【NGN學習筆記】2 軟交換技術

1.産生背景

a)交換技術是為了減少線路投資而采用的一種傳遞資訊的方法，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程控模拟空分交換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、資料傳遞、電路釋放   資料資訊透明傳送

    優點:時延小且确定、通信品質有保證、控制簡單

    缺點:

需要呼叫建立時間   每個連接配接帶寬固定（不能适應不同速率的業務）   資源使用率低（不傳資訊時也占用資源，不适合突   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，資源使用率高   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（動态）

     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

面向連接配接（連接配接建立/拆除、資料傳送、差錯控制）   與一次通信有關的全部分組沿着相同的實體通路傳送   資料傳送期間路由固定   時延小、控制簡單、不需排序，線路使用率低

    資料報

無連接配接方式，不建立連接配接   網絡對每個資料報進行選路   通信期間路由可變   靈活、線路使用率高   時延大、控制複雜、需排序

b)未來業務的需求:人們希望IP網能傳送資料、語音及更多更新的業務,要求産生業務提供與網絡控制、資料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，采用垂直業務提供方式。存在缺陷：基于SCP的業務控制體系是一種集中式的控制結構，不适合未來的分布式網絡環境；INAP/MAP業務控制協定複雜，業務開發和部署慢  

相關标準不适合基于IP的融合網絡業務的需求；控制系統基于SS7，與業務相綁定，成為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、可擴充性和高效性

SCN與IP網的翻譯功能

媒體翻譯（語音和帶内信令）

信令翻譯（帶外信令）

呼叫控制功能

分布式分層網絡架構：

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、呼叫處理及信令協定互通

Media Gateway (MG)：負責媒體資訊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 端和網關的注冊、允許和狀态控 制、帶寬控制和管理、域管理、呼 叫處理和呼叫信令、位址解析等。

Back-End Services (BES)：提供認證、計費、位址解析、安全和路由功能。BES可以由SCN或IP網的裝置提供。

2.發展曆程

20世紀90年代中期由朗訊公司的貝爾實驗室提出，初期經曆了三個階段

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，利用它可以建構下一代網絡，稱之為軟交換系統或基于軟交換的下一代網絡。

狹義的軟交換（呼叫伺服器）：特指基于軟體提供呼叫控制功能的實體，為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配接控制功能，是下一代網絡呼叫與控制的核心，獨立于傳輸網絡。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差別

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：負責将各種不同的外部網絡和終端裝置接入軟交換體系結構，将各種業務量集中後，利用公共的分組傳送平台進行傳送。

核心傳送層：核心傳送層又稱為核心交換層或承載連接配接層，對各種不同的業務和媒體（語音、資料、視訊等）提供公共的寬帶傳送通道，采用分組交換技術對媒體進行交換和路由。

網絡控制層:其網絡部件為軟交換裝置，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位址解析與路由功能、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使用者提供各種增值業務，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為使用者提供豐富多彩的網絡業務。

3.軟交換的主要裝置

1）通覽：

a）接入層裝置包括各種不同的網絡、終端裝置以及各種将它們接入軟交換系統的網關裝置。

網絡：PSTN、PLMN、ATM、幀中繼網等

終端裝置：傳統分組終端、模拟電話終端、

SIP/H.323/MGCP IP智能終端等

網關裝置：各種中繼網關（PSTN/ATM/無線中繼媒體網關等）、信令網關、綜合接入裝置等

b）核心傳送層：主要網絡裝置為标準的IP路由器或ATM交換機，以及連接配接這些裝置的傳輸裝置施

c）控制層：軟交換裝置

d）業務應用層：應用伺服器、媒體伺服器、SCP、特征伺服器、政策伺服器、AAA伺服器、目錄伺服器、資料庫伺服器、網管伺服器等。

2）詳述：

a）媒體網關 (MG- -Media Gateway)

職責：負責将各種傳統網絡接入核心分組傳送網絡。

工作：将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)：用于PSTN/ISDN、PLMN等的中繼接入

綜合接入媒體網關，簡稱接入網關(AG)：用于各種終端和接入網的接入，包括模拟使用者、ADSL使用者、區域網路使用者、V5接口接入等

功能：

使用者或網絡接入功能：負責各種使用者裝置和網絡的綜合接入，具有音信号檢測和生成功能、檢測使用者摘挂機等狀态的變化，并向軟交換裝置報告

接入核心傳送網絡功能：通過IP或ATM方式接入核心傳送網。在采用IP接入時，可能還需要提供QoS能力。

媒體流映射功能：将來自傳統網絡的媒體流格式映射為IP/ATM網絡要求的媒體流格式，支援ATM的AAL1、AAL2、AAL5媒體适配，支援基于IP的RTP/RTCP實時媒體封裝。

媒體處理功能：支援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，特别是與業務相關的動作（包括選擇語音壓縮算法、檢測和處理特殊信号音、網關資源的配置設定和管理等），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系決定了它們之間控制協定的重要性，MGCP和H.248/Megaco就是軟交換和媒體網關之間的控制協定。

管理和統計功能：收集相關資訊，向軟交換裝置和網管系統報告相關的統計資訊。裝置相關的統計資訊：系統資源的占用情況、成功的呼叫連接配接次數、失敗的呼叫連接配接次數等。端口相關的統計資訊：中繼端口的占用情況、IP/ATM端口的帶寬使用情況、端口相應的媒體流的統計資訊等。連接配接或終節點相關的統計資訊：發送、接收和丢失的RTP包數、平均時延，發送、接收、丢失的ATM信元數、丢失率和誤差率等。

關鍵技術：

分組語音技術：将來自電路交換網的模拟或數字化的語音信号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：支援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。視訊H.261、H.263、H.264等  

支援靜音檢測、回聲消除、分組丢失補償等技術，以改善語音品質。

實時傳輸技術：支援RTP/RTCP協定來提供實時媒體傳輸。

網絡協定技術：

控制層接口協定：MGCP、H.248/Megaco

使用者接入協定：V5.2、V5UA、DSS1、IUA

核心網接入協定：ATM、IP、DiffServ、RSVP

網絡管理協定：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：實作軟交換網絡與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協定上封裝和傳輸SCN信令提供SS7信令點和軟交換裝置之間雙向的信令接口，實作SCN信令消息的中繼、轉換或終結處理。信令網關隻完成承載轉換，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

使用者信令網關

SS7信令網關功能：SS7信令網關通過其适配功能完成SS7信令網絡層與IP網中SIGTRAN協定棧的互通。SS7信令高層協定消息（ISUP、TCAP等）通過IP（SIGTRAN）封裝以隧道方式被透明傳送到軟交換裝置進行協定分析和轉換。SS7信令網關需要支援SS7協定棧以及SIGTRAN協定棧：在SCN側，能夠發送和接收标準的SS7信令協定；在IP側，通過SIGTRAN協定，完成SS7信令在IP網絡側的封裝。

SS7協定棧結構

SIGTRAN 協定棧結構：由IETF定義，用于在IP網上SG與MGC之間傳送電話信令統一的結構、子產品化設計公共的可靠傳輸協定SCTP。對不同的PSTN控制協定，采用不同的适配子產品提供标準的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、多傳輸位址  

M3UA：在SG和MGC之間适配MTP3使用者部分消息，即向MGC提供标準的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消息的子產品  

SUA：在SG和MGC間雙向傳送資料庫查詢和結果，提供端到端路由功能  

IUA：允許在IP上傳送Q.921使用者信令消息，如Q.931

架構分析：SIGTRAN構架是在流控傳輸協定（SCTP）上加一個使用者适配層（UAL）。使用者适配層是由多個适配子產品所組成。它們分别為上層現有的電話使用者/應用提供原來的原語接口（如管理訓示，資料操作等原語），并把上層特定信令協定打包在SCTP上傳輸。SCTP基于标準的網際網路協定（IPv4，IPv6）之上。圖中粉紅色部分為SIGTRAN的協定棧，在它們之上的是對應的電話信令協定。SIGTRAN的協定棧分為2層：一層是SCTP，它提供多個流的，可靠的資料傳輸，使用者資料的捆綁和分段，阻塞和流量控制，防止“拒絕服務”和“僞裝”的攻擊等功能。另一層是使用者适配層，圖中由SUA、M3UA、M2UA、 M2PA、IUA和V5UA五個适配子產品所組成，它們分别來滿足各種電話信令協定适配的要求。

實體部署：

與軟交換合設：無需使用SIGTRAN協定，信令傳送可靠、安全。應用受限，适合SS7鍊路集中地區。  

與媒體網關合設：沒有展現網關分解的優勢，适合小規模網絡互通，節省信令網關建設成本。  

獨立設定：主流方式，組網靈活  

應用

支援連接配接控制的應用  

支援遠端資料通路的應用  

使用者信令網關：主要用于ISDN使用者、V5接口使用者等接入IP網用，通常與MG位于同一實體裝置中  

c）綜合接入裝置(IAD)

定義：IAD是軟交換系統中的接入層使用者裝置，用于。将傳統非智能終端接入軟交換網絡，适用于小容量、較為分散的局部使用者業務的接入，接入方式靈活，适用範圍廣，IAD的使用者端口數一般不超過48個。

根據采用的技術：基于VoIP（網絡側采用以太網接口）；基于VoDSL（網絡側采用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）

模拟使用者電路功能

呼叫處理功能：受軟交換裝置的控制

協定處理功能：H.248、RTP/RTCP，支援TCP、UDP、IP、DSL相關協定

媒體控制功能

業務支援功能

語音處理功能

資料處理功能語音

QoS的管理功能

管理維護功能

接入方式：  

d）軟交換裝置

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、連接配接控制、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，并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資訊，支援呼叫的建立和監視。

媒體控制功能：識别媒體網關報告的使用者摘機、挂機等事件，控制媒體網關進行資源連接配接、發送各種信号音等。直接與H.323終端及SIP終端進行連接配接的能力，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台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别，管理呼叫控制功能與SCF間的信令，按要求修改呼叫/連接配接處理功能等。

協定功能：

呼叫控制協定：ISUP、TUP、BICC、SIP、SIP-T、SIP-I、H.323等

傳輸控制協定：TCP、UDP、SCTP/SIGTRAN

媒體控制協定：H.248、MGCP、SIP

業務應用協定：PARLAY、JAIN、SIP、INAP、MAP、LDAP、RADIUS、Diameter等

維護管理協定：SNMP、COPS等  

互通功能：同時支援H.323協定和SIP協定體系結構，實作兩種體系結構網絡和業務的互通，為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配置設定和管理，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裝置進行認證、授權,采集計費資訊，向計費伺服器提供呼叫詳細話單。

操作維護功能：

配置管理：檢視媒體網關、檢視中繼線及中繼組配置，路由的配置

客戶服務：檢視配置的電話号碼，以及相應号碼所開通的業務

系統監控：檢視系統程序資訊和中繼資源資訊

安全管理：不同使用者可以授予不同權限告警系統：檢視各類曆史告警紀錄

人機指令互動功能：通過OAM的人機指令終端，發送管理指令，并檢視結果

位址解析及路由功能：

E.164位址至IP位址的解析

SIP URI至IP位址的解析

呼叫重定向功能

預設路由功能

功能結構：  

e）應用伺服器 (AS- -Application Server)：負責各種增值業務的邏輯産生和管理,提供開放的APIs，為第三方業務的開發提供統一的創作平台,處理與軟交換間的接口和信令協定，是一個獨立的部件，與控制層的軟交換裝置無關。

f）媒體伺服器

功能：用于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。

媒體伺服器與媒體網關的差別：

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。

一個媒體網關通常隻受控于一個軟交換實體媒體伺服器通常是作為軟交換的一個從屬裝置，執行基于媒體流的媒體處理過程

一個媒體伺服器可以同時受控于多個軟交換實體，提供多項并發的編解碼和代碼轉換工作媒體伺服器可以置于網絡邊緣或核心。

位置：

4.軟交換的應用

在固網的應用

在移動網的應用：

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