《一種實現一體化網路服務的體系結構》是北京交通大學於2005年12月19日申請的專利，該專利的公布號為CN1777113，申請公布日為2006年5月24日，發明人是張宏科、秦雅娟、周華春、郜帥、張冰怡、楊水根、王博、楊冬。該發明屬於計算機網路技術領域。
《一種實現一體化網路服務的體系結構》包含“網通層”和“服務層”兩層，“網通層”包括接入層、核心層，為語音、數據、圖像以及流媒體等業務提供一個一體化的網路通信平台，各種業務在“網通層”中以一種統一的方式進行傳輸；“服務層”負責各種業務的會話、控制和管理，不同的業務用同一個“服務層”承載。“網通層”採用間接通信模式，接入地址和路由地址相分離，接入層負責通信終端的接入，核心層解決位置管理和路由技術，移動性和路由以一種統一的基於IP的方式分別實現；“服務層”對各種服務業務、網路資源和用戶採用唯一標識符識別，建立一體化多種服務分層名字解析映射模型，向用戶提供一致的、普遍的服務。
2015年11月27日，《一種實現一體化網路服務的體系結構》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種實現一體化網路服務的體系結構》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種實現一體化網路服務的體系結構
- 申請人：北京交通大學
- 申請日：2005年12月19日
- 申請號：2005101345791
- 公布號：CN1777113
- 公布日：2006年5月24日
- 發明人：張宏科、秦雅娟、周華春、郜帥、張冰怡、楊水根、王博、楊冬
- 地址：北京市西直門外上園村3號
- 分類號：H04L12/00(2006.01)、H04L29/06(2006.01)、H04L12/46(2006.01)
- 代理機構：北京市商泰律師事務所
- 代理人：毛燕生
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2005年12月之前的固定電話網主要是基於程控數字交換技術的網路，主要用於傳輸語音。程控數字交換網由用戶駐地網、接入網與核心網組成，採用數字交換網路，線上路上以時分多路復用的形式傳輸信號，從而實現兩個用戶通信的目的。程控數字交換網一開始是為傳輸語音信號而設計，採用電路交換的方式，不能很好的支持數據傳輸和圖像傳輸；另外，由於程控數字交換網是為固定用戶終端設計的，因此它不能很好的支持用戶終端的移動性。
移動通信技術作為通信領域的一個分支近年來發展非常迅速。2005年前大部分全球移動通信系統所採用的蜂窩電話技術是2G，它的傳輸技術主要是時分多址（TDMA）。2G的數據傳輸速率低，只有9.6Kbps。3G是第三代移動通信技術，傳輸技術主要是碼分多址（CDMA）的三種形式：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，數據傳輸速率為高速運動狀態下達到384Kbps，靜止狀態下達到2Mbps。移動通信技術較好的解決了用戶終端的移動性問題，但是由於移動通信採用無線信道傳輸，因此數據傳輸速率都較低，並且由於較高的誤碼率，使得移動通信技術不適合於傳輸會議電視、視頻圖像等對服務質量要求很高的實時業務。
電視網主要用來傳輸圖像，向用戶單向傳送電視節目。2005年前電視網中的有線電視網（CATV）在接入網採用光纖電纜混合網（HFC）技術，在幹線網路中主要採用同步數字序列（SDH）技術來傳輸信號，相比於其它網路有頻頻寬、容量大、多功能、成本低、抗干擾能力強和連線千家萬戶的優勢。2005年前的電視網是一個專門提供廣播電視業務的網路，無法提供語音和數據業務，也無法進行雙向通信。
2005年12月之前，隨著Internet網的迅速發展，網際網路已經成為三大網路（網際網路、電信網、電視網）中發展最快的網路。網際網路遵從TCP/IP的四層體系結構（包括子網層、網路層、傳輸層、套用層），採用面向無連線的分組交換技術傳輸數據並提供“盡力而為”的服務。由於它面向無連線的特性，使得網際網路在單一的數據傳輸中有著其它網路所無法比擬的優勢：數據傳輸速率高；另外網際網路所採取的四層體系結構使得它可以進行異構網路的互連。但這種無連線的特性也正是網際網路從單一的數據傳輸網向多業務承載網演進的瓶頸。網際網路提供的盡力而為服務特性根本不能保證傳輸的可靠性，並且由傳輸層的傳輸控制協定（TCP）引入的重傳時延對於語音、視頻等對實時性要求很高的業務來說也是不能忍受的。雖然說引入了一些服務質量（QoS）機制來解決網際網路傳輸實時業務的問題，但這些機制在大規模網路上實施都存在著許多問題，不能從根本上解決網際網路的問題。另外，網際網路設計之初是為固定終端服務的，它不能很好的支持終端的移動性。
因此2005年12月之前的信息網路採用面向業務的網路服務體系結構，分層進行建設和管理，新增重要業務和技術都是採用一個個獨立的網路層面實施，每種業務都有自己的網路平台，不僅建網成本很高，而且由於每一層的管理和控制方法是在不同的歷史條件和套用環境下發展起來的，各層的控制方法存在很大的差異，整個網路的管理變得十分複雜，運營成本十分高昂。隨著IP成為主要業務量後，在語音時代有用的很多功能將變得毫無意義，多層結構中的很多層面將會逐步消失，整個功能結構層次變得簡單和扁平化。信息網路的集成將從垂直方向向水平方向發展。
把語音、數據和圖象綜合起來傳送，達到全業務信息的迅速交流和資源共享的效果，是實現知識經濟乃至信息社會所必經的技術途徑。2005年12月之前的網際網路、電視網和電信網早已分別建成，傳統的行業分割使各種信息行業都在自行其事。在多種網路並存的情況下，各種服務紛繁複雜，浪費了資源又不利於用戶的使用。因此，實現各種處理音頻、視頻和數據服務的統一非常迫切。
VoIp（VoiceoverIP）技術以網際網路作為主要傳輸介質進行語音傳送。首先，語音信號通過公用電話網路被傳輸到網關；然後網關再將話音信號轉換壓縮成數位訊號傳遞進入Internet；而這些數位訊號通過遍及全球而成本低廉的網路將信號傳遞到對方所在地的網關，再由這個網關將數位訊號還原成為模擬信號，輸入到當地的公共電話網路，最終將語音信號傳給收話人。VoIP採用國際電信聯盟標準部門（ITU-T）的H.323標準或者Internet工程任務組（IETF）的會話初始協定（SIP），並且採用了資源預留協定（RSVP）、實時傳輸協定（RTP）以及RTP控制協定（RTCP）以保證音頻流的實時性和服務質量。由於VoIP是基於用戶數據報協定（UDP）進行傳輸的，因此當傳輸環境惡劣時大量的分組丟失會影響接收端的解碼結果；另外時延抖動使接收設備還原語音變得很複雜，說話者和收話者之間語音信號的時延可能非常大，這會導致信息丟失（因為遲到的樣點已經不能為數模轉換器所用），並且用戶可以感覺到這種變化。
IPTV即互動式網路電視，利用寬頻有線電視網的基礎設施，以家用電視機作為主要終端電器，通過網際網路協定來提供包括電視節目在內的多種數字媒體服務。IPTV能根據用戶的選擇配置多種多媒體服務功能，實現媒體提供者和媒體消費者的實質性互動。現在的IPTV運營平台多以MPEG-2、MPEG-4等協定作為視頻協定，頻寬與圖像質量矛盾突出，實現DVD質量需要占用的頻寬太高，同時由於MPEG-2，MPEG-4所需碼流較高，也使得IPTV運營的頻寬、存儲等成本居高不下。另外由於IPTV業務較傳統的話音和數據業務有更高的同步、時延、抖動、誤碼率方面的要求，因此，針對IPTV業務端到端服務質量的要求，承載網需要在用戶個人電腦（PC）、機頂盒（STB）和CS（中央伺服器）、ES（邊緣伺服器）之間提供完善的QoS保證。在技術上，如何建立高QoS保障的、高可靠性的組播傳送通道是運營商建設IPTV城域承載網的關鍵。
多媒體子系統（IMS）是3GPP在Release5版本標準中提出的支持IP多媒體業務的技術。IMS使用SIP呼叫控制機制來創建、管理和終結各種類型的多媒體業務，各種類型的客戶端通過IMS都可以建立起端到端的IP通信，並可獲得所需要的服務質量。除會晤管理外，IMS體系還涉及完成服務提供所必須的功能，例如：註冊、安全、計費、漫遊等。IMS能夠支持2G和3G的移動接入方式。由於IMS是為移動終端接入設計的，而固定終端在呼叫流程、鑒權能力、接入安全和服務質量方面與移動終端有很大的不同，因此IMS不能很好的支持固定網路的接入。
以上種種方案各有優缺點，但從通信信息技術發展角度來考慮均不理想。因為它們都是只從現存三網已分別獨立建網的現實和行業分割的傳統上來考慮的，帶有舊的″烙印″，在接入的問題上仍存在著不可克服的困難。未來的通信信息網路應該採用多業務綜合的新的技術架構。
隨著網路體系結構的演變和寬頻多業務行動網路技術的發展，傳統網路正在向下一代網路演進。下一代網路並不是一個新的網路，而是基於2005年12月之前的多種網路演進融合而來的。當前電信界和計算機界對下一代網路有不同的看法。由於原有的網路基礎不同、演進的路線不同，在標準制訂過程中的側重點和解決方案也多有不同。在電信界看來下一代網路的研究內容集中在傳輸層以及業務層：在傳輸層上主要集中在ASON（自動交換光網路）；在業務層上主要集中在軟交換。在計算機界看來下一代網路就是NGI（下一代網際網路），NGI對傳輸層沒有特殊要求，只需傳輸層提供儘可能的高頻寬，工作重點在業務承載層和業務層：在業務承載層上的規範集中在IPv6（網際網路協定版本6）協定；在業務層的規範主要體現在採用端到端控制的智慧型終端上。
為了加快下一代網路的標準化進程，ITU-T於2004年5月6日在日內瓦成立了下一代網路焦點組（FGNGN），下設業務需求、體系架構與移動性、服務質量、控制與信令、安全、網路演進、未來的分組網路等7個工作組，平均每2個月舉行一次會議，研究和制定與下一代網路相關的業界迫切需要的標準，已推出了較為具體的標準草案：“FRA-NGN的功能架構模型”標準草案初步提出了下一代網路業務層和傳輸層的一些功能實體，該草案從邏輯功能實體的角度來定義和分析下一代網路的模型；“FRMOB移動性功能需求”標準草案將下一代網路的移動性分為網間移動、網內移動和接入網內移動三種情況，並提出了對移動性管理的要求以及功能體系結構；“CMIP可管理的用戶網路能力”標準草案提出可管理IP網的業務是向用戶提供網路資源控制和管理，可管理IP網應具有用戶分組及業務分集、信息接入控制和安全、移動控制和管理、頻寬分配和SLA協商、端到端QoS配置和優先權配置等多種功能。
計算機界標準化組織的代表IETF也為下一代網路制定了一系列的規範：IPv6分組在不同媒體上的承載方式，包括乙太網、點對點協定（PPP）鏈路、光纖分散式數據接口（FDDI）、令牌環、ARCnet等；IPv6基本協定，包括RFC2460（網際網路協定版本6）、RFC2675（IPv6巨型包）、RFC2507（IPv6頭壓縮）等；IPv6地址相關協定，包括RFC3513（IPv6地址結構）、RFC2374（IPv6可聚合全球單播地址）、RFC1887（IPv6單播地址分配）、RFC2375（組播地址分配）等；Ipv6組播相關協定，包括RFC2710（IPv6MLD）、RFC3306（基於單播地址的IPv6組播地址）等；業務相關協定，包括用於建立語音或者視頻會話的SIP、用於控制媒體網關的媒體網關控制協定（MGCP）等。
雖然計算機界與電信界在下一代網路上的研究各有側重，但是對於下一代網路的總體目標則比較一致：下一代網路是基於分組技術的網路，能夠提供包括電信業務在內的多種業務；在業務相關功能與下層傳送功能分離的基礎上，能夠利用多種寬頻、有QoS（服務質量）支持能力的傳送技術；能夠為用戶提供無限制地接入到多個運營商的可能；能夠支持廣泛的移動性，確保向用戶提供一致的、普遍的業務。下一代網路的一個重要目標就是網路融合。
美國國家科學基金會2005年前正計畫從根本上重新設計網際網路，以解決2005年12月之前的各種問題，打造一個更適合未來計算機環境的下一代網際網路，並於2005年8月22日公布了一個名為“全球網路環境調查”（GENI）的項目。美國國家科學基金會認為下一代網際網路的研究重點是網路安全、手機、無線和感測器網路共同組成的普適計算（pervasivecomputing）環境，因此GEM項目主要包括一個研究計畫和搭建一個測試環境。GENI的研究計畫主要包括：建立新的核心功能，設計新命名機制、地址和一致性的體系結構，設計新的網路管理範例；強化2005年12月之前的體系結構的安全性，設計高可靠性、可說明性的安全機制；設計一個新的體系結構，該體系結構可以和新的無線技術、光通信技術、普適計算技術互相合作；設計更高層次的服務提取結構，如信息目標、基於位置的服務、身份網路等；建立新的服務和套用，如更安全、健壯、可控的大範圍分散式套用，設計分散式套用的原理和模式；建立新的網路體系結構原理，研究網路的複雜性、可量測性。
發明內容
專利目的
為了克服2005年12月之前技術的不足，該發明提供一種實現一體化網路服務的體系結構，用於實現服務一體化、網路一體化。一種實現一體化網路服務的體系結構允許包括固定用戶和移動終端、移動子網、自組網用戶等多種移動性接入，固定用戶和移動用戶享有同樣的個性化業務服務，實現分散式網路資源的共享和查找服務，進行語音、數據、圖像以及流媒體等業務的傳輸並提供精細粒度的服務質量，確保向用戶提供一致的、普遍的業務。
技術方案
《一種實現一體化網路服務的體系結構》包含“網通層”和“服務層”兩層：“網通層”包括接入層、核心層，為語音、數據、圖像以及流媒體等業務提供一個一體化的網路通信平台，各種業務在“網通層”中以一種統一的方式進行傳輸；“服務層”負責各種業務的會話、控制和管理，這些業務包括各種由運營商或第三方增值服務商提供的網路服務業務，主要是語音、數據、圖像以及流媒體等，不同的業務用同一個“服務層”承載。
“網通層”採用間接通信模式，接入地址和路由地址相分離，接入層負責通信終端的接入，採用接入地址轉發數據；核心層解決位置管理和路由技術，採用路由地址轉發數據；移動性和路由以一種統一的基於IP的方式分別實現。
“服務層”對各種服務業務、網路資源和用戶採用唯一標識符識別，各個套用都要綁定於服務標識符，傳輸協定要綁定於端系統標識符，並且進行從用戶層的標識符到服務標識符的解析、從服務標識符到端系統標識符的解析、從端系統標識符到IP位址的解析，從而建立一體化多種服務分層名字解析映射模型；採用一種基於散列值一體化服務發現機制的服務發現方案，建立起各服務目錄間的服務信息交換或服務請求轉發機制，向用戶提供一致的、普遍的服務。
有益效果
《一種實現一體化網路服務的體系結構》很好的將用戶、服務業務和網路資源三者統一為一個整體，很好的實現了網路一體化和服務一體化。“網通層”為語音、數據、圖像以及流媒體等業務提供一個一體化的網路通信平台；採用間接通信模式，接入地址與路由地址分離，移動性和路由以一種統一的基於IP的方式分別實現，這種機制可以較好地解決多種固定和移動接入、移動性管理、多歸屬、路由最佳化問題。“服務層”通過建立一體化多種服務分層名字解析映射模型，實現一體化網路服務發現，從而可以進行多業務的傳輸並提供精細粒度的服務質量，確保向用戶提供一致的、普遍的業務。
信息網路將成為信息社會的主要傳播媒介和推動社會向前發展的巨大動力。我們從網際網路協定體系結構和下一代網路發展趨勢入手，提出了一種實現一體化網路服務的體系結構，以系統的、開放的、靈活的方式解決新的網路服務體系問題，實現了網路一體化和服務一體化，為更大規模網際網路的部署創建穩定的基礎平台，必將為我國下一代信息網路的研究和建設貢獻力量。
附圖說明
圖1是一種實現一體化網路服務的體系結構。
附圖說明
權利要求
1、《一種實現一體化網路服務的體系結構》其特徵是：包含網通層和服務層兩層：網通層包括接入層、核心層，為語音、數據、圖像以及流媒體等業務提供一個一體化的網路通信平台，各種業務在網通層中以一種統一的方式進行傳輸；服務層負責各種業務的會話、控制和管理，這些業務包括各種由運營商或第三方增值服務商提供的網路服務業務，主要是語音、數據、圖像以及流媒體等，不同的業務用同一個服務層承載。
2、根據權利要求1所述的一種實現一體化網路服務的體系結構，網通層的特徵是：網通層採用間接通信模式，接入地址和路由地址相分離，接入層負責通信終端的接入，核心層解決位置管理和路由技術，移動性和路由以一種統一的基於IP的方式分別實現。
3、根據權利要求1所述的一種實現一體化網路服務的體系結構，服務層的特徵是：服務層對各種服務業務、網路資源和用戶採用唯一標識符識別，各個套用綁定於服務標識符，傳輸協定綁定於端系統標識符，並且進行從用戶層的標識符到服務標識符的解析、從服務標識符到端系統標識符的解析、從端系統標識符到IP位址的解析，建立一體化多種服務分層名字解析映射模型。
4、根據權利要求1或3所述的一種實現一體化網路服務的體系結構，服務層的特徵是：採用一種基於散列值一體化服務發現機制的服務發現方案，建立起各服務目錄間的服務信息交換或服務請求轉發機制，實現有效的服務發現，向用戶提供一致的、普遍的服務。
實施方式
《一種實現一體化網路服務的體系結構》如圖1所示。不同於OSI的七層體系機構以及TCP/IP的四層體系結構，“網通層”包括接入層、核心層，為語音、數據、圖像以及流媒體等業務提供一個一體化的網路通信平台。“網通層”採用間接通信模式，接入層採用接入地址轉發數據，而在核心層採用內部的路由地址替代接入地址轉發，到達通信對端接入路由器後，數據包的路由地址被置換回原來的接入地址；接入層負責通信終端的接入，核心層解決位置管理和路由技術，移動性和路由在核心網和接入網中以一種統一的基於IP的方式分別實現。“網通層”採用的間接通信模式包含以下四個方面：
（1）由一個路由管理者模組和一個地址管理者模組對接入層進行管理，這兩種管理機制將路由信息和地址信息分開。地址管理者對通信終端的地址信息進行管理，並在需要時對接入層接入的通信終端進行初始化以及切換和地址更新等操作。路由管理者對端主機在“網通層”進行路由信息的創建、更新和刪除。在數據包路由和重定向路由過程中由路由器轉發包並執行地址交換。
（2）IP接入地址（IPca）只是被用來確定一個通信終端，只有在網路內傳輸數據包的時候才會用到IP路由地址（IPra）。
（3）通信源端的接入路由器（AR）傳送它的數據包到通信對端（包的目的地址就是通信對端的接入地址）。接入路由器根據接入地址與路由地址映射機制將數據包的目的地址從接入地址改變為路由地址，這一處理過程由路由管理者管理。然後接入路由器根據路由錶轉發這一數據包到通信對端。由於接入路由器通告了通信對端所在子網前綴路由，該數據包可以被轉發到通信對端所連線的接入路由器。通信對端所連線的接入路由器在接收到數據包後再一次將數據包的目的地址從路由地址改變為主機接入地址。接入路由器再轉發這一目的地址是主機接入地址的數據包到通信對端。
（4）當一個通信終端從一個接入路由器移動到另一個接入路由器時（成為移動終端），路由管理者被接入層的路由接入控制觸發啟動。管理者更新通信終端接入路由器中的路由快取，並且在新的接入路由器中創建一條新的路由信息以便移動終端的接入。在進行更新和創建步驟之前，新的接入路由器分配給移動終端一個新的IP路由地址，並且向路由管理者通告，然後路由管理者觸發新的接入路由器分配移動終端該IP路由地址。
“服務層”包括各種由運營商或第三方增值服務商提供的網路服務業務，主要是語音、數據、圖像以及流媒體等。運營商或第三方增值服務商將通過一體化網路個性化服務模型向用戶提供有保障的個性化服務。服務層還包括多種服務功能組件，其中有媒體轉換、媒體分發、計費和位置服務、虛擬歸屬環境等服務組件和會話管理、資源管理、移動性管理、安全可信管理、服務質量管理、網路運維管理等管理組件。“服務層”採取的方法包含以下兩個方面：
（1）各種服務業務、網路資源和用戶採用唯一標識符識別。各個套用都要綁定於服務標識符，傳輸協定要綁定於端系統標識符，並且進行從用戶層的標識符到服務標識符的解析、從服務標識符到端系統標識符的解析、從端系統標識符到IP位址的解析，從而建立一體化多種服務分層名字解析映射模型。這種多層名字解析映射模型最明顯的特徵是：對服務和主機實現了自動的、無縫的重新綁定。如果一個服務從一台主機移動到另一台主機，將重新對服務標識符進行解析；如果一個端主機的IP位址發生改變，則將重新對端系統標識符進行解析。重新綁定可以實現移動或多編碼主機的連續操作，也可以實現多穴主機的平滑的失效恢復。
（2）採用一種基於散列值一體化服務發現機制的服務發現方案，建立起各服務目錄間的服務信息交換或服務請求轉發機制，從而實現有效的服務發現。該方案步驟如下：
步驟1，為服務信息生成散列值；為分布在廣域網中的每個服務目錄指定值域，並使得所有服務目錄結點能夠按照值域間的關係連線成一棵內容編址樹；
步驟2，為服務請求生成散列值域，並保證滿足它的服務信息的散列值屬於該域中；將服務信息根據其散列值轉發到相關結點存儲，將服務請求根據其散列值域轉發到有可能滿足它的結點進行匹配操作並確定是否存在所需服務。
榮譽表彰
2015年11月27日，《一種實現一體化網路服務的體系結構》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
