公用網三網融合中的核心技術

在公用網上實現三網融合是非常複雜的問題，當前各電信運營商都在建設各自的寬頻數據網，以適應越來越多的用戶對於話音、數據和圖像綜合業務的需求，它們實際上為實現未來的三網融合建立了物理基礎。

基本介紹

• 中文名：公用網三網融合中的核心技術

概況

在公用網上實現三網融合是非常複雜的問題，當前各電信運營商都在建設各自的寬頻數據網，以適應越來越多的用戶對於話音、數據和圖像綜合業務的需求，它們實際上為實現未來的三網融合建立了物理基礎。但是，三網融合不僅要解決物理環境建設問題，還涉及業務服務、運營管理和政策法規等一系列問題，這些問題的解決，顯然不是簡單的技術層面問題，與體制密切相關。

為了實現公用網的三網融合，有人從技術層面上提出下一代網路NGN(Next Generation Network)的概念，其核心就是軟交換。“軟交換”系統可以作為實現公用網三網融合的一種技術理念與應對策略。

軟交換(Soft Switch)概念的起源

軟交換最早起源於美國企業網套用：在企業網環境下，用戶採用基於乙太網的電話，再安裝一套基於PC伺服器的呼叫控制軟體(“Call Manager”或“Call Server”)，就可以實現PBX的功能(IPPBX)。這樣一套設備，與區域網路共享，不需要單獨鋪設網路，管理與維護統一，從綜合成本上，要比傳統PBX便宜。

從IPPBX受到啟發，有人想到把傳統交換機部件化，分為呼叫控制與媒體處理，二者之間採用標準協定(MGCP或H.248)。呼叫控制是運行在通用硬體平台上的純軟體，而媒體處理則將TDM轉換成基於IP的媒體流，於是軟交換技術應運而生。這樣的體系結構，由於具有伸縮性強、接口標準、業務開放、綜合成本低等優點，得到了迅速的發展。

國際軟交換組織(ISC)對軟交換的定義是這樣的：一個軟交換機(也被稱作呼叫代理、呼叫伺服器或媒體網關控制器)是這樣一種設備，它至少要提供以下功能：

① 能控制媒體網關或IP端節點業務連線。

② 能對一次呼叫選擇相應的處理步驟。

③ 根據信令和用戶資料庫中的信息路由呼叫。

④ 把呼叫控制傳遞給另一個網路元素。

⑤ 支持管理功能的接口，如出錯告警、計費功能。

未來電信網中將由分組交換網來承載語音、數據、視頻、傳真業務。而現在電話交換機的局限在於無法直接處理分組包，而且它的路由決策和呼叫處理邏輯電路交換硬體緊密集成，升級比較困難。解決這個問題的最好方法是呼叫處理功能和交換功能分離，兩者之間用標準的協定連線，這在業界取得了廣泛的一致。用軟交換的術語講就是，媒體網關(MG)具備物理的交叉連線功能，呼叫處理邏輯存在於媒體網關控制器(MGC)里。通過軟交換可以將電話網和分組交換網無縫地連線起來，為平滑地過渡到下一代電信網奠定了基礎。

軟交換的基本功能

軟交換的功能體系結構如圖1所示

圖1 軟交換功能體系結構

媒體網關接入功能

軟交換機可以連線各種媒體網關，如PSTN匯接媒體網關、ATM媒體網關、接入媒體網關、無線媒、體網關等。同時還可以直接和H.323、H.248、STP終端進行連線，提供相應業務。

呼叫控制功能

完成基本呼叫的建立、維持和釋放。包括呼叫處理、連線控制、智慧型呼叫觸發檢出和資源控制，路由功能、號碼分析等功能。

業務提供功能

軟交換除了提供PSTN/ISDN交換機提供的所有業務外，同時還應該可以與現有的智慧型網配合提供現有的智慧型網提供的業務。還要提供分組網上一些增值業務，同時要提供可程式的、邏輯化控制的開放API協定，實現與外部套用平台的互通。

互連互通功能

支持多種協定之間的互連互通。

操作維護功能

包括配置管理、業務統計、告警、維護操作等功能。

計費功能

能生成計費所需要的詳細話務記錄(CDR)。

軟交換的網路系統結構

基於軟交換的網路系統結構分成4層，如圖2所示。

圖2 軟交換系統結構示意圖

邊緣接入層

具有用戶接入、媒體轉換和本地業務交換功能。這層包括面向PSTN的TMG(Tandem Media Gateway)匯接媒體網關、面向無線網路的WMG(Wireless Media Gateway)網關和面向IP或ATM等接入的AMG(Access Media Gateway)網關等。

如圖3所示，在軟交換體系中，PSTN和分組交換網的無縫連線由媒體網關(MG)和信令網關(SG) 來完成。PSTN通過E1和ISDN PRI接入媒體網關，媒體網關和軟交換機之間的通信遵循Megaco/H.248或MGCP協定，No.7信令網接入信令網關，信令網關和軟交換機之間的通信遵循SIGTRAN或SIP協定。

圖3 PSTN和分組交換網的無縫連線

媒體網關需要有以下功能：

① 在MGCP/H.248訊息的控制下產生撥號音、回鈴音、忙音等。

② 傳輸帶外DTMF。

③ 檢測用戶摘機、掛機，檢測和收集DTMF號碼，並向MGC提交事件。

④ 回聲消除。

⑤ 對話音信號的有效載荷部分進行模/數轉換並且壓縮，生成分組包。或者把分組包逆向地轉換成話音信號。

⑥ 在MGTP/H.248訊息的控制下分配TDM時隙。

⑦ 支持傳統協定，如E&M、CAS、Q.SIG、TR-303等。

信令網關需要有以下功能：

① 通過E1/T1/V.35和No.7信令網建立物理連線。

② 通過分組網向軟交換機傳送No.7信令信息。

核心交換層

此層是數據傳輸和路由平台，包括高速的ATM交換機和IP交換機與路由器。

業務控制層

是軟交換所在的層，主要提供呼叫業務控制功能和上層業務支撐平台。控制下層的用戶接入、媒體轉換和業務交換功能；同時上層業務通過開放的接口協定訪問該層來完成對下層的管理、控制功能。

軟交換機之間可以通過SIP-T、BICC或H.323協定通信。

業務管理層

該層主要提供增值業務和對下層業務的管理功能。在該層有套用伺服器、策略伺服器、AAA(Accounting,Authorization and Authentication)伺服器、網路管理伺服器、資料庫伺服器和第三方業務提供等。

網路管理伺服器和軟交換機之間的通信基於SNMP協定。網路管理伺服器的主要功能是運行維護、採集統計、發出告警信息、網路配置管理。

策略伺服器和軟交換機之間的通信基於COPS(Common Open Policy Service)協定。策略伺服器的主要功能是按業務需要動態地調控網路運行狀況。

AAA伺服器和軟交換機之間的通信基於RADIUS協定。AAA伺服器的主要功能是帳戶審核和許可權認定。

套用伺服器與軟交換機通過SIP(Session Initiation Protocol)通信，這樣套用伺服器通過軟交換機取得部分的呼叫控制的功能。

如圖4所示，套用伺服器開放了API標準，如JAIN(Java in Advanced Intelligent Network)、Parlay等，第三方套用軟體可以通過API調用來訪問套用伺服器，進而控制呼叫過程。這就為廣大的軟體開發商提供了參與開發增值業務的機會，使得業務套用更加豐富多彩。在這種情況下，增加一項新的業務並不需要軟交換結構有任何改變，這也正是採用軟交換的一大優點。

圖4 軟交換的增值業務構架

在該層，智慧型網的SCP和軟交換機通過TCAP/INAP通信。

QoS

網路技術的迅猛發展大大增加了網路傳輸頻寬，網路的服務質量得到了顯著的改善。但與此同時各種新的業務層出不窮，網路用戶數量也在急劇增長。因此要採取必要的策略保證網路的服務質量。

軟交換的QoS策略是這樣的：對業務流按其業務性質進行分類標識，在排隊時相應處理。在信任邊界上每用戶、每個接口、每個媒體流採取相應的策略。採用RSVP協定進行端到端資源分配管理。

圖5是軟交換在整個網路平台上的QoS策略示意圖。

在接入層：每個流的預約狀態得到保存；每個流採用一定的策略。

在邊緣層：邊緣路由器根據RSVP請求執行DSCP策略，並且對它分類標識。

圖5 軟交換系統QoS策略示意圖

在核心層：按流的標識進行排隊。

軟交換機使用RSVP協定時，控制呼叫信令。比如：在兩個方向上申請資源分配；直到資源分配得到確認後再振鈴，如圖6。

圖6 軟交換和媒體網關之間的資源分配流程

進一步策略：

COPS-RSVP：當發起RSVP請求時，對照用戶策略進行檢查。也能提供和呼叫信令的紐帶，以確保RSVP請求和授權的呼叫相關聯。

相關協定

軟交換所支持的協定有；SIP、MEGACO/H.248、H.323、SIGTRAN等，下面簡單介紹兩個比較常用的協定SIP和H.248。

SIP協定

SIP(Session Initiation Protocol)是基於文本的簡單協定。它定義了網路設備之間發起、修改和終止會話過程，它主要管理多媒體會話，支持多種不同的業務。在多媒體通信過程中，SIP協定可以和RTP協定配合來傳輸媒體。SIP協定具有良好的可擴展性，有相當的潛力。

SIP協定有6條命令：

INVITE 通過邀請用戶來參與發起一次呼叫。

ACK 請求用於證實客戶機已收到對於INVITE請求的最終回響，和INVITE訊息配套使用。

BYE 客戶機用此方法指示釋放呼叫。

CANCEL 該方法用於取消一個尚未完成的請求，對於已完成的請求則無影響。

REGISTER 客戶使用該方法在伺服器上登記列於To欄位中的地址。客戶代理(Client Agent)在啟動時向地址“Sip.macst.net”(224.0.1.75)傳送REGISTER請求，以完成至本地伺服器的登記。

OPTIONS 用於詢問伺服器能力。

在SIP協定的網路構架中有三種比較重要的伺服器，分別是代理伺服器(Proxy Server)，重定向伺服器(Redirect Server)、註冊伺服器(Register Server)、位置伺服器(Location Server)。

代理伺服器的主要功能是代表客戶機向伺服器發出請求，代表伺服器向客戶機返迴響應。

重定向伺服器主要功能是當客戶機向它發出請求時，它會把地址映射成新地址返回給客戶機，它自己不發起請求，也不接受或終止呼叫。

註冊伺服器主要功能是接受用戶請求。

位置伺服器為代理服務或重定向伺服器提供被呼叫方的位置信息。

MEGACO/H.248

H.248協定(被稱為MEGACO協定)是在MGCP協定的基礎上發展來的，它是媒體網關控制器(MGC)和媒體網關(MG)之間通信的標準協定。它提供了控制媒體建立、連線、釋放的命令與保證這些命令執行的機制，同時也可以攜帶一些隨路呼叫信令，如CAS、R2等。

H.248協定有兩個重要概念：端點(Termination)和上下文(Context)。

① 端點(Termination)

端點是MG上的邏輯實體，它可以是媒體源、媒體接收器或者是控制流。比如它可以是TDM中的一個信道或RTP流。它可以用命令中的描述符中包含的一系列特徵、屬性來描述。在MG創建端點的時候，分配給每一個端點一個惟一的ID(Termination ID)。一個端點並不永久存在。

另外，與MGCP協定不同的是，整個MG也可以看作一個特殊的端點，協定中用ROOT表示，它代表著整個MG的一些屬性。特別是在MG上電時，它必須向Softswitch傳送ServiceChange命令進行註冊，其中的TerminationID必須為ROOT，Method必須為Restart。

② 上下文(Context)

上下文是一系列相互關聯的端點的集合。如果集合內端點多於兩個，它描述內部拓撲結構(定義端點之間的媒體流，端點是傳送方還是接收方，以及媒體在MG的入口、出口)、媒體混合或交換參數。上下文有4個屬性：ContextID，拓撲結構，優先權，緊急呼叫指示。

H.248協定有8條命令：

Add Add命令把一個端點加入一個上下文，一個上下文中的第一個端點的Add命令創建一個上下文。

Modify Modify命令修改一個端點的屬性、事件、信號。

Subtract Subtract命令把一個端點從它所在的上下文中斷開。一個上下文中的最後一個端點的Subtract命令刪除該上下文。

Move Move命令自動地把一個端點從一個上下文移到另一個上下文。

AuditValue AuditValue命令返回一個端點的屬性、事件、信號和統計信息。

AuditCapabilities AuditCapabilities命令返回MG允許端點所有可能的屬性、事件、信號。

Notify MG用Notify命令通知MGC在MG發生的事件。

ServiceChange MG用命令通知MGC一個或一組端點將要退出業務，或剛返回到業務。MG命令也可以被MG用來向MGC聲明自己的可用性，通知將要或已經重新啟動MG。

表1列出H.323、H.248、SIP協定的不同。

表1 H.323、H.248、SIP協定的不同

協定	H.323	H.248	SIP
目的	多媒體會議	控制媒體網關	多媒體會議
定義者	ITU-T	IETF	IETF
複雜度	高	中等	簡單
端點要求	智慧型	非智慧型	智慧型
與PSTN; 連線通過	網關	媒體網關+信令網關	外撥代理
訊息數	>100	<10	6
訊息格式	二進制	可讀文本	可讀文本
媒體描述		SDP	SDP
話音業務; 傳輸協定	RTP	RTP	RTP
信令傳輸	TCP	UDP	UDP/TCP

協定	H.323	H.248	SIP
性能	H.245支持多種傳輸方式	有限	有限
擴充性	困難	容易	容易

增值業務接口Parlay

Paraly是一套面向對象、獨立於技術和網路平台的規範體系，它支持同步和異步的方法調用。採用Paraly API規範，網路用戶可以自己開發和維護動態的電信套用業務。

為了支持異步操作，套用軟體提供方法給Parlay業務和框架結構接口調用，來報告和套用軟體請求相關聯的回響。

Parlay API接口由可以被套用軟體調用的方法組成。按照功能的不同，Parlay接口可以分成以下幾大類：

框架結構接口(Framework Interfaces)

提供獨立於特定業務的功能。

業務接口(Service Interfaces)

提供訪問下面網路層的接口。

公共管理接口(Common Interfaces)

其中，框架結構接口包括：

① 授權、認證接口

② 認證採用對等模式，即套用軟體認證Parlay框架結構，同時Parlay框架結構認證套用軟體。Parlay框架結構支持多種認證技術。認證過程採用加密算法處理保證保密性，並且由數字簽名來保證完整性。

③ 業務發現接口

④ 按照套用軟體的請求屬性和註冊業務的資料屬性發現離套用軟體最近的業務。

⑤ 事件通知接口

⑥ 通知套用軟體業務相關的事件已經發生。

⑦ 運營、管理和維護接口(OAM)

⑧ 查詢系統時間、日期。

業務接口包括：

①呼叫處理業務接口(Call Processing Interfaces)。

②通用訊息業務接口(Generic Messaging Interfaces)。

① 移動性業務接口(Mobility Service Interfaces)。

② 連通性管理業務接口(Connectivity Manager Service Interfaces)。

而作為業務接口主體的呼叫處理業務接口又可以分為：

① 通用業務接口(Generic Call Control Service Interfaces)，提供基本的呼叫控制業務功能，所有其他的業務接口繼承於該接口。

② 多方呼叫控制業務接口(Multiparty Call Control Service Interfaces)，提供多方呼叫業務功能。

③ 多媒體呼叫控制業務接口(Multimedia Call Control Service Interfaces)，提供多媒體業務功能。

④ 會議呼叫控制業務接口(Conference Call Control Service Interfaces)，提供遠程會議業務功能。

⑤ 通用用戶互動業務接口(Generic User Interaction Service Interfaces)，使套用軟體能和最終用戶進行互動。

③ 呼叫用戶互動業務接口(Call User Interaction Service Interfaces)，增強通用用戶互動業務接口功能。

如圖7所示，通過Parly API調用，套用軟體可以安全有效地訪問到網路資源。為第三方增值業務的開發提供了一條途徑。

圖7 Parlay API體系結構圖

綜上所述，軟交換技術可以把傳統的電話網、數據網無縫地連線起來，提供了承載話音、視頻、數據等多種媒體的平台，為平滑地向下一代網路過渡提供了必要的技術支撐。