下一代网络(NGN)技术简述

下一代网络（NGN）技术简述

摘要：本文通过对下一代网络(NGN)进行了初步的介绍和分析，针对NGN的特点、优势和面临的问题做出了简单的总结

关键词：下一代网络系统架构优势问题

下一代网络(NGN)是一个基于IP的全新通信网络，可以承载语音、数据、多媒体等种类丰富的业务。它是建立在单一的包交换网络基础上，应用软交换技术、各种应用服务器及媒体网关技术建立起来的一种分布式的、电信级的、端到端的统一网络。NGN汇聚了固定、移动、宽带等多种网络，致力于和PSTN(公共交换网)及移动网的完美互通。同时，NGN提供了一个开放式的体系架构，便于新业务的快速开发和部署。

下一代网络(NGN)的基本思路是具有统一的IP通信协议和巨大的传输容量，能以最经济的成本灵活、可靠、持续地支持一切已有和将有的业务和信号。显然，这样的网络其基础物理层只能是波分复用（WDM）光传送网，这样才可能提供巨大的网络带宽，保证可持续发展的网络结构、容量和性能以及廉价的成本，支持当前和未来的任何业务和信号。

总体来说，广义上的下一代网络(NGN)是指以软交换为代表，IMS为核心框架，能够为公众灵活提供大规模视视频话音数据等多种通信业务，以分组交换为业务统一承载平台，传输层适应数据业务特征及带宽需求，与通信运营商相关，可运营、维护、管理的通信网络。

一．NGN主要特征

NGN的主要特点是能够为公众灵活、大规模地提供以视频业务为代表，包含话音业务、互联网业务在的各种丰富业务。当前所谓的电信网是为业务设计的，实质上是为网服务的。要适应NGN多业务、灵活开展业务的特征，必须要有新的网络结构来支持。一般来说，NGN主要有如下特征。

1．NGN是业务独立于承载的网络

传统网的业务网就是承载网，结果就是新业务很难开展。NGN允许业务和网络分别提供和独立发展，提供灵活有效的业务创建、业务应用和业务管理功能，支持不同带宽的、实时的或非实时的各种多媒体业务使用，使业务和应用的提供有较大的灵活性，从而满足用户不断增长的对新业务的需求，也使得网络具有可持续发展的能力和竞争力。

2．NGN采用分组交换作为统一的业务承载方式

传统的网采用电路（时隙）方式承载话音，虽然能有效传输话音，但是不能有效承载数据。NGN的网络结构对话音和数据采用基于分组的传输模式，采用统一的协议。NGN把传统的交换机的功能模块分离成为独立的网络部件，它们通过标准的开放接口进行互联，使原有的电信网络逐步走向开放，运营商可以根据业务的需要，自由组合各部分的功能产品来组建新网络。部件间协议接口的标准化可以实现各种异构网的互通。

3.NGN能够与现有网络如PSTN、ISDN和GSM等互通

现有电信网规模庞大，NGN可以通过网关等设备与现有网络互联互通，保护现有投资。同时NGN也支持现有终端和IP智能终端，包括模拟、传真机、ISDN 终端、移动、GPRS终端、SIP终端、H248终端、MGCP终端、通过PC的以太网、线缆调制解调器等。

4．NGN是安全的、支持服务质量的网络

传统的网基于时隙交换，为每一对用户都准备了双向64kbit/s的虚电路，传输网络提供的都是点对点专线，很少出现服务质量问题。NGN基于分组交换组建，则必须考虑安全以及服务质量问题。当前采用IPv4协议的互联网只提供尽力而为的服务，NGN要提供包括视频在的多种服务则必须保证一定程度的安全和服务质量。

5．NGN是提供多媒体流媒体业务的多业务网络

当前电信网业务主要关注话音业务。数据业务虽然已超过话音，但是在盈利方面还有待提高。大规模并发流媒体以及互动多媒体业务是当前宽带业务的代表，因此仍然以话音和传统互联网数据业务为主的NGN是没有意义的。NGN 必须在服务质量以及安全等保障下提供多媒体流媒体业务。

二．NGN的系统架构

NGN的服务将包括两个方面：基于会话的服务和非基于会话的服务。前者的例子诸如IP、电视会议和电视聊天，后者业务有媒体流和广播等。此外，下一代网络支持公用交换网/综合业务数字网(PSTN/ISDN)替代物（ITU-T的术语即PSTN/ISTN的仿真）。

下图中展示了NGN结构。根据Y.2011建议书，下一代网络的功能分为服务层和传输层。终端用户功能由用户-网络接口（UNI）接到下一代网络，而其他网络则通过网络—网络接口（NNI）互相连接。

ANI NNI UNI

多媒体控制管理

用户-网络接口

网络-网络接口

应用-网络接口

下一代网络结构示意图

1．传输层功能

传输层功能为NGN所有成分和物理上分开的功能提供连接。IP是NGN最有前景的传输技术。因此，传输层将为NGN外的末端用户设备和通常驻留在网

络服务器上的控制器和启动器提供连接。传输层还负责提供端对端的服务质量控制。端对端的服务质量是人们所期望的NGN应具有的特性之一。

传输层分成接入网和核心网两个部分，并由一种连接功能连接起来。

（1）接入功能

接入功能管理末端用户对网络的接入。它涉及的接入技术有宽带码分多址（W-CDMA）和数字用户线（xDSL）等。接入网包括相关的电缆接入、数字用户线技术、无线技术、以太网技术和光学接入的功能。

（2）接入传输功能

接入传输功能负责将信息通过接入网进行传输。它还提供直接处理用户业务，包括缓冲管理、排队和调度、包过滤、业务分级、标注、监控和整形的服务质量控制机制。

（3）边缘功能

当接入业务并入核心网时，边缘功能负责进行业务处理。

（4）核心传输功能

核心传输功能负责确保通过核心网的信息传输顺利进行。根据与传输控制功能的相互作用，它提供鉴别网传输质量的方法。它还提供直接处理用户业务，包括缓冲管理、排队和调度、包的过滤、业务分级、标注、监控和整形、门控制和防火墙的服务质量机制。

（5）网络接触控制功能

网络接触控制功能执行接入级的登录以及进入NGN服务的末端用户功能的启动。它提供网络级的识别/认证，管理接入网的IP地址空间和确认接入会话，还向末端用户发布NGN服务和应用功能的接触点。也即，网络接触控制功能协助末端用户设备进行登录和启动使用NGN。

（6）资源与准入控制功能

资源与准入控制功能提供准入控制和门控制功能，包括对网址、端口编译（NAPTs）和不同服务场地码点（DSCPs）的控制。准入控制通过网络接触控制功能来进一步核验用户身份。核验资源的可用性是指准入控制功能验证一个资源（如带宽）申请的合理性，在检查了已经分配或占用的资源后，决定是否在剩余资源中批准配给。

资源与准入控制功能与传输功能相互作用来控制传输层的功能，包括：包过滤、业务分级、标注和监控，带宽保留和指配、网址和端口编译、IP地址的反欺骗、网址和端口编译/防火墙的通过和使用计量。

（7）传输用户身份功能

传输用户身份功能块将传输层的用户和其他控制数据编译成单一的“用户身份”。该功能可以规定为驻留在NGN任何部分的一组功能性合作数据库并加以实现。

（8）网间连接功能

网间连接功能提供与其他网络的互联能力，包括许多现存的网络，如基于公用交换网/综合业务数字网的网络。为其他网络设置的网络-网络接口，用在控制

与传输级两者中，包括边界处的网间连接。控制和传输级间的交互可以直接进行，或通过传输控制功能进行。

（9）媒体处理功能

该系列的媒体资源处理功能为提供生成单音信号、译码和会议桥接类的服务进行媒体资源处理。

2．服务层功能

服务层功能提供基于会话的和非会话的服务，包括现况信息的描绘，即时消息交换的消息方法等。服务层功能还提供与现有的公用交换网/综合业务数字网服务和能力相关的全部网络功能，以及与遗留雇主设备的接口。

（1）服务和控制功能

它包括在服务级上的会话控制功能、登录功能、确认和批准功能，控制媒体源（专门资源）的功能。

（2）服务用户身份功能

该功能将服务层的用户和其他控制数据编译成单一的“用户身份”。该功能可以规定为驻留在NGN任何部分的一组功能性合作数据库，并加以实现。

（3）应用功能

NGN支持开放的应用接口，可使第三方服务供应商为用户提供增强的服务。全部应用功能（委托的和非委托的）和服务供应商，通过服务层的服务或网间连接器，接入NGN资源。

3．管理功能

管理功能可以分布式地位于每个功能实体（FE），与网络要素（NE）管理、网络管理和服务管理功能实体相交互。

管理功能包括计费和开单功能，给NGN运营商提供资源利用率数据以使他们能准确地给用户开计费单。记费和开单功能支持离线记账的数据收集和近实时的在线记账类的数据收集。

4．末端用户功能

对末端用户的接口有物理接口和功能接口两种方式，如上图所示。NGN对所有类型的雇主设备都支持，包括遗留下来的单线和复杂的集团网络。末端用户设备可以是移动的，也可以是固定的。

三．支撑NGN的九大关键技术

１．Pv6

作为网络协议，NGN将基于IPv6。IPv6相对于IPv4的主要优势是：扩大了地址空间、提高了网络的整体吞吐量、服务质量得到很大改善、安全性有了更好的保证、支持即插即用和移动性、更好地实现了多播功能。

２．光纤高速传输技术

NGN需要更高的速率、更大的容量，但到目前为止我们能够看到的，并能实现的最理想传送媒介仍然是光。因为只有利用光谱才能带给我们充裕的带宽。光纤高速传输技术现正沿着扩大单一波长传输容量、超长距离传输和密集波分复用(DWDM)系统三个方向在发展。单一光纤的传输容量自1980至2000年这

20年里增加了大约1万倍。目前已做到40Gb/s，预计几年后将再增加16倍，达到6.4Tb/s。超长距离实现了1.28T(128x10G)无再生传送8000Km。波分复用实验室最高水平已做到273个波长、每波长40Gb(日本NEC)。

３．光交换与智能光网

光有高速传输是不够的，NGN需要更加灵活、更加有效的光传送网。组网技术现正从具有分插复用和交叉连接功能的光联网向利用光交换机构成的智能光网发展，从环形网向网状网发展，从光-电-光交换向全光交换发展。智能光网能在容量灵活性、成本有效性、网络可扩展性、业务灵活性、用户自助性、覆盖性和可靠性等方面比点到点传输系统和光联网带来更多的好处。

４．宽带接入

NGN必须要有宽带接入技术的支持，因为只有接入网的带宽瓶颈被打开，各种宽带服务与应用才能开展起来，网络容量的潜力才能真正发挥。这方面的技术五花八门，主要有以下四种技术，一是基于高速数字用户线(VDSL)；二是基于以太网无源光网(EPON)的光纤到家(FTTH)；三是自由空间光系统(FSO)；四是无线局域网(WLAN)。

５．城域网

城域网也是NGN中不可忽视的一部分。城域网的解决方案十分活跃，有基于SONET/SDH/SDH的、基于ATM的、也有基于以太网或WDM的，以及MPLS和RPR(弹性分组环技术)等。

这里需要一提的是弹性分组环(RPR)和城域光网(MON)。弹性分组环是面向数据(特别是以太网)的一种光环新技术，它利用了大部分数据业务的实时性不如话音那样强的事实，使用双环工作的方式。RPR与媒介无关，可扩展，采用分布式的管理、拥塞控制与保护机制，具备分服务等级的能力。能比SONET/SDH更有效地分配带宽和处理数据，从而降低运营商及其企业客户的成本。使运营商在城域网通过以太网运行电信级的业务成为可能。城域光网是代表发展方向的城域网技术，其目的是把光网在成本与网络效率方面的好处带给最终用户。城域光网是一个扩展性非常好并能适应未来的透明、灵活、可靠的多业务平台，能提供动态的、基于标准的多协议支持，同时具备高效的配置能力、生存能力和综合网络管理的能力。

６．软交换

为了把控制功能(包括服务控制功能和网络资源控制功能)与传送功能完全分开，NGN需要使用软交换技术。软交换的概念基于新的网络分层模型(接入与传送层、媒体层、控制层与网络服务层四层)概念，从而对各种功能作不同程度的集成，把它们分离开来，通过各种接口协议，使业务提供者可以非常灵活地将业务传送协议和控制协议结合起来，实现业务融合和业务转移，非常适用于不同网络并存互通的需要，也适用于从话音网向多业务多媒体网的演进。

７．3G和后3G移动通信系统

3G定位于多媒体IP业务，传输容量更大，灵活性更高，并将引入新的商业模式，目前正处在走向大规模商用的关键时刻。制定3G标准的3GPP组织于2000年5月已经决定以IPv6为基础构筑下一代移动网，使IPv6成为3G必须

遵循的标准。包括4G在的后3G系统将定位于宽带多媒体业务，使用更高的频带，使传输容量再上一个台阶。在不同网络间可无缝提供服务，网络可以自行组织，终端可以重新配置和随身佩带，是一个包括卫星通信在的端到端IP系统，与其他技术共享一个IP核心网。它们都是支持NGN的基础设施。

８．IP终端

随着政府上网、企业上网、个人上网、汽车上网、设备上网、家电上网等等的普及，必须要开发相应的IP终端来与之适配。许多公司现正在从固定机开始开发基于IP的用户设备，包括汽车的仪表板、建筑物的空调系统以及家用电器，从音响设备和电冰箱到调光开关和电咖啡壶。所有这些设备都将挂在网上，可以通过家庭LAN或个人网(PAN)接入或从远端PC机接入。

９．网络安全技术

网络安全与信息安全是休戚相关的，网络不安全，就谈不上信息安全。现在，除了常用的防火墙、代理服务器、安全过滤、用户证书、授权、访问控制、数据加密、安全审计和故障恢复等安全技术外，今后还要采取更多的措施来加强网络的安全，例如，针对现有路由器、交换机、边界网关协议(BGP)、域名系统(DNS) 所存在的安全弱点提出解决办法；迅速采用强安全性的网络协议(特别是IPv6)；对关键的网元、、数据中心设置真正的冗余、分集和保护；实时全面地观察了解整个网络的情况，对传送的信息容负有责任，不盲目传递病毒或攻击；严格控制新技术和新系统，在找到和克服安全弱点之前不允许把它们匆忙推向市场。

四．NGN的技术优势

NGN的目的是为了改革现有电信网和信息产业的基础设施，以支持更广泛的业务。NGN不仅代表通信业务融合的潮流，也代表了通信网络的发展正在由技术驱动转向业务驱动的趋势。一般认为，NGN具备下列技术优势：

1．开放的、分层的网络构架体系

NGN强调网络的开放性，其原则包括网络架构、网络设备、网络信令和协议。开放式网络架构能让众多的运营商、制造商和服务提供商方便地进入市场参与竞争，易于生成和运行各种服务，而网络信令和协议的标准化可以实现各种异构网的互通。NGN的分层组网特点，使得运营商几乎不用考虑到过多的网络规划，仅需根据业务的发展情况，来考虑各接入节点的部署。在组大网方面，无论是容量、维护的方便程度，以及组网效率，NGN同PSTN相比也有明显的优势。

2．业务与呼叫控制分离、呼叫控制与承载相分离

NGN是业务独立于网络的网络，通过业务与呼叫控制分离以及呼叫控制与承载分离实现真正的"业务独立于网络"，允许业务和网络独立发展，使得业务供应商和用户能够灵活有效的生成或更新业务，也使得网络具有可持续发展的能力和竞争力。

3．支持各种业务和用户无拘束的接入

NGN是一个基于分组传送的网络，能够承载话音、多媒体、数据和视象等所有比特流的多业务网，并能通过各种各样的传送特性(实时与非实时、由低到高的数据速率、不同的QoS、点到点/多播/广播/会话/会议等等)满足多样化、

个性化业务需求，使服务质量得到保证，令用户满意。运营商可以推出新的盈利模式，实现按质论价、优质优价。普通用户可通过智能分组话音终端、多媒体终端接入，通过接入媒体网关、综合接入设备（IAD）来满足用户的语音、数据和视频业务的共存需求。

4．可与现有网络互通；

NGN是具有后向兼容性、允许平滑演进的网络，通过接入媒体网关、中继媒体网关和信令网关等，可实现与PSTN、PLMN、IN、Internet等网络的互通，从而充分挖掘现有网络设施潜力和保护已有投资。

5．支持移动性

移动的大发展充分表明人类对移动性的旺盛需求，服务需要移动性，互联网服务同样需要移动性。NGN的分层组网特点和部件化有利于支持普遍的移动性和漫游性。因此，在NGN体系中，可以提前预铺3G核心网，从而赢得竞争优势。

6．电信级的硬件平台

NGN的业务处理部分运行于通用的电信级的硬件平台上，运营商可以通过选购性能优越的硬件平台，来提高处理能力。同样，在这个平台上，摩尔定律所带来的处理性能的持续增长，也将使整个通信产业获益

五．NGN面临的问题

NGN的技术优势及其特点的为NGN的目标实现提供了一定的基础，但是，目前NGN的研究中仍有一些问题未看到有效的解决方法，例如端到端的QoS、

安全性、对流媒体业务的支持、多播与广播、网和Internet的编号与寻址的统一、网管和计费及商业模式等。以下是NGN存在的一些主要问题。

1．承载网的QoS

IP、ATM都是可供选择的技术，其中ATM的QoS问题解决得比较彻底，对实时性较高的业务会比较有利。但是，它由于是面向连接的技术，信令比较复杂，另外，ATM的问题很多并没有解决。因此，未来的承载网采用IP的可能性极大。

但是，IP网本身亦有许多问题需要解决，如服务质量QoS如何保证？目前的分组数据网是为传送非实时、突发性数据业务而设计的，能否为NGN所承载的话音及视频等实时业务提供所需的QOS服务保证，是NGN发展所面临的主要问题。

2．网络互联互通

由于NGN技术本身在不断发展，协议本身也需要根据业务需求不断完善和补充。各厂家采用的协议不同，或者对同一协议细节的理解不同，因此不同厂家设备之间互通在今后几年将是一个关键问题。

互联互通至少包括3个方面的容：水平互通、垂直互通以及信令网间的互通。水平互通是指软交换系统间的互通，即网间互联。包括与SIP系统、SIP-T/BICC 系统、H.323系统、智能网互通等。垂直互通主要指软交换系统各子系统之间的互通，如软交换与各种媒体网关、与H.248终端、SIP终端、MGCP终端以及与业务生成系统、网络管理系统、认证系统的互通等。信令网的互通主要包括与No.7系统的互通以及与IP网信令的互通等。

由于上述协议尚未做到兼容性，还在发展之中，协议的选项需要运营商根据业务的需求来进一步确定。API没有成熟的产品。基于开放的业务平台，采用标准的API接口为网络运营商提供新业务开创了未来美好的前景。

3．如何实现私网穿透问题

为了隐藏私有地址，防止外部攻击以及节省对公网IP地址的占用，企业网与公网的边缘都会设有NAT，实现IP地址及Port端口号的改变。

由于NAT仅对IP包的地址及端口号进行转换，而H.248及SIP等协议真正的媒体连接信息是放在SDP（即IP包的负载）中传递的，这部分的私网地址是无法被NAT映射成公网地址传到对方用户的，因此媒体流实际是无法真正建立起来的；且NAT如何保持所记录的会话地址转换直到通话结束才被删除，这都是目前这一领域需要解决的问题。

目前有两种解决方案，一种是使用能够解析相关应用协议（如SIP）的增强型NAT，即应用层网关（ALG）；另一种是在NAT的外侧增加代理服务器。

上述解决方案的性价比怎样，可行性如何，是否会给网络带来新的问题（如成为网络的拥塞瓶颈），这些都有待进一步研究。

4．业务开发的问题

NGN的业务层是对网络运营商、ISP、ICP、ASP和用户完全开放的，他们都可以在NGN的业务层上创建业务、经营业务。最典型的是IP，网络运营商提供到的IP服务，ISP、ICP、甚至用户可以开展PC到PC的IP服务。

能够快速、灵活地提供丰富的业务，这是NGN的一个优势，但目前厂家能够提供的业务多集中为基本语音业务及补充业务、智能网业务、PINT业务、多媒体终端之间的同步浏览、统一消息、多媒体会议等，究竟什么业务才是运营商手中的杀手业务，才能真正带来收益，是目前运营商和设备商在共同苦思冥想的问题，目前并未出现使人眼前为之一亮的业务。

5．网络管理

即使到了NGN时代，资源也是有限的，服务也是有差别的，这一点是我们考虑问题的出发点。要使NGN有序、有效地发挥作用，管理是十分重要的方面。NGN的网络管理有两个容：网络资源的管理和用户的管理。

网络资源管理同现在的电信网的网管功能基本相同，具有五大管理功能，性能、配置、故障、安全、计费。它也是采用网元管理、网络管理和业务管理的分层管理模型。其中NGN的网络的安全管理、NGN中端到端的QoS管理、四级网络和众多运营商网络的协调管理都是NGN的网络资源管理的重大课题。

用户的管理是NGN中的新问题。传统电信网管理到交换机的用户端口就可以对用户权限、QoS、用户业务、计费进行管理，这是因为从交换机用户端口到用户设备都是用户独享的。因特网通过AAA（授权、认证、计费）对共享资源的用户进行上网管理，但它在带宽、QoS、用户业务、业务网功能资源的占用（如使用MCU资源，功能服务器资源等）、安全等级等等的管理方面还是欠缺的。忽视用户管理，或者用户管理功能不全、不细是不能实现好的业务模式，从而达到好的赢利模式的关键因素之一