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下一代網(wǎng)絡(luò)面臨挑戰(zhàn)

中國工程院副院長 鄔賀銓 2004/07/27

電信業(yè)務(wù)、環(huán)境發(fā)生變化

　　在電話發(fā)明將近百年之后，移動通信和Internet帶動電信業(yè)持續(xù)二十年的輝煌，但在世紀之交，網(wǎng)絡(luò)泡沫的破滅將電信業(yè)拖入低迷時期。最近隨著世界經(jīng)濟的好轉(zhuǎn)，來自多方面的分析都表示，電信業(yè)已開始走出低谷。不過電信業(yè)的復蘇已不可能重復過去的老路，它面對變化了的電信環(huán)境和電信業(yè)務(wù)。以我國電信網(wǎng)為例，電信業(yè)務(wù)主導模式發(fā)生了很大的變化。

　　據(jù)MII關(guān)于2003年的電信業(yè)務(wù)公告，2003年我國移動通信用戶數(shù)（2.68693億）開始超過固定電話用戶數(shù)（2.63305億），而且年增長率（30.4%）也超過固定用戶（22.9%），移動業(yè)務(wù)收入也超過固定業(yè)務(wù)；長途的移動通信累計通話時長（540.9億分鐘）已接近固定長途電話時長（579.1億分鐘），而且前者的年增長率約為后者的4倍，從通話時長上移動超固定也就是一兩年的事；在長途電話業(yè)務(wù)中，累計通話時長VoIP（808.1億分鐘）已經(jīng)分別超過TDM的固定電話和移動電話，在國際電話業(yè)務(wù)累計時長中，VoIP（8.89億分鐘）多于TDM的固定加移動電話（7.4億分鐘）；在干線帶寬中，基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)所需的帶寬已超過TDM電話（固定+移動）所需的帶寬。

　　另外據(jù)CNNIC2004年1月報告，我國使用ADSL/Cable Modem上網(wǎng)的用戶數(shù)已占Internet用戶數(shù)17.7%，如果將專線LAN上網(wǎng)的用戶也計入寬帶接入的話，寬帶上網(wǎng)用戶已超過上網(wǎng)人數(shù)的1/3，而且使用ADSL/Cable Modem上網(wǎng)的用戶數(shù)增長率遠高于其他接入方式，預計幾年后將以寬帶上網(wǎng)為主要手段；移動通信用戶接近2.7億，據(jù)中國移動2003年上半年統(tǒng)計，移動夢網(wǎng)用戶占其用戶總數(shù)的一半，而2003年底我國上網(wǎng)的計算機總數(shù)為3089萬臺，顯然移動通信終端已取代PC成為最普遍的上網(wǎng)終端。還值得注意的是隨著RFID（射頻標識芯片）的大量使用，無處不在的傳感器聯(lián)網(wǎng)將預示著M2M（機器間通信）成為繼P2P（人與人通信）之后的又一通信新應用，未來十年或更長一點時間，M2M的終端數(shù)將超過P2P的終端數(shù)。

　　面對電信業(yè)務(wù)和應用環(huán)境的變化，現(xiàn)有的基于電話業(yè)務(wù)設(shè)計的電路交換網(wǎng)不能靈活適應帶寬各異的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展；專為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計的Internet對實時業(yè)務(wù)不具有QoS保障能力。即便對Internet賴以起家的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，Internet過去的成功并不意味著此路永遠越走越寬，全球Internet用戶在近7億基礎(chǔ)上13%的年增長率及幾乎每年翻番的業(yè)務(wù)量給Internet設(shè)施以巨大的壓力，路由器已變得越來越復雜，用戶接入速率因?qū)拵Щ蕯?shù)量級的提高，可擴展性的問題無法回避，此外還有安全性與業(yè)務(wù)質(zhì)量保證問題，這些在Internet設(shè)計時始料不及的問題促使人們對其反思。ITU關(guān)于NGN的標準化研究課題中優(yōu)先安排的是NGN網(wǎng)絡(luò)體系的研究。美國最近啟動了一個名為"100x100"項目（支持每戶100Mbps、一億家庭上網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系研究），旨在以革命性思想來探討網(wǎng)絡(luò)體系變革之路。下面我們就從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方面對傳統(tǒng)電信網(wǎng)與Internet進行比較與探討。

等級網(wǎng)與無級網(wǎng)

　　傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是等級網(wǎng)，如美國和中國過去將電話網(wǎng)的業(yè)務(wù)節(jié)點（交換機）分為五級（C1～C5），隨著光纖的大量使用，傳輸系統(tǒng)的成本大大下降，主要節(jié)點間都有物理的直達路由，交換的級數(shù)便相應減少，但目前大多還分為端局、長途匯接局和省中心三級。Internet在設(shè)計之初就是無級網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上路由器處于同一個平面，每個路由器獨立配置，路由器之間大多數(shù)情況下雖然沒有直達的物理路由但都有邏輯連接，鏈路數(shù)隨著路由器數(shù)目以平方關(guān)系增加，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大時很難管理。特別是當從IPv4升級到IPv6，目的地址數(shù)從4個字節(jié)擴展到16個字節(jié)，若繼續(xù)采用不分級的選路方案，則導致增加選路延時，因此等級選路方案值得考慮，事實上IPv6的地址中已引入了等級尋址的結(jié)構(gòu)。

　　最近我國很多電信運營公司都在試驗軟交換設(shè)備，軟交換設(shè)備在路由器或ATM交換機之上引入業(yè)務(wù)控制模塊，它的出現(xiàn)不僅賦予業(yè)務(wù)節(jié)點開發(fā)新業(yè)務(wù)和應用的潛力，而且其帶寬的靈活性和大容量作為VoIP交換機使用也有競爭力，但在利用軟交換設(shè)備組網(wǎng)時究竟選擇等級網(wǎng)結(jié)構(gòu)還是無級網(wǎng)結(jié)構(gòu)，目前還缺乏經(jīng)驗。在網(wǎng)絡(luò)標準化研究中最為關(guān)注的是NGN，期待它綜合現(xiàn)有電話網(wǎng)和IP網(wǎng)的優(yōu)點并支持多種業(yè)務(wù)，其中NGN采用何種（分級或不分級）體系是標準化的主要研究內(nèi)容。從管理的角度這個問題并不復雜，當我們考慮全球連網(wǎng)或在國內(nèi)的多個運營商之間聯(lián)網(wǎng)時，分級是自然的選擇，就是在同一個運營商內(nèi)只要其網(wǎng)絡(luò)具有一定規(guī)模，分級更符合其管理習慣，不過級數(shù)以較少為好。

控制面與管理面

　　交換是由控制面的信令控制的，交叉連接則是由管理面的網(wǎng)管控制的，兩者都是對被控制的凈荷實施空間、時間或波長等變換，區(qū)別的僅僅是被控制的凈荷的顆粒大小和完成交換/交叉連接的時間。顯然管理面的功能可以由控制面來完成，如果解決了顆粒性和實時性問題，控制面的功能也可以由管理面來完成，這兩個面的功能界限可以淡化。在電信競爭環(huán)境下為了提高對客戶需求的響應速度和服務(wù)質(zhì)量，趨勢是將部分管理面的功能交由控制面來實現(xiàn)。

　　長期以來所有的傳輸系統(tǒng)都是由網(wǎng)管來配置的，隨著傳輸網(wǎng)越來越復雜，依靠網(wǎng)管人工配置通路費時且容易造成人為差錯，無法適應通道動態(tài)地快速提供的需要。ASON（自動交換光網(wǎng)絡(luò)）將控制面引入到光傳輸系統(tǒng)，這是傳輸系統(tǒng)演變?yōu)閭魉途W(wǎng)的一次革命，借助于GMPLS（通用多協(xié)議標簽交換）作為信令實現(xiàn)包括光層在內(nèi)的按需自動連接配置，賦予光層連接接納控制、選路和拓撲發(fā)現(xiàn)等新的功能，也可以說將光傳輸節(jié)點升級為光路由器�？刂泼娴墓δ芤膊⒎窃郊性胶茫瑸榱丝刂泼娴目焖夙憫�，可以將一些與鏈路和接口有關(guān)的常規(guī)功能分布處理，或?qū)⒁恍┕δ苻D(zhuǎn)移到用戶面（轉(zhuǎn)發(fā)面）。

電路交換與分組交換

　　對NGN的基本要求是開放的系統(tǒng)協(xié)議和開放的業(yè)務(wù)體系，其中業(yè)務(wù)與傳送層功能分離是這種開放性的標志之一。這里的傳送層包括網(wǎng)絡(luò)層及其下層的傳送功能，提供業(yè)務(wù)平臺之間的連接性，而不是OSI模型中網(wǎng)絡(luò)層之上的"傳送層"。NGN在網(wǎng)絡(luò)層選擇了分組交換模式，這并非因為統(tǒng)計復用的高效，是為了保持低的時延而不得不采用輕載運行，統(tǒng)計復用的效率被傳輸資源的低利用率抵消，但分組交換具有電路交換不可比擬的帶寬靈活性，因此盡管它不如電路交換可靠和安全，仍然成為網(wǎng)絡(luò)層（如IP、Ethernet）甚至鏈路層（如ATM、FR）的主流交換方式。

　　目前物理層不論用電或光傳送都是連續(xù)比特流，可以說物理層仍然是基于電路型方式工作，而且傳統(tǒng)的物理層沒有交換功能。ASON利用GMPLS協(xié)議不僅在網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層而且在光層實現(xiàn)在信令控制下的交叉連接或交換。雖然目前還未看到有光存儲和全光波長變換的經(jīng)濟上可行的解決方案，但從技術(shù)上看不久有可能實現(xiàn)，光交換被看作是寬帶交換的未來。甚至有人認為既然分組交換因其帶寬的顆粒性用在鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，光交換也應該從電路型過渡到分組型，簡化中間層次直接實現(xiàn)IP over Optical。但在光層實現(xiàn)分組交換需要解決從光信號中直接提取控制字段信息難題。回避這一難題的突發(fā)光交換成為一時的研究熱點，這實際上是通過精確計算鏈路傳輸時延及準備發(fā)送的分組長度，使用類似于隨路信令技術(shù)預置控制在光分組到達節(jié)點的時刻開啟該節(jié)點的光開關(guān)實現(xiàn)分組傳送，在復雜的光網(wǎng)絡(luò)中這一方式存在可擴展性問題并且限制了在故障恢復時光路由選擇的靈活性。顯然IP over Optical的簡單性不應以靈活性和經(jīng)濟性為折中。

　　問題還不僅在于技術(shù)上可否做得到或是否經(jīng)濟，而是有無必要實現(xiàn)光的分組交換。光層的最大優(yōu)勢是大容量，它適于對少量高帶寬的業(yè)務(wù)信號進行交換或交叉連接。光交換并不需要也不可能代替電的交換，光層的交換與電的鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等的交換應該是互補關(guān)系。細顆粒的交換由電層來完成是合適的，電層的分組交換與光層的寬帶“電路交換”配合應該是經(jīng)濟合理的解決方案，當然如果光層能夠感受分組網(wǎng)絡(luò)層的流量變化和鏈路帶寬與可靠性的要求將有助于端到端的QoS和全網(wǎng)性能優(yōu)化。有人提議在網(wǎng)絡(luò)邊緣對于盡力而為的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)IP繼續(xù)起支配作用，在核心網(wǎng)則使用"電路交換"的光網(wǎng)絡(luò)作為多業(yè)務(wù)平臺 。

面向連接和無連接

　　電路交換是面向連接，分組交換有面向連接和無連接之分，分別以ATM和IP為代表，在ATM和IP之爭中IP因其簡單而占了上風，但無連接模式在QoS保證方面先天不足，即便對QoS不敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，也缺乏可擴展性，無連接的方式還不利于對用戶數(shù)據(jù)流的管理和安全性。有人指出未來的Internet需要有一些面向連接的特征，因此基于IP協(xié)議但輔以面向連接的信令支持成為新的探索方向。

　　傳統(tǒng)的路由器是逐跳選路，在網(wǎng)絡(luò)層同時進行分組轉(zhuǎn)發(fā)與通道選擇，路由器處理能力成為瓶頸。MPLS（多協(xié)議標簽交換）實現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離，用面向連接的信令（標簽）使任何一種基于分組的鏈路層技術(shù)都可支持網(wǎng)絡(luò)層無連接的IP包的傳送。利用LDP可以為分組傳送預留LSP通道的網(wǎng)絡(luò)資源，利用標簽可以表示不同的業(yè)務(wù)類型，方便采用流量工程措施為解決可擴展性問題以及QoS問題奠定了基礎(chǔ)，引入面向連接的信令來改進IP包的傳送性能的方式。

　　信令是面向連接模式的主要標志。QoS的保證也離不開信令的作用。就目前所知,在IP網(wǎng)中還沒有單一的QoS措施能夠滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求，可能需要控制面、用戶數(shù)據(jù)面和管理面的多種QoS措施配合。為了跨過不同的面組合使用各種QoS措施，需要在這些措施之間利用信令或數(shù)據(jù)庫查表交互QoS參數(shù)，軟交換設(shè)備等業(yè)務(wù)節(jié)點之間也需要通過信令來溝通。在多個異構(gòu)網(wǎng)相連時可能涉及不同的QoS機制，需要借助信令來協(xié)調(diào)以保證端到端的QoS性能。QoS信令可以是帶內(nèi)的或帶外的，因此可在用戶數(shù)據(jù)傳輸之前進行資源預留和QoS選路。帶內(nèi)信令肯定是隨路的，即信令消息與用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過相同的路由，信令節(jié)點與路由器可合用一設(shè)置，帶外信令可以是隨路的也可以是非隨路的，后者即信令消息所經(jīng)過的節(jié)點并不都在用戶數(shù)據(jù)的路由上，信令節(jié)點單獨設(shè)置雖增加成本但帶來靈活性。

智能集中與分布

　　傳統(tǒng)的電話網(wǎng)的終端很簡單，智能集中在網(wǎng)絡(luò)。Internet的設(shè)計思想是智能分散在終端，網(wǎng)絡(luò)是"傻瓜"，網(wǎng)絡(luò)不了解用戶業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求。NGN保證端到端的QoS的關(guān)鍵是在多接入技術(shù)和多管理域的環(huán)境下優(yōu)化有限的網(wǎng)絡(luò)資源，為不同的業(yè)務(wù)提供不同的QoS，NGN采用的是Internet的技術(shù)（IP或與IP友好的傳送技術(shù)）而不是其機理，即不再讓網(wǎng)絡(luò)作為"傻瓜"把復雜功能推給終端，在資源分配和業(yè)務(wù)傳遞方面網(wǎng)絡(luò)必須是主動的和有智能的，不能像Internet那樣靠終端來適應。從智能管理的角度可以將網(wǎng)絡(luò)分為運載層（在這一層上的路由器等業(yè)務(wù)節(jié)點組成邏輯運載網(wǎng)LBN）、運載控制層（在這一層上有與LBN對應的運載資源管理器BRM，它記錄和維護網(wǎng)絡(luò)拓撲和資源數(shù)據(jù)庫，還可以有流量監(jiān)視和SLA管理等功能）和業(yè)務(wù)控制層（有各種業(yè)務(wù)控制服務(wù)器SCS，如軟交換的業(yè)務(wù)控制功能）。

　　SCS識別每一業(yè)務(wù)請求、翻譯編號或命名為IP地址并發(fā)送到源側(cè)的BRM，BRM基于網(wǎng)絡(luò)拓撲和資源數(shù)據(jù)庫對業(yè)務(wù)流進行對應的LBN域內(nèi)通道選擇、資源分配和接納控制，BRM除了向SCS返回響應外，將流識別、通道和QoS屬性通知LBN的入口邊緣路由器，該路由器按BRM規(guī)范的通道信息和QoS要求對業(yè)務(wù)流進行分組識別、分類、包封、賦形和標記，域內(nèi)的路由器沿著規(guī)定的通道按優(yōu)先權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)分組。不同的BRM通過信令交互作用為域間業(yè)務(wù)流選擇域間通道。當業(yè)務(wù)流需要跨過多個運營商時，網(wǎng)間還需設(shè)置應用網(wǎng)關(guān)或邊界路由器，以便按規(guī)定的SLA管理網(wǎng)間鏈路資源。當然在強調(diào)智能在網(wǎng)絡(luò)的同時并不排斥智能在邊緣，網(wǎng)絡(luò)的智能與終端的智能配合可提供更多樣性的業(yè)務(wù)。

多業(yè)務(wù)網(wǎng)的綜合和多業(yè)務(wù)綜合網(wǎng)

　　就人們的愿望來說，總是希望用一個網(wǎng)完成全業(yè)務(wù)的所有功能，從ISDN到B-ISDN都是從這一目標開始的，Internet的出現(xiàn)使B-ISDN作為目標網(wǎng)之夢破滅。從VoIP開始Internet也朝著全業(yè)務(wù)網(wǎng)方向擴展，但QoS、可擴展性和安全性是無法回避的問題，在Internet上解決這些問題的難度和代價催生了NGN的出現(xiàn)。NGN應具有的基本特征可概括為：多業(yè)務(wù)（話音與數(shù)據(jù)、固定與移動、點到點與廣播的會聚）、寬帶化（具有端到端透明性）、分組化、開放性（控制功能與承載能力分離；業(yè)務(wù)功能與傳送功能分離；用戶接入與業(yè)務(wù)提供分離）、移動性、兼容性（與現(xiàn)有網(wǎng)的互通），此外還應有安全性和可管理性（包括QoS的保證）。一個具有這些特征的網(wǎng)絡(luò)毫無疑問堪稱全業(yè)務(wù)網(wǎng)，問題僅僅是如何實現(xiàn)以及是否經(jīng)濟合理。

　　一種設(shè)計思想是集電信網(wǎng)和Internet優(yōu)點于一身構(gòu)造一個多業(yè)務(wù)綜合網(wǎng)，實現(xiàn)B-ISDN希望而又未實現(xiàn)的目標。由于電信網(wǎng)和Internet機理不同甚至相反，所以融合并非易事。另一種設(shè)計思路是用多個業(yè)務(wù)網(wǎng)綜合為全業(yè)務(wù)網(wǎng)，在多個網(wǎng)上業(yè)務(wù)會聚，實現(xiàn)一個號碼的綜合接入，從用戶使用的感覺仍是一個多業(yè)務(wù)的綜合網(wǎng)。3G以公共的接入手段同時連到電路交換子系統(tǒng)（CS）、分組交換子系統(tǒng)（PS）和IP多媒體子系統(tǒng)（IMS），按需提供移動多業(yè)務(wù)能力的方式就是一例。甚至有人明確提出固定業(yè)務(wù)與移動業(yè)務(wù)在很多方面（例如營業(yè)許可、競爭環(huán)境、適用法規(guī)、編號方式、資費標準）不同，不要試圖為固定與移動業(yè)務(wù)的綜合產(chǎn)生一個單一的NGN。而且反映用戶要求的業(yè)務(wù)差異化越來越明顯，網(wǎng)絡(luò)能力客戶化的呼聲漸起，不同的網(wǎng)絡(luò)各具所長，當用一個網(wǎng)來綜合時一些特點可能難以體現(xiàn)。

　　ITU在一些文件中提出NGN作為GII的實現(xiàn)方式，特別是應基于GII的多樣性技術(shù)的"網(wǎng)絡(luò)聯(lián)邦"的概念 ，更直接地說“NGN被看作是GII的'網(wǎng)絡(luò)聯(lián)邦'（用IP能力增強的傳統(tǒng)電信、廣播和數(shù)據(jù)網(wǎng)的聯(lián)合）的一部分"。由此看出ITU并不排除用幾個網(wǎng)的聯(lián)合實現(xiàn)NGN的方式。至少在NGN的初期總要面對與多個現(xiàn)有網(wǎng)互通的現(xiàn)實，而且在NGN的初期其主要贏利的業(yè)務(wù)仍然是話音，原有的PSTN是非常適合承擔這一任務(wù)的，具有PSTN的運營商將首先選擇在NGN中通過VoIP的MG或軟交換設(shè)備利用PSTN支持話音業(yè)務(wù)的方式。

　　面臨電信業(yè)務(wù)和電信環(huán)境發(fā)生的變化，網(wǎng)絡(luò)體系在交換/選路等級、控制面與管理面功能、電路交換與分組交換、面向連接與無連接、智能的集中與分布、業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)綜合等方面的研究和選擇中還存在諸多挑戰(zhàn)。此外在異構(gòu)網(wǎng)和多業(yè)務(wù)環(huán)境下，移動性管理、編號與尋址、網(wǎng)絡(luò)安全體系等也是值得關(guān)注的問題，下一代網(wǎng)絡(luò)任重而道遠。

中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)(www.cnii.com.cn)

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