软交换技术简介

软交换 分组网与 PSTN 的融合 一 分组网与 PSTN 融合的背景 随着计算机的普及 人们逐渐产生了数据通信的需要 加之电话网覆盖范 围大的优点 所以人们开始在电话网上传送数据业务 但数据业务的增长出人 意料 对并不适合传数据业务的 PSTN 造成了巨大压力 所以运营公司要把 PSTN 上已有的数据业务顺利卸载 offload 到新建的数据网上 减轻对传统网 络的压力 另外 随着数据网的迅速发展 人们除在其上传数据业务外 也开始尝试 传话音等传统 PSTN 业务 与传统电话相比 分组网传话音具有成本低 利润 高 价格便宜 易推出新业务等很多优势 分组电话逐渐成为发展方向之一 但它需要与 PSTN 实现互通 从大多数运营者的角度看 现在数据业务的收入还不能和话音业务收入相 比 但网上数据业务量却在明明白白地赶超话音业务量 所以他们也必须考虑 未来网络建设的问题 包括 如何对待已经进行了巨额投资的传统 PSTN 是 否需要作大的改造以适应日益增加的数据业务量 如何实现 PSTN 低成本地向 基于分组的网络结构演进 或者如何实现 PSTN 与新建数据网的融合 等等 以上这些情况提出了分组网与传统 PSTN 的融合问题 二 二 融合的策略 IP 电话引起的喧嚣逐渐沉寂下来后 人们至少明白了一个事实 尽管 IP 网 络发展很快 但 PSTN 依然有存在价值 它不会在一夜之间消失 传统的基础 设施 如 4 类 5 类交换机 SS7 信令网 智能网应用等 用户正在使用并且会 继续使用 既然原有网络近期不会消失 那么就产生了新旧网络融合互通的问题 关 于怎样实现融合 业界提出了很多方案 Call Server Call agent softswitch media controllor 下一代交换机等等 虽然说法不一 但都 是为了实现相同的目的 以分组为基础 建设下一代公众网络 实现 PSTN 和 新网的融合 电路网顺利平滑地向分组网 IP ATM 过渡 节省运营成本和投 资 创造具有竞争性的新特性和新业务 获得新的收入渠道 为方便起见 我 们在本文中 把它们都统称为软交换 1 软交换的概念 软交换与 80 年代人们提出的先进智能网有些类似 但它具有更新 更多的 含义 它将在业务融合 终端用户控制 第三方应用集成中起重要作用 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 那么什么是软交换呢 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 通过服务器或网元上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 SS7 到 IP 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地将传输业务与控制协议结 合起来 实现业务转移 其中更重要的是 软交换采用了开放式应用程序接口 API 允许在交换机制中灵活引入新业务 而原来老式的 4 类 5 类交换机 仍可通过 SS7 链路保留 2 软交换的网络结构 图 1 是 Bridgewater 提供的 IP 与 PSTN 融合的结构图 其中的智能业务节点 各种数据库以及信令网关所完成的功能就是我们所说的软交换 信令网关完成 7 号信令和 IP 信令之间的转换 智能业务点与各种资源数据库相连 负责业务 连接的控制 还有开放式应用接口 网络接入设备就是在智能点指导下完成业 务的传输 现在生产的设备中 智能业务点往往就是软交换机 网络接入设备 就是媒体网关 图 1 IP 与 PSTN 的融合 关于软交换功能是基于服务器还是基于交换机来实现 其实因情况而异 以交换为中心的模式可以提高资源密集型应用 如选路表查询 状态控制 的 性能 而基于服务器的方式具有编程的功能 能灵活适应策略 用户喜好 特 性控制等变化 所以两者结合起来可能效果更好 3 软交换的功能 根据软交换在网络中的不同位置 他们具有不同的功能 Internet 业务卸载的功能 软交换的一个重要功能就是将拨号业务从现 有 5 类交换机上卸载下来 传统 5 类交换机不适合处理大量的长时间呼叫业务 如果能在传统汇接网络的边缘放置较便宜的软交换机 把拨号业务在进入 5 类 交换机之前直接交换到 ISP 的网络或 Internet 网上 而话音业务不受影响 继续 向下传送 这样就会极大减轻交换机的负担 传统运营者就不会抱怨 Internet 业务对网络带来的压力 竞争的本地运营公司 CLEC ISP 等新兴运营公司 也不用抱怨向 ILEC 支付的昂贵 CO 交换机使用费 皆大欢喜 代替 4 类交换机 随着软交换标准的不断完善和协议的通过 新一代 软交换将有能力成为 4 类汇接交换机的代替产品 4 类交换机不需要具有 5 类 交换机那么多的特性 所以只要信令网关能够提供合适的 SS7 接口 下一代交 换机就可以胜任其职 它们的主要应用将是长途 VoIP 业务 代替 5 类交换机 5 类交换机的价格往往是 CLEC 和业务提供者进入市 场的一大障碍 他们希望有新产品 既具备 5 类交换机的特性 又价格便宜 还可以在网络层提供增强型业务 下一代交换机适合本地环路的 VoIP 方案 它即可以接收 ATM 或 IP 上传送的业务 又可以把业务转移到 PSTN 上 还能 继续把业务做为数据业务传到骨干网上 4 软交换的好处 与电路交换机相比 软交换成本低 软交换采用开放式平台 易于接收 革新应用 而且由于软交换利用的是普通计算机器件 其价格性能比每年提高 60 80 电路交换机的价格性能比每年提高大约 20 所以与电路交换机 相比 软交换在成本方面有更大优势 而且很多设备制造商欢迎第三方开发者 在软交换平台上开发能够很容易 很迅速加入任何网络的新业务 软交换配置灵活 功能块可以分布在整个网络中 也可集中起来 适合 不同需求 网络可以选择不同的软交换配置模式 可以采用多个小型软交换机 分布在网络边缘 或者是用一些较大的交换机分布在主要城市的网络中心 或 者是更少的 更大的软交换机放于数据中心 与高速光纤骨干网相连 一般来 说 大型网络需要用多个软交换机管理不同的区域和范围 业务可从本地平台 接入 而小型网络可能需要 2 个软交换机 其中一个作备份 就够了 软交换采用开放式标准接口 易于和不同网关 交换机 网络节点通信 兼容性 互操作性 互通性好 软交换支持开放式 API 多数设备制造商会创 造一个编程的环境 方便用户建立新业务 使用户独立于制造商以及他们支持 的技术 ATM IP TDM 与协议 H 323 MGCP SIP 等 对于那些采用电路交换机建网不合适 不经济的运营公司来说 软交换 不失为一个好的建网策略 除成本低外 业务提供者能够很容易地用软交换转 移 处理那些对 5 类交换机来说太复杂的业务 CLEC 在传统交换机方面没有 什么投资基础 他们可以通过综合接入设备 IAD 把业务特性控制放在网络 边缘 然后用软交换来保持中心呼叫控制的功能 对以 ISP 为服务用户的业务 提供者来说 保持中心呼叫控制也是一个很好的选择 因为它可以很方便的进 行大规模网络升级 运营者可以把新型业务下载到数据网络上 只把话音业务 在传统交换机上传输 对 IXC 长途运营公司 来说 可能只需要高性能的软 交换用于大量用户选路查询和呼叫建立 所以他们可能愿意把信令和某些呼叫 控制特性集中化 传统本地运营公司 ILEC 可能是最慢采用软交换的 主要 是考虑到他们已对传统交换机所作的巨大投资 三 软交换标准协议的发展 软交换的实现过程主要就是通过网关发出信令 控制话音 数据业务通路 网关提供 IP ATM 网络与传统 PSTN 网络之间的连接 软交换确保呼叫或连接 的信令信息 自动号码识别 记费信息等 在网关之间的沟通和交流 所以软 交换要能够实现信令转换 即能实现用一种信令建立呼叫 用另一种信令结束 呼叫 至少能够支持 SS7 ISUP SIP H 323 和 MGCP 等协议 软交换产品 要尽可能与多种设备互操作 尤其是 IP 网关 网络接入服务器 综合接入设备 等 能支持 4 5 类交换机特性 有关软交换的标准 协议是网络融合的关键 现在包括设备制造商 业务 提供者在内的业界都在为标准制定工作而努力 希望把先进业务 语音应用引 入到数据网中 并能和传统网络顺利融和 现在的标准工作主要涉及 互操作 性 媒体控制协议 如 MGCP H 248 软交换机之间的通信 如 SIP 扩展 业务平台的协议和 API 符合国际电话连接标准 安全标准 利用软交换传送 高级业务等方面 相关的标准主要有 H 323 MGCP SIP 等 1 H 323 1996 年 ITU 通过 H 323 规范时 是作为 H 320 的修改版 H 320 是 ISDN 和电路交换网上的会议电视的协议 用于 LAN 上的会议电视 后来 1998 年又 通过 H 323 的第二版 从而该规范也可用于 IP 网上的通信 目前第三版的工作 正在进行 现在作为多媒体组网标准的 H 323 应用比较广泛 它是 IP 网关 终 端在分组网上传送话音和多媒体业务所使用的核心协议 包括点到点 点到多 点会议 呼叫控制 多媒体管理 带宽管理 LAN 与其他网络的接口等 H 323 协议中关于长途呼叫建立时间等问题还有待解决 H 323 没有关于 NNI 接口的定义 没有拥塞控制机制 这在专用网内实现计算机 计算机的呼 叫没有问题 但要提供全国性业务及 PSTN to PSTN 连接则必须依赖 NNI 接口 H 323 是集中式对等结构 多个平台运行多个软件 硬软件升级不容易 2 媒体网关控制协议 MGCP MGCP 是 SGCP 简单网关控制协议 和 IPDC Internet Protocol Device Control 的结合产物 1998 年 Level 3 提出 IPDC 同时 Telcordia 原来的 Bellcore 提出了 SGCP 当 IETF 成立 MeGaCo 工作组后 两者合并为 MGCP 当时人们希望把以软件为中心的呼叫处理功能和以硬件为中心的媒体 流处理 media streaming 功能分离开 放置在软交换与媒体网关之间 那时 H 323 和 SIP 协议不能处理这两个分离实体之间的通信 所以就产生了 MGCP MGCP 侧重的是简单性和可靠性 MGCP 协议本身只限于处理媒体流控制 呼叫处理等智能工作卸载到软交换上 使媒体网关成为一个很简单的设备 简 化了本地接入设备的设计 只负担必要的接入硬件和 MGCP 用户侧功能的成本 网管和互操作成本转移到网络上 图 2 是 MGCP 的实施示意图 MGCP 通过软 交换实现对多业务分组网边缘上的数据通信设备 如 VoIP 网关 voice over ATM 网关 cable modem 机顶盒 软 PBX 和电路交叉连接 的外部控制和管 理 其中的软交换可以分布在多个计算机平台上 从外部控制 管理多媒体网 络边缘上的媒体网关 指导网关在端点之间建立连接 探测摘机之类的事件 产生振铃等信号 以及规范端点之间如何 何时建立连接 图 2 MGCP 实施图 MGCP 是软交换 媒体网关 信令网关的关键协议 它使 IP 电话网可以接 入 PSTN 实现端到端电话业务 MGCP 规范的草案已经提交给 IETF 和 ETSI 后来 Lucent 又提出了媒体设备控制协议 MDCP 于是所有以上协议又合 并成 MeGaCo 协议 又称作 H 248 MeGaCo 既适应面向连接的媒体 TDM ATM 又面向无连接媒体 IP 是一个全套的多种媒体网关控制标 准 其标准制定工作正在进行中 但由于它比较复杂 因此需要较长一段时间 才能完成 3 SIP Session Initiation Protocol SIP 主要是为 Internet 网上的多媒体会议电视服务的 用于建立 Internet 主 机之间的会晤 session 它以 Internet 协议 HTTP 为基础 遵循 Internet 的 设计原则 所以很容易增加新业务 扩展协议 而不会引起互操作问题 SIP 协议简单 是模块式 不受基础协议与结构的限制 它可用于端点或服 务器上呼叫的建立 也可运行在媒体网关控制器 网关 数据库等其他设备之 间 1999 年 4 月哥伦比亚大学完成了第一个 SIP 互操作实验 很快又完成了 SIP 在基本呼叫建立过程中稳定性的测试 现在正在进行关于安全 认证方面 的工作 预计基于 SIP 的商用产品会很快推出 SIP 最近刚刚成为 IETF 的 RFC 象 H 323 一样 SIP 也没有 NNI 接口 但 它也在积极解决这个问题 国际软交换联盟 International Softswitch Consortium 和一些组织提倡 SIP 认为它虽说没有 H 323 那样功能强大 但对 运营者来说 比较容易实施 不少运营者和制造商从 H 323 转移到 SIP 而 Vocaltec 等一些运营者还是采用了 H 323 4 有关组织机构 除了 IETF ITU ETSI 这些大的标准组织外 一些运营公司 设备制造商 还组成小规模的组织 以促进融和标准的制定进程 分组多媒体运营者联合组织 该组织的目的是解决 PSTN 和 IP 网络桥接 中有关协议的问题 其成员包括 Frontier GTE Level 3 SBC Sprint Williams 该组织认为 VoIP 以及其他 IP 技术能够把信息传送 到各种通信设备上 但这需要一套更完整的标准和信令功能 以把现有的电话 网络和未来的分组网结合起来 他们要作实现这一目标的动力引擎 促进 IETF 和 ITU 的工作 该组织提出的协议要提交给 IETF 和 ITU 讨论 国际软交换同盟 ISC 1999 年 5 月 为了促进电路交换网与 IP 网络 互连技术的发展 包括朗讯 Level 3 Cisco 惠普 北电在内的一些设备制造 商和运营公司联合起来 组成国际软交换同盟 一个非赢利企业组织 现在已 经有 50 多个成员了 该联盟现在的工作是研究 MGCP 如何控制各种媒体网关 他们和 IETF 的 Megaco 工作组一起工作 四 业界行动 业界都在努力建立相关标准 以期实现分组网和传统电话网的无缝互联 对融和的态度 不同公司持不同看法 设备制造商大都是纷纷推出设备 融和 方案 抢占市场 例如 Lucent 的 7R E 分组解决方案 北电的 Succession 方案 Sonus 的软交换机和媒体网关等 运营公司方面 有的在标准获得通过和被广 泛接收之前持观望态度 有的已经在行动 1999 年 11 月 Williams Communications 选择了 Sonus 的分组电话方案 建 设下一代语音网络 第一年的合同约 2000 万美元 以后 3 年内将增加到 1 亿美 元 在 Williams 的案例中 主要应用是 4 类交换机的功能 要成为运营者的运 营者 使 CLEC 能在一个地区提供本地业务 纽约 Choice One 公司和 Lucent 签订了为期 3 年 价值 1 亿美元的合同 Choice One 将在一个多业务分组网上使用 Lucent 的 7R E 分组方案 综合话音 图像和数据业务 同时还包括 Lucent 的 5ESS 交换机 CBX ATM 交换机 PacketStar 接入连接器 AnyMedia 接入系统 WaveStar 2 5G 复用设备及 NetworkCare 业务管理软件 Global Crossing 计划在长途和国际业务中使用 Lucent 的软交换机和 Sonus 的 GSX9000 网关组建可编程网络 图 3 在本地业务方面还比较保守 除为 ILEC 特性服务外 Global Crossing 主要是提供 4 类交换机业务 没有很多本地 信令业务要处理 所以网上没有实现多少 5 类交换机的特性 网络上主要是 VoIP 应用 呼叫质量和呼叫建立时间与电路交换网相比没有什么区别 图 3 Global Crossing 的可编程网络 1999 年夏天完成的 MGCP 对 PSTN Internet 互联作了规定 Level 3 就率先 采用了 MGCP 协议 该公司和 Lucent 签定了为期 5 年 价值约 2 5 10 亿美元 的合同 使用 Lucent 的基于 MGCP 的软交换产品 作为 VOIP 业务的基础 他 们认为 MGCP 使运营者可以提供能横穿 PSTN 和 Internet 网的基本话音业务 Level 3 使用 Lucent 的 7R E 分组网关把话音信令转换成分组包 在 IP 长途网上 传输 它的 VoIP 业务简单易用 用户只需拨 10 个数字长途电话号码就能迅速 实现呼叫 从上面的情况来看 竞争的本地运营公司 CLEC 等新兴公司更热衷于 PSTN Internet 的融和 结语 总的看来 在分组网和 PSTN 的融合问题上 人们的想法基本是一致的 也就是说 采用软交换的模式 把呼叫控制与呼叫传输分离 智能化的软交换 机实现不同信令的转化 控制呼叫的建立过程 并具有开放接口和 API 方便 新业务的产生 而呼叫传输由简单的设备完成 如媒体网关 但相关的软交换 标准还有待完善 统一和广泛接受 软交换的组网方案对新老运营公司都有利 传统运营公司用它实现 PSTN 与分组网的融合 保护传统投资 又具有创新能力 新公司用它可以比较容易 的进入竞争激烈的通信业务市场 不需对传统设备进行巨大投资 没有财政压 力 现在国外已有不少运营公司在试验或使用软交换组网方案 关注他们的动 态 总结他们的经验和教训 对我们的网络发展规划是有启发的 Softswitch 体系架构的主要组成是怎样的 1 Softswitch 控制设备 Softswitch Control Device 这是网络中的核心控制设备也就是我们通常所说的 Softswitch 它完成呼叫处 理 控制功能接入协议适配功能业务接口提供功能互连互通功能应用支持系统 功能等 2 业务平台 Service Platform 完成新业务生成和提供功能主要包括 SCP 和应用服务器 3 信令网关 Signaling Gateway 目前主要指七号信令网关设备传统的七号信令系统是基于电路交换的所有 应用 部分都是由 MTP 承载的在 Softswitch 体系中则需要由 IP 来承载 4 媒体网关 Media Gateway 完成媒体流的转换处理功能按照其所在位置和所处理媒体流的不同可分为 中继网关 Trunking Gateway 接入网关 Access Gateway 多媒体网关 Multimedia Service Access Gateway 无线网关 Wireless Access Gateway 等 5 IP 终端 IP Terminal 目前主要指 H 323 终端和 SIP 终端两种如 IP PBX IP Phone PC 等 6 其它支撑设备 如 AAA 服务器大容量分布式数据库策略服务器 Policy Server 等它们为 Softswitch 系统的运行提供必要的支持 Softswi