面向服务网络架构的通信网络设计分析

黄天章，柳 强，郭海龙

(1.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北石家庄 050081;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

随着美国网络中心战概念的提出，目前作战模式从以武器平台为中心转向了以信息平台为中心。这种作战模式对通信网络提出了许多新的需求，如支持可控可管和综合业务，提供安全、集成、一体化的端到端信息服务，允许用户随时随地通信和访问共享数据等。上述这些能力只有通过构建新一代的栅格化通信网络才能实现。同时随着通信、计算机和网络技术的迅猛发展，通信网络以综合业务为发展趋势，现有的因特网体系结构从安全性、可控性、移动性等方面，不能满足目前和将来的通信需求;现有的电信网体系结构从业务开放性、数据综合业务及带宽性能等方面，也不能满足目前和将来的业务需求。因此，构建新一代的栅格化信息网络［1］，解决现有网络在管理性、安全性、高性能、移动性等方面显示的诸多问题，不仅是通信网络发展的需要，也是通信技术的发展趋势，是需求推动和技术发展的必然。

1 应用需求

新一代的栅格化通信网络，不但需要具备支持综合业务、统一通信、集成服务和集成应用等主要通信网络功能;同时，还要具备如下主要技术特征:①具备规模和功能扩展性，通信网络具有很大的地址空间容量，网络规模可以扩展;接入网络的终端种类和数量更多，网络功能更强;② 具备有效的平台开放、网络开放和业务服务开放，为高层指控业务提供更有效的网络和业务服务;③ 具备可控的管理、有效的运营和及时的维护;④ 具备数据加密、网络对象识别、身份认证和访问授权等可信的安全性，具有完整性;⑤具备便捷的无线和移动性，为用户提供无处不在的无线和移动通信应用;⑥具备端到端高性能的通信能力。

面对上述复杂的需求，要用面向服务的新概念实现通信网络，才能适应用户的网络应用［2］。因此，具体需要构建一个面向服务网络架构(SONA)的通信网络。

2 方案设计

下文说明面向服务网络架构的通信网络的网络设计。

2.1 网络组成

面向服务网络架构的通信网络由具体的网络设备通过物理链路互连而成，如图1所示，不同的设备组合实现网络中不同的功能。

图1 面向服务网络架构的通信试验网络

其中主要网络设备有:① 会话控制服务器:是面向服务网络架构通信网络中的核心控制设备，完成呼叫控制、媒体网关接入控制和协议处理等功能，并实现相对独立的业务服务体系，使业务服务独立于网络，支持SIP等多种协议。②认证/DNS/DHCP服务器:用于完成各种用户和接入设备的认证、域名翻译和地址分配等功能。③ 信令网关/媒体网关:信令网关连接IP网与七号信令网的设备，主要完成IP网侧协议与PSTN侧七号信令的转换功能。支持IUA、M3UA和SCTP等协议，媒体网关可以处理音频、视频和媒体会议等，支持H.248协议。④ 网络服务能力服务器:是体现面向服务网络架构的重要网络设备之一。负责各种定制的增值业务服务和智能业务服务的逻辑产生和管理，并且提供各种开放的API接口，为第3方栅格业务服务的开发提供2次开发平台，可以引入新业务服务;同时，融合网络基础设施，集中和共享网络资源，向用户提供虚拟化网络功能服务。⑤ IPv6/IPv4路由交换机:是双协议栈路由交换机，用于组成核心承载网络或接入承载网络，将网络中的设备和服务器互联起来，完成通信网络的信息传送功能。

2.2 体系结构

面向服务网络架构的通信网络设计划分为3个层次，包括承载层、控制层和交互式服务层。其体系结构如图2所示，不同的层完成不同的层次功能。

图2 面向服务网络架构的通信网络体系结构

①承载层:由IPv6/IPv4双栈核心路由交换机互连组成核心承载网，为业务网络和控制层提供承载层网络服务功能;② 控制层［3，4］:以会话控制服务器为主，实现呼叫会话控制功能(CSCF)，依赖核心承载网为传送手段，组成业务控制网络，为业务网络和交互式服务层提供策略、资源等控制层网络服务功能;③交互式服务层:为用户终端、业务网络和栅格应用提供交互式网络服务，是体现面向服务网络架构的重要层面。它是以网络服务能力服务器为实体，整合承载层和控制层的能力，将统一的基于网络的业务功能在网络服务能力服务器中实现，向用户提供统一的定制网络服务;向业务应用和用户终端提供网络服务开发平台，供用户进行2次个性化创作;融合网络基础设施，集中和共享分布在网络上的资源，向用户提供和开放虚拟化网络服务;能够识别应用，调整通信网络资源，优化应用性能，更有效地向用户提供和开放网络应用服务。交互式服务层具体完成策略执行、服务发现、服务注册、服务协作、服务开发支撑、服务合成以及服务管理等功能。可以提供基于策略的栅格通信网络资源管理服务等具体服务。

目前电信领域提出的下一代网络(NGN)技术体系［5］和计算机领域提出的下一代互联网(NGI)技术体系［6］可供设计参考。面向服务网络架构通信网络的设计方案采用的是改进的NGN技术体系。其核心思想是:在保证通信网络基本信息传送功能的基础上，加强可控可管可信，以面向服务为重心，突出提供网络应用服务的特点。

3 网络技术体系分析

下面对NGN、NGI和SONA 3种网络技术体系进行逐个分析，并进行比较。

3.1 NGN技术体系

NGN是国际电信联盟电信标准化组织提出的，其技术特征包括:① 具有开放的网络体系结构;②具有可管理性和可维护性;③ 支持综合业务和服务质量保证;④具有网络的融合性;⑤ 业务独立于承载、业务与控制分离、控制与承载分离、承载与接入分离;⑥具有通用移动性。NGN技术体系更侧重于满足通信网络的可控可管和服务质量方面的要求，更侧重于在这些方面深入研究发展。

3.2 NGN局限性

NGN技术体系是由电信领域提出的，由于其应用和设计的理念，决定了有其内在局限性:① NGN是为了支持IP的应用，在承载层统一采用了IP技术。在卫通、微波等无线和窄带宽信道场景下，采用何种技术，如何支持IP应用，是NGN要解决的问题之一。解决得不好，就限制了承载网的性能和使用。②NGN提出网络可管可控的目的是要计费，既对网络使用计费，又对网络上的业务进行计费，这是非常大的网络设计理念问题，这个理念会颠覆很多问题，使得NGN对许多创新技术的应用受到局限，从而对开放业务服务和提供网络层服务的技术方面发展带来很大的制约。因此NGN从体系结构设计一开始，开放性技术方面就会存在一定的局限性。③NGN的标准是由ITU-T提出的。标准制定周期较长，间接地增加了NGN网络技术推广的时间代价。

3.3 NGI技术体系

目前对NGI的研究大部分都是以互联网存在问题的解决、网络功能和性能的升级作为出发点［6，7］。NGI具有的特点包括:① 采用IP分组交换技术;②维持网络与业务分离的基本属性，支持多种业务类型的承载;③智能的分布逐渐从用户端向网络边缘设备渗透，网络内部维持原有的扁平化设计;④NGI通过提供划分安全域、域间安全互连、网络边缘的智能安全接入等安全能力满足用户安全需求;⑤具备兼容各种异构网络的能力。支持通信终端的无缝快速移动、多种多样的终端接入技术和大规模的分布式泛在服务，以便随时随地给用户提供无所不有的综合服务。NGI更侧重于向面向服务和应用方面的研究与发展。

3.4 NGI局限性

NGI技术体系是由计算机领域提出的，由于其应用和设计的理念，决定了有其内在不适应性:①由于NGI继承了互联网的开放性，现在的安全问题是否能完善解决，网络可信安全能力能否达到用户的要求等问题，还有待于研究和验证;② 由于NGI继承了以路由可达、尽力而为为特点的IP技术，特别适合网络拓扑变化频繁、网络抗毁重构的环境。与NGN的面向连接、保证服务质量为指导理念的应用环境是互补的，既是优点，又存在其保证服务质量方面的不足;③NGI侧重于研究如何提供业务层应用，而对于网络传送功能，只要尽最大可能提高分组传送的效率和网络的抗毁性即可，至于IP技术如何适应多种类型的无线链路(卫通、微波等)并没有更好的解决方案;④ 在NGI中，运行于承载网络之上的业务服务平台还没有做到全面可控可管。

3.5 SONA技术特点

在现有通信网络技术的基础上，构建新一代栅格化通信网络目前最迫切的工作是实现服务开放和业务开放。因此，结合对NGN和NGI的分析，给出了设计面向服务网络架构通信网络的基本思路:加强可控可管和服务质量保证，继承因特网的技术精髓和成功经验，以面向网络服务为重心，向用户提供开放的网络服务和业务应用服务平台。

SONA的技术特征包括:①划分交互式服务层:以承载网服务、通信网络控制服务、网络管理服务、虚拟化网络服务以及网络应用服务等不同形式的封装服务，开放通信网络服务交互平台，支持通信栅格的用户需求;②全开放的分层体系结构:SONA网络将功能模块分离成为独立的网络部件，各个部件可以按相应的功能划分分层独立发展，简化了网络规划和设计，部件间的协议基于统一标准，易于实现各种异构网络的互通;③ 基于统一协议的分组网络:SONA网络采用基于IP的分组交换网作为提供话音、数据、多媒体等业务的综合性信息平台，适合多种类型信息的传送，降低了多种业务通信成本，提高了网络资源利用率;④业务驱动的网络:SONA网络实现业务与呼叫控制分离，呼叫控制与承载分离，在一个整合的网络中承载语音、数据、多媒体等多种业务，使业务真正独立于网络，新的业务可以快速灵活地部署;⑤向用户提供开放的网络服务和业务应用服务平台，采用尽力而为作为网络抗毁的保障手段，倡导简单实用技术等。

3.6 网络技术体系比较

NGN、NGI和SONA技术体系比较如表1所示。

表1 NGN、NGI和SONA网络技术体系比较

总结NGN、NGI和SONA技术体系，在下一代网络目标方面具有共同点:以IP为网络层承载;支持话音、数据和视频统一的平台;开放网络平台，便于多元开发应用;开放业务加载，便于多业务扩展使用。但是，由于从各自领域和需求出发考虑下一代网络，目前设计的体系结构和采用的技术均深刻带着各自设计理念的烙印。

4 试验结果分析

面向服务网络架构的通信试验网验证环境是:承载层由IPv6/IPv4路由交换机、以太网交换机组成;控制层由媒体网关/信令网关服务器、综合接入设备、IP终端、PSTN交换机、传统固定电话、归属用户数据库服务器、DHCP服务器、DNS服务器、认证服务器、会话控制服务器和媒体资源服务器构成;交互式服务层功能由网络能力服务器提供。

在试验网络中，进行的业务功能验证包括:话音和视频同传、通过综合接入设备电话呼叫、数据传输、召开视频会议以及白板使用等业务。

验证的关键技术有IPv4/IPv6双栈路由交换技术、统一的业务控制信令SIP协议、媒体网关/信令网关和认证技术等。IP双栈核心承载体制、业务控制体系等体制在试验网上得到了验证，网络能力服务器的功能还要深入地开发和试验。研制的网络设备，都已经达到设计要求，试验达到了预期结果。

5 结束语

设计面向服务网络架构的通信网络的目标是建立一个可控可管、保证QoS的通信网络信息传送平台，并向用户提供和开放多样化的交互式网络应用服务平台。

初期，主要实现集成服务，即融合网络基础设施，集中和共享网络上的资源，向用户提供虚拟化网络服务，建立智能网业务服务平台等多个定制业务平台，增强业务系统的服务能力，满足通信栅格的迫切需求。

后期要实现集成应用，即网络能够识别应用，从而能够优化应用的性能并更有效地向用户提供应用。在网络基础设施已经基本成熟的条件下，如何在其上为用户提供业务平台、应用平台和新的基于网络的业务服务，是下一代栅格化通信网络成功的关键。

［1］汪陶先.信息栅格与通信栅格［J］.现代通信技术，2004(4):1-6.

［2］梁凯鹏.面向服务的网络管理运控系统设计与实现［J］.无线电工程，2011，41(2):7-9.

［3］李吉良.下一代网络路由交换关键技术研究［J］.无线电通信技术，2008，34(2):1-5.

［4］ITU-T Y.2021 IMS for Next Generation Networks［S］，2006.

［5］ITU-T Y.2011 General principles and general reference model for Next Generation Networks［S］，2004.

［6］吴建平.下一代互联网体系结构基础研究及探索［J］.计算机学报，2008，31(9):1536-1548.

［7］卢彧.下一代互联网演进趋势及发展策略［J］.现代电信科技，2006(7):17-19.