NGN學習筆記2——軟交換技術

1.產生背景

a)交換技術是爲了減小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
   

     特色:

實時的交換方式，具備固定/專用的通訊信道
通訊分三步：電路創建、數據傳遞、電路釋放
數據信息透明傳送

    優勢:時延小且肯定、通訊質量有保證、控制簡單

    缺點:

須要呼叫創建時間
每一個鏈接帶寬固定（不能適應不一樣速率的業務）
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

      

     特色:存儲轉發交換方式
     優勢

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

面向鏈接（鏈接創建/拆除、數據傳送、差錯控制）
與一次通訊有關的所有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

無鏈接方式，不創建鏈接
網絡對每一個數據報進行選路
通訊期間路由可變
靈活、線路利用率高
時延大、控制複雜、需排序

b)將來業務的需求:人們但願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，不適合將來的分佈式 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，業務沒法移植。

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、容許和狀態控 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能夠由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，利用它能夠構建下一代網絡，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備實時性要求的業務的呼叫控制和鏈接控制功能，是下一代網 絡呼叫與控制的核心，獨立於傳輸網絡。與PSTN交換機不一樣的是，軟交換提供的呼叫控制功能與業務無關，是各類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：負責將各類不一樣的外部網絡和終端設備接入軟交換體系結構，將各類業務量集中後，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鏈接層，對各類不一樣的業務和媒體（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、操做維護以及其餘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類增值業務，包括業務提供、業務生成、業務管理和維護、認證、計費等功能，利用低層的各類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）接入層設備包括各類不一樣的網絡、終端設備以及各類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：各類中繼網關（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，以及鏈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：負責將各類傳統網絡接入核心分組傳送網絡。
• 工做：將一種網絡中的媒體格式轉換成另外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)：用於各類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：負責各類用戶設備和網絡的綜合接入，具備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：經過IP或ATM方式接入核心傳送網。在採用IP接入時，可能還須要提供QoS能力。
  • 媒體流映射功能：未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AAL一、AAL二、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.7十一、G.72九、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
  • 受控操做功能：媒體網關受軟交換的控制，它絕大部分的動做，特別是與業務相關的動做（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：系統資源的佔用狀況、成功的呼叫鏈接次數、失敗 的呼叫鏈接次數等。端口相關的統計信息：中繼端口的佔用狀況、IP/ATM端口的帶寬使用狀況、端口相應的媒體流的統計信息等。鏈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、丟失率和偏差率等。
• 關鍵技術：
  • 分組語音技術：未來自電路交換網的模擬或數字化的語音信號轉換成必定長度的分組，經過IP/ATM網絡進行交換和傳送。
  • 語音編碼技術：支持G.7十一、G.72八、G.729/A/B、G.723.一、GSM全速率、GSM半速率等多種語音編解碼算法，知足不一樣的需求。視頻H.26一、H.26三、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：V5.二、V5UA、DSS一、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)

• 工做職責：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，真正的信令轉換工做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信令網關經過其適配功能完成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）經過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信令網關須要支持SS7協議棧以及 SIGTRAN協議棧：在SCN側，可以發送和接收標準的SS7信令協議；在IP側，經過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。對不一樣的PSTN控制協議，採用不一樣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進行了以下改進：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：容許在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，數據操做等原語），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「假裝」的攻擊等功能。另外一層是用戶適配層，圖中 由SUA、M3UA、M2UA、 M2PA、IUA和V5UA五個適配模塊所組成，它們分別來知足各類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點，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
    • 支持鏈接控制的應用
      
    • 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，一般與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的用戶端口數通常不超過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，經過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.24八、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，提供各類業務的基本控制功能，完成基本呼叫的創建、保持和釋放，包括呼叫處理、鏈接控制、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，支持呼叫的創建和監視。
  • 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鏈接、發送各類信號音等。直接與H.323終端及SIP終端進行鏈接的能力，以提供相應的業務。
  • 業務提供功能：提供PSTN/ISDN交換機提供的所有業務，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：提供相似智能網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訊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/鏈接處理功能等。
  • 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.24八、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：軟交換能夠對網絡帶寬資源進行分配和管理，資源管理能夠經過SDP協商。
  • 認證、受權和計費功能：對接入軟交換系統的設備進行認證、受權,採集計費信息，向計費服務器提供呼叫詳細話單。
  • 操做維護功能：
    • 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：不一樣用戶能夠授予不一樣權限告警系統：查看各種歷史告警紀錄
    • 人機命令交互功能：經過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)：負責各類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做平臺,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。
  • 一個媒體網關一般只受控於一個軟交換實體媒體服務器一般是做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
  • 一個媒體服務器能夠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做媒體服務器能夠置於網絡邊緣或核心。
• 位置：

4.軟交換的應用

在固網的應用

在移動網的應用：