NGN浅析

中坚分子

前言
IP宽带的实现,IP电话的低消费，无线3G规范的完成，IPv6的局部应用，极大地冲击着传统的电信经营商。北美、欧洲电信业的私有化，既促进了行业内的竞争，又使得地球村的人们享受到网络的愉快。人们开始对信息网络向更高层次进行追求，促使信息技术、网络技术飞速发展。传统的网络设备供应商奋起研究新的产品，20世纪90年代诞生的供应商也推出了一系列全新的网络产品，比如，软交换设备基于以太网的路由管理器、以时分网络为主体的智能光网络、无线宽带接入网、无线移动3G等。由此推出了下一代网络(NGN)的理念。
一、概念描述
所谓下一代网(NGN)是一个极其松散定义的术语，泛指一个不同于目前一代的，大量采用创新技术，以IP为中心同时可以支持语声、数据和多媒体业务的融合网络。一方面，NGN不是现有电信网和IP网的简单延伸和叠加,而应是两者的融合结果。所涉及的也不仅仅是单项节点技术和网络技术，而是整个网络的框架,是一种整体网络解决方案。另一方面，NGN的出现与发展不是革命，而是演进，即在继承现有网络优势的基础上实现的平滑过渡。下一代网是一个内涵十分广泛的术语，不同专业和背景的人实际都在应用。如果特指业务网层面，则下一代网指下一代业务网(例如对于数据网，则下一代网指下一代互联网；而对于移动网，则下一代网指3G网和超3G网；如果特指传送网层面，则下一代网指下一代传送网,特别是光网络。泛指的下一代网实际包容了所有新一代网络技术，而狭义的下一代网往往特指以软交换为控制层，兼容所有三网技术的开放体系架构。
从业务层面看，下一代网络将主要是以ATM/IP特别是IP为基础的分组化网已成为业界的共识。然而，从传统的电路交换网到分组化网将是一个长期的渐进过渡过程，因而在未来10-15年电信公司的主要任务是同时支持两种网络，解决两网之间的互通以及各自业务和应用之间的互操作性，从而最终完成由传统电路交换为基础的电信网向分组化网的平滑过渡。而软交换将是完成这一过渡任务的关键。
　　从基础传送网层面看，以WDM为基础的光网络将是理想的大容量网络，然而主要基于点到点通信的WDM光网络尽管容量有余,但组网灵活性欠佳,而能实现光层灵活联网功能的光联网将是理想的下一代光网络传送平台。
　　简言之，下一代网络将是以软交换为核心，光联网为基础的融合网络。下一代网络必须是可以同时提供话音、数据、多媒体等多种业务的综合性的，全开放的网络平台体系，有如下三大特点：
1） 采用分层的全开放的网络构架，具有独立的模块化结构；
2） 是业务驱动的网络，业务和呼叫控制完全分离，呼叫与承载完全分离。
3） 是基于统一协议的分组的网络体系。
二、功能结构
1、NGN的功能模型
下一代网络功能模型如图1所示，包含四个层面，每个层面又可包含子层或其它部分。不同平面之间可以互相通信，具体如下：
－应用平面：由应用和中间件两部分组成。其中中间件是GII定义的一些通用软件。典型的中间件组件如鉴权、计费、目录、安全、浏览、查找、导航、格式转换等。应用平面不仅向大众用户提供服务，还向运营支撑系统和业务提供者提供服务支撑。
－网络控制平面：提供端到端的呼叫/会话控制，对底层自动交换传送网络(ASTN)的控制以及信令处理功能。
－传输平面：包含网络的下三层功能，第一层的交换和传输，二层的转接和交换以及三层的交换和/或路由功能（可选）。
－管理平面：提供远程和本地管理能力。
此外，NGN体系还需具备与现有的电路交换网互通的互通功能(IWF)。
2、NGN的网络结构
下一代网络采用分层的网络结构，采用标准的协议接口使其具有完全的开放性。具体的结构可分为：边缘接入层、核心传送层、控制层、业务应用层。
　　1） 边缘接入层主要指与现有网络相关的各种接入网关或终端设备。
　　2） 核心传送层主要指宽带ATM交换机或IP路由器等骨干传输设备。
　　3） 控制层完成呼叫处理控制、接入协议适配、互连互通等综合控制处理功能，提供应用支持平台。
　　4） 业务应用层主要提供面向客户的综合智能业务，实现业务的客户化。
　　下一代网络的整体体系架构图可以描绘如下：

下一代网络结构示意图
三、软交换技术
作为NGN网络的核心技术，软交换的发展因而受到越来越多的关注，作为下一代网络的控制功能模块，软交换为下一代网络（NGN）具有实时性要求的业务提供呼叫控制和连接控制功能。我国信息产业部电信传输研究所对软交换的定义是："软交换是网络演进以及下一代分组网络的核心设备之一，它独立于传送网络，主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务，并向第三方提供可编程能力。"
目前，我国已完成并颁布了《软交换设备总体技术要求》（YDC003-2001），明确规范了软交换在网络中的位置，功能要求、业务要求、操作维护和网管要求、协议和接口要求，计费要求和性能指标，并规定了与IP电话及智能网的互通要求等。特别值得一提的是，不仅固网如此，移动软交换设备技术要求和设备规范的送审稿也于近日完成，主要针对软交换技术在移动网络中的移动性管理和鉴权等方面特征进行了相应的扩展。不难看出，在分组交换日益普遍的情况下，软交换技术无论在固网还是移动网络的发展和融合当中，作为网络的核心技术，发挥着重要的粘合作用。
Softswitch技术区别于其它技术的最显著特征，也是其核心思想的三个基本要素是：
　　1） 开放的业务生成接口。
　　Softswitch提供业务的主要方式是通过API与"应用服务器"配合以提供新的综合网络业务。与此同时，为了更好地兼顾现有通信网络，它还能够通过INAP与IN中已有的SCP配合以提供传统的智能业务。
　　2） 综合的设备接入能力。
　　Softswitch可以支持众多的协议，以便对各种各样的接入设备进行控制，最大限度地保护用户投资并充分发挥现有通信网络的作用。
3） 基于策略的运行支持系统。
　　Softswitch采用了一种与传统OAM系统完全不同的、基于策略（Policy-based）的实现方式来完成运行支持系统的功能，按照一定的策略对网络特性进行实时、智能、集中式的调整和干预，以保证整个系统的稳定性和可靠性。
三、软交换技术
1、软交换采用的协议
在通信系统中，控制是通过协商解决的，相应地就必须有协议。在NGN体系结构中，软交换作为控制中心，正是通过支持H．248／MEGACO、SIP、SIGTRAN、BICC、H．323等多种协议实现的。
SIP（SessionInitiationProtocol）协议：按照IETFRFC2543的定义，SIP是一种应用层控制协议，用于创建、修改和终结多媒体会话或呼叫。这些多媒体会话包括Internet多媒体会议、远程教育、Internet电话等应用。SIP协议可在TCP或UDP之上传送，由于SIP本身具有握手机制，可首选UDP。据调查，支持SIP协议的厂商正大幅度增加。SIP协议已被广泛接受，是包括3G移动多媒体在内的多媒体业务与应用的核心协议。
H．248／MEGACO协议：该协议是ITU和IETF取得共识，共同推进的一种网关控制协议。在解决了H．323的复杂、伸缩性差等问题之后，H．248／MEGACO得到了厂商的广泛支持，成为下一代网络关键的媒体网关控制协议。
SIGTRAN协议（信令传送协议）：SIGTRAN是在IP网络中传递电路交换信令（主要是No．7信令）的协议，通过信令网关（SG）实现。在我国的规范中，信令网关用于No．7网与IP网的互通边缘，对信令信息进行中继、翻译或终结处理。
2、软交换硬件平台
软交换技术体现在物理节点上，即通常所讲的"软交换机"或"通信服务器"，所谓的"软"是相对于电信网络以前的TDM电路交换设备中大多采用私有硬件平台而言的。传统PSTN网的交换机采用垂直、封闭和私有的系统结构，而软交换机实现了呼叫控制与媒体相分离，大多基于标准的、开放的系统结构。之所以有这样的发展趋势，是因为传统的电信设备的设计正经历着由私有的设计方式向开放式模块化转变的过程。起初由各个设备提供商独立进行的所有硬件电路、软件代码的设计模式，随着电信业的竞争加剧，成本节省的要求以及开发周期缩短的压力而逐步改为外购的方式，即尽量采用第三方提供的开放商用产品，包括商用硬件平台、软件操作系统和数据库管理系统等，而设备提供商的竞争逐步也转移到相应的软件功能竞争。目前，软交换机的硬件平台发展就顺应了这样的潮流，多采用业界标准的开放的计算机硬件平台，使运营商能够灵活地实现新业务的开发, 并充分利用计算机技术快速发展所带来的性能的飞速提高。例如采用SUN服务器平台，采用多处理器机制，软件基于Solaris操作系统，并通过SUN公司独有的Cluster技术实现系统的扩展，满足电信级应用中对系统处理能力及可靠性方面的要求。
3、软件功能模块
在软交换的软件功能组成方面，可比拟传统程控交换机"呼叫控制"功能模块，继承并实现以下几点：
（1） 媒体网关接入功能
该功能可以认为是一种适配功能，软交换可以连接各种媒体网关，如PSTN／ISDN IP中继媒体网关，ATM媒体网关、用户媒体网关、无线媒体网关和综合接入网关等。支持H.248媒体网关控制协议或MGCP协议来实现对媒体网关的控制，接入和管理。
（2） 呼叫控制功能
呼叫控制功能是软交换的重要功能之一，实现基本呼叫的建立、维持和释放，包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等。
（3） 业务提供功能
在网络从电路交换向分组交换的演进中，对终端用户而言，业务应当具有完全的继承性。因此软交换必须能够实现PSTN/ISDN交换机提供的全部业务，包括基本业务和补充业务，以及与现有智能网配合提供智能网业务。此外，新业务作为NGN网络不可或缺的组成部分，软交换需要提供可编程的、开放的API接口，实现与外部应用平台的互通，从而易于新业务的引入和开发。
（4） 互连互通功能
下一代网络并不是一个孤立的网络，尤其是在现有网络向NGN的发展演进中，不可避免的要实现与现有多个网络的互联互通。包括PSTN网，PLMN网，SS7信令网，VoIP网，智能网，其它软交换网等等。因此需要软交换设备支持相应的信令与协议，例如中国ISUP，INAP，PRI，V5.2，MAP，从而完成与上述网络之间的互联互通。
（5） 网管与计费功能
支持本地的维护管理，以及通过SNMP协议实现与网管中心的通信。实现维护、配置、业务统计、告警以及计费信息的采集等功能。
三、软交换技术
4、软交换技术的应用
针对不同的网络状况和业务需求，目前软交换应用主要集中在以下4个方面。
（1） 分组中继（Packet Trunking）
针对用户数增加对汇接局、长途局容量需求激增以及传输带宽增加的情况，通过采用软交换技术构建分组中继叠加网络，利用媒体网关直接提供高速的分组数据接口减少传输网络中低速交叉连接设备的数量，对语音进行静音抑制和话音压缩，以及AAL2/ATM的可变速率适配，降低了网络传输成本和带宽需求(可以节省近60%的传输资源)，从而满足对现有的长途局和汇接局的扩容要求。
（2） 本地接入（Packet Local Access）
在多种多样的接入方式条件下，例如DSL，Ethernet，Cable，Wireless LAN，双绞线等，采用软交换技术实现分组话音的本地接入，从某种意义上讲，它不仅完成了Class 5 端局的替代或新建，而且为终端用户提供了数据和语音的综合业务。
（3） 多媒体业务 (Multi-media Services)
针对用户多媒体业务的需求，利用软交换技术，将各种应用服务器上的新业务，在软交换设备的集中呼叫控制下，通过各种网关设备最终提供给广大终端用户，其中软交换直接控制着各种新业务的发放与实施，保证了业务在全网开展的及时性。另外，支持开放的API接口，通过与第三方应用服务提供商合作，开发并引入新的业务和应用。
（4） 3G核心网 （3G Core Network）
软交换技术不仅适用于固定网络，同样，在3GPP R4定义的3G无线核心网中，也采用软交换技术，实现呼叫控制与媒体承载的分离。与固网相比，网络结构完全一致，但在移动性管理，安全保密，认证授权等方面，对软交换设备功能进行了相应的扩展。
5、软交换存在的问题
目前虽然不少厂家推出了软交换的解决方案，各运营商也在积极进行相关的试验，但新技术的应用要相当长的时间来完善，从目前厂家所提供的解决方案来看，存在的主要问题是：
（1）国际上尚无大型网络的组网和运营经验
传统电信网经过长期的运营积累，在网络组织方面已经具有相当成熟的经验；而基于软交换的网络组织目前国内外尚无成熟的经验，是采用基于软交换的全平面结构，还是分区域选路结构等在技术和实践方面都有待进一步的探索。
（2）协议尚未做到兼容性，标准还在发展之中
不同厂家的软交换在技术标准的选用及协议的兼容性方面还难以做到相互兼容。BICC协议、SIP－T协议和H．248协议也在发展之中，协议的选项要求运营商根据业务的需要进一步确定。
（3）API没有成熟的产品
基于开放的业务平台、采用标准的API接口，为网络运营商提供新业务开创了未来美好的前景，但是相应的产品仍在探索和研发之中。
（4）QoS没有最终的解决方案
（5）目前主要的解决方案只提供话音业务，新的业务正在积极开发和试验
（6）多媒体业务尚需进一步开发
（7）网络安全问题
（8）第三方提供业务的模式问题
（9）业务可管理问题
四、光联网
1、智能光网络的基本概念和发展
随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求不仅变得越来越大，而且由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。传统的主要靠人工配置网络连接的原始方法耗时费力易出错，不仅难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要。一种能够自动完成网络连接的新型网络概念--自动交换传送网（ITU-T SG13命名为ASTN）或自动交换光网络（ITU-T SG15命名为ASON）应运而生。这是一种利用独立的ASTN/ASON控制面通过各种传送网（包括SDH或OTN）来实施自动连接管理的网络，这种具有独立控制面的光网络称为智能光传送网，简称智能光网络。
在网络中引入ASTN/ASON的主要好处有：允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了业务层升级扩容时间，明显增加业务层节点的业务量负荷；具有可扩展的信令能力集；快速的业务提供和拓展；降低维护管理运营费用；光层的快速业务恢复能力；减少了用于新技术配置管理的运行支持系统软件的需要，只需维护一个动态数据库，也减少了人工出错机会；还可以引入新的业务类型，诸如按需带宽业务、波长批发、波长出租、分级的带宽业务、动态波长分配租用业务、带宽交易、光拨号业务、动态路由分配、光层虚拟专用网(VPN)等，使传统的传送网向业务网方向演进。
作为网络敷设实例，美国AT&T公司已经率先在全国范围内敷设了连接约100个城市的智能光网络，由约100台智能光交换机和800多台SONET多业务平台构成。前者主要完成以45Mbit/s为基础带宽颗粒的实时交换和动态指配，后者主要在网络边缘汇聚低速业务至2.5Gbit/s或10Gbit/s速率再经光交换选路通过网络，基于实时的信令和选路算法。新网络不仅减少了成本和指配出错机会，使运作流畅，增加了容量，也简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路指配时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务。
按照Frost & Sullivan公司最近的预测，尽管全球电信设备市场总体呈低迷状态，但为了降低成本，增加收入，全球光交换的市场将仍然从2001年的3.36亿美圆增加到2006年的60亿美圆，智能光网络将成为未来几年传送网发展的重要方向和市场机遇。
2、智能光网络的标准化框架和进展
目前涉及智能光网络标准工作的国际标准组织和准标准组织有国际电信联盟标准部(ITU-T)，光互联论坛(OIF)和互联网工程任务组(IETF)，每一个组织都有自己的一套结构原理和要求，并由此开发控制面机制。
ITU-T作为唯一的全球电信标准的权威制定组织，正在全力推进这一重要领域的标准化进程。ITU-T采用的是传统的从上往下设计方法，主要负责网络体系结构、网络性能和设备功能要求以及物理层规范等，已经完成了一系列标准。IETF则重在规范具体协议和信令，正在利用现有信令协议的扩展和修改来开发ASON控制面，包括RSVP-TE和CR-LDP，它倾向前者。起初，IETF的信令要求主要基于对等模型，即全平面结构，无明确的UNI和NNI概念，近来也覆盖客户-服务者关系结构，即重叠网模型，但其基本倾向仍然是对等模型。而OIF的位置处于两者之间，其规范试图结合两者，但更多地基于结构式方法，即重叠网模型，从ASTN/ASON控制面的结构原理和要求开始，主要规范UNI和NNI，目前已经完成UNI 1.0版本并演示了多厂家的互操作性，正在开发2.0版本，计划增强接口功能，NNI的规范工作也有进展。
在理论上三者的工作领域没有冲突，但实际上由于技术、文化和政治的差异，导致具体问题上的冲突，特别是ITU-T和IETF之间还有不少冲突的地方，正在协调解决。下面主要介绍ITU-T的标准工作状态。
目前，ITU有关智能光传送网的建议内容有：
*网络结构：G.871定义了光传送网建议框架结构，G.872定义了光传送网结构。
*传送面：G.709定义了光网络的网络节点接口，包括帧结构和开销规定，G.959.1定义了光网络域间物理接口，G.693定义了光网络的局内物理接口，G.798定义了传输网络设备功能描述，G.8251定义了OTN NNI的抖动和漂移要求，G.7041定义了通用组帧规程，G.7042定义了虚级联信号的自动链路容量调整方案，G.664定义了光传送网安全要求。
*管理面：G.874定义了OTN网元的管理，G.8741定义了光传送网网元信息模型，G.7710定义了公用设备管理功能。
*控制面：G.8070定义了自动交换传送网总体要求，G.8080定义了自动交换光网络结构，G.7713定义了协议独立的分布式呼叫和连接管理信令，G.7713.1定义了基于PNNI 的DCM 信令，G.7713.2定义了使用GMPLS RSVP-TE.的DCM 信令，G.7713.3定义了使用GMPLS CR-LDP的DCM信令，G.7714定义了ASTN/ASON中的自动发现技术，G.7715定义了在ASON 网络中建立SC和SPC 连接选路功能的结构和要求，G.7716 定义ASON链路管理。
*数据通信网：G.7712定义了数据通信网的体系结构与规范。
3、信令及相关接口
(1)用户网络接口（UNI）
它是指用户和网络间的接口，是有效沟通两者的桥梁，必须有明确规范。该接口需要规范的主要内容有每个用户端点的连接建立请求速率、连接请求参数、光通路端点的寻址方案、光通路客户的命名方案、保护要求的规定、安全参数和响应时间等。
从功能角度看，跨越UNI参考点的信息流应该至少支持呼叫控制、资源发现、连接控制和连接选择等四项基本功能，通常不支持选路功能。此外，像呼叫安全和认证，增强的号码业务等功能也可以加到这个接口参考点上。
(2)外部网络节点接口（E-NNI）
它是指属于不同管理域且无信任关系的控制面实体间的双向信令接口。有了标准化接口就可以将ASTN/ASON进一步划分为多个子网，而每个子网可以独立管理而仍然能跨过多个管理域建立端到端连接，这对于复杂的网络环境下实施ASTN/ASON十分必要。
从功能角度看，跨越E-NNI参考点的信息流应该至少支持呼叫控制、资源发现、连接控制、连接选择和连接选路等五项基本功能。
(3)内部网络节点接口（I-NNI）
它是指属于同一管理域或多个具有信任关系的管理域的控制面实体间的双向信令接口。该接口需要重点规范的是信令与选路，此外，还需要有一种手段允许信令为特定的正在建立的连接进行选路，这将涉及选路信息交换协议。其次，还需要能为路由选择提供可用的初步拓朴概况。
从功能角度看，跨越I-NNI参考点的信息流应该至少支持资源发现、连接控制、连接选择和连接选路等四项基本功能。
4、信令网
信令网借助在用户与网络之间以及不同网络实体之间传递与业务相关信息的方式来支持控制面。从现有网络情况看，信令主要是由客户层网络携带的，即ASTN/ASON信令网也应该基于共路信令，允许网络运营者开发分离的信令网。共路信令方式的主要优点是具有很高的扩展性，信令链路的规模可以在经济上最佳化，可以实现高度的弹性以及信令消息栈的扩展比较容易等。
5、网络性能要求和特点
ASTN/ASON的网络性能要求和特点大体上有下述几个方面：
(1)可用性和误码性能
可用性和误码性能的概念既适用于单个连接和长观察时间的永久连接，又适用于多个连接和短观察时间的永久连接。然而，由于交换连接可能仅仅存在几分钟或几个小时，不是一个长期的稳态过程，不适用可用性和误码性能的概念。同样，传统的误块秒、严重误块秒和背景误块比等指标是针对一个月的观察时间规范的，因而原则上也不适用于交换连接。
(2)呼叫性能
客户/用户应该具备在中断或性能劣化的情况下恢复业务的能力。因此，衡量成功呼叫对发起呼叫比例的呼叫性能指标对自动交换网是一个重要参数，必须科学规范。
(3)传输延时
通常，恒定比特率信号通过设备的传输延时很小，网络的传输延时主要是由光信号通过光缆传输所经历的延时所主宰。在正常工作情况下，自动交换网总是选择最短路径，因此对整个网络的传输延时的影响很小。