IP承載網技術發(fā)展趨勢

IP網的QoS、安全等問題一直是電信界詬病的焦點，隨著下一代網絡（NGN）從理論研究階段過渡到實際應用階段，關于IP網絡的爭論更加激烈。IP技術是否能夠滿足NGN承載的要求，在業(yè)界還有很大的分歧，IP極端樂觀主義者認為互聯(lián)網就是網絡融合的未來，認為沒有NGN，只有NGI；IP極端悲觀主義者認為IP技術本身就不適合承載電信業(yè)務，需要有革命性的變化，甚至需要發(fā)明一種新技術來承載下一代網絡。

網絡是技術、管理模式和商業(yè)模式的有機組合，判斷一個技術的好壞要看這種技術能否與管理模式和商業(yè)模式有效地配合以支持業(yè)務開展，同時要兼顧技術的成熟性和產業(yè)的投入和支持。我們在談論IP問題的時候也決不能“維技術論”，本文從一個網絡應用者的視角談一下對于IP網絡和技術的看法，僅代表個人觀點。

2 下一代網絡的發(fā)展目標

如圖1所示，ITU-T對于下一代網絡有過一個純功能層面的定義，對于運營商來說，這樣一個定義是無法直接應用于生產當中的，需要根據(jù)這個定義進行技術選擇，而且需要充分考慮運行維護模式、商業(yè)模式等問題。

筆者認為，下一代網絡是從電信網對業(yè)務和網絡的要求出發(fā)，充分利用互聯(lián)網的先進技術，引入電信網的運營和管理模式，通過商業(yè)模式上的創(chuàng)新來實現(xiàn)的新一代網絡。在下一代網絡中，IP無論在承載層還是業(yè)務層都將擔任重要角色，目前，ITU-T，3GPP，OMA等國際主流標準化組織都與IETF建立了聯(lián)絡，充分利用IP領域已有的先進技術實現(xiàn)電信業(yè)務。

2．1 業(yè)務的IP化

隨著互聯(lián)網業(yè)務的普及，TCP/IP協(xié)議已經成了各種操作系統(tǒng)的默認配置，目前大部分業(yè)務系統(tǒng)使用TCP/IP協(xié)議進行通信。

互聯(lián)網的開放性使其成為新業(yè)務最好的試驗場，電信網也不斷從互聯(lián)網業(yè)務中吸取營養(yǎng)，SIP是目前業(yè)界公認的下一代網絡的核心控制技術之一，它最初就產生于互聯(lián)網。

2．2 網絡的IP化

20世紀90年代的關于ATM和IP的爭論已經徹底成為歷史。目前，IP無論從技術、設備還是標準化方面的發(fā)展都遠遠超過對手，一枝獨秀。目前，路由器廣泛采用ASIC，NP等硬件/準硬件技術實現(xiàn)，性能、穩(wěn)定性大為提高，ATM等其他技術已經成為IP之下的二層技術。

IP領域技術發(fā)展帶有明顯的技術驅動的特點，新技術層出不窮，但由于IP技術的最初定位不是滿足電信網絡的需求，在滿足電信網的QoS、安全、高可用性等要求方面還有形成體系。

3 IP技術發(fā)展狀況

IP技術最初是為滿足院校、學術機構的資源共享而發(fā)明的，隨著網絡規(guī)模的不斷擴大，共享資源的爆炸式增加，IP網絡成為全球范圍的國際互聯(lián)網絡——Internet，互聯(lián)網的發(fā)展極大地改變了人們的生產、生活，也對電信網絡的發(fā)展產生了深刻的影響，IP技術以其簡單、開放、靈活等特性使電信網絡快速開發(fā)和提供豐富多彩的增值業(yè)務成為可能。

4 IP QoS技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

4．1 IP QoS技術發(fā)展現(xiàn)狀

IP QoS技術分為區(qū)分服務（DiffServ）和集成服務（IntServ）兩大模型，從這兩大模型衍生出來的其他QoS技術如圖2所示。

（1）區(qū)分服務（DiffServ）和集成服務（IntServ）

DiffServ相關標準為RFC2475，2474，2597（EF），2598（AF）。在DiffServ方案中，在網絡入口處根據(jù)服務要求對業(yè)務進行分類、流量控制，同時設置DSCP，在網絡中根據(jù)實施好的QoS機制來區(qū)分每一類通信（依據(jù)分組的DSCP值）、并為之服務（包括資源分配、分組丟棄策略等，統(tǒng)稱為PHB），DiffServ域中的所有節(jié)點都將根據(jù)分組的DSCP字段來遵守PHB。

IntServ相關標準為RFC2210。IntServ定義了兩種服務，即保證服務與控制負載服務。使用IntServ，兩端應用程序在通信前，需要根據(jù)業(yè)務類型及對網絡資源的要求，通過RSVP信令（帶外）建立端到端的通信路徑；沿途的每一個路由器都需要記錄每一個業(yè)務流的狀態(tài)信息，即“軟狀態(tài)”，并提供相應的服務確保。

DiffServ和IntServ代表QoS保證的兩種不同的理念，DiffServ是粗管道、面向類的QoS保證技術，IntServ是細管道、面向流的QoS保證技術。事實證明，IntServ在大網中應用存在擴展性問題，目前基本已經退出歷史舞臺。

（2）E-LSP和MPLS流量工程（MPLS TE）

隨著MPLS在VPN等領域的大量應用，DiffServ和MPLS結合出現(xiàn)了E-LSP，即通過MPLS標簽中的EXP字段來標記業(yè)務的優(yōu)先級。

IntServ模式盡管在以流為單位的細粒度QoS保證方面已沒有發(fā)展前途，但與MPLS技術結合產生了面向粗管道的MPLS-TE技術，可以通過RSVP-TE作為信令為一類業(yè)務端到端預留一個大粒度的帶寬。

（3）DS-TE

DS-TE將E-LSP和MPLS-TE結合起來，能夠實現(xiàn)在MPLS-TE隧道中細分不同服務等級，提供更為靈活的QoS保證。目前，該技術尚不成熟，標準還在草案階段。

（4）現(xiàn)有QoS技術的實施

隨著硬件轉發(fā)技術的應用，路由器、交換機對數(shù)據(jù)報文的處理時延已經達到微秒級，端到端的時延主要取決于傳輸距離而不是節(jié)點的處理時延，實驗室測試和現(xiàn)網經驗告訴我們，在端口流量達到80%甚至90%的時候，大多數(shù)主流路由、交換設備都不會出現(xiàn)丟包，處理時延在100us左右。

目前，大多數(shù)商用網絡通過業(yè)務的流量流向預測、適當過量的帶寬設計避免網絡壅塞作為保證QoS的主要手段，同時在網絡上部署DiffServ和E-LSP技術，在網絡流量突發(fā)時保證高優(yōu)先級業(yè)務的質量。

4．2 IP QoS技術發(fā)展趨勢

盡管現(xiàn)有QoS技術能夠在一定程度上解決網絡服務質量問題，但在具體實施過程中依然存在問題，不符合傳統(tǒng)電信網的運營模式：

（1）無法進行基于流的呼叫控制。對于話音等傳統(tǒng)電信業(yè)務，當網絡資源不足時無法拒絕訪問，只能降低業(yè)務的QoS，不符合用戶原有的使用習慣。

（2）IP承載層與業(yè)務之間沒有通信，只能通過IP層能夠感知的屬性（如IP五元組）實施QoS策略，在某些情況下無法滿足業(yè)務的需求。比如，對于基于IMS的IP電話和MSN的話音聊天，其媒體流都是端到端的RTP報文，通過IP五元組是無法進行區(qū)分以實施不同的QoS策略的。

為了在下一代網絡中解決這些問題，ITU-T提出了資源訪問控制功能（RACF）模型參考模型（見圖3）。在該參考模型中引入了資源控制功能（RACF），增強了承載控制功能。其中：

（1）RACF包含兩類資源和訪問控制功能實體：PD-FE（策略決策功能）和TRC-FE（傳輸資源控制功能）。

（2）TRC-FE保存和維護網絡拓撲信息、網絡和網元資源可用性信息，并從NACF獲得接入網傳輸定購信息；PD-FE是網絡資源和訪問控制的最終決策點，它根據(jù)SCF發(fā)來的請求，從TRC-FE獲得網絡資源信息和傳輸層的定購信息，根據(jù)一定的規(guī)則形成策略，通過Rw接口控制PE-FE，對流經PE-FE的所有媒體流進行訪問控制、資源分配和預留、地址翻譯等。

5 網絡可用性技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

電信網絡要求長時間不中斷提供服務，這是與互聯(lián)網的主要差別，因此網絡可用性對于IP承載電信業(yè)務至關重要。

網絡可用度的定義可以用如下公式表示：，其中：MTBF表示平均無故障時間，MTTR表示平均故障修復時間。

我們可以發(fā)現(xiàn)，通過延長MTBF或降低MTTR可以提高網絡可用度。延長MTBF受設備制造工藝、傳輸線路質量、計劃作業(yè)等因素影響，難以控制；降低MTTR可以通過設置冗余設備、鏈路，快速檢測到故障，并快速進行倒換來實現(xiàn)，目前業(yè)界提高網絡可用性也主要采取這種措施。

4．1 IP高可用性技術發(fā)展現(xiàn)狀

目前，主要的高可用性技術包括IGP快速收斂、TEFRR、虛擬冗余路由器協(xié)議（VRRP）和不間斷轉發(fā)技術。

（1）IGP快速收斂

IP網絡能夠通過路由協(xié)議實現(xiàn)自動路由，具有很高的可用性，但普通的IGP協(xié)議收斂時間根據(jù)網絡規(guī)模等一般都是在10s級別以上，顯然不能滿足電信級網絡的要求。

IGP快速收斂引進了大量的新技術，包括增量SP計算(i-SPF)，局部路由計算(PRC)等。IGP路由協(xié)議引進了大量的快速收斂，快速檢測技術大大的提高了路由的收斂速度，收斂時間一般可以達到1～2s左右（不同的網絡規(guī)模，收斂時間有差異），基本上可以滿足數(shù)據(jù)電信級承載網要求。

（2）TE FRR

TE FRR是一種基于TE的LSP保護技術，可以提供基于鏈路和節(jié)點的保護，使用一條備份隧道保護

被保護節(jié)點和鏈路。

TE FRR是一種局部和物理拓撲相結合的保護技術，因此和業(yè)務是不相關的。對于一些容易出故障的接點，或是出故障影響范圍比較大的鏈路或節(jié)點提供50ms內的保護切換。

由于TE技術存在擴展性問題，在大規(guī)模網絡上不建議全網部署，適合在對業(yè)務影響最大的網絡核心層部署。

（3）虛擬冗余路由器協(xié)議（VRRP）

VRRP協(xié)議將系統(tǒng)中多臺路由器組成VRRP組，該組中擁有一個虛擬默認網關地址。但在任何時刻，一個組內只有控制虛擬網關地址的路由器是活動路由器（Master），由它來轉發(fā)數(shù)據(jù)包。如果活動路由器發(fā)生了故障，它將選擇一個優(yōu)先權最高的冗余備份路由器（Backup）來替代活動路由器。由于網絡內的終端配置了VRRP虛擬網關地址，發(fā)生故障時，虛擬路由器沒有改變，主機仍然保持連接，網絡將不會受到單點故障的影響，這樣就較好地解決了網絡中路由器切換的問題。VRRP協(xié)議適合在業(yè)務系統(tǒng)接入時采用。

（4）不間斷轉發(fā)技術

不間斷轉發(fā)技術包括NSF（不間斷轉發(fā)）、NSR（不間斷路由）和GR（溫柔重啟），這些技術保證在設備主控板發(fā)生故障時能夠保持正常轉發(fā)數(shù)據(jù)報文。

（1）NSF技術在主控板發(fā)生故障時不更新線卡上的轉發(fā)表，保證數(shù)據(jù)報能夠繼續(xù)正常轉發(fā)。該技術為設備內部實現(xiàn)，不涉及協(xié)議擴展。

（2）NSR技術要求主控板1+1冗余，正常工作時，主用板卡將路由信息和狀態(tài)信息同步給備用板卡，當主用板卡故障時，備用板卡快速接管路由工作，保證數(shù)據(jù)報文轉發(fā)不受影響。該技術為設備內部實現(xiàn)，不涉及協(xié)議擴展。

（3）GR技術是路由器與鄰居之間路由協(xié)議的擴展，當某路由器主控板故障時，通知鄰居路由器，保持數(shù)據(jù)報文的正常轉發(fā)，當故障路由器恢復后通知鄰居路由器，依靠鄰居路由器重新取得路由信息。

4．2 IP高可用性技術發(fā)展趨勢

IP高可用性技術有賴于對鏈路、節(jié)點故障的快速檢測，目前這方面技術正在發(fā)展過程中。

（1）MPLS OAM技術

MPLS OAM是針對單條LSP的連通性檢測。其基本原理是在源端節(jié)點周期性發(fā)送OAM連通性檢測報文(CV/FFD)，在宿端節(jié)點周期性檢測。當宿端檢測到缺陷后通過綁定的反向通道發(fā)送BDI報文通知LSP的源節(jié)點，完成保護倒換。

（2）雙向轉發(fā)檢測（BFD）

從本質上講，BFD是一種高速的獨立HELLO協(xié)議。BFD能夠與相鄰系統(tǒng)建立對等關系，之后，每個系統(tǒng)以協(xié)商的速率監(jiān)測來自其他系統(tǒng)的BFD速率。監(jiān)測速率能夠以毫秒級增量設定。當對等系統(tǒng)沒有接到預先設定數(shù)量的數(shù)據(jù)包時，它推斷BFD保護的軟件或硬件基礎設施發(fā)生故障，不管基礎設施是標記交換路徑、其他類型的隧道還是交換以太網絡。

BFD部署在路由器和其他系統(tǒng)的控制平面上，BFD檢測到的網絡故障可以由轉發(fā)平面恢復（例如在MPLS快速重啟路由中）或由控制平面恢復（例如當BFD用于加快路由協(xié)議運行速度時）。

6 IP承載網發(fā)展的其他問題

6．1 安全問題

IP網絡的智能邊緣化、開放性使Internet成為黑客活動的樂園，網絡安全是IP網絡中最為活躍的技術領域之一，包括安全隔離、訪問控制、入侵檢測、防病毒等。

IP網絡與傳統(tǒng)電信網相比，其網絡安全產生的兩個根本原因是終端智能化和網絡開放性。終端智能化帶來了業(yè)務的靈活性，同時也使終端具備了產生安全攻擊的強大能力，同時IP網絡UNI和NNI不分，這種攻擊就能夠延伸到其他終端、業(yè)務系統(tǒng)甚至網絡設備，使IP網絡上的安全風險很大。

網絡安全的一個基本理念是“適度安全”，安全問題不能徹底解決，只能通過技術和管理的手段把安全風險降低到可以接受的程度。未來IP網絡安全應該在以下幾個方面加強：

（1）安全域的劃分和隔離：根據(jù)業(yè)務安全級別的不同把IP網絡隔離成不同的安全域，不同安全要求的業(yè)務承載在不同的安全域中，降低安全風險的影響，簡化安全策略的實施。

（2）構建終端和網絡之間的UNI接口：在網絡邊緣構建終端和關鍵業(yè)務網絡之間的UNI接口，避免終端對網絡內部的直接訪問。

（3）基于業(yè)務感知的訪問控制：網絡邊緣的安全控制設備與業(yè)務層建立接口，根據(jù)業(yè)務需求確定訪問控制策略。

（4）建立安全管理體系：安全是30%技術+70%管理，需要建立一整套安全管理系統(tǒng)和制度，有效地綜合使用各種安全技術手段保證網絡安全。

6．2 地址問題

目前，互聯(lián)網使用的IPv4技術，互聯(lián)網的快速發(fā)展、初期的粗放地址管理策略以及各地域IP地址的分配不均使IP地址成為阻礙網絡發(fā)展的重要因素。為了緩解地址資源的不足，目前互聯(lián)網上大量使用地址轉換（NAT/NAPT）技術，打破了IP端到端的特性，使話音、視頻等端到端業(yè)務難以實現(xiàn)。隨著基于SIP的電話、視頻等業(yè)務的開展，IP地址對我國電信業(yè)務的制約將越發(fā)明顯。

為了解決地址問題，未來承載網絡必須全面支持IPv6。目前，IPv6技術已經比較完善，設備也日趨成熟，但由于IPv6升級成本高，缺乏殺手級應用，IPv6商用進程緩慢。2003年8月，國家發(fā)展與改革委員會牽頭，聯(lián)合八大部委，投資數(shù)十億啟動的國家級高技術產業(yè)產業(yè)重大專項“中國下一代互聯(lián)網（CNGI）”，以推動IPv6的研究、產業(yè)化和商用工作。目前，由全國5大運營商和教育網承建的6大CNGI主干網絡的建設已經基本完成，相關的應用試驗項目已開始進行，該項目將有力地推動IPv6的商用化進程。

6 結束語

隨著業(yè)務和網絡IP化趨勢日益明朗，IP技術作為下一代網絡的承載網技術已經成為必然，但目前的IP技術不能完全適應電信網的運營管理模式，不能完全滿足電信網對于QoS、安全、可用性等方面的要求，電信級IP網絡技術的發(fā)展任重道遠。