智能管道發(fā)展及技術(shù)實現(xiàn)[圖]

摘要：深入剖析了運營商網(wǎng)絡(luò)目前存在的主要問題，并在此基礎(chǔ)上給出了智能管道的特征要素以及目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)要求，同時從網(wǎng)絡(luò)感知、動態(tài)調(diào)控兩個方面對智能管道的解決方案進行了深入探討并最終給出了智能管道發(fā)展建議。

0  前言

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展使得電信運營商的分組網(wǎng)絡(luò)越來越繁忙，然而網(wǎng)絡(luò)流量的激增卻沒有給電信運營商帶來與之對等的利潤；反之，一些傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)，如語音電話正逐步被一些新興的分組業(yè)務(wù)所取代，從而在一定程度上降低了運營商收入。隨著移動運營商在開創(chuàng)移動寬帶業(yè)務(wù)市場方面取得巨大成功，移動數(shù)據(jù)流量的增長在智能終端迅速普及的情況下遠遠超過移動用戶數(shù)的增長，運營商的網(wǎng)絡(luò)也從承載語音話務(wù)量為主向承載數(shù)據(jù)流量的方向轉(zhuǎn)變，昨天在固定寬帶互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)生事情，也同樣發(fā)生在移動互聯(lián)網(wǎng)上。面對分組業(yè)務(wù)發(fā)展帶來的巨大挑戰(zhàn)，電信運營商應(yīng)當(dāng)如何走出困境，探索出一條符合自身特點的發(fā)展之道是目前各大運營商急需面對的問題。

1  運營商網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及問題分析

1.1  運營商網(wǎng)絡(luò)

隨著業(yè)務(wù)及終端種類的不斷豐富，越來越多的角色參與到電信運營的整個過程中間。而被電信運營商牢牢控制的運營商網(wǎng)絡(luò)（見圖1），是指位于終端與業(yè)務(wù)平臺之間，包括接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)在內(nèi)的由運營商建設(shè)并運營維護的網(wǎng)絡(luò)。電信運營商如何面對分組業(yè)務(wù)發(fā)展帶來的巨大挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于針對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在問題，探討如何改善并加強對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的管理。

1.2  網(wǎng)絡(luò)流量分析

隨著3G移動通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進入了突飛猛進的發(fā)展階段。據(jù)統(tǒng)計，2010年，在中國僅無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量就達到了550億MB，2011年達到了1 400億MB。根據(jù)思科預(yù)測，全球移動數(shù)據(jù)流量將在2010—2015年增長26倍，保持92%的年復(fù)合增長率；移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)，在2010—2015年將增加25倍（見圖2和圖3），2015年，全球移動數(shù)據(jù)流量將達到每月6 300 000  TB，而移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)也將增至7.88億。

一方面，數(shù)據(jù)流量如此巨大的增幅，使得網(wǎng)絡(luò)面臨巨大的流量壓力；另一方面，許多新的應(yīng)用，需要長時間的高帶寬保障，網(wǎng)絡(luò)使用率提高，而運營商原有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計存在收斂比，不能滿足所有簽約用戶，同時使用最大簽約帶寬的需求，直接導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)趨于飽和，部分時段及小區(qū)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，用戶不能正常使用業(yè)務(wù)，體驗下降，投訴增加，于是運營商不得不加大投資，進行網(wǎng)絡(luò)擴容，極大地縮小了運營商的利潤空間。

1.3  業(yè)務(wù)類型分析

移動互聯(lián)網(wǎng)為用戶提供了豐富多彩的應(yīng)用，而不同的應(yīng)用對運營商來講，存在不同的價值差異。許多永遠在線類應(yīng)用，比如QQ，不斷申請無線公共信道資源，對無線信令開銷很大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大量尋呼擁塞，用戶被叫無法接通、短消息延遲等； Skype、QQ語音等新興的VoIP業(yè)務(wù)擠占了電信運營商的移動電話語音通話收入，QQ、米聊、微信等通信軟件提供了即時文本通信的服務(wù)，擠占了電信運營商的移動電話短信收入，只付給電信運營商相對低廉的流量費用，極大地分流了運營商的長話收入；還有P2P等低價值業(yè)務(wù)占用了網(wǎng)絡(luò)過多的帶寬，影響其他用戶業(yè)務(wù)體驗。反之，一些運營商自己開發(fā)的業(yè)務(wù)，如中國移動的飛信等則能夠給運營商帶來一些額外的收益。

1.4  運營模式分析

電路域業(yè)務(wù)為主的時代，電信運營商向用戶提供完整的語音及短信業(yè)務(wù)，而不需要其他運營商介入。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量激增，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時代運營商自營業(yè)務(wù)在整個用戶的業(yè)務(wù)量中占的比例非常低，在大量的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，電信運營商只提供網(wǎng)絡(luò)資源，內(nèi)容往往由第三方內(nèi)容提供商（ICP）、智能手機資源提供商（如蘋果等）來運營�，F(xiàn)有的運營模式如圖4所示，用戶與電信運營商之間，依據(jù)接入帶寬、使用流量等達成契約關(guān)系；依據(jù)提供的業(yè)務(wù)內(nèi)容、使用量等同內(nèi)容提供商達成契約關(guān)系。用戶通過自由分享或向業(yè)務(wù)平臺付費下載獲得相關(guān)應(yīng)用程序，通過向資源提供商付費獲取相關(guān)視頻、音頻資源，電信網(wǎng)絡(luò)在整個互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中完全淪為了管道，僅提供連接通道的作用。

1.5  現(xiàn)網(wǎng)主要問題

從以上面3個方面的分析可以看出，目前運營商網(wǎng)絡(luò)（管道）中主要存在兩大問題。

a） 電信運營商增量不增收。一方面，網(wǎng)絡(luò)流量激增，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能滿足用戶需求，運營商需要投入大量的成本升級、擴容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，如電信新技術(shù)的開發(fā)，巨額的基礎(chǔ)設(shè)施投資等，以滿足用戶日益增長的帶寬需求；另一方面，流量增長給運營商帶來的利潤增長微乎其微，而現(xiàn)有的運營模式，導(dǎo)致運營商沒有更多的利潤增長點，互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的回報卻沒有成比例地回饋到運營商手中，而是由業(yè)務(wù)及平臺提供商獲得。運營商的收入逐漸轉(zhuǎn)移到提供通信服務(wù)的內(nèi)容提供商上，運營商的業(yè)務(wù)量與收入之間的剪刀差日益擴大。

b） 網(wǎng)絡(luò)負載不均衡。網(wǎng)絡(luò)流量的激增，及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的收斂比直接導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，但這種擁塞并不是時時存在的。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)負載不均衡主要體現(xiàn)在5個方面。

（a） 業(yè)務(wù)不均衡：運營商自營業(yè)務(wù)占用資源較少，利潤較高，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)占用資源多，運營商分得利潤少，部分業(yè)務(wù)（如P2P）過多占用網(wǎng)絡(luò)帶寬導(dǎo)致系統(tǒng)過載。

（b） 網(wǎng)絡(luò)不均衡：2G、3G網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)較多，網(wǎng)絡(luò)壓力較大，而WLAN網(wǎng)絡(luò)負載并不是很高。

（c） 時間不均衡：忙時業(yè)務(wù)量較高，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過載情況，閑時網(wǎng)絡(luò)負載較輕，網(wǎng)絡(luò)得不到充分利用。

（d） 區(qū)域不均衡：部分區(qū)域，用戶密集，業(yè)務(wù)量較高，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)過載，另外一些區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)負荷相對較輕，校園、企業(yè)等特定區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)負載各自呈現(xiàn)不同特征。

（e） 終端不均衡：智能終端數(shù)量增多，頻繁的模式轉(zhuǎn)換，大量的短時業(yè)務(wù)傳輸導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負荷急劇上升，給網(wǎng)絡(luò)帶來新的沖擊和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)終端對網(wǎng)絡(luò)的沖擊較小。

2  管道智能化

針對上述問題，業(yè)內(nèi)提出了智能管道的概念，但究竟什么才是智能管道？智能管道的核心是按照業(yè)務(wù)類型實現(xiàn)控制和計費、按照用戶類別提供不同水平的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。智能管道應(yīng)當(dāng)具備以下3個特征。

a） 流量清晰：網(wǎng)絡(luò)運營商能夠清晰地獲取各種業(yè)務(wù)的流向，采取合理的方式加強運營商管控，能夠按照運營商的需求進行流量疏導(dǎo)。

b） 負載均衡：網(wǎng)絡(luò)運營商應(yīng)當(dāng)能夠采用合理的手段，做到各類用戶公平使用網(wǎng)絡(luò)資源，同時保證網(wǎng)絡(luò)運行效率，盡量做到在任何時刻都能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。

c） 契約關(guān)系合理：改變現(xiàn)有計費方式，將整個互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的利潤在網(wǎng)絡(luò)運營商與業(yè)務(wù)提供商之間合理分配，從而提高運營商收益。

具體來講，管道智能化可以從多維感知和動態(tài)調(diào)控2個方面入手。

多維感知包括：感知用戶，即感知用戶所處的位置、用戶正在使用的業(yè)務(wù)、用戶簽約的等級等等；感知網(wǎng)絡(luò)，即感知網(wǎng)絡(luò)類型、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源使用情況、網(wǎng)絡(luò)是否擁塞、網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的設(shè)備故障信息等；感知業(yè)務(wù)，即感知用戶當(dāng)前使用的業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)資源的需求情況、業(yè)務(wù)自己的位置特征，比如QQ等業(yè)務(wù)，校園區(qū)域使用量較大，而其他區(qū)域較少。

動態(tài)調(diào)控包括：定義優(yōu)先級策略，即根據(jù)需求，結(jié)合用戶、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)多維度定義不同的優(yōu)先級策略；動態(tài)資源調(diào)整，即根據(jù)優(yōu)先級策略，動態(tài)調(diào)整用戶所使用業(yè)務(wù)的QoS，根據(jù)不同的用戶、時間、位置等信息調(diào)整業(yè)務(wù)的QoS；契約關(guān)系的改變，即根據(jù)優(yōu)先級策略實現(xiàn)差異化的計費，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型、用戶類型采用不同的計費費率，以及流量、時長等不同的計費方式。

3  智能管道關(guān)鍵技術(shù)

3.1  業(yè)務(wù)感知技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不斷翻新，原有的普通報文檢測已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有業(yè)務(wù)感知的需要，深度包檢測（DPI）技術(shù)是一種針對應(yīng)用層的流量檢測和控制技術(shù)。它能更精細地識別網(wǎng)絡(luò)中的各種應(yīng)用，并為網(wǎng)絡(luò)運營中的業(yè)務(wù)識別、業(yè)務(wù)控制和業(yè)務(wù)統(tǒng)計服務(wù)。通過DPI，能夠獲取終端信息、識別用戶，感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，區(qū)分不同的業(yè)務(wù)，DPI是實現(xiàn)智能管道的前提，可以與策略控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)更加精細的網(wǎng)絡(luò)管理。

DPI技術(shù)主要是分析IP報文中4~7層數(shù)據(jù)，并通過端口檢測、特征分析、關(guān)聯(lián)識別和行為特征檢測等多種技術(shù)手段從實時網(wǎng)絡(luò)流量中獲取信息。DPI具體分析的信息包括：

a） 承載層（基于PDP上下文或APN，指對業(yè)務(wù)過濾規(guī)則有效的APN）。

b） IP協(xié)議的第三層（基于源IP地址、源IP地址掩碼、目的IP地址和目的IP地址掩碼）。

c） IP協(xié)議的第四層（基于協(xié)議類型（如TCP/UDP等）、源、目的端口號），在第四層協(xié)議中，應(yīng)能支持控制面與承載面分離（承載平面由控制平面動態(tài)分配）的協(xié)議類型。

d） IP協(xié)議的應(yīng)用層（第七層，例如基于應(yīng)用的URL等）。

3.2  移動網(wǎng)策略控制技術(shù)

3GPP在R7版本中提出了PCC架構(gòu)，用于實現(xiàn)3GPP無線分組網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸QoS等策略和計費控制。基于PCC架構(gòu)，可以實現(xiàn)基于用戶等級、時間、區(qū)域、累計流量、使用時長、業(yè)務(wù)類型、帶寬等各個維度的策略控制。PCC邏輯架構(gòu)如圖5所示。

PCRF負責(zé)根據(jù)AF、SPR和PCEF提供的信息制定并動態(tài)下發(fā)控制與計費策略給PCEF；PCEF負責(zé)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進行檢測，根據(jù)從PCRF獲取策略，執(zhí)行基于業(yè)務(wù)的控制與計費。其控制策略包括基于用戶簽約數(shù)據(jù)，為用戶提供不同的QoS參數(shù)，實現(xiàn)區(qū)分用戶的QoS策略控制�；�于用戶累積使用情況的策略控制，使運營商能夠基于用戶在一段時間的使用量限制用戶的QoS�；�于業(yè)務(wù)的策略控制：限制P2P等低附加值、大量侵占網(wǎng)絡(luò)資源業(yè)務(wù)的最大帶寬；提高企業(yè)應(yīng)用、流媒體等高附加值業(yè)務(wù)的承載級別。 基于用戶位置信息或接入類型的策略控制，按照用戶所處位置、接入類型進行QoS控制，如對商務(wù)區(qū)和辦公區(qū)提高某些用戶的QoS、降低繁忙小區(qū)某些用戶的QoS�；�于時間信息的QoS策略控制，如網(wǎng)絡(luò)忙閑時給與用戶不同的網(wǎng)絡(luò)資源。

3.3  固網(wǎng)策略控制技術(shù)

TISPAN、BBF、ITU分別制訂了RACS、BPCF、RACF等策略控制體系，但只有RACS較為完善、成熟。究其原因，主要是因為目前固網(wǎng)大多是采用包帶寬的方式進行銷售，因此采用策略控制架構(gòu)進行更精細化的運營管理，對業(yè)務(wù)帶寬進行控制的需求并不強烈，缺少合適的應(yīng)用場景，導(dǎo)致目前固網(wǎng)運營商部署積極性不高，相關(guān)策略控制架構(gòu)的產(chǎn)品成熟較慢。固網(wǎng)策略控制的應(yīng)用場景，目前主要可以歸結(jié)為以下3種。

a） 流量管理：如包月流量，到達流量門限后，提示用戶購買新的套餐包。

b） 業(yè)務(wù)類型管理：通過資源接納控制技術(shù)，限制低價值業(yè)務(wù)帶寬（如P2P）；對于高價值業(yè)務(wù)（如運營商自營業(yè)務(wù)），提供較高業(yè)務(wù)帶寬；基于用戶發(fā)起的請求，臨時提高用戶帶寬。

c） 時長管理：包時長用戶，限制用戶帶寬。

RACS的邏輯架構(gòu)如圖6所示。

3.4  固移融合統(tǒng)一策略控制技術(shù)

對于未來網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，固移融合是業(yè)內(nèi)普遍認為的未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向。固定和移動融合網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一策略控制平臺的部署，可以產(chǎn)生很多全新的策略控制應(yīng)用案例。例如，統(tǒng)一分配帶寬配額；有效調(diào)度各種不同的網(wǎng)絡(luò)資源，降低無線帶寬瓶頸對于業(yè)務(wù)質(zhì)量的影響；更全面地針對特殊網(wǎng)段和特殊應(yīng)用，限制帶寬消耗者獲取帶寬。目前各大標(biāo)準(zhǔn)組織都在積極開展相關(guān)研究探索工作，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品還很不成熟。3GPP從R10開始考慮移動和固定策略控制系統(tǒng)的統(tǒng)一，并與BBF成立聯(lián)合工作組�，F(xiàn)階段，主要考慮固定和移動策略控制系統(tǒng)的互通,后續(xù)將考慮兩者的融合。TISPAN認為可研究P-CSCF通過對接入網(wǎng)的識別來選擇不同策略控制系統(tǒng)接口（Gq′或Rx），或者采用融合的Gq′/Rx接口實現(xiàn)對業(yè)務(wù)層的融合服務(wù)提供。

3.5  智能CDN技術(shù)

CDN（Content Delivery Network）是構(gòu)建在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的一種分布式的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)。 CDN 的作用是采用流媒體服務(wù)器集群技術(shù)，克服單機系統(tǒng)輸出帶寬及并發(fā)能力不足的缺點，可極大提升系統(tǒng)支持的并發(fā)流數(shù)目，減少或避免單點失效帶來的不良影響。 CDN 利用全局負載均衡技術(shù)將用戶的訪問指向離用戶最近的工作正常的流媒體服務(wù)器上，由流媒體服務(wù)器直接響應(yīng)用戶的請求，從技術(shù)上全面解決由于網(wǎng)絡(luò)帶寬小、用戶訪問量大、網(wǎng)點分布不均等原因造成的用戶訪問網(wǎng)站響應(yīng)速度慢的問題。CDN代表了一種基于質(zhì)量與秩序的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式。簡單地說，內(nèi)容發(fā)布網(wǎng)（CDN）是一個經(jīng)策略性部署的整體系統(tǒng)，包括負載均衡技術(shù)就是將網(wǎng)絡(luò)的流量盡可能均勻分配到幾個能完成相同任務(wù)的服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，由此來避免部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點過載。這樣既可以提高網(wǎng)絡(luò)流量，又提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能；動態(tài)內(nèi)容分發(fā)與復(fù)制技術(shù)是將占網(wǎng)站主體的靜態(tài)網(wǎng)頁、圖像和流媒體數(shù)據(jù)分發(fā)復(fù)制到各地的加速節(jié)點上解決網(wǎng)絡(luò)的帶寬瓶頸、傳輸阻塞和延遲、網(wǎng)站服務(wù)器的處理能力及訪問距離等影響訪問者與網(wǎng)站服務(wù)器之間響應(yīng)速度而帶來的用戶感知問題；分布式緩存技術(shù)降低本地用戶訪問對互聯(lián)網(wǎng)遠端數(shù)據(jù)存取的壓力。使得運營商通過智能CDN降低承載成本，對用戶提供盡可能好的體驗。

4  發(fā)展建議

通過上面的分析可以看出，發(fā)展智能管道主要可以從以下3個方面入手。

a） 改變現(xiàn)有契約關(guān)系，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，提高網(wǎng)絡(luò)收入。在電信運營商與用戶的契約中附加業(yè)務(wù)類型、時間、位置等要素平衡網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，使在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件下承載更多的用戶，提高網(wǎng)絡(luò)收入。

b） 調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)資源，平衡網(wǎng)絡(luò)負載，提高用戶感受。通過DPI獲得用戶及業(yè)務(wù)使用數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)資源占用情況，在忙時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)集中區(qū)域限制某些業(yè)務(wù)的使用，提高整體用戶感受；通過CDN實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力、存儲能力、調(diào)度能力的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)流量的精細化管理。

c） 關(guān)注網(wǎng)絡(luò)發(fā)展情況，逐步實現(xiàn)統(tǒng)一策略控制�？紤]到融合的策略控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善，產(chǎn)品不成熟，需要根據(jù)實際需求及技術(shù)發(fā)展情況，逐步實現(xiàn)統(tǒng)一策略控制。初期可以考慮融合用戶管理、多賬戶關(guān)聯(lián)、綜合用量管理、統(tǒng)一策略定制等相關(guān)內(nèi)容的融合。未來最終實現(xiàn)固定、移動網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一調(diào)度，固網(wǎng)與移動網(wǎng)之間無縫切換，WLAN、HNB有效分流宏網(wǎng)絡(luò)壓力；同時進一步實現(xiàn)固定、移動統(tǒng)一業(yè)務(wù)體驗，實現(xiàn)業(yè)務(wù)平臺融合。

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