下一代網(wǎng)絡(luò )面臨挑戰
中國工程院副院長(cháng) 鄔賀銓
2004/07/27
電信業(yè)務(wù)、環(huán)境發(fā)生變化
在電話(huà)發(fā)明將近百年之后，移動(dòng)通信和Internet帶動(dòng)電信業(yè)持續二十年的輝煌，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(shí)期。最近隨著(zhù)世界經(jīng)濟的好轉，來(lái)自多方面的分析都表示，電信業(yè)已開(kāi)始走出低谷。不過(guò)電信業(yè)的復蘇已不可能重復過(guò)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MII關(guān)于2003年的電信業(yè)務(wù)公告，2003年我國移動(dòng)通信用戶(hù)數（2.68693億）開(kāi)始超過(guò)固定電話(huà)用戶(hù)數（2.63305億），而且年增長(cháng)率（30.4%）也超過(guò)固定用戶(hù)（22.9%），移動(dòng)業(yè)務(wù)收入也超過(guò)固定業(yè)務(wù)；長(cháng)途的移動(dòng)通信累計通話(huà)時(shí)長(cháng)（540.9億分鐘）已接近固定長(cháng)途電話(huà)時(shí)長(cháng)（579.1億分鐘），而且前者的年增長(cháng)率約為后者的4倍，從通話(huà)時(shí)長(cháng)上移動(dòng)超固定也就是一兩年的事；在長(cháng)途電話(huà)業(yè)務(wù)中，累計通話(huà)時(shí)長(cháng)VoIP（808.1億分鐘）已經(jīng)分別超過(guò)TDM的固定電話(huà)和移動(dòng)電話(huà)，在國際電話(huà)業(yè)務(wù)累計時(shí)長(cháng)中，VoIP（8.89億分鐘）多于TDM的固定加移動(dòng)電話(huà)（7.4億分鐘）；在干線(xiàn)帶寬中，基于IP的數據業(yè)務(wù)所需的帶寬已超過(guò)TDM電話(huà)（固定+移動(dòng)）所需的帶寬。
另外據CNNIC2004年1月報告，我國使用ADSL/Cable Modem上網(wǎng)的用戶(hù)數已占Internet用戶(hù)數17.7%，如果將專(zhuān)線(xiàn)LAN上網(wǎng)的用戶(hù)也計入寬帶接入的話(huà)，寬帶上網(wǎng)用戶(hù)已超過(guò)上網(wǎng)人數的1/3，而且使用ADSL/Cable Modem上網(wǎng)的用戶(hù)數增長(cháng)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(dòng)通信用戶(hù)接近2.7億，據中國移動(dòng)2003年上半年統計，移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)用戶(hù)占其用戶(hù)總數的一半，而2003年底我國上網(wǎng)的計算機總數為3089萬(wàn)臺，顯然移動(dòng)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(zhù)RFID（射頻標識芯片）的大量使用，無(wú)處不在的傳感器聯(lián)網(wǎng)將預示著(zhù)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(lái)十年或更長(cháng)一點(diǎn)時(shí)間，M2M的終端數將超過(guò)P2P的終端數。
面對電信業(yè)務(wù)和應用環(huán)境的變化，現有的基于電話(huà)業(yè)務(wù)設計的電路交換網(wǎng)不能靈活適應帶寬各異的數據業(yè)務(wù)的發(fā)展；專(zhuān)為數據業(yè)務(wù)而設計的Internet對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)不具有QoS保障能力。即便對Internet賴(lài)以起家的數據業(yè)務(wù)，Internet過(guò)去的成功并不意味著(zhù)此路永遠越走越寬，全球Internet用戶(hù)在近7億基礎上13%的年增長(cháng)率及幾乎每年翻番的業(yè)務(wù)量給Internet設施以巨大的壓力，路由器已變得越來(lái)越復雜，用戶(hù)接入速率因寬帶化而呈數量級的提高，可擴展性的問(wèn)題無(wú)法回避，此外還有安全性與業(yè)務(wù)質(zhì)量保證問(wèn)題，這些在Internet設計時(shí)始料不及的問(wèn)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(dòng)了一個(gè)名為"100x100"項目（支持每戶(hù)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(lái)探討網(wǎng)絡(luò )體系變革之路。下面我們就從網(wǎng)絡(luò )體系結構方面對傳統電信網(wǎng)與Internet進(jìn)行比較與探討。
等級網(wǎng)與無(wú)級網(wǎng)
傳統的電話(huà)網(wǎng)是等級網(wǎng)，如美國和中國過(guò)去將電話(huà)網(wǎng)的業(yè)務(wù)節點(diǎn)（交換機）分為五級（C1～C5），隨著(zhù)光纖的大量使用，傳輸系統的成本大大下降，主要節點(diǎn)間都有物理的直達路由，交換的級數便相應減少，但目前大多還分為端局、長(cháng)途匯接局和省中心三級。Internet在設計之初就是無(wú)級網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)上路由器處于同一個(gè)平面，每個(gè)路由器獨立配置，路由器之間大多數情況下雖然沒(méi)有直達的物理路由但都有邏輯連接，鏈路數隨著(zhù)路由器數目以平方關(guān)系增加，當網(wǎng)絡(luò )規模大時(shí)很難管理。特別是當從IPv4升級到IPv6，目的地址數從4個(gè)字節擴展到16個(gè)字節，若繼續采用不分級的選路方案，則導致增加選路延時(shí)，因此等級選路方案值得考慮，事實(shí)上IPv6的地址中已引入了等級尋址的結構。
最近我國很多電信運營(yíng)公司都在試驗軟交換設備，軟交換設備在路由器或ATM交換機之上引入業(yè)務(wù)控制模塊，它的出現不僅賦予業(yè)務(wù)節點(diǎn)開(kāi)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，但在利用軟交換設備組網(wǎng)時(shí)究竟選擇等級網(wǎng)結構還是無(wú)級網(wǎng)結構，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，期待它綜合現有電話(huà)網(wǎng)和IP網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)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?jì)热荨墓芾淼慕嵌冗@個(gè)問(wèn)題并不復雜，當我們考慮全球連網(wǎng)或在國內的多個(gè)運營(yíng)商之間聯(lián)網(wǎng)時(shí)，分級是自然的選擇，就是在同一個(gè)運營(yíng)商內只要其網(wǎng)絡(luò )具有一定規模，分級更符合其管理習慣，不過(guò)級數以較少為好。
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(shí)施空間、時(shí)間或波長(cháng)等變換，區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(shí)間。顯然管理面的功能可以由控制面來(lái)完成，如果解決了顆粒性和實(shí)時(shí)性問(wèn)題，控制面的功能也可以由管理面來(lái)完成，這兩個(gè)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(hù)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(lái)實(shí)現。
長(cháng)期以來(lái)所有的傳輸系統都是由網(wǎng)管來(lái)配置的，隨著(zhù)傳輸網(wǎng)越來(lái)越復雜，依靠網(wǎng)管人工配置通路費時(shí)且容易造成人為差錯，無(wú)法適應通道動(dòng)態(tài)地快速提供的需要。ASON（自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )）將控制面引入到光傳輸系統，這是傳輸系統演變?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(shí)現包括光層在內的按需自動(dòng)連接配置，賦予光層連接接納控制、選路和拓撲發(fā)現等新的功能，也可以說(shuō)將光傳輸節點(diǎn)升級為光路由器。控制面的功能也并非越集中越好，為了控制面的快速響應，可以將一些與鏈路和接口有關(guān)的常規功能分布處理，或將一些功能轉移到用戶(hù)面（轉發(fā)面）。
電路交換與分組交換
對NGN的基本要求是開(kāi)放的系統協(xié)議和開(kāi)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(kāi)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，這并非因為統計復用的高效，是為了保持低的時(shí)延而不得不采用輕載運行，統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比特流，可以說(shuō)物理層仍然是基于電路型方式工作，而且傳統的物理層沒(méi)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(shí)現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(cháng)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(shí)現，光交換被看作是寬帶交換的未來(lái)。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(guò)渡到分組型，簡(jiǎn)化中間層次直接實(shí)現IP over Optical。但在光層實(shí)現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(shí)的研究熱點(diǎn)，這實(shí)際上是通過(guò)精確計算鏈路傳輸時(shí)延及準備發(fā)送的分組長(cháng)度，使用類(lèi)似于隨路信令技術(shù)預置控制在光分組到達節點(diǎn)的時(shí)刻開(kāi)啟該節點(diǎn)的光開(kāi)關(guān)實(shí)現分組傳送，在復雜的光網(wǎng)絡(luò )中這一方式存在可擴展性問(wèn)題并且限制了在故障恢復時(shí)光路由選擇的靈活性。顯然IP over Optical的簡(jiǎn)單性不應以靈活性和經(jīng)濟性為折中。
問(wèn)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(wú)必要實(shí)現光的分組交換。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(jìn)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(lái)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據業(yè)務(wù)IP繼續起支配作用，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(wú)連接
電路交換是面向連接，分組交換有面向連接和無(wú)連接之分，分別以ATM和IP為代表，在A(yíng)TM和IP之爭中IP因其簡(jiǎn)單而占了上風(fēng)，但無(wú)連接模式在QoS保證方面先天不足，即便對QoS不敏感的數據業(yè)務(wù)，也缺乏可擴展性，無(wú)連接的方式還不利于對用戶(hù)數據流的管理和安全性。有人指出未來(lái)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。
傳統的路由器是逐跳選路，在網(wǎng)絡(luò )層同時(shí)進(jìn)行分組轉發(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(shí)現了轉發(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(wú)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(lèi)型，方便采用流量工程措施為解決可擴展性問(wèn)題以及QoS問(wèn)題奠定了基礎，引入面向連接的信令來(lái)改進(jìn)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(kāi)信令的作用。就目前所知,在IP網(wǎng)中還沒(méi)有單一的QoS措施能夠滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的QoS要求，可能需要控制面、用戶(hù)數據面和管理面的多種QoS措施配合。為了跨過(guò)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據庫查表交互QoS參數，軟交換設備等業(yè)務(wù)節點(diǎn)之間也需要通過(guò)信令來(lái)溝通。在多個(gè)異構網(wǎng)相連時(shí)可能涉及不同的QoS機制，需要借助信令來(lái)協(xié)調以保證端到端的QoS性能。QoS信令可以是帶內的或帶外的，因此可在用戶(hù)數據傳輸之前進(jìn)行資源預留和QoS選路。帶內信令肯定是隨路的，即信令消息與用戶(hù)數據經(jīng)過(guò)相同的路由，信令節點(diǎn)與路由器可合用一設置，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(guò)的節點(diǎn)并不都在用戶(hù)數據的路由上，信令節點(diǎn)單獨設置雖增加成本但帶來(lái)靈活性。
智能集中與分布
傳統的電話(huà)網(wǎng)的終端很簡(jiǎn)單，智能集中在網(wǎng)絡(luò )。Internet的設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(hù)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(dòng)的和有智能的，不能像Internet那樣靠終端來(lái)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)節點(diǎn)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 )拓撲和資源數據庫，還可以有流量監視和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)送到源側的BRM，BRM基于網(wǎng)絡(luò )拓撲和資源數據庫對業(yè)務(wù)流進(jìn)行對應的LBN域內通道選擇、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規范的通道信息和QoS要求對業(yè)務(wù)流進(jìn)行分組識別、分類(lèi)、包封、賦形和標記，域內的路由器沿著(zhù)規定的通道按優(yōu)先權轉發(fā)分組。不同的BRM通過(guò)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(guò)多個(gè)運營(yíng)商時(shí)，網(wǎng)間還需設置應用網(wǎng)關(guān)或邊界路由器，以便按規定的SLA管理網(wǎng)間鏈路資源。當然在強調智能在網(wǎng)絡(luò )的同時(shí)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(lái)說(shuō)，總是希望用一個(gè)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(kāi)始的，Internet的出現使B-ISDN作為目標網(wǎng)之夢(mèng)破滅。從VoIP開(kāi)始Internet也朝著(zhù)全業(yè)務(wù)網(wǎng)方向擴展，但QoS、可擴展性和安全性是無(wú)法回避的問(wèn)題，在Internet上解決這些問(wèn)題的難度和代價(jià)催生了NGN的出現。NGN應具有的基本特征可概括為：多業(yè)務(wù)（話(huà)音與數據、固定與移動(dòng)、點(diǎn)到點(diǎn)與廣播的會(huì )聚）、寬帶化（具有端到端透明性）、分組化、開(kāi)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(hù)接入與業(yè)務(wù)提供分離）、移動(dòng)性、兼容性（與現有網(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(gè)具有這些特征的網(wǎng)絡(luò )毫無(wú)疑問(wèn)堪稱(chēng)全業(yè)務(wù)網(wǎng)，問(wèn)題僅僅是如何實(shí)現以及是否經(jīng)濟合理。
一種設計思想是集電信網(wǎng)和Internet優(yōu)點(diǎn)于一身構造一個(gè)多業(yè)務(wù)綜合網(wǎng)，實(shí)現B-ISDN希望而又未實(shí)現的目標。由于電信網(wǎng)和Internet機理不同甚至相反，所以融合并非易事。另一種設計思路是用多個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)綜合為全業(yè)務(wù)網(wǎng)，在多個(gè)網(wǎng)上業(yè)務(wù)會(huì )聚，實(shí)現一個(gè)號碼的綜合接入，從用戶(hù)使用的感覺(jué)仍是一個(gè)多業(yè)務(wù)的綜合網(wǎng)。3G以公共的接入手段同時(shí)連到電路交換子系統（CS）、分組交換子系統（PS）和IP多媒體子系統（IMS），按需提供移動(dòng)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(dòng)業(yè)務(wù)在很多方面（例如營(yíng)業(yè)許可、競爭環(huán)境、適用法規、編號方式、資費標準）不同，不要試圖為固定與移動(dòng)業(yè)務(wù)的綜合產(chǎn)生一個(gè)單一的NGN。而且反映用戶(hù)要求的業(yè)務(wù)差異化越來(lái)越明顯，網(wǎng)絡(luò )能力客戶(hù)化的呼聲漸起，不同的網(wǎng)絡(luò )各具所長(cháng)，當用一個(gè)網(wǎng)來(lái)綜合時(shí)一些特點(diǎn)可能難以體現。
ITU在一些文件中提出NGN作為GII的實(shí)現方式，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(shuō)“NGN被看作是GII的'網(wǎng)絡(luò )聯(lián)邦'（用IP能力增強的傳統電信、廣播和數據網(wǎng)的聯(lián)合）的一部分"。由此看出ITU并不排除用幾個(gè)網(wǎng)的聯(lián)合實(shí)現NGN的方式。至少在NGN的初期總要面對與多個(gè)現有網(wǎng)互通的現實(shí)，而且在NGN的初期其主要贏(yíng)利的業(yè)務(wù)仍然是話(huà)音，原有的PSTN是非常適合承擔這一任務(wù)的，具有PSTN的運營(yíng)商將首先選擇在NGN中通過(guò)VoIP的MG或軟交換設備利用PSTN支持話(huà)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(wú)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。此外在異構網(wǎng)和多業(yè)務(wù)環(huán)境下，移動(dòng)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(wèn)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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