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NGN的网络附着子系统研究进展

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来源: 作者: 2019-03-13 13:12:00

下一代络(NGN)的标准是当前通信标准领域的热点研究课题之一,对NGN架构的研究主要在高级络电信与因特融合业务和协议(TISPAN)组织和国际电信联盟电信标准部(ITU-T)两大国际标准组织内进行。

SPANR1阶段研究成果

TISPAN是隶属于欧洲电信标准组织(ETSI)的一个技术委员会,于2003年9月由从事固定标准化的SPAN和从事IP语音(VoIP)研究的TIPHON两个委员会合并而成,专门负责对下一代络进行研究和标准化工作。

TISPAN将NGN研究分为3个阶段(即R1、R2、R3),其中R1阶段已结束,在2005年底发布了第1批标准文档;R2阶段已经启动,计划在2007年7月结束。

在R1阶段,TISPAN有多个工作小组从事络附着子系统(NASS)研究,分别研究NASS的内部架构和外部接口协议(如e1、e2、e4、e5),目前均出版了正式的技术规范。

1.1NASS在NGN架构中的位置

TISPAN依据3GPP的IP多媒体子系统(IMS)体系架构提出了NGN的体系结构和逻辑功能结构,并尽可能重用3GPP的相关规范,但要求支持更多的接入方式,包括数字用户线(xDSL)、局域(LAN)、无线局域(WLAN)等。目的是使IMS成为基于会话初始协议(SIP)的通用平台,同时支持固定通信和移动通信的多种接入方式。为此,TISPAN将NGN架构分为业务层和传送层,在传送层引入了NASS与资源及接纳控制子系统(RACS),负责为上层业务层提供独立的用户接入管理功能,如图1所示[1]。

NASS完成对用户附着于接入络的管理,主要功能包括:

为用户设备(UE)动态提供IP地址,以及其他配置参数。

对用户进行接入层的鉴权。

基于用户业务清单(Profile),对用户进行络接入的授权。

基于用户业务清单,配置接入络。

管理用户的位置信息。

NASS提供的是接入层的注册功能,此外业务层还可以要求用户再次注册。

NASS提供络级的标识信息和鉴权方式,管理接入的IP地址空间,为用户提供NGN上层业务应用的接入点信息。

NASS提供移动性管理,终端可以游牧到不同的接入点或接入络(可以是不同的运营商)。

用户可以使用不同的终端接入络享受下一代的业务。但R1阶段不支持接入络之间的切换,不提供业务连续性。

对于用户所附着的接入络,NASS提供的鉴权方式有两种:隐式鉴权和显式鉴权。

显式鉴权需要在用户设备(UE)与NASS之间执行一个鉴权信令交互过程,而隐式鉴权则没有这样一个过程,NASS直接根据UE的二层(L2)连接的标识进行鉴权。如线路鉴权就是一种隐式鉴权。

1.2NASS功能单元的组成

NASS的基本架构如图2所示,由络接入配置功能(NACF)、接入管理功能(AMF)、连接会话定位与存储功能(CLF)等逻辑功能单元组成。

(1)络接入配置功能

NACF负责为UE分配IP地址,并提供UE所需要的其他络配置参数,如域名服务器(DNS)地址、上层业务接入点地址等。对于上层的IMS,业务接入点就是P-CSCF(代理呼叫会话控制功能)。NACF还向UE提供一个接入络标识符,唯一地标识UE所附着的接入络,上层应用可通过该标识符定位CLF。

(2)接入管理功能

AMF负责翻译UE的接入请求,将UE的IP地址分配请求以及络配置参数请求转发至NACF,将用户鉴权请求转发给用户接入授权功能(UAAF),反向则将来自NACF或UAAF的响应转发给UE。

(3)连接会话定位与存储功能

CLF登记UE所分配的IP地址、NACF提供的相关络定位信息、地理位置信息,并对这些信息进行关联;CLF还存储用户标识、用户的服务质量(QoS)清单、用户的位置信息隐私权设置。CLF向上层业务提供位置查询功能。

(4)用户接入授权功能

UAAF提供用户鉴权、授权核查功能。UAAF从清单数据库功能(PDBF)包含的用户络清单信息中获取鉴权和络授权信息。UAAF也收集用于计费的帐务数据。

(5)清单数据库功能

PDBF存储用户鉴权数据(如用户标识、支持的鉴权方法列表、鉴权密钥)以及与络接入配置相关的信息。PDBF与业务层的用户业务清单数据库(见图1)分工不同,PDBF是传送层的数据库,存储用于接入和鉴权的信息,用户业务清单数据库是业务层的数据库,存储用户的业务信息。但两者有一定的关联,在物理上可以考虑合设。

(6)客户关配置功能

客户关配置功能(CNGCF)在UE初始化或升级时使用,为UE提供额外的配置信息,如防火墙配置、IP包的QoS标记等。CNGCF与NACF提供的络配置数据相辅相成,使UE能顺利地接入络。

(7)接入中继功能

接入中继功能(ARF)不属于NASS的组成单元,它位于客户关(CNG)与NASS之间,作为中继,可以在用户请求中插入接入络所提供的位置信息。

在正常的UE接入流程中,UE通过ARF/AMF先与UAAF交互,完成鉴权和络授权;再与NACF交互,获得用于接入的IP地址与其他配置参数;UAAF和NACF分别将用户相关信息送至CLF,在CLF处进行关联和存储,供RACS和上层业务查询。

1.3接口描述

NASS接口包括NASS内部各逻辑功能单元之间的接口和NASS对外的接口。

1.3.1NASS内部各逻辑功能单元之间的接口

(1)a1接口

a1接口是AMF与NACF之间的接口。a1接口用于AMF向NACF请求为UE分配IP地址及其他络配置参数。

(2)a2接口

a2接口是NACF与CLF之间的接口。NACF通过本接口向CLF登记为UE所分配的IP地址与相关位置信息的关联关系,或者通知CLF注销关联;CLF可通过本接口为NACF提供CNGCF地址、地理位置信息、P-CSCF标识信息。

(3)a3接口

a3接口是AMF与UAAF之间的接口。a3接口用于AMF向UAAF请求对用户进行鉴权和进行络签约信息的核查。

(4)a4接口(即UAAF与CLF之间的接口)

a4接口是UAAF与CLF之间的接口。UAAF通过本接口以“推(Push)”的方式向CLF登记用户标识与用户位置信息隐私权设置的关联关系,以及用户的络清单信息(如QoS信息)。CLF也可通过本接口以“拉(Pull)”方式主动向UAAF查询用户的络清单信息。

(5)e5接口

e5接口[2]是UAAF代理与UAAF服务器之间的接口。e5接口用于UAAF代理(位于用户拜访络)与UAAF服务器(位于用户归属络)之间,由UAAF代理向UAAF服务器请求获取用户的鉴权和授权信息,UAAF代理也可向UAAF服务器转发拜访络产生的帐务数据。

UAAF代理与UAAF服务器可能位于不同的管理域,两者之间需要建立双向的信任关系。e5接口可采用远程拨号用户认证(RADIUS)协议或Diameter协议。

R1阶段没有定义NACF与UAAF之间的接口功能。R1阶段对UAAF与PDBF之间的接口也没有规定,UAAF与PDBF可以合设,或以非标准接口互联。

对于上述内部接口中的前4个接口,TISPAN还没有制订具体的协议规范。

1.3.2NASS对外接口

在图2中,与NASS有互联关系的外部实体包括同层的RACS、底层的ARF、上层的业务控制子系统和应用实体。

(1)e4接口

e4接口是CLF与RACS之间的接口。RACS通过e4接口向CLF获取用户的络位置信息,以决定可用络资源的数量;RACS也可向CLF获取用户的络清单信息,作为处理资源分配请求的参考。文献[3]给出了基于Diameter协议的e4接口规范。

(2)e2接口

e2接口是CLF与业务控制子系统之间的接口。业务层实体通过e2接口从CLF获取络位置信息。文献[4]给出了基于Diameter协议的e2接口规范。

(3)e1接口

e1接口是AMF与ARF、ARF与CNG之间的接口。UE通过e1接口发起IP地址分配请求,并获取相关的络配置参数以便接入络;UE也通过e1接口提供用户的通行字、令牌、证书等信息用于络接入鉴权。请求经ARF中继到达AMF,ARF可在请求消息中加入络位置信息。

当需要双向鉴权时,NASS通过e1接口向UE提供鉴权参数。文献[5]给出了e1接口定义,包括WLAN和xDSL等接入方式。

(4)e3接口

e3接口是CNGCF与CNG之间的接口。e3接口用于CNGCF配置UE,以便UE接入上层业务与应用。超文本传输协议(HTTP)、文件传输协议(FTP)和小型文件传输协议(TFTP)可用于e3接口。目前该接口尚没有制订相应的接口规范。

1.4游牧场景

在R1阶段,NASS只支持用户的游牧,UE可以在任何地点接入相同的NGN系统,NASS不支持会话的连续性,即UE不能实现不同接入络之间的漫游切换。

在UE游牧时,NGN络可划分为归属络和拜访络。图3是用户游牧的一个典型场景,其中为用户提供业务的业务控制子系统位于归属络。拜访络的UAAF作为代理,通过e5接口向归属络的UAAF(作为服务器)获取用户鉴权信息;归属络的CLF通过e2接口向拜访络的CLF获取用户的位置信息,再提供给上层的业务控制子系统。

在其他场景下,若由拜访地的业务控制子系统为用户提供业务,则其直接向拜访络的CLF获取位置信息,不需要归属地CLF进行中转;若不需要对UE进行鉴权,则拜访络的UAAF直接访问本地PDBF,而不再通过e5接口访问归属络的UAAF以获取鉴权信息。

SPANR2阶段研究计划

目前虽然NASS R1阶段协议已经正式出版,但是仍然有许多问题尚待解决。

在2006年1月TISPAN的第10次会议上WG2组(负责架构研究)将R2阶段可能的研究方向分为4个组,其中A组包括NASS、RACS、接入(Access)、QoS、过载(Overload)等专题,NASS专题主要的研究方向有两个:移动性与游牧;支持不同接入络的架构。

(1)移动性与游牧

NGN中对移动性的需求可以列举如下:

应能支持终端在不同的物理位置移动,在这些位置可以使用不同的接入技术。

应能支持用户使用一个设备或者多个设备接入一个或者多个接入络。

应支持用户在移动中改变接入点,如果移动过程中接入技术是不变的并且接入络属于同一个运营商,则在技术允许的情况下应支持会话连续性或者切换;如果接入技术不同,则无需支持会话连续性或切换。如果无法支持会话连续性或者切换,会话应完全中止并重新开始。

当用户连接到其他络时,归属络应支持通过该拜访络提供服务。

由移动所引发的服务变化应对用户可见。

当用户首次在新地点接入时,服务应能够重新配置,即满足“游牧”行为。

移动性不应干扰服务获取所需的信息(如位置信息)。

NASS目前的框架协议并没有详细描述移动的场景与实现,针对这些需求,NASS作为负责用户接入的元,还有许多问题需要在R2阶段研究及细化。

(2)支持不同接入络的架构

NASS应能提供一个支持多种不同的接入技术的架构,如xDSL、WLAN、WiMAX等,虽然NASS总的架构是适合各类接入方式的,但不同的接入技术还存在一定的差异。目前R1阶段只研究了WLAN和xDSL,其他的接入方式,如FTTH还需要在R2阶段研究。

从现实的需求与NASS协议演进的现状看,目前还有很多问题需要进一步研究。

(1)NASS需要支持提供位置信息,但是在R1阶段还没有很好地解决漫游时的定位问题,特别是针对漫游用户通过归属地络接入业务时的场景。

另外,NASS如何与现有的3GPP定位服务架构融合,例如是否需要增加NASS CLF元与3GPP关移动位置中心(GMLC)之间的接口。这些问题需要留待R2阶段继续讨论。

(2)NASS提供CNGCF用于配置UE,这是NGN的一个重要特性。但R1阶段还没有定义e3接口规范,有待R2阶段继续研究。

此外还有一些具体问题需要进一步研究,如支持NASS会使得IMS络的鉴权更加复杂,由于存在多种鉴权方式,如何选择合适的鉴权方式,而不至于引发冲突,还需要进一步澄清与研究。

U-T对NACF的研究情况

ITU-T中的NGN研究工作由SG13工作组主导,成立了NGN全球标准行动举措(NGN-GSI)工作组以协调SG13、SG11、SG16等工作组之间的NGN标准化工作。

ITU-T主要致力于NGN核心的研究,对于NASS的研究没有设立单独的草案项目,只在NGN的功能需求和架构建议草案Y.2012[6]中对NACF有所提及。

ITU-T下一代络的主要架构如图4所示,NACF是NGN传输层的功能实体,正对应于TISPAN NGN架构中的NASS。

在ITU-T NGN架构中,NACF在接入层面提供注册并且为进入NGN业务的终端用户功能进行初始化。这些功能提供了传输层面的认证/鉴权,管理接入的IP地址空间,并且对接入的会话进行鉴权。它们也在业务层面为终端用户提供NGN功能提供联系点。

NACF包括传输层的用户配置(User Profile)功能(User Profile是以一种功能数据库形式表现用户信息和其他控制数据的联合,已成为传输层面的一个单独的功能),这个功能数据库可以通过一套协同操作的、功能可以驻留在NGN任何部分的数据库来说明和实现,类似于TISPAN NASS中的PDBF。

NACF提供以下功能:

提供动态IP地址和其他用户设备配置参数;

经过用户许可,用户设备能力和其他参数的自动发现;

终端用户和络在IP层(也可能是其他层)的认证;

基于UserProfile的络接入鉴权功能;

基于UserProfile的接入配置;

IP层的位置管理。

ITU-T对于NACF的研究和TISPAN有所不同的是NACF增加了提供用户设备能力和其他参数的自动发现功能,但是该功能的具体细节还没有明确说明。

4.结束语

对于NASS的研究,不同的研究组织有不同的定位。TISPAN对于NASS有较为深刻的理解,而ITU-T由于对NASS并没有太多考虑,主要是保持和TISPAN的同步。即使是TISPAN,对于NASS的研究也没有达到成熟的地步,NASS中目前存在的若干问题,需要进一步研究和关注。

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