资源接纳控制技术在下一代网络中的应用

【摘要】文章结合ITU(国际电信联盟)对于资源接纳控制技术的研究情况,介绍RACF(资源接纳控制功能)的工作机制及其在下一代网络中的应用场景。

【关键词】 NGN RACF QoS

1 引言

随着通信技术的发展,全IP化的核心网成为下一代网络的主流发展方向,采用不同的接入方式,共享核心网络资源可以使网络和业务得到最大效率的整合。对于电信用户来说,业务的服务质量是一项基本要求,与传统的电路交换网采用预先分配资源、用户独享带宽的方式不同,IP网络是以best effort的理念进行设计的,因此,如何在IP网中有效地调配资源,确保服务质量,是近年来各运营企业、设备制造商和研究机构共同关注的课题。

2 资源接纳控制技术的研究现状

资源控制接纳(RAC)是NGN中的一个重要功能,各个国际电信标准组织对RAC都有相应研究成果。ITU-T的标准为RACF(资源接纳控制功能,Resource and Admission Control Functions),已经正式R1版本,内容包括供对接入网和核心传送网的QoS控制,目前R2的研究工作还在进行中。TISPAN的标准为RACS(资源接纳控制子系统,Resource and Admission Control SubSystem),R1主要包括固定接入网的服务质量控制机制,R2加入计费、组播以及与3GPP PCC融合等内容,目前R1和R2均已,R3的研究工作还在进行中。3GPP的标准为PCC(策略和计费控制,Policy and Charging Control),主要规定移动网络计费策略相关功能,目前最新输出的文档为R9 23.203 v9.4.0。

3 ITU-T资源接纳控制功能的体系架构

3.1 RACF的架构

在ITU-T的RACF架构中,资源和接纳控制功能位于接入网和核心网,对业务控制功能(SCF)和QoS传送功能相关的传送资源进行控制。RACF基于签约信息、SLA、网络策略、业务优先级以及传送资源的状态和可用性信息进行策略决策。图1为RACF的通用功能架构。

RACF的由PD-FE和TRC-FE组成,其中:

(1)策略控制功能实体(PD-FE):PD-FE通过Rs接口从SCF收到的QoS资源请求、通过Rw接口从PE-FE收到的QoS资源请求、通过Rt接口从TRC-FE获得的网络资源状况、通过Ru接口从NACF获得传送层签约信息以及自身策略规则,做出资源接纳控制决策。

(2)传送资源控制功能实体(TRC-FE):TRC-FE负责和传送技术相关的资源控制,包括:资源状态监视和网络拓扑采集、基于资源的接纳控制、传送依赖策略控制。TRC-FE在接入网和核心网的实现根据具体传送技术和相应QoS机制的不同而不同。

3.2 RACF的功能

ITU-T Y.2111中规定RACF支持的功能如下:

(1)根据分组网内和网络边界的能力对QoS相关的传送资源进行控制 。

(2)支持不同接入和核心传送技术(如:xDSL、UMTS、CDMA2000、Cable、LAN、WLAN、Ethernet、MPLS、IP、ATM等),向业务应用控制层隐藏网络技术和管理细节(如:网络拓扑、连通性、控制机制等)。

(3)支持具有不同智能和能力的CPE。如:有些CPE可能支持传送层QoS信令(如:PDP上下文协商、RSVP等)。

(4)支持单个管理域内或多个管理域间的资源和接纳控制。

(5)对业务应用控制功能和接入网/核心传送网中的传送功能之间的资源协商作出决策。

(6)支持相对QoS控制和绝对QoS控制。

(7)检验端到端传送资源可用性,对资源可用性的检验程度依赖于具体QoS请求,是请求相对QoS控制还是绝对QoS控制,RACF可执行资源预留。

(8)支持对各种分组业务执行QoS差分服务,包括分组流类型(如:不同类型的分组流可能需要采用不同的QoS策略)和用户指派(如:根据用户的分类,不同用户的业务可能需要采用不同的QoS策略)。

(9)支持QoS信令,包括根据对通道性能的估算,执行相应的接纳控制,并能达到QoS目标。

(10)支持对QoS请求的授权,并只对通过授权的请求执行相应的操作,如从用户传送清单中获得的信息、业务优先级和运营商网络策略。

(11)支持动态近端NAPT控制和防火墙工作模式选择。

(12)支持远端NAPT穿越。

(13)支持分布式和集中式的传送资源控制架构。

4 资源接纳控制功能的工作机制

4.1 QoS资源控制

RACF可根据业务信息、传送网络信息、用户签约信息进行资源接纳控制。QoS资源控制有以下三种逻辑状态:授权、预留、接纳。资源控制应遵循以下标准:接纳的资源不能超过预留的资源,预留的资源不能超过授权的资源。通常情况下,占用的资源与预留的资源应当保持一致。

RACF支持以下三类资源控制方式:

(1)单步式:资源授权、预留和接纳同时完成。资源授权和预留成功之后所请求的资源立即被接纳。这种方式适用于客户端-服务器的应用,可将业务请求和确认内容接收之间的时延降至最小。

(2)两步式:首先进行资源授权和资源预留,然后再执行接纳;或者首先进行资源授权,然后再进行资源预留和接纳。这种方式适用于对性能要求比较高且需要确保传送资源完全充足的一些交互式应用。

(3)三步式:资源授权、资源预留和资源接纳分步执行。这种方式适用于传送资源稀少的网络提供的业务。

QoS资源控制根据发起方不同,可分为SCF发起资源请求和CPE发起资源请求两种情况。SCF发起资源请求通常使用单步式或两步式进行资源接纳控制,CPE发起的资源请求通常使用两步式或三步式进行资源接纳控制。

CPE发起资源请求的场景如图2所示:

(1)CPE向SCF发送业务请求(如SIP Invite、HTTP Get),或发送特定的应用层QoS信令请求。业务请求可明确包含也可不包含业务QoS请求参数。

(2)SCF获取或确定业务QoS请求参数(如:带宽),然后向RACF请求QoS资源授权和预留,请求消息中明确包含QoS请求参数。

(3)RACF根据策略规则、资源接纳决策和从NACF获得的用户签约信息执行资源授权和接纳控制。如果接纳该资源请求,RACF则向传送功能推送门控、分组标记和带宽分配策略。

4.2 NAPT控制和NAT穿越

RACF提供NAPT控制和NAT穿越控制功能,根据资源接纳控制功能在网络中部署的位置不同,可分为近端NAPT控制和远端NAT穿越两个场景。

(1)近端NAPT控制:运营商根据运营需要和安全考虑,子网及管理域之间可能需要隐藏传送网络地址,或者为了解决公共地址紧缺的问题而使用了私有地址,运营商可能需要在接入网和核心传送网的边界上或核心传送网与核心传送网的边界上设置近端NAT设备,以便执行NAPT功能。支持网络地址隐藏的NAPT技术主要包含两方面:在实现NAPT功能的设备上进行地址绑定,以及修改应用信令消息以反映地址绑定信息。

(2)远端NAT穿越:远端NAT设备广泛应用于企业网和用户驻地网中,用于保护用户驻地网。NAT设备上需要同时支持信令和业务媒体。一般的缺省应用中假设CPE的本地网络地址是唯一而且全局可达,应用信令使用该本地地址以便建立端到端的连接。NAT穿越主要完成的功能是对应用信令消息进行修改以反映地址与远端NAT的映射信息。

根据网络安全策略规则(如:网络地址隐藏规则)RACF调用NAPT控制过程。SCF应能够根据端到端呼叫状态(如当业务信令消息请求或响应会话建立时,收到PD-FE提供的NAPT控制指令),对信令消息的消息体进行修改。PD-FE执行NAPT策略控制,获取地址绑定信息,并执行门控。

4.3 单播和组播资源控制

RACF可以通过以下三种方式同时提供单播和组播业务资源控制:

(1)唯一的资源配置方式:通过其他方式(如网管系统)分别为单播和组播业务分配专门的资源,相互之间资源不共享。这种情况下,处理单播和处理组播的RACF相互没有交互。

(2)可调整的资源配置方式:与第一种方式类似,通过其他方式(如网管系统)分别为单播和组播业务分配专门的资源,但RACF可以调整单播和组播业务专用资源的比例(如频道最大数量或带宽)。不同的RACF实体间可交互以协商汇聚层的资源调整,RACF之间的关系可能为主/从方式或客户端/服务器方式。

(3)动态资源配置方式:组播和单播共享资源,RACF在特定网元如接入、汇聚和/或核心网中同时负责组播和单播的资源和接纳控制。不同的RACF间交互以确定最终的资源和接纳控制决策,交互可能发生在汇聚层,也可能在每个媒体流层。

同一核心传送网中,多个TRC-FE可以互联,并可能为了支持不同类型的接纳控制(如组播接纳控制)与传送功能合设(如MTCF和MRF)。与PD-FE直连的TRC-FE被称为顶层TRC-FE,与顶层TRC-FE相连的TRC-FE被称为合设TRC-FE。TRC-FE和Rp接口可以支持以下三种操作方式:

外部模式(Outsourcing mode): 合设TRC-FE为单播和组播确定资源接纳策略。顶层TRC-FE向合设TRC-FE查询相关网元的资源接纳信息。外部模式可在媒体流层面或汇聚层执行,适用于动态资源配置方式如资源全部由单播和组播共享。

指定模式(Designating mode):合设TRC-FE在预分配的汇聚资源中分别执行单播和/或组播业务资源接纳控制,顶层TRC-FE可以基于资源使用情况或者合设TRC-FE的请求调整汇聚资源。该模式只能工作在汇聚层,适用于可调整的资源配置方式。

报告模式(Reporting mode): 合设TRC-FE为组播业务进行资源接纳决策,而顶层TRC-FE为单播业务进行资源接纳决策。根据预定义的运营商策略,合设TRC-FE向顶层TRC-FE汇报资源状态信息,合设TRC-FE和顶层TRC-FE交互以维护资源状态信息的一致性,交互的粒度是会话级的。报告模式适用于动态资源配置方式,如资源全部由单播和组播共享。

5 资源接纳控制功能在下一代网络中的应用场景

下一代网络是融合的网络,也是业务种类日益丰富的网络。运营商可开展IPTV这类的流媒体业务,提供大量的视频频道供用户选择,网络中IPTV流量与VoD、因特网流量并存。通常情况下,运营商向用户提供的电视频道数量比接入和汇聚网同时可支持的频道数目多。在特定的接入网中,多个用户共用一些频道(这里会用到了组播),在这种情况下,发生拥塞的风险比较高,可能导致QoS的降级和新发起业务请求被拒绝。资源接纳控制功能的引入可以解决这些问题。

单播和组播业务中用到的传送层功能实体包括MTCF(组播传送控制功能)和MRF(组播复制功能)。MTCF用于处理加入或离开组播群组的请求(如IGMP, MLD),并追踪群组的成员身份,根据用户签约信息和传送资源QoS信息向RACF发起接纳控制请求。MRF基于MTCF追踪的成员身份复制组播群组的包数据,组播群组由单播资源地址和组播目的地址的组合确定,或者仅由组播目的地址确定。

图3为单播和组播控制参考架构。为满足性能要求(如频繁切换频道),用于接纳控制的MTCF、MRF和合设TRC-FE实例位于同一个物理节点。

在这个架构中,所有组播流达到接入网,MTCF位于传送节点中,资源接纳决策由接入线路中的资源决定。MTCF处理组播请求(如IGMP或MLD)、分析消息并将资源接纳触发条件发往合设TRC-FE。合设TRC-FE负责相关网段(如接入网)的资源接纳控制并根据资源的可用性决定资源的分配。顶层TRC-FE通过合设TRC-FE完成跨多网段的全局资源接纳控制。顶层TRC-FE和合设TRC-FE通过Rp参考点进行交互,依据网络中部署的资源接纳控制方法采用外部模式或指定模式。

图4的应用场景描述了在特定网段内单播和组播业务完全共享资源的情况下,单播和组播业务的资源接纳控制流程。

对于单播业务:

(1)CPE向SCF发送单播请求(如SIP Invite);

(2)SCF向PD-FE发起授权请求;

(3)PD-FE执行网络策略授权并向顶层TRC-FE发送资源接纳请求,此TRC-FE是资源接纳控制的唯一联络点;

(4、5)顶层TRC-FE识别特定的合设TRC-FE并转发请求,同时,顶层TRC-FE检查另外一个网段(如汇聚网络)的资源可用性;

(6)合设TRC-FE对第一公里链路和AN(接入网)节点执行资源接纳;

(7)合设TRC-FE用本地接纳决策结果响应顶层TRC-FE;

(8) 顶层TRC-FE根据AN中的合设TRC-FE结果以及其他网段的资源接纳结果做出最终资源接纳决定;

(9)顶层TRC-FE用资源接纳决策结果响应PD-FE;

(10)PD-FE可能执行其他策略控制,并响应SCF;

(11)SCF回应CPE或将请求转发到下一跳。

对于组播业务:

(1)CPE向AN发送组播请求(如IGMP join);

(2)AN中的组播信令功能处理组播消息(如IGMP join请求),如果在AN中用户关联的频道不可用,则向合设TRC-FE发送请求;

(3)合设TRC-FE对用户第一公里链路执行资源接纳控制功能,决定是否需要执行相关操作(如媒体复制);

(4、5)合设TRC-FE向MTCF发送其到CPE的响应,或转发到下一跳。

从流程中我们可以看到,对于组播业务,合设TRC-FE不与顶层TRC-FE进行交互,立即对组播资源请求做出最终授权。对于单播业务,顶层TRC-FE需要使用外部模式向合设TRC-FE查询资源可用性,并根据合设TRC-FE的资源接纳控制结果做出最终决定。

6 结束语

资源控制接纳技术是下一代网络中解决IP网络资源分配调度,实现电信网中资源可控制可管理的一项重要技术,为建立固定移动融合的核心网络提供有力支持。各个标准组织对运营商间的接口、业务交互流程等内容还将做进一步的研究,以更好支持下一代网络中的各类业务。

参考文献

[1]T-REC-Y.2111. Resource and Admission Control Functions in Next Generation Networks (ITU-T 2008.11)[S].