软交换技术及其应用

    作者：河南郑州解放军信息工程大学    马岚

         北京市1965信箱35号    于进才

    摘要：通过对软交换的基本原理的认真分析，论述了软交换的主要特点和功能，简要介绍了软交换在Voip中的应用，并对软交换发展中需要继续研究的问题进行了探讨。

    要害词：软交换协议网络原理 应用

    随着通信网络技术的飞速发展，人们对于宽带及业务的要求也在迅速增长，为了向用户提供更加灵活、多样的现有业务和新增业务，提供给用户更加个性化的服务，提出了下一代网络的概念，且目前各大电信运营商已开始着手进行下一代通信网络的实验。软交换技术又是下一代通信网络解决方案中的焦点之一，已成为近年来业界讨论的热点话题。我国网络与交换标准研究组已经完成了有关软交换体系的总体技术要求框架，８６３计划也对有关软交换系统在多媒体和移动通信系统方面的研究课题进行了立项。

    １ 软交换概念的提出及定义

    软交换的概念最早起源于美国。当时在企业网络环境下，用户采用基于以太网的电话，通过一套基于ＰＣ服务器的呼叫控制软件（ＣａｌｌＭａｎａｇｅｒ、ＣａｌｌＳｅｒｖｅｒ），实现ＰＢＸ功能（ＩＰＰＢＸ）。对于这样一套设备，系统不需单独铺设网络，而只通过与局域网共享就可实现治理与维护的统一，综合成本远低于传统的ＰＢＸ。由于企业网环境对设备的可靠性、计费和治理要求不高，主要用于满足通信需求，设备门槛低，许多设备商都可提供此类解决方案，因此ＩＰ ＰＢＸ应用获得了巨大成功。受到ＩＰ ＰＢＸ成功的启发，为了提高网络综合运营效益，网络的发展更加趋于合理、开放，更好的服务于用户。业界提出了这样一种思想：将传统的交换设备部件化，分为呼叫控制与媒体处理，二者之间采用标准协议（ＭＧＣＰ、Ｈ２４８）且主要使用纯软件进行处理，于是，ＳｏｆｔＳｗｉｔｃｈ（软交换）技术应运而生。

    软交换概念一经提出，很快便得到了业界的广泛认同和重视，ＩＳＣ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｆｔＳｗｉｔｃｈＣｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）的成立更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ＩＥＴＦ、ＩＴＵ－Ｔ等国际标准化组织的重视。

    根据国际Ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈ论坛ＩＳＣ的定义，Ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈ是基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的设备和系统。因此，软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关（传输层）中分离出来，通过软件实现基本呼叫控制功能，从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面。软交换主要提供连接控制、翻译和选路、网关治理、呼叫控制、带宽治理、信令、安全性和呼叫具体记录等功能。与此同时，软交换还将网络资源、网络能力封装起来，通过标准开放的业务接口和业务应用层相连，可方便地在网络上快速提供新的业务。

    ２  基于软交换技术的网络结构

    软交换是下一代网络的核心设备之一，各运营商在组建基于软交换技术的网络结构时，必须考虑到与其它各种网络的互通。在下一代网络中，应有一个较统一的网络系统结构。基于软交换技术的网络结构如图１所示。

    由图中可以看出，软交换位于网络控制层，较好地实现了基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的功能。

    软交换与应用／业务层之间的接口提供访问各种数据库、三方应用平台、功能服务器等接口，实现对增值业务、治理业务和三方应用的支持。其中：软交换与应用服务器间的接口可采用ＳＩＰ、ＡＰＩ，如Ｐａｒｌａｙ，提供对三方应用和增值业务的支持；软交换与策略服务器间的接口对网络设备工作进行动态干预，可采用ＣＯＰＳ协议；软交换与网关中心间的接口实现网络治理，采用ＳＮＭＰ；软交换与智能网ＳＣＰ之间的接口实现对现有智能网业务的支持，采用ＩＮＡＰ协议。

    通过核心分组网与媒体层网关的交互，接收处理中的呼叫相关信息，指示网关完成呼叫。其主要任务是在各点之间建立关系，这些关系可以是简单的呼叫，也可以是一个较为复杂的处理。软交换技术主要用于处理实时业务，如话音业务、视频业务、多媒体业务等。

    软交换之间的接口实现不同与软交换之间的交互，可采用ＳＩＰ－Ｔ、Ｈ．３２３或ＢＩＣＣ协议。

    ３  软交换技术的设计原理及其实现目标

    软交换技术是一个分布式的软件系统，可以在基于各种不同技术、协议和设备的网络之间提供无缝的互操作性，其基本设计原理是设法创建一个具有很好的伸缩性、接口标准性、业务开放性等特点的分布式软件系统，它独立于特定的底层硬件／操作系统，并能够很好地处理各种业务所需要的同步通信协议，在一个理想的位置上把该架构推向摩尔曲线轨道。并且它应该有能力支持下列基本要求：

    （１）独立于协议和设备的呼叫?熏设备的呼叫处理和／同步会晤治理应用的开发。

    （２）在其软交换网络中能够安全地执行多个第三方应用而不存在由恶意或错误行为的应用所引起的任何有害影响。

    （３）第三方硬件销售商能增加支持新设备和协议的能力。

    （４）业务和应用提供者能增加支持全系统范围的策略能力而不会危害其性能和安全。

    （５）有能力进行同步通信控制，以支持包括帐单、网络治理和其他运行支持系统的各种各样的后营业室系统。

    （６）支持运行时间捆绑或有助于结构改善的同步通信控制网络的动态拓扑。

    （７）从小到大的网络可伸缩性和支持彻底的故障恢复能力。

    软交换的实现目标是在媒体设备和媒体网关的配合下，通过计算机软件编程的方式来实现对各种媒体流进行协议转换，并基于分组网络（ＩＰ／ＡＴＭ）的架构实现ＩＰ网、ＡＴＭ网、ＰＳＴＮ网等的互连，以提供和电路交换机具有相同功能并便于业务增值和灵活伸缩的设备。

    软交换系统的参考模型如图２。

    ４  软交换所使用的主要协议

    软交换体系涉及协议非常众多，包括Ｈ．２４８、ＳＣＴＰ、ＩＳＵＰ、ＴＵＰ、ＩＮＡＰ、Ｈ．３２３、ＲＡＤＩＵＳ、ＳＮＭＰ、ＳＩＰ、Ｍ３ＵＡ、ＭＧＣＰ、ＢＩＣＣ、ＰＲＩ、ＢＲＩ等。国际上，ＩＥＴＦ、ＩＴＵ－Ｔ、ＳｏｆｔＳｗｉｔｃｈＯｒｇ等组织对软交换及协议的研究工作一直起着积极的主导作用，许多要害协议都已制定完成，或趋于完成。这些协议将规范整个软交换的研发工作，使产品从使用各厂家私有协议阶段进入使用业界共同标准协议阶段，各家之间产品互通成为可能，真正实现软交换产生的初衷——提供一个标准、开放的系统结构，各网络部件可独立发展。在软交换的研究进展方面，我国处于世界同步水平。信息产业部“网络与交换标准研究组”在１９９９年下半年就启动了软交换项目的研究，目前已完成了《软交换设备总体技术要求》。此外，“ＩＰ标准研究组”正在研制有关中继媒体网关（ＴＧ）、信令网关?穴ＳＧ?雪、接入网关（ＡＧ）、综合接入设备?穴ＩＡＤ?雪等设备技术规范。

    下面对几个主要协议做一简单介绍。

    １．Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ

    Ｈ．２４８和ＭＥＧＡＣＯ协议均称为媒体网关控制协议，应用在媒体网关和Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ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。它们引入了Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ（终端）和Ｃｏｎｔｅｘｔ（关联）两个抽象概念。在Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ（终端）中，封装了媒体流的参数、ＭＯＤＥＭ和承载能力参数，而Ｃｏｎｔｅｘｔ（关联）则表明了在一些Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ（终端）之间的相互连接关系。Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ通过Ａｄｄ、Ｍｏｄｉｆｙ、Ｓｕｂｔｒａｃｔ、Ｍｏｖｅ等８个命令完成对Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ（终端）和Ｃｏｎｔｅｘｔ（关联）之间的操作，从而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。ＭＥＧＡＣＯ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ＭＥＧＡＣＯ协议比较相似。目前软交换系统设备大都支持该协议，其不足也慢慢表现出来，将来可能要被Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ协议所取代。

    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。

    ３．会话初始协议（ＳＩＰ）

    会话初始协议（ＳＩＰ）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假如与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。其具体内容可参见ＩＥＴＦＲＦＣ２５４３ｂｉｓ。

    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。非凡是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，并要求未来的３Ｇ终端必须支持ＳＩＰ协议。

    ４．ＳＣＴＰ协议

    ＳＣＴＰ协议是由ＩＥＴＦ提出的一种关于流控制传送协议。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，并根据通路的ＭＴＵ的限制，进行用户数据的分段；在多个流上保证用户消息的顺序递交，把多个用户的消息复制到ＳＣＴＰ的数据块中。利用ＳＣＴＰ偶连的机制来保证网络级的部分故障自处理。ＳＣＴＰ还具有避免拥塞和避免遭受泛播及匿名攻击的特点。

    ＳＣＴＰ协议在软交换中起着控制协议的主要承载者的作用。

    ５  软交换技术的主要特点和功能

    １．软交换技术的主要特点表现在以下几个方面：

    （１）支持各种不同的ＰＳＴＮ、ＡＴＭ和ＩＰ协议等各种网络的可编程呼叫处理系统。

    （２）可方便地运行在各种商用计算机和操作系统上。

    （３）高效灵活性。例如：

    ·软交换加上一个中继网关便是一个长途／汇接交换机（Ｃ４交换机）的替代，在骨干网中具有ＶｏＩＰ或ＶＴＯＡ功能。

    ·软交换加上一个接入网关便是一个语音虚拟专用网（ＶＰＮ）／专用小交换机（ＰＢＸ）中继线的替代，在骨干网中具有ＶｏＩＰ功能。

    ·软交换加上一个ＲＡＳ，便可利用公用承载中继来提供受管的ＭＯＤＥＭ业务。

    ·软交换加上一个中继网关和一个本地性能服务器便是一个本地交换机（Ｃ５交换机）的替代，在骨干网中具有ＶｏＩＰ或ＶＴＯＡ功能。

    （４）开放性通过一个开放的和灵活的号码簿接口便可以再利用ＩＮ（智能网）业务。例如，它提供一个具有接入到关系数据库治理系统、轻量级号码簿访问协议和事务能力应用部分号簿的号码簿嵌入机制。

    （５）为第三方开发者创建下一代业务提供开放的应用编程接口（ＡＰＩ）。

    （６）具有可编程的后营业室特性。例如：可编程的事件具体记录、具体呼叫事件写到一个业务提供者的收集事件装置中。

    （７）具有先进的基于策略服务器的治理所有软件组件的特性。包括展露给所有组件的简单网络治理协议接口、策略描述语言和一个编写及执行客户策略的系统。

    ２．软交换是多种逻辑功能实体的集合，它提供综合业务的呼叫控制、连接和部分业务功能，是下一代电信网语音／数据／视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设备。主要功能表现在以下几个方面：

    （１）呼叫控制和处理为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能。

    （２）协议功能支持相应标准协议，包括Ｈ．２４８、ＳＣＴＰ、Ｈ．３２３、ＳＮＭＰ、ＳＩＰ等。

    （３）业务提供功能可提供各种通用的或个性化的业务。

    （４）业务交换功能

    （５）互通功能可通过各种网关实现与响应设备的互通。

    （６）资源治理功能对系统中的各种资源进行集中治理，如资源的分配、释放和控制。

    （７）计费功能根据运营需求将话单传送至计费中心。

    （８）认证／授权功能可进行认证与授权，防止非法用户或设备接入。

    （９）地址解析功能和语音处理功能。

    ６  基于软交换的应用

    随着通信网络技术的不断发展和软交换各种标准的制定与补充，不少厂家都推出了软交换的解决方案，各运营商也在积极进行相关实验。目前，国内外许多电信设备制造商，如西门子、阿尔卡特、爱立信、北电、中兴等都在积极发展新的交换机过渡平台，提出了软交换在下一代网络中的解决方案。这里简要介绍一下软交换在ＶｏＩＰ中的应用，图３为基于软交换技术的ＶｏＩＰ网络结构。

    从图中可以看出，它的功能非常类似于现行电路交换传送系统间的交换／长途网，Ｃ４交换机用软交换系统和一组中继网关的组合体所取代。中继网关自身是由软交换技术利用主／被叫协议控制，这个协议就是与来自某个具有指定源／目的的ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ流的电路交换机的一个指定时隙相关的ＭＧＣＰ／ＩＰＤＣ协议。

    软交换技术作为呼叫处理的组成部分，其标识要被用来终结该呼叫的最有可能的出口网关，并利用这个信息来命令中继网关执行所指定的功能，亦即软交换技术能够通过选择一个最小代价的路由来完成每次呼叫，以使所选择的出口网关最接近目的电话。于是，就完成了原有通过电路交换网执行的呼叫操作功能。

    接入网关既可以终结ＩＳＤＮ的ＰＲＩ，也可以终结来自企业ＰＢＸ的ＣＡＳ信令。这种接入网关能够被软交换以基于分组电话协议的多种方式进行控制；对于基于Ｈ．３２３协议的网关，软交换能够像一个Ｈ．３２３网关那样动作；假如接入网关隧道ＰＲＩ（Ｑ．９３１）或ＣＡＳ信令返回到软交换，那么软交换还能够使用像ＭＧＣＰ／ＩＰＤＣ协议以更好的方式控制接入网关。这也体现了软交换技术处理接入网关的能力。

    软交换技术通过ＳＩＰ协议接到电缆网络上，以支持企业的ＩＰＰＢＸ及ＩＰ电话。它还能够通过ＴＣＰ／ＩＰ协议接入ＳＣＰ，也可通过ＴＣＰ／ＳＣＣＰ协议接入到ＳＳ７网络上，使无缝互连成为可能。

    ７  基于软交换的下一代网络中需要继续关注的主要问题

    虽然基于软交换的下一代网络是一个比较完整的网络解决方案，可以应用在各种通信领域，但由于其技术新，目前的解决方案大多处于实验阶段，尚未形成大规模应用，许多问题仍需要继续关注，如ＱＯＳ、网关、安全性、业务提供方式、与现有网络的有机结合等问题。

    １．ＱＯＳ问题

    对任何网络来说，ＱＯＳ的保证都是一个非常重要的问题。从根本上说，软交换本身并不能解决ＱＯＳ问题，而是靠其承载网络来保证服务质量的。承载网络目前有两种方式：ＡＴＭ和ＩＰ。对于ＡＴＭ的承载网络来说，其本身就有很强的ＱＯＳ机制。但是，对于ＩＰ的承载网络来说，如何解决好ＱＯＳ问题。在基于软交换的下一代网络中是一个非常要害的问题，因为从目前厂家的设备开发情况和网络发展的总的趋势来看，以ＩＰ为承载网络应该是大势所趋。

    ２．软交换网络的治理

    从软交换目前的实现情况来看，大部分都采用ＳＮＭＰ协议作为软交换系统的网管协议，但ＳＮＭＰ网管系统具有一定的局限性，ＳＮＭＰ网管以静态治理方式为主，无法针对各种不同业务的需求变化进行综合治理。由于ＳＮＭＰ采用的是基于ＵＤＰ的承载方式，因此不能很好的保证网管信息的可靠传输。同时，基于软交换的下一代网络提供的是实时业务，而要求网管系统必须具有一定的ＱＯＳ治理能力。但目前基于软交换的网管系统处理这方面的能力比较差，还需进一步的改进、完善，才能满足用户对服务质量的要求

    ３．软交换涉及的协议尚需继续完善

    软交换网络的各个网络接口之间采用开放的协议进行通讯。但是，目前不论是从协议的制定情况，还是各个厂家的开发情况来看，接口的标准化还不完善，大多数协议还处于扩充完善阶段。因此，离最终的开放网络还需要有一段时间。

    综上所述，软交换虽然具有很大的发展潜力，但目前仍处于发展的起步阶段。以软交换为核心的通信系统将会提供业务开放能力，符合三网合一的发展趋势，提供话音、数据、视频业务和多媒体融合业务，满足通信个性化、移动化和随时随地获取信息的发展目标。