（通信与信息系统专业论文）移动运营商电信级ip承载网的本地延伸技术研究.pdf

南京邮电大学t 程硕士学位论文摘要 摘要 3 g 和软交换等技术的发展，使i p 网络成为基础的承载网络。目前各运营 商均建设了骨干层面的i p 承载网，用来疏通长途层面的话音和数据业务。而 3 g 和软交换的发展，带来了新的需求变化。端局语音i p 化需要为各移动核心 网元、r n c 等设备解决i p 接入，而为了满足r a n 的i p 化需求，需要为基站提 供基于i p 协议的接入手段。3 g 端局话音和r a n 的i p 化，都要求i p 承载网延 伸至本地更低层面，现有的i p 承载网已经无法满足业务需求。 本文通过分析，提出本地i p 承载网应覆盖移动运营商本地各主要局房，用 以疏通本地局间流量。本地i p 承载网应保持相对独立，由本地负责维护和业 务的开通和保障，与骨干i p 承载网之间运行域间路由协议。本地i p 承载网的 网络架构，应充分考虑传输资源的影响，结合流量需求和传输网络组织架构灵 活选择。而针对基站回传的需求，目前可供选择的解决方案包括路由器方案、 m s t p 方案和p t n 方案等。本文通过对各种方案的分析和比较，结合实际案例 阐述了在当前形势下，m s t p 方案能够基本满足3 g 等业务需求，可以作为初期 建网的首选方案。 南京邮电大学工程硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f3ga n ds o f ts w i t c hh a st u r n e di p b a s e dn e t w o r ki n t oa b a s i cb e a r e rn e t w o r k m o s to p e r a t o r sh a v eb u i l ti p b e a r e rn e t w o r kt oc a r r y l o n g - d i s t a n c ev o i c ea n dd a t as e r v i c e s b u ti t sn o te n o u g h i pn e t w o r ki ss u p p o s e d t ob ee x t e n d e dt oal e v e lt h a ti se v e nl o w e rt om e e tt h en e e d so f3 g l o c a li pb e a r e rn e t w o r ko fm o b i l eo p e r a t o r ss h o u l dc o v e ra l lt h es i t e sw h e r e m g w sa n dr n c sa r el o c a t e d i ts h o u l db er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tf r o mt h ec o r e t o m e e tt h en e e d so ft h ei pr a n ，m o b i l eo p e r a t o r sh a v eg o tt h r e ea l t e r n a t i v es o l u t i o n s ： m u t e rs o l u t i o n ，m s t ps o l u t i o na n dp t ns o l u t i o n b ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，t h e a u t h o rc o n c l u d e st h a tm s t ps o l u t i o ns h o u l db et h eb e s tc h o i c ec u r r e n t l y 2 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除了文中特另j j j h 以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含获得南京邮电大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 盟日期：旦粗 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有 权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：至丛垒导师签名：日期：三二l - 互尘 南京邮电大学工程硕士学位论文 综述 第一章综述 自上世纪8 0 年代以来，基于电路交换的程控交换技术取代了传统的步进制和纵横制交 换技术，得到了飞速的发展，直接推动了语音通信在我国的普及，成为通信技术发展进程 中划时代的里程碑。相应的，与电路程控交换技术同步发展起来的p d h 、s d h 、w d m 等 技术相继也得到了大规模的广泛应用。 几乎在同时，通信行业又发生了另一件划时代的大事。公众互联网从最初的专用网络 迅速成长，以爆炸式的发展速度延伸到全球各个角落。一夜之间，全球都在讨论互联网及 其带来的各种免费资源和应用。 互联网的普及和飞速发展带来了通信市场需求的变化，用户不再满足原有单纯的话音 服务，而转向希望通信运营商提供话音、数据综合的业务。而运营商在维护和运营话音和 数据两张网络的过程中，也日渐感觉到维护力量和维护成本的压力。市场的供需双方都在 呼唤技术的融合。随着技术的发展，当前的通信行业又将面临技术的更新换代。基于分组 交换的3 g 和软交换等技术经过多年的发展，在全球范围内已经成熟，正在取代传统电路交 换成为通信技术舞台上的主角。 交换核心网和无线接入技术的变化，对承载网络提出了新的需求。本课题将以业务需 求为落脚点，通过对承载网络技术的发展进行分析，试图描述新形势下本地承载网络的建 设思路和演进路线，为移动运营商今后几年的网络规划提供参考。 南京邮电大学- t 程硕士学位论文课题背景 第二章课题背景 一需求的变化和技术的发展 如前所述，软交换3 g 技术在控制层面均采用了基于l p 的信令，在业务层面上也提供 了l p 承载语音等传统业务的解决方案，从技术上为传统话音和数据业务承载方式的融合提 供了条件。与此同时，运营商内部的各种应用系统发展迅速，这些内部应用系统均基于i p 承载。随着m p l s 和m p l sv p n 技术的演进，在单一的物理i p 承载平台上承载多张逻辑 l p 网络，并保证每个i p 逻辑网络的独立和服务质量已经可以实现。为了降低多张网络的建 设和维护成本，构建统一的综合多业务承载平台已经在国内外运营商中达成共识，i p 网络 正在成为基础的综合承载平台。 一运营商本地i p 网络建设思路不清晰 为了配合2 g 软交换的建设，并为未来3 g 实施做准备，国内各移动运营商均已经建成 覆盖全国主要城市的i p 承载专网。目前各运营商都把建设重点放在解决核心网元的接入和 长途话务的疏通上，未针对远期端局语音i p 化、3 g 无线接入系统的接入需求和实现方式 等进行讨论；也未论证i p 承载网与本地传输网络、i p 城域网等其他网络的关系。 当本地局所数量达到一定的数量，尤其是当3 g 无线接入网也纳入l p 专网承载时( i p r a n 回传) ，i p 骨干网在每个本地网设置的少量节点更是远远不能满足承载需求。 本课题主要分为五个部分，各章节的主要内容包括： 第一章综述，主要介绍课题总体情况； 第二章课题背景，主要分析课题提出的技术背景和行业背景； 第三章需求分析，将重点从核心网、无线接入网等层面，论述业务对承载网络协议、 规模容量、q o s 指标、安全性等多方面的要求； 第四章i p 承载专网的本地业务组织和网络实现，将结合业务需求和各运营商实际网络 情况，阐述本地l p 承载网建设的技术选择、网络设计方案等，并通过一个实际案例，验证 方案的可行性； 第五章为主要结论。 南京邮电大学r t 程硕士学位论文课题背景 本文试图通过分析，回答下边的问题： 1 如何解决3 g 核心网和i pr a n ( 无线接入网) 回传在本地的i p 承载 2 本地软交换i p 承载网与本地其他网络的关系是什么 3 现有网络如何演进 4 未来i p 网络和传输网络应的关系如何 2 南京邮电大学工程硕士学位论文 需求分析 第三章需求分析 2 g 软交换承载需求 为了实现2 g 网络向3 g 网络的平滑演进，在核心网层面，中国移动和中国联通规划以 w c d m ar 4 版本核心网的组织架构为蓝本，在当前的2 g 移动网络中逐步引入移动软交换 技术。软交换系统对承载网络的需求，可以从控制层面和业务层面两个层面进行分析。 1 1 控制层面 目前国内移动运营商在建的移动软交换系统都是参照3 g p pr 4 相关标准建设的，根据 3 g p p 相关协议，在一个纯r 4 网络里，控制层面信息主要包括m s c s e r v e r 与m g w 之间 的h 2 4 8 控制信令以及m s c s e r v e r 之间的b i c c 信令。 为了支持于现有基于电路交换的2 g 网络，保证业务的平滑演进，新建的软交换系统必 须完全兼容原有2 g 网络，实现与2 g 网络的无缝互通。相应的在控制层面，软交换系统应 支持传统的t d m 信令，如n o 7 信令、m a p 、b s s a p 等。这些t d m 信令通常由m s c s e r v e r 发起和终结，由m g w 作为信令网关转接，连接到其他t d m 端局、汇接局、关口局、h l r 、 b s c 等传统网元。 n o 7 信令等t d m 信令在m s c s e r v e r 和m g w 之间，可以通过s i g n t r a n 承载在i p 网 络上，兼作信令网关的m g w 先将b s c 、i g w 、h l r 局向的信令分离出来，内置s g 功能 将原由t d m 承载的7 号信令通过m 2 u a s c t p 或m 3 u a s c t p 协议方式转换为i p 承载 的7 号信令，转换后的信令与h 2 4 8 信令一起，由l p 承载网专线送到m s cs e r v e r 。 无论是m s c s e r v e r 和m g w 之间的h 2 4 8 信令还是基于i p 承载的t d m 信令，从其 对l p 承载网络的带宽需求分析，这两部分信令数据量都不大，通常在一个几十万容量的软 交换系统中，两类信令的带宽需求只有几兆b p s ，而m s c s e r v e r 与m g w 作为大容量的 核心设备，通常只集中设置在中心机房，控制层面的i p 链路组织相对简单，对传输系统的 压力也较小。 但是信令系统控制着整个网络业务的接续和用户的移动性管理，尤其是当m s c s e r v e r 集中设置时，信令链路的失效会导致全网业务瘫痪。因此信令系统对网络安全性的要求非 3 南京邮电大学工程硕士学位论文 需求分析 常高。必须在网络设计时充分考虑网络的健壮性，保证网络在局部设备或链路失效时能够 以最短的时间内实现自愈恢复。 1 2 业务层面 移动软交换的业务层面，主要是指目前2 g 网络上提供的话音业务、传真业务和承载类 业务等。其中话音业务占据了绝大部分的网络资源，对业务收入的贡献也最大，本文件仅 讨论话音业务的i p 承载网络的需求。 软交换系统引入的承载和控制分离的理念，在承载层面更为灵活，话音业务既可以采 用传统的t d m 方式承载，也可以采用i p 、a i t m 等其他方式承载。当采用t d m 方式承载时， 对外部系统而言，软交换系统与传统电路交换系统完全相同。t d m 方式承载话音，经过多 年的实践已经相当成熟，本文件不再做详细讨论。而基于a t m 承载话音，在国外早期3 g 网络建设时曾经有一些应用，但随着3 g p p 后续标准的完善，国内外运营商都已经逐渐放 弃了a t m 承载方式。因此本文件仅讨论语音基于l p 承载时，对i p 网络的技术要求。 长期以来，业界对i p 网络承载话音业务曾经存在一些技术争议，这些争议主要集中在 i p 网络的q o s 、可靠性和安全性上。具体而言，在设计话音业务的i p 承载网络时，需要 慎重考虑的因素包括网络的时延、抖动、带宽、丢包率、可靠性和安全性等。 时延 网络的时延是指一个业务数据在网络中传输时，从发端到收端所经历的时间。对于 话音业务而言，网络时延实际上就是话音从讲话人传送到收话人之间的时间。语音业务 的时延不会影响语音本身的质量，但却会给语音回话双方之间的沟通造成影响。3 g p p 对语音业务时延的推荐值为小于1 5 0 毫秒，上限不高于4 0 0 毫秒。其中，在移动网内( 从 u e 到p l m n 界面) 的全部时延大约是10 0 m s 。 网络的时延由多方面因素造成，收发双方的编解码、链路带宽造成的传送时间、信 号在介质中传送所需要的时间( 如光纤中光信号的传送速度) 、数据包在队列中的等待 时间、设备存储转发信号需要的时间等都是造成时延的原因。 我国幅员辽阔，国内某运营商在构建骨干电信级i p 承载网络时，曾实测单向骨干 传输时延，部分边远地区之间的时延接近6 0 毫秒，如果加上空中接口时延、本地传输 4 南京邮电大学工程硕士学位论文需求分析 和设备处理时间等，实际端到端时延指标很难达到1 5 0 毫秒。 抖动： 网络的时延是由多方面因素共同造成的，因此在一个大的网络中，同一个业务的一 系列数据包在网络中传输的时延往往不相同，这种现象就是时延的抖动。时延的抖动会 造成收端数据报文的到达时间不可确定，严重的时候会出现数据包的乱序。为了不影响 话音业务的质量，媒体网关往往需要在设置一定的缓冲区域以消除时延抖动。但这个缓 冲同样会造成时延的增大和通话质量的降低，因此不可能做得非常大。当一个网络的抖 动非常严重时，媒体网关的缓冲会溢出，造成大量迟到的乱序报文被丢弃，语音会话无 法进行。3 g p p 推荐的话音业务时延抖动值上限为1 毫秒。 带宽： 带宽对语音业务的影响比较明显。在不同的编码方式下，语音业务对网络带宽的需 求也不相同。 r 4 版本下，当核心网电路域采用i p 承载时，如果采用了t r f o 技术，考虑占空比 时一路a m i r 话音所占用的带宽约为2 0 k b p s 。 丢包率： l p 网络丢包的原因很多，很多原因是无法避免的。在一些传统的i p 业务中，网络 丢包并不是很严重的问题，因为在l p 层面以上的t c p 层乃至应用层，针对网络的丢包 定义了重传的机制。但对于话音等实时业务来说，重传必将导致时延的不确定性增大， 在目前的设备处理速f 篷和网络速度条件下是无法容忍的。因此这些实时业务往往采用面 向无连接的u d p 的问题，弱化对数据流量的控制。此时网络必须有强有力的q o s 保证机 制，才能尽量避免网络丢包对语音业务的影响。 丢包造成了网络的，质量的下降，但对于话音等实时业务而言，因为一个l p 包承 载的净荷非常少的控制j 几十个b y t e ，最大2 4 0 b y t e ) ，少量的丢包对通话双方的正常 沟通影响不是很大的一5 p p 推荐的话音业务丢包率上限为3 。 可靠性： 网络的可靠性主要是体现在网络发生故障时的自愈能力。通常一个网络的可靠性由 网络的自愈时间来体现。自愈时间是指网络在故障发生时，网络检测错误，重新计算路 由并启动新的配置所需要的时间。网络的自愈时间差别很大，s d h 系统的自愈时间可以 小于5 0 毫秒，而传统以太网的自愈时间也许会达到几十秒。 网络故障本身是一个小概率事件，但网络故障给运营商和用户造成损失往往非常巨 5 南京邮电大学工程硕士学位论文 需求分析 大，因此网络的可靠性在3 g 网络设计中应当予以足够的重视。根据核心网厂家提供的 数据，网络恢复时间对业务的影响参见下表： 表2 1 故障恢复时间对业务的影响 恢复时间对业务的影响 2 s ( 连接丢失门限)语音会话用户主动挂机 i o s ( 心跳检测丢失连续几次检测中断后，m g w 和m s c 连接中断，m g w 重注 门限)册 安全性： 对于语音业务而言，网络的安全性包含业务系统的安全和业务数据的安全两个方 面。对于业务数据，可以采用一些认证和加密的机制，防止攻击者对业务的侦听和伪造。 对业务系统，安全性可以通过设置地址转换屏蔽对设备的攻击，通过包过滤等手段防范 黑客的入侵等。 安全性问题是一个很宽泛的问题，其中既包含了网络的策略、系统设计中需要考虑 的问题，也包含了管理流程的设置等问题。同时安全性问题是整个系统的问题，不能将 某个子系统割裂出来单独讨论，需要全盘的规划。 对于独立的l p 专网而言，实现上述3 g 话音业务的技术要求并不困难。但如果3 g 话音业务承载在一个承载综合业务的i p 网络上，为了保证网络的q o s ，必须启用网络 的策略路由、必须加强网络接入的安全控制、对于关键业务甚至需要启用资源预留协议。 6 南京邮电大学工程硕士学位论文需求分析 2 分组业务承载需求 2 1 分组网络的承载需求 在3 g p p 规范中，r 9 9 、r 4 版本的核心网分组域架构与g p r s 系统几乎完全相同， 仅在s g s n 与p d u ( r n c ) 的接口协议上有一些差别。目前各运营商在全国实施的g p r s 工程中，均要求核心网设备完全支持3 g 功能。当网络从2 g 向3 g 演进时，现有g p r s 核心网不需要做大的调整，即可直接升级提供3 g 业务。为了简单，本文件在讨论分组域承 载需求时，统一按照3 g p p 相关规范进行讨论。 根据相关规范定义，g p r s 和r 4 版本前的w c d m a 网络中，核心网分组域设备包括 g g s n 和s g s n 两类，涉及到的相关接口包括核心网分组域内部的g n g p 接口( g g s n 与s g s n 之间) 、核心网分组域与外部数据网络之间的g i 接口( g g s n 与公众数据网络或 专用数据网络之间) 等。g p 接口与g n 接口在接口协议、承载数据类型、安全性等方面的 需求接近，不失一般性，本方案在下边的文本只讨论g n 接口的建设方案。 根据3 g p p 相关协议，g n g p 接口的协议栈如下图所示： 控制层面 7 南京邮电人学工程硕士学位论文 需求分析 g n 。 g s n ( r n c ) p ( 1 u ) g s n ( s g s n ) 用户层面 图2 1g n g p 接口协议栈 其中g t p ( g p r st u n n e l l i n gp r o t o c 0 1 ) 为g p r s 隧道协议，根据功能可以分成承 载控制数据的g t p c 协议、承载用户数据的g t p - u 协议和用于实现计费原始数据上传 的g t p 协议。在g n g p 接口上只承载g t p c 和g t p - u 协议的数据包。无论哪种g t p ， 在相关协议中定义的下层路径协议是唯一的，即u d p i p 。g t p 数据报文将首先封装在 u d p 数据报文中，然后再封装到l p 包中。i p 层以下的链路和物理层面协议，3 g p p 未 作明确定义。 g n 接口是3 g 核心网分组域的重要内部接口，承载了全部用户数据业务的流量，并承 载大量的控制信息。在g n 接口上承载的g t p u 的数据包包括全部的用户数据报文，g t p - c 数据包包含了各种信令消息报文。相对于用户数据报文而言，在g n 接口上承载的各种信令 消息报文的数据量非常的少，在具体工程的带宽计算过程中可以忽略不计。 一个业务的服务质量保证需要从终端到终端的整个网络共同保证，对于3 g 数据业务而 言，一个业务的承载需要无线接入网络、3 g 核心网络和外部网络共同完成，其中外部网络 可以是i n t e m e t 或者是另外的3 g 网络等。而在每个网络内部，服务质量保证还需要包括应 用层、传输层网络的各个层面共同作用。3 g p p 在相关协议中，对3 g 网络的q o s 架构定 义如下图： 8 薰；i ：l芸丽 南京邮电大学工程硕士学位论文 需求分析 琵li 町ii li 塍il g 基a y ，张，。说绉彰乎= ：，毋锯j 静钮盘，g 撑， 一场# 兹妒 t e ，m tl o c a l ； b e a r e rs e r v i c e 黼。露滤镤黧谶五叼蘑螵字 融t 镌# 瓤饿黼j 蝻溉穗磕，= # 龆锄* o 渤自氛a ， 舶i j ，女 r a d i ob e a r e rl l ub e a r e r ii b a c k b o n e s e r v i c eits e r v i c eli b e a r e rs e r v i c e 。? 毡? 臻 f d d t d di s e r v i c ei p h y s i c a l ， b e a r e rs e r v e x t e m a lb e a t e r s e r v i c e 图2 23 g p pq o s 框架 图中，、l ub e a r e rs e r v i c e 和b a c k b o n eb e a r e rs e r v i c e 部分对应i p 承载网需求。 g n 接1 3 上承载的各种数据报文对网络服务质量和安全性的需求不同，总的来说， 。控制层面的各种信令报文对带宽的需求较小，但对网络的安全性、可靠性和时延要求很 高；用户层面承载各种用户数据报文，对带宽的需求较大，对时延、抖动、安全性、可 靠性等方面的需求对应不同的用户有不同的需求。 3 g p p 将数据业务的q o s 需求划分为4 个层次： 会话型业务 典型的会话型数据业务包括v o l p 、视频会议等业务。这类业务要求低的传输时延， 并应避免时延的抖动。通常会话型业务对传输时延的要求为毫秒级。 流媒体业务 流媒体业务的例子包括视音频点播等。相对于会话型业务而言，流媒体业务对传输 时延的要求较低，但同样要求低的时延抖动。此外流媒体业务的另外一个特点是它通常 产生单向的流量。 交互式业务 交互式业务通常是由客户和服务器之间的请求也响应组成。典型的交互性业务有 9 南京邮电大学工程硕士学位论文 需求分析 w e b 业务等。交互式业务比流媒体业务对传输时延的要求更低。 后台业务 后台业务包括下载、发送电子邮件等。后台业务对数据的传输时间没有明确的要求， 在4 类业务中对q o s 的要求最低。 下表是对上述四种业务对q o s 要求的概括： 表2 23 g p p 业务服务质量分类 业务类型会话型业务 流媒体业务 交互式业务后台业务 一网络传输资源预留一无严格时延要求，仅考虑带宽 基本特征一网络传输资源预留一尽力而为的带宽保证 一低时延，严格抖动限制 需求 典型实例v o l p 、视频会议 视音频点播 j i e b 浏览后台下载 从中国移动和中国联通等移动运营商目前g p r s 和c d m a1x 网络的实际运营情况 看，在无线数据网络建设的初期，由于用户数量少，无线接入资源有限，核心数据网络 的服务质量问题并不突出。可以认为在这个阶段，限制3 g 数据网络发展的瓶颈主要在 3 g 网络的无线接入部分。 随着3 g 市场的逐渐成熟和各种新型数据业务的不断推出以及3 g 接入网络的扩张，在 可以预测到的将来，现有数据业务将面临一场巨大的变革。今后无论是对实时性要求很强 的会话型数据业务，还是对带宽需求巨大的各种传统数据业务( 如多线程下载等) 都将承 载在3 g 统一的核心分组网络上；高商业价值的企业用户和普通家庭用户都将共用同一个 g n 接口。因此本期新建的3 g 承载网络必须具备强大的端到端的业务保证能力，满足不同 业务和用户的需求；必须能够支持灵活的用户策略和业务策略；必须具备不低于现有传输 网络的端到端的安全性。所有这些都为3 g 核心承载网络的建设提出了非常高的要求。 2 2 分组域外部网络的承载需求 g p r s 网通过各省网设置的g g s n 的g i 接口与外部数据网互连。g i 与外部网络的 通信需要经过防火墙隔离。g g s n 的g i 接口通过防火墙接入省内汇接节点。 对于不同的业务网络，g i 接口可以采用不同的接入方式。 1 0 南京邮电大学工程硕士学位论文需求分析 33 c , 承载需求与展望 3 1 核心网承载需求 3 g 核心网电路域的承载需求与2 g 软交换系统相同，参见2 g 软交换承载需求一节。 而3 g 核心网分组域的承载需求与2 g 分组域相同。本节不再赘述。 3 2 无线接入网承载需求 根据规范，在2 g 网络和早期版本的3 g 系统中，无线接入系统主要采用传统的方式承 载。如在2 g 网络中，a 接口采用t d m 方式承载，g b 接口采用帧中继方式承载；而在w c d m a r 9 9 中，对应结构都采用a l t m 方式承载。 3 g p p 在w c d m ar 5 版本中定义了无线接入网i u 接口基于i p 承载的实现方式( i p b a c k h a u l ，i p 回传) 。l u 接口的流向规律与2 g 网络中a b i t s 口的流向规律完全相同，只是 在协议上采用了r t p u d p i p 承载方式，流量上由于无线容量的提高，较2 g 网络大一些 而已。如实际工程中，2 g 基站接入需求一般为1 2 个e 1 ，而在普通城区3 g 基站的接入带 宽往往取定在1 0 m 左右。 4 承载网络体系架构的变革 与传统t d m 网络相比，i p 网络给承载网络带来了新的特性和优势： 1 传统t d m 采用面向连接，独占资源的方式，带宽资源利用率不高，而l p 网络中的 带宽资源统计复用，最大限度的避免了带宽的浪费； 2 1 p 协议族中，通过部署各种动态路由协议，使网络具备良好的安全性。与之对应， 传统t d m 网络采用链路保护的手段保证网络安全。 3 i p 网络中，通过配置各种动态协议，网络自动计算数据转发路径，当网络拓扑发生 变化时，无需对所有网元进行重新配置，大大提高了网络的扩展性。 4 数据业务和电信业务同时基于i p 承载，促进了业务的融合，为未来实现多网合一 打下了基础。 南京邮电大学工程硕士学位论文 需求分析 通过前边几节对各种业务系统对承载网络的需求分析，我们不难发现l p 网络的位置发 生了变化，随着互联网的巨大成功，i p 协议族已经成为数据通信领域占据统治地位的标准， 而语音通信等原先基于传统t d m 承载的业务，其承载技术也逐渐向l p 靠拢，n g n 、3 g 等相关协议的推出，已经明确确立了l p 在今后电信承载网络中的主导地位。在未来的数年 中，i p 网络将与基础传输网络一起，共同组成新一代电信系统的基础承载网络。 掣 传磊 1 ) f 传输网) 图2 3l p 网络地位的演变 1 2 南京邮电大学工程硕士学位论文i p 承载专网的本地业务组织和网络实现 第四章l p 承载专网的本地业务组织和网络实现 1 电信级i p 承载网的本地延伸需求 国内移动运营商在最初部署软交换网络时，都选择了自上而下的模式。即先在长途层 面部署软交换网络，然后在逐步扩散到本地网、关口局等。对应的，各运营商在建设电信 级i p 承载网时，都选择了建设大型的单自治域骨干网络，在每个本地网的核心机房设置了 少量的专用接入路由器，用来疏通长途话务。 初期的这种方式部署简单，也节约了长途传输带宽，但引入了二次编码，降低了话音 质量。随着移动端局软交换改造进程的推进，引入t r f o ( t r a n s c o d e rf r e eo p e r a t i o n ， 免编解码操作) 技术，实现本地和长途话务的端到端的语音l p 化已经势在必然。 端局实现语音i p 化后，现有i p 承载网在规模上将难以满足需求。移动端局数量众多， 局址相对分散，在一个大型本地网中，m g w 等核心网元的数量可以达到数十个，分布在多 个局址，如果全部接入到现有的接入路由器，会占用过多的传输资源，对路由器设备端口 占用过大，设备过于集中也增加了风险；同时本地话音的引入，大大增加了i p 承载需求， 根据目前网上话务量规律，本地话务约占全部话务量的8 0 ，远远高于长途话务，势必会 对现有网络造成巨大冲击。 同时目前各设备厂家在基站i p 化问题的观点已经趋于一致，相关产品也已经成熟。我 国在这个背景下发放3 g 牌照，各运营商在选择组网技术时，还必须考虑基站接入的l p 承 载问题。如前所述，3 g 基站接入在协议上采用了r t p u d p i p 承载方式，流向规律与2 g 网络相同，流量较2 g 网络较大，在实际工程中普通城区3 g 基站的接入带宽往往取定在 1 0 m 左右。在象基站覆盖这样如此大的范围内提供这样的i p 接入，同时还需要解决基站的 时钟同步，对本地i p 承载网络的组织是一个比较大的挑战。 对于端局l p 化需求而言，需要电信级l p 承载网络延伸到本地各核心局房；而如果规 划无线接入系统也纳入i p 承载网统一承载，则本地的电信级i p 承载网更要延伸到每个基 站所在地。这两类需求在节点分布、流量流向规律上都有较大的差异，同时也没有互联互 通的需求，因此在承载网络的选择上，也可以分别考虑。即通过对骨干l p 承载网的本地延 伸，解决各核心局房的接入，通过建设本地的l p 承载网路解决i pr a n 的回传。 1 3 南京邮电大学工程硕士学位论文 l p 承载专网的本地业务组织和网络实现 2i p 承载网的本地延伸 2 1 网络层次 目前国内各运营商在部署电信级l p 承载网时，只考虑了长途层面的承载需求，因此在 建网时都采用了一级扁平化网络的模式，每个本地网根据节点数量，设置了少量的路由器 设备( 典型为一对) ，所有设备运行在单一的自治域内。如前节分析，端局l p 化改造后， 本地话音等流量将成为网上主要流量，此时扁平化的网络结构已经难以满足业务和管理的 需求。 因此作者认为，根据承载业务性质，结合运营商业务开展、网络建设和维护体质等需 求，统一设计、分级建设、分级维护的电信级l p 承载网架构才是国内各大运营商未来i p 承载网络体系的发展趋势。 图3 1 电信级i p 承载网络层次体系 构架如图所示的i p 承载网络体系，可以保持本地核心层面与长途骨干层面相对独立， 维护界面更加清晰，有利于提高本地管理效率；本地业务的调整对骨干网络的影响被减至 最小，便于业务开展和网络扩展。对于局所较少的小型本地网，骨干交换层面和本地交换 层面可以合设。 1 4 南京邮电人学i 程硕+ 学位论文l p 承载专网的牟地业务组g 和阿络实现 2 2 网络结构 对于端局i p 化需求，当本期接入节点增多时，l p 承载网的组织方式应结合本地业务 流量流向分布和木地基础传输刚络情况决定。 扭i k 务开展初期，软交换核心网元集中在少数几个局址，软交换系统在整个核心网系 统中所占比例不多，本地承载在i p 承载网上的流量较少，此时为了简化网络组织可以考 虑采用星形网络结构，如下图所示： 图3 2 星型网络结构 星形结构的优点在于结构简单，用蛙少的传输链路解决了本地互联。但星形的删络结 构更适州于分组业务、眭途话音等垂直流向的业务，与本地话音业务的实际流量模型不符； 同时传输链路过于集中，对c r ( c o r er o u t e r ，核心路山器) 路山器及其所在局址的传输 系统容量和处罩能力要求过高；此外星肜结构的删络，在一定程度上存在安全隐患，当丝 形的核心发牛故障时，埘整个刚络的性能影响很大。 随着软交换系统局址的增加和内部应用系统逐渐割接到i p 承载网上束，有l p 承载网 接八需求的局址越米越多；腼软交换系统在核心网中所占比例的不断提高也导致i p 承载嘲 本地局间互联带宽不断增加，此时可以考虑在本地建设网状的接入网络，a r ( a c c e s s r o u t e r ，接入路由器) 之问通过网状或部分网状相连，疏通彼此间的业务。 南京邮屯人学工捌硕士学位论文咿承载专网的本地业务组织和网络实现 固固 【1 i t i( k 2 图33 网状网络结构 网状网是屉安争的网络：同时也符合本地话音等流景扁平分巾的业务：m 内任何两个 节点之间的流量无需其他节点转接，也保证了网络的服务质量。但删状嘲对传输资源的需 求也最大。 在实际建| 殳中，l p 网络结构的组织，更应考虑传输资源情况，入崮3 3 所示的网状网 络结构，在l p 层而看，确实是一个很健壮的网络，似如果从传输层面分析，如果不同的l p 电路承载在相同的传输系统巾，m u 其安全性就无从谈超了。在实际工程中，我们曾将l p 网 络设计为环形结构，2 ，传输网络重叠建设，虽大限度的竹约了传输资源，同时启用r p r ( r e s i l i e n t p a c k e r r i n g ，弹性分组环) 等技术，实现环上带宽的复用，在环内流量分布比 较均匀的场景下，阻络运行稳定，各项指标良好，超到了很好的效果。 2 3 路由组织 b g p 协议的引入 与网络层次对应，刚络的路由策略也应该合理划分层次结构，在骨干i p 承载网与本地 1 p 承载网之川，可以引入b g p 协议，保证本地网络相对的独立性，减少本地调整对全网的 影响。 b g p 的引入会带来m p l s v p n 跨域互通问题，i q 前基于r f c 2 5 4 7 的几种跨域解决方 南京邮电大学工程硕士学位论文 i p 承载专网的本地业务组织和网络实现 案已经能够广泛得到了主流厂家的支撑，跨厂家的互通已经不再成为m p l s 跨域的障碍。 同时由于网络设备技术的发展，主流厂家的路由器设备功能和性能都较以前得到了长足的 发展，路由表、v r f 容量等也已经不再是限制。 i g p 协议 为了减少配置工作，提高网络可靠性，本地i p 承载网应启用动态i g p 。在大型l p 网 络中，常用的动态i g p 协议包括o s p f 和l s i s ，两种协议均能够满足本地承载网需求。 为了便于维护，动态i g p 的选择可以考虑与骨干网保持一致。 传统i g p 协议的收敛时间随着网络规模的扩大而增加，常常达到分钟级。这样的收敛 速度无法满足电信级业务的需求，因此在网络设计时应考虑通过部署各层面的快速检测机 制和快速收敛算法，以有效降低本地i p 承载网的故障恢复时间。 策略路由 通过设置路由策略，使流量分配更加合理，保证服务质量，业务更加安全。 图3 4 本地i p 承载网路由策略 1 7 南京邮电大学工程硕士学位论文l p 承载专网的本地业务组织和网络实现 2 4v p n 组织 为了在一张i p 网络中承载多种业务，同时保证业务之间的独立性和安全性，常用的手 段是采用v p n 技术，即通过隧道技术为不同业务配置不同的逻辑专网，实现网络隔离和网 络安全。m p l sv p n 技术实现方式简单，配置方便，同时能够提供类似二层网络的安全性 保证，已经成为各运营商组建多业务承载网络的首选方案，目前在国内外都得到了大规模 的应用，国内各运营商的骨干电信级i p 承载网络均采用的m p l sv p n 技术。为了实现异 地相同业务的互通，各本地l p 承载网络的v p n 设置应与骨干网络保持一致，v p n 名称一 致，并需遵循同样的策略。 目前话音、信令和分组业务等多种业务之间暂没有互连互通需求，但不排除随着技术 的发展，未来不同业务网产生新互通要求，因此在v p n 的最初规划时，需要在i p 地址规 划等方面充分考虑，尽量避免不同v p n 使用相同的i p 地址段。 软交换汇接网信令v p n 软交换汇接网话音v p n 3 gp sg n 数据流v p n 图3 5m p l sv p n 划分和业务接入示意 1 8 南京邮电大学工程硕士学位论文i p 承载专网的本地业务组织和网络实现 2 5q o s 长期以来，i p 网络的服务质量问题，一直都是阻碍电信级业务i p 化承载的主要问题， 分析出现q o s 问题的原因，无非集中在网络资源受限和流量分配不合理两个方面。要解决 服务问题，可以分别从上述两个方面着手。 常用的i p 网络q o s 解决方案包括轻载，d i f f s e r v ，流量工程等。其中第一种方式是被 动的方案，但往往是最常用、最有效的方案；后两种方案只能在一定程度上使关键业务的 q o s 得到改善，难以彻底解决问题。 n e t w 钟kc o l e 2 6 小结 图3 6 基于策略的路由 随着3 g 建设的开展，建设较快的运营商已经意识到原先建设方式的问题。如中国移动 就已经开始着手考虑l p 承载网的本地延伸问题。但中国移动的方案只是扩大本地a r 数量， 仍然是在原有架构上的扩充，并未触及问题的症结，不能根本解决问题，网络规模扩大后， 仍将面临新的调整。 本文方案通过层次化的设计，解决了网络扩展性问题，同时也带来了维护和业务开展 的便利；通过与传输网络结合的结构设计，充分考虑了本地流量的合理疏导，减少了传输 系统的压力，提高了网络的安全性；通过标准化的v p n 和q o s 策略设计，保持了全网的 服务统一。 1 9 南京邮电大学工程硕士学位论文i p 承载专网的本地业务组织和网络实现 前几年无论是中国电信还是中国网通，都在实施互联网的扁平化改造，提高了管理效 率，减少了设备投资，提升了网络质量，取得了良好的效果。中国移动和中国联通在建设 i p 承载网时，未加深入分析就移植了扁平化的思路，却没有考虑到电信级业务与互联网业 务在流量流向分布上的巨大差异。承载网络一旦建成并承载业务，其调整是个巨大的工程， 会对所承载的业务造成重大影响，在初期未能充分论证，合理规划，后期的调整可能是灾 难性的。 3i pr a n 的回传 3 1 技术选择 为了满足3 g 基站和其他本地业务的承载需求，电信级i p 承载网的本地组织，可以有 多种技术路线供选择。目前在城域范围内大规模部署l p 承载网络，可以考虑采用路由器组 网、m s t p 组网或者p t n 设备组网等方式。 路由器方案 路由器方案通过在基站部署路由器设备，直接搭建一张i p m p l s 三层网络，解决r a n l p 化承载问题，通过伪线技术，提供a i t m 接口或t d m 接口。 路由器方案天然的解决了基站回传i p 承载的协议问题，但同时也存在一些问题： 1 同步问题：在传统的基于i p 的应用中，并不存在时钟同步的需求。因此传统的l p 技术中，只提供了时间同步协议n t p ，并未提供时钟同步机制。而3 g 基站需要提 供高精度的时钟同步，以解决基站间的时隙间干扰和上下行时隙干扰等问题。目前 在i p 网络中提供同步机制，主要有i e e e15 8 8v 2 ( p t p ) 和g 8 2 6 2 ( 同步以太网) 两种解决手段，其中前者接近n t p 协议的拓展，同时提供时间和时钟同步，后者 架构在以太网协议上，需要对网络中所有以太网卡进行升级。上述两种同步模式均 未见大规模商用案例。在3 g 建设初期，大量3 g 基站采用与2 g 基站同址建设的 模式，时钟同步问题尚不突出。 2 成本问题：高端路由器设备功能强大，能够满足3 g 等高质量电信级业务的需求， 南京邮电大学工程硕士学位论文 i p 承载专网的本地业务组织和网络实现 但成本相对传统的传输设备而言过高，如果在每个基站部署，会大大增加3 g 网络 的建网成本，给运营商带来过高的投资压力；而部署低端的路由器设备，在设备稳 定性、可管理性、服务质量等方面又难以满足电信级要求； 3 扩展性问题：在一个中等规模的无线本地网中，3 g 基站的数量可能达到10 0 0 个左 右，大型本地网的基站数量会更多。如此大规模的部署路由器设备，对i p 网络的 稳定性是一个巨大挑战。在国内外现有的商用案例里，很少出现一个单域的扁平i p 网络中路由器的数量超过1 0 0 0 台的情况； 4 路由收敛时间和震荡：大规模部署路由器设备，当单个自治域路由器数量达到一定 规模的时候，局部的设备或链路实效，都会造成路由重新收敛，链路不稳定时甚至 会出现路由震荡的问题，极大占用路由器设备的资源，影响网络稳定运行。尤其是 当设备设置在基站侧，机房环境、供电条件和传输链路可靠性都难以保证的情况相 当普遍，局部的网络故障造成全网的影响，无疑是所有运营商都难以接受的； 5 配置和维护问题：路由器设备配置相对复杂，目前各运营商的本地维护队伍主要从 事线路维护，数据业务能力相对较弱。以目前国内各运营商的维护管理水平，在本 地配置和维护大规模的i p 网络还存在难度。 综合上述问题，路由器方案不宜大规模应用，可作为本地i p 承载网的延伸和其他两种 方案在密集城区的补充。 m s t p 方案： m s t p 构架在传统的s d h 网络上，其技术的核心包括多种成帧映射方式、链路容量调 整及虚级联处理，能够同时接入t d m 电路和分组域电路，适合2 3 g 共站场景，同时天然 支持l u b 接口分离承载。此外由于保持了s d h 的帧结构和保护机制，m s t p 可以同传统 s d h 技术一样，保证传输的可靠性。采用虚级联的方式，也使以太网的服务质量得到有效 的保证。 m s t p 可以通过内嵌r p r 功能，实现环内带宽的复用，从而提高传输效率。由于构架 在传统的s d h 网络上，m s t p 可以方便的采用传统的时钟同步机制，对基站无特殊要求， 同时由于接口采用以太网方式，也可以支持未来的i e e e1 5 8 8 等分组同步机制； 当f e 带宽需求较大时，m s t p 级联效率和传输利用率会下降；分组处理驻留在数据 2 1 南京邮电大学工程硕士学位论文 i p 承载专网的本地业务组织和网络实现 接口单元，二层功能相对较弱，密度较低，对设备槽位占用较大，扩展性较弱：因此m s t p 技术在传输较低带宽的以太网电路时更加有效。 m s t p 提高传输