下一代网络面临挑战
中国工程院副院长 邬贺铨
2004/07/27
电信业务、环境发生变化
在电话发明将近百年之后，移动通信和Internet带动电信业持续二十年的辉煌，但在世纪之交，网络泡沫的破灭将电信业拖入低迷时期。最近随着世界经济的好转，来自多方面的分析都表示，电信业已开始走出低谷。不过电信业的复苏已不可能重复过去的老路，它面对变化了的电信环境和电信业务。以我国电信网为例，电信业务主导模式发生了很大的变化。
据MII关于2003年的电信业务公告，2003年我国移动通信用户数（2.68693亿）开始超过固定电话用户数（2.63305亿），而且年增长率（30.4%）也超过固定用户（22.9%），移动业务收入也超过固定业务；长途的移动通信累计通话时长（540.9亿分钟）已接近固定长途电话时长（579.1亿分钟），而且前者的年增长率约为后者的4倍，从通话时长上移动超固定也就是一两年的事；在长途电话业务中，累计通话时长VoIP（808.1亿分钟）已经分别超过TDM的固定电话和移动电话，在国际电话业务累计时长中，VoIP（8.89亿分钟）多于TDM的固定加移动电话（7.4亿分钟）；在干线带宽中，基于IP的数据业务所需的带宽已超过TDM电话（固定+移动）所需的带宽。
另外据CNNIC2004年1月报告，我国使用ADSL/Cable Modem上网的用户数已占Internet用户数17.7%，如果将专线LAN上网的用户也计入宽带接入的话，宽带上网用户已超过上网人数的1/3，而且使用ADSL/Cable Modem上网的用户数增长率远高于其他接入方式，预计几年后将以宽带上网为主要手段；移动通信用户接近2.7亿，据中国移动2003年上半年统计，移动梦网用户占其用户总数的一半，而2003年底我国上网的计算机总数为3089万台，显然移动通信终端已取代PC成为最普遍的上网终端。还值得注意的是随着RFID（射频标识芯片）的大量使用，无处不在的传感器联网将预示着M2M（机器间通信）成为继P2P（人与人通信）之后的又一通信新应用，未来十年或更长一点时间，M2M的终端数将超过P2P的终端数。
面对电信业务和应用环境的变化，现有的基于电话业务设计的电路交换网不能灵活适应带宽各异的数据业务的发展；专为数据业务而设计的Internet对实时业务不具有QoS保障能力。即便对Internet赖以起家的数据业务，Internet过去的成功并不意味着此路永远越走越宽，全球Internet用户在近7亿基础上13%的年增长率及几乎每年翻番的业务量给Internet设施以巨大的压力，路由器已变得越来越复杂，用户接入速率因宽带化而呈数量级的提高，可扩展性的问题无法回避，此外还有安全性与业务质量保证问题，这些在Internet设计时始料不及的问题促使人们对其反思。ITU关于NGN的标准化研究课题中优先安排的是NGN网络体系的研究。美国最近启动了一个名为"100x100"项目（支持每户100Mbps、一亿家庭上网的网络体系研究），旨在以革命性思想来探讨网络体系变革之路。下面我们就从网络体系结构方面对传统电信网与Internet进行比较与探讨。
等级网与无级网
传统的电话网是等级网，如美国和中国过去将电话网的业务节点（交换机）分为五级（C1～C5），随着光纤的大量使用，传输系统的成本大大下降，主要节点间都有物理的直达路由，交换的级数便相应减少，但目前大多还分为端局、长途汇接局和省中心三级。Internet在设计之初就是无级网络，网上路由器处于同一个平面，每个路由器独立配置，路由器之间大多数情况下虽然没有直达的物理路由但都有逻辑连接，链路数随着路由器数目以平方关系增加，当网络规模大时很难管理。特别是当从IPv4升级到IPv6，目的地址数从4个字节扩展到16个字节，若继续采用不分级的选路方案，则导致增加选路延时，因此等级选路方案值得考虑，事实上IPv6的地址中已引入了等级寻址的结构。
最近我国很多电信运营公司都在试验软交换设备，软交换设备在路由器或ATM交换机之上引入业务控制模块，它的出现不仅赋予业务节点开发新业务和应用的潜力，而且其带宽的灵活性和大容量作为VoIP交换机使用也有竞争力，但在利用软交换设备组网时究竟选择等级网结构还是无级网结构，目前还缺乏经验。在网络标准化研究中最为关注的是NGN，期待它综合现有电话网和IP网的优点并支持多种业务，其中NGN采用何种（分级或不分级）体系是标准化的主要研究内容。从管理的角度这个问题并不复杂，当我们考虑全球连网或在国内的多个运营商之间联网时，分级是自然的选择，就是在同一个运营商内只要其网络具有一定规模，分级更符合其管理习惯，不过级数以较少为好。
控制面与管理面
交换是由控制面的信令控制的，交叉连接则是由管理面的网管控制的，两者都是对被控制的净荷实施空间、时间或波长等变换，区别的仅仅是被控制的净荷的颗粒大小和完成交换/交叉连接的时间。显然管理面的功能可以由控制面来完成，如果解决了颗粒性和实时性问题，控制面的功能也可以由管理面来完成，这两个面的功能界限可以淡化。在电信竞争环境下为了提高对客户需求的响应速度和服务质量，趋势是将部分管理面的功能交由控制面来实现。
长期以来所有的传输系统都是由网管来配置的，随着传输网越来越复杂，依靠网管人工配置通路费时且容易造成人为差错，无法适应通道动态地快速提供的需要。ASON（自动交换光网络）将控制面引入到光传输系统，这是传输系统演变为传送网的一次革命，借助于GMPLS（通用多协议标签交换）作为信令实现包括光层在内的按需自动连接配置，赋予光层连接接纳控制、选路和拓扑发现等新的功能，也可以说将光传输节点升级为光路由器。控制面的功能也并非越集中越好，为了控制面的快速响应，可以将一些与链路和接口有关的常规功能分布处理，或将一些功能转移到用户面（转发面）。
电路交换与分组交换
对NGN的基本要求是开放的系统协议和开放的业务体系，其中业务与传送层功能分离是这种开放性的标志之一。这里的传送层包括网络层及其下层的传送功能，提供业务平台之间的连接性，而不是OSI模型中网络层之上的"传送层"。NGN在网络层选择了分组交换模式，这并非因为统计复用的高效，是为了保持低的时延而不得不采用轻载运行，统计复用的效率被传输资源的低利用率抵消，但分组交换具有电路交换不可比拟的带宽灵活性，因此尽管它不如电路交换可靠和安全，仍然成为网络层（如IP、Ethernet）甚至链路层（如ATM、FR）的主流交换方式。
目前物理层不论用电或光传送都是连续比特流，可以说物理层仍然是基于电路型方式工作，而且传统的物理层没有交换功能。ASON利用GMPLS协议不仅在网络层、链路层而且在光层实现在信令控制下的交叉连接或交换。虽然目前还未看到有光存储和全光波长变换的经济上可行的解决方案，但从技术上看不久有可能实现，光交换被看作是宽带交换的未来。甚至有人认为既然分组交换因其带宽的颗粒性用在链路层和网络层，光交换也应该从电路型过渡到分组型，简化中间层次直接实现IP over Optical。但在光层实现分组交换需要解决从光信号中直接提取控制字段信息难题。回避这一难题的突发光交换成为一时的研究热点，这实际上是通过精确计算链路传输时延及准备发送的分组长度，使用类似于随路信令技术预置控制在光分组到达节点的时刻开启该节点的光开关实现分组传送，在复杂的光网络中这一方式存在可扩展性问题并且限制了在故障恢复时光路由选择的灵活性。显然IP over Optical的简单性不应以灵活性和经济性为折中。
问题还不仅在于技术上可否做得到或是否经济，而是有无必要实现光的分组交换。光层的最大优势是大容量，它适于对少量高带宽的业务信号进行交换或交叉连接。光交换并不需要也不可能代替电的交换，光层的交换与电的链路层、网络层等的交换应该是互补关系。细颗粒的交换由电层来完成是合适的，电层的分组交换与光层的宽带“电路交换”配合应该是经济合理的解决方案，当然如果光层能够感受分组网络层的流量变化和链路带宽与可靠性的要求将有助于端到端的QoS和全网性能优化。有人提议在网络边缘对于尽力而为的数据业务IP继续起支配作用，在核心网则使用"电路交换"的光网络作为多业务平台 。
面向连接和无连接
电路交换是面向连接，分组交换有面向连接和无连接之分，分别以ATM和IP为代表，在ATM和IP之争中IP因其简单而占了上风，但无连接模式在QoS保证方面先天不足，即便对QoS不敏感的数据业务，也缺乏可扩展性，无连接的方式还不利于对用户数据流的管理和安全性。有人指出未来的Internet需要有一些面向连接的特征，因此基于IP协议但辅以面向连接的信令支持成为新的探索方向。
传统的路由器是逐跳选路，在网络层同时进行分组转发与通道选择，路由器处理能力成为瓶颈。MPLS（多协议标签交换）实现了转发与控制分离，用面向连接的信令（标签）使任何一种基于分组的链路层技术都可支持网络层无连接的IP包的传送。利用LDP可以为分组传送预留LSP通道的网络资源，利用标签可以表示不同的业务类型，方便采用流量工程措施为解决可扩展性问题以及QoS问题奠定了基础，引入面向连接的信令来改进IP包的传送性能的方式。
信令是面向连接模式的主要标志。QoS的保证也离不开信令的作用。就目前所知,在IP网中还没有单一的QoS措施能够满足不同业务的QoS要求，可能需要控制面、用户数据面和管理面的多种QoS措施配合。为了跨过不同的面组合使用各种QoS措施，需要在这些措施之间利用信令或数据库查表交互QoS参数，软交换设备等业务节点之间也需要通过信令来沟通。在多个异构网相连时可能涉及不同的QoS机制，需要借助信令来协调以保证端到端的QoS性能。QoS信令可以是带内的或带外的，因此可在用户数据传输之前进行资源预留和QoS选路。带内信令肯定是随路的，即信令消息与用户数据经过相同的路由，信令节点与路由器可合用一设置，带外信令可以是随路的也可以是非随路的，后者即信令消息所经过的节点并不都在用户数据的路由上，信令节点单独设置虽增加成本但带来灵活性。
智能集中与分布
传统的电话网的终端很简单，智能集中在网络。Internet的设计思想是智能分散在终端，网络是"傻瓜"，网络不了解用户业务的质量要求。NGN保证端到端的QoS的关键是在多接入技术和多管理域的环境下优化有限的网络资源，为不同的业务提供不同的QoS，NGN采用的是Internet的技术（IP或与IP友好的传送技术）而不是其机理，即不再让网络作为"傻瓜"把复杂功能推给终端，在资源分配和业务传递方面网络必须是主动的和有智能的，不能像Internet那样靠终端来适应。从智能管理的角度可以将网络分为运载层（在这一层上的路由器等业务节点组成逻辑运载网LBN）、运载控制层（在这一层上有与LBN对应的运载资源管理器BRM，它记录和维护网络拓扑和资源数据库，还可以有流量监视和SLA管理等功能）和业务控制层（有各种业务控制服务器SCS，如软交换的业务控制功能）。
SCS识别每一业务请求、翻译编号或命名为IP地址并发送到源侧的BRM，BRM基于网络拓扑和资源数据库对业务流进行对应的LBN域内通道选择、资源分配和接纳控制，BRM除了向SCS返回响应外，将流识别、通道和QoS属性通知LBN的入口边缘路由器，该路由器按BRM规范的通道信息和QoS要求对业务流进行分组识别、分类、包封、赋形和标记，域内的路由器沿着规定的通道按优先权转发分组。不同的BRM通过信令交互作用为域间业务流选择域间通道。当业务流需要跨过多个运营商时，网间还需设置应用网关或边界路由器，以便按规定的SLA管理网间链路资源。当然在强调智能在网络的同时并不排斥智能在边缘，网络的智能与终端的智能配合可提供更多样性的业务。
多业务网的综合和多业务综合网
就人们的愿望来说，总是希望用一个网完成全业务的所有功能，从ISDN到B-ISDN都是从这一目标开始的，Internet的出现使B-ISDN作为目标网之梦破灭。从VoIP开始Internet也朝着全业务网方向扩展，但QoS、可扩展性和安全性是无法回避的问题，在Internet上解决这些问题的难度和代价催生了NGN的出现。NGN应具有的基本特征可概括为：多业务（话音与数据、固定与移动、点到点与广播的会聚）、宽带化（具有端到端透明性）、分组化、开放性（控制功能与承载能力分离；业务功能与传送功能分离；用户接入与业务提供分离）、移动性、兼容性（与现有网的互通），此外还应有安全性和可管理性（包括QoS的保证）。一个具有这些特征的网络毫无疑问堪称全业务网，问题仅仅是如何实现以及是否经济合理。
一种设计思想是集电信网和Internet优点于一身构造一个多业务综合网，实现B-ISDN希望而又未实现的目标。由于电信网和Internet机理不同甚至相反，所以融合并非易事。另一种设计思路是用多个业务网综合为全业务网，在多个网上业务会聚，实现一个号码的综合接入，从用户使用的感觉仍是一个多业务的综合网。3G以公共的接入手段同时连到电路交换子系统（CS）、分组交换子系统（PS）和IP多媒体子系统（IMS），按需提供移动多业务能力的方式就是一例。甚至有人明确提出固定业务与移动业务在很多方面（例如营业许可、竞争环境、适用法规、编号方式、资费标准）不同，不要试图为固定与移动业务的综合产生一个单一的NGN。而且反映用户要求的业务差异化越来越明显，网络能力客户化的呼声渐起，不同的网络各具所长，当用一个网来综合时一些特点可能难以体现。
ITU在一些文件中提出NGN作为GII的实现方式，特别是应基于GII的多样性技术的"网络联邦"的概念 ，更直接地说“NGN被看作是GII的'网络联邦'（用IP能力增强的传统电信、广播和数据网的联合）的一部分"。由此看出ITU并不排除用几个网的联合实现NGN的方式。至少在NGN的初期总要面对与多个现有网互通的现实，而且在NGN的初期其主要赢利的业务仍然是话音，原有的PSTN是非常适合承担这一任务的，具有PSTN的运营商将首先选择在NGN中通过VoIP的MG或软交换设备利用PSTN支持话音业务的方式。
面临电信业务和电信环境发生的变化，网络体系在交换/选路等级、控制面与管理面功能、电路交换与分组交换、面向连接与无连接、智能的集中与分布、业务与网络综合等方面的研究和选择中还存在诸多挑战。此外在异构网和多业务环境下，移动性管理、编号与寻址、网络安全体系等也是值得关注的问题，下一代网络任重而道远。
中国信息产业网(www.cnii.com.cn)
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