（通信与信息系统专业论文）下一代网络面向业务的动态资源分配的研究.pdf

摘要 摘要 随着传统网络不断向下一代网络( n g n ：n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k s ) 演进，网络 业务的需求种类越来越丰富，用户对网络业务的服务质量( q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ) 也提出了越来越高的要求。而传统网络却面临着诸多复杂的问题：新出现的业务对于 带宽的需求使得网络带宽资源面临供不应求，传统网络技术无法完全保证新业务的服 务质量等。这些都要求网络有效而合理地分配网络资源，网络演进过程中出现的新特 性，大量涌现的各种不同的新业务以及不断增长的用户需求，意味着网络需要一种新 的支持多种不同类型不同服务优先级的资源分配方法。 本文的工作主要围绕下一代网络中面向业务的动态带宽分配展开，主要对下一代 网络特性、下一代网络中的新业务，以及网络中的服务质量保证策略及带宽分配方法 进行了研究。针对下一代网络特性以及不同业务对服务质量的不同要求，提出一种面 向业务的动态带宽分配方法( s o d b a ：s e r v i c e o r i e n t e dd y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h m ) 。 面向业务的动态带宽分配算法中对业务的处理方法，采用了差分业务模型 d i f f - s e r v 的处理思想，将业务按照其对服务质量( q o s ) 不同要求，分成不同的三个 类型，根据不同类型业务的重要性给各类业务分配了不同的服务优先级，但该方法同 时也考虑了业务之间服务的公平原则。在对第二类和第三类业务进行带宽分配时，根 据各业务的传输速率，将第二类业务按照其对带宽需求程度的不同又分为三类，然后 利用经过改进的最大一最小公平分配原则对业务进行带宽分配。论文最后部分对 s o d b a 算法的性能进行仿真，仿真结果表明，该分配方法不仅能够很好地处理多业 务的业务模式，保证不同业务的服务质量，还能实现整个系统所追求的资源使用最优 化的目标。 关键词：动态带宽分配；面向业务；服务质量( q o s ) ：资源利用率 a b s t r a c t w i t ht h ee v o l u t i o no ft h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st o w a r d st h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k s ( n o n ) ，m a n yk i n d so fs e r v i c e sp r e s e n ti t s e l f , t h ed e m a n do fq u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) o fs e r v i c e sf r o mn e t w o r ku s e r si sm u c hh i g h e rt h a ne v e rb e f o r e 1 1 1 e r ea r e s om a n yd i f f i c u l ta n dc o m p l e xp r o b l e m sf o rt r a d i t i o n a ln e t w o r kt of a c e ：t h ed e m a n do f b a n d w i d t hf r o mb a n d w i d t h b a s e ds e r v i c e sm a d eb a n d w i d t hr e s o u r c es u p p l yf a l ls h o r to f d e m a n d ，t r a d i t i o n a ln e t w o r kc a n tc o m p l e t e l yg u a r a n t e et h eq u a l i t yo fs e r v i c eo ft h e s e n e ws e r v i c e sa n ds oo n ，n l e s ea 1 1n e e dn e t w o r ka l l o c a t i o nn e t w o r kr e s o u r c ee m c i e n t l ya n d r e a s o n a b l e t h ea p p e a r a n c eo fn e wc h a r a c t e r si nt h ep r o c e s so ft h en e t w o r ke v o l u t i o n , a l l k i n d so fn e ws e r v i c e sa n di n c e s s a n tg r o u po ft h ed e m a n df r o mt h eu s e r s ，m e a nt h a t n e t w o r kn e e d san e wr e s o u r c ea l l o c a t i o nt e c h n i q u et h a tc a ns u p p o r td i f f e r e n ts e r v i c ec l a s s a n dp r i o r i t y t h ew o r ko ft h i s p a p e rm a i n l yr e v o l v ea r o u n dt h e s e r v i c e o r i e n t e dd y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o ni nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k 。i t sa b o u tt h ec h a r a c t e ro fn g n ，t h e n e ws e r v i c ei nn e w g e n e r a t i o nn e t w o r k ，t h eg u a r a n t e es t r a t e g yo ft h eq u a l i t yo fs e r v i c ea n d b a n d w i d t ha l l o c a t i o nt e c h n i q u e t oa i ma tc h a r a c t e ro fn e wg e n e r a t i o nn e t w o r ka n d d i f f e r e n td e m a n df r o md i f f e r e n tk i n d so fq u a l i t yo fs e r v i c e ，t or a i s eas e r v i c e o r i e n t e d d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m ( s o d b a ) n es e r v i c em a n a g i n gm e t h o do ft h es o d b a ，a d o p t st h ei d e ao fd i f f - s e r v , a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n c e so ft h ed e m a n do fq o sf r o mt h es e r v i c e ，s e p a r a t e st h e mi n t od i f f e r e n t t h r e ec l a s s e s ，a s s i g nd i f f e r e n tp r i o r i t ya c c o r d i n gt ot h ei m p o r t a n c eo fd i f f e r e n tc l a s so f s e r v i c e ，h o w e v e r , t h i sa l g o r i t h mt a k ei n t oa c c o u n tt h ef a i r n e s sb e t w e e nt h es e r v i c e s w h e n a l l o c a t i n gb a n d w i d t ht oc l a s s2a n dc l a s s3 。t h em e t h o ds e p a r a t e st h es e r v i c eo fn u m b e r2 c l a s si n t od i f f e r e n t3c l a s s e sa c c o r d i n gt ot h et r a n s m i s s i o nr a t e ，a n dt h e nu s et h em a x m i n f a i r n e s sa l l o c a t i o na l g o r i t h mt oa l l o c a t e db a n d w i d t ht ot h e s es e r v i c e s a tt h el a s to ft h i s p a p e r , w es i m u l a t e dt h i sa l g o r i t h ma i m i n ga tt h eq u a l i t yo ft h es e r v i c e ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w st h a tt h i sm e t h o di sm o r ee m c i e n t i tn o to n l yw e l ld e a l sw i t hs e r v i c em o d e t h a tc o n t a i n sm a n yk i n d so fs e r v i c e ，g u a r a n t e e st h eq o so fd i f f e r e n ts e r v i c e ，b u ta l s oc a n o p t i m i z et h en e t w o r kr e s o u r c eu t i l i t yf a c t o ro fw h o l es y s t e m k e y w o r d s ：d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) ；s e r v i c e - o r i e n t e d ；q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ；r e s o u r c eu t i l i t yf a c t o r 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的论文是本人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本入承担一切的法律责任。 一1工， 本人签名： ! 皇j 至墨 日期：丝翌年上月互日 西安邮电学院 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安邮电学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属西安邮电学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律署名单位为西安邮电学院。 本人签名： 导师签名： 日期：鲨篓年l 月互e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景、目的及意义 通信网络向下一代网络不断演进的过程当中，伴随的是网络规模的爆炸式的增 长。截止2 0 0 7 年底，我国网民数已增至2 1 亿人，中国网民数增长速度，比2 0 0 7 年 6 月增加4 8 0 0 万人，2 0 0 7 年一年则增加了7 3 0 0 万人，年增长率达到5 3 3 ，在过去 一年中平均每天增加网民2 0 万人，目前中国的网民人数低于美国的2 1 5 亿，位于世 界第二位i l 】；2 0 0 7 年1 月到1 0 月，中国移动电话用户增加7 0 3 8 9 万户，总数达到5 3 l 亿户，其中中国移动手机用户总数达到3 6 3 亿，中国联通c d m a 用户总数4 0 7 7 万， g s m 用户总数1 1 8 亿，固定电话用户合计增加2 8 9 8 万户，固定电话用户合计3 7 亿户，互联网宽带接入用户增加1 3 5 6 2 万户，用户总数达到6 4 4 1 5 万户，1 1 月份统 计数据的出台，显示这种趋势进一步加剧 2 1 ；同时随着多媒体技术的飞速发展，除了 语音、视频、数据等传统业务类型以外，网络中的新业务也层出不穷，多媒体信息的 数量与日俱增，对网络带宽资源的需求不断增加。网络的发展呈现出网络资源相对稀 缺、业务更加多样化的特点。 ( 1 ) 网络发展表现出资源相对紧缺的特点。与网络用户的几何级数增长相比较， 硬件设备的扩容和技术更新较为缓慢，带宽、缓冲等网络资源相对匮乏，不能满足日 益增长的用户需求。一些学者提出所谓“大带宽 方案【3 】认为只要不断把带宽资源投 入网络，满足业务峰值需求，即可提供服务质量保证。然而这种方案没有考虑到“带 宽饥渴 业务( 指需求大量带宽资源来提供服务的业务) 不断涌现的问题。虽然网络 带宽能力不断增加，带宽费用不断下降，但是新的“带宽饥渴”业务也在不断出现， 用户对增加带宽能力的需求是无止境的。因此，如何有效利用网络资源，调和用户需 求与资源相对匮乏之间的矛盾，是网络资源分配必须研究的问题。 ( 2 ) 网络发展呈现出业务多样化特点。在网络商业化飞速发展的今天，业务多 样化包含两方面的含义：一方面是面向业务的服务多样化；另一方面是面向用户的服 务质量需求多样化。面向业务的服务多样化是指不同业务自身固有的对服务质量有不 同需求。例如电子邮件、文件传输等业务对数据丢失很敏感，但通常对数据延时没有 严格要求；音频、视频等多媒体应用则允许一定限度的数据丢失，但是对延时和延时 抖动却非常敏感。面向业务需求的业务多样化则依赖于用户的使用环境。不同用户需 求背景下，对同一业务也可能有不同的服务质量需求。例如虽然电子邮件通常不需要 即时传输，但是可能存在用户要求即时传输邮件以发送紧急信息。又例如有的用户在 午饭时间从网上下载电影，并要求能够立即观看：而有的用户在同一时间下载同一部 电影，希望在午饭后观看。又例如一些公司应用p 电话、视频会议进行关键业务的 商务往来，公司愿意付出较高代价以保证通信的正常进行；而有些普通用户则希望付 西安邮电学院硕士学位论文 出尽可能小的代价，得到一些基本的诸如电子邮件、w e b 浏览等网络服务。网络服务 多样化的特点使传统的“一视同仁 的尽力而为型网络业务陷入困境，人们需要寻求 新型网络服务模型。 网络发展的上述特点，对传统资源分配与优化问题提出新的挑战。传统网络资源 分配研究，没有考虑服务满意度对资源优化分配所产生的影响，而是单纯地以提高资 源使用率为目标，资源利用越充分，表示分配算法的效率越高。但是，随着互联网网 络运作呈现商业化特性，网络出现业务多样化需求，“服务 被突出到更为显著的位 置，这主要表现在： 从用户角度来说，人们不再满足原有的“一视同仁的互联网尽力而为型服 务方式，希望网络能够“按质估价 。用户希望获得高质量服务时，愿意以 较高的费用支出换取更高的服务质量保证；而用户支付能力有限，或者对服 务质量不敏感时，可以牺牲部分服务质量以换取支付费用的降低。为了方便 用户与系统交互，系统应提供端到端业务选择与协商的接口，供用户根据当 前业务价格以及用户的应用需求，协商选择适当的业务，从而使用户综合满 意度达到最大。 从网络服务提供商的角度来看，希望把有限的资源分配给最需要服务、最能 创造效益的用户，使每个用户在预算约束条件下获得最满意的服务，并且使 整个系统的资源配置达到最适度状态。 通信网络不断向下一代网络演进，随之而来的是网络规模的不断扩大以及用户数 量的不断增加，网络中新的业务种类不断出现，而用户对网络业务服务质量的要求也 在不断地提高，单一的q o s 保证策略以及传统网络现有的带宽分配方法在处理下一 代网络中的新情况时无法取得令人满意的效果，这将直接影响网络业务的服务质量， 更加直接地也影响到了用户的满意程度，从而影响网络效益。不管从用户满意度方面 考虑，还是从国家有限的网络带宽资源需要承载更多类型的业务方面考虑，都需要有 更加有效的带宽分配方法来处理新一代网络中出现的新问题。网络向下一代网络演进 速度的不断加快，使得对下一代网络中的q o s 保证策略以及带宽分配方法的需求更 加迫切。 国内外对下一代网络技术的研究都投入了大量的财力人力物力，而本研究课题也 是受国家自然科学基金项目“下一代网络的业务恢复技术研究 ( 项目编号6 0 4 7 2 0 7 5 ) 和“下一代网络的o a m 机制及其层间互联技术的研究 ( 项目编号6 0 5 7 2 1 3 4 ) 的资 助，同时也是这两项项目中重要的研究内容。 综上所述，新的网络发展背景为网络带宽资源分配问题研究赋予了新的内涵，资 源利用率已不再是资源分配唯一的优化目标，用户满意度，系统效率等要素在优化分 配过程中必须考虑，这也正是本文研究的出发点。本文的研究目标是探索新的资源分 配方法，使系统能够在兼顾服务质量保证的前提下，最大化用户满意度，达到资源的 2 第1 章绪论 最优化配置，本课题的研究对当前和下一代网络的发展具有深远意义，有很好的应用 前景。 1 2 本课题研究的合理性及可行性 随着现代社会商业化的发展，网络也被赋予了更多商业化的色彩，面向用户提供 “服务”成为发展的新理念。现代网络强调“以人为本，服务至上”的宗旨。传统方 法是以传统网络及传统业务为背景发展起来的，如资源预留协议r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) ，静态资源分配方法，以及a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 网络、i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 网络中的动态 带宽分配等，这些分配方法大都针对某种网络或某个单一的业务流，侧重于资源调度， 如何为业务流提供服务保证，优化目标是提高资源利用率。任何一种技术都不是经久 不衰的，但是，任何一种新技术的发展也是离不开传统技术的。同样在下一代网络中， 网络以及业务都被赋予了新的意义和特点，而传统的分配方法没有考虑到下一代网络 的这些新的变化，不能达到整体优化网络资源的目的，也不能在服务质量上使用户满 意，但是可以作为我们研究符合下一代网络带宽分配方法的基础。 近年来，国内外也有学者把业务进行分类的思想引进到了网络资源分配研究当 中。这些研究方法在对网络资源进行分配的过程中引入了区别业务种类的思想，使不 同的业务在资源分配中得到不同的操作，分配到不同的网络资源，利用这种思想，网 络对业务以及网络状态信息的记录大大减少，减轻了网络管理控制负担，同时对具有 不同服务质量要求的业务也能够充分照顾到需求与其特点的结合，使得系统资源达到 最适当的分配，使网络用户满意度达到最大。 将传统网络的资源分配方法与区分业务的思想的优点引入到资源的分配研究当 中是有其合理性、有效性的，主要表现在以下几个方面： 1 2 1 资源的相对匮乏 网络资源虽然随着网络新技术的应用也在不断地增加，但是与网络中不断出现的 新业务对网络资源的需求程度相比还是比较匮乏，难以满足日益增长的用户需求。用 户享用网络服务时，面临资源竞争。因此必须研究如何更加有效地分配资源，优化资 源分配。 传统的资源分配方法对网络业务采用平等对待的策略，对网络业务不加区分地进 行资源分配，这样分配的带宽很不合理，导致在网络重负载时，一些紧急业务分配不 到资源而无法顺利在网络上跑，而一些普通业务却占据了大量的网络资源，这种情况 实际上在很大程度上是对本来就紧缺的网络资源造成极大的浪费。 1 2 2 区分业务的能力 网络发展呈现出业务多样化的趋势，因此要求网络系统对资源的分配具有区分业 西安邮电学院硕士学位论文 务的能力。网络链路带宽和路由器缓冲等资源既不是免费的，也不是无限的，任何高 优先级业务得到优先服务是意味着它比起那些较低优先级业务对用户更加重要，或者 低优先级业务对网络服务质量的要求没有高优先级业务高。如果没有一种有效的机制 在资源分配中对业务使用资源的行为进行限制，那么每个业务都会请求最好的服务， 这就又回到没有服务质量保证的状态。如何在竞争用户之间有效地分配资源，如何对 不同优先级业务之间的资源分配关系进行限定是研究人员应该考虑的问题。而差分业 务模型就体现了不同业务由于重要程度以及对服务质量的不同要求，在网络中得到不 同处理的思想。 1 2 3 网络中现有的带宽分配方法 传统网络中的业务相对较少，且以话音业务为主，同时用户数量也不多，在这种 情况下，单一的资源分配方法就可以很好地解决这些业务在网络中运行时对网络资源 的分配，随着网络不断向下一代网络方向演进，网络中的各种新业务也不断出现，同 时网络中的资源分配方法也需要不断更新。比如传统a t m 网络中的动态资源分配方 法 4 - 9 1 ，以及i p 网络【1 0 1 、无源光网络p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) t 1 6 17 】等网络中的 资源分配方法，虽然这些方法也能够在各自领域内较好地解决资源分配的问题，可以 得到较好的服务质量，但是随着网络向下一代网络n g n 不断演进，更多丰富多彩的 网络业务不断出现，传统资源分配方法已经不能解决好下一代网络中的资源分配问 题，而应该对其进行必要的更新和改进，所以如何结合下一代业务的特点对网络中的 资源分配方法进行更新也是研究者所要面临的紧急任务。而传统的业务模型以及传统 网络中的资源分配方法，也可以作为研究下一代网络资源分配方法的基础或参考，为 下一代网络的资源分配提供了条件。 综上所述，对业务进行分类的思想结合传统网络的资源分配方法来解决下一代网 络资源优化分配的问题是合理的。 1 3 本课题的研究现状 网络中的资源是一个比较泛的概念，从宏观的网络元素到微观的c p u 处理时间、 带宽、时隙、波长、标签、标签交换路径等都是网络中的资源。网络资源不是有限的， 而用户对网络资源的需求程度总是大于网络现有的资源，而且这一趋势还有继续发展 的势头，所以各个国际组织、网络运营商、设备生产商以及一些民间团体，都对网络 资源的分配问题不断地进行研究，这些研究涵盖了网络的各个角落，有骨干网络、传 输网络、接入网络以及其他方面的研究，但是本文所关心的是骨干网络中的资源分配 问题。 对骨干网络的资源分配问题的研究，目前在国际上比较典型的是由马里兰大学、 南加州大学以及乔治梅森大学的部分学者领导，同时又与其他运营商、生产商等商业 组织共同合作研发的d r a g o n ( d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o nv i ag m p l so p t i c a l 4 第1 章绪论 n e t w o r l c ( s ) p r o g r a m 1 7 9 1 。该项目是通过g m p l s ( g e n e r a l i z e dm u l t i - p r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ) 光学网络实现动态资源分配，是为了研究和开发基于互连的不同种网络中 进行动态资源分配的技术。该项目定义了自己的网络体系结构和控制平面，与以往网 络最基本的不同点就在于网络中所有的交换和转发节点是支持g m p l s 标签层次的， 一个关键因素是扩展了g m p l si p 控制平面使得可以提供健壮级别的a m ( a u _ i l l e n f i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o na n d a c c o u n t i n g ) 的多域、多层的业务提供，该项目目 前已经建成了g m p l s 核心光网络作为研究的基础平台，在此基础上能够提供端到端 的e - s c i e n c e 应用业务，能够实现域间广播和路由功能，稳定的提供、授权和记账， 能够提供简单的互连应用程序接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，并计划 增加其他的应用业务，与其他地区性的高级网络进行综合，已经计划向商用网络发展。 同时，也有一些研究学者针对业务进行的资源分配的研究。 而在国内，对网络中的资源分配的研究处于向其他先进国家学习的阶段，虽然一 直有人在做相应的研究工作，但是在效果上还是主要以国外的技术为基础，结合我国 的具体情况对其进行改进，所以在网络不断演进的过程中，也要对现有的资源分配方 法进行新的改进。本文将重点放在骨干网络的研究中，在这种情况下，考虑了各种因 素，结合当前先进技术，提出一种面向业务的动态带宽分配方法。 1 4 论文组织结构 本文首先对下一代网络及下一代网络中的业务进行了分析研究，在网络带宽资源 分配中，对传统的q o s 业务模型进行分析，并对当前网络现有的动态带宽分配方法 进行分析比较，在此基础上，提出一种面向业务的动态带宽分配方法。 本论文章节安排如下； 第一章介绍了研究网络资源分配的背景知识，提出针对业务特点进行带宽资源 分配研究的必要性和可行性及带宽分配在国内外的研究现状。 第二章对下一代网络概念、框架结构、下一代网络中的业务及其特点进行分析， 提出下一代网络业务对带宽分配方法的需求，对传统网络中的q o s 业务模型以及当 前网络中现有的带宽分配方法进行分析研究，得出现有业务模型以及带宽分配方法的 不足之处，并在此分析的基础上，提出面向业务进行带宽分配的思路。 第三章提出一种面向业务的动态带宽分配算法，给出算法运行的网络模型。该 算法能够吸收各种q o s 业务模型以及现有带宽分配方法的优点，能够很好地处理多 业务的情况，适应下一代网络多业务的特点，将面向业务的带宽分配思想应用到实际 的带宽分配当中，本章对算法的详细内容以及处理过程进行阐述。 第四章对算法进行了仿真验证，通过对仿真结果的分析说明了面向业务的动态 带宽分配算法在下一代网络带宽分配当中很有效。 第五章对全文的研究工作进行总结，对本研究课题的发展方向作了简单预测。 5 西安邮电学院硕士学位论文 第2 章下一代网络业务与带宽分配方法 下一代网络是业务驱动的网络，以软交换为核心的软交换体系提供开放的业务能 力，符合固定网络和移动网络融合的趋势，提供语音、数据、视频业务以及多媒体融 合业务，满足人们个性化、移动性，随时随地获取信息的需求，是通信网络发展的趋 势。同时，服务质量问题是关系网络生存的关键因素，下一代网络不断出现的各种新 业务，对不同用户来说，最重要的是业务的服务质量。为提高业务传输的服务质量 q o s ，i e t f ( mi n t e m e te n g i n e e d n gt a s kf o r c e ) 提出了一些解决方案p 1 。3 训，但这只 能在服务质量方面有所改善；传统网络中现有的动态带宽分配( d b a - d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ) 方法对带宽资源的有效利用提出了改进，但大都局限于某种特 定网络或业务 6 - 9 2 6 3 们，扩展性不好。针对目前网络业务的特点，能够同时解决q o s 以及网络带宽资源有效利用的网络带宽资源分配问题，是目前研究的热点问题。本章 从下一代网络发展、特点、基本框架，以及下一代网络业务及其特点，深刻阐述下一 代网络中的带宽分配方法所要面临的技术挑战。同时对下一代网络中的q o s 业务模 型以及现有带宽分配方法进行了分析，指出各种单一网络业务模型的优缺点，以及现 有网络带宽分配方法无法解决下一代网络业务多样化对带宽分配方法要求的差异性 的问题，并针对下一代网络以及下一代网络中的业务特点，将区分业务的思想与传统 带宽分配方法的优点结合起来，提出面向业务进行带宽分配的方法。 2 1 下一代网络的基本特征与架构 2 1 1 下一代网络的基本特征 长期以来下一代网络( n g n ) 是用来描述正在进行的电信和信息业务提供基础 设施演进的词汇，随着相关研究和应用的发展，业界逐渐对它形成了一些共识，即 n g n 是指p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 、i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a l n e t w o r k ) 、第二代移动通信阶段之后的网络发展，是为业务提供者或运营商提供的， 采用开放接口和分层结构，能够逐步生成、实施及管理各种创新业务的一种平台。 n g n 的目标是运营商能针对自身及其客户的需求来量身订做，设计、生成、实时和 运营通信业务。 广义上的n g n 是一个广泛的概念，有十分丰富的内涵，从不同的角度和层面可 以看到不同的内容【2 0 , 2 1 1 。从基础传送层面看，下一代网络是指以a s o n 为基础的下 一代光传输网络；从交换层面看，下一代网络是以m p l s 和肌6 为方向的有q o s 保 障的分组路由交换网：从接入层面看，下一代网络是宽带的有线和无线多元接入网； 从网络控制层面看，下一代网络是以软交换为核心技术的新一代网络；从移动通信的 角度看，下一代网络是以3 g 和b 3 g ( b e y o n d3 g ) 为方向的下一代移动网络：从业 6 第2 章下一代网络业务与带宽分配方法 务角度看，下一代网络就是集语音、视频、数据与多媒体业务于一身的智能化多业务 平台。所以n g n 的特征是由满足或能够提供多媒体宽带网的一系列能力及属性确定 的。 广义上讲，下一代网络应是一个能够提供包括语音、数据、视频和多媒体业务的 基于分组技术的综合开放的网络架构，n g n 应具有如下特征： 开放的网络体系结构：遵从i s o 开放系统互连的体系结构，其功能结构、控 制结构、网络终端和网络管理都是开放的，可以支持各种传统的电信业务( 例 如电话业务、数据业务、智能业务等) 和将来可能出现的各种新业务。 n g n 的核心技术是基于分组化的。 n g n 是由业务驱动的网络，其功能特点是：业务与呼叫控制分离，呼叫与 承载分离。分离的目标是使业务真正独立于网络，灵活有效地实现业务的提 供。用户可以自行配置和定义自己的业务特征，不必关心承载业务的网络形 式以及终端类型，从而方便灵活地获得各种所需的业务。 n g n 有足够的安全性和可靠性的保证：采用分布式结构，电信级的设备可 靠性保证了网络中无单点故障，安全保护机制则确保数据传送及业务实现的 安全性。 n g n 应是可方便地管理、调度和维护的：设置相应的功能服务器，对现有 网络的计费、鉴权、认证和网管系统进行简化，同时通过基于策略的操作维 护系统对网络的动态特性进行调整。 2 1 2 下一代网络的分层体系构架 下一代网络( n g n ) 就其结构而言是一种分层体系机构，由业务平面、控制平 面、传送平面、接入平面组成，其中控制平面主要完成各种呼叫控制，并负责相应业 务处理信息的传送【2 2 2 3 】。软交换是下一代分组网络的核心设备之一，在n g n 网络分 层结构中位于核心控制的位置。 标准n g n 网络模型分为四层；边缘接入、传输层、网络控制层、业务层。网络 模型如图2 i 所示： 边缘接入层：将各种不同的网络及用户终端设备接入，主要包括与现有网络相 关的各种网关或终端设备，其中的构件有中继接入网关( t m g ) 、用户接入网关 ( a m g ) 、2 g 3 g 无线接入网关( w m g ) 、信令网关( s g ) 、远端接入服务器( r a s ) 、 宽窄带多业务接入集中器、d s l a m ( d s l a c c e s sm u l t i p l e x e r ) 、综合接入设备( 1 a d ) 等。 传输层：负责建立和管理承载连接，并对这些连接进行交换和路由，用以响应控 制层的控制命令。传送网络为采用分组交换技术的包交换网络，主要由p 路由器及 a t m 交换机构成，为下一代网络提供一个高可靠性、具有服务质量保证、大带宽的 统一综合传送平台。 7 西安邮电学院硕士学位论文 业务应用层 控制层 传输层 媒体，接入网 图2 1 下一代网络基本框架 控制层：负责呼n 业务逻辑和请求，并指示核心交换层建立合适的承载连接， 主要完成呼叫和业务的控制、连接、路由、计费、认证、业务提供等功能，并具备开 放接口的能力。网络控制层的核心部件为处理语音及多媒体呼叫的软交换( s o f t s w i t c h ) 。而就功能而言，s o f ts w i t c h 并不关心网络与底层媒体的实现，也就是说，无 论网络采用何种物理介质建构，采取何种制式传输，都对s o f ts w i t c h 的功能没有影响。 业务层：业务层主要指面向用户提供各种应用和服务的设备，它采用开放、综合 的业务接入平台，通过使用基于标准的协议和应用程序接口( a p i ) 为下一代网络提 供各种增值业务、多媒体业务和第三方业务，同时还具有相应的业务生成和维护环境。 其构件由智能网服务器( s c p ) 、业务生成环境( s c e ) 以及网管系统、支持p a r l a y 等业务接口的第三方业务服务器等。 2 2 下一代网络中的业务 2 - 2 _ 1 下一代网络所提供业务类型 下一代网( n g n ) 是基于分组的网络，是一个逐步演进发展的网络，是一个业 务驱动的网络，能够提供包括传统电信业务以及下一代网络新业务在内的众多业务。 现阶段，n g n 提供的业务有电信网的话音业务、数据业务、流媒体业务、多媒体业 务以及互联网业务，随着电信技术和网络的发展，还将不断融入更多新的业务。 n g n 业务的种类很多，目前国际标准组织多采用按阶段方式对n g n 业务进行分 类。如i t u tf g n g nr e l e a s e1 将n g n 业务分为多媒体业务、p s t n i s d n 仿真业务、 p s t n i s d n 模拟业务、互联网业务、其他业务和公共业务等6 种类型2 4 乃】。其中， 多媒体业务主要包括实时语音会话业务、消息类业务、交互业务、内容传递业务、企 业托管服务、按讲业务、推送业务及广播多播业务等。 8 笫2 章下一代网络业务与带宽分配方法 2 2 2 下一代网络中典型业务分析 n g n 业务的发展也是一个渐进的过程，它不仅可以提供话音业务、数据业务和 电话网增值业务，随着用户需求的不断增加，还将提供丰富多彩的多媒体业务。下面 将就n g n 业务中的几种典型业务进行分析。 ( 1 ) 宽带接入业务 宽带接入业务指通过x d s l 、l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 、h f c ( h y b r i df i b e r - c o a x ) + c a b l em o d e m 等技术将用户接入至互联网上的接入业务，在此基础上还可为用户提 供多种网络应用和增值服务。宽带接入业务是下一代网络中提供的典型业务之一。截 至2 0 0 5 年底，我国宽带接入用户达到6 4 3 0 万，比2 0 0 4 年净增2 1 5 0 万户。在2 0 0 6 年第二季度末，中国宽带接入用户达到7 7 0 0 万户，同比增长4 5 2 8 。2 0 0 7 年2 月 份，中国电信全国宽带用户数达到5 5 2 6 万，用户发展非常迅速，预计2 0 0 7 - - 一2 0 1 0 年期间宽带用户将保持稳定的增长。 ( 2 ) 消息类业务 消息类业务包括即时消息( m ：i n s t a n tm e s s a g e ) 在线状态( p r e s e n c e ) 、短消息 ( s m s ：s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 、多媒体短信( m m s ：m u l t i m e d i am e s s a g i n gs e r v i c e ) 等。基于n g n 消息类业务的技术实现需要基于软交换或i m s 的n g n 架构。根据n g n 接入与控制无关的特点，n g n 的消息类业务可选支持不同接入技术和终端，固网和 移动的用户可以共享相同的i m s m s m m s 服务器，因此n g n 消息类业务可包括移 动用户与互联网间消息业务，移动用户之间、固定用户之间、移动用户与固定用户之 间等消息传送业务。 ( 3 ) 交互业务 交互业务包括点对点多媒体交互业务和多方协作通信交互业务。点对点多媒体交 互业务主要指实时的语音、文本、视频、白板等多媒体业务：多方协作通信交互业务 主要指提供文件共享、应用程序共享、电子数学、游戏等其中一种或多种功能的多媒 体会议系统。从业务特性分析，交互业务的典型应用主要包括视频会议等应用。目前 视频会议业务主要用在中国联通的宝视通、中国电信的新视通等业务。另外，很多政 府部分和大型企业也通过自行组网实现视频会议系统。 ( 4 ) 内容传递业务 内容传递业务是指将视频等其他多媒体信息流分发给用户的业务，如音乐视频 点播、数字电视、医疗图像传送，电子信息发布等。目前，i p t v 是比较典型的内容 传送业务之一，也是未来视频业务可能的发展方向。 i p t v 即交互式网络电视，是一种利用宽带接入方式，集互联网、多媒体、通信 等多种技术于一体，向用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。 i p t v 业务将电视、通信和p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 三个领域结合在一起，不但能接 收广播信号，也能实现用户与s p ( s e r v i c ep r o v i d e r ) 的互动，还可以非常容易地将电 9 西安邮电学院硕士学位论文 视服务和互联网浏览、电子邮件收发以及多种在线信息咨询、娱乐、教育及商务功能 结合在一起。 ( 5 ) 企业托管服务 根据国内外发展动态，企业托管服务是n g n 发展初期的重要应用领域之一。企 业的宽、窄带融合业务需求比较旺盛，同时企业托管业务可以降低企业投资和运营成 本；而通过软交换、i m s ( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ) 等下一代技术向大客户提供综 合i pc e n t r e x 、即时通信、统一消息、综合o a ( o 伍e ea u t o m a t i o n ) 、呼叫中心、地b 8 0 0 、 集团短信平台等托管业务，将成为n g n 新技术应用阶段运营商发展和保留大客户的 重要手段。 目前，i pc e n t r e x 被看作n g n 业务的杀手应用之一，适用于集团用户，可以管 理或取代企业内部的p b x ( p r i v a t eb r a n c he x c h a n g e ) 或i pp b x ，由运营商统一经营 维护，锁定企业客户群，取得双赢。 ( 6 ) p s t n i s d n 仿真和模拟业务 p s t n i s d n 仿真和模拟均为基于会话控制的业务，即向传统终端提供 p s t n i s d n 仿真业务。其目的是向使用传统电话终端的用户提供与现有p s t n i i s d n 网络完全一致的业务体验，其业务界定、功能架构及实现方式等相关研究均密切关系 到我国现有p s t n 网络的演进方向，并对运营商网络建设及网络融合都具有现实的指 导意义。 2 2 3 下一代网络主要业务发展预测 ( 1 ) p s t n i s d n 仿真业务用户规模 随着我国电信运营商固定网络智能化的开展和n g n 网络的建设，预计2 0 1 0 年 全国7 0 以上的固定电话用户都将成为n g n 的接入用户。移动电话用户中的3 g 用 户属于移动方式接入的仿真用户。由固定网和移动网接入n g n 的p s n 帆s d n 仿真 用户预测结果如表2 1 。 表2 12 0 0 7 - 2 0 1 0 年接入n g n 的用户预测 年份 2 0 0 72 0 0 82 0 0 9 2 0 1 0 固定接入n g n 的用户( 亿) o 8 11 6 12 2 1 2 8 1 移动接入n g n 的用户( 亿) o 2 20 5 7o 1 01 7 0 ( 2 ) 宽带接入用户规模 信息产业部统计数据显示，2 0 0 2 - - 一2 0 0 5 年，我国宽带用户发展非常迅速，三年 平均增长率达1 2 4 。 l o 表2 2 2 0 0 7 - 2 0 1 0 年我国宽带用户发展规模预测 1 年份 2 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 0 l i 宽带用户( 亿) 0 6 4o 7 70 9 11 0 4 结合目前宽带技术、业务和自费的发展情况，由于中国电信集团、