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中北大学学位论文 网络业务建模研究一s i p 建模 摘要 下一代网络是电信网络发展的方向，业务控制方式和业务提供方式是下一代网络研 究的重要内容。业务和传输的分离是下一代网络的基本特征，如何控制传输网络，支持 开放业务开发，向用户提供灵活、丰富的业务是下一代网络中需要解决的重要问题。但 目前电信网络存在业务开发和运营不开放、与具体的承载网络绑定、业务客户化能力低 等固有缺陷，这些缺陷已经严重阻碍了电信增值业务的进一步发展，成为困绕电信运营 商的一大难题。而以开放性、分布性和综合性为主要特征的下一代网络( n g n ：n e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k s ) 技术正在深刻地改变着传统电信网的观念和体系结构，同时也 掀起了研究分析下一代网络体系结构的技术浪潮。 目前，在下一代网络中，业务将非常丰富，业务的正确性和安全性对网络实体很 重要，网络实体在加载业务之前，必须验证业务的正确性和安全性，s i p 协议将在下一 代网络中得到广泛应用。本课题的主要研究方向是：下一代网络技术的发展及业务控制 技术s i p 协议建模。本论文完成了以下研究工作： 研究分析了网络的体系结构、智能网的特点、t i n a 、g i i 、i c a 、g r i dc o m p u t i n g 等的优势及不足之处，得到了以下结论：在组织结构方面，下一代网络分为网络域、业 务域和管理域；在网络层次方面，下一代网络分为网络层、中间件和业务层；并且从分 组交换、q o s 保证、会话控制、业务网四个方面对下一代网络做了进一步的研究。 在对下一代网络研究分析的基础上，使用形式化建模语言m c r l ，对基于s i p 的会话 控制系统的u a 、u i 端业务进行了建模；使用m c r l 编辑器对建模结果进行编辑生成状态 转移图；使用c a d p 工具集对转移图进行分析，并对建模结果进行了验证。 关键词：下一代网络、会话控制、形式化建模、进程代数 中北大学学位论文 r e s e a r c ho nn e t w o r ks e r vic em o d e l lln g t h es i pm o d e l l i n g x u eh a i l if a n y o n g s h e n g a b s t r a c t n e x t - g e n e r a t i o nn e t w o r k ( n q 0i st h ee v o l v i n gg o a lo f c u r r e n tt e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s t h es e p a r a t i o nb e t w e e ns e r v i c e sa n dt r a n s p o r tn e t w o r ki st h eb a s i cc h a r a c t e ro f n g n h o wt oc o n t r o lt r a n s p o r tn e t w o r k , s u p p o r to p e ns g r v i c ed e v e l o p m e n t , p r o v i d cu s e r s n e ) 【i b ka n da b u n d a n ts e r v i c ei st h ek e yp r o b l e mt ob ew e l lr e s e a r c h e di nn g n n g nn e e d s t h ec h a r a c t e r so f o p e n i n g ，d i s t r i b u t i o na n ds y n t h e s i z i n g ，a l t h o u g h , c u r r e n tt e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k sc o u l d n ts a t i s f i e dt l l i s 1 1 l et h e s i sm a i n l yf o c u s e do nr e s e a r c ho ft h es e m i t em o d e l i n gt e c h n o l o g yo f n g n t h e t h e s i sm a i n l ys o l v e dt h ep r o b l e m sa sf o l l o w i n g ： 1 1 圮d e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do fn g na n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hp r o j e c t sa l - e i m r o d u c e d ，b a s e do nt h i sf o u n d a t i o n ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ef a c i n gc h a l l e n g e so ft h en g n ， a n dp u t sf o r w a r dt h ea u t h o rp r o p o s e st h a t ，n g ni n c l u d e sn e t w o r kd e v i c ec h a i na n ds e r v i c e c h a i n , c o u l db es e p a r a t e di n t on e t w o r kd o m a i n , s e r v i c ed o m a i na n dm a n a g e m e n td o m a i n 1 1 a u t h o ri n t r o d u c e dt h es e r v i c em o d e l i n gm e t h o d si nt h et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n dw i t hm c r lt h eu ab e h a v i o ri sf o r m a l i z e d t h ea u t h o rb e l i e v e st h a tt h ec o r r e c t n e s sa n d s e c u r i t yo fs e r v i c ei si m p o r t a n tt on e t w o r ke n t i t ya n dt h ec o r r o e l l l e 踮a n ds e c u r i t ys h o u l db e v a i i d a t e db e f o r eb e i n gl o a d e di n t on e t w o r ke n t i t y , m e r e f o r e ，i nt h i st h e s i s 。晰t hp r o c e s s a l g e b r a , t h ea u t h o ra n a l y s et h ec o i t e c t n e s so f s e r v i c ec o n t r o lp r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：n e x t - g e n e r a t i o nn e t w o r k , s e s s i o nc o n t r o l ，f o r m a ls p e c i f i c a t i o n ， p r o c e s sa l g e b r a 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 耷! 自面 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 b 期：呈鲤! 二墨二2 曼 导师签名：型玉芝。 日期： 丝2 ：五五 中北大学学位论文 1 绪论 1 1 研究工作的背景和意义 在过去几年中，曾经飞速发展的电信业正在逐渐失去往日的辉煌，虽然电信业务的 收入仍在增长，但增速已经下降，a r p u ( a v e r a g er e v e n u ep e ru n i t ) 值也呈日益下降 趋势。造成这种局面的一个重要原因是缺少适合人们需要的、能进一步刺激电信业发展 的新业务与新应用。虽然智能网技术在为人们提供被叫付费( 8 0 0 业务) 、记帐卡等增值 业务的同为运营商带来了丰富的利润，但它存在业务开发和运营不开放、与具体的承载 网络绑定、业务客户化能力低等固有缺陷，这些缺陷已经严重阻碍了电信增值业务的进 一步发展，成为围绕电信运营商的一大难题。 与此同时，以开放性、分布性和综合性为主要特征的下一代网络( n g n ：n e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k s ) 技术正在深刻地改变着传统电信网的观念和体系结构，并让人 们看到电信业振兴的希望。n g n 采用分层、开放的体系结构，其主要技术优势是各层间 采用开放的协议或a p i 接口，从而有利于打破传统电信网封闭的格局，实现多种异构网 络间的融合。更为准确地说，n g n 体系通过将业务与呼叫控制分离、呼叫控制与承载分 离来实现相对独立的业务体系，使得上层业务与底层的异构网络无关，从而为实现业务 提供了更为广阔的空间。 虽然n g n 是网络技术和网络融合发展的趋势，但n g n 本身还有待成熟和完善，在相 当长的一段时间内，传统的p s t n 网络和n g n 网络将共存。在这种背景下，不但要考虑 现有网络向n g n 的演进问题，同时也要研究n g n 本身体系和技术的完善。目前，许多国 际组织正在研究n g n 的网络架构、控制方式、协议提供方式展开研究。国际软交换论坛 提出的基于软交换的网络控制架构，3 g p p 定义了i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ( i m s ) 的网 络结构，3 g p p 和p a r l a y 组织合作，制定了o p e ns e r v i c ea c c e s s 的业务接口，i e t f 提 出了网络会话协议s i p 协议，o m a 组织则认为未来的网络应该以中间件的方式提供。 本论文将研究n g n 的网络结构、业务提供方式，且对基于s i p 协议的网络业务进行建模 分析。 1 2 论文的结构和主要要完成的工作 本文研究的主要内容将包括下一代网络的演进方向以及基于s i p 协议的网络业务建 模。本论文共包括四章，除结柬语外，其它章节的主要内容如下： 中北大学学位论文 1 ) 网络业务综述( 第二章) 本章将要介绍目前电信网络业务状况及业务分类，并在此基础上对电信网从网络的 演进方向及网络的业务建模两方面进行分析，本章涉及到的这些内容是本论文后续 各章研究的背景。 2 ) 网络研究( 第三章) 本章首先将要对网络的背景，主要技术以及发展方向作一个简要的介绍，并在此基 础上分析下一代网络面临的挑战。然后将从电信网络演进的角度研究分析下一代网 络结构；研究分析各个标准化组织正在研究的各种技术。并在分析的基础上从网络 的组织结构；分层结构；以及分组交换、q o s 保证、会话控制、业务网等几个方面 对下一代网络进行研究。基于本章对下一代网络构架分析的基础上，在下一章中， 对下一代网络中的业务控制技术s i p 协议进行建模分析。 3 ) 网络业务建模研究( 第四章) 下一代网络是面向业务的网络，向用户提供具有可靠、实用的业务是电信系统的基 本功能。在下一代网络中，业务将极大丰富，业务的复杂性也要比现有的网络复杂， 对下一代网络的业务和控制进行建模是非常重要的。在本章中，将采用近程代数， 对下一代网络中的业务控制技术s i p 协议进行了形式化的建模，分析和验证。 2 中北大学学位论文 2 、网络业务综述 电信网是指原邮电部建设、管理的网，如传统的电话交换网( p s t n ) 、数字数据网 ( d d n ) 、帧中继网( f r ) 、 t m 网等。在p s t n 网里，目前一些通信主干线均已实现光纤化， 而用户网大都为铜线，一般只用来传输4 k h z 的模拟话音信号或9 6 k b i t s 抵速数据， 即使加上调制解调器，最高也只能传3 4 k b i t s 的数据信号，但p s t n 网覆盖面很广，连 通全国的城市及乡镇“1 。它是一个低速的、模拟的、规模巨大的网。此网的最大资产是 铜线接入网部分，但其价值与日递减，在适应宽带多媒体业务方面无能为力。在d d n 网 中，d d n 可提供固定或半永久连接的电话交换业务速率为n x 6 4 k b i t s ，它的传输通道 对用户数据完全透明，它可通过网管中心比较容易地完成多点连接的建立。d d n 适合于 传输实时多媒体通信业务。在f r 网，是以统计复用技术为基石且进行包传输、包交换， 速率一般在6 4 k b i t s 一2 0 4 8 m b i t s 内，它可以使多个不问连接复用同一信直实现资源 共享帧中继网适合传输非实时多媒体通信业务。在a t m 网里，a t m 是支持高速数据网建 设、运行的关键设备，a t m 采用短的、固定长度( 5 3 个字节) 的数据包作为传输信息的单 元，5 3 个字节中有4 8 个字节为信息的负荷，5 个字节用作标识虚电路和虚通道等的控 制和纠错信息。a t m 支持2 5 呐i t s - 2 4 g b i d s 速率传输，a t m 所组成的网络不仅可传话 音而且可传数据、图像，包括高速数据和活动图像。人们过去曾希望用a t m 网来兼容或 取代传统电话网，但以失败而告终。目前，电信网除了上述几种网外，还有x 2 5 网、 i s d n 网、c h i n a e t 网等。 2 1 网络业务简介 电信网络从诞生的那一天开始，电信网络的就和电信业务结合在一起。在2 0 世纪 6 0 年代之后，随着数字通信技术的发展，电信网络开始了数字化的进程。电信网络的传 输信号从模拟信号演交为基于脉冲编码方式的数字信号，从人工接续演变为程控交换。 同时，数据通信和计算机技术的发展为电信网络的进一步演进做好了技术储备。 v o i p 技术的出现和发展对传统的电信网络、电信运营商带来很大的冲击。v o i p 技 术通过i p 网络传送用户语音数据，多个用户可以采用统计服用的方式共享网络带宽， 同时，采用语音压缩技术可以把原来电信网络中6 4 k b i t s 的p c m 编码数据压缩到 1 0 k b i t s 左右，这样，提供相同的业务v o i p 技术要比传统的电信网络经济得多。v o i p 中北大学学位论文 技术借助计算机网络来提供业务，不必建设新的网络，这使得新的运营商迸入市场，提 供业务门槛大大的降低。从1 9 9 5 年出现以来，v o i p 业务得到了高速的发展，1 9 9 8 年全 球i p 电话的业务量为1 5 亿分钟，不到国际话务总量的0 2 嘲；而到了2 0 0 2 年，跨境 i p 电话业务的流量增长到近1 9 0 亿分钟，占全球国际话务总量的1 1 。迫于竞争的压力， 传统的电信运营商采取了开放的态度来迎接v o i p 技术。在2 0 0 4 年，传统的老牌电信运 营商，美国的a t & t 公司、日本的n t t 开始向用户提供v o i p 业务，标志着采用v o i p 的 方式提供电信业务的趋势已经不可逆转，电信业面临着一场革命性的变革。就目前情况 来看，电信网络上的业务可以分为基础类业务和增值类业务。 2 1 1 基础电信业务 2 0 0 3 年4 月，信息产业部重新调整了中华人民共和国电信条例所附的电信业 务分类目录，将基础电信业务分成第一类基础电信业务和第二类基础电信业务进行管 理。其中，第一类基础电信业务需要建设全国性的网络设施，影响用户范围广，关系到 国家安全和经济安全，相应采取适度竞争、有效控制的严格管理政策，以避免重复建设， 充分发挥规模经济的作用，保证基础设施运行平稳、协调发展。第二类基础电信业务对 上述因素的影响程度相对小些，因此，根据市场发展需求和电信资源有效配胃等因素， 能够逐步创造条件向社会开放。 l 、第一类基础电信业务 第一类基础电信业务可以分为；固定通信业务、固定网国内长途电话业务、固定 网国际长途电话业务、i p 电话业务、蜂窝移动通信业务、第一类卫星通信业务、第一类 数据通信业务。 ( 1 ) 固定通信业务 固定通信是指通信终端设备与网络设备之间主要通过电缆或光缆等线路固定连接 起来，进而实现的用户间相互通信，其主要特征是终端的不可移动性或有限移动性，如 普通电话机、i p 电话终端、传真机、无绳电话机、联网计算机等电话网和数据网终端设 备。固定通信业务在此特指固定电话网通信业务和国际通信设施服务业务。固定通信业 务主要包括：固定网国内长途电话业务，固定网国际长途电话业务，i p 电话业务，国际 通信设施服务业务， ( 2 ) 蜂窝移动通信业务 4 中北大学学位论文 蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接 起来，进而实现用户在活动中可相互通信”1 。其主要特征是终端的移动性，并具有越区 切换和跨本地网自动漫游功能。蜂窝移动通信业务是指经过由基站子系统和移动交换子 系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频图像等业务。 蜂窝移动通信业务包括：9 0 0 1 8 0 0 d l zg s m 第二代数字蜂窝移动通信业务、8 0 0 m h z c d m a 第二代数字蜂窝移动通信业务、第三代数字蜂窝移动通信业务。 ( 3 ) 第一类卫星通信业务 卫星通信业务是指经过通信卫星和地球站组成的卫星通信网络提供的话音、数据、 视频图像等业务。通信卫星的种类分为地球同步卫星( 静止卫星) 、地球中轨道卫星和 低轨道卫星 网格应用程序 中北大学学位论文 图3 5o g s a 架构示意图 o g s a 规范通过扩展w e b 服务定义语言w s d l 和x m ls c h e m a 的使用，来解决具有状态 属性的w e b 服务的问题。它提出了网格服务的概念，并针对网格服务定义了一套标准化 的接口，主要包括：服务实例的创建、命名和生命期管理，服务状态数据的声明和查看， 服务数据的异步通知，服务实例集合的表达和管理，以及一般的服务调用错误的处理等。 后续的研究发现o g s a 存在明显的不足，其过分强调网格服务和w e b 服务的差别， 导致了两者之间不能更好地融合在一起“”。由于o g s a 单个规范中的内容太多，所有接 口和操作都与服务数据有关，缺乏通用性，而且o g s a 规范没有对资源和服务进行区分。 o g s a 尝试通过封装资源的状态，将具有状态的资源建模为w e b 服务，这种做法引起了 “w e b 服务没有状态和实例”的争议，同时某些w e b 服务的实现不能适应网格服务的动 态创建和销毁。 为了解决o g s i 和w e b 服务之间存在的矛盾，w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ( w s r f ) 被提了出来。2 0 0 4 年3 月，i b m 、b e a 与微软联合发布了w s - a d d r e s s i n g 协议。基于该 协议规范，g l o b u s 联盟和i b m 迅速推出了w e b 服务资源框架w s r f 。结构信息标准化促 进组织( o a s i s ) 随即成立了两个技术委员会，分别是网络服务资源框架技术委员会( w s r f t c ) 和网络服务通告技术委员会( w s nt c ) 。w s r f 采用了与网格服务完全不同的定义： 资源是有状态的，服务是无状态的。为了充分兼容现有的w e b 服务，w s r f 使用w s d l1 1 定义o g s i 中的各项能力，避免对扩展工具的要求，原有的网格服务已经演变成了w e b 服务和资源文档两部分。o g s a 最新核心规范已经采用了w e b 服务资源框架w s r f ，它的 中北大学学位论文 提出加速了网格和w e b 服务的融合，以及科研界和工业界的接轨。 o g s a 和w s r f 目前都处于不断的发展变化之中。2 0 0 5 年1 月，o g s ai 0 版本发布， 阐述了0 g s a 与w e b 服务标准的关系，同时给出了不同的0 g s a 应用实例。网格计算仍然 是一个正在发展的架构，在这方面的工作仍在研究和进展之中。 3 3 下一代网络的研究结论 通过对下一代网络的研究分析，现对下一代网络的整体架构分别从网络的组织模 型，分层模型，以及分组交换，q o s 保证。会话控制，业务网等方面进行总结。 3 3 1 下一代网络的组织模型 传统电信网络是封闭的，单一业务能力的系统，它具有网络规模的开放性，却不支 持接入的开放性和业务的开放性，不能适应未来网络对业务的要求。通过互联网的发展， 我们已经看到业务开放性对产业发展的巨大作用，下一代网络必须采用开放的业务的提 供模式。下一代网络是融合的网络，也是复杂的网络。 通过对下一代网络的研究得到如下结论； 业务和网络的分离是下一代网络的基本特征；下一代网络应该分为网络域、业务域 和管理域三大部分。 1 、网络域的最终目的在于提供地理上分布的两个或者多个端点之间的可靠的、有 q o s 保证的，可以随时获得的通信服务，可以支持终端和用户的移动性。业务域的目标 是向用户提供丰富多样的服务，包括各种业务的平台，也包括网络业务提供商、增值业 务提供商、终端用户。管理域独立于业务域和网络域，管理和引导网络域和业务域的 良性发展，包括标准组织，学术机构以及政府等管理机构；下一代网络的发展和国民经 济的发展密切相关，政府将在管理域中扮演重要的作用。在网络域和业务域之间，通过 中间件耦合起来；网络域的服务通过中间件向业务域提供。下一代网络的结构如图3 6 中所示： 中北大学学位论文 图3 6 f 一代网络的组织模型 2 、从产业角度看，在网络中存在两个产业链，网络设备产业链和网络业务产业链， 网络业务产业链的出现和逐渐成熟是下一代网络的一个重要特征。传统电信网络是面向 业务设计的，通过对业务功能的分解确定接口，进而规范网络设备的制造，网络运营商 承担着网络的运营维护的角色，也充当业务提供商的角色。传统电信网络中不存在业务 的产业链，业务依附于网络，不利于业务的发展。在下一代网络中，网络和业务分离， 支持开发的业务产业链。业务产业链包括内容提供者、业务提供者、业务增值、业务使 用者等角色：网络域对业务产业链提供支持，同时网络层提供的连接性支持。网络域和 业务产业链之间的关系如图3 7 所示。 业务域 图3 7 业务产业链和网络域示意图 中北大学学位论文 3 3 2 下一代网络的分层模型 从狭义的角度看，n g n 是基于分组的网络，它提供包括电信业务在内的多种业务， 能够利用多种带宽和具有q o s 能力的传送技术，实现业务功能与底层传送技术的分离； 它提供用户对不同业务提供商网络的自由地接入，并支持通用移动性，实现用户对业务 使用的一致性和统一性。 经过分析研究得到如下结论： 1 、从逻辑上，下一代网络可以分为网络层、业务层和中间件三层。网络层提供端 点之间的连接性保证，提供可靠的、有q o s 保证、支持移动性、用户可按受的传输服务。 业务层提供会话类和非会话类业务。应用服务器位于网络的边缘，向用户提供业务和应 用。业务层位于网络层之上，由各种应用服务器组成。中间件层位于网络层和业务层之 间，把网络层的提供服务采用统一的方式向用户提供。 2 、网络中的资源可以分为两部分：网络资源和外部资源。网络资源由网络层提供 的连接资源；外部资源是指：处理器、存储，语音处理，内容提供等资源。外部资源由 业务领域的服务器控制和提供。网络资源由网络层提供，用户可以直接使用网络资源， 或者通过业务层间接使用网络资源。 3 、从物理上看，业务层由位于网络边缘的应用服务器组成，网络层向业务层提供 传输服务，提供端点之间的连接性。用户通过各种接入网络访问业务层提供的服务，如 图3 8 所示。 图3 。8 网络层和业务层示意图 中北大学学位论文 4 、在下一代网络中，网络层的目标在于提供传输服务，提供地理上分布的端点之 间的连接性，存储、处理等服务是业务层的内容，可以通过部署在网络层边缘的应用服 务器来实现。业务层和网络层之间的中间件可以划分为面向应用的中间件和网络中间 件。下一代网络的分层模型如图3 9 所示。 图3 9 下代网络分层示意图 如图3 9 ，中间件可以进一步分为网络中间件和面向应用的中间件。网络中间件应 该能够在异构的网络之上提供通信服务，并支持用户的移动性。在通信中，用户标识、 会话管理、传输控制是必不可少的，可以采用联系代理( c o n t a c ta g e n t ) 、交换代理 ( e x c h a n g ea g e n t ) 、传输代理( t r a n s p o r ta g e n t ) 来描述网络中间件的用户标识、会话 管理和传输控制功能。近年来出现的软交换技术、i m s 系统都可以看作是网络中间件的 一种实现形式。面向应用的中间件位于网络中间件之上，使用网络中间件提供的服务向 用户提供业务。面向应用的中间件的概念和计算机领域的中间件的概念类似，是位于应 用程序和网络服务之间的一层软件，它可以对用户屏蔽网络的细节，便于方便应用使用 网络服务，提高应用的开发效率。面向应用的中间件把网络服务封装成便于用户使用的 形式，向用户提供用灵活、丰富的业务；同时面向应用的中间件也应该能够把业务域中 的业务以统一的方式表示，提供一个统一的业务架构。业务层涉及的领域很广泛，在不 同领域之间，面向业务的中间件具有差别。业务的表示和组合是目前学术界的一个研究 热点，网格计算、w e bs e r v i c e 都尝试提供一种统一的业务描述、表示、组合和使用环 境，网格计算和w e bs e r v i c e 技术结合，在2 0 0 2 年提出了o g s a 的网格计算模型。 从上文中可以看出，下一代网络涵盖网络和业务两大领域，在很大程度上，下一代 网络是基于数据传输、会话控制、业务能力的统一表示之上的，这三个方面的分别涉及 中北大学学位论文 到分组交换、软交换、w e bs e r v i c e 三方面的技术，同时q o s 是下一代网络中业务的一 个重要特征，也需要妥善处理。在下文中，将从分组交换、q o s 保证、会话控制和业务 表示进一步阐述下一代网络。 3 3 3 下一代网络上的业务分类 下一代网络可以向用户提供的业务种类很多，业务特征将非常丰富，很难预见到未 来可能出现的所有应用和业务，并进行准确的分类。 但通过对下一代网络的业务研究，得出如下结论： 下一代网络中的业务按业务的基本属性和提供方式、功能特征、通信属性、会话控 制等进行分类，将存在以下几种： 1 、从业务的基本属性和提供方式上来看，业务层业务可以分为基本业务、补充业 务和增值业务。基本业务是由n g n 网络中的呼n 会话控制实体提供的，是最普通的业 务，是组成补充业务的基础，通常是基本的点到点话音、传真和视频等业务。补充业务 也是网络中的呼叫会话控制实体提供的，是在基本业务的基础上增加用户业务数据和 业务特征的业务，如号码显示类、呼叫前转类、多方通信类等。增值业务是由n g n 网络 中的业务控制实体或者第三方提供的业务，这些业务具有丰富多彩的业务特征，由业务 控制实体或者第三方完成业务控制和业务数据功能，并控制网络中的呼叫会话控制实 体完成呼叫处理。 2 、按照业务的使用方式，业务层业务可以分为交互式和分配式。交互式包括对话 式、消息类和查询类。分配式特点是点到多点通信和单向信息交换，包括无用户单独表 达控制和有用户单独表达控制两类。对话式是指在用户和用户之间、用户和网络之间提 供端到端的双向实时通信，如电话、视频会议、高容量文件传送、实时控制、遥感勘测、 告警、医学图像传送、远端游戏等。消息类是通过带有存储转发的存储单元、邮箱和 或消息处理单元完成用户之间的通信，如电子视频邮箱业务、电子邮件等。查询类是指 用户查询信息中心存储的信息，信息中心将信息按需发送给用户，信息可以是移动图片、 图像、文档、数据等。无用户单独表达控制的分配式业务应用向授权用户提供连续的 信息流，用户可以随时访问但不能决定不能控制这些信息，如电视节目、电子报纸、电 子出版物等。有用户单独表达控制的分配式业务应用也是从一个中心同时向许多授权 的用户提供信息，但信息是作为有序实体循环提供给用户，用户能够控制信息，如全频 中北大学学位论文 道可视图文广播、远端教学和培训、电子广告等。 3 、从业务控制方式上，则可以分为基于会话控制的业务、基于非会话控制的业务、 网络业务和管制业务。基于会话控制的业务包括实时话音业务、点到点交互式多媒体业 务、文件共享、内容传递、网络感知、呈现和通用通知、即时消息、现有的p s t n i s d n 业 务、基于会话控制的i n t e r n e t 业务等。基于非会话控制业务包括数据文件传送、传真、 电子邮箱和网页浏览等数据通信业务、数据获取应用、推送业务、信息业务、在线应用、 语音驱动业务、远端控制业务、消息业务、广播多播业务等。网络业务则包括网络的 管理、维护等；管制业务包括如紧急通信业务、合法拦截业务、突然事件告警广播业务 等。 在网络中，会话类业务比较复杂，在会话过程中交互比较多：与此相反，非会话类 业务的交互通常比较简单，业务功能比较单一。i e t f 的s i p 协议是对会话的一个抽象， s i p 协议是一个通用的会话初始化协议，它和具体的会话内容无关。对于业务的支持采 用s i p 包的形式可以扩展，这样可以把会话业务分为会话和会话特征两部分，会话特征 表示在会话的过程中在基本会话过程之外的交互。把会话抽象为抽象会话和会话特征， 分别以通用会话和会话特征服务的方式向业务层提供，业务层可以通用会话服务、会话，。 特征服务、非会话类服务组合出丰富多样的业务。 4 、从网络结构上看，i h s 系统是叠加在移动通信系统电路域和分组域网络之上的一 个网络，可以通过i p 网络向用户提供多种业务。通过i m s 系统，可以向用户提供p o c 、 p r e s e n c e 、即时消息、多媒体会议、普通语音业务、智能业务。i m s 系统可以通过i s c 接口，向业务层开放网络的控制能力，支持开放的业务控制接口。i m s 系统和其他网络 之间的关系如图3 1 0 所示。 图3 1 0i m s 网络和接入网络 中北大学学位论文 i a s 系统是和接入技术无关的网络，不论用户通过g p r s 网络、w o d m a 网络固定i p 网络，都可以使用同样的业务。从网络架构上看，基于i m s 网络可以分为传输层、会话 控制层、应用层三层。传输层提供端到端之间的通信能力，实现i p 数据包在各种网络 之上的传输，根据业务的要求实现q o s 保证“”。会话控制层完成基本的会话控制，用户 注册、s i p 会话路由控制，与应用服务器之间的交互，支持应用服务器中的业务。应用 层包括各种应用服务器以及各种业务，应用层提供业务的修改、组合、部署功能，支持 第三方的业务提供商开发电信业务，i l l s 系统位于网络的会话控制层。 3 3 4 下一代网络上的业务技术 3 3 4 1 分组交换 传统的电信网络是封闭的，支持单一业务能力的系统，业务和网络紧密结合在一起。 智能网的出现使人们看到了业务和网络分离的一丝希望，但经过多年的实践表明，智能 网还远不能胜任网络开放的重担。电信网络具有网络规模的开放性，却不支持接入的开 放性和业务能力的开放，无法形成规模的增值业务产业链，限制了业务的发展。与此形 成对比的是i n t e r n e t ，通过i p 协议屏蔽了物理层和链路层的差别，支持网络规模的自 由扩充，实现了与上层业务无关的端到端的数据透明传送，造就了i n t e r n e t 上业务的 车富和繁荣。毋容置疑，i p 是i n t e r n e t 的基础，虽然i p 技术带来了i n t e r n e t 的繁荣， 但是i p 技术本身有着局限性，例如：没有o o s 保证，安全性不高，采用现有的i p 技术 来支持n g n 对业务的需要是不够的。 在i n t e r n e t 的设计中，e n d t o e n da r g u m e n t 是一个重要的依据。e n d - t o - e n d a r g u m e n t 反对把一些高层功能在网络中实施。e n d - t o - e n da r g u m e n t 可以用通信中最基 本的文件传输来说明，我们期望把计算机a 的存储系统上的文件传送到计算机b 的文件 系统中，在计算机a 和计算机b 上分别有程序来处理文件传输相关的操作。网络中采用 何种包校验、重传机制，并不能保证终端之间的文件可靠传送，也不能简化需要在终端 中应用程序需要作的校验和重传操作。最终的文件传输的可靠性是以来应用层的校验和 重传来保证的，和数据传输系统是否可靠无关。基于e n d t o e n da r g u m e n t ，i n t e r n e t 并不保证数据的可靠传输、不保证数据的安全性、不保证数据包到达的顺序，i p 协议对 于底层网络的控制能力非常弱，也很难实现。 中北大学学位论文 随着i n t e r n e t 的发展，人们在寻求通过链路层和物理层增强i p 网络端到端的业务 能力的方法。在异构网络互通中，从用户端进行控制是没有意义的，除了用户端之外， 路由器是一个可以施加控制的点。r s v p 和d i f f s e r v 都企图在路由器进行路由操作的时 候，针对不同的i p 数据流做特殊的处理，例如，优先路由、优先输出、优先队列、主 动包丢弃等。这些处理措施需要在路由器上执行额外的操作，带来了新的开销，而且这 种控制方式默认路由器和底层网络结合在一起，通过路由器把对网络业务的要求影射到 链路层或者物理层，它的应用范围也有限的。如果路由器通过复用设备或者传输网络 ( 例如：s d h ) 连接，在此情况下，期望路由器完成链路层的控制将非常困难。从另一 个方面分析，即使通过路由器的控制是可行的，那么i p 报中除了承载用户信息之外， 如何承载控制信息就会成为另外一个难题，采用目前线性的包结构显然是不会理的，因 为，每个i p 报头对于底层网络的要求可能不同，甚至导致冲突。 通过分析、研究，得到如下结论： i p 协议的设计初衷在于解决网络之间的互联，可以实现路由器之间、终端和路由 器之间通过不同的承载网络迸行通信，这对推动全球网络的互联具有重大的意义。但 i p 网络端到端的业务能力仅仅局限于网络层，不具备网络层之下的业务能力，只能提 供b e s te f f o r t 的服务，不能方便的支持对q o s 有明显要求的端到端应用。如果网络通 信分成可达( 可以互通) 和q o s ( 互通的质量) 两个层次，那么i p 协议仅仅是解决了 可达的问题，而没有解决q o s 问题。虽然i p 网络目前还不能提供下一代网络所需要的 q o s 保证的，但i p 能够提供的网络层之上的可达性仍然是下一代网络所必需具备的功 能，这种功能是基于链路交换的网络所不可能具备的，因此，下一代网络必然是基于分 组交换的，i p 协议( 主要是指i p v 6 协议) 或者类似的包交换协议是下一代网络中网络 层的协议，提供实现通信的可达性。 3 3 4 2o o s 架构 i p 协议是i n t e r n e t 的基础，目前，互联网上的所有应用都是构建在i p 协议之上的。 通过上面的分析，我们发现i p 协议不能可能提供q o s 机制，不能满足下一代网络中业 务对于q o s 的要求，因此，在下一代网络中，必须引入新的机制来保证q o s 。 通过分析、研究，得到如下结论： l 、和i p 网络不同，传统电信网络是有q o s 保证的。q o s 是电信业务的一个重要特 中北大学学位论文 征，无论是采用老式的步进式、纵横式的交换机，还是后来的程控交换机。以及基于分 组交换的a t m 交换机都可以提供q o s 保证。a t m 和i p 技术同样基于分组交换的，a t l 4 可 是保证q o s 而i p 不能提供q o s 机制，这种差异是两种网络设计的理念不同，架构不同 导致的。a t m 是面向连接的，在用户使用网络之前，首先通过认证和鉴权，建立连接， 在交换机中为用户分配资源，进而保证q o s 。目前的i p 网络是无连接的，用户可以任意 的接入网络而不需预先建立连接。因此在下一代网络中，需要在基于分组交换的网络基 础上，叠加q o s 控制机制。 2 、q o s 是关于支持业务的某些特征和属性的问题，不同应用对q o s 的要求不同。例 如：在远程医疗过程中，传送数据的准确性，要比时延和抖动更重要；但在i p 电话业 务中，时延和抖动是必需解决，并尽可能最小化的。q o s 是决定系统用户满意程度的性 能参数的集合。下一代网络中的q o s 架构如图3 1 1 所示： 图3 1 1 分组交换网络q o s 架构 q o s 架构主要是一组可以控制网络对业务请求响应的机制，这些机制可能在某些网 络节点，或者通过网元之间的信令，在网络范围内进行控制和管理。这些q o s 控制组件 可以分为控制平面、数据平面和管理平面三个部分。 q o s 组件可能位于一个网络节点中，也可能在一个网段中使用。在后一种情况下， 在网络节点之间需要有信令交互，无论这些节点是否属于同一个网段，这种交互可能是 端到端，端到边缘、边缘到边缘、网络到网络的。信令交互可能发生在任何一个逻辑平 面中，控制平面和管理平面中的信令交互通常需要使用信令协议。 除了上述的q o s 架构之外，还有端到端的q o s 架构，用于向用户提供端到端的q o s 中北大学学位论文 服务，在网络中，应该有多种s c f 来控制各种业务发起的q o s 请求，对于那些没有业务 控制实体的业务，终端可以触发q o s 请求。在接入网中，a r c f 处理n c r f 转发的业务请 求，要提供接入网中的o o s 保证。由于接入网络的多样性，接入网络中的o o s 保证机制 差别会很大。 因此，下一代网络的o o s 架构是以上两种q o s 架构的融合，其中在端到端的o o s 架 构中的业务控制功能要包括呼叫会话控制功能、媒体服务器控制功能、数据服务控制 功能、v p n 服务控制功能和其他的增值业务控制功能，还要包括各种控制业务平台，例 如：软交换、应用网关、应用代理、流媒体服务器、视频点播服务器等等。并且o o s 作 为业务的一个特征，由网络层提供给业务层。 3 。4 本章小结 本章简单介绍了n g n 的发展背景、相关的研究项目，在此基础上，作者分析了下一 代网络面临的挑战，提出了有待解决的问题。然后回顾了电信网络发展的历史，结合国 际组织在下一代网络方面的研究，褥到如下结论； 从广义上分析，下一代网络包括网络设备产业链和业务产业链；在组织结构上可以 分为网络域、业务域、管理域；从狭义上分析，下一代网络可以分为网络层、业务层， 以及中闻件；网络和业务分离是下一代网络的基本特征；从网络技术上分析，在传输层 采用分组交换，在多种接入网络之上提供一致的传输方式；采用s i p 协议或者类似的会 话控制方式，向业务层提供抽象的会话控制；网络层提供可靠的o o s 机制，保证业务的 o o s ；业务层使用网络层提供的连接服务，并结合业务的资源，采用w e bs e r v i c e 方式 把资源统一表示为w e bs e r v i c e ，从逻辑上形成了叠加在网络层之上的一个业务网 ( s e r v i c ei n t e r n e t ) 。 基于本章对下一代网络构架分析的基础上，在下一章中，作者对下一代网络中的业 务控制技术s i p 协议进行了建模分析。 中北大学学位论文 4 业务建模分析 业务和网络的分离是下一代网络的基本特征，在上一章中，我们讨论了下一代网络 的结构，并分析了会话控制在网络中的意义。网络层采用抽象的会话控制技术向业务层 提供连接服务，业务层使用网络层提供的连接服务，并使用业务层的资源，组合成新的 业务，向用户服务。s i p 协议是i e t f 提出的会话初始协议，它采用s o p 来描述会话的 内容，s i p 本身和会话的内容无关。业务层叠加在网络层之上，如果我们认为网络层提 供比特级的数据传输，那么业务层就可以看作是比特网络之上的业务网。 在下一代网络中，业务层可以采用基于s o a 的业务提供模式，创建和部署业务都将 非常方便。这是下一代网络所期望的；但这将可能导致产生大量由业余开发者开发的业 务，这些业务没有经过验证和分析，在网络中直接运行将是很危险的。例如，使用w e b s e r v i c e 技术，一个编程人员可能在几个小时就创建一个业务，但他们可能忘了，或者 由于贪图方便忽略了对其他业务影响方面的考虑，这些业务很可能在网络中大量存在。 和传统电信网络中由专业人员开发、经过反复验证的业务相比，这些没有业务的正确性 很难保证，对网络影响难以预测：同时，由于这些业务的数量将非常庞大，不可能使用 人工的方式分析，因此，在下一代网络，研究业务的建模和自动验证将非常重要。