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NGN学习笔记2——软交换技术

由 陌路散爱 提交于 2019-12-21 23:22:43

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1.产生背景

a)交换技术是为了减少线路投资而采用的一种传递信息的方法，有两种主要的交换模式：电路交换和分组交换

  • 电路交换:人工交换Æ半自动交换Æ自动交换Æ程控模拟空分交换Æ程控数字时分交换
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     特点:

实时的交换方式，具有固定/专用的通信信道
通信分三步：电路建立、数据传递、电路释放
数据信息透明传送

    优点:时延小且确定、通信质量有保证、控制简单

    缺点:

需要呼叫建立时间
每个连接带宽固定（不能适应不同速率的业务）
资源利用率低（不传信息时也占用资源，不适合突
发业务）

  • 分组交换:X.25Æ帧中继ÆATM、IPÆMPLS

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     特点:存储转发交换方式
     优点

带宽可变、灵活
统计复用，资源利用率高
可提供速率变换
无阻塞（业务量大时时延长）
可提供优先机制（动态）


     缺点

网络功能复杂
语音业务传输时延大，QoS难以保证

    两种技术形式
    虚电路

面向连接（连接建立/拆除、数据传送、差错控制）
与一次通信有关的全部分组沿着相同的物理通路传送
数据传送期间路由固定
时延小、控制简单、不需排序，线路利用率低

    数据报

无连接方式，不建立连接
网络对每个数据报进行选路
通信期间路由可变
灵活、线路利用率高
时延大、控制复杂、需排序

b)未来业务的需求:人们希望IP网能传送数据、语音及更多更新的业务,要求产生业务提供与网络控制、数据承载相分离的新一代网络和业务体系结构. 而传统智能网的应用环境是一个封闭的电路交换网，采用垂直业务提供方式。存在缺陷：基于SCP的业务控制体系是一种集中式的控制结构，不适合未来的分布式 网络环境；INAP/MAP业务控制协议复杂，业务开发和部署慢
相关标准不适合基于IP的融合网络业务的需求；控制系统基于SS7，与业务相绑定，成为网络瓶颈业务体系结构封闭，第三方业务提供商接入困难，业务无法移植。

c）IP 电话网关分解模型的提出

IP电话网关的位置：

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功能模型：主要考虑灵活性、可扩展性和高效性

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SCN与IP网的翻译功能

  • 媒体翻译（语音和带内信令）
  • 信令翻译（带外信令）

呼叫控制功能

分布式分层网络架构：

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  • Signaling Gateway (SG)：进行PSTN与IP网间的信令翻译
  • Media Gateway Controller (MGC)：提供呼叫和承载控制功能、呼叫处理及信令协议互通
  • Media Gateway (MG)：负责媒体信息的映射和转换的网络单元。提供承载和媒体控制功能。
  • Gatekeeper (GK)：提供呼叫和业务控制功能，包括终 端和网关的注册、允许和状态控 制、带宽控制和管理、域管理、呼 叫处理和呼叫信令、地址解析等。
  • Back-End Services (BES)：提供认证、计费、地址解析、安全和路由功能。BES可以由SCN或IP网的设备提供。

2.发展历程

20世纪90年代中期由朗讯公司的贝尔实验室提出，初期经历了三个阶段

  • 第一段段：实验室阶段
  • 第二阶段：推向市场阶段
  • 第三阶段：规模化商用阶段

软交换技术的应用和进一步发展

  • 固定软交换
  • 移动软交换
  • IMS

3.软交换的概念和体系结构

1）软交换的概念

  • 广义的软交换（软交换系统）：泛指一种体系结构，利用它可以构建下一代网络，称之为软交换系统或基于软交换的下一代网络。
  • 狭义的软交换（呼叫服务器）：特指基于软件提供呼叫控制功能的实体，为下一代网络提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是下一代网 络呼叫与控制的核心，独立于传输网络。与PSTN交换机不同的是，软交换提供的呼叫控制功能与业务无关，是各种业务的基本控制功能。
  • 软交换只提供控制功能，不提供媒体交换功能

2）与传统电路交换机的区别

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3）体系结构：核心思想——呼叫与承载分离、业务与控制分离

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  • 接入层：负责将各种不同的外部网络和终端设备接入软交换体系结构，将各种业务量集中后，利用公共的分组传送平台进行传送。
  • 核心传送层：核心传送层又称为核心交换层或承载连接层，对各种不同的业务和媒体（语音、数据、视频等）提供公共的宽带传送通道，采用分组交换技术对媒体进行交换和路由。
  • 网络控制层:其网络部件为软交换设备，其主要功能包括呼叫控制功能、媒体控制功能、业务提供、互通功能、资源管理、认证和计费、操作维护以及其他如地址解析与路由功能、与移动相关的功能等。
  • 业务/应用层：在呼叫控制的基础上向最终用户提供各种增值业务，包括业务提供、业务生成、业务管理和维护、认证、计费等功能，利用低层的各种网络资源为用户提供丰富多彩的网络业务。

3.软交换的主要设备

1）通览：

a）接入层设备包括各种不同的网络、终端设备以及各种将它们接入软交换系统的网关设备。

  • 网络：PSTN、PLMN、ATM、帧中继网等
  • 终端设备：传统分组终端、模拟电话终端、
  • SIP/H.323/MGCP IP智能终端等
  • 网关设备：各种中继网关（PSTN/ATM/无线中继媒体网关等）、信令网关、综合接入设备等

b）核心传送层：主要网络设备为标准的IP路由器或ATM交换机，以及连接这些设备的传输设备施

c）控制层：软交换设备

d）业务应用层：应用服务器、媒体服务器、SCP、特征服务器、策略服务器、AAA服务器、目录服务器、数据库服务器、网管服务器等。

2）详述：

a）媒体网关 (MG- -Media Gateway)

  • 职责：负责将各种传统网络接入核心分组传送网络。
  • 工作：将一种网络中的媒体格式转换成另一种网络所要求的媒体格式，如提供电路交换网络的承载通道（线路、中继）和分组网络（IP、ATM）的媒体流之间的转换，包括语音压缩、传真中继、回声消除和数字检测等。
  • 分类：
    • 中继媒体网关(TMG)：用于PSTN/ISDN、PLMN等的中继接入
    • 综合接入媒体网关，简称接入网关(AG)：用于各种终端和接入网的接入，包括模拟用户、ADSL用户、局域网用户、V5接口接入等
  • 功能：
    • 用户或网络接入功能：负责各种用户设备和网络的综合接入，具有音信号检测和生成功能、检测用户摘挂机等状态的变化，并向软交换设备报告
    • 接入核心传送网络功能：通过IP或ATM方式接入核心传送网。在采用IP接入时，可能还需要提供QoS能力。
    • 媒体流映射功能：将来自传统网络的媒体流格式映射为IP/ATM网络要求的媒体流格式，支持ATM的AAL1、AAL2、AAL5媒体适配，支持基于IP的RTP/RTCP实时媒体封装。
    • 媒体处理功能：支持G.711、G.729、G.723.1等语音编解码算法和静音抑制、回声消除、去抖动等技术
    • 受控操作功能：媒体网关受软交换的控制，它绝大部分的动作，特别是与业务相关的动作（包括选择语音压缩算法、检测和处理特殊信号音、网关资源的分 配和管理等），都是在软交换的控制下完成的。媒体网关和软交换之间的特殊关系决定了它们之间控制协议的重要性，MGCP和H.248/Megaco就是软 交换和媒体网关之间的控制协议。
    • 管理和统计功能：收集相关信息，向软交换设备和网管系统报告相关的统计信息。设备相关的统计信息：系统资源的占用情况、成功的呼叫连接次数、失败 的呼叫连接次数等。端口相关的统计信息：中继端口的占用情况、IP/ATM端口的带宽使用情况、端口相应的媒体流的统计信息等。连接或终节点相关的统计信 息：发送、接收和丢失的RTP包数、平均时延，发送、接收、丢失的ATM信元数、丢失率和误差率等。
  • 关键技术：
    • 分组语音技术：将来自电路交换网的模拟或数字化的语音信号转换成一定长度的分组，通过IP/ATM网络进行交换和传送。
    • 语音编码技术：支持G.711、G.728、G.729/A/B、G.723.1、GSM全速率、GSM半速率等多种语音编解码算法，满足不同的需求。视频H.261、H.263、H.264等
      支持静音检测、回声消除、分组丢失补偿等技术，以改善语音质量。
    • 实时传输技术：支持RTP/RTCP协议来提供实时媒体传输。
    • 网络协议技术：
      • 控制层接口协议：MGCP、H.248/Megaco
      • 用户接入协议：V5.2、V5UA、DSS1、IUA
      • 核心网接入协议：ATM、IP、DiffServ、RSVP
      • 网络管理协议：SNMP
  • 应用场景
    • 中继媒体网关的应用场景

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  •  
    • 接入网关的应用场景

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b）信令网关 (SG- -Signaling Gateway)

  • 工作职责：实现软交换网络与SCN信令网的互联互通。主要解决SCN信令从电路网传输到IP网传输的问题，即在IP协议上封装和传输SCN信令提供SS7信令点和软交换设备之间双向的信令接口，实现SCN信令消息的中继、转换或终结处理。信令网关只完成承载转换，不进行信令转换，真正的信令转换工作是由软交换来完成的。
  • 信令网关分类：
    • SS7信令网关
    • 用户信令网关
  • SS7信令网关功能：SS7信令网关通过其适配功能完成SS7信令网络层与IP网中SIGTRAN协议栈的互通。SS7信令高层协议消息 （ISUP、TCAP等）通过IP（SIGTRAN）封装以隧道方式被透明传送到软交换设备进行协议分析和转换。SS7信令网关需要支持SS7协议栈以及 SIGTRAN协议栈：在SCN侧，能够发送和接收标准的SS7信令协议；在IP侧，通过SIGTRAN协议，完成SS7信令在IP网络侧的封装。
    • SS7协议栈结构

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  •  
    • SIGTRAN 协议栈结构：由IETF定义，用于在IP网上SG与MGC之间传送电话信令统一的结构、模块化设计公共的可靠传输协议SCTP。对不同的PSTN控制协议，采用不同的适配模块提供标准的SS7消息原语接口。

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  •  

      SCTP：提供SS7信令在IP上的可靠传送。对TCP进行了如下改进：可靠传递、灵活排序、多传输地址
      M3UA：在SG和MGC之间适配MTP3用户部分消息，即向MGC提供标准的ISUP、TUP等呼叫控制消息
      M2UA：在SG和MGC间双向传送MTP3及其上层消息
      M2PA：在对等层（如SSP-SSP、SSP-STP、STP-STP）可选地传送MTP3消息的模块
      SUA：在SG和MGC间双向传送数据库查询和结果，提供端到端路由功能
      IUA：允许在IP上传送Q.921用户信令消息，如Q.931

    • 架构分析：SIGTRAN构架是在流控传输协议（SCTP）上加一个用户适配层（UAL）。用户适配层是由多个适配模块所组成。它们分别为上层现 有的电话用户/应用提供原来的原语接口（如管理指示，数据操作等原语），并把上层特定信令协议打包在SCTP上传输。SCTP基于标准的互联网协议 （IPv4，IPv6）之上。图中粉红色部分为SIGTRAN的协议栈，在它们之上的是对应的电话信令协议。SIGTRAN的协议栈分为2层：一层是 SCTP，它提供多个流的，可靠的数据传输，用户数据的捆绑和分段，阻塞和流量控制，防止“拒绝服务”和“伪装”的攻击等功能。另一层是用户适配层，图中 由SUA、M3UA、M2UA、 M2PA、IUA和V5UA五个适配模块所组成，它们分别来满足各种电话信令协议适配的要求。

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  •  
    • 物理部署：
    • 与软交换合设：无需使用SIGTRAN协议，信令传送可靠、安全。应用受限，适合SS7链路集中地区。
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    • 与媒体网关合设：没有体现网关分解的优势，适合小规模网络互通，节省信令网关建设成本。
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    • 独立设置：主流方式，组网灵活
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    • 应用
      • 支持连接控制的应用
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      • 支持远程数据访问的应用
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  • 用户信令网关：主要用于ISDN用户、V5接口用户等接入IP网用，通常与MG位于同一物理设备中
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c）综合接入设备(IAD)

  • 定义：IAD是软交换系统中的接入层用户设备，用于。将传统非智能终端接入软交换网络，适用于小容量、较为分散的局部用户业务的接入，接入方式灵活，适用范围广，IAD的用户端口数一般不超过48个。
  • 分类：
    • 根据采用的技术：基于VoIP（网络侧采用以太网接口）；基于VoDSL（网络侧采用DSL接口，通过DSLAM接入软交换网络）
    • 根据容量大小：家庭型（一个Z接口和一个以太网接口）；楼层型（5至6个Z接口和一个以太网接口）；企业型（十几个至几十个Z接口）
  • 功能：
    • 模拟用户电路功能
    • 呼叫处理功能：受软交换设备的控制
    • 协议处理功能：H.248、RTP/RTCP，支持TCP、UDP、IP、DSL相关协议
    • 媒体控制功能
    • 业务支持功能
    • 语音处理功能
    • 数据处理功能语音
    • QoS的管理功能
    • 管理维护功能
  • 接入方式：
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d）软交换设备

  • 功能：
    • 呼叫控制：软交换的重要功能之一，提供各种业务的基本控制功能，完成基本呼叫的建立、保持和释放，包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫的检出和触 发、资源控制等。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。
    • 媒体控制功能：识别媒体网关报告的用户摘机、挂机等事件，控制媒体网关进行资源连接、发送各种信号音等。直接与H.323终端及SIP终端进行连接的能力，以提供相应的业务。
    • 业务提供功能：提供PSTN/ISDN交换机提供的全部业务，包括基本业务及传统的补充业务,与现有智能网配合提供现有智能网提供的业务,提供开放接口(如Parlay API)接入第三方业务的能力。
    • 业务交换功能：提供类似智能网SSP的功能，与呼叫控制功能相结合，提供呼叫控制功能和业务提供平台之间进行通信所要求的一系列功能，包括业务控制出发的识别，管理呼叫控制功能与SCF间的信令，按要求修改呼叫/连接处理功能等。
    • 协议功能：
      • 呼叫控制协议：ISUP、TUP、BICC、SIP、SIP-T、SIP-I、H.323等
      • 传输控制协议：TCP、UDP、SCTP/SIGTRAN
      • 媒体控制协议：H.248、MGCP、SIP
      • 业务应用协议：PARLAY、JAIN、SIP、INAP、MAP、LDAP、RADIUS、Diameter等
      • 维护管理协议：SNMP、COPS等
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    • 互通功能：同时支持H.323协议和SIP协议体系结构，实现两种体系结构网络和业务的互通，为了沿用已有的智能业务和PSTN业务，软交换还应提供与IN及PSTN/ISDN的互通与其它软交换网络的互通，包括域间互通、网间互通。
    • 资源管理功能：软交换可以对网络带宽资源进行分配和管理，资源管理可以通过SDP协商。
    • 认证、授权和计费功能：对接入软交换系统的设备进行认证、授权,采集计费信息，向计费服务器提供呼叫详细话单。
    • 操作维护功能：
      • 配置管理：查看媒体网关、查看中继线及中继组配置，路由的配置
      • 客户服务：查看配置的电话号码，以及相应号码所开通的业务
      • 系统监控：查看系统进程信息和中继资源信息
      • 安全管理：不同用户可以授予不同权限告警系统：查看各类历史告警纪录
      • 人机命令交互功能：通过OAM的人机命令终端，发送管理命令，并查看结果
    • 地址解析及路由功能：
      • E.164地址至IP地址的解析
      • SIP URI至IP地址的解析
      • 呼叫重定向功能
      • 预设路由功能
  • 功能结构：
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e）应用服务器 (AS- -Application Server)：负责各种增值业务的逻辑产生和管理,提供开放的APIs，为第三方业务的开发提供统一的创作平台,处理与软交换间的接口和信令协议，是一个独立的部件，与控制层的软交换设备无关。

f）媒体服务器

  • 功能：用于提供一些特殊的资源，如IVR、会议桥和传真等，处理与媒体网关间的承载接口。
  • 媒体服务器与媒体网关的区别：
    • 媒体网关是IP网的一个端点或端点的集合，主要完成媒体格式的转换，如电路方式->分组方式。
    • 一个媒体网关通常只受控于一个软交换实体媒体服务器通常是作为软交换的一个从属设备，执行基于媒体流的媒体处理过程
    • 一个媒体服务器可以同时受控于多个软交换实体，提供多项并发的编解码和代码转换工作媒体服务器可以置于网络边缘或核心。
  • 位置：
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4.软交换的应用

在固网的应用

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在移动网的应用：

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