网络资源,网络的功能层次减少,网络的智能更强,因此NGN的网络资源可以更加粗放地管理。

·在NGN中,网络的安全管理是特别突出的问题,网络资源的共享必然带来网络安全的脆弱,如何通过安全的管理弥补这一问题是NGN网管的重要课题之一。

·作者认为在NGN中端到端的QoS管理是新的管理课题,只把它作为性能管理的一部分是不够的,它应成为网管的第六大管理功能。

·四级网络和众多运营商网络的协调管理也是NGN的一个重大课题。

  用户的管理是NGN中的新问题。传统电信网管理到交换机的用户端口就可以对用户权限、QoS、用户业务、计费进行管理,这是因为从交换机用户端口到用户设备都是用户独享的。因特网通过AAA(授权(认证、计费)对共享资源的用户进行上网管理,但它在带宽、QoS、用户业务、业务网功能资源的占用(如使用MCU资源,功能服务器资源等)、安全等级等等的管理方面还是欠缺的。

  用户的管理要遵循一些原则:

·用户管理放在网络边缘;

·仍然依据资源占用情况决定用户付费,这是相当长时间内公平的、符合经济规律的做法;

·对各种业务要进行相应的授权、认证、计费,这将不同于目前只进行上网的授权、认证、计费;

·QoS、安来性、通信型态、特殊功能(如MCU的分屏,编码转换,速率适配,功能服务器资源占用)等将成为用户付费的主要依据,距离因素和时间因素在计费中的作用将减弱;

·用户始终在线可能是普遍的现象,因而用户的自律是维持网络健康运行的重要保证,对于不自律的用户应有管理措施加以限制。

忽视用户管理,或者用户管理功能不全是不能实现好的业务模式,从而达到好的赢利模式的关键因素之一。

八、结束语

  NGN的网络体系还包括如安全、计费、现有网络兼容和过渡等内容,这些内容都是NGN需要研究的课题。另外为了支持NGN,高性能低价格的集成电路技术需要有大的突破,信号处理算法和能力也会影响NGN的网络体系,希望本文对网络运营商、设备制造商和标准化组织有一定的参考价值,引起人们对NGN若干重大问题的深入认识和研究。

摘自《数据通信》2002.3