现代通信软交换网络结构和协议

软交换

1.网络结构

       与传统电路交换网相比,通过呼叫控制、交换、承载的分离.软交换网络实现了一个全幵放的体系结构。各层次网络单元通过标准协议互通,可以各自独立演进,以适应未来技术的发展。
       软交换网络分层结构如图7.16所示,共分为四个独立的层次,从下到上依次为: 
软交换网络分层结构
图7.16  软交换网络分层结构
(1)接入层:提供各种网络和设备接入到核心骨干网的方式和手段,主要包括信令网关、媒体网关、接入网关等多种接入设备。
(2)传输层:负责提供各种信令和媒体流传输的通道,网络的核心传输网将是IP分组网络。
(3)控制层:主要提供呼叫控制、连接控制、协议处理等能力,并为业务平面提供访问底层各种网络资源的开放接口。该平面的主要组成部分是软交换设备。
(4)业务层:利用底层的各种网络资源为用户提供丰富多样的网络业务。其中最主要的功能实体是应用服务器,它是软交换网络体系中业务的执行环境。
       值得注意的是,本书前面讲述的内容,是按照传统电信网具有代表性的网络分层模型的概念和体系来组织的,也即按照分成信息应用、交换与路由、接入与传送三层构成的网络分层模型来描述整个通信网络。而基于软交换的NGN体系结构却与之不同,是一个四层模型,实际上二者的主要不同正是将软交换引入现有网络构成NGN所造成的。简单地说,将原来交换与路由中的呼叫控制功能独立出来就是现在的控制层,即软交换;剩余的对媒体处理和传送功能就是现在核心传输层要完成的功能;而接入/媒体层就是提供各种接入手段,只不过因为软交换要叠加在现有通信网上,还必须提供现有各种传统通信网,如电话网、IS¬DN、智能网的接入。
       软交换网络的组成如图7.17所示。包括软交换设备、应用服务器、媒体服务器、中继网关、接入网关、综合接入设备(IAD)、智能终端(如SIP终端和H.323终端等)、路由服务器、网关服务器等,各设备间的接口和协议也在图中标出。 
软交换网路组成示意图
图 7.17     软交换网路组成示意图

2.协议

       由图7.17可以看出软交换网络中各个设备间的接口和使用的协议,软交换设备通过SIP、智能网No.7信令应用协议INAP,Radius协议与业务平台中的应用服务器及认证服务器等通信,通过XML或H.323协议与IP网络通信,通过H.248协议和MGCP协议与媒体服务器、中继网关、接入网关、IAD等通信,通过SIGTRAN协议与信令网关通信,还可以通过SIP协议与其他软交换设备连接。
下面对几个主要协议作简单介绍。

(1)H.248/MEGACO

       H.248/MEGACO协议均称为媒体网关控制协议,应用在媒体网关和MGCP终端与软交换设备之间。两个协议的内容基本相同,只是H.248是由ITU提出来的,而MEGACO是由IEFT提出来的,且是双方共同推荐的协议。它完成了呼叫的建立和释放。

(2)媒体网关控制协议(MGCP)

       媒体网关控制协议(MGCP)是由IEFT提出来的,是简单网关控制协议(SGCP)和IP设备控制协议(IPDC)相结合的产物。MEGAC。协议是对MGCP协议的进一步改进、完善和提高,MGCP协议可以说是一个比较成熟的协议.协议的内容与MEGAC。协议比较相似。目前软交换系统设备大都支持该协议。
        在软交换系统中,MGCP协议与H.248/MEGACO协议一样,应用在媒体网关和MGCP终端与软交换设备之间,通过此协议来控制媒体网关和MGCP终端上的媒体/控制流的连接、建立和释放。
        软交换机就是通过媒体控制协议MGCP/H.248技术来实现呼叫控制与媒体传输相分离的思想。

(3)会话初始协议(SIP)

       会话初始协议是IETF提出的在IP网上进行多媒体通信的应用层控制协议,以Internet协议(HTTP)为基础,遵循Internet的设计原则,基于对等工作模式。利用SIP可实现会话的连接、建立和释放,并支持单播、组播和可移动性。此外,SIP如果与SDP配合使用,可以动态地调整和修改会话属性,如通话带宽、所传输的媒体类型及编解码格式。
       在软交换系统中.SIP协议主要应用于软交换与SIP终端之间,也有的厂家将SIP协议应用于软交换与应用服务器之间,提供基于SIP协议实现的增值业务。总的来说,SIP协议主要应用于语音和数据相结合的业务,以及多媒体业务之间的呼叫建立与释放。特别是SIP协议以其简单、灵活的特点,使作为移动通信标准化组织的3GPP已经决定在其基础上建立第三代移动通信的全IP网络,并要求3G终端必须支持S1P协议。

(4)SIGTRAN/SCTP协议

       SIGTRAN协议是由IETF提出的在IP网中使用的信令协议,也称为SS7/IP协议。其中主要的SCTP协议是一种流控制传送协议,主要是在无连接的网络上传送PSTN信令信息。该协议可以在IP网上提供可靠的数据传输。SCTP可以在确认方式下,无差错、无重复地传送用户数据,并把多个用户的消息复制到SCTP的数据块中。SCTP协议在软交换中起着控制协议的主要承载者的作用。

3.主要设备及功能

下面详细介绍软交换网络中的主要设备.包括软交换设备、媒体网关、信令网关和综合接入设备等。

(1)软交换设备

       软交换设备是NGN的控制功能实体,是NGN呼叫与控制的核心,实现了传统电路交换机的“呼叫控制”功能。软交换设备功能结构如图7.18所示,其主要功能如下所述。
图7.18    软交换的功能结构
       ①媒体网关适配功能。它可以连接各种媒体网关,通过H.248协议功能来实现对媒体网关的控制、接入和管理。同时它还可以直接与H.323终端和S1P客户端终端.MGCP终端等进行连接,提供相应业务。
       ②业务提供功能。能够提供电路交换系统的全部业务,包括基本业务和补充业务.同时还可以与现有智能网配合,提供现有智能网提供的业务。还应提供可编程的、逻辑化控制的、开放的API接口,实现与外部应用平台的互通。
       ③网络管理和计费功能。可以提供资源管理功能,对系统中的各种资源进行集中的管理,包括资源的分配、释放和控制等。可以提供操作维护功能,还可与认证中心连接,将所管辖区域内的用户、媒体网关信息送往认证中心进行认证与授权,以防止非法用户/设备的接入。另外,还具有釆集详细话单及复式计次功能,并能够按照运营商的需求将话单传送到相应的计费中心。
       ④地址解析/路由功能。可以完成E.164地址至IP地址和别名地址至IP地址间的转换功能,同时也可完成重定向路由的功能•
       ⑤互通功能。软交换设备可以通过一定的协议与外部实体及其他软交换设备进行交互,进行信令转换,并与系统内部各实体协同运作来完成各种复杂业务。如:可以通过信令网关实现分组网与现有NO.7信令网的互通;可以通过信令网关与现有智能网互通,为用户提供各种智能业务;允许SCF控制VoIP呼叫且对呼叫信息进行操作(如号码显示等);可以通过软交换中的互通模块,采用H.323协议实现与现有H.323体系的IP电话网的互通;可以通过软交换中的互通模块,釆用SIP协议实现与SIP网络体系的互通;可以与其他软交换设备互通互连,它们之间的协议可以采用SIP或BICC;提供IP网内H.248终端、SIP终
端和MGCP终端之间的互通。
       ⑥业务交换功能(SSF功能)。业务交换功能与呼叫控制功能相结合,提供呼叫控制功能和业务控制功能(SCF)之间进行通信所要求的一组功能。业务交换功能主要包括:业务控制出发的识别以及与SCF间的通信;管理呼叫控制功能和SCF之间的信令;按要求修改呼叫/连接处理功能;在SCF控制下处理IN业务请求。
       ⑦呼叫控制功能。呼叫控制功能是软交换设备的基本功能,也是最重要的功能之一,它为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能。具体包括:
  • 可以为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能,包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等。
  • 可以接收来自业务交换功能的监视请求,并对其中与呼叫相关的事件进行处理;接收来自业务交换功能的呼叫控制相关信息,支持呼叫的建立和监视。
  • 支持基本的两方呼叫控制功能和多方呼叫控制功能,提供对对方呼叫控制功能,包括对方呼叫的特殊逻辑关系、呼叫成员的加入/退出/隔离/旁听,以及混音过程的控制等。
  • 能够识别媒体网关报告的用户摘机、拨号和挂机等事件;控制媒体网络向用户发送各种音信号,如拨号音、振铃音和回铃音等;提供满足运营商需求的拨号计划。
  • 当软交换设备内部不包含信令网关时,软交换应能够釆用SS7/IP协议与外设的信令网关互通,完成整个呼叫的建立和释放功能,其主要承载协议采用SCTP。
  • 可以控制媒体网关发送IVR,以完成诸如二次拨号等多种业务。
  • 可以同时直接与H.248终端.MGCP终端和SIP客户端终端进行连接,提供相应业务。
  • 具有本地电话交换设备、长途电话交换设备的呼叫处理功能。

(2)媒体网关(MG)

       媒体网关(Media Gateway,MG)的基本功能是将媒体流从某一类型的格式转化为另一种类型的格式,如电路交换网的媒体流(64kbit/s的PCM时隙)和分组交换网的媒体流(IP网上的RTP分组)之间的相互转化。媒体网关在电路交换网和分组交行网的媒体相关实体之间提供相互通信的双向接口,它可以处理音频、视频和T,120编码的媒体流,实现不同媒体的全双工转化。软交换通过MGCP/Magaco协议对媒体网关进行控制。
       媒体网关具有呼叫处理与控制功能。对于模拟线用户,媒体网关应能够识别出用户摘机、拨号和挂机等事件,检测出用户占线和久振无应答等状态,并将用户事件和用户状态向软交换报告,在软交换设备控制下,媒体网关应向用户发送各种音信号,如拨号音、振铃音和回铃音等;对于IP侧网路接口,支持RTP/RTCP协议,分配端口号,在PCM中继电路和RTP/RTCP端口之间完成媒体流的映射;应能根据软交换的命令对它所连接的呼叫进行控制,如完成接续、中断和动态调整带宽等操作;应能够向用户播放提示音;应具有DTMF検测和生成的功能;应可以检测MODEM音和Fax音,并通过事件描述符向软交换报告,在软交换控制下进行相关操作;
       媒体网关具有资源控制功能。在软交换的控制下,网关设备必须具备对其自身相关资源进行申请、预约、占用和释放等操作的功能。相关资源包括用户侧用户电路或中继电路接口资源、分组网络侧接口资源,以及信号或媒体流相关处理资源(如DTMF资源、MODEM资源和语音压缩资源等)等;当媒体网关设备资源的状态发生变化(如发生故障、故障恢复或因管理行为而执行的状态改变或资源不可用)时,网关设备要具有向软交换进行汇报的能力。
       媒体网关具有分组信息的QoS管理功能。可根据网络的负载情况动态调整输入缓冲,以使网络的端到端时延在当前网络条件下是最小的;还可在软交换的控制下对不同QoS要求的媒体流进行不同的映射,如映射到不同的IPCoS,或映射到不同的ATM业务类型等。
       媒体网关按照接入方式不同可包括中继网关、接入网关、综合接入设备(IAD)等。中继网关(TrunkingGateway)可以直接和电路交换机的中继线相连,从中提取电路时隙,将其转化成IP话音;或者相反,将IP话音转换成电路时隙信号;接入网关(AccessGateway)通常用于用户侧与分组网络之间媒体信息的转换,如提取其中的信令和话音时隙,并转化成适合IP网传输的格式。用户侧接入的用户可以是:PSTN、ISDN BRI/PRI、远端模块、ADSL、LAN专线等。

(3)信令网关(SG)

       信令网关(SG)的功能是要完成No.7信令消息与IP网信令消息的互通。其协议包含两部分:电路信令侧协议和IP网络侧协议。在电路信令侧,信令网关的作用是发送和接收标准的电路信令消息,如标准的No.7信令协议簇,这可以根据相关的电路信令标准来实现;IP网侧的协议则有些复杂,目前还没有一个统一的标准,但目前主要采用IETF和SIGTRAN系列协议。 
       信令网关可以是一个独立的物理设备,也可以嵌入在其他设备(如软交换或媒体网关)中实现。支持PSTN到IPJP到PSTN和PSTN到PSTN的信令消息承载层的转换。
       信令网关设备可以由信令网络管理中心(NMC)通过它们之间的接口进行操作、管理和维护,信令网关也可以通过本地操作工作台进行操作、管理和维护。信令网关设备应具有配置管理、状态管理、故障管理和性能管理能力。
       信令网关使得No.7信令应用部分无须做任何修改就可以在IP网中传送,而且IP网中的业务平台也可通过信令网关无缝地访问传统的No.7信令网。可见,信令网关是网络业务融合的关键设备。

(4)综合接入设备(IAD)

       综合接入设备(IAD)是软交换网络的一个重要部件,它作为小容量的综合接入网关,提供语言和数据的综合接入能力oIAD的网络位置更靠近最终用户,无专门的机房,因此,需要更多的管理维护手段和更强的故障自愈能力«IAD提供丰富的上行和下行接口,满足用户的不同需求,主要面向小区用户、密度低的商业楼宇和小型企业集团用户。
       IAD设备具有呼叫处理功能。能根据软交换的要求检测并报告规定检测的事件和状态,如摘机、拨号、挂机、久振不应答和占线等;能按照软交换的指示向用户发送各种铃流和信号音,如拨号音、忙音、回铃音和振铃音等;具备DTMF生成和检测功能;能够执行软交换下发的呼叫建立、保持和释放等各种命令。
       IAD设备具有资源控制和汇报功能、维护和管理功能、IP语音的QoS管理功能,还能支持以太网、ADSL、HFC接入。

(5)业务支撑环境

       应用服务器是软交换体系中业务支撑环境的主体,也是业务提供、开发和管理的核心。应用服务器和软交换之间的接口,国际上主要有IETF的SIP协议和Parlay组织制定的ParlayAPI规范。从这个角度来看,又可以把应用服务器分为S1P应用服务器和Parlay应用服务器两类,前者与软交换之间釆用SIP协议进行交互,而后者则将ParlayAPI作为与软交换之间的接口。
        业务生成环境是以应用服务器提供的各种开放API为基础,具有友好的图形化界面,提供完备的业务开发环境、仿真测试环境和冲突检测环境。通过将应用框架/构件技术和脚本技术(如CPL、VoiceXML、XTML等)引入到业务生成环境中,可以提高业务开发的抽象层次,简化业务的开发.完成新业务生成和提供功能。
        业务管理服务器与应用服务器相配合,主要负责业务的生命周期管理、业务的接入和订购、业务数据和用户数据的管理等。业务管理服务器可以与应用服务器配合存在,也可以通过制定业务管理服务器和应用服务器之间交互的开放接口标准,作为独立的实体存在。
       另外,其他支撑设备如AAA服务器(Authority Authentication and Accounting Serv-er)、大容量分布式数据库、网管服务器等,它们为软交换系统的运行提供了必要的支持。

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