電網IMS平臺與多云業務平臺融合架構研究

李妮 沈巍 孫紅霞 徐杰

摘要：IMS是交換網絡發展史上具有功能性突破的技術，是音頻、視頻、媒體流融合的新一代解決方案，適應未來電力信息化多元化發展的需求。提出了一種全新的電力行政交換網架構———IMS+多云平臺方式，IMS基于SIP協議實現多功能實體控制，并通過不同形式的業務接口同云業務平臺對接，研究IMS核心網功能實體對多媒體云業務支撐技術能力及多媒體流處理技術，將新模式應用到下一代融和電力通信網絡中，為電網未來信息化建設提供了新思路和參考依據。

關鍵詞：IMS；云平臺；融合；虛擬化

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）22-60-4

0引言

電力交換網發展至今模式沒有較大改變，以行政交換網（網1）和調度交換網（網2）模式為主，2張網權責清晰。網1主要承載電網信息系統業務，包括行政、信息化和視頻服務等，信息安全級別為3，4等級；網2主要承載國網調控交換業務，調控業務是電網一次設備運行及控制類等信息，安全級別為1，2等級。網2業務類型單一（語音為主），帶寬需求小，但安全性要求端到端100%實時連接；網1業務類型擴展模式較多，會出現大帶寬多媒體業務。

電力交換網業務承載方式發展速度較慢，從80年代的模擬程控交換網升級為數字交換網，到現在公網應用較成熟的軟交換和IMS技術。從技術本身分析，網絡的業務承載方式越來越靈活，容納的業務量也越多，但安全指數會相應下降。國網公司結合技術和網絡需求特點，從2014年開始論證軟交換及IMS技術在兩網中的應用可信性，最終結論是網1適合采用IMS網絡承載，網2考慮到安全性，依然沿用程控交換產品。目前IMS網絡是一種半開放式的業務平臺，通過簡單的渠道接入，安全等級還未達到網1要求，但隨著安全部署能力的提升，引入智能安全隔離裝置等也許能滿足等級要求，但還需長期測試驗證。

行政交換網選擇IMS網絡可承載除目前信息內外網的業務外，還會不斷擴展新型多媒體業務，真正體現平臺優越性。由于信息數據的爆發，國網希望將視頻、音頻、Flash和多媒體流等各類業務統一集成到綜合業務平臺上。為集約化資源，各類業務會以云平臺方式呈現，IMS核心網絡應同各類云平臺安全對接，并能快速靈活調控業務，對IMS承載能力提出了要求，針對電力業務的特殊性，IMS網絡需做相關的升級和優化[1]。

1電網IMS發展現狀及業務擴展新思路

公網交換網發展速度快，已經成功經歷了從軟交換到IMS的華麗轉變，為電力交換網發展提供成熟思路。電力交換網發展速度較慢，技術可信方式較保守，以程控交換為主的交換網已經經歷了快30年，陸續出現了傳輸速率低、承載業務單一以及業務系統間互聯互通性等各種制約，準備直接跨過軟交換這種過渡模式，采用IMS技術來承載更多的多媒體業務，滿足下一代電力交換網需求。

IMS作為下一代多媒體交換網的演進版，具備超大業務融合能力，可將目前存有的及未來新生的擴展業務模式都能納入平臺上進行交換傳輸。IMS采用SIP協議實現業務和控制的全分離，保障IMS網絡的業務開放能力遠勝過PSTN等業務網絡，IMS核心網中設計多種類型網元，各類網元可負責不同業務平臺，提升業務承載能力。

電力公司可利用IMS基礎系統構建創新業務平臺，實現會話管理、在線狀態管理、基礎音視頻能力服務、公共服務和系統安全防護等功能。平臺開放的API接口供上層業務系統調用，完成上層業務消息與底層IMS消息（如SIP協議棧）的映射，完成業務分析、遷移、設計與管理等實用化功能。

本文將IMS網絡的業務開放能力應用在下一代電力互聯網系統中，打破程控交換端到端的固步自封建網思想，以模塊化、獨立式、融合性的方式研制業務交換模塊和平臺，采用分層式部署交換網元和接口，權責劃分明確，易于開發和管理，有利于未來新業務的融合及系統的平滑升級。IMS核心網絡部署了不同類型的應用服務器，與S-CSCF通過業務接口相連，直接調用各類業務[2]。IMS核心網絡部署結構如圖1所示。

1.1基于SIP應用服務器的業務提供模式

國網公司提出建設堅強智能電網，對電力系統各環節各網絡都提出了更好的要求，交換網絡也需隨之而上。交換網絡不僅應在原語音等傳統業務承載的基礎上在容量和類型上有飛躍式突破，還需在業務交換過程品質方面體現高穩定、高音質、高安全的“三高”業務特性，進一步支撐與交換網相連接的電力系統各業務部門運營需求，并可根據業務優先級、安全等級等要求設定不同的交換條件，按照電網生產類、調控類和信息類等不同應用場景合理部署交換流程。橫貫IMS網絡的主線是SIP協議，SIP協議實現各類交換會話，通過實體SIP應用服務器來執行具體命令。SIP協議集合組合成一個SIP AS平臺，協議及服務都運行在此平臺上，滿足協同辦公、生產調度等不同業務場景的需求。SIP應用服務器可以直接調用應用系統中的業務，核心協議流程通過S-CSCF實現，它是一種基于業務的應用層控制信令，能夠指導一個或多個會話的創建、修改和結束等流程。所有IMS交換網絡都利用SIP服務器來實現各類新業務的拓展與交換，針對特殊的服務實體SCIM充當不同服務器之間信息交互管理的角色。

1.2智能網業務環境下智能業務提供模式

電力各個系統之間應加強彼此之間的數據協作，存在不同類型的數據及過程間的交互，成為電力系統數據交互的紐帶，保障資源調度、安全管控和流量預測分析等智能化業務和諧運行，應用系統使用能力全面提升。針對智能化業務的交換，MS網絡中設計了IP Multimedia-Service Switching Function（IM-SSF）的作用是提供對智能網絡業務的支撐，并提供CAP接口。與S-CSCF通過ISC接口相連的IM-SSF能夠實現CAP/INAP與SIP之間的協議轉換。由于兩側接口協議不一致，因此在智能系統調用時，應首先完成協議間格式的映射，映射模式根據實際需求可靈活匹配，持續為電網智能業務提供更多的增值業務。

1.3基于OSA業務能力服務器的業務提供模式

IMS還為電力系統提供了第三方應用平臺，能夠將互聯網領域中的各類云平臺媒體業務都融合于IMS系統中，依靠OSA來提供接口，并且為第三方應用服務器安全接入到IMS網絡提供標準方式。IMS網絡除接入電網系統內的業務平臺外，經常也會牽涉到互聯網上的相關業務，例如云存儲、云計算數據庫等資源，這些第三方數據庫或服務器資源的接入可通過OSA服務器引入到IMS核心網中，供系統靈活調用。OSA應用服務器環境類似一個邏輯虛擬服務空間，將各類業務接口功能進行虛擬化設計，各種第三方業務平臺通過合法化檢查后，通過安全API接口接入到OSA平臺的UMTS上，將交換網底層設備及業務平臺的基礎數據都簡化處理，通過接口邏輯化直接對接方式，OSA與S-CSCF的ISC接口實現API與SIP之間的協議轉換，充分體現出OSA多業務接入能力特征[3-4]。

2 IMS主體架構+多云應用融合架構

目前國家電網公司的IMS網絡建設還處于起步階段，業務平臺主要是MMTel業務平臺，對于電力特色業務以及創新業務，需要引入新的業務平臺以開放網絡和業務能力，適應各類業務的創新和應用，且通過標準化的接口協議，實現公司其他業務系統充分利用IMS高品質電信業務能力，提高生產效率。IMS網絡的前身軟件技術還處于半分離狀態，而IMS采用SIP協議執行控制和業務信令，簡化了控制和業務間的交互流程，使業務在交換部署時更便捷和靈活。IMS融合開放網絡平臺主要由3部分組成：基礎能力服務、應用能力服務和業務平臺。具體架構如圖2所示，總體來看采用的是底層基礎服務能力和上層應用服務完全相分離的模式。

基礎能力服務子系統由IMS核心網的各種網元組成，包括S-CSCF，I-CSCF，BGCF，P-CSCF，HSS，SLF，MGCF和IMMGW/SG等，實現業務注冊鑒權和注銷、會話管理及計費等功能，CSCF三大網元為核心，控制著IMS業務信令和服務流程；基礎服務網元通過各類SIP接口直接與云業務平臺對接，網元會根據實際業務需求調用對應的業務接口，實現業務會話流程的啟用；應用能力服務組件是一種利用信息交互總線，將各類應用服務管理能力如多媒體語音、動畫和文件郵件服務等都集成在組件中，通過統一的邏輯虛擬接口和底層交換網對接。邏輯協議的對接通過網絡協議適配器，實現不同協議格式間的映射。平臺的管理層為縱向貫穿平面，通過ESB服務總線滲透各業務模塊，實現交互流程管理、權限認證及授權管理等IMS系統業務管理能力，并向多方向提供多種級別的業務管理接口。業務平臺則由系統內外業務云平臺組成，系統內主要包括常規的消息云平臺、視頻云平臺和通信錄云平臺等；系統外包括各類IT業務平臺通過安全接入模塊及安全措施接入IMS網絡。隨著全球能源互聯網的發展，電網內部數據支撐不了業務融合發展需求，經常會調用外部業務數據庫，如各國能源數據庫、電子政務數據庫等資源，各數據庫將來基本采用云存儲的方式來降低服務器資源的集約部署率，IMS核心網可承載云平臺的數量可通過調整底層的虛擬接口配置靈活接納[5]。

3基于IMS核心網功能實體對多媒體云業務支撐技術能力

從融合支撐創新架構可分析出，實現多云平臺業務支撐主要依靠底層IMS網絡的服務資源能力。IMS核心網絡主要由IMS網絡管理網元、網絡設備、大數據計算和數據庫存儲4部分組成，它們之間協同工作并向上層提供云智能服務。由于云平臺的數據處理量是無法預估的，將會是一個很龐大的數據計算及存儲量，因此對電力交換網絡提出了很高的挑戰。

IMS網絡網元主要是指IMS核心管理網元，實現整個IMS網絡中生成的會話交互過程管控；網絡設備指交換網絡路由、交換機等實體；大數據計算指具備強計算能力的服務器集群；數據庫存儲是指會話過程產生的所有數據存儲數據庫集群。如果按照實際業務產生的資源需求來部署，需要一次性投入很大成本，并且后期擴容也是不定期會發生，針對類似網絡的建設和運維的投資和效益是不成正比的。既想保持網絡的容量和智能性，又想盡力減少投資成本，IMS網絡通過引入虛擬化技術，將設備及網元的功能進行虛擬化模擬，實現虛擬化vIMS網絡部署模式。vIMS網絡支撐架構如圖3所示。

該架構由硬件資源層、虛擬資源層、網元邏輯層和虛擬化配套管理模塊構成。傳統的IMS核心網網元以軟件形態運行在網元邏輯層上，網元本身功能以及網元之間的邏輯接口與虛擬化之前保持一致。

虛擬資源層是各種邏輯功能和接口的集合池，由Hypervisor在硬件資源上提供能力，核心管理模塊可按邏輯需求統一調配虛擬資源，形成規模不同的虛擬機，可同時運行在IMS網元上。

網元邏輯層由虛擬網元（VNF）組成，VNF提供的網元功能及接口都應與非虛擬化時的網元功能和接口保持一致。

VIM是虛擬化資源管理系統，主要負責硬件資源和虛擬資源的管理、監控和故障上報。

VNFM實現VNF的生命周期管理，包括VNF網元模板（VNFD）的管理、VNF實例的初始化、VNF的擴容/縮容以及VNF實例的終止。EMS是面向網元功能的管理模塊。在IMS引入虛擬化初期，EMS需要具備同時管理物理網元（PNF）和虛擬網元（VNF）的能力。OSS+NFVO為引入虛擬化之后的網管系統，其中OSS為傳統網管，NFVO主要負責提供硬件資源和虛擬化資源的視圖、硬件資源和虛擬化資源的監控、性能統計和故障管理，并通過VNFM實現VNF軟件包的管理，以及VNF的創建、更新、終止和彈性伸縮。

IMS引入虛擬化之后，網元之間的邏輯接口（基于SIP）并沒有發生變化，只是引入了與虛擬化管理系統（MANO）的新的管理接口（此類接口同樣適用于其他核心網虛擬化）。

vIMS網絡架構基本穩定，功能較為完善。相對于傳統的IMS網絡，基于NFV的IMS網絡最大的特征是將功能和硬件網元獨立開來，增加了硬件設備的可重塑性和重復利用性。全系統建立在開放的虛擬化平臺上，資源按需分配，部署并不改變IMS網絡的信令和媒體處理功能。vIMS架構自身而言，其核心功能在對傳統網絡管理功能的技術變革和物理資源的管理功能。傳統的網絡管理主要針對具體網絡實體和設備進行管理，而在vIMS中，需要按需進行vIMS網元功能的全生命周期管理和物理資源的分配。對于物理資源的管理NFVI將在軟硬件分離架構下，按需為軟件所需的物理資源進行分配和管理。目前兩部分核心功能技術均已經成熟，可滿足國家電網公司IMS核心網功能虛擬化的要求[6]。

4基于云平臺多媒體流事件處理技術研究

vIMS多媒體網絡除架構以外的重要問題就是數據處理能力，由于網絡應用層連接各種云業務平臺，會出現并發處理大量的數據業務，對多媒體流處理容量及能力提出了很大挑戰。虛擬化技術是對物理資源的功能抽象，但資源如何調用還需數據計算過程配合，當多媒體流迸發數太大時，虛擬資源池會因為調用方法不當而造成資源缺乏，無法完成媒體流處理，因此vIMS架構還應配合媒體流帶寬預測技術來指導虛擬資源調度。

媒體流帶寬的測算與云業務的特性、網絡承載特性和業務實施策略都緊密相關。媒體流的測算流程如下：

節點網絡帶寬=[每用戶平均語音呼叫話務量伊G.711帶寬需求+每用戶平均視頻呼叫話務量伊（G.711帶寬需求+ H.263帶寬需求）+圖像平均像素伊JPEG壓縮率+其他多媒體平均量伊數據處理系數伊用戶數]/冗余系數

從公式可以看出，一個節點的帶寬是將所有可能并發的多媒體業務量相加反映該節點某時刻的網絡帶寬。通過典型的語音、圖像/視頻壓縮編碼算法以及報文封裝格式等，計算出語音、圖像和視頻等多媒體業務帶寬需求，然后結合各節點的預測業務量集合及承載網利用率，最后計算出各節點的媒體流帶寬。因此，媒體流帶寬測算方法中涉及媒體流壓縮算法、報文封裝格式、承載網利用率和端到端業務量4個要素。

按照以上公式測算，假設用戶數為5萬戶，某區域有10種類型多媒體業務，代入計算，A節點最大帶寬需求為0.43 Gbit/s，B節點的最大帶寬需求為0.26 Gbit/s，從而可以根據這個預測數據在2個核心節點之間進行業務的復用和調用，從而有把握地根據這種方式來測算全省全網的行政交換網可容納的業務量。

5結束語

隨著國家電網公司行政交換網確定采用IMS技術體制進行演進，以及IMS建設總體設計及遷移演進方案、承載網建設方案和接入網建設方案等技術指導文件的下發。在傳統IMS行政網架構上提出了應用層云平臺融合架構及設備網絡功能虛擬化的業務創新技術，研究公司IMS交換網采用NFV技術如何實現核心網設備的網絡功能虛擬化，如何承載多媒體云業務平臺的業務，針對智能電網背景下的電力數據網業務流量不確定性、復雜性和非線性特征，借助多媒體流的帶寬預測手段，提前合理部署及調整應用策略，提升資源利用率。

參考文獻

[1]羅松，蘇曉旭.國家電網公司IMS行政交換網業務發展需求和展望[J].電信網技術，2015（6）：37-40.

[2]波克申科·梅耶爾. IMS：IP多媒體子系統概念與服務[M].望育梅，周勝，譯.北京：機械工業出版社，2011.

[3]張朝輝.基于IMS的下一代融合網絡安全接入方案的研究[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[4]李皎.應用IMS新技術推動電網生產智能化發展[J].華北電業，2016（2）：74-75.

[5]李成.國家電網公司IMS與其他網絡互通方案研究[J].電信網技術，2015（10）：43-47.

[6]徐志強，陸俊，翟峰，等.智能配用電多業務匯聚的通信帶寬預測[J].電網技術，2015，39（3）：712-716.