软交换网络发展趋势的研究

软交换网络发展趋势的研究软交换诞生于90年代末，由于它顺应网络融合的发展趋势，迅速得到国内外各运营商的青睐。随着IMS概念的出现，软交换的发展趋势成为业界关注焦点。本文介绍了软交换发展现状和IMS的特点，并对软交换网络发展趋势进行了展望。1 软交换现状软交换的主要设计思想是控制与承载和业务分离，各实体之间通过标准的协议进行连接和通信，以便在网上更加灵活地提供业务。具体地讲，软交换是一个基于软件的分布式交换/控制平台，它将呼叫控制功能从网关中分离出来，开放业务、控制、接入和交换间的协议。图1为软交换示意图。图1 软交换示意图软交换是IP技术带动电信业发展的产物，它为运营商解决目前多种网络、多种技术和多种系统的共存的现象提供了良好的解决方案，可以为运营商带来业务的创新和成本的节约，为业界注入新的活力。所以全球范围内已有多家电信运营商开始进行软交换方面的实验和商用部署，在国内，中国电信、中国移动、中国网通、中国联通、中国卫通和中国铁通都已经开始进行软交换的商用，尽管其应用的规模不同，但却标志着软交换技术已经走出实验室，开始进入一个新的发展时期。软交换技术在发展过程中，并没有一个严谨的定义和体系架构标准，因此，在用户漫游管理、路由计划、编号、支持多媒体业务的体系架构、业务管理、业务触发等方面在一定程度上仍存在问题。与此同时3GPP提出了标准的IMS体系架构，旨在规范移动多媒体业务的网络结构，而ETSI相关小组也在讨论如何在固网中引入IMS，以进一步推动网络向IP化、移动性、多媒体化和个性化方向发展，进而引发出IMS是否能成为软交换网络发展方向的讨论。2 IMS概述3GPP定义的IMS系统结构如图2所示，主要包括CSCF、MGCF、MGW、T-SGW等功能实体。图2 IMS系统结构（1）CSCF（Call Session Control Function，呼叫会话控制功能实体）CSCF是IMS中最重要的关键元素之一， 它类似于IETF结构中的SIP服务器。现有的3G分组交换核心网络用来提供多媒体会话的承载路径，而CSCF则用来建立会话。CSCF的主要功能是处理用来控制用户多媒体会话的信令消息，这是MSC（移动交换中心）呼叫控制功能的一种发展。CSCF采用SIP协议来实现上述控制功能。CSCF的另一功能是地址翻译，同时CSCF还需要执行业务交换和编码协商的功能。有三种不同角色的CSCF，它们是：* P-CSCF（代理CSCF）：它是移动终端拜访IMS网络时的第一联系点，它有两大功能：首先它是IMS网络中的业务质量策略执行点，其次它提供了紧急业务的本地控制。P-CSCF将SIP注册消息和会话建立消息转发到它所归属的IMS网络中，这非常类似于IETF SIP网络中的代理服务器。* I-CSCF（询问CSCF）：它的主要功能是查询HSS（归属用户服务器）以决定S-CSCF的位置。此外，它还在HSS的帮助下执行S-CSCF之间的负载平衡。I-CSCF可以说是外部网络到IMS归属网络的网关，因此它必须支持防火墙功能。* S-CSCF（服务CSCF）：它负责IMS网络中的会话管理。在一个网络里可以有几个S-CSCF，并且可以根据网络能力的需要增加S-CSCF节点。S-CSCF在其所归属的IMS中负责所有会话的控制，但它也可将请求转发到被访网络中的P-CSCF从而让被访网络承担会话控制的责任。（2）HSS（归属用户服务器）作为对传统移动网络的继承，在IMS中也需要一个集中的用户数据库。因此将原有的HLR（归属位置寄存器）演变为IMS中的HSS（归属用户服务器）。HSS与I-CSCF和S-CSCF具有接口以向它们提供用户的位置和订购信息，该接口称为Cx接口。（3）MGW和MGCF（媒体网关和媒体网关控制功能实体）IMS支持几种与传统网络互连的节点。它们是MGW、MGCF和SGW（信令网关）。* MGCF：它控制一个或多个MGW，管理着PSTN承载与IP流之间的连接。MGCF将SIP消息转换为MEGACO或者ISUP消息，它从CSCF接收SIP消息并且决定在MGW内建立什幺消息；同时MGCF还生成ISUP消息并且通过IP发送到SGW（信令网关）中。* MG：它的主要功能是将终端用户之间的媒体流从一种格式转换为另一种格式。在UMTS中这主要是PSTN中PCM（脉冲编码调制）编码与基于IP编码格式之间的转换。（4）SGW（信令网关）它的主要功能是将SS7（七号信令）转换为IP形式的信令而不影响其承载的应用层，这可以使MGCF不需要支持SS7。因此，如果MGCF已经支持SS7就不需要SGW了。基于上述结构的IMS通过SIP协议来完成语音和多媒体呼叫，从而达到支持语音电话、实时交互游戏、视频电话、即时消息、紧急呼叫、多媒体会议等业务的目的。限于篇幅，本文只给出一个通过IMS实现的简单的点到点呼叫通信业务的SIP流程，如图3所示（说明：1.假定用户在发起SIP呼叫之前已经建立底层数据连接并进行了业务注册。2.图中标注的流程除第2步Cx-Query外皆为SIP消息。）：图3 IMS网络的SIP通信流程（1） 用户A通过发送INVITE消息到P-CSCF来发起呼叫，该消息中包含被呼叫用户的SIP URLs。消息的会话描述部分包含用户A的终端设备的IP地址和语音路径的描述及一组可选使用的编码。P-CSCF通过应答100 TRYING消息来确认接收到INVITE，并且它将自己的名字添加到INVITE消息中后转发该消息到S-SCSF。S-CSCF通过应答100 TRYING消息来确认接收到INVITE，同时它激活用户A所需的业务特征。S-CSCF然后从用户B的SIP URL中决定出其归属网络的SIP入口点：I-CSCF。用户A的S-CSCF将自己的名字添加到INVITE消息中后转发该消息到用户B的I-CSCF中。（2） I-CSCF一旦接收到INVITE，它就用Cx-Query查询HSS以决定用户B的S-CSCF地址。它同样通过应答100 TRYING消息来确认接收到INVITE。一旦HSS将用户B所注册的S-CSCF在响应中返回后，I-CSCF就将自己的名字添加到INVITE消息中后转发该消息到S-CSCF。用户B的S-CSCF接收到INVITE后激活用户B所需的业务特征，然后将自己的名字添加到INVITE消息中后转发该消息到P-SCSF。S-CSCF通过向I-CSCF应答100 TRYING消息来确认接收到INVITE。P-CSCF接收到INVITE后将其转发给用户B的终端设备。P-CSCF通过向S-CSCF应答100 TRYING消息来确认接收到INVITE。（3） 用户B的终端设备接收到呼叫邀请后，它并不是马上向用户B振铃，而是用183 session progress（会话进展）消息响应，在响应的会话描述中它指明其已经接受了先决条件并且要求用户A的终端设备也确认它满足该先决条件。该消息经过历经上述若干CSCF的信令路径返回到用户A的终端设备。同时，用户B的终端设备为通到IMS域IP入口点的语音路径激活GPRS PDP上下文。（4） 用户A的终端设备接收到183响应，并且为通到IMS域IP入口点的语音路径激活GPRS PDP上下文。按照需要，用户终端通过向用户B的终端设备发送UPDATE消息来确认语音路径已被预留，该消息中同时包含语音路径的地址信息。（5） 用户B的终端设备一旦接收到UPDATE消息，它就知道语音路径所需的IP传输和业务质量在两端都得到了保证并且它还知道了A端语音路径所用的地址。它使用200 OK来确认UPDATE消息，该确认中可包含用户B的终端设备上的语音路径信息。（6） 用户B的设备向用户B振铃，同时它沿着信令路径向用户A的终端设备发送180振铃消息以通知其振铃行为，用户A的设备会通过振铃音将该消息告知用户A。（7） 用户B应答呼叫。用户B的终端设备发送200 OK消息沿着信令路径到达用户A的终端设备。该消息将包含B端的语音路径地址信息。（8） 用户A通过发送ACK来确认呼叫的建立，它沿信令路径返回用户B的设备上。现在两终端设备可互相发送语音包了。（9） 用户A的终端设备沿信令路径向用户B的终端设备发送BYE消息来释放呼叫，并且解除语音路径的PDP上下文。此时，P-CSCF可以关闭IMS的语音路径入口点以停止记费。（10） 用户B的终端设备接收到BYE消息后就解除它这一侧的语音路径PDP上下文，并且用200 OK来确认BYE消息。200 OK沿着信令路径返回到用户A的终端设备，在此过程中它释放了信令路径上的每个CSCF。至此整个呼叫控制过程结束。3 软交换网络发展趋势的研究IMS系统与当前的软交换网络具有以下特点，而这些点也正是软交换网络的发展趋势所在。（1） 更加彻底分离的发展趋势IMS最大的特点，同时也是其最大的优势是IMS比软交换更加彻底的分离。正如上文所说，软交换本身就是一种分离思想的体现：呼叫控制和承载的分离，呼叫控制和业务的分离。IMS在坚持上述思想的基础上，进一步发扬了分离的思想。这些思想体现在以下几点：* 业务的进一步分离。传统软交换虽然已经将大部分增值业务分离出来放到了业务层，但是软交换自身仍然保留了一些补充业务。IMS将这些保留的业务统统拿出来放在了业务层的应用服务器中，这样做无疑是呼叫控制和业务分离最透彻的体现。* 用户数据的分离集中：软交换一般将用户数据放置在软交换设备自身之中，IMS将这些用户数据从软交换中分离出来，并将用户数据与其相关联的业务数据集中到称为HSS的设备之中。这种用户数据的分离集中更加有利于业务的实现和提供。* 会话呼叫控制与媒体网关控制的分离。传统软交换同时提供了基于SIP的会话呼叫控制和基于H.248/MEGACO/MGCP的媒体网关控制器的功能，在IMS中将这两者分离出来，基于SIP的会话呼叫控制功能由CSCF提供，它完成整个网络的信令路由和呼叫控制；基于H.248/MEGACO/MGCP的媒体网关控制由MGCF提供，它只存在于IMS网络与传统网络互通的边界点上。传统软交换将会话呼叫控制和媒体网关控制集成在一起的作法，在传统网络和传统业务仍然是主流的情况下有其无可比拟的优势，但随着传统网络的逐渐淡出，SIP网络的逐渐主导，将上述两者功能分离更能使网络结构简单，呼叫路由的高效。上述IMS的三种分离可由下图描述，按照这种分离趋势发展的软交换网络将使网络结构更加清晰合理，网络成本更加节约，使用户数据更为集中，新业务提供更加容易；同时这种发展了的软交换网络也保证了与传统网络的兼容。图4 软交换到IMS的演进（2） 呼叫协议统一的发展趋势IMS另一个特点是SIP协议的一统天下，这也是软交换网络的发展趋势。之所以选择SIP协议主要是因为SIP协议的简单性、可扩展性以及它很好的可用性，同时SIP也是被业界普遍看好的未来多媒体呼叫控制协议。（3） 与接入方式无关的发展趋势对多种接入方式的兼容是软交换网络的一个特点，IMS将该特点更加进一步发展。在传统软交换网络中由于媒体网关控制功能没有分离出来以及媒体网关控制协议的多样性导致了并没有实现对多种接入方式的兼容，而在IMS中由于对接入网络的彻底分离和SIP协议的应用使其真正意义上实现了对多接入方式的兼容。在IMS中无论用户采用有线或无线的某种接入方式接入网络，IMS并不负责用户终端到网络的数据信道的建立，该工作由接入网络完成；IMS只负责在用户的数据信道建立后通过SIP协议完成主被叫双方底层数据信道的接驳，从而实现各种媒体形式的呼叫通信及相关的多种多媒体业务。（4） 提供终端漫游特性的发展趋势目前的软交换网络没有充分考虑对用户终端的漫游支持，而IMS中P-CSCF功能实体的引入，使终端无论是漫游到外地还是其它运营商的网络都能够通过拜访地或拜访网络的P-CSCF接入到IMS中，从而建立用户终端与其归属HSS及S-CSCF的信令通路。同时，P-CSCF为通过其接入的终端提供了服务质量和安全的保证。（5） 提供更好服务质量和安全保证的发展趋势在IMS中存在多种CSCF功能实体，这些实体具有不同的功能任务，这与传统软交换网络中软交换设备的统一功能是不同的。通过这些功能实体，IMS提供了更好的服务质量和安全保证。在这些IMS功能实体中，P-CSCF完成了用户终端及接入网络和IMS核心网络的隔离，使得用户终端和接入网络无法直接了解IMS网络的内部结构，因此即时某个P-CSCF受到攻击也不会影响网络的正常工作，从而保证了整个网络的安全。同时P-CSCF还可以代表IMS与用户终端和接入网络协商业务质量的服务要求，以完成业务质量策略的执行。并且P-CSCF还可以进一步提供信令的NAT穿越、协议转换等由网络外围设备完成的附加功能。IMS中的I-C