2.2 下一代网络（NGN）的体系结构

2.2.1 下一代网络（NGN）参考模型

由于目前的电路交换网络（PSTN和PLMN）的规模相当庞大，不可能随着NGN的出现在一夜之间消失，它将长期存在，因此，NGN需要与之互通。NGN同样面临一个多运营商的网络环境，因此，NGN需要考虑同样是基于IP分组交换的两个NGN之间的互通。

NGN追求的一个目标是网络的融合，也就是说它要面对各种各样的接入手段，并将其统一接入到NGN网络上来。换言之，NGN要做到与接入技术无关。但是，各种接入技术的差异性是很大的，要做到与接入技术无关，只有将其差异性尽可能地消除在NGN的网络边缘，才能做到NGN的核心网元高度通用。移动接入系统提供2．5G/3G移动宽带用户的接入；窄带接入系统为传统的POTS用户和ISDN基本速率用户提供接入；宽带接入系统为通过区域宽带接入的用户提供服务。

通信过程中的各种信源的共同特性之一是非固定速率特性，最适合人们发声特点的语音编码算法是变速率（VBR）编码算法。移动通信系统GSM、CDMA的语音编码算法都是变速率编码。ITU-T正在制订适合于3G移动网和IP网络的语音变速率编码标准和宽带语音的变速率编码标准，ISO和ITU-T制订的视频编码算法MPEG-x、H．26x都属于变速率编码。HTTP/WWW、FTP、E-mail、Telnet等因特网业务都是突发性很强的数据流，监控信息（雷达、传感器、遥感遥测遥控设备等）也是变速率的数据流。这一共同特性要求交换传送这些信息的网络应该是分组网络，分组网络的统计复用特点能够高效地利用网络资源。

但是各种信源通信对网络有不同的要求：

会话型语音、视频通信要求实时性高，对丢包、抖动、时延敏感，要求网络传送的可靠性高，要由网络提供服务质量保证和一定的安全保证。

广播型语音、视频通信对丢包、抖动敏感，但对时延要求不高；要求网络传送的可靠性高，要由网络提供QoS保证；HTTP/WWW、FTP、E-mail等因特网业务实时性要求不高，对丢包、抖动、时延不敏感，可通过终端重传机制保证数据传送的可靠性，网络可提供尽力而为的服务质量。

监控信息突发性强，实时性要求高，传送的可靠性要求高，但数据量有大有小，要求网络提供传送质量保证和安全保证。

分组网络技术分为有连接组网技术和无连接组网技术，例如AT M/FR技术是有连接分组组网技术，而IP技术和以太网技术是无连接分组组网技术。简单的无连接网络不能完全满足以上不同信源通信对网络的要求，尤其是实时业务通信的要求，而端到端的有连接网络是非常复杂而不可行的。下一代网络（NGN）的总体架构要适应信源的不同特性，满足不同信源通信对网络的不同要求。NGN的应用环境如图2-1所示。

作为人们对未来电信网络模型的设想，世界上众多电信运营商、设备制造商、ITU、ETSI、IETF等标准化组织以及众多技术论坛和组织，都纷纷提出了各自对下一代网络（NGN）的架构设想和功能模型的描述。总结起来，大多数观点都认为NGN应该采用光传输网络（OTN）或光网络解决传输和大带宽交换问题。采用IP技术承载各种业务实现三网（电信网、计算机网和CATV网）的融合，采用MPLS技术实现IP层和链路层（ATM/FR、PPP、以太网或SDH、光波）的结合，采用软交换技术通过业务、控制和承载的分离实现端到端的业务交换，其核心是IP组网技术和光通信技术的不断进步。

根据上述分析，可以看到NGN是一个外延广泛的大通信网，它结合了现有的各种网络环境和功能，体现了控制功能与承载能力的分离、呼叫控制与应用的分离以及应用与接入技术的分离。还可以用一种更规范的方式，在功能上把NGN划分成包含应用层、控制层、传输层及接入层的开放的、分层的体系结构，如图2-2所示。

下一代网络（NGN）的总体架构可以从功能和覆盖区域两个维度进行描述。

从功能角度，下一代网络（NGN）分为传送层、承载层、业务层三层。

传送层根据承载层指定的源和目的地址完成信息的传送，它是网络的物理基础，主要采用光传输技术（如DWDM、SDH等），提供端到端连接的固定带宽的电路或光路。目前的光传输技术不能提供适合不同信源通信要求的分组统计复用功能。传送层主要采取光纤通信方式，也可以采用其他通信方式，如无线通信（固定无线和移动无线）、同轴电缆/HFC（混合光纤同轴电缆）、双绞线/xDSL（各种数字线技术）、五类线/以太网等，这些技术在接入网和驻地网中将发挥重大的作用。

承载层是分组网络，适应各种信源的非固定速率特性的要求并提供统计复用功能。在承载层可以组建不同的承载VPN，为不同信源通信提供其所需要的QoS保证和网络安全保证。承载层主要通过路由交换完成用户的端到端的连接，并且通过提高共享网络资源的合理配置与管理，实现端到端的QoS以及灵活高效的连接。

业务层则需要对各种业务进行个性化处理，通过提供各种增值业务和智能业务，为用户提供个性化的业务服务。业务层可以针对不同业务的属性进行适配性的处理，通过解决各种信源通信的特点、属性、编址、控制信令、媒体处理等不同的个性化问题，针对不同信源的特点进行信源编码，并分组化。同时引导承载层调度网络资源来满足不同业务的不同需求。

从覆盖区域的角度出发，可以将下一代网络（NGN）分为骨干网、城域网、接入网和驻地网四个级别。骨干网是连接城市和城市的网络；城域网是连接城市范围内若干称为接入点（POP）的节点的网络；接入网解决最后一公里（从POP节点到大楼、小区、校园等）的接入；而用户驻地网则是大楼、小区、校园等内部连接终端用户的网络。

其中，城域网和接入网除解决城域接入范围的QoS、安全、管理问题外，更重要的是要完成用户管理和业务呼叫管理并配合骨干网实现对网络资源的管理。

由于驻地网不一定由运营商管理，在驻地网这一级如何实现业务综合是个大问题。作为运营的网络，必须有完善的运营支撑系统，包括网管系统、计费结算清算系统、认证系统、营账系统、客服系统等。

综上所述，NGN的网络体系架构如图2-3所示。

每一层又分为用户平面（User Plane）、控制平面（Control Plane）和管理平面（Management Plane）。平面与层次交叉形成完整的NGN体系结构模型，并详细定义了各个层次和平面的功能以及相互关系。

2.2.2 下一代网络的功能模型

ITU-T根据NGN的特点和基本功能描述，将NGN分为业务层、承载层和传送层三个层次，其功能模型如图2-4所示。本节将根据上述体系架构和ITU-T对下一代网络（NGN）功能模型的基本描述，结合实践和经验，对下一代网络的功能模型可以进行扩充和细化。

在此功能模型中，将网络分为传送层、承载层和业务层三个层次，其中每个层次又可以细分为三个子层。

1.传送层

传送层由管理维护层、控制层和传输层三个子层组成。

传输层作为传送层最基本的组成部分，负责通过具体的传输通道，将用户数据流从源端传输到目的端。在骨干网中，传输层主要指基于SDH或DWDM等技术组建的光网络；在城域网中，传输层可以由城域SDH网络、CWDM网络或者RPR网络实现；在接入网和驻地网中，传输层的实现手段和范围就更加广泛，无线通信（固定无线和移动无线）的WLAN、移动IP技术、同轴电缆/HFC（混合光纤同轴电缆）、双绞线/xDSL（各种数字线技术）、五类线/以太网等，都是目前应用很广泛的有效传输接入手段。

随着网络和业务的不断发展，对现代传输光网络不仅提出了大交换容量的要求，更要求光网络能够快速、高质量地为用户提供各种带宽服务和应用，要求光网络能够进行实时的流量工程控制，根据数据业务的需求实时、动态地调整网络的逻辑拓扑结构，以避免拥塞，实现资源的最佳配置。同时，还要求光网络具有更加完善的保护和恢复能力，要求光网络设备具有更强的互操作性和网络的可扩展性等。这些功能要求的实质是希望光传输网络具有更强的控制能力和对网络的管理能力。

控制层将根据业务的需求，动态地实现传输资源的最佳配置，通过流量工程等控制手段，快速、高质量地为用户提供各种粒度的带宽传输服务。

而管理维护层则通过网络的实时监控和检测，随时发现故障并排除故障，实现光网络的自我保护和自我恢复。

2.承载层

承载层由业务传递层、控制层（路由）和管理层三个子层组成。承载层起到承上启下的作用，对它的基本要求是：

● 按照业务层的要求把每个业务信息流从源端引导到目的端；

● 按照每种业务的属性要求调度网络资源，确保业务的功能和性能；

● 实现多媒体业务对通信形态的特殊要求。

承载层将适应各种类型数据流的非固定速率特性，并提供统计复用功能。通过在承载层组建不同的承载VPN，可以为不同类型和性质的通信提供其所需要的QoS保证和网络安全保证。承载层主要通过路由交换完成用户的端到端的连接，并且通过提高共享网络资源的合理配置与管理，实现端到端的QoS以及灵活高效的连接。

承载层是分组网络，普通路由器可以实现上述第一个要求，但对第二个要求却无能为力，而对第三个要求，尽管有多播等功能可以完成其部分要求，但是尚未在大网上大规模实现。AT M/FR交换可以比较好地实现第一、二个要求，但是也无法实现第三个要求。

随着IP技术的迅猛发展。承载层将主要由以IP网络为主的分组网络实现。但是，目前信息化需求已从单纯的数据信息向交互式多媒体信息发展，从分别服务向数据、语音、图像统一服务和一网传输发展。传统IP网络已无法满足新业务的需求。新型的基于IP的承载网不仅要求有大的交换和存储转发容量，同时要求能够为多媒体业务等多种业务提供可靠的、有质量保障的服务，此外，还要求网络具有结构简单、安全、可扩展等特点。这样，就对承载层的控制和路由交换功能以及管理功能提出了很高的要求。

多协议标签交换（MPLS）技术的发展为IP核心网中的路由转发技术带来了革命性的变革。MPLS技术将IP路由控制与第二层的简单性无缝地结合起来，是ATM技术与IP技术的有机结合。它能在不改变用户现有网络的情况下提供高速、安全、多业务统一的网络平台，在下一代网络的选路、交换和分组转发中起着非常重要的作用，并满足用户丰富多样的需求。

网络的管理和维护在公众电信网中十分重要，它可以简化网络操作、检测网络性能、降低网络运行成本。在提供服务质量保障的网络中，网络维护和管理的功能尤为重要。与传统SDH/SONET以及ATM中的管理维护功能不同，承载层的维护管理与控制/路由层的功能密切相关，MPLS作为可扩展的下一代网络关键承载技术，提供具有QoS保障的多业务能力，因而基于MPLS的维护管理功能就显得尤为关键和重要。

3.业务层

业务层由媒体处理与会话、呼叫控制以及应用服务三个子层构成。

由于传统的PSTN的交换机采用垂直、封闭和专用的系统结构，其业务提供模式单一、周期长、成本高，而且实现方式封闭，无法对外提供开放的业务平台和接口，因此软交换的概念应运而生，它通过实现呼叫控制、媒体承载及业务相分离，从而使系统具有基于标准的、开放的系统结构。

在NGN功能模型的业务层中，其媒体处理与会话层主要负责对不同媒体进行适配、调整等处理，以及对会话类业务的组织与配置，而呼叫控制子层则负责对业务呼叫进行逻辑和信令控制，应用服务子层完成对业务的创建、实现和实施。

NGN的业务层应该对运营商、ISP、ICP、ASP和用户完全开放，它们都可以在业务层上创建业务、经营业务。最典型的是IP电话业务，网络运营商可以提供IP电话业务，ISP、ICP甚至用户也有可能开展PC到PC的IP电话服务。

由于各种业务的特点、业务属性不同，这些业务在NGN业务层的实现有两种主要的解决方式：

① 把业务的特点、属性等映射成承载层的各种参数，如带宽、QoS、通信形态、路由限定、保护、安全等，同时将源地址和目的地址解析确定，交给承载层处理，完成业务通信。

② 对于不能由承载层很好支持的以及覆盖面广、处理特殊、网络安全性要求高的业务，可以通过组建业务网或者业务系统，利用承载层的业务层承载VPN来实现业务通信。

目前因特网业务可以通过第一种方式在NGN中实现，但高质量语音业务、视听多媒体业务等还要通过第二种方式来实现，因为目前承载层还无法完成承担如此高质量的业务要求。随着技术的发展，如果承载层能够很好地支持各种业务的不同属性，既能够承载又能够交换各种端到端的业务，同时网络的安全性可得到充分的保障，那么就可以将各种业务完全交由承载层，由承载层来满足不同的业务对网络的要求，业务层主要负责对业务逻辑的控制、提供和管理。

2.2.3 基于IMS的下一代网络结构

软交换是下一代网络中的关键技术，国际软交换联盟（ISC）认为，软交换将在NGN中起业务控制节点的作用，NGN将是一个基于软交换技术的、分组方式的、开放的融合网。软交换也称为呼叫代理、呼叫服务器、媒体网关控制器，它提供控制媒体网关间或与IP端点间的智能，具有选择可用于呼叫处理的能力，能够基于信令和用户数据库信息对呼叫选路，能够转送呼叫到另一网络；具有到网管系统的接口（可支持配置管理、故障报告和计费功能等）。基于软交换的NGN体系结构如图2-5所示。

按照通信业的发展趋势，基于软交换的移动通信网应该是一个由全IP为基础的有机融合语音、视频、数据于一体的全新的移动多媒体网络，所以西门子建议SGll采用已有的IMS体系架构作为研究NGN控制架构的基础，利用IMS定义的接口和协议、增加功能模块的方式满足NGN的网络和业务需求。基于IMS的下一代网络结构如图2-6所示。

PSTN/ISDN系统接入NGN网络需要利用图2-6 中的PSTN/ISDN仿真子系统。PSTN/ISDN仿真是为连接到IP网（经过网关）的传统电话终端仿真PSTN/ISDN，所有PSTN/ISDN业务保持可用和一致，使终端用户并不会意识到没有连接到基于TDM的PSTN/ISDN。相对于PSTN/ISDN仿真，PSTN/ISDN模拟是指配置类似PSTN/ISDN业务的IP电话终端。PSTN/ISDN仿真子系统的结构如图2-7所示。

图2-8是TISPAN PSTN/ISDN仿真的功能接口结构。PSTN/ISDN仿真的绝大部分功能实体与IMS的功能实体一致，只有接入网关控制功能（AGCF）是个例外。它使用媒体控制协议，负责控制住宅和接入媒体网关，其中与IMS一致的功能实体有MRFC、MRFP、SLF、MGCF、S-CSCF、P-CSCF、I-CSCF、BGCF和HSS等。