（计算机系统结构专业论文）linux软交换技术研究及其应用.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着电信技术和网络技术的发展，互联网络技术正在向下一代网络过渡。软 交换技术是下一代网络中的一种关键技术，它通过软件的方式来实现多种业务的 控制、接续和传输等功能。在基于软交换的网络平台中，互联网己经逐渐发展成 为承载多种业务、服务多类用户群体的全球性公共信息传输平台。由于疋协议固 有的无连接特性和传统口网络尽力而为的服务原则，无法向用户提供有效的服务 质量保障，也不能实现网络资源的有效监控和管理，因此需要能够区分不同网络 流量并根据具体应用需求提供相应服务质量的网络流量管理技术。这种技术对于 支持软交换应用的n g n 而言更为重要。 本文针对基于口承载网上的软交换应用环境，研究适合该环境的软交换应用 模型以及对各种应用流量的管理方式。论文具体开展了以下工作： 在下一代互联网系统框架下，研究了软交换技术如何支持下一代网络的应 用需求。针对口承载网，提出了一种可扩展的软交换应用模型s s a m 。该模型通 过应用与传输控制相分离，具有可扩展的特点，能够灵活地承载各种应用业务。 设计了一种基于s s a m 的流量管理器。该管理器具备可扩展、分层的体系 结构，支持对不同网络流量的识别分类，监视网络中各种流量的状态，并根据应 用的需求实施面向用户、业务类型、带宽和服务质量的流量控制与管理，从而保 障网络的正常运行。 在l i n u x 平台上实现了基于s s a m 的流量管理器，并通过实验验证该流量 管理器的正确性和有效性。 关键词：软交换，服务质量，流量分类，流量控制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e l e c o mt e c h n o l o g i e sa n dn e t w o r kt c c h n o l o l 百韶， i n t e r a c ti sg o i n gt ot h en e x tg e n e r a t i o n s o f ts w i t c h i n gi so n eo fk e yt e c h n o l o g i e so f n g n ，w h i c hi m p l e m e n t ss e r v a lf u n c t i o n si n c l u d i n gs w i t c h i n gc o n t r o l ， c o n n e c t i n g a n dt r a n s p o r t i n gi ns o f t w a r ew a y s u p p o s e db ys o f ts w i t c h i n g ，i n t e r n c ti sb e c o m i n ga p l a t f o r mo fg l o b a lp u b l i c n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nw h i c hp r o v i d e sm a n yk i n d so f s e r v i c e sa n dc o n f o r md i f f e r e n tn e e d so fp e o p l e n e t w o r kt r a f f i cm a n a g e m e n ti sa n i m p o r t a n tm e a n st ok e e pt h es o f ts w i t c h i n gw o r k i n gw e l l d u et ot h ec o n n e c t l e s s c h a r a c t e r i s t i c so fi pp r o t o c o la n dt h ei d e ao fb e s t - e f f o r ts e r v i c ei ni pn e t w o r k ，t h e g u a r a n t e eo f s e r v i c eq u a l i t y c a l ln o tb ep r o v i d e d ，a n dt h em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t o fn e t w o r kr e s o u r c e sc a nn o tb er e a c h e di nt r a d i a t i o n a li pn e t w o r k t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d yn e t w o r kt r a f f i cm a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e st h a ts u p p o r tt r a f f i c c l a s s i f i c a t i o na n dp r o v i d ed i f f e r e n tq u a l i t yo fs e r v i c ef o rs p e c i f i cn e t w o r ka p p l i c a t i o n s i ti si m p o r t a n tf o rt h en g nt h a ts u p p o r t ss o f ts w i t c h i n ga p p l i c a t i o n s u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fi pb a s e ds o f ts w i t c h i n ga p p l i c a t i o n ，t h ea p p l c a t i o n m o d e lo fs o f ts w i t c h i n ga n dd i f f e r e n tm o d e so fn e t w o r kt r a f f i cm a n a g e m e n tw e r e s t u d i e d 1 1 l em a i nw o r k so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： i nt h ef i a m e w o r ko f n ( n ，t h es o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g i e st h a ts u p p o r t e dt h e r e q u i r e m e n t so fn g na p p l i c a t i o n si ss t u d i e d as c a l a b l es o f ts w i t c h i n ga p p l i c a t i o n m o d e ls s a mi sp r o p o s e df o ri pn e t w o r k n l i sm o d e li ss c a l a b l eb e c a u s eo ft h e s e p a r a t i o n o f a p p l i c a t i o n a n dt r a n s p o r t i n gc o n t r o l ，w h i c hs u p p o r t sd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n sf l e x i b l y an e t w o r kt r a f f i cm a n a g e rb a s e do ns s a mi sd e s i g n e d 砌st r a f f i cm a n a g e r h a ss c a l a b l ea n dl a y e r e d 绷c h i t e c t u r e i ts u p p o r t st h ec l a s s i f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no n d i f f e r e n tn e t w o r kt r a f f i c s t h es t a t u s e so fd i f f e r e n tt r a m c sc a nb em o n i t o r e d n 圮 t r a f f i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n tt o w a r d sd i f f e r e n tn s c l s ，s e r v i c et y p e s ，b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t sa n dq u a l i t i e so fs e r v i c e s c a nb ei m p l e m e n t e d n en e t w o r kc a nb e o p e r a t e dm o r ee f f i c i e n t l y t h en e t w o r kt r a f f i cm a n a g e rb a s e d0 1 1s s a mw a si m p l e m e n t e do nl i n u x p l a t f o r m t h er e s u l t sf r o ms o m ee x p e r i m e n t ss h o wt h ec o i t e c t n e s sa n de f f i c i e n c yo f t h i sm a n a g e r 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ：s o f ts w i t c h i n g ，q o s ，t r a f f i cc l a s s i f i c a t i o n ，t r a f f i cc o n t r o l i i l 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_ 卜- 进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 巾1 i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废厶堂 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 研究所做的仟何页献均已在论文中作了明确的说明并表卅谢意。 学位论文作者签名：涔辟签字同期：山。7 年月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位沦文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭_ 人堂口j 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，可以采用影印、缩印或扫捕等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：港肆 签字日期：a 矽7 年月e l 导师签名：7 乏砂 签_ 宁日期：少璋月目 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 当前电信网络存在着两种类型的网络：语音网与数据网。随着数据业务的快 速增长，目前这种网络架构已经不适用于新业务的发展：语音网与数据网的分离 接入( 分别有交换机和路由器) 需要巨大的投资；两个网络的功能和处理的重复也 造成许多不必要的浪费；由于新业务的开发，大量的拨号数据业务造成传统的语 音网络的阻塞，而口网由于无电信级的数据语音业务无法满足需要。为了解决上 述问题，n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 应运而生。 n g n 即下一代网络，是计算机网络发展的一个里程碑，它标志着传统电信网 络和计算机网络融合时代的来临。从而使三网( 电视网、电信网、互联网) 合一的 思想真正的成为现实。它不仅使通信从原有的p s t n 网络向以分组交换为主的计 算机网络转变，并且以坤技术的新特点使用户享受语音、视频、数据等综合业务 带来的方便和快捷，而且打破了传统电信行业的整体格局，转变了电信行业的运 营模式。从某种意义上来说，n g n 使得电信发展进入m 网络时代，也是计算机 网络技术和通信技术相互融合、相互渗透的结果，它必将开拓计算机网络发展和 通信发展的新纪元l l 】。 作为n g n 网络中最为核心和重要的组成部分一网络软交换，在整个基于口 的分组交换网络通信中处于绝对核心的地位。软交换独立于传输网络，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业务，并向第三方提供可编程能力，使得各种 各样的网络应用业务可以在n g n 网络上自由的展开，使不同类型的通信控制和 承载相分离的思想，将通信过程中的控制信令和语音、视频等媒体流分离，这样 不仅符合分组交换网络的特点，也减轻了软交换本身在通信网络中的负担，避免 出现通信网络的瓶颈问题1 2 】。 随着e n t e m e t 商业化进程的不断推进，i n t e m e t 服务提供商( i s p ) 开始更多地考 虑用户的需求以及付费方式等问题，为用户提供全方位的网络服务。而传统 i n t e m e t 是基于不能提供任何服务质量保证的尽力转发饵e s t - e f f e c t ) 模型，即只根 据数据包的目的地址决定下一跳地址，对到达的数据包只采取先到先服务 ( f i r s t - c o m e - f i r s t - s e r v i c e ) 的方式进行转发，不区分包的优先级，无法为用户提供 高质量的图像、声音等多媒体传输服务。另一方面，网络规模的不断扩大、网络 结构的日趋复杂，加重了网络管理、网络运作的负担，而网络管理的效果直接影 响到网络的运行质量。研究如何进行资源分配和流量规划，提高网络管理的效率， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 是改善网络环境运行质量的重要问题。 通过研究软交换的业务控制与传输相分离的可扩展性思想并在l i n u x 平台上 实现在流量管理领域中的应用，对于设计网络通信设备有实用价值，降低开发和 维护成本；对整个网络带宽的有效利用都有重要意义。 1 2 国内外研究现状 软交换技术的运用，能加快运营商新的服务项目推出和升级的步伐，从而紧 跟市场需求，留住客户。对新的运营商来说，电信级的软交换设备可以取代现有 的电路交换机，且成本更低，易于他们参与市场竞争。对于传统运营商来说，软 交换可以与传统的网络并存，可以分期建设，所以保护了投资。这样既降低了网 络建设的成本，又在给人们提供更丰富多彩的新业务的同时给运营商带来了丰厚 的收入和利润。因此，无论是国际还是国内，软交换技术和基于软交换技术的下 一代网络的研究一直都是热门的课题。 自贝尔实验室1 9 9 7 年提出软交换( s o f ts w i t c h ) 概念以来，在短短的几年时间 内，国际上己经先后经历了实验室阶段、市场推广阶段、应用阶段这三个发展阶 段。在众多制造商和运营商的共同推动下，软交换产品逐步趋于成熟，功能日益 丰富，标准化过程正稳步推进，从而使得软交换技术开始走向市场。美国的运营 商v c r i z o n 目前的网络由多个重叠的业务网络组成，包括：传统的交换网、帧中 继与a t m 数据网、城域互联网和s o n e t 、d w d m 传送网。另外美国的s p r i n t 公 司、英国电信( b r i t i s h t e l e c o m ) 等大公司己完成基于软交换的下一代网络的部署， 并己开始商用，获得了可观的收益f 3 】。 我国在“十一五”规划的建议中就明确提出，加强宽带通信网、数字电视网 和下一代互联网等信息基础设施建设，推进“三网融合”，健全信息安全保障体系。 我国在“8 6 3 计划”中已对软交换系统在移动通信和多媒体应用方面的研究课题 进行了立项。各大电信设备制造商也纷纷开始了软交换技术和基于此的下一代网 络的研究，推出了一些软交换产品，中兴通讯等公司已先后推出了自己的软交换 解决方案。例如中兴公司的软交换z t e - - s o f l s w i t c h 、华为公司的u s y s 下一代 网络解决方案【4 】。中国电信集团公司也于2 0 0 2 年3 月正式启动软交换应用试验网。 中国移动、中国联通等电信运营商也完成了部分网络的试验。但由于我国己经形 成的电信网络、计算机网络、有线电视网络规模非常庞大，到目前为止，业界对 n g n 和软交换的体系结构、组网方式，与现有p s t n 网络、i n t e r n e t 互通以及 软交换设备本身的互通等问题没有达成共识，没有形成标准的协议，因此，只是 停留在试验和小规模应用阶段，真正的大规模商用还尚需时日【5 1 。 随着下一代网络的逐步发展以及3 g 网络的推广，网络呈现了多业务分布，这 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 种多业务流网络中流量的分类与控制成为了研究的热点之一。波士顿大学的研究 人员提出了一种应用在网络管理领域中的新的模型一i t m ( i n t e r n e tt r a f f i c m a n a g e r ) ，并提出了适合于i t m 的用户级和内核级两种a p i ，实现了一种可扩展 的流量分类系统。这项研究提出了一种中间件的设计思想【6 】。这项研究得到了美 国国家科学基金会，s p r i n t 实验室以及m o t o l o r a 实验室的支持。另外，p a c k t e e r 公司的产品也集成了这一系列功能 7 1 。台湾交通大学的研究人员也在进行网络流 量管理控制的研究。 本实验室的工作是结合软交换技术思想，把软交换模型应用于流量管理领域， 并在l i n u x 平台上实现。本文将对系统结构设计以及核心模块进行分析、实现， 最后给出总结。 1 3 论文选题与研究意义 传统的公众电话交换网p s t n ( p u b l i es w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 使用集中式 的四、五类交换机，逻辑、控制、计费等功能都集中在这些交换机中，而作为下 一代网络n g n 的核心技术软交换技术提出了业务控制与传输相分离的思想，并 具有开放分布式的网络架构，具备可扩展性。软交换的思想提供了设计网络通信 设备的一种新模式，应用功能模块与传输相分离，可扩展性允许动态的增加应用 功能模块。 这种新型模式可以让应用开发者只关注于应用功能的开发，不用了解基础网 络的具体技术和协议。这些应用功能包括了数据包识别控制系统、加密系统、数 字认证系统以及流量计费系统等，这些应用模块可在需要时通过通用a p i 连接到 协议栈上，获得数据包并可以修改后再次注入协议栈进行传输。 通过研究软交换的业务控制与传输相分离的可扩展性思想并在l i n u x 平台上 实现，使应用功能开发更加灵活，对于设计网络设备有实用价值，降低开发和维 护成本；对整个网络带宽的有效利用都有重要意义。 1 4 论文结构 本文共分为六章： 第一章：阐述论文的背景、国内外研究现状、论文选题和研究意义，对论文 的内容以及组织安排进行大纲性的介绍； 第二章：分析了下一代网络n o n 的基本概念和特征，以及软交换的定义、架 构和应用。 第三章：在基于软交换技术思想上，提出一种可扩展的软交换应用模型，并 对其特点进行分析，展望了该模型的应用前景。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 第四章：在介绍流量管理的基础上，把上章提出的可扩展软交换应用模型应 用在此领域，并对应用系统的结构进行设计。 第五章：在l i n u x 平台上实现上章提出的可扩展软交换应用模型在流量管理 领域中的应用。并介绍了实验环境以及对实验结果进行了分析。 结束语，总结本文的研究成果，阐述了进一步的研究工作和主要方向。 4 重庆大学硕士学位论文 2 软交换技术 2 软交换技术 2 1 引言 本文的研究内容是基于软交换技术的核心思想，同时，软交换技术又是n g n 的核心技术，因此本章将在阐述了下一代网络的基本概念、特征以及总体架构后， 对软交换技术进行了深入的研究，并分析其应用现状。本文以后的章节都将根据 本章对n g n 和软交换技术思想的分析而展开。 2 2 下一代网络n g n 2 2 1n g n 基本概念 广义的下一代网络n g n 是一个非常宽泛的概念，包含了极其丰富的内容，几 乎涵盖了现代电信新技术和新思想的方方面面。不同背景的专家对其有不同的诠 释，不同的标准化组织从不同侧面去制定技术标准，从不同角度看到的是n g n 的不同内容。从承载层面来看，下一代网络是高速的全光智能网；从接入层面看， 下一代网络是多元化、综合化的宽带有线与无线相结合的接入网：从控制层面上 看，下一代网络是软交换网络；从移动通信的角度来看，下一代网络是3 g 和后 3 g ；从互联网的角度来看，下一代网络是下一代互联网( n g i ) 。总之，下一代网 络是诸多技术进步和新业务需求共同推动的结果，是通信新技术的集大成者，它 承载了人们在任何时间、任何地点、以任何方式实现通信的美好愿望。 i t u - t 在2 0 0 4 年初步完成了n g n 的基本定义【8 】：n g n 是基于分组技术的网 络；能够提供包括电信业务在内的多种业务；在业务相关功能与底层传送相关功 能分离的基础上，能够利用多种带宽、有q o s 支持能力的传送技术；能够为用户 提供到多个运营商的无限制的接入；能够支持普遍的移动性，确保用户的一致的、 普遍的业务提供能力。 在i t u t 启动n g n 项目之前，e t s i 的n g n 启动小组对n g n 进行了初步的 定义，在其报告中建议把n g n 定义为：n g n 是定义和部署网络的一个概念，由 于它们形式上分为不同的层面并使用开放的接口，所以n g n 给服务提供商与运 营商提供了一个能逐步演进的平台，不断创造、开放和管理新的服务。实际上， 此定义已经运用到i t u 的g i i 的标准化中 9 1 。 2 2 2 n g n 特征 由以上对n g n 的定义的描述，我们可以看出n g n 具有以下的明显特征： n g n 是一个网络解决方案。软交换采用业务和呼叫控制分离、呼叫控制 和承载分离技术，实现分布式网络结构，使业务独立于网络。通过开放式的协议 5 重庆大学硕士学位论文 2 软交换技术 和接口，可以灵活、快速地提供个性化的服务。而不是像综合交换机那样只着眼 于节点的解决方案。演进过程中需要支持的新的网络能力可以由己有网元或新增 网元实现，软交换则定义网元之间的标准接口。 n g n 的网络控制层具有独立性。软交换采用开放的计算机平台将呼叫控 制从媒体网关中分离出来，通过软件实现基本的呼叫控制功能，包括呼叫选路及 信令控制等，使业务提供者可方便地结合承载业务和控制协议，提供开放的开发 接口，灵活、快速地提供个性化的业务。 n g n 是一个分布式和集中式相结合的解决方案。原则上所有功能都是在 网络中分布实现的，特别是网络互通功能由分布式网关完成，这些网关数量多， 功能相对简单，容量可从支持数个终端的小型宅内网关到支持数千话路的大型中 继网关，但是呼叫控制和业务控制功能集中于少数几个软交换机完成，沿用传统 电信网的智能网集中控制的思想，确保系统可靠性和可控性。 n g n 是一个软件解决方案。核心在于软交换机中的控制逻辑和网元之间 的接口协议，传送层功能由相应的底层网络自行解决，不在软交换考虑的范围之 内。由于控制任务专一，软交换的容量可以相当大，有利于对各种多媒体业务的 有效控制。 n g n 采用分层的体系结构，与网络的垂直分割相适配，支持网络的演进 和新技术的引入。软交换采用高效的包交换技术，同时支持语音、数据、视频等 业务。通过中继网关、信令网关，可实现与p s t n 等网络的互通，有效地继承原 网络的业务。 2 2 3n g n 总体架构 与传统的电路交换网相比，软交换网络是一个全开放的体系结构，如图2 1 所示，它包括四个相对独立的层次，从下到上分别是接入层、传送层、控制层和 业务层。 接入层为固定、移动电话以及各种数据终端提供接入访问网络资源的入 v i ，这些终端需要通过接a n 关( a g ，a c c e s sg a t e w a y ) 或者其他接入设备接入网 络。 传送层( 或称为承载层) 的主要任务是传递业务信息。目前有一个广泛的共 识，就是采用分组交换网络( 口或a t m ) 作为下一代网络的核心传送网。不管采取 什么样的业务信息，如电话呼叫、w e b 服务，视频点播等，都采用单一的分组传 送网络。 控制层的主要功能是呼叫控制，即控制接入层设备，并向业务层设备提供 业务能力或特殊资源。控制层的核一i l , 设备是软交换，软交换与业务层之间采用开 放的a p i 或标准协议进行通信。 6 重庆大学硕士学位论文 2 软交换技术 业务层的功能是创建、执行和管理下代网络的增值业务，其主要设备是 应用服务器，还包括其他的些功能服务器，如媒体服务器、a a a 服务器、目录 服务器、策略服务器等，它们的作用是与应用服务器协作提供更为丰富的增值业 务，同时增强业务的可移植性、可运营性、可维护性和可管理性【1 0 1 。 一匝圈叵圈圆圈 控制层 传送层 接入层围困圈 堕多延多多 图2 1 下一代网络的分层结构 f i 9 2 1a r c h i t e c t u r eo f n g n 2 3 软交换 2 3 1 技术背景 实际上，软交换是在m 电话的基础上逐步发展起来的- f 新技术或一个新概 念。在口电话网中，为增强网关功能的灵活性、可扩展性和高效性，提出了分解 网关功能的思路，在此基础上，逐步产生出软交换的概念。 在传统的口电话系统中，m 电话网关可以建立电路交换网( s c n ) 和i n t e m e t 之间的呼叫连接，实现方式如图2 2 所示。 7 重庆大学硕士学位论文 2 软交换技术 传真机电话机pcsp 图2 2 传统m 电话实现方式 f i 9 2 2i m p l e m e n t i o no f t r a n d i t i o n a li pp h o n e 在图2 2 中，网关不但要执行媒体格式变换，还要进行信令转换，在i n t c r n e t 一侧执行h 3 2 3 或s i p 协议，在s c n 一侧执行i s u p 信令。除此之外，还要控制 网关内部资源，为每个呼叫建立网关内部的话音通道。 这种网关结构对m 电话的大规模部署具有相当多的制约，主要表现在：网关 集多种功能与一身，过于复杂，可扩展性差，没有故障保障机制。于是出现了网 关功能分解的概念，其功能分解模型如图2 3 所示，即传统的网关被分解成以下 三部分。 一 令 巨 + 匝 b 工a 厂：- l ：二 音 图2 3 网关功能分解模型 f i 9 2 3s e p a r a t e df i l i i c t i o i lm o d e lo f g a t e w a y 媒体网关( m g ，m e d i ag a t e w a y ) ：负责媒体转换以及s c n 和口两侧通路 的连接； 信令网关( s g ，s i g n a l i n gg a t e w a y ) ：负责信令交换。但s g 只是进行s c n 信令的底层转换，即从t d m 电路方式转换成t c p i p 传送方式，并不改变其应用 重庆大学硕士学位论文 2 软交换技术 层消息； 媒体网关控制器( m g c ，m e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e r ) ：负责根据收到的信令 控制媒体网关的建立和释放，真正对信令消息进行分析和处理，并进行应用层的 互通变换；m g c 还控制资源，负责认证和网络安全，是整个系统的控制者【l o 】。 由于m g c 的基础功能是呼叫控制，其地位相当于传统电话网中的交换机， 但是和普通交换机不同的是，m g c 并不具体负责话音信号的传送，只是向m g 发送指令，由m g 完成话音信号的传送和格式转换。相当于m g c 中只包含交换 机的控制软件，而交换网络则位于m g 中。正因为如此，人们把m g c 通称为“软 交换机”1 1 1 。 2 3 2 软交换定义 从广义来看，软交换体系包含了n g n 的各个组成部分，代表着整个网络的技 术体系架构。从狭义来看，软交换指的是软交换设备，定位于控制层。 软交换的基本含义就是把呼叫控制功能从媒体网关( 传输层) 中分离出来，通过 类似服务器的功能实体和相应的软件实现基本呼叫控制功能，包含呼叫选路、管 理控制、连接控制( 建立会话、拆除会话) 、信令互通( 如从n o 7 到口) 。其结果就 是把呼叫传输与呼叫控制分离开，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平 面，使业务提供者可以自由的将传输业务与控制协议结合起来，实现业务转移。 可以说软交换是一种功能实体，为n g n 提供具有实时性要求的业务的呼叫控 制和连接控制功能，是n g n 呼叫与控制的核心【9 】。 2 3 3 软交换特点 根据软交换的基本概念，我们可以看出软交换的主要特点有： 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、最有效的方式引进各类新业务，大大缩短了新 业务的开发周期。利用该体系架构，用户可以非常灵活的享受所提供的业务和应 用。 开放性。由于软交换体系架构中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。 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 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、口窄 带网络用户、口宽带网络用户都可以享用软交换提供的业务。 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，最大限度的满足用户要求。特别是软交换可以提供包括语音、 数据和多媒体等各种业务，这是软交换被越来越多的运营商接受和利用的主要原 9 重庆大学硕士学位论文 2 软交换技术 因【1 2 1 。 2 3 4 软交换应用 目前，许多电话交换设备供应商和数据设备供应商均推出了自己的软交换设 备，国内厂商包括中兴、华为和大唐等；国外厂商包括西门子、朗讯、c i s c o 等 公司。各厂商提供的软交换设备均遵从软交换技术的总体架构，只是在具体实现 方式上存在着一些差异。 软交换技术的产生是为了构建一个“全业务网”，即在同一个网上实现语音、 数据、多媒体视频流业务的融合；并且为了实现这个目的，将呼叫控制和业务功 能在功能实体上进行了分离。但目前各厂家提供的软交换系统在业务提供上与上 述目标还存在一定的差距，还需要经历一个不断发展和完善的过程。 目前，语音业务仍旧在通信业务中占据主导地位，也是各电信运营商盈利的 主要来源，软交换网实现多业务的融合，应首先能够提供至少与p s t n 相同的语 音业务。因此，各设备厂商也将对语音业务的支持列为首要任务。语音业务可以 分为语音转接业务和语音直接接入业务。 软交换网的虚拟中继业务提供语音转接业务，实际上就是利用软交换网转接 p s t n 端局之间的语音业务，而软交换网本身不直接接入语音终端用户，此时软 交换网的功能类似于p s t n 中的汇接局或长途局的功能。提供虚拟中继业务，软 交换网中必须配置t g 、s g 和软交换机设备，若仅提供与p s t n 相同的语音转接 业务，则不需要单独的应用服务器，此时呼叫控制和业务的实现均是由软交换机 负责完成。目前各软交换设备供应商提供的系统均已经能够提供虚拟中继业务。 语音直接接入业务，要求软交换网具备p s t n 本地端局的功能，在我国信息产业 部2 0 0 1 年5 月2 5 日发布的电话交换设备总技术规范以及补充件中规定了p s t n 交换机应具备的各项功能，目前各软交换设备厂家均是利用软交换机来实现上述 功能，而未采用专用的应用服务器【1 3 1 。对于用户信息和存储和鉴权认证也是由软 交换机来实现，也支持由专用的应用服务器或智能网s c p 来实现，因此，从某种 意义上说，目前各厂商提供的软交换系统对于基本语音业务仍未采用“呼叫控制 与业务应用的分离”的概念。同时，软交换网中为直接接入用户还必须配置a g 和或t a d 设备；与p s t n 相连，则还需配置t g 和s g 设备。目前各软交换设备 供应商提供的系统均已经能够提供基本的语音直接接入业务，但不同厂商提供的 系统对于电话交换设备总技术规范以及补充件中规定了p s t n 交换机应具备 的各项功能的支持情况仍各不相同。同时，对于p s t n 智能网实现的各种语音增 值业务，各厂家提供的软交换系统也是通过智能网方式来实现的，此时，软交换 机具备s s p 功能，触发智能网业务，访问智能网的s c p 。近年来数据业务的增长 较快，但业务应用主要集中在w w w 浏览、e - m a i l 、下载、网络游戏、网络视频 i o 重庆大学硕士学位论文 2 软交换技术 流媒体在线观看、网上购物、i c q 及网上聊天等业务。软交换设备供应商推出了 一些数据与语音相融合的业务，例如上网呼叫等待业务、w e b8 0 0 业务、短信息 业务等。另外还有会议等多方语音、数据通信业务等。 从上述中可以看出，目前软交换网络提供的业务仍主要是在语音业务方面， 且提供的增值业务功能也很有限，其中部分业务功能利用智能网一样能够实现， 目前，软交换设备供应商、运营商尚无法提供真正吸引用户的、软交换网特有的 业务。软交换网业务的发展和完善还需要设备供应商、运营商和内容服务提供商 长时间的共同努力。 2 4 本章小结 本章分析了下一代网络( n g n ) 的概念和基本特征，给出了n g n 的总体架构， 并阐述了n g n 的核心技术软交换的定义、特点以及当前的软交换应用现状。 从软交换目前应用现状可以看出，软交换网应用的发展和完善仍需时日，而 软交换技术的硬件软件化以及其可扩展性思想，为在m 承载网上设计新型可扩展 应用模型提供了一种思路。本文将基于软交换技术思想和下一代网络架构，提出 一种新的应用模型，此模型以及其应用将从下章开始介绍。 重庆大学硕士学位论文3 可扩展软交换应用堪型 3 可扩展软交换应用模型 3 1 模型背景 目前，随着i n t e r n e t 的兴起和随之而来的数据网络的迅速发展，现有通信网络 逐渐暴露出其固有的局限性，已经越来越无法适应新的形势。 一方面，从运营者的观点来看，仅仅提供简单的业务不再能产生足够的效益， 要向用户提供范围广泛的、有用的和使用方便的业务，包括为商业用户提供工作 效率的固定业务和移动业务，为住宅用户提供各种休闲业务，等等。现有通信网 络中的业务和设备是紧耦合的，提供新业务需要对众多的设备进行更新，周期长， 见效慢，而n g n 则能快速提供新业务。 另一方面，通过上一章对软交换应用的分析，软交换网业务的发展和完善仍 需要设备供应商、运营商、内容服务提供商长时间共同的努力。在未全面部署下 一代网络之前，如何把软交换技术的优势应用到现有网络中成为一个重要的课题。 通过以上的分析，本文将在基于软交换技术核心思想和下一代网络架构特点 上，提出一种软交换应用模型，这种模型体现了业务控制与传输相分离的可扩展 性思想。解决了传统网络设备升级维护和新功能的开发都比较困难、可扩展性较 差的问题，并能方便的扩展新功能。这种模型灵活、可扩展性较好的特点，使得 它可以应用于中小型的企业网中。 本章将对此模型进行深入的研究、分析，并展望了其应用前景。以下各章内 容将基于此模型展开。 3 2 模型设计 为达到体现业务控制与传输相分离的可扩展性思想，并在模型设计上实现多 网络的融合，可扩展的软交换应用模型s s a m ( s c a l a b l es o f b s w i t c ha p p l i c a t i o n m o d e l ) 的设计如图3 i 。这种模型采用分层开放的体系结构，从下到上分别是传送 层、控制层和应用层。 传送层的主要任务是传递业务信息。采用分组交换网络( i p 或a t m ) 作为下一 代网络的核心传送网。不管采取什么样的业务信息，如电话呼叫、w e b 服务、视 频点播等，都可以采用单一的分组传送网络。传送层中传递的消息可能来自各种 数据终端，这些数据终端通过接入网关( a g ，a c c e s sg a t e w a y ) 或者其他接入设备 接入网络。所以，传送层中传递的信息是一种多业务信息。 控制层的主要功能是为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面，使业 务提供者可以自由的将传输业务与控制协议结合起来，实现业务转移。在模型中， 1 2 重庆大学硕士学位论文 3 可扩展软交换应用模型 控制层的核心控制模块担负着连接应用层和传送层的作用，从传送层截取资源， 并按需求向应用层分发。控制层与应用层之间采用统一接口进行通信。 应用层的功能是创建、执行和管理网络业务，主要包括流量管理、数字认证、 计费系统等等应用功能。 一圆圈圆圈回 控制层 传送层 图3 1 可扩展的软交换应用模型s s a m f i 9 3 1s c a l a b l es o f t - s w i t c ha p p l i c a t i o nm o d e l 3 3 模型分析 3 3 1s s a m 的特点 如果能够通过增加资源以满足不断增长的对性能和功能的要求，或是通过缩 减资源，以降低成本，从软件的角度上讲，我们可把符合这种特性的模型称作是 可扩展的。可扩展并不是仅仅意味着数量的增加，它涵盖了缩减能力。 因此，看待扩展问题需要从下面的几个观点入手： 功能性和性能：一个可扩展的模型应该能够提供更好的性能、更多的功能， 模型的总体能力应该随着资源的增加而按照比例增长，理想的情况是增长的速度 是线性的； 成本伸缩：模型扩展的代价必须是合理的，在扩展功能的时候，不仅仅要 做性能的考虑，而且还要考虑系统的可用性、稳定性等等； 可兼容性：我们希望用户原有的程序在不作变动或只作少量的变动后仍可 使用，要求用户购买一套全新的操作系统和重新开发他们的应用代码是不合适的， 从部件上看，伸缩通常只涉及到系统的一部分，如果添加更多的应用功能，新增 部分应能够与模型其余部分相兼容，即原有的硬件以及软件仍然可以使用。 可扩展性其本身是一个多方面的概念集合。包括了对资源可扩展性、对应用 功能可扩展性和对技术换代的可扩展性三个方面的考虑。针对本模型的可扩展性 分析如下： 重庆大学硕士学位论文 3 可扩展软交换应用模型 资源的可扩展性：资源应包括硬件、软件和用户需求。 1 ) 我们从资源角度来考虑可扩展性，可把目标定义为：通过增加投入更多的 硬件从而使系统具有更好的性能或者功能；本模型在实现的时候充分考虑了这一 点，很好的支持了资源的可扩展，应用功能开发者不用关心底层处理机制即可开 发出新的应用功能，而资源的扩展对模型所需要作的改动只是需要修改核心控制 模块。 2 1 对于软件，可以升级新版本的操作系统，使之具有更多功能，支持更多线 程、更大的地址空间，有更高效的内核，能够识别更多的新硬件，也可以安装功 能强大的中间件以扩展系统的特殊能力。本模型支持对软件的扩展，可以升级系 统内核，所有这些修改，同样只需要对核心控制模块进行简单的改动即可。 应用的可扩展性：由于控制层与应用层之间采用统一接口进行通信，并且 控制层采用的是通用a p i 技术，可以随时根据需要加载或移出应用模块，如计费 加密系统等。这些系统只需按照统一的接口向核心控制模块注册即可。 技术换代的可扩展性：主要是指模型能够随着技术的变更、换代，在保持 原有的可用性基础上，通过升级部件的手段提高模型的性能或功能。升级可以是 更换更高的c p u ，也可是增加系统的内存数量，还可是升级操作系统到更新的版 本等。这些扩展本模型也可以予以支持，随着技术的变更、换代，只要修改核心 控制模块即可实现。 通过以上分析，本文提出的软交换应用模型具有可扩展的特点。 另外，本模型还有其他一些特点： 高效灵活。该模型最大优势在于将应用层和控制层与核心传输网络完全分 开，有利于以最快的速度、最有效的方式开发各类新业务，大大缩短了新业务的 开发周期。同时利用该体系架构，用户可以非常灵活的享受所提供的业务和应用。 对用户透明。应用的开发者和使用者都无需了解底层网络的传输机制和原 理，只需通过统一的接口来完成应用功能即可。这样使得应用的开发和维护都变 得更加简单，并且更加容易部署。 支持多业务。该模型可以利用标准的接口来为客户定制各种新业务和综合 业务，最大限度的满足用户要求。特别的是可以提供包括语音、数据和多媒体等 各种业务。 3 3 2s s a m 应用 s s a m 主要用于中小型企业网的网络设备开发上，例如流量管理等设备上。 目前市场上的网络设备都是功能单一，而且各模块耦合度高，在计算机网络 的小型结点上，由于流量规模不大，可以在交换机、路由器等设备上扩展其他应 用功能。这样不仅丰富了其功能，还可以把几种设备的功能集中到一台设备上， 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 可扩展软交换应用模型 节约成本。可扩展的特点还可以让用户定制功能模块，使得设备的使用更加灵活。 另外，由于控制层与应用层之间采用统一接口进行通信，用户可以做到远程调用， 通过g u i 统一管理。 在当前计算机网络中的问题主要表现在：业务种类越来越多，用户对网络的 依赖性以及对网络的服务质量要求也越来越高。很多非业务数据，如以b t 为代 表的p 2 p 服务消耗了大量的网络带宽，影响了网络的正常运行以及关键性业务的 开展。网络流量管理器通过对网络流量进行分类，监视网络中各种流量的状态， 并根据应用的需求实施面向用户、业务类型、带宽和服务质量的流量控制与管理， 从而保障网络的正常运行。 当前计算机网络中的另一问题是安全性。本模型可用于设计企业安全网管设 备，加载各种加密解密模块，并可以运行入侵检测程序对网