《現(xiàn)代通信網(wǎng)》課件第十一章 網(wǎng)絡融合與演進

2024/8/19第11章網(wǎng)絡融合與演進11.1概述11.2IMS技術11.3固定移動融合2024/8/1911.1.1網(wǎng)絡融合的基本概念

1.網(wǎng)絡融合的發(fā)展背景

在傳統(tǒng)電信格局下，電話網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等不同的業(yè)務網(wǎng)絡是相互分離的，分別由獨立的網(wǎng)絡資源組成，每種業(yè)務網(wǎng)只提供特定的功能和業(yè)務。這種格局在電信網(wǎng)發(fā)展的一定階段下是合理和有效的，但隨著網(wǎng)絡技術的進步與業(yè)務需求的提高，其固有的缺陷逐漸暴露：多種復雜的網(wǎng)絡體系共存，使得網(wǎng)絡管理和維護成本很高；不利于網(wǎng)絡資源的有效共享；不便于提供跨網(wǎng)絡的綜合業(yè)務實現(xiàn)，也不利于快速引進新業(yè)務；網(wǎng)絡之間的互聯(lián)互通十分復雜。

人們逐漸認識到網(wǎng)絡的發(fā)展將以融合演進為主要趨勢。網(wǎng)絡的融合發(fā)展是業(yè)務需求、技術發(fā)展、網(wǎng)絡結(jié)構、IP競爭力、網(wǎng)絡管理與控制、政策與運營等多種因素驅(qū)動的結(jié)果。2024/8/192.網(wǎng)絡融合的概念與內(nèi)涵網(wǎng)絡融合是指從分離的網(wǎng)絡、分離的業(yè)務演進到統(tǒng)一的網(wǎng)絡來提供各種綜合的業(yè)務服務。從通信網(wǎng)絡角度看，融合涉及網(wǎng)絡自身各個層面的融合，包括業(yè)務層、控制層、承載層、接入/終端層和運維管理層等。1）業(yè)務層的融合：業(yè)務融合初級階段主要體現(xiàn)為業(yè)務捆綁，即將固話、寬帶接入、移動業(yè)務等多種分離的業(yè)務簡單地捆綁在一起，并提供一定的資費優(yōu)惠。但當業(yè)務融合上升到一定層次，則不再是簡單意義上的業(yè)務合并，進一步體現(xiàn)為在融合網(wǎng)絡基礎上衍生出的新型業(yè)務。2）控制層的融合：主要是指通過統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡為各種多媒體用戶和終端提供統(tǒng)一的呼叫和會話控制。目前的控制層技術主要有兩種：軟交換和IMS。2024/8/193）承載層的融合：承載網(wǎng)絡的融合是真正實現(xiàn)業(yè)務層與控制層融合的重要基礎。承載網(wǎng)絡的融合包括：采用何種技術來承載融合以后的綜合業(yè)務；采用何種機制來實現(xiàn)在一個網(wǎng)絡平臺上同時提供多種業(yè)務并保證各種業(yè)務所需要的服務質(zhì)量。4）接入/終端層的融合：接入網(wǎng)融合的核心是構建以分組化為基礎的公共承載平臺，實現(xiàn)寬帶及窄帶業(yè)務、有線和無線業(yè)務的融合接入，以及業(yè)務在各種接入網(wǎng)絡之間的無縫切換。終端的融合體現(xiàn)為同一終端可以支持多種接入技術和業(yè)務，如同時支持有線、無線接入以及語音、數(shù)據(jù)和多媒體接入。5）運維管理層面的融合：主要是指運營管理支撐系統(tǒng)和網(wǎng)管系統(tǒng)的融合。2024/8/1911.1.2電信網(wǎng)絡架構的演進1.從傳統(tǒng)電信網(wǎng)到智能網(wǎng)

傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡采用的是封閉式的網(wǎng)絡架構，由軟硬件垂直一體化的交換機實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能、呼叫控制功能及業(yè)務功能。智能網(wǎng)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)電話網(wǎng)的業(yè)務結(jié)構，將程控交換機的業(yè)務控制功能從交換機中分離出來，分別由不同的網(wǎng)元來實現(xiàn)，從而使得電信新業(yè)務的開發(fā)與提供變得快速、方便、靈活。智能網(wǎng)中提出的業(yè)務控制與呼叫控制分離的思想為新的網(wǎng)絡體系結(jié)構的出現(xiàn)奠定了重要的基礎。

然而智能網(wǎng)的業(yè)務開發(fā)及業(yè)務部署方式仍然是封閉的。智能網(wǎng)業(yè)務必需與基礎承載網(wǎng)絡綁定，且業(yè)務開發(fā)平臺需要與具體的產(chǎn)品平臺綁定，很難由第三方開發(fā)。這種方式扼殺了獨立業(yè)務開發(fā)商和業(yè)務提供商的生存空間，也不利于滿足對業(yè)務進行客戶化定制的需求。2024/8/192.NGN概念的提出——網(wǎng)絡功能的進一步解耦下一代網(wǎng)絡NGN（NextGenerationNetwork）的概念最早出現(xiàn)于20世紀90年代末，目前泛指一個不同于前一代網(wǎng)絡的，大量采用創(chuàng)新技術的，以IP為中心的，可以支持語音、數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務的融合網(wǎng)絡，其主要特征如下：1）開放、分層的網(wǎng)絡體系結(jié)構2）業(yè)務驅(qū)動型網(wǎng)絡3）基于分組交換技術4）融合異構網(wǎng)絡5）支持服務質(zhì)量6）可管理性和可維護性2024/8/19軟交換與IMS的關系

軟交換和IMS技術都是支撐NGN的核心技術，軟交換體系架構和IMS體系架構都采用業(yè)務控制、呼叫控制、承載相分離的分層思想，但又各具特色。從總體上看，可以把軟交換看作NGN發(fā)展的初級階段，而IMS則是構造固定和移動融合網(wǎng)絡架構的目標技術，可以認為是NGN發(fā)展的中級階段。2024/8/193.創(chuàng)新的網(wǎng)絡架構——軟件定義網(wǎng)絡（SDN）圖11-2典型SDN架構軟件定義網(wǎng)絡（SDN，SoftwareDefinedNetwork），是美國斯坦福大學cleanslate研究組于2007年提出的一種創(chuàng)新網(wǎng)絡架構，其核心是借助OpenFlow協(xié)議將網(wǎng)元控制面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面分離，利用軟件編程實現(xiàn)網(wǎng)絡連接、集中控制與網(wǎng)絡資源開放等，為網(wǎng)絡及應用的創(chuàng)新提供一個開放的平臺。2024/8/19SDN架構定義中，最上層為應用層，包括各種不同的業(yè)務和應用；控制層主要負責處理數(shù)據(jù)平面資源的編排，維護網(wǎng)絡拓撲、狀態(tài)信息等；基礎設施層負責基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。

在SDN中，網(wǎng)絡設備只負責單純的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可以采用通用的硬件；而原來負責控制的操作系統(tǒng)將提煉為獨立的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，由其負責不同業(yè)務特性的適配，而且網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和業(yè)務特性以及硬件設備之間的通信都可以通過編程實現(xiàn)。2024/8/19圖11-3現(xiàn)有網(wǎng)絡設備形態(tài)向SDN設備形態(tài)的轉(zhuǎn)變2024/8/19SDN的特征有多種描述角度，其中最基本的共性特征如下：一、水平集成、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離及軟硬件解耦。解耦后的軟件和硬件可以分別獨立發(fā)展。二、網(wǎng)絡虛擬化。通過將轉(zhuǎn)發(fā)過程抽象為流表，控制器直接控制流表，屏蔽了底層硬件，實現(xiàn)了網(wǎng)絡虛擬化。三、邏輯上集中控制。SDN使得運營商具有全網(wǎng)視野，掌握全局信息，有利于全網(wǎng)資源的最優(yōu)利用，提升網(wǎng)絡性能。四、開放性和軟件編程接口。打破了傳統(tǒng)電信設備軟硬件一體化的封閉模式，有望建立和利用更廣泛開放和強壯的產(chǎn)業(yè)鏈。

總體上看，SDN有利于網(wǎng)絡和業(yè)務的持續(xù)演進和不斷創(chuàng)新，它不僅涉及新的架構、新的應用、新的方法、新的生態(tài)系統(tǒng)、新的商業(yè)模式，而且將滲透到網(wǎng)絡的各個部分。目前SDN已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關注和認可，必然會成為未來網(wǎng)絡演進過程中的重要代表。2024/8/1911.1.3NGN簡介NGN的概念和內(nèi)涵NGN既涉及到很多新的技術，又涉及到傳統(tǒng)意義上的多種網(wǎng)絡，其內(nèi)涵十分豐富，從不同的行業(yè)和領域來看則具有不同的理解和側(cè)重。相對于廣義的NGN概念，狹義的NGN一般特指以軟交換為核心的體系架構。2024/8/19

NGN不是現(xiàn)有電信網(wǎng)和IP網(wǎng)的簡單延伸和疊加，也不是單項節(jié)點技術和網(wǎng)絡技術，而是整個網(wǎng)絡框架的變革，是一種整體解決方案。NGN的出現(xiàn)與發(fā)展不是革命，而是演進，即在繼承現(xiàn)有網(wǎng)絡優(yōu)勢的基礎上實現(xiàn)平滑過渡。

ITU-TSG13在其Y.NGN-Overview草案提出了NGN的準確定義：NGN是基于分組技術的網(wǎng)絡；能夠提供包括電信業(yè)務在內(nèi)的多種業(yè)務；能夠利用多種寬帶和具有QoS支持能力的傳輸技術；業(yè)務相關功能與底層傳輸相關技術相互獨立；能夠使用戶自由接入不同的業(yè)務提供商；能夠支持通用移動性，從而向用戶提供一致的和無處不在的業(yè)務。ETSI對于NGN的定義：“NGN是一種規(guī)范和部署網(wǎng)絡的概念，即通過采用分層、分布和開放業(yè)務接口的方式，為業(yè)務提供者和運營者提供一種能夠通過逐步演進的策略，實現(xiàn)一個具有快速生成、提供、部署和管理新業(yè)務的平臺。”2024/8/19圖11-5ETSITISPAN的NGN體系結(jié)構NGN體系結(jié)構2024/8/191）業(yè)務層業(yè)務層包括資源與接入控制子系統(tǒng)(RACS)、網(wǎng)絡附著子系統(tǒng)（NASS）、IP多媒體子系統(tǒng)、PSTN/ISDN仿真子系統(tǒng)、流媒體子系統(tǒng)、其他多媒體子系統(tǒng)和應用及公共部件。2）傳輸層

傳輸層在RACS和NASS的控制下，向NGN終端提供IP連接性，這些子系統(tǒng)隱藏了IP層之下使用的接入網(wǎng)和核心網(wǎng)傳輸技術。該層主要包括邊界網(wǎng)關功能（BGF）實體和媒體網(wǎng)關功能（MGF）實體。

ETSITISPAN的NGN網(wǎng)絡體系結(jié)構中，IP多媒體子系統(tǒng)主要使用3GPPIMS作為核心控制系統(tǒng)，并在3GPP規(guī)范的基礎上進行了擴展，以支持xDSL等固定接入方式。另外，它考慮了對PSTN/ISDN仿真業(yè)務、流媒體業(yè)務及其他業(yè)務的支持以及與RACS和NASS的互通，就目前而言，是一個能滿足NGN業(yè)務和網(wǎng)絡要求的比較完整的網(wǎng)絡體系架構。2024/8/19內(nèi)容11.1概述11.2IMS技術11.3固定移動融合2024/8/1911.2.1IMS的基本概念1.IMS的產(chǎn)生背景IMS（IP多媒體子系統(tǒng)，IPMultimediaSubsystem）是由3GPP提出的一個基于SIP協(xié)議的會話控制系統(tǒng)。目前基于IMS實現(xiàn)固定/移動網(wǎng)絡融合的思想得到了普遍認同，IMS已經(jīng)成為NGN發(fā)展的一個主要趨勢。

IMS最初是3GPP為移動網(wǎng)絡定義的，在3GPPR5標準中首次提出。其出發(fā)點是為了在移動通信網(wǎng)上以最大的靈活性提供IP多媒體業(yè)務而設計一個業(yè)務體系框架。R5中只完成了IMS基本功能的定義，如核心網(wǎng)結(jié)構、網(wǎng)元功能、接口和流程等，其余工作在后續(xù)的R6、R7、R8、R9版本中進行了完善。

除3GPP之外，其他的標準化組織如3GPP2、TISPAN等也積極展開了IMS相關標準化工作。3GPP2對IMS的研究主要以3GPPR5作為基礎，重點解決底層分組和無線技術的差異。TISPAN主要從固定的角度向3GPP提出對IMS的修改建議。

2024/8/192.IMS的特點3GPP提出IMS的根本出發(fā)點是將移動通信網(wǎng)絡技術和互聯(lián)網(wǎng)技術有機結(jié)合起來，建立一個面向未來的通信網(wǎng)，從而提供融合各類網(wǎng)絡能力的綜合業(yè)務，同時提供電信級的QoS保證，并能對業(yè)務進行靈活有效的計費。從技術上看，IMS具有以下特點：1）實現(xiàn)了業(yè)務和控制的徹底分離。IMS控制層的核心網(wǎng)元不再處理業(yè)務邏輯，而是完全由應用服務器完成業(yè)務邏輯處理。IMS成為一個真正意義的控制設備，與業(yè)務的耦合性降到最低。2）最大限度地重用了互聯(lián)網(wǎng)技術和協(xié)議。IMS在大部分網(wǎng)絡接口上都采用了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，例如在會話控制層選用SIP協(xié)議、在網(wǎng)絡層采用IPv6協(xié)議，并重用DNS協(xié)議進行地址解析。因此IMS不但支持3G用戶之間通過IP網(wǎng)進行的多媒體通信，并且也能方便地支持3G用戶和互聯(lián)網(wǎng)用戶之間的通信。3）繼承了移動通信網(wǎng)絡特有的技術。IMS沿用了歸屬網(wǎng)絡和拜訪網(wǎng)絡的概念，繼續(xù)采用擴展的移動性管理技術和集中設置的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫來支持用戶漫游和切換。因此IMS在靈活提供IP多媒體業(yè)務的同時，仍然保持移動通信系統(tǒng)的特點。2024/8/1911.2.2IMS體系結(jié)構圖11-63GPPIMS分層體系結(jié)構2024/8/191）傳送與接入層IMS在設計思想上是與具體接入方式無關的，以便IMS服務可以通過任何IP接入網(wǎng)絡來提供。圖中主要給出了與GPRS特性相關的接入方式，包括RAN、SGSN、GGSN和IP網(wǎng)絡等。

為在IP網(wǎng)中提供端到端的QoS，IMS在接入層和控制層之間定義了PDF（PolicyDecisionFunction，策略決策功能）和PEF（PolicyEnforcementFunction，策略執(zhí)行功能）來提供策略服務功能。

為了完成與其他網(wǎng)絡的互通，如PSTN、PLMN等，在接入層引入IMS-MGW（IMS媒體網(wǎng)關）它與控制層的SGW（信令網(wǎng)關）、MGCF（媒體網(wǎng)關控制功能）、BGCF（出口網(wǎng)關控制功能）等實體一起來完成互通功能。

對于分組數(shù)據(jù)網(wǎng)，IMS則通過BG（邊界網(wǎng)關）和IMS-GW完成互通，從而實現(xiàn)IPv4到IPv6的應用層網(wǎng)關功能、私網(wǎng)穿越和安全防護功能等。

MRF(MediaResourceFunction，媒體資源功能)位于控制層和傳送接入層之間，為IMS會話提供必要的支持，如會議橋、錄音通知等。2024/8/192）控制層控制層負責IMS中多媒體業(yè)務的呼叫控制，提供QoS保障和計費管理。該層的主要實體包括:CSCF（CallSessionControlFunction，呼叫會話控制功能;MGCF（MediaGatewayControlFunction，媒體網(wǎng)關控制功能）;BGCF（BreakoutGatewayControlFunction邊界網(wǎng)關控制功能）;SGW（信令網(wǎng)關）等。其中最核心的功能實體是CSCF，MGCF、BGCF、SGW用于實現(xiàn)網(wǎng)間互通。CSCF根據(jù)功能不同，分為P-CSCF（ProxyCSCF，代理CSCF）I-CSCF（InterrogatingCSCF，問詢CSCF）S-CSCF（ServingCSCF，服務CSCF）。2024/8/193）數(shù)據(jù)與應用層HSS（HomeSubscriberServer，歸屬用戶服務器用）于用戶數(shù)據(jù)存儲、認證、鑒權和尋址。HSS是從HLR演變而來的。SLF（SubscriptionLocationFunction，簽約定位功能）是用來確定用戶簽約地的定位功能實體。當網(wǎng)絡中存在多個獨立可尋址的HSS時，由SLF來確定用戶數(shù)據(jù)存放在哪個HSS中。作為一種地址解析機制，SLF的引入使得I-CSCF、S-CSCF和AS能夠找到擁有給定用戶身份的簽約關系數(shù)據(jù)的HSS地址。

AS（ApplicationServer，應用服務器）是用于提供業(yè)務的實體，有三種類型，包括基于SIP的應用服務器（SIPAS）、基于CAMEL的IP多媒體業(yè)務交換功能（IM-SSF）及基于OSA的業(yè)務能力服務器（OSA-SCS）。2024/8/192.IMS中的主要協(xié)議2024/8/193.IMS邏輯區(qū)域的劃分

拜訪網(wǎng)絡提供IP連接和IMS接入功能，其中包含UE、P-CSCF以及IP接入網(wǎng)。

歸屬網(wǎng)絡域提供IMS的會話和業(yè)務控制功能，包括S-CSCF、I-CSCF、MRFC、MRFP、HSS和AS等。

2024/8/1911.2.4IMS基本信令流程圖11-10用戶注冊流程2024/8/19圖

9-11IMS域間的基本呼叫流程2024/8/19圖11-12IMS用戶至PSTN用戶的呼叫過程2024/8/1911.3.1固定移動融合(FMC)1.FMC的定義固定移動融合是一個非常廣泛的概念，對于什么是FMC，各個國際標準化組織給出了不同的定義。ETSITISPAN的FMC特別組給出的FMC定義為：“FMC關注的是獨立于接入技術的網(wǎng)絡和業(yè)務能力，并不指網(wǎng)絡在物理層面的融合。FMC關注融合的網(wǎng)絡能力和相關支撐標準的發(fā)展。這些標準可以支持一系列連續(xù)的服務，而這些服務可以通過固定、移動、公共或私有的網(wǎng)絡提供?！盜TU-TSG13和SG19給出的FMC定義為：“FMC是在一個給定的網(wǎng)絡環(huán)境中，運營商可以使用的一種機制，可以向終端用戶提供業(yè)務和應用，而不用考慮其接入技術和位置。FMC體現(xiàn)了向終端用戶提供業(yè)務時不受接入技術的限制?！?024/8/19固定移動融合的內(nèi)涵十分豐富，從不同的角度來看則具有不同的含義。從網(wǎng)絡技術角度看，F(xiàn)MC是一種手段，關注的是與接入無關的網(wǎng)絡和業(yè)務能力；從用戶角度來看，F(xiàn)MC是一種用戶體驗，即無縫的移動和連續(xù)的會話，不受接入限制的語音、消息和內(nèi)容服務；從運營層面來看，F(xiàn)MC是有效利用技術手段提供用戶體驗的不斷發(fā)展過程。從總體上看，F(xiàn)MC涉及到多個層面的融合，包括業(yè)務、網(wǎng)絡、終端、運營等。2024/8/192基于IMS體系結(jié)構的FMC圖11-13基于IMS的FMC網(wǎng)絡域劃分2024/8/19

接入傳送域提供用戶設備域