下一代网络的基本原则、功能结构和实现_电信_NGN及软交换_融合通信

下一代网络的基本原则、功能结构和实现

2007/05/08

摘要

　　详细讲解下一代网络的结构，主要讨论下一代网络的基本原则、功能结构和典型的实现方法，以及IP多媒体子系统的结构和功能实体等。

引言

　　互联网存在如下的“普适特性”：地址规划，用域名服务器作地址指配和地址鉴别，以及有电子邮件、文件传输、WWW之类的应用。鉴于上述这些特性及相关的网络基础设施，可以认为，基于IP的系统将成为下一代网络的基础。下一代网络将是一个增强的基于IP的网络。

　　但是，新的应用和布网要求提出了新的需求，这些需求是设计第一代分组网络时想象不到的。正是意识到这一点，ITU-T的Y.2001[1]明确了下一代网络的一系列特征。此外，ITU-T的Y.2011[2]提出了实现这些基本特征所需的结构基础及一般架构。

　　一般观点认为传统的电信服务和下一代网络的主要区别是：前者为分散垂直集成面向专门应用的网络，后者是能够承载所有服务的单一网络，前者在向后者转移。对于电话服务，其将从电路交换的基础设施向分组交换的基础设施转移。在当前，下一代网络标准化工作目标是，确保基于IP的下一代网络能够达到与传统电话网络相同的服务标准，不仅包括电话服务，而且包含尽可能广泛的当前和未来的多媒体应用。

　　1.ITU-T Y.2001建议：下一代网络概述

　　ITU-TY.2001建议给出了下一代网络的一般定义。下一代网络（NGN）能提供电信服务，使用多宽带及确保服务质量（QoS）的传输技术，是基于分组技术的网络。在该网络内，与服务相关的功能不依赖于与传输相关的基础技术。它能使用户无束缚地接入网络并能促进服务供应商的竞争。NGN支持能对用户提供个性化和无所不至服务的广泛移动性。

　　该定义确认了服务与传输的分离，提出把服务质量控制（QoS）加到基于IP的传输上。NGN使得服务供应商可以很容易地确立服务项目，用户可以自由地选择服务。该定义还表明移动和固定系统间以及固定系统间移动性得到适当延伸。

　　Y.2001建议确定的基本特征在C.S.Lee和D.Knight的文章中作了陈述（见本年度《中国无线电》第一期刊载的系列译文第一篇）。

　　2.ITU-T Y.2011建议：下一代网络的一般原则和参考模型

　　ITU-T Y.2011的主要目的是确立支持下一代网络服务的功能模型的开发基础。

　　该建议首先指出了下一代网络分层系统和ITU-T X.200[3]建议书中定义的七层开放系统互连的基本参考模型（OSIBRM）间的潜在差别。例如，在考虑下一代网络系统（非开放系统互联）时，对比七层开放系统互连的基本参考模型的层数和特殊特征，可能会遇到如下几种困难情形:

层数可能不是七;

单个层的功能可能与开放系统互连的基本参考模型不符;

开放系统互连的基本参考模型中某些规定的或禁止的条件/定义可能不适用;

所涉及的协议可以不是开放系统互连协议（典型的例子是IP）;

开放系统互连的基本参考模型的一致性要求可能不适用。

　　ITU-T Y.2011的附件详细地列出了可为下一代网络保留的开放系统互连的基本参考模型的条款和不适用的条款。

　　服务和功能是彼此关联的，因为功能是用于构建服务的。将功能划分为两个明显不同的组或面是非常便利的:一个包含所有的控制功能，另一个包含全部管理功能。

图1 ITU-T Y.2011提出的功能模型

　　按照这种思路，ITU-T Y.2011接着考虑系统实现的功能，提出了一个高级模型，如图1所示。该模型显示了基于系统开发的目的功能是如何分组的。图1所示的功能块可以进一步划分为子组，以利于方便地进行分组和对分布式系统的描绘。

　　3.下一代网络的结构

　　本节介绍下一代网络重点工作组在ITU-T指导下讨论过的下一代网络结构的情况。需要指出的是，最后的描述可能会依据进一步讨论的结论有所变动。

　　下一代网络的服务将包括两个方面：基于会话的服务和非基于会话的服务。前者的例子诸如IP电话、电视会议和电视聊天，后者业务有媒体流和广播等。此外，下一代网络支持公用交换电话网/综合业务数字网(PSTN/ISDN)替代物（ITU-T的术语即PSTN/ISTN的仿真）。

图2 下一代网络结构示意图

　　图2展示了下一代网络结构。根据Y.2011建议书，下一代网络的功能分为服务层和传输层。终端用户功能由用户-网络接口（UNI）接到下一代网络，而其他网络则通过网络—网络接口（NNI）互相连接。

　　3.1 传输层功能

　　传输层功能为下一代网络内所有成分和物理上分开的功能提供连接。IP是下一代网络最有前景的传输技术。因此，传输层将为下一代网络外的末端用户设备和通常驻留在网络内服务器上的控制器和启动器提供连接。传输层还负责提供端对端的服务质量控制。端对端的服务质量是人们所期望的下一代网络应具有的特性之一。

　　传输层分成接入网和核心网两个部分，并由一种连接功能连接起来。

　　（1）接入功能

　　接入功能管理末端用户对网络的接入。它涉及的接入技术有宽带码分多址（W-CDMA）和数字用户线（xDSL）等。接入网包括相关的电缆接入、数字用户线技术、无线技术、以太网技术和光学接入的功能。

　　（2）接入传输功能

　　接入传输功能负责将信息通过接入网进行传输。它还提供直接处理用户业务，包括缓冲管理、排队和调度、包过滤、业务分级、标注、监控和整形的服务质量控制机制。

　　（3）边缘功能

　　当接入业务并入核心网时，边缘功能负责进行业务处理。

　　（4）核心传输功能

　　核心传输功能负责确保通过核心网的信息传输顺利进行。根据与传输控制功能的相互作用，它提供鉴别网内传输质量的方法。它还提供直接处理用户业务，包括缓冲管理、排队和调度、包的过滤、业务分级、标注、监控和整形、门控制和防火墙的服务质量机制。

　　（5）网络接触控制功能

　　网络接触控制功能执行接入级的登录以及进入下一代网络服务的末端用户功能的启动。它提供网络级的识别/认证，管理接入网的IP地址空间和确认接入会话，还向末端用户发布下一代网络服务和应用功能的接触点。也即，网络接触控制功能协助末端用户设备进行登录和启动使用下一代网络。

　　（6）资源与准入控制功能

　　资源与准入控制功能提供准入控制和门控制功能，包括对网址、端口编译（NAPTs）和不同服务场地码点（DSCPs）的控制。准入控制通过网络接触控制功能来进一步核验用户身份。核验资源的可用性是指准入控制功能验证一个资源（如带宽）申请的合理性，在检查了已经分配或占用的资源后，决定是否在剩余资源中批准配给。

　　资源与准入控制功能与传输功能相互作用来控制传输层内的功能，包括：包过滤、业务分级、标注和监控，带宽保留和指配、网址和端口编译、IP地址的反欺骗、网址和端口编译/防火墙的通过和使用计量。

　　（7）传输用户身份功能

　　传输用户身份功能块将传输层内的用户和其他控制数据编译成单一的“用户身份”。该功能可以规定为驻留在下一代网络内任何部分的一组功能性合作数据库并加以实现。

　　（8）网间连接功能

　　网间连接功能提供与其他网络的互联能力，包括许多现存的网络，如基于公用交换电话网/综合业务数字网的网络。为其他网络设置的网络-网络接口，用在控制与传输级两者中，包括边界处的网间连接。控制和传输级间的交互可以直接进行，或通过传输控制功能进行。

　　（9）媒体处理功能

　　该系列的媒体资源处理功能为提供生成单音信号、译码和会议桥接类的服务进行媒体资源处理。

　　3.2 服务层功能

　　服务层功能提供基于会话的和非会话的服务，包括现况信息的描绘，即时消息交换的消息方法等。服务层功能还提供与现有的公用交换电话网/综合业务数字网服务和能力相关的全部网络功能，以及与遗留雇主设备的接口。

　　（1）服务和控制功能

　　它包括在服务级上的会话控制功能、登录功能、确认和批准功能，控制媒体源（专门资源）的功能。

　　（2）服务用户身份功能

　　该功能将服务层内的用户和其他控制数据编译成单一的“用户身份”。该功能可以规定为驻留在下一代网络内任何部分的一组功能性合作数据库，并加以实现。

　　（3）应用功能

　　下一代网络支持开放的应用接口，可使第三方服务供应商为用户提供增强的服务。全部应用功能（委托的和非委托的）和服务供应商，通过服务层内的服务或网间连接器，接入下一代网络资源。

　　3.3 管理功能

　　管理功能可以分布式地位于每个功能实体（FE）内，与网络要素（NE）管理、网络管理和服务管理功能实体相交互。

　　管理功能包括计费和开单功能，给NGN运营商提供资源利用率数据以使他们能准确地给用户开计费单。记费和开单功能支持离线记账的数据收集和近实时的在线记账类的数据收集。

　　3.4 末端用户功能

　　对末端用户的接口有物理接口和功能接口两种方式，如图2所示。下一代网络对所有类型的雇主设备都支持，包括遗留下来的单线电话和复杂的集团网络。末端用户设备可以是移动的，也可以是固定的。

　　4. NGN的IP多媒体子系统

　　4.1 IP多媒体子系统概述

　　IP多媒体子系统(IMS)是一组核心网络功能实体和接口，主要由网络服务供应商向用户提供基于会话启动协议（SIP）的服务组成。会话启动协议是由互联网工程特遣队（IETF）制定的[4]。尽管在IP多媒体子系统与基础传输功能之间有某些链路，而且这些链路是可以由接入体现的，但IP多媒体子系统大部分是独立于接入网技术的。IP多媒体子系统是在互联网工程特遣队协议上建立的，它以特殊的形态和增强的性能，提供完备、强健的多媒体系统。

　　除了性能增强和运行形态之外，IP多媒体子系统需要一组垂直的接口来提供如下的能力:

会计、安全、登录资料、服务控制等应用服务的公共接口，对服务构成模块的公共接口;

协调的和增强的服务质量;

在运营商控制下，基于会话的媒体启用;

在服务、会话、和传输层中相关的会计和计费。

　　这些能力使IP多媒体子系统不同于通常的会话控制的互联网应用。IP多媒体子系统基于这样一种模型：网络运营商和服务供应商分别控制对网络和服务的接入，而雇主对他们分别付费。这与通常的互联网模型相反，互联网是透明的，所有的服务是由末端提供的。理论上，用户在服务质量的控制、单一标志的安全性和雇主支持等方面会有一定程度的改善。

　　4.2 IP多媒体子系统结构

　　（1）核心网与接入网

　　如上所述，IP多媒体子系统是核心网功能实体的一个集合。这个区别于核心和接入的术语来自于无线网络模型，在此模型中一个以上的无线接入网连接到一个公共核心。无线接入网提供从终端到核心网服务的连接。

　　就一个IP多媒体子系统而言，一个接入网是提供一个用户域和一个核心传输网间IP传输连接性的实体集合。按照基础技术、所有权或行政权力划分，接入网彼此是有区别的。

　　核心网是在一个接入网和其它核心传输网间、两个接入网间、或两个其他核心传输网间提供IP传输连接性的实体集合。核心传输网还提供对服务层实体的连接性，如IP多媒体子系统。按照基础技术、所有权或行政权力划分，核心传输网也可能彼此有区别。

　　IP多媒体子系统的基本特征之一是支持用户的移动性。图3是这种网络集合分配的一个例子。当一个用户从一个接入网运动到另一个接入网时，IMS可以提供对同一个核心网的接入服务，这对漫游之类的非实时移动是可以实现的，当接入技术支持移动性时，对切换之类的实时移动也是可以实现的。

　　图3 网络配分案例

　　如图3所示，与一个被访问的网不同，IP多媒体子系统还支持母网的概念。在这个例子中，母网是支持具有登录权的IP多媒体子系统的核心网。被访问的网是当前向用户提供IP多媒体子系统服务连接的网。图3中的运营商A拥有许多叠接网用户的母网，而运营商C拥有移动电话的母网，而用户正在运营商D的网络中漫游。

　　（2）IP多媒体子系统功能实体

　　图4给出了构成IP多媒体子系统功能结构的功能实体和参考点，还表明了IP多媒体子系统的实体在母网和被访网之间是如何分布的。

　　图4 IP多媒体子系统功能实体和参考点

　　应用服务器（AS）

　　AS提供对IP多媒体子系统服务的控制。应用服务器可直接与一个服务呼叫会话控制功能（S-CSCF）连接，或为ISC参考点上的第三方基本应用，通过开放服务结构（OSA）连接器进行连接。ISC接口是基于会话启动协议的，因此，会话启动协议消息可以在此接口上转发给服务呼叫会话控制功能，或进行反向转发。应用服务器可以与母网用户服务器(HSS)在Sh接口上交互来获得用户身份信息。应用服务器用于支持各种电话类的服务，如呼叫转移和号码翻译，并且可以支持现况、会议控制和在线计费之类的服务。

　　开启连接控制功能（BGCF）

　　BGCF接收由服务呼叫会话控制功能或另一个开启连接控制功能转发来的会话请求，并选择一个即将在网内开启公用交换电话网的网络。它可在其他网络中选择一个本地媒体连接控制功能，或同层的开启连接控制功能。这种在其他网中选择一个开启连接控制功能的能力，能优化被访网到公用交换电话网的路由，这是运营商所希望和支持的。

　　呼叫会话控制功能（CSCTs）

　　CSCTs负责IP多媒体子系统的会话控制。它与其他网络要素相协调来控制会话的特性、路由和资源分配。在IP多媒体子系统结构中有三种不同类型的呼叫会话控制功能:

服务呼叫会话控制功能（S-CSCF）——它是始发或收受会话的用户设备主要的母网会话控制点。

询问呼叫会话控制功能（I-CSCF）——它是从其他网络到用户设备所在的母网的接触点。

代理呼叫会话功能控制（P-CSCF）——它是从用户设备到IP多媒体子系统的接触点。

　　母网用户服务器（HSS）

　　HSS包含一个IP多媒体子系统注册数据库，该数据库含有与注册有关的信息。这些信息支持网络实体处理呼叫或会话。它支持IP多媒体子系统系统级的确认和批准，并掌握IP多媒体子系统用户的身份。它还有储存当前指定的服务呼叫会话控制的功能。

　　母网可包含一个或几个母网用户服务器，其数量取决于用户数、设备容量和网络的组织。

　　媒体连接控制功能(MGCF)

　　MGCF支持IP多媒体子系统与公用交换电话网的联网，还支持会话启动协议对ISUP的协议转换并控制承载级转换的媒体连接。

　　媒体连接器(MGW)

　　MGW在媒体连接控制功能的控制下，支持IP多媒体子系统与公用交换电话网的联网。它终止电路交换网络的承载信道和包交换网络的媒体流，并完成媒体转换功能如代码转换。此外，它支持双音多频的检测和生成。

　　媒体资源功能控制器（MRFC）

　　MRFC控制媒体资源功能处理器的媒体流资源。它从一个应用服务器或会话启动协议的端点，解译信息并控制媒体资源功能处理器，来支持媒体服务。它可以与一个应用服务器放在一起，来提供专门的应用服务器服务。

　　媒体资源功能处理器

　　它在媒体资源功能控制器的控制下，提供资源，进行媒体处理。它支持媒体流的混合、单音和铃声的生成、代码转换、媒体分析及其他功能。

　　注册定位器功能（SLF）

　　SLF起着分布式母网用户服务器系统前端的作用。它可以在登录和会话建立过程中，被询问呼叫会话控制功能询问，以得到包含所需用户专门资料的母网用户服务器的名字。它还可以在登录过程中，被服务呼叫会话控制功能询问，或被与Sh接口毗邻的应用服务器询问。

　　在单个母网用户服务器环境或其他一定的母网用户服务器环境中，如：一个地段服务器环境中，注册定位器功能是不需要的。当配置一个应用服务器并操作它来使用一个预先设定的母网用户服务器时，也不需要注册定位器功能。

　　用户设备（UE）

　　UE代表各式各样用户终端设备的功能。在接入网内，它支持该网的特定功能。此外，它支持IP多媒体子系统委托方的用户代理能力，支持IP多媒体子系统为登录、邀请等定义的会话启动协议。

　　4.3 IP多媒体子系统对会话启动协议和会话描述协议的使用

　　IP多媒体子系统使用一种特定的会话启动协议方式。它针对电信运营商的特殊需要，来确定码头和参数的扩展。下面给出一些特殊参数的例子:

新的确认参数，该参数是为Web确认码头定义的，用于登录过程中让完整钥和密钥通过，以便在用户设备和代理呼叫会话控制功能之间建立完整性保护关系。
新的标记参数，该参数用于承载会话启动协议码头内的加密/去密字符串，以实现询问呼叫会话控制功能的隐藏拓扑联网连接功能。
新的icn-计费信息参数，该参数是为P-计费矢量码头定义的，用于收入IP连接性网络计费信息。
新的用于P-接入网信息的参数，它提供服务于用户设备的接入网上的信息。

　　IP多媒体子系统结构已经引入了几种私人码头（P-码头）到互联网工程特遣队协议中，以满足电话需要。P-码头可选择性地扩展到会话启动协议中:

　　P-认定识别

　　它可使网络(如一个代理呼叫会话控制功能)认定一个主叫用户的公共用户ID。

　　P-被叫方ID

　　它使收受用户设备学习触发呼叫的拨号公共用户ID。

　　P-接入网信息

　　它使用户设备提供其正在使用的有关接入网的信息（如一个蜂窝网的ID）。

　　P-被访网ID

　　它使母网通过登录来发现用户所用的其他网的ID。

　　P-关联统一资源鉴别器

　　它使母网（如一个服务呼叫会话控制功能）将一组与登录状态下的公共用户ID相关联的统一资源鉴别器(URI)复原。

　　P-计费功能地址

　　它分配计费功能实体的地址。

　　P-计费矢量

　　它使计费相关信息共享。

　　多媒体子系统结构对于使用会话描述协议还有某些特定的限制。它取消了会话描述协议加载的加密措施。对于一个初始的邀请，IP多媒体子系统要求会话描述协议加载，以便收入终端能力和按照优先级次序排列的编解码。对于视频和音频媒体类型，每一种媒体流的建议带宽将包含在会话描述协议加载中。

　　5.多媒体子系统在下一代网络应用中所需增强的部分

　　多媒体子系统的规范是为使用接入网而开发的，并且是基于对接入网的一定假设作出的。不同类型接入网的内在差别，在多媒体子系统规范上有具体表现。

为支持基于xDSL的接入网，IP多媒体子系统可能还需要与IP连接性接入网的网络接触功能进行连接，以便接入地点信息。在基本的IP多媒体子系统的规范中不存在等效的接口。
必须考虑支持IPv4，这需要支持网址与端口编译功能。这样做至少有两个理由：一是某些运营商必须面对IPv4地址的短缺问题；二是媒体流IP地址的保密性不能依赖RFC 3041(IPv6无籍地址自动配置的保密性延伸)。网址与端口编译功能提供了隐藏终端地址的不同方案。
对网址与端口编译功能的支持已包含在下一代网络功能结构中。在IP多媒体子系统的规范中有必要延伸包含网址与端口编译配置的有关工作。
放松对带宽不足的限制，可以导致人们考虑对当前被视为强制性要求（如会话启动协议的压缩）的某些特性进行选择性支持。
位置管理的差别，将影响携带以信令接口和计费接口所表示的位置信息的各个协议。
对于xDSL接入网，当资源保留程序必须在末端用户的终端帮助下由一个网络实体（即在基于会话启动协议服务的情况下代理呼叫会话控制功能）启动时，接入网中资源保留程序的差别将要求其都变为IP多媒体子系统资源批准和保留程序。

　　上述的扩展正在由各个标准化实体进行检验，以便支持IP多媒体子系统在下一代网络中的使用。对IP多媒体子系统结构的必要修改，专家希望用修改第三代伙伴计划和第三代伙伴计划2的IP多媒体子系统的基本标准来完成，并作为未来发布文件的一部分。

　　6. 结论

　　本文介绍了ITU-T建议书中的下一代网络的一般原则和参考模型，考察了功能结构的一些最新概念。IP多媒体子系统结构及其标准化的功能实体和接口将被用于下一代网络，以支持由网络运营商所提供的基于会话启动协议的服务。（译自IEEE Commun Mag, Oct 2005, Vol 43, No 10, pp 49—56）

　　参考文献

　　[1] ITU-T Rec. Y.2001, “General Overview of NGN”

　　[2] ITU-T Rec. Y.2001, “General Principles and General Reference Model for Next Generation Network”

　　[3] ITU-T Rec.X200,”Information Technology—Open systems Interconnection— Basic Reference Model: The Basic model,:1994.

　　[4] IETF RFC 3261, “SIP Session Initiation Protocol”.

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