智能管道架構及技術方案探討

摘要：文章認為在新型業務需求和新技術涌現的雙重驅動下，運營商網絡面臨著技術革新的挑戰，要求網絡提升智能化水平，以便快速高效地提供融合業務的承載。基于業務需求和技術發展，文章分析了智能管道的關鍵技術方案：多維感知分析技術方案、融合策略控制技術方案、智能流量調度優化技術方案。文章指出智能網絡能力提升應向上承接業務平臺、聚合互聯網應用，向下協同用戶終端，有機構成統一的“端、管、云”運營體系，為客戶提供從底層網絡到上層增值應用的協同服務。

關鍵詞：智能網絡能力提升；感知分析；策略控制；流量優化；融合業務

智能管道作為運營商提升網絡基礎能力的方向，從概念提出之初就受到特別的關注。不僅國內外運營商分別提出提升用戶體驗的業務模式和計費等商業模式，各標準組織也開展智能管道相關的網絡架構和關鍵技術研究。在ITU-T也新立項智能網絡能力提升(NTCE)的標準研究，主導了智能管道的架構和能力需求發展趨勢。

面對新業務需求和網絡資源高效應用的要求，智能管道要求網絡首先具有感知能力，對業務、用戶、應用等多維度進行感知；其次要求具有資源動態調控和按需質量保障能力，提供用戶自主選擇業務和網絡資源的接口。增強網絡的自適應性，合理分配資源；第三要求具有智能流量調控能力，緩解不可控流向流量對網絡資源的不合理消耗；同時要求具有網絡間協同能力，用戶可以方便選擇接入不同的網絡，并具備跨網絡的良好業務切換體驗。

1 智能管道總體架構

智能管道需立足現有網絡架構，提升各網絡層面的智能能力，并面向用戶和業務應用，按需提供業務和網絡資源。智能管道可以為用戶提供靈活的機制，根據用戶需要請求網絡配置相應資源，并可以實現動態調整。智能管道可以結合網絡能力、網絡性能、用戶終端、業務感知等因素調整所提供的傳送資源，優化流量傳送機制，提升網絡資源。智能管道可以開放資源服務能力，為內容和應用按需提供傳送資源保證能力，提升用戶的業務體驗。

智能管道的總體架構分為控制層和網絡層，實現網絡和控制的有機分離。其中網絡層包含有線，無線接入網、IP骨干網、傳送網、核心網、內容分發網絡等，并提升網絡的多維感知、差異化保障和資源指配功能；控制層在原有認證系統、網絡管理系統等基礎上，增加或完善融合認證、感知分析、策略控制及流量調度等功能。同時，智能管道還需要與上層業務平臺交互，并與各種用戶終端協同，實現從底層網絡到上層增值應用的協同服務。智能管道總體架構如圖1所示。

2 智能管道關鍵技術方案

相對于現有通信網絡，智能管道重點增強了控制層的感知分析功能、策略控制功能、流量調度優化功能，并相應提高承載網絡層的感知信息收集和策略執行功能。因此作為智能管道的關鍵技術點，以下重點探討感知分析技術方案、策略控制技術方案以及流量調度優化技術方案。

2.1 多維感知分析技術方案

作為智能管道的重要基礎，網絡感知能力是進行用戶識別、業務和內容分析、網絡狀態收集的必要手段。網絡感知能力可以是多種維度的，包括在無線接入網絡中，通過基站設備和接人控制設備感知用戶行為、用戶位置、終端能力等信息；在有線接入網絡中，通過接入設備端口、VLAN設置感知用戶位置或者業務類型從而定位用戶需求等。

按照3GPP、ITU等標準組織的定義，有線和無線接入網能夠實時感知用戶行為信息及終端能力信息，并將感知到的信息以及信息的變化報告給位于核心網，骨干網的策略控制系統，可感知信息如表1所示。

多維感知分析技術主要實現的是對網絡底層的感知，無法實現對用戶使用的業務內容的感知，因此深度包檢測(DPI)技術越來越受到運營商的關注，尤其在帶寬和擁塞管理、報文分析、公平使用管理等方面起著越來越重要的作用。

DPI技術是利用端口號檢測、報文特征檢測、協議解析、關聯識別、行為特征檢測等技術對網絡中傳送的數據流量進行業務類型、業務狀態、內容識別、用戶行為等進行分類統計和標識的技術。DPI技術目前可以實現對傳統數據業務(如Web、FTP、mail等)、流媒體(如RTSP、MMS)、P2P類(如下載、流媒體)、VoIP(如信令、數據)、網絡游戲、即時通信、異常流量等的識別標識，并可通過數據流的分析及控制實施有針對性的基于內容或應用的控制關聯。DPI設備的部署可以采用串接模式或并接模式，串接模式下DPI設備被串聯接入在被監測鏈路中間，可實施流量的分析和控制，適合于采用直接流量控制管理的場景；并接模式通過分光設備，復制被監測鏈路的流量到DPI設備實現流量分析，適合于采用連接／信令干擾的流量控制管理的場景。新的高性能多核處理器、高I／O速率的存儲技術發展可以推進DPI設備的處理能力快速增加，包括支持40G以上的鏈路的深度分析監測，同時分析的IP層和應用層類型也逐步豐富和完善，包括對IPv6等新型網絡協議的分析。

2.2 融合策略控制技術方案

作為智能管道的核心部件，策略控制技術已經得到較快發展。策略控制技術實現資源分配管理、策略管理、業務管理、用戶簽約管理、計費管理等功能，能夠根據用戶屬性、業務屬性、系統屬性等參數，定義和觸發相應的資源管理和計費規則，支持批量、快速的業務發布，以及用戶資源的自助申請和靈活調整，業務的按需保障。目前策略控制技術體系包括3GPP的策略和計費控制(PCC)架構、ITU-T的資源接入控制(RACF)架構(與TISPAN的RACS架構類似)，以及寬帶論壇(BBF)組織的接入網策略控制(BPCF)架構，其技術實現方案通常包括策略決策功能和策略執行功能。

在3GPP標準的PCC架構中，重要技術功能實體包括策略與計費規則功能(PCRF)和策略與計費執行功能(PCEF)。PCRF提供了面向PCEF的有關業務數據流的檢測、門控、QoS和按流計費(信用度管理除外)的網絡控制功能，而PCEF實現業務數據流檢測、策略實施和按流計費等功能。PCC架構同時支持LTE、eHRPD、CDMA1x和WLAN的接入，能夠根據感知到的用戶終端信息、應用層業務信息、DPI分析的內容和應用流信息、用戶行為及簽約信息等，通過策略執行功能進行靈活的網絡資源控制及計費。

ITU-T的RACF架構支持分組網絡中的QoS相關資源的控制，包括資源和接納控制，適用于各種接入網和核心網技術(如xDSL、UMTS、CDMA2000、WLAN、Ethernet、MPLS、IP)。其功能包括策略決策點(PDP)和策略執行點(PEP)，分別實現基于每個IP流的用戶策略制訂和用于單播或組播業務流量的策略執行。

BBF的BPCF架構針對寬帶多業務網絡的資源提出策略控制的需求，目前并沒有定義具體的協議實現，可以采用RACF、PCC等的具體實現協議來完成BPCF架構的功能。

由于固移網絡融合的趨勢以及FMC業務的發展，策略控制技術主要向融合性的方向發展。目前，3GPP和BBF達成協議共同開發固、移融合(FMC)的策略控制系統，BBF從固定寬帶網絡的角度提出需求，具體協議標準由3GPP負責開發。融合策略控制架構模型如圖3所示。

由于各標準組織涵蓋的網絡技術不同，其策略管理類型也不盡相同。表2所示為3類策略控制架構中涉及的策略類型。對于融合策略控制技術而言，需完成相關策略類型的統一定義以及跨網絡映射工作。

策略控制技術中策略執行功能主要是指網絡的差異化保障能力。固定網絡可以采用基于區分服務的QoS機制，通過用戶或業務分類識別，要求網絡支持多個流量類型、物理或邏輯接口多個優先級隊列、標記數據包的優先級等實現端到端基于用戶或業務的差異化傳送。移動網絡的無線側和分組域應支持用戶分等級的QoS機制，基于不同的QoS參數，基站和分組域接人控制設備可以在多個用戶之間提供不同的優先級服務，對于同一個用戶的不同業務，也可以采用相應的調度策略、隊列管理策略、無線資源接入策略、速率整形策略以提供所需的服務質量。

2.3 智能流量調度優化技術方案

智能流量調度優化技術基于對資源狀況、網絡流量、業務流向等信息的分析和管理，達到對網絡資源高效指配和管理的目的。流量優化功能可以對P2P、視頻等大流量應用，占用空口資源等進行有效控制和管理。提升視頻等業務使用網絡資源的效率。

智能流量調度優化的基礎是對流量流向的分析，目前可以通過Netflow等深度流監測(DFI)技術結合DPI技術實現。DFI技術基于IP五元組、服務類型(TOS)字段、物理或邏輯端口等信息實現對IP數據流的測墩和統計功能，可以對區分出的每個數據流進行單獨跟蹤和準確計量，記錄其源端和目的端的流量流向特性，統計其起始和結束時間、服務類型、傳送的數據包數量、字節數量等流量信息，實現對IP數據流的流量流向分析。為減少對網絡設備的資源占用，可以采用抽樣的方式進行數據采集，將采集到的抽樣統計數據利用簡單網絡管理協議(SNMP)管理信息庫(MIB)傳送到網管系統進行集中處理，輸出流量和流向統計報表。DPI與DFI技術的結合，可以提供針對P2P、視頻、Web訪問等基于應用的流量流向分析結果。

在流量流向分析結果的基礎上，可采用流量整形、本地化等技術手段，實現對網絡流量的有效疏導和優化。通常流量整形方式用于擁塞鏈路或資源緊張的局部網絡，針對某些資源消耗較大的應用(如P2P)，采用總流量控制、速率調整等方式降低對網絡資源的消耗，保證其他應用的正常訪問。但是，由于這種控制方式可能造成P2P應用的體驗下降，并未得到較多應用。目前P2P流量優化技術主要關注應用層流量優化(ALTO)技術及與應用無關的數據層解決方案(DECADE)。ALTO技術在網絡運營商中引入網絡優化的Tracker實體，直接獲取網絡拓撲、能力和狀態等信息，作為為上層P2P應用服務的底層網絡服務界面，計算各種優化參數指標(例如OSPF權重、BGP協議度量、鏈路擁塞程度、QoS指標等)，為上層P2P應用節點的選擇提供優化建議。DECADE技術基于緩存功能實現靠近用戶側的P2P流量存儲和客戶端訪問，在加速P2P網絡內容分發的同時降低帶寬開銷，同時通過資源控制和數據傳送協議的分離，提高緩存的命中率和傳送效率，對P2P用戶訪問的效果進行優化。

視頻傳送優化技術主要解決IPTV頻道的切換時延、IPTV／視頻錯誤包重傳、視頻質量監控等問題，通過對視頻業務的質量監控和保障，端到端提升視頻業務的可靠性、快速切換、可維護性等性能。針對運營商提供的IPTV類視頻業務，可以在網絡中部署CDN設備或者在現有設備中增加緩存功能，對視頻類應用進行緩存，例如可通過緩存關鍵I幀并在頻道切換時進行快速推送實現用戶更換頻道時的快速切換；通過實時碼流檢測，發現丟包錯包后重傳來提高視頻傳送的可靠性，保障用戶觀看圖像的流暢；基于CDN緩存，在訪問不同視頻內容時，根據地理位置、網絡狀態、設備負載、請求的內容等信息，選擇不同的緩存節點和傳送路由，提升視頻業務的質量，并可通過對視頻業務質量檢測手段提高可維護性。

3 結束語

智能管道的目標是在現有網絡基礎上，逐步引入多維感知分析技術、融合策略控制技術以及智能流量調度優化技術，包括部署DPI設備、策略控制系統、流量優化系統等，實現用戶可識別、業務可區分的差異化承載，滿足用戶靈活接入網絡、自助請求業務和資源、按需保障服務質量等需求。同時，智能管道又不僅僅只是在基礎網絡中提升智能能力，更重要是需要與新型應用需求、商業模式、業務策略相結合，將管道智能化的特征真正轉化為客戶的業務提供能力。因此，智能管道應向上承接業務平臺、聚合互聯網成用，向下協同用戶終端，有機構成統一的“端、管、云”運營體系，為客戶提供從底層網絡到上層增值應用的協同服務。但是，智能管道的理念和關鍵技術方案還在不斷完善中，相關國際標準體系也還未清晰，智能管道的自身實現技術、與業務平臺的交互技術、與終端的協同技術都還有待進一步研究。