NGN和软交换 Next Generation Network and Softswitch

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NGN和软交换
Next Generation Network and Softswitch
赵慧玲  

摘要：文章介绍了下一代网络(NGN)的标准化进程和基于软交换的网络演进，探讨了软交换与IP多媒体子系统(IMS)的关系。文章认为运营商在面对网络演进时需要采用平滑过渡的手段，所以对新的网络设备提出了新的要求：对于核心网络，运营商希望能够支持多种流量、多种业务，具有丰富的协议、大容量和高性能；对于边缘网络，运营商要求具有丰富的接口能力；对于业务，运营商希望提供灵活有效的业务平台和用户可接受的新型终端设备；对于网络管理和维护，运营商则需要智能化的管理体系。

关键词：下一代网络；软交换；网络演进

Abstract:The standardization process of Next Generation Network (NGN) and the Softswitch-based network evolution are comprehensively introduced. The relationship between Softswitch and IP Multimedia Subsystem (IMS) is discussed. It is emphasized that network evolution should be carried out in a smooth way. This requires new network equipment to be capable of meeting carriers´ various demands. Core network equipment should support different traffic flow, multiservice, multiprotocol, and have the advantages of large capacity and high performance. Edge network equipment should have diversified interfaces. Flexible service platforms and new kinds of user-acceptable terminals are favored by carriers for service development and more intelligent network management systems are highly in demand for network management and maintenance.

Key words:next generation network; Softswitch; network evolution



   国际电信联盟(ITU)在2001—2004年研究期开始启动有关下一代网络(NGN)的研究，2003年推出了NGN的框架性标准草案，组织了全球的NGN研讨会，2004年召开了相应的课题报告人联席会议，成立了NGN的专题组(FGNGN)，2004年世界标准大会(WTSA)宣告ITU-T成立NGN研究组。虽然ITU大力推动NGN，致力于全球的NGN标准化工作，但其道路坎坷，NGN工作仅停留在宏观的概念和框架的研究上。目前，基于软交换的网络演进工作是NGN发展的重要内容之一，各运营商积极开展软交换的技术、业务试验和试商用试验，并提出了演进计划。


1 NGN标准化工作进展
   2004年是NGN标准化工作取得初步成果的一年。为了加快NGN的研究和标准化进程，ITU召开了多次NGN课题报告人联合会议和SG13研究组全会，推出了15个NGN标准草案，意在对NGN的研究方向、框架体系、业务需求、网络功能、互通、服务质量、移动性管理、可管理的IP网络和NGN演进方式等各个方面提出总体要求，为世界各国的通信运营商和设备制造商提供网络发展和产品研发的思路和依据。


   在2004年2月的ITU-T SG13会议上，经过激烈的辩论，给出了NGN的定义：NGN是一个分组网络，它提供包括电信业务在内的多种业务，能够利用多种带宽和具有服务质量(QoS)能力的传送技术，实现业务功能与底层传送技术的分离；它提供用户对不同业务提供商网络的自由接入，并支持通用移动性，实现用户对业务使用的一致性和统一性。


   可以看出NGN的定义非常宏观，截至2004年7月的SG13末期会议，共完成了15个NGN标准草案：

Y.NGN-Overview(Y.2001)：NGN概述
Y.NGN-GRM(Y.2011)：NGN总体原则和通用参考模型
Y.NGN-GRQ：NGN总体要求
Y.NGN-FRM：NGN功能要求及其体系架构
Y.NGN-CONV：NGN融合技术方案
Y.NGN-MOB：NGN移动性管理要求及其体系架构
Y.NGN-CMIP：NGN用户可管理的IP网络
Y.NGN-MIG：NGN网络融合
Y.PSTN-NGN：PSTN向 NGN的演进
Y.NGN-QoS：NGN QoS总体要求和网络性能要求
Y.e2eqos.1：NGN端到端要求及其体系架构
Y.e2eqos.2：集中控制资源的端到端QoS架构
Y.123.qos：基于以太网接入的QoS架构
Y.ipaqos：基于IP接入网的QoS架构
Y.NGN-NHNperf：异构网络的网络性能

   欧洲标准化组织(ETSI)继成功运作主导了全球3G标准(之一)后，又雄心勃勃地开展了NGN的TISPAN计划。在此背景下，ITU-T标准局局长赵厚麟先生于2004年6月提出，ITU-T须加速进行NGN标准工作。ITU-T成立的NGN专题研究组，分别在以下7个领域进行工作：

WG1：业务需求
WG2：功能体系架构和移动性
WG3：IP QoS
WG4：控制和信令能力
WG5：网络安全
WG6：网络演进
WG7：IP承载能力要求

   至今，FGNGN已经开过4次会议，成果显著，在NGN网络和业务总体要求、功能体系架构、IP QoS、控制和信令要求、网络演进和安全等方面提出了较为具体的要求。FGNGN计划分3个阶段颁布NGN的相关标准，具体内容详见表1。




   对于第一阶段的业务和能力，FGNGN给出了NGN在第一阶段支持的业务类型和范例，主要描述了业务和能力的需求，包括管理、命名、编址、接入网的需求、安全性等等和业务相关的需求。


   “FGNGN-FRA NGN的功能架构模型”建议草案初步提出了下一代网络业务层和传输层的一些功能实体：如业务层的控制平面中接入控制、定位业务功能、与PSTN/ISDN互通、媒体资源控制等功能实体；业务层的管理平面中代理、网络及网元管理、业务管理等功能实体；传输层的管理平面中代理、网络及网元管理等功能实体。该建议草案是从逻辑功能实体的角度来分析和定义下一代网络模型的。


   “FGNGN-FRMOB移动性功能需求”建议草案描述了NGN中的移动性管理要求及其体系结构，将NGN的移动性分为网间移动、网内移动和接入网内移动3种情况，并从通用、用户和网络3个方面提出了对移动性管理的要求，提出了NGN移动性管理的功能体系结构。


   “FGNGN-CMIP可管理的用户网络能力”建议草案的名字被改为“Customer Manageable IP Network”，主要关注从用户角度出发的可管理IP网的业务定义、业务需求、参考模型和功能要求。
可管理IP网向用户提供网络资源控制和管理，应具有用户分组及业务分集、信息接入控制和安全、移动控制和管理、带宽分配和服务水平(SLA)协商、端到端QoS配置和优先权配置等多种能力。
有关IP QoS的研究已形成了一系列标准草案，包括引入控制层面的体系架构总体要求、控制协议的要求、对资源和准入控制子系统的要求、对接入以太网的QoS要求和端到端QoS的要求等。


   在网络演进方面，FGNGN完成了PSTN、ISDN向NGN演进的示例；在安全方面，FGNGN提出了NGN网络安全和家庭网络的框架性要求。


2 NGN网络架构及演进
   电信网络的发展趋势是在分组化的IP平台上提供丰富且多样化的业务，且随着这种趋势的日益明显，市场对于全球性的NGN标准提出了非常迫切的要求。所以国际各标准组织开始组织NGN标准化的研究，目前研究的重点之一是在于NGN的体系架构和网络演进等方面。

2.1 NGN的体系架构
   关于NGN的体系架构，目前讨论最多的是网络融合架构。欧洲TISPAN计划将NGN架构描述为4个网络子系统，即IP多媒体子系统(IMS)、PSTN与ISDN仿真子系统、基于RSTP的流媒体子系统和其他多媒体子系统。其中，IP多媒体子系统为NGN接入网和终端提供基于会话启动协议(SIP)的业务，包括多媒体会话业务、集群信息定购等；PSTN/ISDN仿真子系统从与IP网络通过网关相连的传统终端的角度模拟PSTN/ISDN网络，可保证PSTN/ISDN网络业务的可用性和同一性，使得用户感觉不到他们并未与PSTN/ISDN网络直接相连。PSTN/ISDN仿真子系统与IMS在逻辑上是分离的，其技术上的不同点在于前者是基于H.248和SIP-I协议的，而后者是基于纯SIP的。


   值得注意的是，两者只是在概念上分离，不同子系统的功能实体可能在同一物理节点上实现。
ITU FGNGN在TISPAN描述的NGN架构上进行了相应的修正，并在2004年12月会议上继续补充了网络附属子系统(NASS)和资源和准入控制子系统(RACS)功能。NASS提供IP地址分配(如利用动态主机配置协议)、IP层认证、基于用户轮廓的网络接入鉴权、基于用户轮廓的接入网络配置、IP层位置管理等功能；而RACS提供准入控制和网关控制功能，准入控制即依据用户轮廓、运营者策略和资源可用性进行准入决定，网关控制则包括网络地址和端口转换、DSCP标记等。

2.2  网络演进
   目前，NGN的网络演进引起了广泛的关注，即固网演进是否适于采用IMS的架构？IMS是3GPP在Release5版本上提出的可支持IP多媒体业务的子系统，它的核心特点是采用了SIP协议和与接入的无关性。


   目前IMS支持2G和3G的移动接入方式，还不能支持固定接入方式。在网络融合的发展趋势下，3GPP、ETSI和ITU-T都在研究基于IMS的网络融合方案，希望能使IMS成为基于SIP会话的通用平台，同时支持固定和移动的多种接入方式，以实现固网和移动网的融合。


   以欧洲ETSI为代表的TISPAN计划提出，基于IMS的体系架构是NGN的主体架构，认为IMS代表了NGN网络发展的方向。IMS系统采用SIP协议进行端到端的呼叫控制，这就为IMS同时支持固定和移动接入提供了技术基础，也使得网络融合成为可能。但是由于基于IMS的网络融合研究刚刚开始，技术上还不够成熟稳定，其标准化工作也相应地成为了目前研究的重点。虽然ITU、3GPP、TISPAN都已经确定了将IMS作为NGN的基础框架，但很多网元和接口的功能还需要进行增强或修改；此外，目前标准组织的活动还处于功能需求的研究阶段，实现这些功能的流程、消息及参数还需要具体的规范定义。从产品的开发上看，虽然国内外主流厂商都在进行IMS产品的开发，但受到标准进程的限制，目前的产品仅能支持IMS的某些应用，并非完整意义上的IMS网络产品，不能够满足运营商大规模建网的需求。对于运营商而言，基于IMS的网络融合方案可以使其基于统一的核心网络为固定和移动用户提供相同的业务，相对固网和移动网的核心网并存的网络架构，不仅可以减少网络结构的复杂度，也应该可以降低网络的运维成本，但是同时也对网络的运营和管理提出了挑战，运营商需要针对网络融合的新架构研究相应的管理对策。


   IMS将来如何提供统一的业务平台，标准乃至商品的成熟性等问题仍有待进一步的探讨和解决。同时支持固定和移动的多种接入方式，实现固网和移动网的融合。但目前，相当多的运营商面临的问题是如何将传统的基于电路的PSTN网络演进到基于分组技术的NGN网络中。尽管IMS可能成为NGN的重要组成部分，但是这种模式并不能很迅速地进行商业化的部署，特别是由于移动网络和固定网络的差异，对IMS的推广造成了一些不确定的影响，因为IMS是为移动网络设计的。


   在2004年12月ITU NGN会议上，大会同意启动基于呼叫服务器(软交换)网络演进的标准化研究。ITU FGNGN也在2004年6月启动了PSTN演进的研究，提出了基于呼叫服务器的PSTN演进方案和示例。呼叫服务器将主要完成电路交换网的演进历程，而IMS将主要完成多媒体业务的功能，随着IMS的成熟性的增加，两者的应用将长期共存。


3 软交换技术
   软交换技术是近年发展起来的一种新的呼叫控制技术，具有开放的体系架构、基于分组传输、能够提供多种接入方式等特点，可以提供语音、多媒体等多种实时业务，已经逐渐成为电路交换向分组交换演进的主流技术。


   从技术发展趋势来看，电路交换将向以分组技术为基础的软交换演进，但在相当长的时间内电话交换网仍将与软交换网络共存。


   实践证明，软交换技术已趋于成熟，达到了组建商用网络的技术条件要求。采用软交换技术实现电路交换向分组交换演进是电话网发展的重要技术举措。


   软交换系统由多种设备组成，主要包括软交换设备、中继网关、信令网关、接入网关、媒体服务器、应用服务器等网络侧设备以及综合接入设备(IAD)、SIP终端等终端侧设备。主流厂家的软交换系统在国内外已有商用实例，主要应用集中在利用软交换提供长途汇接和本地用户接入业务，以及为企业用户提供综合通信解决方案。


   软交换技术从1997年开始发展，正在逐步从试验阶段走向商用阶段，并在国内外得到应用。总体上看，美国的运营商要领先于欧洲，新兴运营商要积极于传统运营商。目前，美国的Verizon、Sprint公司、加拿大的BELL CANADA公司、英国的BT等公司已经开始引入软交换系统并开展业务。国内运营商也陆续开始利用软交换系统提供业务。随着竞争的日益激烈和多样化、个性化业务需求的不断增加，软交换技术已经成为运营商实现综合业务经营，向不同业务领域渗透的重要技术手段。
中国通信标准化协会网络与交换技术委员会从2001年起开始制订软交换系统的相关规范及标准，主要包括设备规范、协议规范、接口规范和业务相关规范等，现共完成相关规范59个。


   中国电信在集团公司的统一部署下，从2001年开始进行软交换技术的跟踪。2002年，中国电信选用西门子、中兴通讯、阿尔卡特、爱立信、北电、华为6厂家的软交换系统，分别在广州、深圳、上海、杭州4个城市建设实验网络，对软交换系统的功能、性能和协议等能力进行了全面测试，并验证了应用编程接口(API)业务开发能力；2003年，业务试验继续在广东、上海和浙江进行，进一步验证软交换系统提供业务的能力；2004年，深圳、肇庆开展试商用，在业务、运维和营销等各方面全面验证软交换网络规模商用的能力。试验证明，软交换体系在技术上已经基本成熟，其中，窄带软交换产品已经成熟，宽带软交换产品基本成熟。


   软交换业务的提供方式有3种：由软交换设备提供PSTN基本业务及补充业务；采用SIP应用服务器或者Parlay应用服务器来提供运营商自营的新型业务；利用Parlay应用服务器通过第三方提供业务。其中最后一种方式仍处于探索阶段，应进一步深入研究和实践。


   对于在话音网络引入软交换技术，应认真研究引入的策略、组网架构方式和不同厂家业务平台的互通模式。


4 国外运营商网络演进策略
   网络演进是一个长期的过程，根据FORRESTER公司的报告，欧洲运营商网络演进需要15年的时间。Verizon下一代网络的主要策略是采用多协议标记交换(MPLS)技术，使IP网具备服务质量保证和业务融合的能力，并采用软交换实现长途分流和本地网电路交换机的替换。在网络演进的过程中，有两类话音业务，一类是没有管理能力的VOIP业务，即PSTN的话音终端通过网关与IP网络的PC或其他语音终端互通；另一类是具有管理能力的软交换提供的话音业务，并将逐渐实现对传统交换机的替换。英国电信在2005年开始PSTN的演进工作，在网络的边缘层面开始进行多业务接入设备(MSAN)的引入和实施。多业务接入设备具有支持多业务接入的能力，能够支持窄代话音和数据业务，具有支持宽带传输和数据接入的能力。在电路交换层面，英国电信从现场试验入手，并于2005年开始进行电路交换的替代工作，计划将在2007年采用软交换实现50%的本地电路交换机替换。同时，英国电信认为，基于呼叫服务器的软交换设备主要用以解决电路交换机的替代，以提供话音业务为主；而基于SIP的IMS将提供宽带多媒体业务，IMS与软交换将在相当长的时间里共存。所以，英国电信还应积极做好基于SIP的IMS的引入工作。


   德国电信执行副总裁Paul Reynolds明确认为，话音网络演进的思路是采用软交换替代和新建重叠软交换网并举的策略，应强调交换机替代的经济可行因素。其演进策略分为3个步骤：第一步，PSTN经过网关与IP网络互通，完成PSTN终端与IP网中PC的呼叫；第二步，引入软交换，建立相应的管理平台，完成PSTN终端与IP网络中通过DSL接入的SIP终端的呼叫；第三步，引入接入网关，使PSTN终端、软交换控制的接入网关连接的各种终端以及IP网络中的各种终端都具有通信能力。
德国电信在网络演进中强调建立综合的业务平台，并逐步增加业务能力，目前该平台具有话音、统一消息、呼叫中心、IP Centrex、会议呼叫等业务能力。


   法国电信准备从2007年开始PSTN向IP语音(VOIP)的演进，演进方式主要包括两种：第一种是引入一种称为VOICE DSLAM的设备，该设备在传统DSLAM基础上集成VOIP网关功能，其VOIP网关接受呼叫服务器(软交换)的控制，从而实现POTS语音接入到VOIP语音的转换；第二种是通过呼叫服务器(软交换)控制位于用户侧的RGW设备(下行提供Z接口接普通电话，上行以太口接ADSL MODEM)或IP电话设备，从而在用户侧即实现VOIP语音的接入。


   在未来NGN的总体架构上，法国电信倾向于基于IMS的网络结构。他们期望采用一种统一功能和业务融合的核心控制架构，并正在积极推进TISPAN的标准化进程，使得IMS的概念及早在网络中实现。


5 结束语
   NGN的全球标准化工作在总体框架和基本概念上初步取得了成果，但在具体网络和业务要求方面由于各地区的情况不同，目前很难达成一致的看法和要求，所以在实施方面进展较为缓慢，还需要大家共同努力来推进。运营商在面对网络演进时需要采用平滑过渡的手段，所以对新的网络设备提出了新的要求。对于核心网络，运营商希望能够支持多种流量、多种业务、具有丰富的协议、大容量和高性能；对于边缘网络，运营商要求具有丰富的接口能力；对于业务，运营商希望提供灵活有效的业务平台和用户可接受的新型终端设备；对于网络管理和维护，运营商则需要智能化的管理体系。这些无论对标准化工作还是设备供应商都提出了新的要求。而且由于各种业务都在IP承载平面融合，对网络端到端的服务质量策略、安全性要求和VPN的能力扩展等都提出了新的要求。在标准化方面，还须加强软交换与IMS的体系架构、网络和业务互通、业务平台接口和终端接口的研究工作。

收稿日期：2005-03-17





作者简介：
赵慧玲，中国电信集团北京研究院副院长，教授级高工，北京邮电大学客座教授、博士生导师，主要从事于宽带网络技术和下一代网络的技术研究以及通信网络发展战略研究，主持了中国网络标准的研究和制订工作。