（通信与信息系统专业论文）软交换技术及sip协议栈实现的研究.pdf

中文摘要 在一个一体化平台上实现语音、数据、多媒体等综合业务的下一代网络是当 前网络技术发展的必然趋势。软交换技术作为下一代网络的核心技术，给当今各 种网络的设计注入了新的思想，并对实现真正意义上的“三网融合”起到了巨大 的推动作用。 本文首先深入研究了软交换网络的体系结构及其关键内容，对软交换、媒体 网关和信令网关这三个核心组件的功能和工作原理做了细致的分析，并介绍了下 一代网络的业务提供框架。 然后，本文对软交换网络的关键协议s i p 协议做了详细分析。s i p 协议 用来创建、修改和终结一个或多个参加者参与的会话进程，可有效地实现多种软 交换组件的互通。本文重点解析了s i p 消息的格式及s i p 的呼叫流程。 接着，本文以r f c3 2 6 1 为规范，对s i p 协议栈的u a 部分进行了详细的软件 设计。协议栈的设计从分层角度出发，以事务的有限状态机为基础，最终实现了 s i pu a 的各项基本功能。 最后，本文对软件实现进行了测试。模块测试主要针对协议的几个关键组件， 实例测试则主要针对协议的呼叫处理功能。经过验证，本文所实现的s i p 协议栈 的u a 部分已经能够满足i e t f 组织对于s i p 协议功能的基本要求。 关键字：软交换下一代网络 s i p a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) w i t hv o i c e ，d a t aa n dm u l t i m e d i as e r v i c e so n j u s to n ep l a t f o r mi st h ea i mo f t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y a st h em a j o r t e c h n o l o g yo fn g n ，s o f t s w i t c hh a sp u tn e wi d e a so nt h ed e s i g no fn e t w o r k ，a n d i m p r o v e dt h er e a l i z a t i o no f ”t h r e e n e t w o r k i n - o n e ” f i r s t l y , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e s t h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ei m p o r t a n tp a r t so f s o f t s w i t c hn e t w o r k ，m a da n a l y z e st h ef i x n c t i o n sa n dp r i n c i p l e so fs o f t s w i t c h ，m e d i a g a t e w a ya n ds i g n a l i n gg a t e w a yi nd e t a i l ，f i w t h e r m o r e ，i n t r o d u c e st h ef r a m e w o r ko f p r o v i d i n gs e r v i c e si nn g n s e c o n d l y , t h i sp a p e rg i v e sa l li n d e p t ha n a l y z i n go fs i pp r o t o c o l ，w h i c hi so n e o f t h em o s ti m p o r t a n tp r o t o c o l so fs o f l s w i t c h s i pi su s e dt of o u n du p ，m o d i f ya n d t e r m i n a t ead i a l o gw i t lo n eo rs e v e r a lp a r t i e s s o f s w i t c hc o m p o n e n t sc a ni n t e r c o n n e c t w i t he a c ho t h e re a s i l yb ys i rt h i sp a p e rt a k e sa l le m p h a s i so fs i pm e s s a g ef o r ma n d s i pc a l l i n gf l o w s t h i r d l y , w i t l lt h es p e c i f i c a t i o no f r f c3 2 6 1 t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e ds o f t w a r e d e s i g no fu ap a r to fs i ps t a c k t h ed e s i g nf o l l o w st h el a y e r i n gm e t h o d ，b a s e do nt h e 1 i m i ts t a t u sm a c h i n eo ft r a n s a c t i o n s ，a n de v e n t u a l l y , r e a l i z e sb a s i cf i m c t i o n so fs i p u a f i n a l l y , t h i sp a p e rt e s t st h es o f t w a r e b l o c kt e s t i n ga i m sa t s e v e r a li m p o r t a n t p a r t sa n de x a m p l et e s t i n ge m p h a s i z e st oc h e c kt h ef u n c t i o n so f p r o c e s s i n g c a l l s a sa c o n s e q u e n c eo ft h et e s t s ，t h e s i ps t a c kt h a tt h i sp a p e rf i n i s h e dc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t st h a tp u tf o r w a r db yi e t fa c c o r d i n gt h ef u n c t i o n so fs i pp r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：s o f l s w i t c h n g ns i p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：秋五辽一 签字日期：知一f 年月；d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘翌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。司意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：碾五矗- 导师签名 签字日期：b6 f 年月；口日 签字日期： b j ，年。月f 日 第一章绪论 1 1 软交换技术的提出 第一章绪论 软交换技术的提出有其狭义和广义上的需求。 从狭义角度来看，传统的基于t d m 的p s t n 语音网，虽然可以提供6 4 k b i t j s 的业务，但业务和控制都是由交换机来完成的，这种技术虽然能够保证语音具 有优良的品质，但是对新业务的部署及对原有业务的改进都需要对网内所有交 换机进行升级改造，需要较长的周期，难以适应业务快速部署的需求。 从广义角度来看，目前，语音、数据、多媒体等业务都是通过不同的网络 来实现，这些网络基于不同的技术基础、不同的架构，难以实现有效的互通。 虽然近年来人们开始尝试异构网络间业务的互通，如在p s t n 网络上实现数据 业务( 拨号) ，在i p 网络上实现语音业务( i p 电话) ，但这些业务的实现却难以 突破其特有网络的束缚，不能充分满足用户的需求。 软交换技术正是在这样的背景下被提出的。它基于业务与呼叫控制相分离、 呼叫与承载分离的思想，将传统交换机的控制、接续和业务处理功能分离开来， 各实体间通过标准的接口进行通信，从而方便灵活的实现业务的快速部署。软 交换网络的基于分组的分层组网结构，将现有网络如p s l n 、i n t e r n e t 、c a t v 、 a t m 、x 2 5 等相互连通起来，真正实现了多网融合，形成了一个统一的下一代 网络平台，提供语音、数据、多媒体等综合业务。 1 2 软交换技术发展现状 2 0 世纪9 0 年代中后期，贝尔试验室最早提出软交换技术思想，并制造了 第一台原型机。此后，欧美等发达国家陆续开始部署、试验软交换系统，并获 得了宝贵的经验。 1 9 9 9 年5 月，软交换论坛又称国际软交换协会( 1 s c ，i n t e m a f i o n a ls o f t s w i t c h c o n s o r t i u m ) 成立，这是软交换发展的一个里程碑。i s c 目前有近2 0 0 个成员， 国际上大多数知名的电信设各制造商均为该协会成员，如阿尔卡特、朗讯、 c i s c o 、西门子、富士通、诺基亚、爱立信、北方电讯等，以及一些电信运营 商，如美国的l e v e l3 、q w e s t 、a t & t ，日本的n t t 等。我国的华为公司、中 兴公司和网络与交换标准研究所也都是该组织的会员。 软交换论坛包含5 个工作组，分别是业务应用工作组、网络结构工作组、 设备控制工作组、网络管理工作组和s i p 工作组。 第一章绪论 业务应用( a p p l i c a t i o n ) 工作组： 负责业务功能制定、协调以及a p i 标准 的制定。 网络结构( a r c h i t e c t u r e ) i 作组： 负责软交换网络功能架构的制定。 设备控制( d e v i c ec o n t r 0 1 ) 5 2 作组： 负责软交换设备间以及软交换设备与 其他网络设备间控制协议的制定、补充和增强。 网络管t n ( m a n a g e m e m ) q - 作组： 负责网络管理的结构和协议制定。 s i p 工作组：负责s i p 在软交换网络中的应用。 i s c 的成立加快了软交换技术的发展步伐，软交换相关标准和协议得到了 i e t f 、i t u t 等国际标准化组织的重视。业界都在努力制定相关标准，以期实 现分组网与传统电话网的无缝连接。设备制造商纷纷推出设备、融合方案，如 l u c e n t 的7 r e 分组解决方案、北电的s u c c e s s i o n 方案、s o n u s 的软交换机和媒 体网关等。 目前，软交换技术己取得了长足的发展，其基本框架结构、主要功能、性 能、应用范围等方面已经基本确定，具体为： 在结构方面，软交换采用分层结构模型，所有设备之间通过标准接口互 通，提供基于策略的o s s 和通用业务平台，并支持平面组网方式。 在功能方面，软交换完成呼叫处理、协议适配、媒体接入、网络资源管 理、业务代理、互连互通、策略支持等功能，并支持业务编程。 在性能方面，软交换满足电信级设备要求，在处理能力、高负荷话务量、 冗余备份、动态切换、呼叫保护等方面都达到了指定标准。 在覆盖范围方面，软交换定位于n g n 。当前主要是解决通信网络，如 p s t n 、p l m n 、i n 、因特网和c a t v 等的融合问题，并和3 g 协同，最终完成 在骨干包交换网中提供综合多媒体业务。 我国在软交换的研究进展方面处于世界同步水平，网络与交换标准研究组 在1 9 9 9 年下半年就启动了软交换项目的研究。软交换设备总体技术要求规 范了软交换在网络中的位置，明确了其功能要求、业务要求、操作维护和网管 要求、协议和接口要求、计费要求和性能指标，规定了与i p 电话及智能网的互 通要求等。此外，网络与交换研究组也在积极制定有关信令网关和媒体网关及 相关协议的技术规范，并已经立项开始研究网络开放式体系架构及相关设备单 元的测试规范。我国高科技8 6 3 计划己经部署了支持多媒体和移动业务的软交 换技术研究、支持多媒体和移动业务的软交换设备的研制以及软交换评估体系 及测试技术研究等多项重大课题。 软交换技术的应用在国际上受到了诸如美国、德国、英国、日本、比利时 等许多国家的高度重视，试验网的建设和软交换的实际应用在世界范围内展开。 第一章绪论 在国内，中国网通、中国电信等几大运营商也走在了世界前沿，在北京、上海、 广州、深圳等多个城市都建有软交换试验网以进行n g n 关键技术的实验。 1 3 本论文的主要工作 本论文完成的主要工作如下： 1 深入研究了软交换网络的特点、体系结构及网络互通，对软交换、媒体 网关、信令网关这三个核心组件的概念、功能和关键技术做了细致的分析，并 介绍了基于软交换技术的下一代网络的业务提供模式。 2 对软交换网络的关键协议s i p 协议做了详细分析。重点解析了s i p 消息的格式及s i p 的呼叫流程。通过对s i p 协议的深入分析，为下一步协议开 发提供了理论基础。 3 以r f c3 2 6 1 为规范，对s i p 协议栈的u a 部分进行了详细的软件设计。 协议栈的设计从分层角度出发，以事务的有限状态机为基础，最终实现了s i pu a 的各项基本功能。 4 对软件实现进行了局部测试和整体测试。局部测试，即模块测试，主要 针对协议的几个关键组件；整体测试，即实例测试，则主要针对协议的呼叫处 理功能。经过验证，本文所实现的s i p 协议栈的u a 部分已经能够满足i e t f 组 织对于s i p 协议功能的基本要求。 第二章软交换技术研究 第二章软交换技术研究 本章对软交换技术的几个重要方面进行了深入研究，包括：下一代网络的 相关内容、软交换的网络体系、软交换的三个关键组件以及软交换网络的业务 提供模式。 2 1 下一代网络概述 2 1 1n 创的概念 n g n ( n e x tg e n e r a t i o i ln e t w o r k ) 即下一代网络，它是电信史上的一块里 程碑，标志着新的电信网络时代的到来。从发展的角度来看，n g n 是从传统的以 电路交换为主的p s t n 网络中迈出了向以分组交换为主的步伐，它承载了原有 p s t n 网络的所有业务，把大量的数据传输卸载到i p 网络上以减轻p s t n 网络的罩 荷，又以i p 技术的新特性增加和增强了许多新老业务。从这个意义上讲，n g n 是一个能够包括语音、数据、视频和多媒体、i k 务的、基于分组技术的、综合开 放的网络架构。 n g n 具有广泛的内涵，其研究范围相当广泛，主要的研究内容有：新业务和 应用；网络传送的基础设施 网络体系架构；i p 网络技术；网络融合技术；百 通和互操作；新型的控制、管理和运维机制：网络单元；新的9 目络协议；网络 安全体系和技术；测试技术等。 2 1 2 下一代网络的特点 下一代网络是一个多种业务融合的网络，具有综合开放的网络构架。它有 三大特征，其特点如下： 将传统交换机的功能模块分离成为独立的网络部件，各个部件按相应的 功能划分独立发展。部件间的协议接口基于相应的标准。部件化使原有的电信 网络逐步走向开放，运营商可以根据业务的需要，自由组台各部分的功能产品 来组建网络。部件问协议接口的标准化可以实现各种异构网的互通。 下一代网络是业务驱动的网络，其功能特点是业务与呼叫控制分离、呼 叫与承载分离。分离的曰标是使业务真正独立于网络，灵活有效的实现业务的 提供。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，从而使得业务和应用的提供有较大的灵活性。 下一代网络是基于统一协议的基于分组的网络。 现有的信息网络无论是电信网、计算机网还是有线电视网，都不可能以 现有的信息网络，无论是电信网、计算机网还是有线电视涮，都不可能以 第二章软交换技术研究 第二章软交换技术研究 本章对软交换技术的几个重要方面进行了深入研究，包括：下一代网络的 相关内容、软交换的网络体系、软交换的三个关键组件以及软交换网络的业务 提供模式。 2 1 下一代网络概述 2 。1 1 删的概念 n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 即下一代网络，它是电信史上的一块里 程碑，标志着新的电信网络时代的到来。从发展的角度来看，n g n 是从传统的以 电路交换为主的p s t n 网络中迈出了向以分组交换为主的步伐，它承载了原有 p s t n 网络的所有业务，把大量的数据传输卸载至l j i p 网络上以减轻p s t n 网络的重 荷，又以i p 技术的新特性增加和增强了许多新老业务。从这个意义上讲，n g n 是一个能够包括语音、数据、视频和多媒体业务的、基于分组技术的、综合开 放的网络架构。 n g n 具有广泛的内涵，其研究范围相当广泛，主要的研究内容有：新业务和 应用；网络传送的基础设施；网络体系架构；i p 网络技术；网络融合技术；互 通和互操作；新型的控制、管理和运维机制；网络单元；新的网络协议；网络 安全体系和技术；测试技术等。 2 1 2 下代网络的特点 下一代网络是个多种业务融合的网络，具有综合开放的网络构架。它有 三大特征，其特点如下： 将传统交换机的功能模块分离成为独立的网络部件，各个部件按相应的 功能划分独立发展。部件间的协议接口基于相应的标准。部件化使原有的电信 网络逐步走向开放，运营商可以根据业务的需要，自由组合各部分的功能产品 来组建网络。部件间协议接口的标准化可以实现各种异构网的互通。 下一代网络是业务驱动的网络，其功能特点是业务与呼叫控制分离、呼 叫与承载分离。分离的目标是使业务真正独立于网络，灵活有效的实现业务的 提供。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，从而使得业务和应用的提供有较大的灵活性。 - 下一代网络是基于统一协议的基于分组的网络。 现有的信息网络，无论是电信网、计算机网还是有线电视网，都不可能以 4 第二章软交换技术研究 其中某一网络为基础平台来发展信息基础设施。随着近几年i p 技术的发展，人 们才真正认识到电信网络、计算机网络及有线电视网络将最终汇集到统一的i p 网络，即人们通常所说的“三网融合”大趋势。i p 协议使得各种以i p 为基础的 业务能够在不同的网络上实现互通，具有了统一的、为三大网都能接受的通信 协议，从技术上为n g n 奠定了最坚实的基础。目前，互联网己发展成为全球范围 的信息网络，其规模和用户数量仅次于电话网( p s t n ) 和有线电视网，并日渐 成为未来网络发展的基础平台。 2 1 3 软交换思想的产生 软交换思想正是在下一代网络建设的强烈需求下孕育而生的。软交换思想吸 取了i p 、a t m 、i n 和t d m 等众家之长，形成完全分层的、全开放的体系架构，使得 各个运营商可以根据自己的需要，全部或者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，在充分利用现有资源的同时，寻找到自己的网络立足 点。软交换作为下一代网络的发展方向，不但实现了网络的触合，更重要的是实 现了业务的触合，具有充分的优越性。 2 2 软交换的网络体系结构 2 2 1 总体网络架构 软交换网络是一个可以同时向用户提供语音、数据、视频等业务的开放网络。 它采用一种分层的网络结构，使得组网更加灵活和方便。软交换网络一共分为4 层，从下往上依次是：接入层、传输层、控制层和应用层，如图2 - 1 所示。 应用层 控制层 传输层 接入层 图2 一l 软交换网络结构图 第二章软交换技术研究 ( 1 ) 接入层 接入层的主要作用是利用各种接入设备实现不同用户的接入，并实现不同 信息格式之间的转换，其功能有些类似传统交换机中的用户模块或中继模块。接 入层的设备都没有呼叫控制功能，它必须和呼叫控制设备相配合，才能完成所需 要的操作。接入层中包括多种接入设备。 ( 2 ) 传输层 在软交换网络中，所有的业务、所有的媒体都是通过一个统一的传输网络传 递，这就是传输层需要完成的功能。传输层要求是一个高带宽的、有定q o s 保 证的分组网络。目前主要是指i p 和a t m 两种网络。 ( 3 ) 控制层 控制层是软交换网络的呼叫控制中心，该层的设备被称为软交换设备、软交 换机或媒体网关控制器。虽然名称不同但含义都一样，都是用来控制接入层设备 完成呼叫接续。软交换设各的主要功能包含呼叫控制、业务提供、业务交换、资 源管理、用户认证、s i p 代理等。 ( 4 ) 应用层 在传统网络中，因为受设备的限制，业务的开发一直是一个比较复杂的事 情。软交换网络的目标之一就是要降低业务开发的复杂度，让运营商能够更加 方便灵活地向用户提供更多更好的业务。因此，软交换网络采用了业务与控制 相分离的思想，将与业务相关的部分分离出来形成了应用层。应用层的作用就 是利用各种设备为整个软交换网络体系提供业务上的支持。该层的主要设备包 括： 应用服务器：主要向业务开发者提供开放的应用程序开发接口( a p i ) ，该接 口独立于实际的网络结构，业务开发者可以在不了解网络条件的前提下进行业 务的开发和提供。 用户数据库：用于存储网络配置和用户数据。 a a a 服务器：用于用户的认证、管理和授权。 2 2 2 软交换互通技术 下一代网络的一个基本要求是能与现有各种网络技术协同工作，支持网络 的平滑演进。因此，网络互通是软交换必须解决的问题之一。 软交换的网络互通可分为：不同软交换运营商之间的互通，即域间互通； 软交换网络和其他采用不同网络技术的异构网络之间的互通，即网间互通。 域间互通基本要求 不同软交换运营商采用的网络技术可能完全相同，域间互通要解决的问题 6 第二章软交换技术研究 主要是运营管理策略上的协调和配合，应支持以下功能： 互通接入控制：具有认证和授权功能，以确保只有合法的运营商才能请求 使用本域的网络资源。 互通请求屏蔽：根据本运营商域确定的规则，允许或拒绝接入禁止范围内 的业务请求。 互通负荷控制：按照预先确定的服务合约，控制请求进入本域的业务负荷 总量。 互通结算管理：能对入域和出域的业务流量、起止时间等信息进行采集和 记录，供域间结算中心使用。 互通安全保护：设置防火墙和健全的安全机制，以确保本运营域不受外界 的恶意攻击。 网问互通基本要求 不同网络采用的网络技术可能有所不同，网间互通要解决的问题主要是网 络协议的映射和配合。网间互通功能应按照网络分层结构予以分解。 在业务层，软交换网络除了要支持与智能网的互通外，还要创建一个独立 于底层网络的开放业务平台，实现异质网络在业务层面的融合。同样的业务可 以在不同的网络实现，实现一种业务可能会用到不同网络资源。业务控制到底 层网络控制的映射由应用层网关来完成。 在控制层，需要完成不同网络呼叫、会话控制协议和控制过程的适配，这 是网问互通最重要的部分。控制信令适配有两种方式：协议映射和协议封装。 协议映射要求应用程序必须在分析对端网络协议消息的基础上，将其转换成本 端网络的相应消息，并根据需要还可能对原有协议做适当补充。协议封装，与 网络中继应用有关，中继网络应透明传送封装协议，对封装协议不做任何分析 处理。 在传输层，如果互通网络的媒体形式和承载技术不同，则可通过设置媒体 网关实现互通。 在终端接入层，软交换网络应能支持不同类型终端的接入，包括其他网络 的典型终端。这些终端使用相同网络的接入协议，因此也涉及网络互通技术。 此外，无论是域间互通还是网间互通，都需要解决地址解析和选路的问题。 前者要求建立互通网络之间交换路由信息的机制，后者一般要求媒体流经由指 定的互通点转接，以实现对互通业务流的监视和统计。 2 2 3 与其他网络的互通 1 与p s t n 、i s d n 、g s m 和c d m a 网络的互通 第二章软交换技术研究 软交换网络与目前传统的电路交换网( p s t n i s d n ) 以及与核心网为电路交 换的移动通信网( g s m c d m a ) 的互通均通过中继网关完成。具体连接关系为： 视网络及业务的情况，中继网关可与所在本地网长途交换机、市话汇接 交换机以及有新业务要求的市话端局相连。 中继网关可直接与g s m 或c d m a 移动网( 关口) 交换机相连，或通过本地 电话网转接。 与其他运营商固定电话网可直接通过关口局互通，也可通过本地电话网 转接。 2 软交换网络与p s t n i s d n 的互通如图2 2 所示。 软交换网电路交换网 图2 2 软交换网与p s t n i s d n 互通示意图 3 与n o 7 信令网的互通 软交换网络与n o 7 信令网的互通通过信令网关完成，信令网关与n o 7 信 令网的互通有以下几种方式( 优先级依次降低) ： 与所在本地网l s t p 相连； 与所在本地网h s t p 相连： 与中继网关相连的信令点( s p ) 采用宣联方式连接。 4 与h 3 2 3 网的互通 基于h 3 2 3 协议的i p 电话网络已经覆盖了我国主要省市，因此软交换网络 应与现有h i3 2 3 网络互连互通，互通协议建议采用h 3 2 3 协议。具体互通方式 如下： 若软交换设备本身提供h 3 2 3 网守功能，可直接控制所接的h 3 2 3 用户。 软交换网络与h 3 2 3 网采用接近互通方式，即软交换设备按互通的方便 程度，既可通过一级网守与h 3 2 3 网互通，也可通过二级网守与h 3 2 3 网互通。 第二章软交换技术研究 软交换网络与其他运营商h 3 2 3 网通过顶级网守互通，如图2 - 3 所示。 软交换网络h 3 2 3 网络 图2 - 3 软交换网络与h 3 2 3 网络通过顶级网守互诵示意图 2 3 软交换技术概述 2 3 1 软交换的概念 目前，软交换已经被公认为n g n 网络的核心技术，它的发展受到越来越多 的关注。从广义上看，软交换泛指一种网络结构，利用该体系结构可以建立下 一代网络框架，其功能涵盖4 个功能层面：接入层、传输层、控制层和应用层， 主要由软交换设备、信令网关、媒体网关、应用服务器、i a d 等组成。 从狭义上看，软交换特指位于控制层的软交换设备。 我国信息产业部电信传输研究所对软交换的定义是：“软交换是网络演进 以及下一代分组网络的核心设备之一，它独立于传输网络，主要完成呼叫控制、 资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，同时可以向用户提供现 有电路交换机所能提供的所有业务，并向第三方提供可编程能力。” 软交换的设计思想与传统电路交换截然不同，图2 4 对电路交换模式与软 交换模式进行了对比。 t d m 电路交换模软交换模 图2 - 4 电路交换模式与软交换模式示意图 9 t d m 第二章软交换技术研究 从图2 - 4 中可以看出，在传统电路交换模式中，呼叫控制、业务提供以及 交换矩阵均集中在一个交换系统中。而软交换模式松绑和分散了各核心功能， 在分组交换网络的基础上，彻底实现了交换、路由与业务功能提供相分离。在 软交换网络中，路由由分组交换网络的路由设备提供，业务由业务功能服务器 提供，交换功能( 呼叫管理与控制) 由软交换设备提供。传统交换机的呼叫控制 是和业务结合在一起的，不同的业务所需要的呼叫控制功能不同，所以这就要 求软交换提供的呼叫控制功能是各种业务的基本呼叫控制功能。正是由于软交 换技术的这种结构模块化、实现软件化的特点，使得以软交换技术为核心的下 一代网络能够使业务真正独立于网络，通过业务与呼叫控制分离以及呼叫与承 载分离实现相对独立的业务体系，并且使得软交换设备在组网的灵活性和网络 的功能升级能力方面优于传统电路交换机。 传统电路交换机将传送交换硬件、呼叫控制和交换以及业务和应用功能集 成到单个昂贵的交换机设备，是一种垂直集成的、封闭的、单厂家专用的系统 结构，新业务的开发也以专用设备和专用软件为载体，导致开发成本高、时间 长，无法适应今天快速变化的市场环境和多样化的用户需求。而软交换打破了 传统的封闭交换结构，采用完全不同的横向组合模式，将上述三大功能间的接 口打开，采用开放的接口和通用的协议，构成一个开放的、分布的和多厂家应 用的系统结构，可以使业务提供者灵活选择最佳和最经济的组合来构建网络， 加速新业务和新应用的开发、生成和部署，快速实现低成本广域业务覆盖，推 进话音和数据的融合。 2 3 2 软交换的特点 软交换主要有以下特点： 高效灵活 软交换体系结构的最大优势在于将应用层和控制层与核心网络完全分开， 有利于以最快的速度、最有效的方式引入各类新业务，大大缩短了新业务的开 发周期。利用该体系结构，用户可以非常灵活地享受所提供的业务和应用。 开放性 由于软交换体系架构中的所有网络部件之间均采用标准协议，因此各个部 件之间既能独立发展互不干涉，又能有机组合成一个整体，实现互连互通。运 营商可根据自己的需求选择市场上的优势产品，实现最佳配置。 多用户 软交换的设计思想迎合了电信网、计算机网及有线电视网“三网合一”的 大趋势。模拟用户、数字用户、移动用户、a d s l 用户、i s d n 用户、i p 用户都 1 0 第二章软交换技术研究 可以享用软交换提供的业务，因此它不仅为新兴运营商进入语音市场提供了有 利的技术手段，也为传统运营商保持竞争优势开辟了有效的技术途径。目前各 运营商都认为可以对软交换进行深入研究，探索其在网络发展、演进和融合过 程中的作用。 强大的业务功能 软交换可以利用标准的全开放应用平台为客户定制各种新业务和综合业 务，最大限度地满足用户需求。 2 3 。3 软交换的主要功能 软交换设备是多种逻辑功能实体的集合，提供综合业务的呼叫控制、连接 以及部分业务提供功能，是下一代网络中语音、数据、视频业务呼叫、控制、 业务提供的核一山设备，也是目前电路交换网向分组交换网演进的主要设备之一。 就软交换技术而言，其定义的的主要功能包括：呼叫控制功能、业务提供 功能、业务交换功能、协议功能、互通功能、资源管理功能、计费功能、认证 与授权功能、地址解析功能、语音处理功能以及网管功能等。软交换设备的功 能及接口框图如图2 5 所示。 信 令 网 关 n o 7 a a a 服务器 产宁 软 交 换 设 备 h 2 4 8 上 各种 媒愀 s i p 终端 h 2 4 8 终端 m g c p 终端 图2 5 软交换设备的功能和接口框图 h 3 2 3 1 p 电话网 s i p 系统 软交换设备 信j 广 令k 智能网 网j 关f 呼叫控制功能：软交换设备可以为基本呼叫的建立、维持和释放提供控 一一一一一 第二章软交换技术研究 制功能，包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检测和资源控制等。 软交换设备应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。 软交换设备应支持基本的两方呼叫控制功能和多方呼叫控制功能，提供对多 方呼叫控制功能，包括多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。 软交换设备应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 媒体网关向用户发送各种信号音，如拨号音、振铃音、回铃音等；提供满足运营 商需求的拨号计划。 当软交换设备内不包含信令网关时，软交换应能够采用s s 7 i p 协议与外设的 信今网关互通，完成整个呼叫的建立与释放功能。其主要承载协议采用信令控制 传输协议( s c t p ) 。 软交换设备可以控制媒体网关发送交互式语音应答( i v r ) ，以完成诸如二次 拨号等多种业务。软交换可以同时直接与h 2 4 8 终端、媒体网关控制协议( m g c p ) 终端和会话初始化协议( s i p ) 客户端终端进行连接，提供相应业务。 当软交换位于p s t n i s d n 本地网时，应具有本地电话交换设备的呼叫处理功 能；当软交换位于p s t n i s d n 长途网时，应具有长途电话交换设备的呼叫处理功 能。 业务提供功能：软交换应能够提供p s t n i s d n 交换机提供的业务，包括 话音业务、补充业务和多媒体业务等；可以与现有智能网配合提供现有智能网提 供的业务；可以与第三方合作，提供多种增值业务和智能业务。 业务交换功能：业务交换功能与呼叫控制功能相结合提供了呼叫控制功 能和业务控制功能( s c f ) 之间通信所要求的一切功能。业务交换功能主要包括： 业务控制触发的识别以及与s c f 间的通信；管理呼叫控制和s c f 之间的信令：按要 求修改呼, q 连接处理功能；在s c f 控制下处理i n 业务请求；业务交互作用管理等。 协议功能：软交换是一个开放的、多协议的实体，因此必须采用标准协 议与各种媒体网关、终端和网络进行通信，这些协议包括：h 2 4 8 、s c t p 、i s u p 、 t u p 、i n a p 、h 3 2 3 、r a d i u s 、s n m p 、s i p 、m t p 3 、用户配置协议( m 3 u a ) 、m g c p 、 与承载无关的呼叫控制( b i c c ) 、i s d n 、v s 协议等。 互通功能：软交换应可以通过信令网关实现分组网与现有七号信令网的 互通；软交换可以通过信令网关与现有智能网互通，为用户提供多种智能业务； 允许s c f 控带o v o i p 呼叫，且对呼叫信息进行操作( 如号码显示等) ；软交换可以通 过软交换中的互通模块，采用h 3 2 3 协议实现与现有h 3 2 3 体系的i p 电话网的互 第二章软交换技术研究 通；采用s i p 协议实现与未来s i p 网络体系的互通；软交换可以与其他软交换设各 互通互连，它们之间的协议可以采用s i p 或b i c c ：软交换提供i p 网内h 2 4 8 终端、 s i p 终端和m g c p 终端之间的互通。 资源管理功能；软交换应提供资源管理功能，对系统中的各种资源进行 集中的管理，如资源的分配、释放和控制等。 计费功能：软交换应具有采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。当使用计帐卡等业务时，软交换应具 备实时断线功能。 认证与授权功能：软交换应能够与认证中心连接，并可以将所管辖区域 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。 地址解析功能：软交换设备可以完成e 1 6 4 地址至i p 地址、别名地址至 i p 地址的转换功能，同时也可以完成重定向功能。 语音处理功能：软交换可以控制媒体网关采用语音压缩，并提供可选择 的语音压缩算法，算法至少应包括g 7 2 9 、g 7 2 3 等；软交换可以控制媒体网关采 用回波抵消技术；软交换应可以向媒体网关提供包缓存区的大小，以减少抖动对 语音质量的影响。 网管功能：操作维护系统是软交换设备中负责系统的管理和操作维护的 部分，是用户使用、配置、管理、监视软交换设备的工具集合。软交换应能支持 本地维护管理，又可以通过内部的s n m p 代理模块与支持s n m p 协议的网管中心进行 通信。跟传统的电信设备样，软交换实现的管理功能为配置管理、性能管理、 故障管理和安全管理，包括话务拥塞控制、业务质量控制、路由动态调整、故障 管理、故障恢复、告警管理等。 就上面这些功能而言，软交换可以说是下一代分组网络交换的核心。如果说 传统电信网络是基于程控交换机的网络，那么下一代分组话音网络则是基于软交 换的网络。未来新公众网的组成元素中，软交换将是一个重要组件，是新老网实 现融合的枢纽。 软交换主要处理实时业务，最初是话音，以后也可处理视频和多媒体业务。 正是由于软交换的核心思想是将呼叫与媒体承载相分离，这样，软交换可以将电 话网、计算机网以及有线电视网连接在一个统一的i p 网上，从而真正做到三网融 合。 2 3 4 软交换涉及的接口与协议 软交换设备作为一个开放的实体，外部的接口必须采用开放的协议。下面列 第二章软交换技术研究 举了软交换设备与外部的接口： 软交换设备与媒体网关的接口，用于软交换对媒体网关进行承载控制、 资源控制和管理，此接口采用h 2 4 8 ( m e g a c o ) 协议，也可以考虑采用媒体网关控 制协议( m g c p ) 和i p 设备控制协议( i p d c ) ； 软交换设备与信令网关间的接口，完成软交换和信令网关间的信息传递， 可使用信令控制传输协议( s c t p ) 、s i p 或其他类似协议； 软交换设各与策略服务器间的接口，实现对网络设备工作的动态调整， 此接口可使用c o p s 协议； 软交换设备与应用服务器问的接口，提供对三方应用和各种增值业务的 支持，可使用s i p 或a p i 协议( p a r l a y ) ； 软交换设备与智能网的s c p 之间的接口，实现对现有智能网业务的支持， 此接口采用智能网应用协议( i n m p ) ； 软交换设备与网管中心间的接口，实现网络管理，可使用简单网络管理 协议( s n m p ) ； 软交换设备之间的接口，主要实现不同软交换设备间的交互，可使用 s i p t 、h 3 2 3 协议或i t u t 的最新协议b i c c ； 软交换设备与现有h 3 2 3 网络之间的接口，互通协议建议采用h 3 2 3 协议； 软交换设备与智能终端之间的接口，实现对终端的管理和控制，采用协 议为h 2 4 8 协议、s i p 、h 3 2 3 等。 2 4 媒体网关 2 4 1 媒体网关的定义及分类 媒体网关在软交换网络中的作用是进行不同媒体格式之间的转换，较多用在 传统电路交换网和分组交换网之间，实现语音流和分组包之间的转换。媒体网关 可以处理音频、视频、t 1 2 0 等类型的媒体流，也具备处理这三者的任意组合的 能力，能够进行全双工的媒体翻译。在软交换网络中，媒体网关处于接入层的位 置。按照标准的软交换网络的概念，媒体网关不具备任何呼叫控制的功能，它只 是按照控制层软交换设备的指令来执行操作。 根据接入的方式，媒体网关可分为： 中继媒体网关：主要提供e 1 或s t m 一1 的接口，负责传统电话网中的c l a s s 4 或c l a s s 5 交换局的接入。在软交换设备的控制下，实现基于分组网的长途语音业 务。 接入媒体网关：这类媒体网关提供的接口比中继媒体网关丰富，包括接 1 4 第二章软交换技术研究 入p b x d x 交换机的p r i 接口、接入v 5 2 远端模块的v 5 2 接口、直接接入用户的模拟 用户线接口等，甚至还可以包括接入a d s l 的a d s l 接口。它的作用是用于实现本地 用户接入，一般被放置在最靠近用户的端局，实现本地用户的分组语音业务。 无线接入媒体网关：这类媒体网关主要提供的是无线接入手段，将无线 用户接入到软交换网络中。 按照承载方式，媒体网关可分为： v o a t m 媒体网关：这类网关分组侧连接的是a t m 网，媒体网关将语音流转 换为a t m 信元，向用户提供v o a t m 的语音业务。 v o i p 媒体网关：这类网关分组侧连接的是i p 网，媒体网关将语音流转换 为工p 包，向用户提供的是v o i p 的语音业务。 v o i p o a t m ：这类网关分组侧连接的是a t m 网，媒体网关内部将语音流先转 换为i p 包，再转换为a t m 信元，向用户提供v o i p o a t m 的语音业务。 此外，按照容量的不同，媒体网关又可以被分为大型的媒体网关设备和企业 用的媒体网关设备。 2 4 2 媒体网关的功能 媒体网关在软交换网络中处于接入层的位置，负责不同媒体格式之间的转 换，它的具体功能如图2 - 6 所示。 图2 - 6 媒体网关功能示意图 接入功能：媒体网关要负责各种用户和网络的接入，使得任何一种用户 都可以基于分组网享受到软交换网络提供的服务。此外，媒体网关还必须具备 第二章软交换技术研究 分组网的接入功能，实现语音在分组网上的传送和接收。 语音压缩和处理功能：当媒体网关被用在传统电话网和分组网之间时， 它要实现语音流和分组包之间的转换，因此需具备语音压缩功能，支持g 7 1 1 、 g 7 2 9 、g 7 2 3 1 等语音编码方式，并能在不同的编码方式之间切换。为了达到 通话质量的要求，媒体网关还需具有回声抑制、静音检测、舒适噪音插入、消 除时延抖动等功能。 资源控制和管理功能：媒体网关所拥有的资源可分为物理和逻辑两类， 物理资源有用户侧的电路资源、分组侧资源、d t m f 收号器资源、i v r 资源等； 逻辑资源有与协议相关的终结点资源、上下文资源等。媒体网关需正确分配完 成一次呼叫需要的所有资源，当资源出现故障不能正常使用时，媒体网关还要 能够及时侦测到资源的状态变化，并上报给软交换设备。此外，媒体网关还应 具有资源的统计功能，包括公共资源的占用情况、端口的使用情况、带宽的占 用情况以及统计与服务质量相关的数据等。 维护和管理功能：包括能够检测到与软交换设备之间的中断、在故障复 员之后能够丰动地恢复连接、有用户线的媒体网关能够对各类用户线进行检测 等。 协议处理功能：媒体网关需要处理的协议包括两部分。一类是媒体网关 控制协议，被用在媒体网关和控制层的软交换设备之间，使软交换