第九章 软交换网络和软交换设备2学时Word文档下载推荐.docx
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9.3软交换设备
开场白
明确本节课要学习的内容。
5分钟
9.1软交换网络的概念
9.1.1下一代网络的概念
从20世纪末开始，下一代网络（NGN,NextGenerationNetwork）就成为人们谈论的话题。
那么究竟什么是NGN？
它包含哪些方面的内容呢？
实际上，NGN的内涵十分丰富，针对不同的专业领域可以赋予不同的含义。
例如对于数据网，NGN是指下一代互联网；
对于移动网，NGN是指3G网和超3G网；
对于传输网，NGN是指下一代传输网ASON。
对于接入网，NGN指数字用户线（DSL）、无源光网络（PON）、以太网、无线局域网（WLAN）等等。
一般将NGN的概念分为广义和狭义两种。
从广义上来讲，NGN泛指一个不同于现有网络，大量采用当前业界公认的新技术，可以提供语音、数据及多媒体业务，能够实现各网络终端用户之间的业务互通及共享的融合网络。
从狭义上来讲，NGN指以软交换设备为控制核心，能够实现业务与控制、接入与承载相分离，各功能部件之间采用标准协议进行交互，兼容了各业务网（PSTN、IP网、移动网等），提供丰富的用户接入手段，支持标准的业务开发接口，采用统一的分组网络进行传输，能够实现语音、数据和多媒体业务的开放的分层体系架构。
若无特殊说明，本课程所提的NGN均作狭义的软交换网络来理解。
值得注意的是，NGN不是简单交换设备的更新，它所涉及的不是某一单项节点技术和网络技术，而是整个网络的框架，是一种整体网络解决方案。
9.1.2软交换技术产生的背景
1、网络发展驱动因素发生了变化
由于大规模集成电路和软件技术的飞速发展，电信网络的通信能力得到了空前的提升。
但最近几年，随着IP技术的广泛使用和全球范围内的电信体制改革，市场竞争十分激烈，这导致了网络发展的驱动由技术驱动变为市场驱动，网络的发展目标定位于满足用户的需求。
用户的需求从单一的语音业务发展为基于各种接入方式下的语音、数据和多媒体业务。
为满足用户的个性化需求和降低运营成本，各运营商都在积极推进将现有网络平滑地过渡到下一代网络。
2、电信市场的开放使得竞争模式发生变化
在新的市场环境下，运营商发现已经不能简单地通过降价来扩大市场份额，而是要通过技术创新、业务创新等多种手段来获得竞争优势。
市场竞争已由简单的网络规模竞争、价格竞争发展成为高层次的业务竞争、网络服务竞争，未来的电信市场竞争不是“卖带宽”而是“卖服务”。
3、网络融合、业务融合的发展大趋势
目前，PSTN、IP网和移动网分别拥有独立的网络，采用不同的组网技术，通过特有的接入手段向各目的用户群提供业务。
虽然在网络和边界处可以通过网关进行业务互通，但是各网丰富的业务属性及特征还不能全部地互通和业务操作。
虽然语音业务还是各运营商的主要收入来源，但数据业务量的发展势头不容忽视，各运营商在考虑未来网络的建设和发展的问题。
如何建设新的网络以满足新业务发展的需求？
如何保护传统网络的投资？
如何向其它业务领域拓展？
运营商需要一种新的技术来支持未来业务的发展，通过统一的控制及业务提供，向使用各种接入手段的用户提供统一的业务，实现不同网络用户之间业务互通和业务特征完全共享。
IP技术屏蔽了底层技术的细节，能支持各种业务与应用，是促进未来网络融合的主要技术。
随着IP技术的广泛应用，PSTN、计算机网络和移动核心网络逐步走向融合是未来网络发展的总趋势。
NGN由于兼有传统网络可运营可管理的特点和IP网络的开放、简单的特性，能快速生成新业务，能有效地降低网络投资和运维成本，在未来电信技术中占据重要的位置。
9.1.3传统电话网
传统电话网采用电路交换技术，它的基本特点是为通信双方固定分配一条固定带宽的64kbit/s的通信电路，一次通信包括建立电路、通话和释放电路三个过程，其中建立电路和释放电路需要信令的支持。
通常将基于电路交换技术的通信网称为电路交换网（SCN），包括固定电话网和移动电话网。
目前在传统电话网上可以实现基本的语音业务和补充业务。
基本的语音业务是端到端的通信。
补充业务包括呼叫转移、呼叫等待、限制呼出和呼入、三方通话、主叫线识别、呼叫代答、CentreX业务等。
除此以外，传统电话网还能与智能网相结合，实现智能业务，如卡号业务、800业务、大众投票等。
对于语音通信，传统电话网能保证足够带宽，确保低时延、低失真的实时通信服务质量。
传统电话网的缺点是带宽利用率不高，一旦电路被占用，无论用户是否处于讲话状态，分配的电路始终被占用。
另一方面，传统电话网的接入手段受限于双绞线，不能满足用户对宽带多媒体业务的需求。
由于业务逻辑都存放在交换机内部，一旦增加新业务，就要对所有交换机进行改造。
虽然智能网是提供新业务的一种有效模式，但智能网对外不是采用标准的业务开发接口，业务的生成仍依靠设备制造商。
9.1.4IP电话的出现
在1998年以前，PSTN和Internet是两个完全独立的网络，分别承载语音业务和数据业务。
个别网络爱好者开始尝试利用IP网络进行语音通信，IP电话悄然而生。
1998到2000年间，基于H.323体系结构的IP长途电话出现了。
H.323体系由网守完成路由解析功能，由H.323网关负责呼叫的控制，网关还同时完成媒体格式转换和媒体流传送功能。
由于呼叫控制与媒体转换/传送集中在单个设备中实现，设备功能复杂，设备效率低，不易扩充。
又因为H.323体系结构不是一个开放的体系结构，所以在支持各种新业务方面，能力受到限制。
该网络可以通过网关设备实现与PSTN的简单语音互通，但在其上增加新业务较困难。
由于IP采用尽力而为的传送机制，对传送的语音包没有质量保证，因此基于H.323的VoIP存在QoS问题。
9.1.5综合交换机的出现
在传统的PSTN发展的过程中，曾有一个时期业界认为有必要研制新一代交换机，以适应全球ATM、IP网发展的需要，因此产生了综合交换机。
综合交换机的内部采用ATM交换矩阵或其它信元交换矩阵，处理能力强，容量大，降低了网络组织的复杂性。
在用户侧，综合交换机可以向用户提供丰富的接口，包括Z接口、V5.2接口、BRI/PRI接口、xDSL接口及LAN接口，实现各种用户的接入。
在网络侧，综合交换机可以提供与PSTN、ATM网及IP网的接口，将业务转送至各网络处理。
综合交换机采用各种中继接口，去除了网关设备，避免了数据业务对PSTN造成瓶颈，各业务网在物理结点融为一体，实现了不同网络的互联。
但是，综合交换机还是遵循电路交换的设计思想，对于实现PSTN设备功能方面做得比较好；
它也兼顾了数据业务，但数据业务实现能力不强。
由于综合交换机是语音与数据网络节点捆绑在一起，各自功能的运行、升级等都会受到对方的限制。
综合交换机的体系结构是封闭的，不提供标准的业务接口，不支持第三方业务的开发，因此其业务能力依然不强。
提供的业务属性及业务生成周期仍然受制于设备提供商。
因此综合交换机并没有真正解决网络融合问题。
目前，部分地区利用其处理能力强、容量大、用户接口丰富的特点，少量应用于网络中某些局点的建设。
9.1.6软交换网络的出现
在H.323体系中，用户信息的传送和处理、业务接续及控制功能集中在单个网关设备中实现，并将网络业务模块或服务器与网络的媒体交换设备绑定，使网络的利用率低，不易扩充，可靠性差，难以提供日益增多的新业务。
为此，业界提出了网络功能分布实现的理论，将网络业务提供及网络呼叫连接控制功能逐步从网关中独立出来，独立出来的部分称为网守、呼叫代理、呼叫服务器或媒体网关控制器，1999年以后称为软交换设备。
软交换技术最初由计算机网络设备提供商提出。
设备主要基于商用计算机平台，处理能力相对不高，主要用于解决企业用户的VoIP通信。
与此同时，计算机得到普及，信息通信网络用户数爆炸式增长，IP技术深刻地改变了传统电信观念及体系框架，传统运营商也在努力寻找网络及业务与IP发展趋势紧密结合的途径。
随着业界对软交换体系的逐步认识及肯定，传统交换设备制造商纷纷加入到软交换系统的研制队伍中，并陆续推出运营级的解决方案，使软交换网络的规模从企业级应用迈向了运营级应用。
目前，这种电信运营级的软交换网络已经形成。
它采用包交换技术和标准接口的分布式体系结构，利用软交换设备完成呼叫接续及控制功能，业务逻辑提供功能由业务服务器完成，网关只负责媒体格式的转换及媒体流的传递。
这样的体系结构能很好地解决语音、数据、视频等相互融合的需求，并具利用业务层的API接口增强了网络的业务提供能力，与网络的发展目标相符。
软交换网络不是现有各业务网（如PSTN和IP网）的简单延伸和叠加，而是它们发展融合的产物。
它的出现和发展不是对现有网络的革命，而是演进，是在继承现有网络优势的基础上实现的网络的发展。
从传统电路交换网到基于分组传送的软交换网络的演进过程将是漫长的，未来10–15年内将出现两种网络并存的局面。
随着时间的推移，软交换网络产品在网络中所占比例将逐步加大，最终实现整个网络平滑过渡到NGN，软交换设备是完成这一过渡任务的关键。
讲解
板书
课件演示
20分钟
9.2.1软交换网络的结构
软交换网络是一个可以同时向用户提供语音、数据、视频业务的开放网络。
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，从下往上依次为：
接入层、传送层、控制层、业务/应用层。
（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。
接入层的设备没有呼叫控制功能，它们必需和控制层设备相配合，才能完成规定任务。
信令网关（SG，SingnalingGateway），它的作用是与No.7信令网相连，将窄带的No.7信令转换为可以在分组网上传送的信令，或反之，并与控制层设备交互。
中继网关（TG，RrunkingGateway），它一侧与传统电话网相连，一侧与分组网相连，与控制层设备配合，在分组网上实现语音汇接业务。
接入网关（AG，AccessGateway），与中继网关一样，接入网关也是为在分组网上传送语音而设计的。
所不同的是，接入网关的电路侧提供了比中继网关更为丰富的接口。
包括直接连接模拟电话用户的POTS（PlainOldTelephoneService普通老式的电话服务，可译为传统电话业务）接口、连接传统的接入模块的V5.2接口、连接PBX的PRI接口以及xDSL接口等等，从而实现了铜线接入的综合接入功能。
媒体资源服务器（MS，MediaServer），它是一种特殊的网关设备，其功能主要分为两部分：
一是向软交换网络中的用户提供信号音和录音通知；
二是为多方呼叫、语音或视频业务提供会议桥资源。
与其它接入层设备一样，媒体资源服务器本身也没有呼叫控制功能，需要接受控制层设备的控制进行操作。
综合接入设备（IAD，IntegratedAccessDevice），与接入网关相比，综合接入设备是一个小型的接入层设备。
它向用户同时提供模拟端口和数据端口，实现用户的综合接入。
无线接入网关（WAG，WirelessAccessGateway），它的主要作用是实现无线用户的综合接入。
智能终端，与现在用户所用的普通终端相比，它的智能化程度更高。
通过智能终端与控制层设备的配合，可以实现传统网络上无法实现的一些业务。
智能终端的形式多种多样，它可以是一个类似普通电话机的硬件终端，也可以是安装在个人计算机上的软件终端，智能终端与控制层设备之间采用的也是标准协议，现在用的比较多的是SIP。
（2）传送层
在软交换网络中，所有的业务、所有的媒体流都是通过一个统一的传送网络传送，这是传送层需要完成的功能。
传送层要求是一个高带宽的，有一定的QoS保证的分组网络。
目前主要是指IP和ATM两种网络。
（3）控制层
控制层是软交换网络的呼叫控制核心。
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。
用来控制接入层设备完成呼叫接续。
软交换设备的主要功能包括呼叫控制、业务提供、业务交换、资源管理、用户认证、SIP代理等。
目前可以见到的软交换设备大致有三类：
一类是只提供窄带语音业务的软交换设备，我们也把这种软交换设备能够控制的范围称为窄带域；
一类是只提供宽带多媒体业务的软交换设备，我们把这种软交换设备能够控制的范围称为宽带域；
还有一类是能够同时提供这两种业务的综合的软交换设备。
我国的华为、中兴生产的软交换设备属于后者。
（4）业务/应用层
在传统网络中，因为受到设备的限制，业务的开发一直是个比较复杂的事情，软交换网络产生的原因之一就是降低业务开发的复杂度，更加灵活方便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独立出来，形成了业务/应用层。
应用层的作用就是利用各种设备为整个网络体系提供业务上的支持。
应用服务器（ASApplicationServer）
它的主要作用是向业务开发者提供开放的应用程序开发接口（API），该接口独立于实际的网络情况，业务开发者可以在不了解网络的情况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。
AAA服务器
用于用户的认证、管理和授权。
9.2.2软交换网络的特点
与传统网络相比，软交换网络具备以下特点：
（1）基于分组
软交换网络基于ATM或IP的分组网络进行传送，接入方式及各种业务的个性都将被屏蔽，信息全被转换成统一的分组的形式传送及处理，将三网融合推入了实质性阶段。
软交换网络与原电话网相比最主要的特点就是核心网从单业务转成多业务的快速通道。
（2）开放的网络结构
软交换网络具有简洁、清晰的层次结构，各个网元之间使用标准的协议和接口，使得各部件在地理上可以自由分离，网络结构逐步走向开放，各部件可以独立发展，可以根据需要自由组合各部分的功能产品来组建网络，实现异构网络的互通。
关于软交换网络中用到的主要协议，将在后面的章节里详细介绍。
（3）业务与呼叫控制相分离，与网络分离
在软交换网络中，控制层的软交换设备只负责基本的呼叫的接续控制，业务逻辑基本由应用服务器提供，实现了业务与呼叫控制分离。
分离的目标是使业务真正独立于网络，业务的提供更加灵活有效。
实际上，应用层的应用服务器不仅可以为软交换网络服务，也可以为其它网络服务。
例如：
它可以通过INAP向PSTN用户提供业务；
也可以通过CAMEL协议向移动用户提供服务。
（4）业务与接入方式分离
在软交换网络中，业务提供与用户接入属于两个独立的层面，业务可以与接入介质完全分离。
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及终端类型，使得业务和应用的提供有较大的灵活性。
直接的例子就是现在的PSTN上实现的服务很难同时放在宽带网上，而在软交换的概念下，无论用户用什么方式接入，得到的业务是一样的。
电话系统里的特殊业务同宽带网络或无线网络的业务相同。
（5）快速提供新业务
软交换网络中，采用标准接口与软交换设备相连的服务器，可提供开放的业务生成接口。
第三方业务开发商可以按照自己的意愿，快速生成各种业务。
这种新业务的生成模式完全适应技术发展的趋势，能够满足用户不断变化的业务需求。
9.2.3软交换网络面临的主要问题
（1）分组网的服务质量保证
现有的分组网当初是为了实现非实时性的业务而设计的，没有考虑到实时性应用的服务质量的保证问题。
一旦将其用到软交换网络中，就要用它来承载语音等实时性的业务。
这些实时性业务对服务质量的要求远远高于非实时性的业务，因此在现有分组网的基础上去解决服务质量保证的问题，成为软交换网络中必须解决的问题之一。
（2）协议的不成熟
目前软交换网络用到的如SIP、H.248、SIGTRAN等协议还处于研究性应用阶段，许多功能还有待通过研究进行补充和增加。
由于在软交换网络中，各节点可以采用的协议不止一种，而到目前为止，还没有一个明确的倾向选择哪种协议，因此设备生产产商在开发产品时，选择也是多种多样的。
即使两个产家选择同一种协议，但因为协议还不够成熟，对协议的理解也不尽相同，各厂家均按自己的理解来开发，难免存在偏差。
这些都会限制不同产家设备间的互通。
（3）网络安全性的保证
在软交换网络中，所有的媒体流和控制流均承载于分组网上，各个设备也成为分组网上的一个节点。
从安全性上看，分组网要远弱于电话网。
软交换网络中的各个设备放在分组网上，就存在遭受恶意攻击的可能性。
因此，如何保证网络的安全性也是将来在组网时要重点解决的问题。
另外，软交换网络中的用户数据和业务流也都承载在分组网上，因此用户数据的安全性和业务流的安全性也是需要解决的问题。
（4）设备的不成熟
虽然目前国际上的各大通信设备制造商已经基本上停止了对传统交换机的研究，转为研究软交换网络，但从现有设备的情况看，还存在着种种问题，远不如传统交换机运行稳定。
目前，设备制造商对软交换网络的研究基本上都是从提供传统语音业务入手，从而导致现有的软交换网络设备最成熟的功能仍然是提供语音业务，这就与软交换网络的产生的主要目的相违背，也限制了软交换网络的推广和应用。
尽管软交换网络还存在种种问题，但传统网络向下一代网络过渡的趋势已不可逆转。
9.3.1软交换的概念
从广义上讲，软交换是指以软交换设备为控制核心的软交换网络，包括4个功能层面：
接入层、传送层、控制层和应用层。
从狭义上讲，软交换特指位于控制层的软交换设备。
为了不造成误解，本课程所提及的“软交换”及“软交换体系”均指软交换网络整个体系，包括4个功能层；
对于狭义的软交换概念均以“软交换设备”表述。
我国原信息产业部《软交换设备总体技术要求》中对软交换的设备的定义如下：
软交换设备Softswitch是电路交换网向分组网演进的核心设备，也是下一代电信网络的重要设备之一，它独立于底层承载协议，主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由认证和计费等主要功能……
软交换设备定位于软交换网络的控制层，是软交换网络的核心控制功能实体，为软交换网络实时业务提供呼叫控制和连接功能。
通过对各种媒体网关的控制，实现与其它网络业务层面的互通。
另外，软交换设备也使得分组交换网继承了原有电路交换网的丰富的业务功能，并可提供各种新业务，又能将PSTN逐步向分组化网络演进，适应网络的发展方向。
软交换设备曾被称为呼叫服务器、呼叫代理、媒体网关控制器，是VoIP体系中把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过服务器上的软件实现基本呼叫控制功能的产物。
目前，业界普遍认为以软交换设备为核心的软交换网络是网络演进的方向。
9.3.2软交换的特点
1、只提供基本的呼叫接续控制
软交换设备是实现传统的各业务网络中呼叫控制功能的实体。
传统的呼叫控制功能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。
而在软交换体系中，各业务网络用户及业务特性被接入设备转换为统一的分组格式，因此，软交换设备可以只提供与用户业务无关的基本呼叫控制，而业务逻辑由另外的业务服务器或SCP提供。
2、覆盖范围广
软交换网络实际上是以分组网做为媒体交换网络，业务控制集中在软交换设备上。
这也意味着软交换设备理论上可以覆盖IP网络的范围。
由于全球的IP网络是互通的，在不考虑业务性能要求的前提下，一个软交换设备就可以覆盖全球的IP用户。
3、灵活的组网能力
由于软交换网络的覆盖范围广，媒体层是一个扁平的网络。
所以软交换网络的组网可以十分灵活，不仅可以按地域、管辖范围组网，同时也可以按照用户的要求组织跨地域的专网。
用户软交换设备也可以在分组网上进行容灾备份，备份软交换设备可以配有全网的路由数据及主用软交换设备的用户数据，在故障情况下，立刻将故障软交换设备的业务接管过来，从而提高了网络的可靠性。
4、可扩展性
软交换设备在整个通信过程中仅负责通话的建立与通话过程的控制，与接入方式和承载方式无关，这些特性决定了软交换网络可能以根据业务情况灵活配置软交换设备。
同时，由于软交换设备能支持多种协议，使得软交换网络可以根据业务发展和市场的变换配置不同的网关，具有良好的可扩展性。
5、支持各种标准协议
软交换设备支持多种标准协议，能够实现与各种网络之间的互通；
能够控制接入各种用户；
能够与业务服务器和SCP互连，提供各种业务；
能够与认证服务器、网管平台及策略服务器相连，提供务种辅助功能。
6、容量大
软交换设备处理能力强、容量大，对用户数据进行集中管理，使得广域业务较PSTN更易于推广。
9.3.3软交换设备的主要功能
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、连接以及部分业务的提供功能，是下一代网络中语音/数据/视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设备，也是目前电路交换网向分组网演进的主要设备之一。
软交换网络的主要设计思想是：
业务/控制与传送/接入相分离，各实体之间通过标准的协议进行连接和通信。
一、呼叫控制和处理功能
软交换可以为基本的呼叫建立、维持和释放提供控制功能，包括呼叫请求的处理、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等。
软交换设备可以提供媒体网关控制功能，控制各种媒体网关及设备，包括中继媒体网关、用户接入媒体网关和提供务种无线用户接入的无线媒体网关等，还可控制IAD、H.323、SIP终端等，提供相应业务。
软交换设备可以提供本地网端局、长途局、及网间接口局的功能。
（1）当用户摘机后，媒体网关检测到该事件并报告给软交换设备；
（2）软交换设备查询主叫用户数据，进行身份鉴权；
（3）若是有权有用户，软交换设备向媒体网关发送拨号计划，要求网关向用户送拨号音；
（4）软交换设备收到网关送来的被叫号码后，进行被叫号码分析、黑白名单分析等，找到被叫所属的软交换设备地址，并将呼叫请求转发到被叫软交换设备；
（5）软交换设备控制主、被叫网关选择空闲的媒体资源，完成编码格式及媒体连接地址等的协商；
（6）呼叫中，软交换设备可以控制媒体资源服务器提供IVR（交互式语音应答）功能，以完成诸如二次拨号、通知音拨放、会议桥、监听等多种功能；
（7）若呼叫过程涉及多方成员参与，软交换设备可以提供多方呼叫控制功能，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。
（8）呼叫过程中，软交换设备控制网关向用户发送振铃、回铃音、忙音等音频信号；
（9）当用户挂机后，媒体网关检测该事件并上报给软交换设备，软交换设备控制各网关及终端设备进行资源的释放。
二、业务交换功能
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