利用智能管道實現開源節流

柳 晶（上海貝爾股份有限公司，上海 201012）

0 前言

在純語音通信的年代，運營商投資建設固定語音交換機，放號給終端用戶，從而帶來了更多的通話時長，運營商的收入也隨之成正比地增長。

現在進入了寬帶數據通信的時代，語音業務持續萎縮，而IP數據量增長得很快，為了應對激增的IP數據流量，運營商投入巨資打造了龐大的IP網絡。投資和流量在高速增長，但運營商的收益并沒有獲得對應的增長，以中國移動為例，2010年數據量同步提升112%，但接入的收入僅僅增長了49.4%，量收失衡帶來了很大的成本壓力。那么如何找到新的商業模式，來挖掘IP基礎網絡的潛能，讓運營商的利潤有所增長，業界正急切地尋找著答案。

目前看來可以從2方面入手，一是提高運營商的收入來源，達到開源的目的；另一個則是減少不必要的網絡開銷，達到節流的目的。無論是開源還是節流，都需要IP運營商對網絡具備更強的控制能力，更清楚地知道網絡內發生了什么，更精細地做好流量經營，而這一切都需要智能管道作為技術基礎。

本文從開源和節流2方面來討論如何打造IP智能管道。

1 如何來實現開源

運營商可以把這個基礎網絡的能力開放出來，讓上層的應用提供商（ACP）（如阿里巴巴、土豆網等）通過調用應用程序接口（API）來控制一部分IP基礎網絡的功能，既然應用提供商得到了一定的控制權，那么它就要向運營商付出一定的費用，于是運營商就可以從收益豐厚的互聯網產業中切得一塊蛋糕。

網絡的發展趨勢必然是全IP數據網絡，那么運營商網絡能力的開放就是IP數據網絡能力的開放，具體而言則是IP QoS控制能力的開放。QoS包含了帶寬、丟包率、時延、抖動等概念，上層的應用提供商通過API發送消息到運營商的QoS控制網元，最終給特定的業務用戶設置期望的IP QoS，也就是設定帶寬、丟包率、時延等參數。

1.1 應用場景a：特定業務流的QoS提升

有些應用網站對高端用戶收取一定的費用，比如包月費，提供高質量的內容服務。為了更好的用戶體驗，傳送內容的資源自然是越多越好。于是應用網站在發送內容前，就可以調用API要求運營商的IP網絡給這個用戶的相關承載分配更多的IP資源（如帶寬）。運營商分配了高帶寬資源后，記下這次API調用，據此向應用網站收取一定的費用，那么用戶交給網站的費用中就有一部分到了運營商手里。付費用戶獲得了順暢的服務，收費網站提升了用戶的業務體驗，運營商得到了額外的收益，形成了多贏的局面。

例如，某用戶在視頻網站上登陸之后，網站知道他是付費用戶，同時記錄下該用戶的IP地址及端口號。當該用戶需要看高清視頻時，視頻網站通過調用API，向運營商提出要求，從視頻網站服務器地址到這個用戶IP地址的IP流，給予高帶寬，低時延的服務。運營商根據API給這個IP流（由視頻服務器地址和用戶地址定義）分配更大的帶寬，從而讓高清視頻可以流暢地播放。

1.2 應用場景b：用戶業務等級的提升

這個應用場景指的是臨時性地給用戶一段時間的帶寬加速，把用戶的總體服務等級提升一下。比如說手機用戶A和固定用戶B正在進行視頻共享，覺得網速太慢，帶寬瓶頸一般出在用戶A上，那么他可以進入運營商的PORTAL，要求使用臨時性地服務等級提升（如從銀牌用戶提升到金牌用戶，用戶的最大帶寬從512 kbit/s提升到2 Mbit/s），用戶A可以獲取更多的無線帶寬資源；用戶A還要設定臨時提升的時長，他估計視頻共享時長不超過0.5 h，因此把臨時提升的時長設為0.5 h，那么在接下來的0.5 h中，視頻共享的業務體驗就會好很多，0.5 h之后運營商自動把用戶A的服務等級降回原來的等級，不會過多地使用運營商的IP帶寬資源，同時用戶A也可以用最經濟的方法（0.5 h提升）來得到關鍵業務（視頻共享）的高質量體驗。

1.3 固網寬帶接入的QoS開放架構

固定接入網絡中，運營商需要控制的是BRAS和/或IP路由器。上層的應用提供商調用API，API exposure據此來控制策略管理相關的網元（如Radius server）。Radius server通過RADIUS CoA消息給IP設備（如BRAS）動態地設置用戶接入的QoS，從而最終體現應用提供商的IP QoS要求。運營商完成QoS資源分配后，記錄下本次API的調用，據此向上層應用提供商收取相關的費用。

1.4 無線寬帶接入的QoS開放架構

目前3GPP定義了PCC架構 （見圖1），以控制GPRS/WCDMA/TD-SCDMA/LTE無線用戶接入的QoS。

SPR一般和HLR合設，它存儲了運營商對各個用戶靜態配置的QoS等級，比如可對高端用戶在SPR中事先配置高等級的QoS參數。SPR通過Sp接口把事先配置的用戶業務等級信息（如金、銀牌用戶）傳遞給PCRF。Sp接口沒有標準化，具體內容由運營商決定。

AF是PS域的上層應用部分，AF根據應用相關的信息，通過基于DIAMETER的Rx接口向PCRF動態發送QoS請求，比如用戶想通過PS域發起Voice over IMS業務，上層的AF得知是Voice業務請求，會向PCRF發出適用于Voice的低時延、低抖動，但帶寬不高的QoS請求。

PCRF是整個PCC架構的核心，它根據SPR中靜態配置的QoS等級、移動終端發上來的原始QoS請求、AF下發的和業務相關的QoS請求以及網管設備發來的相關信息，綜合考慮，最終得出適合用戶的QoS策略，比如用戶該獲得多少無線帶寬，丟包率是多少，并通過基于DIAMETER的Gx接口將它發給PCEF（即GGSN）。PCRF的功能一般是由單獨設立的物理設備完成。

PCEF是實施QoS策略的邏輯功能單元，它接受來自PCRF的QoS策略，其策略體現在無線接入網空口資源分配命令中，從而把PCRF決定的QoS策略在無線側實施；此外QoS策略還會被PCEF映射成IP包的DSCP頭，從而控制了上行到外部IP網絡的數據流的 QoS。在 GPRS/WCDMA/TD-SCDMA系統中，由GGSN來完成相應的PCEF邏輯功能。

上層的應用提供商想對某個應用配置特定的帶寬等QoS資源時，就向API exposure發出API請求，API exposure將API轉化成標準的Rx接口消息，來控制PCRF設備。從標準的PCC架構來看，API exposure起到了AF的作用。PCRF根據3GPP的標準向GGSN發送Gx接口消息傳遞用戶的QoS策略信息，從而最終設定無線用戶的接入資源。

1.5 API簡介

電信業最初是使用Parlay-X接口向第三方開放其SMS和語音呼叫系統能力，而現在的趨勢是使用基于HTTP的RESTful風格的API，Web開發者可以很容易地使用這些API來進行編程。

REST（REpresentation State Transfer）是一種風格或者是一些原則，用于松耦合的Web應用程序中。REST中資源是以URI的形式來表現的，在QoS能力開放的API中，資源就是IP流。對資源的各種各樣的操作，也就是對IP流的各種操作最終歸結為4個verb（也可稱為HTTP方法）：GET表示獲取資源；PUT表示修改資源；POST表示創造新的資源；而DELETE表示刪除資源。

Tudou視頻網站如果想為nai@auto.com這個用戶的視頻下載流分配下行1 Mbit/s的帶寬，可以調用下列API：

既然視頻網站為了這1 Mbit/s帶寬給運營商付了相關的費用，那么就要確保1 Mbit/s帶寬只為tudou視頻下載流使用，用戶同時使用的普通上網業務還是使用原來的best effort QoS資源。因此API中要包含視頻server IP地址和用戶自己的IP地址，由這些地址來定義視頻下載的IP流，于是運營商的PCRF只會把1 Mbit/s帶寬分配給這些視頻下載的IP流。

當視頻下載完，需要釋放剛才分配的相關資源時，可以調用下列API：

注：request id 1234是分配相關資源時，API exposure網元生成的標示，上層的第三方應用只需要輸入此id值，就知道要釋放本次分配的資源。

2 如何來實現節流

節流，就是抑制運營商“討厭”的IP數據流（如P2P業務、忙時的大帶寬應用等），通過減少這些數據流，降低運營商IP設備的投資，從而達到節流的目的。

2.1 如何識別“討厭”的IP流

識別IP流的方法很多，比如DPI可以發現哪些IP流是和P2P相關的，但是DPI并不能知道當時無線網絡的忙閑狀態，如果在網絡空閑的時候去限制P2P的視頻下載對運營商而言也沒什么意義；無線側的網管信息可以大致得出網絡忙閑的情況，但是無線側并不知道用戶所使用的業務，網絡忙時，只能一刀切地限制流量，不能做到有的放矢專門限制某些帶寬吞噬者（如P2P用戶）。因此使用DPI或者無線網管信息，都不能真正地發現“討厭”的IP流。

可以使用另一種方式，引入一臺專門的監控設備來監控無線用戶的媒體層的信息，分析用戶使用的業務，找到帶寬吞噬者；同時監控相關的控制接口，分析無線信令的消耗情況，并通過分析數據包的丟失率和延遲率，確認無線網絡是忙還是閑，具體的架構如圖2所示。

通過監控相關的GPRS分組域接口 （圖2中藍色線），既可以確定用戶使用了哪些業務，使用的帶寬有多大，也可以分析出無線小區的忙閑狀態；此外它通過分光的方式讀取相關接口消息，準實時地分析相關接口消息，不像DPI那樣位于IP路由的轉發路徑中，不消耗IP轉發的資源，成本比DPI低很多。

通過網絡監控設備獲取了無線網絡忙閑信息和用戶使用的業務信息之后，運營商可以使用這些信息，對處于繁忙小區的帶寬吞噬者使用限制帶寬的策略，減少其對無線網絡資源的消耗，降低繁忙小區的流量峰值，從而節省無線設備的投資，達到節流的目的。

2.2 使用PCC架構來節流

PCC架構是國際標準架構，其中的PCRF發送標準的Gx接口消息給GGSN設備，來控制無線用戶的數據業務的接入資源。如圖2所示，網絡監控設備將網絡忙閑信息和帶寬吞噬者的信息發給PCRF（圖2中綠色箭頭），PCRF會根據運營商配置的策略對忙區中消耗大量資源的用戶進行策略更新，降低他們的帶寬使用 （通過黃色線表示的Gx接口控制GGSN來實現），從而防止無線IP網絡被過度地使用。

2.3 使用ANDSF設備來節流

目前國內三大運營商都部署了大量的Wi-Fi網絡，來為宏網減少流量壓力。但是否使用Wi-Fi網絡的決定權完全在終端用戶手中，運營商無法左右用戶的行為；而且終端用戶要想使用Wi-Fi網絡，需要打開Wi-Fi搜索功能，費時費電，不利于用戶使用Wi-Fi。為了解決這2個問題，國際規范組織引入了ANDSF（Access Network Discovery and Selection Function）這一網元。ANDSF位于運營商的核心網絡中，終端會向ANDSF定期發送用戶位置信息，ANDSF會根據位置查找用戶所處的位置是否有Wi-Fi網絡，并向終端發送相關Wi-Fi的信息，指導用戶接入Wi-Fi網絡。此外運營商還可以在ANDSF上配置相關的策略，更精細地指導用戶向Wi-Fi網絡分流。

網絡監控設備依舊可以把網絡忙閑信息和帶寬吞噬者（如P2P使用者）的信息傳送給ANDSF，根據運營商的策略，ANDSF可以向位于繁忙小區中的帶寬吞噬者推送相關的策略（標準的S14接口），要求這些高流量用戶使用Wi-Fi網絡，減少宏網的負擔。

2.4 使用智能推送設備來節流

隨著智能終端的普及，推送業務使用量越來越大。如果推送業務集中在忙時向用戶群發，對網絡帶來的流量壓力很大。所以運營商可以在網絡中部署智能推送服務器。此服務器接收來自推送業務的推送請求，然后綜合網絡監控設備傳來信息 （圖3中綠色箭頭），當網絡忙時，可以要求推送業務暫緩進行；當網絡流量下降時，向推送業務發送可以推送的指示（圖3中黑色箭頭），推送業務向終端推送內容。作為回報，運營商可以給推送服務比較低的資費，推送時使用更好的帶寬服務。

3 結束語

在寬帶IP通信時代，運營商不甘心淪為純粹的管道供應商，需要加強對網絡的控制，向智能管道演進。業界提出了開放IP網絡QoS控制能力的思路和實施方案，希望運營商能借此進入利潤豐厚的Web業務領域，提升自己在產業鏈中的地位，進而增加營業收入；同時使用網絡監控設備，可以監控無線網絡的忙閑狀態并定位帶寬吞噬者的ID，以此為基礎可以在忙時限制帶寬吞噬者對網絡資源的濫用，從而降低無線網絡的峰值壓力，節省IP網絡設備的投資。