基于智能管道引擎的网络能力开放研究

林奕琳，张琳峰，王庆扬，蔡 康

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

1 引言

近年来智能终端的普及极大地推动了移动互联网的发展，工业和信息化部运行监测协调局发布的数据显示，2013年第一季度，全国移动互联网接入流量达到27 316.0万GB，同比增长56.5%，且已连续3个月增长率超过50%，移动互联网接入流量呈爆发式增长趋势。但另一方面，运营商收入增速却远小于流量增速，运营商面临被管道化的趋势。推动网络管道智能化，开展流量经营，积极探索商业模式创新，是运营商应对这一趋势的积极方式。本文针对智能管道的一个方面，从管道能力向应用开放，支持后向业务保障的角度，研究了基于智能管道引擎实现固移融合管道能力开放的架构和技术方案。

2 移动和固定宽带网络策略控制体系

在移动宽带网络中，通过PCC（policy and charging control，策略与计费控制）架构可实现智能化的策略和计费控制，应用功能（AF）服务器可通过Rx接口向PCRF（policy and charging rules function，策略和计费规则功能）提出业务QoS保障需求，PCRF通过与网络承载网元交互，实现对应用的带宽保障、资源优先级保障等服务。PCC架构如图1所示，图中PCRF为移动网策略控制系统，PCEF（policy and changing enforcement fuction,策略和计费执行功能）为策略执行网元，一般部署在核心网网关中，如LTE网络的PGW、HRPD网络中的PDSN、eHRPD网络中的HSGW等。

图1 移动网PCC架构

在实际部署时，PCRF网元一般为分省设置，第三方应用服务器需要与各省PCRF对接，部署难度较大，另外Rx接口采用的是Diameter协议，而不是互联网应用常用的Web Services协议，不利于规模推广部署。

在固定宽带网络中，应用通过与固网策略控制系统（DACS）交互，发起对业务的保障请求，固网策略控制系统根据用户签约情况，与宽带承载网网元交互，实现对用户的提速功能，提升用户业务使用体验。固网策略控制系统架构如图2所示。与移动网类似，固网策略控制系统一般为分省设置，应用需要与多个系统对接，增加了规模推广部署的难度。

图2 固网策略控制系统架构

3 固移融合管道能力开放架构

3.1 系统架构

为了解决上述移动宽带和固定宽带网络策略控制系统在后向业务保障方面的不足，本文提出了基于智能管道引擎的固移融合管道能力开放架构，如图3所示。通过在网络中引入智能管道引擎，向应用提供统一的网络能力开放接口，对应用屏蔽网络内部架构，应用只需要“一点接入”，即可面向全网用户提供差异化的网络资源保障服务。智能管道南向与固网和移动网策略控制系统对接，接口采用策略控制系统现有北向接口。

智能管道引擎主要包括以下主要功能。

图3 固移融合管道能力开放架构

·会话管理：主要提供会话创建管理、会话逻辑控制、会话状态维护等功能。

·业务控制：主要提供准入策略控制、固移路由控制、PCRF路由控制、DACS路由控制、话单控制等功能。

·状态管理：主要提供用户状态管理和网络状态管理功能。

·接口管理：主要包括网元接口管理及适配功能、应用接口管理及适配功能，其中网元接口管理及适配包括与DACS的接口、与PCRF的接口，应用接口管理及适配主要包括应用平台API的管理及适配功能。

·系统配置管理：主要提供权限配置、策略配置、网元配置等功能。

·统计报表管理及查询：主要提供用户准入策略信息、业务话单等信息的查询，提供业务资源保障能力调用情况统计等功能。

·监控与告警管理及查询：主要提供接口监控、系统监控、业务监控功能。

3.2 关键技术

3.2.1 路由选择方案

SPE收到来自应用的业务保障请求时，需区分用户来自固定网还是移动网，从而确定将QoS保障指示下发给DACS还是PCRF。根据应用平台所能获取的用户信息不同，具体有以下两种方案确定用户类型：

·根据所携带的用户标识类型，确定用户类型，如业务保障请求中携带了用户IMSI，则可确定用户为移动网用户；

·根据用户IP地址段，确定用户类型，一般运营商对固网和移动网用户会分配不同的IP地址段，根据用户IP地址，可进行区分。为支持各种不同场景，SPE应同时支持上述两种方式。除了确定用户接入网络类型外，当SPE同时与多个DACS或PCRF对接时，还应能将相应的QoS保障指示下发给为用户服务的具体DACS或PCRF。

由于一般情况下，特定的DACS所服务的区域内IP地址段是确定，因此SPE可根据IP地址确定用户归属的DACS。但对于PCRF的路由选择，SPE选择PCRF的方式应与Gx接口中PCEF选择PCRF的路由选择方式一致。具体有如下几种方案。

·DRA （Diameter routing agent，Diameter路由代理）方案：当网络中部署了DRA，PCEF通过DRA为用户选择服务PCRF，则SPE也应直接将消息发送给DRA系统，由DRA完成PCRF的选择并将消息路由到具体的服务PCRF。

·IMSI号段方案：当网络中未部署DRA且部署了多台PCRF时，如果PCEF也采用了IMSI号段方案选择PCRF，SPE在能够获得用户IMSI的场景下，也应通过IMSI号段方案进行PCRF的选择。

·IP地址段方案：当PCRF分区域为用户提供服务，各区域的用户IP地址段不重叠的情况下，SPE可根据用户IP地址段选择合适的PCRF。

3.2.2 PCRF的Rx与Gx会话关联方案在PCRF中，一般情况下通过用户IP地址实现用户的Rx会话与Gx会话的关联，但由于在网络具体部署时，一般情况下网关（如PGW）为用户分配的为私网IP地址，而应用平台看到的用户IP地址为经过NAT后的公网IP地址，同时不同省份间的私网IP地址也可能存在复用的情况，导致为不同用户分配相同的私网IP地址。上述两种情况都会导致对于同一个会话，PCRF在Rx接口和Gx接口看到的用户IP地址不一致，从而无法实现会话关联。对于该问题，目前主要有以下解决方案：

·应用平台通过与应用客户端的信令交互，从客户端获得网关为用户实际分配的私网IP地址，并在Rx接口中传递给PCRF，从而解决NAT带来的问题；

·应用平台通过与应用客户端的信令交互，从客户端获得用户的IMSI，并在Rx接口中传递给PCRF，PCRF通过IMSI和IP地址实现会话关联；

·当应用平台或SPE分省部署时，可以在Rx接口中增加服务域标识，PCRF通过服务于标识和IP地址实现会话关联，从而解决不同省用户私网IP地址重复的问题。

3.3 业务保障流程

基于智能管道引擎的固移融合管道能力开放架构的主要功能之一，即是实现对应用的后向资源保障。移动网络接入情况下，利用该架构实现业务后向资源保障的流程如图4所示，具体说明如下：

图4 移动宽带网后向业务资源保障流程

（1）用户接入移动网络网络，并建立会话，网络中PCEF与PCRF交互建立Gx会话；

（2）用户开始使用业务；

（3）业务平台调用智能管道引擎能力API，向智能管道引擎发送业务保障请求，消息中包含用户信息、业务信息、QoS信息；

（4）智能管道引擎根据上述信息判断用户为移动网络接入，同时确定用户所属服务PCRF；

（5）智能管道引擎将业务保障请求进行协议转换，向所属服务PCRF发送Diameter AAR消息，并在AAR消息中通过specific-action AVP订购相应的事件通知；

（6）PCRF存储业务信息，判断所属的Gx会话；

（7）PCRF针对请求检查签约信息，识别相关的IP地址流，关联用户的Gx会话，与BBERF/PCRF交互，修改用户QoS，进行QoS授权，并向智能管道引擎发送Diameter AAA响应消息；

（8）资源分配成功后，PCRF通过Diameter RAR消息上报给智能管道引擎；

（9）智能管道引擎在收到Diameter RAR消息后，向PCRF发送Diameter RAA响应；

（10）智能管道引擎向应用发送业务保障响应，指示业务保障结果，并在响应消息中携带业务保障关联ID；

（11）用户结束使用业务；

（12）业务平台调用智能管道引擎API，向智能管道引擎发送业务保障撤销请求，包括对应用户标识、业务保障关联ID等；

（13）智能管道提取业务保障关联ID，判断用户为移动网接入，确认归属的服务PCRF；

（14）智能管道引擎进行协议适配，向服务PCRF发送Diameter STR消息；

（15）PCRF存储业务信息，判断所属Gx会话等；

（16）PCRF针对请求检查签约信息，识别相关的IP流，关联用户的Gx会话，与BBERF/PCRF交互，删除相应QoS规则，向智能管道引擎发送Diameter STA响应；

（17）智能管道引擎接收到从PCRF发送的响应后，向业务平台发送业务保障撤销响应，指示业务保障撤销结果。

固网宽带接入情况下，利用该架构实现业务后向资源保障的流程如图5所示，说明如下：

（1）用户接入固网宽带，并建立会话；

（2）用户开始使用业务；

（3）业务平台调用智能管道引擎API，向智能管道引擎发送业务保障请求，消息中包含用户信息、业务信息、QoS信息；

图5 固定宽带网后向业务资源保障流程

（4）智能管道引擎根据上述信息判断用户为固网宽带接入，同时判读用户所属服务固网策略控制系统；

（5）智能管道引擎将业务保障请求进行协议转换，向所属服务固网策略控制系统下发保障服务策略；

（6）固网策略控制系统针对请求检查签约信息，与宽带承载网交互，下发保障业务策略；

（7）固网策略控制系统向智能管道引擎发送服务策略响应，指示策略保障结果；

（8）智能管道引擎向业务平台发送业务保障响应，指示业务保障结果，并在响应消息中携带业务保障关联ID；

（9）用户结束使用业务；

（10）业务平台调用智能管道引擎API，向智能管道引擎发送业务保障撤销请求，包括对应用户标识、业务保障关联ID等；

（11）智能管道提取业务保障关联ID，判断用户为固网宽带接入，确认所属服务固网策略保障系统；

（12）智能管道引擎进行协议适配，向固网策略保障系统发送撤销保障服务策略消息；

（13）固网策略保障系统与宽带承载网交互，恢复原有业务策略；

（14）固网策略保障系统向智能管道引擎发送撤销服务策略响应，指示撤销结果；

（15）智能管道引擎向业务平台发送业务保障撤销响应，指示业务保障撤销结果。

3.4 应用场景

基于本文提出的架构，可以便捷地实现对固移融合应用的网络资源保障。本节列出了基于智能管道引擎实现融合视频会议应用保障的案例，具体流程如图6所示。在本案例中，会议建立成功或邀请会议参与者成功时，会议应用服务器将触发业务保障请求，对会议主席和参与者进行业务保障，且业务保障结果会提示会议主席。会议结束或会议参与者退出会议时，会议服务器将触发业务保障撤销请求，此外，会议应用服务器在将相关请求送往智能管道引擎过程中，需要经过业务网和IT系统相关网元，完成能力调用权限的认证以及计费等功能，限于文章篇幅，对具体流程不做详细阐述。

4 结束语

本文提出的基于智能管道引擎的固移融合管道能力开放架构，通过在网络中引入智能管道引擎，实现对移动宽带和固网宽带网络资源保障能力的统一封装和向应用的开放。智能管道引擎主要实现能力封装、协议适配、路由管理等功能，同时负责与应用的对接，而移动网、固网策略控制系统不需要与每个应用直接对接，主要实现各自网络的策略控制，使得网元或系统间层次清晰，分工明确，符合运营商网络架构需求。

图6 融合视频会议业务资源保障流程

本架构的原型已经在实验室实现并进行测试，证明了该体系架构的可实施性，能够实现对第三方应用的后向资源保障，有助于运营商与第三方应用提供商合作，实现商业模式的创新。

1 3GPP TS23.203.Policy and Charging Control Architecture，2013

2 3GPP TS29.212.Policy and Charging Control(PCC)over Gx/Sd Reference Point，2013

3 3GPP TS29.213.Policy and Charging Control Signaling Flows and Quality of Service(QoS)Parameter Mapping，2013

4 3GPP TS29.214.Policy and Charging Control over Rx Reference Point，2013