众望所归—基于IP软交换的关键技术与协议_NGN及软交换

众望所归—基于IP软交换的关键技术与协议

北京邮电大学战晓苏 2004/03/26

　　软交换技术结合了传统的语音网络的可靠性和新兴的IP技术的灵活性与有效性优点，能使现有公共交换电话网的能力发挥得淋漓尽致，并使公共交换电话网稳步地实现向IP数据网的转移。

　　基于IP软交换的技术特点

　　软交换技术的产生主要基于以下三方面技术的发展：

　　一是IP技术应用于通信领域，成功地研究出基于VoIP技术的IP电话。

　　二是将电信网络中的互联设备——网关功能分解为两部分：一部分只负责不同网络的媒体格式的适配转换，称之为媒体网关（MGW）；另一部分是网关的所有控制功能单独设置，称之为媒体网关控制器（MGC）。

　　三是智能网技术。智能网将业务控制和呼叫控制分离，提出了独立于交换网络的业务控制架构。

　　上述三方面技术为软交换技术的产生奠定了技术基础。

软交换技术的主要特点如下：

·呼叫控制与承载分离。软交换技术的基本思想是把呼叫控制功能从媒体网关（传输层）中分离出来，通过服务器上的软件实现基本呼叫控制功能，使得呼叫控制功能与承载网络之间无过多的依存关系，这在当前多网并存的情况下，为实现承载层网络融合提供了有利条件。

　　软交换实现的呼叫控制功能包括呼叫选路、管理控制、连接控制（建立/拆除会话）和信令互通（如从No.7到IP）等。

·业务控制与呼叫控制分离。它使业务真正地从网络中独立出来，为缩短新业务开发周期提供了良好的条件。业务控制与呼叫控制分离使软交换具备了灵活的业务提供方式，用户可以自行配置和定义自己的业务特征，不必关心承载业务的网络形式以及终端类型，真正实现“业务由用户编程实现”的设想。

·采用开放式业务接口（API）及标准协议。软交换把网络资源、网络能力封装起来，通过标准开放的业务接口与业务应用层相连。各功能实体（控制层设备和传输层设备）之间通过标准的协议进行连接与通信，使业务提供者自由地将传输业务与控制协议相结合，实现业务转移。这样，下一代网络中的功能部件就可以独立发展、扩容和升级，也使各运营商可以根据自己的需要，全部或部分地利用软交换体系的产品，采用适合自己的网络解决方案。

软交换技术参考模型

　　图1为ISC（国际软交换协会）推荐的软交换技术参考模型，这一参考模型涉及到传输平面、控制平面、应用平面、数据平面和管理平面等五个平面。

　　传输平面处于最底层，负责语音视频等具体承载数据的传送，包括交换功能、逻辑端口功能、适配功能和物理信令功能等，与传输平面相关的参考点有A、B、C。其中：A为信令信道，采用IETF IPS7协议；Ｂ参考点处于逻辑端口功能和设备控制功能之间，采用MGCP、MeGaCo、IPDC、Q.931等协议；C参考点采用VSI、GSMP等协议。传输平面与外部的接口1采用TDM话路或分组链路，包括带内信令。

　　控制平面处于第二层，提供控制功能，如信令处理、承载连接控制、设备控制、呼叫腿（Leg）控制、网守（Gatekeeper）和代理信令等功能。其中：参考点D位于信令处理功能和数据库功能之间，采用TCAP信令；参考点Ｅ在信令处理功能和会话控制功能之间，采用TCAP信令，用于IN请求等传送，业务逻辑对呼叫的控制等消息传送；参考点F1、F2分别采用呼叫控制API和承载连接控制API，如TAPI、JTAPI等。控制平面与外界的接口2采用H.323（H.225/H.245）、SIP、TCAP（TCAP/SCCP/M3UA/SCTP/IP）等协议和信令。

　　第三层应用平面提供业务和应用控制功能，包括会话控制、业务逻辑、翻译、路由及策略等功能。其中：H参考点介于会话控制功能和业务逻辑功能之间，采用JAIN、Parlay等公共API；G参考点和I参考点采用TCAP、LDAP等协议；J参考点尚未定义。应用平面与外界的接口3采用H.323（H.225）、SIP、JCAT等协议。

　　数据平面提供数据库功能，如计费服务，其具体功能、参考点和接口另文讨论。

　　管理平面提供管理功能，包括对网络操作/控制、网络鉴权、网络维护和网络实体等管理，管理接口采用SNMP v2、CMIP等协议。

　　基于软交换技术网络的体系结构

　　基于软交换的网络体系结构分成媒体接入层、传输服务层、控制层和业务应用层，软交换的核心位于控制层。

·媒体接入层：设有各种网关，用于实现异构网络到核心传输网以及异构网络之间的互连互通。

　　媒体网关负责管理PSTN与分组数据网络之间的互通，以及不同媒体、信令的相互转换（协议分析、语音编解码、回声消除、数字检测和传真转发等）。

　　信令网关负责提供SS7信令网络（SS7链路）和分组数据网络之间的交换（包括协议ISUP、TCAP等的转换）。

　　无线网关负责移动通信网到分组数据网络的交换。

　　软交换通过提供基本的呼叫控制和信令处理功能，对网络中的传输和交换资源进行分配和管理，在这些网关之间建立呼叫或进行已定义的其他复杂处理，并生成本次处理的详细记录。

·传输服务层：提供各种信令和媒体流传输的通道。基于软交换技术的混合网络的传输网可以是IP、ATM或其他任何类型的分组网络，但是更倾向使用IP分组网。

·控制层：提供呼叫控制、连接控制和协议处理能力，并为业务应用层提供访问底层各种网络资源的开放式接口。IP网络用于传统数据业务时没有呼叫连接的概念，但是用于电信业务时，通信双方还是需要先建立某种联系（如确定对方端口地址）。这种联系控制机制在IP网络中被称为会话控制，类似于电信中的呼叫控制。

　　控制层组成主要是软交换设备。软交换通过与各种媒体网关的交互作用，实现不同网络之间的业务层融合。

·业务应用层：决定提供和生成哪些业务，并通知控制层做出相应的处理。该层有多种业务生成服务器，提供各种业务控制逻辑，完成增值业务处理。

　　应用服务器提供执行、管理、生成业务的平台，负责处理与控制层中软交换的信令接口；驻留在应用服务器内的应用程序接口（API），为下面的业务和交换功能提供接入和生成的手段；应用服务器也可单独生成和提供各种各样增强的业务。

　　媒体服务器用于提供专用媒体资源（IVR、会议、传真）的平台，并负责处理与媒体网关的承载接口。

　　基于软交换技术的混合网络采用分层、开放的体系结构，使上层业务与底层的异构网络无关，体现了业务驱动的理念，为实现多网融合和灵活的业务提供创造了条件。

　　与软交换技术密切相关的协议

　　软件交换技术的目标是建设一个能够提供话音、数据、多媒体等多种业务的，集通信、信息、电子商务、娱乐于一体，满足自由通信的分组融合网络。为了实现这一目标，IETF、ITU-T、ISC、IPCC制定并不断完善系列标准协议，如H.248/Megaco、SIP、BICC、SIGTRAN、H.323等。

1. 主要协议

　　（1）SIP协议（Session Initiation Protocol，会话初始协议） IETF制定的多媒体通信系统框架协议之一，它是一个基于文本的应用层控制协议，独立于底层协议，用于建立、修改和终止IP网上的双方或多方多媒体通信，即多媒体业务域间采用SIP协议。SIP是在SMTP（简单邮件传送协议）和HTTP（超文本传送协议）基础之上建立起来的。SIP用来生成、修改和终结一个或多个参与者之间的会话。这些会话包括因特网多媒体会议，因特网（或任何IP网络）电话呼叫和多媒体发布。为了提供电话业务，SIP还需要不同标准和协议的配合，例如，实时传输协议（RTP）、能够确保语音质量的RSVP、能够提供目录服务的LDAP、能够鉴权用户的RADIUS，并实现与当前电话网络的信令互联等。

　　SIP协议借鉴了HTTP、SMTP等协议，还与RTCP、SDP、RTSP、DNS等协议配合，支持代理、重定向、登记定位用户等功能，支持用户移动。

　　（2）BICC协议（Bearer Independent Call Control protocol, BICC协议）解决了呼叫控制和承载控制分离的问题，使呼叫控制信令在各种网络上承载，包括MTP SS7网络、ATM网络、IP网络。BICC协议由ISUP演变而来，是传统电信网络向综合多业务网络演进的重要支撑工具，即电话业务域和多媒体业务域间采用BICC协议。

　　BICC协议由CS1（能力集1）逐步向CS2、CS3发展。CS1支持呼叫控制信令在MTP SS7、ATM上的承载，CS2增加了在IP网上的承载，CS3则关注MPLS、IP QoS等承载应用质量以及与SIP的互通问题。

　　（3）H.248/Megaco（Media Gataway Control Protocal） IETF、ITU-T制定的媒体网关控制协议，用于媒体网关控制器和媒体网关之间的通信。H.248协议又称为MeGaCo/H.248。

　　H.248/Megaco协议是网关分离概念的产物。网关分离的核心是业务和控制分离，控制和承载分离。这样使业务、控制和承载可独立发展，运营商在充分利用新技术的同时，还可提供丰富多彩的业务，通过不断创新的业务提升网络价值。

　　H.248/Megaco是在MGCP协议（RFC2705定义）的基础上，结合其他媒体网关控制协议特点发展而成的一种协议，它提供控制媒体的建立、修改和释放机制，同时也可携带某些随路呼叫信令，支持传统网络终端的呼叫。该协议在构建开放和多网融合的NGN中，发挥着重要作用。

　　（4）SIGTRAN IETF的一个工作组，其任务是建立一套在IP网络上传送PSTN/ISDN信令的协议，SIGTRAN协议包括SCTP、M2UA、M3UA，提供了和SS7 MTP同样的功能，SIGTRAN协议栈如图2所示。

·SCTP：流控制传送协议，用于在IP网络上可靠地传输PSTN信令，可替代TCP、UDP协议；SCTP在实时性和信息传输方面更可靠、更安全；TCP为单向流，且不提供多个IP连接，安全方面也受到限制；UDP不可靠，不提供顺序控制和连接确认。

·M2UA：MTP2用户适配，支持MTP3互通和链路状态维护，提供与MTP2同样的功能。

·M3UA： MTP3用户适配，支持MTP3用户部分互通，提供信令间编码和IP地址的转换。

·SUA：信令用户适配，支持SCCP用户互通，相当于TCAP Over IP。

·M2PA：MTP2用户对等适配层协议，支持MTP3互通，支持本地MTP3功能，支持M2PA SG（信令网关），可以作为STP。

　　（5）H.323 一套在分组网上提供实时音频、视频和数据通信的标准，提供VoIP和多媒体应用，是具有电信网可管理性的IP电话体系。H.323是ITU-T制定的在各种网络上提供多媒体通信的系列协议H.32x的一部分。

　　总之，基于IP软交换的网络是一个融合网络，包括PSTN/ISDN、H.323、ATM/IP等各种网络。SIP协议是NGN多媒体通信协议，用于软交换、SIP服务器和SIP终端之间的通信控制和信息交互，扩展的SIP-T可使SIP消息携带ISUP信令；在需要媒体转换的地方可设置媒体网关，H.248/Megaco为媒体网关控制器（MGC），用于控制媒体网关，完成媒体转换功能，它并不负责呼叫控制功能；H.323也是多媒体通信协议，它比SIP、H.248/Megaco的发展历史更长，是一项复杂的协议，升级和扩展性不是很好，SIP+H.248/Megaco可取代H.323，为了与H.323网络互通，NGN必须支持该项协议;SIGTRAN用于解决IP网络承载七号信令的问题，它允许七号信令穿过IP网络到达目的地；BICC可使ISUP协议在不同承载网络（ATM、IP、PSTN）上传送。

　　2．协议分类

　　上述协议包含非对等和对等两类协议。非对等协议主要指媒体网关控制协议H.248/Megaco；对等协议包括SIP、H.323、BICC等，SIGTRAN为信令传送协议。由于历史原因，这些协议有些相互补充，有些则相互竞争。H.248/Megaco是一个非对等主从协议，与其他协议配合可完成各种NGN业务。SIP、H.323均为对等协议，存在竞争关系，由于SIP具有简单、通用、易于扩展等特性，逐渐发展成为主流协议。图3和图4分别为各协议之间的关系/分布与其体系结构。

　　软交换的对外接口

　　软交换与媒体网关之间的接口用于软交换对媒体网关的承载控制、资源控制/管理，可使用媒体网关控制协议（MGCP）、Internet设备控制协议（IPDC）、SIP协议、H.323和H.248协议。

　　软交换与信令网关间的接口用于传递软交换和信令网关间的信令信息，可采用信令控制传输协议（SCTP）或其他类似协议。

　　软交换之间的接口实现不同软交换之间的交互，可采用SIP-T、H.323或BICC协议。

　　软交换与应用/业务层之间的接口提供访问各种数据库、三方应用平台、功能服务器等接口，实现对增值业务、管理业务和三方应用的支持。其中：软交换与应用服务器间的接口可采用SIP、API，如Parlay，提供对三方应用和增值业务的支持；软交换与策略服务器间的接口对网络设备工作进行动态干预，可采用COPS协议；软交换与网关中心间的接口实现网络管理，采用SNMP；软交换与智能网SCP之间的接口实现对现有智能网业务的支持，采用INAP协议。

·观点·

　　软交换今后要重点研究与解决的问题

　　我国从上个世纪90年代后期开始启动软交换技术的研究，正式参加了ITU-T SG 13组的研究工作。同时，在软交换论坛（ISC，又称国际软交换协会）成立之初就参加到其中进行工作。ISC后又改名为IPCC（国际分组通信论坛）。在软交换技术的研究方面，我国基本上与国际保持同步。

　　今后几年，软交换技术需要从以下几个方面进行深入研究：

（1）基于软交换技术的网络控制体系结构与协议

　　考虑到基于软交换技术的网络体系结构中控制功能日趋分布的特性，需要研究以下内容：网络接入侧及核心网内部的资源与QoS、媒体处理、编码转换和信息传送、呼叫/会话控制、业务控制。在这个结构中，应该包括：一是媒体访问关口(在网络边界)管理，具有防火墙、NATP、传送策略执行等功能；二是具有资源控制管理，包括接纳控制、接入请求处理功能；三是接入会话控制管理，包括地址分配、用户定位、用户访问剖面(profile)管理功能；四是业务控制管理，包括用户注册、用户业务剖面处理、业务请求处理、业务交互管理功能。

（2）协议的兼容性和互操作性

　　考虑软交换技术在服务和网络层面上将涉及大量的协议，因此必须保证系统和网络间的互操作性。该研究领域主要研究内容包括：一是复杂系统互操作剖面规范，二是标准一致性认证规范，三是相关程序和文档(包括开发工具)的研发。

　　各设备供应商的软交换技术与产品在技术标准及协议方面还难以做到相互兼容。有些协议如BICC协议、STP-T协议、H.248协议还在不断发展，协议的选择要由运营商根据业务的需求进一步确定。

（3）服务能力和服务体系结构

　　考虑到现在的趋势和将来用户需求的变化，业务应当包括实时和非实时、有线和无线、人与人、人与机器以及机器与机器间的通信。主要研究问题包括：具体规定应用业务与网络分离；建立适当的业务体系结构，着重解决在接口处支持不同的商用模型和不同环境下的无缝通信；应考虑后向兼容性，即现有的业务和系统的演进。

（4）网络QoS和安全问题的解决方案

（5）大型网络的组网和运营经验的积累，建立一个实用的商业模型

　　如何建立基于软交换技术的商业模型是软交换应用面临的一个实际问题，其中包换网络结构、用户标识、终端管理、QoS保证和运营策略等各方面的问题。

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