聯通對下一代網絡技術的探索與實踐
2003/07/21
什么是下一代網絡技術，有許多的說法和理解，但其最基本的特征是網絡傳輸交換的分組化、業(yè)務的綜合化和功能的層次化。它追求的根本目標是投資省、網絡建設擴展快捷、新業(yè)務提供方便靈活、網絡維護成本低等。概括起來就是最大的提高網絡運營公司的效益以及提高對廣大用戶的服務質量和水平。
聯通作為在這一領域的后進入者，一個在人財物都處于弱勢者來說，下一代網絡的目標無疑對我們具有格外的吸引力。
從1999年起，我們就在思考、探索如何走一條新路；而最困擾我們的是沒有現成的技術可以用來做建設統(tǒng)一的網絡平臺的參考；當時正值互聯網技術鋪天蓋地，被鼓吹的無所不能，但是我們清醒地認識到以路由器技術為主體的互聯網技術是無法滿足傳統(tǒng)電信業(yè)務對QoS的要求，尤其是語音、視頻業(yè)務，更無法保證端到端通信的業(yè)務質量。我們的顧慮很快得到了證實：1999年初，信息產業(yè)部先后批準中國電信、中國網通、吉通公司進行VoIP實驗；1999年4月3日，中國聯通最后一個獲得進行VoIP實驗的批準。按照信息產業(yè)部要求，聯通要在6月底前開通業(yè)務，年底進行總結，而且要求在公眾互聯網上進行實驗。為了保證語音質量，我們提出了在可控制、可管理的互聯網上提供VoIP業(yè)務的決定；因為當時的聯通除了移動網之外，什么都沒有，是一張白紙，為了開展VoIP語音業(yè)務，我們必須要重新建立一個網絡，因此實際上聯通的實驗網是一個VoIP的專網，當然是可以控制，可以管理的了！最后實驗的結果是我們所預料到的：聯通被測試評比為第一名。事實證明在公用互聯網上無法提供有質量保證的語音業(yè)務。有了聯通成功的經驗，所有運營商都決定重新建設專用網絡來承載VoIP業(yè)務。有人說“聯通是歪打正著”，其實我們心里很清楚，每種網絡都有它自己的特點，不同的業(yè)務肯定需要能夠提供不同QoS服務質量的網絡，這次成功自然不是意外的了，應該說我們是“正打正著”。
就在大家都決定重新建設專用網絡來承載VoIP業(yè)務時，我們又大膽提出：聯通將按照下一代網絡技術的要求，建一個統(tǒng)一的分組化的網絡平臺來提供多種業(yè)務，包括語音、數據、互聯網、視頻會議、可視電話、甚至部分移動業(yè)務。這一設想在當時來說，無疑面臨著眾多的挑戰(zhàn)和風險；我們當然考慮了風險，但是我們更關心的是：網絡建設的投資回報周期、向用戶提供更多元化業(yè)務的能力、網絡的維護成本。在權衡眾多關鍵性的因素之后，我們選擇了風險之路，可以說是“逼上梁山”。
技術方案的選擇
電信運營公司選用怎樣的技術來建設網絡，主要是根據網絡所要提供的業(yè)務定位來決定，如：純IP的業(yè)務選路由器技術，純傳統(tǒng)數據業(yè)務(如幀中繼、電路仿真等)則選ATM技術；另外，就技術而言，并不存在哪種先進、哪種落后的問題，更不是輿論炒作的那樣，不選路由器技術組網似乎就要犯方向性、戰(zhàn)略性的錯誤似的。聯通的統(tǒng)一網絡平臺的定位是向用戶提供包括語音、數據、互聯網、視頻會議、可視電話、甚至部分移動數據等綜合業(yè)務；之所以有這樣定位的考慮是：
1.語音業(yè)務仍然是電信運營公司的主要收入來源。
2.盡管數據業(yè)務，尤其是IP的業(yè)務收入遠遠比不上語音業(yè)務的收入，但是其用戶量和業(yè)務量持續(xù)地在快速發(fā)展著，說明其自身價值仍然很高，已經成為社會以及人們生活中不可缺少的部分。
3.隨著ATM技術的成熟，許多運營公司的網絡已經達到了電信級的水平，幀中繼、電路仿真等越來越受到金融、稅務、保險以及各大、中型企業(yè)的青睞。
4.可以自己控制、操作、經濟方便的會議電視系統(tǒng)是許多企事業(yè)單位迫切需要的，尤其是可視電話業(yè)務是廣大用戶盼望幾十年，多次寄予期望卻又落空的一種業(yè)務，同時這種業(yè)務也是解決目前大多數電信運營公司消化不良，帶寬資源過剩的靈丹妙藥。
5.移動數據業(yè)務：隨著CDMA 1X在全國范圍內的升級，一個有安全質量保證的網絡是業(yè)務發(fā)展的重要基礎。
6.其他：將滿足其他業(yè)務的進一步融合。
以上這些業(yè)務的定位并不是異想天開，而是目前業(yè)務發(fā)展的必須，關鍵的問題是我們是否有能力去實現在一個網絡平臺上同時提供以上的業(yè)務。我們都知道，路由器技術是盡力而為的QoS機制，無法保證像語音、視頻等實時性業(yè)務，而ATM技術卻又難以適應IP業(yè)務的迅猛增長。而我們當時對技術方案選擇的最大難點在于：
* 如何在數據網上承載大量的語音、視頻等實時性很強的業(yè)務；
* 如何在一個網絡平臺上同時提供各種不同質量要求的多種業(yè)務；
* 如何設計一個適應中國覆蓋面如此之大，用戶數量如此之多的網絡和網絡的擴展性、可靠性以及服務質量的可保證性。
經過反復比較分析、調研、論證，最后我們選擇了ATM+IP的技術方案，而且通過MPLS技術解決了其中諸多的疑難問題。
網絡關鍵技術的解決
1.網絡設計
由于該網絡業(yè)務類型多、規(guī)模大，所以網絡的設計就成為一個十分復雜而重要的問題，因為它直接影響著網絡的穩(wěn)定性、可靠性和擴展性。當網絡同時用于支持數據、語音、視頻和傳統(tǒng)的電路業(yè)務時，這些業(yè)務均有不同的帶寬、時延、抖動和丟包率的要求，即需要不同的QoS級別。因此網絡需要能夠為每種業(yè)務提供相應QoS級別的端到端的路由。路由不再是簡單的物理拓撲，路由決策必須基于一系列的約束機制，以達到良好的網絡特性，如：故障自動迂回、策略路由和負載均衡等。另外路由設計還必須高度有效，使得網絡能支持更多的虛擬電路(VC)連接。從網絡設計的目標來講，統(tǒng)一多業(yè)務的網絡要求從路由和管理兩方面將FR、ATM和IP/MPLS等各種類型的業(yè)務真正實現無縫的融合，并能非常容易地擴展MPLS流量工程。網絡路由設計主要包括：
* 反映物理拓撲和QoS狀態(tài)的拓撲數據庫；
* 基于擴展OSPF的網絡拓撲數據庫分配算法；
* 基于QoS約束條件的最佳路由算法。
網絡路由設計的一個重要決策是我們采用分區(qū)設計的原則，這是由于OSPF是由交換機互聯的網段的連續(xù)集合，最多只能容納400個交換機和1000條中繼電路；盡管這在當時已經能夠滿足需求，但是考慮到未來的發(fā)展，必須采用分區(qū)的設計原則，這樣可以使網絡接點擴展到1000個以上，10000個以上的中繼電路是在保證網絡穩(wěn)定性的前提下，提高網絡擴展能力主要舉措。另外，分區(qū)的設計原則還帶來如下的好處：
* 減少交換機路由鏈路狀態(tài)數據庫大小。
* 減少網絡路由協(xié)議流量。
* 降低CPU負荷，這是因為交換機主控卡和接口卡周期地使用Dijkstra算法計算路徑數，隨著接點數和中繼量的增加，該計算將會明顯增加CPU的利用率，該網絡使用的Dijkstra算法開銷為O(Lklog(n))，其中L為中繼鏈路數量，n為接點數量，將路由域分成了多個OSPF分區(qū)，因為Dijkstra算法局限于交換機所在的OSPF分區(qū)，減小L和n的大小，則降低了路由計算的開銷。
* 降低了內存損耗。
* 避免了中繼震蕩對網絡穩(wěn)定的沖擊。
任何事情都有正反兩方面的作用，路由分區(qū)設計的原則搞不好也會帶來負面的影響，主要有以下兩點：
* 可能的非有效路由，因為詳細路由經過匯節(jié)點時將丟失，當主叫和被叫節(jié)點分別屬于不同區(qū)時，主叫交換機或許不能發(fā)現最佳路由；
* 逐段的連接建立和可能的失敗后重試(Crankbank)，增加了呼叫建立時延�！ ⊥ㄟ^我們精心設計，不斷優(yōu)化，目前我們的統(tǒng)一網絡平臺已經呈現出非常好的網絡特性。
2.網絡拓撲結構設計
網絡拓撲結構設計的原則是在滿足網絡容量要求、性能要求、安全要求的前提下通過布置交換機的位置、種類和數量，以及中繼線的帶寬與數量以使網絡建設投資最�。徊煌瑫r期由于交換機的價格和中繼線路成本比例不同，其拓撲結構計算模擬出的結果也會不同，下面就對網絡性能、安全性和網絡增長方面作以說明。
網絡時延：
網絡時延是一個不僅影響用戶服務質量，而且也與網絡的能力有很大的關系，網絡時延主要來自傳輸時延，交換處理時延和交換機進出口串/并和并/串口變換帶來的時延，因此端到端的時延主要來自于所經過交換機的數量以及所經過電路的帶寬大小及長度，所以拓撲結構設計的目標之一就是決定任一對用戶建立呼叫不超過所經過的最大接點數(n)。
網絡安全：
網絡安全的指標就是同時壞幾個節(jié)點、幾條中繼電路，不會出現全網癱瘓。這是一個很重要的問題，尤其是同時壞3個以上的節(jié)點和多條中繼電路，要保證網絡不癱瘓，就有一個十分復雜的設計問題。
網絡增長：
網絡總是要不斷地擴大、增長的，如何使得每個分區(qū)有足夠的能力容納更多的交換機，當網絡增長時，盡量避免拓撲結構重新設計也是個很重要的問題，使得每個分區(qū)的節(jié)點數和中繼數相對均勻，以保證網絡的穩(wěn)定性。
3.多協(xié)議標記交換(MPLS)技術的應用
采用什么技術來實現ATM+IP的融合，從而來實現在一個網絡平臺上方便地提供不同類型的業(yè)務，經過反復研究，我們把目標鎖定于MPLS技術。1999年做出這個決定是有很大風險的。盡管當時許多標準尚未完成，而且業(yè)界有許多不同的看法，但我們比較分析的結論是：惟有MPLS技術才有望解決有關問題�，F在，IETF和ITU已經把MPLS作為運營級多業(yè)務承載網的核心技術，同時也得到許多運營商和設備廠商的廣泛支持，如2001年，美國某咨詢公司對五家最大運營公司的CTO進行問卷調查中，MPLS是唯一被5家公司打了5分的技術，即最重要最緊迫的技術。但是，截至目前大都停留在實驗或小規(guī)模試用階段。
聯通的MPLS不僅在邊緣節(jié)點進行路由決策，并通過標簽方式為IP數據流提供端到端的顯示路徑，實現MPLS的確定路由。對于聯通多業(yè)務網絡還具有以下特點：
* 把不同的IP數據流影射到不同QoS的標記交換路徑(LSP)上，使不同的IP業(yè)務具有不同的QoS，如策略QoSLSP(PolicyQoSLSP)、按需的QoS LSP(QoS on Demand LSP)和盡力而為的QoS LSP(Best effort QoS LSP)。
* 充分利用交換機具有的高度智能性，高度的路由迂回功能，在局部設備故障時不會影響到通信質量，而路由器只能提供IP層的路由功能，不具備帶寬的迂回，無法保證業(yè)務質量。
* 由于中間節(jié)點不對第三層(IP層)數據進行處理，路由時延大大減小。
* 可以靈活地提供VPN功能，即在一個物理網絡中把不同的IP端口可以組織起來形成邏輯上不同的、獨立的IP交換網絡，同其它IP端口隔離開來，為某個用戶組提供專門的服務。不同IPVPN使用獨立分開的路由表，不同的IPVPN標識，因此安全性好。增加IPVPN只需要通過網絡對交換機配置就可以完成，不需要任何外部設備。聯通正是利用這種靈活的IPVPN設計才能使我們的統(tǒng)一網絡平臺實現同時提供多種業(yè)務。如我們的VoIP語音網是一個有可控帶寬機制，有較高QoS級別的IPVPN，而165互聯網則是一個盡力而為的IPVPN。在我們這個統(tǒng)一網絡平臺上，不僅可以對各種業(yè)務網提供不同層次的IPVPN，而且還向企業(yè)、政府部門、事業(yè)單位、金融、教育等行業(yè)提供各種不同質量、不同業(yè)務要求的IPVPN業(yè)務，國外的咨詢公司分析預測，今年IPVPN業(yè)務將有40%的增長。 * 聯通的MPLS是采用虛擬路由(VR)技術來實現IPVPN的，即交換機通過運行OSPF進程和交換機的端口構成路由器，成為虛擬路由器，所以聯通所謂的ATM+IP的網絡平臺并非是由ATM設備再加上路由設備構成。這種網絡設計使得整個網絡投資大大節(jié)省。
實踐結果
從1999年開始策劃、調研到2000年正式開始設計與建設，當年建成覆蓋全國200多個城市的統(tǒng)一網絡平臺，并在當年開通全國的語音業(yè)務、互聯網業(yè)務和數據(幀中繼、電路仿真以及VPN)等業(yè)務。
1.網絡規(guī)模及業(yè)務
目前，統(tǒng)一網絡平臺已經覆蓋330個城市，已經在全國開通的業(yè)務有：
* VoIP語音業(yè)務為世界上最大的，目前去話量已經超過10億分鐘/月；
* 互聯網業(yè)務，擁有撥號用戶1100多萬，專線用戶3.3萬戶，上網通信時長超過30億分鐘/月；
* 幀中繼、電路仿真業(yè)務，已經出租3800個2M電路；
* 基于有質量保證的IP技術的公用視頻會議系統(tǒng)、遠程醫(yī)療、遠程教育系統(tǒng)，在公用商用系統(tǒng)中也屬全球最大；
* 基于有質量保證的IP技術的可視電話系統(tǒng)，為全球率先推出；
* CDMA1X無線互聯網業(yè)務目前已通達300多個城市；
* 各種質量的虛擬專網業(yè)務VPN、IPVPN、VPND等。
2.網絡質量
數據業(yè)務：從2000年下半年至2002年6月，在中國建設銀行、中國電子科學研究院、新華社等機構先后對幾家電信運營公司的數據網評測中，中國聯通均獲第一�！ IOP語音網：在信息產業(yè)部委托傳輸所、廣東電信管理局、福建電信管理局對國內幾家運營公司的網絡的歷次評測中，中國聯通均獲第一。
互聯網業(yè)務：在信息產業(yè)部組織的兩次互聯網業(yè)務用戶滿意度評測中獲第一。
3.投資效益
由于采取建立統(tǒng)一網絡平臺的方針，避免了一個業(yè)務建一個網絡所帶來的重復投資和投資回報周期長的弊端，實現了當年建設，當年開通運營，當年贏利的業(yè)績。而且，隨著業(yè)務量的增大其效益越來越明顯，2002年營業(yè)利潤達12.6億元。并為今后的網絡維護帶來了極大的方便和成本的節(jié)��；更重要的是在這樣統(tǒng)一、開放的平臺上開展新的業(yè)務、新的應用，會非常迅速、方便，使的中國聯通為用戶提供真正一攬子的全業(yè)務服務成為可能。
結束語
我們在網絡技術分組化、業(yè)務綜合化、功能層次化等下一代網絡技術方面取得了重要突破，是一次成功的實踐。所帶來的效果也十分顯著，如在抗擊非典的過程中我們的網絡就突顯出它的方便、靈活、適應性強的特點，當我們決定向全國衛(wèi)生系統(tǒng)捐贈視頻會議系統(tǒng)和可視電話系統(tǒng)時，僅僅用了三天的時間就將北京、上海、廣州、呼和浩特、太原五個城市開通，半個月的時間開通了全國各省市的系統(tǒng)，對指揮調度全國防治非典發(fā)揮了重要作用。為了對今年參加高考的學生奉獻一點愛心，我們也僅用了一個星期的時間就將全國近100個教室2000多名學生由全國的知名教師進行遠程高考前的輔導和答疑，而且是可視的、互動的，效果非常好。這對傳統(tǒng)的網絡來說是很困難的，這一切都得益于先進的網絡設計。這一切看起來似乎極其平常和簡單，但實際上我們經歷過多次失敗的磨難，多次出現山窮水復疑無路的境況，但經過廣大干部職工以一種不屈不撓、不服輸的精神，終于贏來了柳暗花明又一村的景象。這一切都得益于聯通有一個好的環(huán)境，有一支好的隊伍，有一個好的領導集體。
我們的工作遠沒有結束，我們僅僅是開始，新的目標又在等待我們去實現。
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