二、軟交換技術

文章轉載於：http://www.cnblogs.com/gnuhpc/archive/2012/12/11/2813475.html

1.產生背景

a)交換技術是爲了減少線路投資而採用的一種傳遞信息的方法，有兩種主要的交換模式：電路交換和分組交換

電路交換:人工交換Æ半自動交換Æ自動交換Æ程控模擬空分交換Æ程控數字時分交換

特點:

實時的交換方式，具有固定/專用的通信信道
通信分三步：電路建立、數據傳遞、電路釋放
數據信息透明傳送

優點:時延小且確定、通信質量有保證、控制簡單

缺點:

需要呼叫建立時間
每個連接帶寬固定（不能適應不同速率的業務）
資源利用率低（不傳信息時也佔用資源，不適合突
發業務）

分組交換:X.25Æ幀中繼ÆATM、IPÆMPLS

特點:存儲轉發交換方式
優點

帶寬可變、靈活
統計複用，資源利用率高
可提供速率變換
無阻塞（業務量大時時延長）
可提供優先機制（動態）

缺點

網絡功能複雜
語音業務傳輸時延大，QoS難以保證

兩種技術形式
虛電路

面向連接（連接建立/拆除、數據傳送、差錯控制）
與一次通信有關的全部分組沿着相同的物理通路傳送
數據傳送期間路由固定
時延小、控制簡單、不需排序，線路利用率低

數據報

無連接方式，不建立連接
網絡對每個數據報進行選路
通信期間路由可變
靈活、線路利用率高
時延大、控制複雜、需排序

b)未來業務的需求:人們希望IP網能傳送數據、語音及更多更新的業務,要求產生業務提供與網絡控制、數據承載相分離的新一代網絡和業務體系結構.而傳統智能網的應用環境是一個封閉的電路交換網，採用垂直業務提供方式。存在缺陷：基於SCP的業務控制體系是一種集中式的控制結構，不適合未來的分佈式網絡環境；INAP/MAP業務控制協議複雜，業務開發和部署慢
相關標準不適合基於IP的融合網絡業務的需求；控制系統基於SS7，與業務相綁定，成爲網絡瓶頸業務體系結構封閉，第三方業務提供商接入困難，業務無法移植。

c）IP 電話網關分解模型的提出

IP電話網關的位置：

功能模型：主要考慮靈活性、可擴展性和高效性

SCN與IP網的翻譯功能

媒體翻譯（語音和帶內信令）
信令翻譯（帶外信令）

呼叫控制功能

分佈式分層網絡架構：

Signaling Gateway (SG)：進行PSTN與IP網間的信令翻譯
Media Gateway Controller (MGC)：提供呼叫和承載控制功能、呼叫處理及信令協議互通
Media Gateway (MG)：負責媒體信息的映射和轉換的網絡單元。提供承載和媒體控制功能。
Gatekeeper (GK)：提供呼叫和業務控制功能，包括終端和網關的註冊、允許和狀態控制、帶寬控制和管理、域管理、呼叫處理和呼叫信令、地址解析等。
Back-End Services (BES)：提供認證、計費、地址解析、安全和路由功能。BES可以由SCN或IP網的設備提供。

2.發展歷程

20世紀90年代中期由朗訊公司的貝爾實驗室提出，初期經歷了三個階段

第一段段：實驗室階段
第二階段：推向市場階段
第三階段：規模化商用階段

軟交換技術的應用和進一步發展

固定軟交換
移動軟交換
IMS

3.軟交換的概念和體系結構

1）軟交換的概念

廣義的軟交換（軟交換系統）：泛指一種體系結構，利用它可以構建下一代網絡，稱之爲軟交換系統或基於軟交換的下一代網絡。
狹義的軟交換（呼叫服務器）：特指基於軟件提供呼叫控制功能的實體，爲下一代網絡提供具有實時性要求的業務的呼叫控制和連接控制功能，是下一代網絡呼叫與控制的核心，獨立於傳輸網絡。與PSTN交換機不同的是，軟交換提供的呼叫控制功能與業務無關，是各種業務的基本控制功能。
軟交換隻提供控制功能，不提供媒體交換功能

2）與傳統電路交換機的區別

3）體系結構：核心思想——呼叫與承載分離、業務與控制分離

接入層：負責將各種不同的外部網絡和終端設備接入軟交換體系結構，將各種業務量集中後，利用公共的分組傳送平臺進行傳送。
核心傳送層：核心傳送層又稱爲核心交換層或承載連接層，對各種不同的業務和媒體（語音、數據、視頻等）提供公共的寬帶傳送通道，採用分組交換技術對媒體進行交換和路由。
網絡控制層:其網絡部件爲軟交換設備，其主要功能包括呼叫控制功能、媒體控制功能、業務提供、互通功能、資源管理、認證和計費、操作維護以及其他如地址解析與路由功能、與移動相關的功能等。
業務/應用層：在呼叫控制的基礎上向最終用戶提供各種增值業務，包括業務提供、業務生成、業務管理和維護、認證、計費等功能，利用低層的各種網絡資源爲用戶提供豐富多彩的網絡業務。

3.軟交換的主要設備

1）通覽：

a）接入層設備包括各種不同的網絡、終端設備以及各種將它們接入軟交換系統的網關設備。

網絡：PSTN、PLMN、ATM、幀中繼網等
終端設備：傳統分組終端、模擬電話終端、
SIP/H.323/MGCP IP智能終端等
網關設備：各種中繼網關（PSTN/ATM/無線中繼媒體網關等）、信令網關、綜合接入設備等

b）核心傳送層：主要網絡設備爲標準的IP路由器或ATM交換機，以及連接這些設備的傳輸設備施

c）控制層：軟交換設備

d）業務應用層：應用服務器、媒體服務器、SCP、特徵服務器、策略服務器、AAA服務器、目錄服務器、數據庫服務器、網管服務器等。

2）詳述：

a）媒體網關 (MG- -Media Gateway)

職責：負責將各種傳統網絡接入核心分組傳送網絡。
工作：將一種網絡中的媒體格式轉換成另一種網絡所要求的媒體格式，如提供電路交換網絡的承載通道（線路、中繼）和分組網絡（IP、ATM）的媒體流之間的轉換，包括語音壓縮、傳真中繼、回聲消除和數字檢測等。
分類：
- 中繼媒體網關(TMG)：用於PSTN/ISDN、PLMN等的中繼接入
- 綜合接入媒體網關，簡稱接入網關(AG)：用於各種終端和接入網的接入，包括模擬用戶、ADSL用戶、局域網用戶、V5接口接入等
功能：
- 用戶或網絡接入功能：負責各種用戶設備和網絡的綜合接入，具有音信號檢測和生成功能、檢測用戶摘掛機等狀態的變化，並向軟交換設備報告
- 接入核心傳送網絡功能：通過IP或ATM方式接入核心傳送網。在採用IP接入時，可能還需要提供QoS能力。
- 媒體流映射功能：將來自傳統網絡的媒體流格式映射爲IP/ATM網絡要求的媒體流格式，支持ATM的AAL1、AAL2、AAL5媒體適配，支持基於IP的RTP/RTCP實時媒體封裝。
- 媒體處理功能：支持G.711、G.729、G.723.1等語音編解碼算法和靜音抑制、回聲消除、去抖動等技術
- 受控操作功能：媒體網關受軟交換的控制，它絕大部分的動作，特別是與業務相關的動作（包括選擇語音壓縮算法、檢測和處理特殊信號音、網關資源的分配和管理等），都是在軟交換的控制下完成的。媒體網關和軟交換之間的特殊關係決定了它們之間控制協議的重要性，MGCP和H.248/Megaco就是軟交換和媒體網關之間的控制協議。
- 管理和統計功能：收集相關信息，向軟交換設備和網管系統報告相關的統計信息。設備相關的統計信息：系統資源的佔用情況、成功的呼叫連接次數、失敗的呼叫連接次數等。端口相關的統計信息：中繼端口的佔用情況、IP/ATM端口的帶寬使用情況、端口相應的媒體流的統計信息等。連接或終節點相關的統計信息：發送、接收和丟失的RTP包數、平均時延，發送、接收、丟失的ATM信元數、丟失率和誤差率等。
關鍵技術：
- 分組語音技術：將來自電路交換網的模擬或數字化的語音信號轉換成一定長度的分組，通過IP/ATM網絡進行交換和傳送。
- 語音編碼技術：支持G.711、G.728、G.729/A/B、G.723.1、GSM全速率、GSM半速率等多種語音編解碼算法，滿足不同的需求。視頻H.261、H.263、H.264等
  支持靜音檢測、回聲消除、分組丟失補償等技術，以改善語音質量。
- 實時傳輸技術：支持RTP/RTCP協議來提供實時媒體傳輸。
- 網絡協議技術：
  - 控制層接口協議：MGCP、H.248/Megaco
  - 用戶接入協議：V5.2、V5UA、DSS1、IUA
  - 核心網接入協議：ATM、IP、DiffServ、RSVP
  - 網絡管理協議：SNMP
應用場景
- 中繼媒體網關的應用場景

- 接入網關的應用場景

b）信令網關 (SG- -Signaling Gateway)

工作職責：實現軟交換網絡與SCN信令網的互聯互通。主要解決SCN信令從電路網傳輸到IP網傳輸的問題，即在IP協議上封裝和傳輸SCN信令提供SS7信令點和軟交換設備之間雙向的信令接口，實現SCN信令消息的中繼、轉換或終結處理。信令網關只完成承載轉換，不進行信令轉換，真正的信令轉換工作是由軟交換來完成的。
信令網關分類：
- SS7信令網關
- 用戶信令網關
SS7信令網關功能：SS7信令網關通過其適配功能完成SS7信令網絡層與IP網中SIGTRAN協議棧的互通。SS7信令高層協議消息（ISUP、TCAP等）通過IP（SIGTRAN）封裝以隧道方式被透明傳送到軟交換設備進行協議分析和轉換。SS7信令網關需要支持SS7協議棧以及SIGTRAN協議棧：在SCN側，能夠發送和接收標準的SS7信令協議；在IP側，通過SIGTRAN協議，完成SS7信令在IP網絡側的封裝。
- SS7協議棧結構

- SIGTRAN 協議棧結構：由IETF定義，用於在IP網上SG與MGC之間傳送電話信令統一的結構、模塊化設計公共的可靠傳輸協議SCTP。對不同的PSTN控制協議，採用不同的適配模塊提供標準的SS7消息原語接口。

SCTP：提供SS7信令在IP上的可靠傳送。對TCP進行了如下改進：可靠傳遞、靈活排序、多傳輸地址
M3UA：在SG和MGC之間適配MTP3用戶部分消息，即向MGC提供標準的ISUP、TUP等呼叫控制消息
M2UA：在SG和MGC間雙向傳送MTP3及其上層消息
M2PA：在對等層（如SSP-SSP、SSP-STP、STP-STP）可選地傳送MTP3消息的模塊
SUA：在SG和MGC間雙向傳送數據庫查詢和結果，提供端到端路由功能
IUA：允許在IP上傳送Q.921用戶信令消息，如Q.931
架構分析：SIGTRAN構架是在流控傳輸協議（SCTP）上加一個用戶適配層（UAL）。用戶適配層是由多個適配模塊所組成。它們分別爲上層現有的電話用戶/應用提供原來的原語接口（如管理指示，數據操作等原語），並把上層特定信令協議打包在SCTP上傳輸。SCTP基於標準的互聯網協議（IPv4，IPv6）之上。圖中粉紅色部分爲SIGTRAN的協議棧，在它們之上的是對應的電話信令協議。SIGTRAN的協議棧分爲2層：一層是SCTP，它提供多個流的，可靠的數據傳輸，用戶數據的捆綁和分段，阻塞和流量控制，防止“拒絕服務”和“僞裝”的攻擊等功能。另一層是用戶適配層，圖中由SUA、M3UA、M2UA、 M2PA、IUA和V5UA五個適配模塊所組成，它們分別來滿足各種電話信令協議適配的要求。

- 物理部署：
- 與軟交換合設：無需使用SIGTRAN協議，信令傳送可靠、安全。應用受限，適合SS7鏈路集中地區。
- 與媒體網關合設：沒有體現網關分解的優勢，適合小規模網絡互通，節省信令網關建設成本。
- 獨立設置：主流方式，組網靈活
- 應用
  - 支持連接控制的應用
  - 支持遠程數據訪問的應用

用戶信令網關：主要用於ISDN用戶、V5接口用戶等接入IP網用，通常與MG位於同一物理設備中

c）綜合接入設備(IAD)

定義：IAD是軟交換系統中的接入層用戶設備，用於。將傳統非智能終端接入軟交換網絡，適用於小容量、較爲分散的局部用戶業務的接入，接入方式靈活，適用範圍廣，IAD的用戶端口數一般不超過48個。
分類：
- 根據採用的技術：基於VoIP（網絡側採用以太網接口）；基於VoDSL（網絡側採用DSL接口，通過DSLAM接入軟交換網絡）
- 根據容量大小：家庭型（一個Z接口和一個以太網接口）；樓層型（5至6個Z接口和一個以太網接口）；企業型（十幾個至幾十個Z接口）
功能：
- 模擬用戶電路功能
- 呼叫處理功能：受軟交換設備的控制
- 協議處理功能：H.248、RTP/RTCP，支持TCP、UDP、IP、DSL相關協議
- 媒體控制功能
- 業務支持功能
- 語音處理功能
- 數據處理功能語音
- QoS的管理功能
- 管理維護功能
接入方式：

d）軟交換設備

功能：
- 呼叫控制：軟交換的重要功能之一，提供各種業務的基本控制功能，完成基本呼叫的建立、保持和釋放，包括呼叫處理、連接控制、智能呼叫的檢出和觸發、資源控制等。接收來自業務交換功能的監視請求，並對其中與呼叫相關的事件進行處理；接收來自業務交換功能的呼叫控制相關信息，支持呼叫的建立和監視。
- 媒體控制功能：識別媒體網關報告的用戶摘機、掛機等事件，控制媒體網關進行資源連接、發送各種信號音等。直接與H.323終端及SIP終端進行連接的能力，以提供相應的業務。
- 業務提供功能：提供PSTN/ISDN交換機提供的全部業務，包括基本業務及傳統的補充業務,與現有智能網配合提供現有智能網提供的業務,提供開放接口(如Parlay API)接入第三方業務的能力。
- 業務交換功能：提供類似智能網SSP的功能，與呼叫控制功能相結合，提供呼叫控制功能和業務提供平臺之間進行通信所要求的一系列功能，包括業務控制出發的識別，管理呼叫控制功能與SCF間的信令，按要求修改呼叫/連接處理功能等。
- 協議功能：
  - 呼叫控制協議：ISUP、TUP、BICC、SIP、SIP-T、SIP-I、H.323等
  - 傳輸控制協議：TCP、UDP、SCTP/SIGTRAN
  - 媒體控制協議：H.248、MGCP、SIP
  - 業務應用協議：PARLAY、JAIN、SIP、INAP、MAP、LDAP、RADIUS、Diameter等
  - 維護管理協議：SNMP、COPS等
- 互通功能：同時支持H.323協議和SIP協議體系結構，實現兩種體系結構網絡和業務的互通，爲了沿用已有的智能業務和PSTN業務，軟交換還應提供與IN及PSTN/ISDN的互通與其它軟交換網絡的互通，包括域間互通、網間互通。
- 資源管理功能：軟交換可以對網絡帶寬資源進行分配和管理，資源管理可以通過SDP協商。
- 認證、授權和計費功能：對接入軟交換系統的設備進行認證、授權,採集計費信息，向計費服務器提供呼叫詳細話單。
- 操作維護功能：
  - 配置管理：查看媒體網關、查看中繼線及中繼組配置，路由的配置
  - 客戶服務：查看配置的電話號碼，以及相應號碼所開通的業務
  - 系統監控：查看系統進程信息和中繼資源信息
  - 安全管理：不同用戶可以授予不同權限告警系統：查看各類歷史告警紀錄
  - 人機命令交互功能：通過OAM的人機命令終端，發送管理命令，並查看結果
- 地址解析及路由功能：
  - E.164地址至IP地址的解析
  - SIP URI至IP地址的解析
  - 呼叫重定向功能
  - 預設路由功能
功能結構：

e）應用服務器 (AS- -Application Server)：負責各種增值業務的邏輯產生和管理,提供開放的APIs，爲第三方業務的開發提供統一的創作平臺,處理與軟交換間的接口和信令協議，是一個獨立的部件，與控制層的軟交換設備無關。

f）媒體服務器

功能：用於提供一些特殊的資源，如IVR、會議橋和傳真等，處理與媒體網關間的承載接口。
媒體服務器與媒體網關的區別：
- 媒體網關是IP網的一個端點或端點的集合，主要完成媒體格式的轉換，如電路方式->分組方式。
- 一個媒體網關通常只受控於一個軟交換實體媒體服務器通常是作爲軟交換的一個從屬設備，執行基於媒體流的媒體處理過程
- 一個媒體服務器可以同時受控於多個軟交換實體，提供多項併發的編解碼和代碼轉換工作媒體服務器可以置於網絡邊緣或核心。
位置：