智能管道發展及技術實現

孔 力，陳婉珺，赫 罡，楊艷松（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京100048）

0 前言

互聯網業務的飛速發展使得電信運營商的分組網絡越來越繁忙，然而網絡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，一些傳統電信業務，如語音電話正逐步被一些新興的分組業務所取代，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移動寬帶業務市場方面取得巨大成功，移動數據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的增長，運營商的網絡也從承載語音話務量為主向承載數據流量的方向轉變，昨天在固定寬帶互聯網上發生事情，也同樣發生在移動互聯網上。面對分組業務發展帶來的巨大挑戰，電信運營商應當如何走出困境，探索出一條符合自身特點的發展之道是目前各大運營商急需面對的問題。

1 運營商網絡現狀及問題分析

1.1 運營商網絡

隨著業務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絡（見圖1），是指位于終端與業務平臺之間，包括接入網、城域網和骨干網在內的由運營商建設并運營維護的網絡。電信運營商如何面對分組業務發展帶來的巨大挑戰，關鍵在于針對現有網絡存在問題，探討如何改善并加強對現有網絡的管理。

1.2 網絡流量分析

隨著3G移動通信系統的蓬勃發展，移動互聯網的數據業務進入了突飛猛進的發展階段。據統計，2010年，在中國僅無線數據業務量就達到了550億MB，2011年達到了1 400億MB。根據思科預測，全球移動數據流量將在2010—2015年增長26倍，保持92%的年復合增長率；移動互聯網用戶數，在2010—2015年將增加25倍（見圖2和圖3），2015年，全球移動數據流量將達到每月6 300 000 TB，而移動互聯網用戶數也將增至7.88億。

一方面，數據流量如此巨大的增幅，使得網絡面臨巨大的流量壓力；另一方面，許多新的應用，需要長時間的高帶寬保障，網絡使用率提高，而運營商原有網絡設計存在收斂比，不能滿足所有簽約用戶，同時使用最大簽約帶寬的需求，直接導致網絡趨于飽和，部分時段及小區出現網絡擁塞，用戶不能正常使用業務，體驗下降，投訴增加，于是運營商不得不加大投資，進行網絡擴容，極大地縮小了運營商的利潤空間。

1.3 業務類型分析

移動互聯網為用戶提供了豐富多彩的應用，而不同的應用對運營商來講，存在不同的價值差異。許多永遠在線類應用，比如QQ，不斷申請無線公共信道資源，對無線信令開銷很大，導致網絡出現大量尋呼擁塞，用戶被叫無法接通、短消息延遲等；Skype、QQ語音等新興的VoIP業務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，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等低價值業務占用了網絡過多的帶寬，影響其他用戶業務體驗。反之，一些運營商自己開發的業務，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

電路域業務為主的時代，電信運營商向用戶提供完整的語音及短信業務，而不需要其他運營商介入。隨著移動互聯網的飛速發展，數據業務量激增，在數據業務時代運營商自營業務在整個用戶的業務量中占的比例非常低，在大量的移動互聯網業務中，電信運營商只提供網絡資源，內容往往由第三方內容提供商（ICP）、智能手機資源提供商（如蘋果等）來運營。現有的運營模式如圖4所示，用戶與電信運營商之間，依據接入帶寬、使用流量等達成契約關系；依據提供的業務內容、使用量等同內容提供商達成契約關系。用戶通過自由分享或向業務平臺付費下載獲得相關應用程序，通過向資源提供商付費獲取相關視頻、音頻資源，電信網絡在整個互聯網生態系統中完全淪為了管道，僅提供連接通道的作用。

1.5 現網主要問題

從以上面3個方面的分析可以看出，目前運營商網絡（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，網絡流量激增，現有網絡不能滿足用戶需求，運營商需要投入大量的成本升級、擴容現有網絡，如電信新技術的開發，巨額的基礎設施投資等，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，而現有的運營模式，導致運營商沒有更多的利潤增長點，互聯網生態系統產生的回報卻沒有成比例地回饋到運營商手中，而是由業務及平臺提供商獲得。運營商的收入逐漸轉移到提供通信服務的內容提供商上，運營商的業務量與收入之間的剪刀差日益擴大。

b）網絡負載不均衡。網絡流量的激增，及網絡設計的收斂比直接導致網絡擁塞，但這種擁塞并不是時時存在的。現有的網絡負載不均衡主要體現在5個方面。

（a）業務不均衡：運營商自營業務占用資源較少，利潤較高，互聯網業務占用資源多，運營商分得利潤少，部分業務（如P2P）過多占用網絡帶寬導致系統過載。

（b）網絡不均衡：2G、3G網絡用戶數較多，網絡壓力較大，而WLAN網絡負載并不是很高。

（c）時間不均衡：忙時業務量較高，網絡出現過載情況，閑時網絡負載較輕，網絡得不到充分利用。

（d）區域不均衡：部分區域，用戶密集，業務量較高，出現網絡過載，另外一些區域，網絡負荷相對較輕，校園、企業等特定區域，網絡負載各自呈現不同特征。

（e）終端不均衡：智能終端數量增多，頻繁的模式轉換，大量的短時業務傳輸導致網絡負荷急劇上升，給網絡帶來新的沖擊和挑戰，傳統終端對網絡的沖擊較小。

2 管道智能化

針對上述問題，業內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務類型實現控制和計費、按照用戶類別提供不同水平的網絡服務。智能管道應當具備以下3個特征。

a）流量清晰：網絡運營商能夠清晰地獲取各種業務的流向，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。

b）負載均衡：網絡運營商應當能夠采用合理的手段，做到各類用戶公平使用網絡資源，同時保證網絡運行效率，盡量做到在任何時刻都能充分利用網絡資源。

c）契約關系合理：改變現有計費方式，將整個互聯網生態環境產生的利潤在網絡運營商與業務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調控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、用戶正在使用的業務、用戶簽約的等級等等；感知網絡，即感知網絡類型、當前網絡資源使用情況、網絡是否擁塞、網絡當中的設備故障信息等；感知業務，即感知用戶當前使用的業務類型、業務對網絡資源的需求情況、業務自己的位置特征，比如QQ等業務，校園區域使用量較大，而其他區域較少。

動態調控包括：定義優先級策略，即根據需求，結合用戶、網絡、業務多維度定義不同的優先級策略；動態資源調整，即根據優先級策略，動態調整用戶所使用業務的QoS，根據不同的用戶、時間、位置等信息調整業務的QoS；契約關系的改變，即根據優先級策略實現差異化的計費，根據不同的業務類型、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 智能管道關鍵技術

3.1 業務感知技術

隨著網絡應用不斷翻新，原有的普通報文檢測已經不能滿足現有業務感知的需要，深度包檢測（DPI）技術是一種針對應用層的流量檢測和控制技術。它能更精細地識別網絡中的各種應用，并為網絡運營中的業務識別、業務控制和業務統計服務。通過DPI，能夠獲取終端信息、識別用戶，感知網絡狀態，區分不同的業務，DPI是實現智能管道的前提，可以與策略控制技術相結合，實現更加精細的網絡管理。

DPI技術主要是分析IP報文中4~7層數據，并通過端口檢測、特征分析、關聯識別和行為特征檢測等多種技術手段從實時網絡流量中獲取信息。DPI具體分析的信息包括：

a）承載層（基于PDP上下文或APN，指對業務過濾規則有效的APN）。

b）IP協議的第三層（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協議的第四層（基于協議類型（如TCP/UDP等）、源、目的端口號），在第四層協議中，應能支持控制面與承載面分離（承載平面由控制平面動態分配）的協議類型。

d）IP協議的應用層 （第七層，例如基于應用的URL等）。

3.2 移動網策略控制技術

3GPP在R7版本中提出了PCC架構，用于實現3GPP無線分組網絡業務數據傳輸QoS等策略和計費控制。基于PCC架構，可以實現基于用戶等級、時間、區域、累計流量、使用時長、業務類型、帶寬等各個維度的策略控制。PCC邏輯架構如圖5所示。

PCRF負責根據AF、SPR和PCEF提供的信息制定并動態下發控制與計費策略給PCEF；PCEF負責對業務數據流進行檢測，根據從PCRF獲取策略，執行基于業務的控制與計費。其控制策略包括基于用戶簽約數據，為用戶提供不同的QoS參數，實現區分用戶的QoS策略控制。基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。基于業務的策略控制：限制P2P等低附加值、大量侵占網絡資源業務的最大帶寬；提高企業應用、流媒體等高附加值業務的承載級別。 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，如對商務區和辦公區提高某些用戶的QoS、降低繁忙小區某些用戶的QoS。基于時間信息的QoS策略控制，如網絡忙閑時給與用戶不同的網絡資源。

3.3 固網策略控制技術

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進行更精細化的運營管理，對業務帶寬進行控制的需求并不強烈，缺少合適的應用場景，導致目前固網運營商部署積極性不高，相關策略控制架構的產品成熟較慢。固網策略控制的應用場景，目前主要可以歸結為以下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）業務類型管理：通過資源接納控制技術，限制低價值業務帶寬（如P2P）；對于高價值業務（如運營商自營業務），提供較高業務帶寬；基于用戶發起的請求，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的邏輯架構如圖6所示。

3.4 固移融合統一策略控制技術

對于未來網絡的架構，固移融合是業內普遍認為的未來網絡發展方向。固定和移動融合網絡統一策略控制平臺的部署，可以產生很多全新的策略控制應用案例。例如，統一分配帶寬配額；有效調度各種不同的網絡資源，降低無線帶寬瓶頸對于業務質量的影響；更全面地針對特殊網段和特殊應用，限制帶寬消耗者獲取帶寬。目前各大標準組織都在積極開展相關研究探索工作，但相關標準及產品還很不成熟。3GPP從R10開始考慮移動和固定策略控制系統的統一，并與BBF成立聯合工作組。現階段，主要考慮固定和移動策略控制系統的互通,后續將考慮兩者的融合。TISPAN認為可研究P-CSCF通過對接入網的識別來選擇不同策略控制系統接口（Gq′或 Rx），或者采用融合的 Gq′/Rx 接口實現對業務層的融合服務提供。

3.5 智能CDN技術

CDN（Content DeliveryNetwork）是構建在數據網絡上的一種分布式的內容分發網。CDN的作用是采用流媒體服務器集群技術，克服單機系統輸出帶寬及并發能力不足的缺點，可極大提升系統支持的并發流數目，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將用戶的訪問指向離用戶最近的工作正常的流媒體服務器上，由流媒體服務器直接響應用戶的請求，從技術上全面解決由于網絡帶寬小、用戶訪問量大、網點分布不均等原因造成的用戶訪問網站響應速度慢的問題。CDN代表了一種基于質量與秩序的網絡服務模式。簡單地說，內容發布網（CDN）是一個經策略性部署的整體系統，包括負載均衡技術就是將網絡的流量盡可能均勻分配到幾個能完成相同任務的服務器或網絡節點上，由此來避免部分網絡節點過載。這樣既可以提高網絡流量，又提高了網絡的整體性能；動態內容分發與復制技術是將占網站主體的靜態網頁、圖像和流媒體數據分發復制到各地的加速節點上解決網絡的帶寬瓶頸、傳輸阻塞和延遲、網站服務器的處理能力及訪問距離等影響訪問者與網站服務器之間響應速度而帶來的用戶感知問題；分布式緩存技術降低本地用戶訪問對互聯網遠端數據存取的壓力。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 發展建議

通過上面的分析可以看出，發展智能管道主要可以從以下3個方面入手。

a）改變現有契約關系，提高網絡的利用率，提高網絡收入。在電信運營商與用戶的契約中附加業務類型、時間、位置等要素平衡網絡資源，提高網絡利用率，使在現有網絡條件下承載更多的用戶，提高網絡收入。

b）調節網絡資源，平衡網絡負載，提高用戶感受。通過DPI獲得用戶及業務使用數據，分析網絡資源占用情況，在忙時數據業務集中區域限制某些業務的使用，提高整體用戶感受；通過CDN實現網絡能力、存儲能力、調度能力的協調統一，實現流量的精細化管理。

c）關注網絡發展情況，逐步實現統一策略控制。考慮到融合的策略控制相關標準不完善，產品不成熟，需要根據實際需求及技術發展情況，逐步實現統一策略控制。初期可以考慮融合用戶管理、多賬戶關聯、綜合用量管理、統一策略定制等相關內容的融合。未來最終實現固定、移動網絡資源統一調度，固網與移動網之間無縫切換，WLAN、HNB有效分流宏網絡壓力；同時進一步實現固定、移動統一業務體驗，實現業務平臺融合。

［1］3GPP TS23.203 Policy and charging control architecture ［EB/OL］.［2011-12-12］.http://www.docin.com/p-105041653.html.

［2］許立東，張悅.如何讓“管道”智能起來?［EB/OL］.［2011-12-12］.http://wenku.baidu.com/view/1af81dd080eb6294dd886ce8.html.

［3］智能——運營商轉型之道 ［EB/OL］.［2011-12-12］.http://www.c114.net/topic/2960.html.

［4］趙明剛.智能管道的商業價值剖析［EB/OL］.［2011-12-12］.http://tech.sina.com.cn/t/2011-09-17/17426075805.shtml.

［5］韋樂平.漫談智能管道的發展［EB/OL］.［2011-12-12］.http://www.docin.com/p-248566590.html.