軟交換技術及其應用

摘要：通過對軟交換的基本原理的認真分析，論述了軟交換的主要特點和功能，簡要介紹了軟交換在VoIP中的應用，并對軟交換發(fā)展中需要繼續(xù)研究的問題進行了探討。

關鍵詞：軟交換 協(xié)議 網(wǎng)絡 原理 應用

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201710/368677.htm

隨著通信網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，人們對于寬帶及業(yè)務的要求也在迅速增長，為了向用戶提供更加靈活、多樣的現(xiàn)有業(yè)務和新增業(yè)務，提供給用戶更加個性化的服務，提出了下一代網(wǎng)絡的概念，且目前各大電信運營商已開始著手進行下一代通信網(wǎng)絡的實驗。軟交換技術又是下一代通信網(wǎng)絡解決方案中的焦點之一，已成為近年來業(yè)界討論的熱點話題。我國網(wǎng)絡與交換標準研究組已經(jīng)完成了有關軟交換體系的總體技術要求框架，８６３計劃也對有關軟交換系統(tǒng)在多媒體和移動通信系統(tǒng)方面的研究課題進行了立項。

１ 軟交換概念的提出及定義

軟交換的概念最早起源于美國。當時在企業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境下，用戶采用基于以太網(wǎng)的電話，通過一套基于ＰＣ服務器的呼叫控制軟件（Ｃａｌｌ Ｍａｎａｇｅｒ、Ｃａｌｌ Ｓｅｒｖｅｒ），實現(xiàn)ＰＢＸ功能（ＩＰ ＰＢＸ）。對于這樣一套設備，系統(tǒng)不需單獨鋪設網(wǎng)絡，而只通過與局域網(wǎng)共享就可實現(xiàn)管理與維護的統(tǒng)一，綜合成本遠低于傳統(tǒng)的ＰＢＸ。由于企業(yè)網(wǎng)環(huán)境對設備的可靠性、計費和管理要求不高，主要用于滿足通信需求，設備門檻低，許多設備商都可提供此類解決方案，因此ＩＰ ＰＢＸ應用獲得了巨大成功。受到ＩＰ ＰＢＸ成功的啟發(fā)，為了提高網(wǎng)絡綜合運營效益，網(wǎng)絡的發(fā)展更加趨于合理、開放，更好的服務于用戶。業(yè)界提出了這樣一種思想：將傳統(tǒng)的交換設備部件化，分為呼叫控制與媒體處理，二者之間采用標準協(xié)議（ＭＧＣＰ、Ｈ２４８）且主要使用純軟件進行處理，于是，ＳｏｆｔＳｗｉｔｃｈ（軟交換）技術應運而生。

軟交換概念一經(jīng)提出，很快便得到了業(yè)界的廣泛認同和重視，ＩＳＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＳｏｆｔＳｗｉｔｃｈ Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）的成立更加快了軟交換技術的發(fā)展步伐，軟交換相關標準和協(xié)議得到了ＩＥＴＦ、ＩＴＵ－Ｔ等國際標準化組織的重視。

根據(jù)國際Ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈ論壇ＩＳＣ的定義，Ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈ是基于分組網(wǎng)利用程控軟件提供呼叫控制功能和媒體處理相分離的設備和系統(tǒng)。因此，軟交換的基本含義就是將呼叫控制功能從媒體網(wǎng)關（傳輸層）中分離出來，通過軟件實現(xiàn)基本呼叫控制功能，從而實現(xiàn)呼叫傳輸與呼叫控制的分離，為控制、交換和軟件可編程功能建立分離的平面。軟交換主要提供連接控制、翻譯和選路、網(wǎng)關管理、呼叫控制、帶寬管理、信令、安全性和呼叫詳細記錄等功能。與此同時，軟交換還將網(wǎng)絡資源、網(wǎng)絡能力封裝起來，通過標準開放的業(yè)務接口和業(yè)務應用層相連，可方便地在網(wǎng)絡上快速提供新的業(yè)務。

２ 基于軟交換技術的網(wǎng)絡結構

軟交換是下一代網(wǎng)絡的核心設備之一，各運營商在組建基于軟交換技術的網(wǎng)絡結構時，必須考慮到與其它各種網(wǎng)絡的互通。在下一代網(wǎng)絡中，應有一個較統(tǒng)一的網(wǎng)絡系統(tǒng)結構?；谲浗粨Q技術的網(wǎng)絡結構如圖１所示。

由圖中可以看出，軟交換位于網(wǎng)絡控制層，較好地實現(xiàn)了基于分組網(wǎng)利用程控軟件提供呼叫控制功能和媒體處理相分離的功能。

軟交換與應用／業(yè)務層之間的接口提供訪問各種數(shù)據(jù)庫、三方應用平臺、功能服務器等接口，實現(xiàn)對增值業(yè)務、管理業(yè)務和三方應用的支持。其中：軟交換與應用服務器間的接口可采用ＳＩＰ、ＡＰＩ，如Ｐａｒｌａｙ，提供對三方應用和增值業(yè)務的支持；軟交換與策略服務器間的接口對網(wǎng)絡設備工作進行動態(tài)干預，可采用ＣＯＰＳ協(xié)議；軟交換與網(wǎng)關中心間的接口實現(xiàn)網(wǎng)絡管理，采用ＳＮＭＰ；軟交換與智能網(wǎng)ＳＣＰ之間的接口實現(xiàn)對現(xiàn)有智能網(wǎng)業(yè)務的支持，采用ＩＮＡＰ協(xié)議。

通過核心分組網(wǎng)與媒體層網(wǎng)關的交互，接收處理中的呼叫相關信息，指示網(wǎng)關完成呼叫。其主要任務是在各點之間建立關系，這些關系可以是簡單的呼叫，也可以是一個較為復雜的處理。軟交換技術主要用于處理實時業(yè)務，如話音業(yè)務、視頻業(yè)務、多媒體業(yè)務等。

軟交換之間的接口實現(xiàn)不同與軟交換之間的交互，可采用ＳＩＰ－Ｔ、Ｈ．３２３或ＢＩＣＣ協(xié)議。

３ 軟交換技術的設計原理及其實現(xiàn)目標

軟交換技術是一個分布式的軟件系統(tǒng)，可以在基于各種不同技術、協(xié)議和設備的網(wǎng)絡之間提供無縫的互操作性，其基本設計原理是設法創(chuàng)建一個具有很好的伸縮性、接口標準性、業(yè)務開放性等特點的分布式軟件系統(tǒng)，它獨立于特定的底層硬件／操作系統(tǒng)，并能夠很好地處理各種業(yè)務所需要的同步通信協(xié)議，在一個理想的位置上把該架構推向摩爾曲線軌道。并且它應該有能力支持下列基本要求：

（１）獨立于協(xié)議和設備的呼叫?熏設備的呼叫處理和／同步會晤管理應用的開發(fā)。

（２）在其軟交換網(wǎng)絡中能夠安全地執(zhí)行多個第三方應用而不存在由惡意或錯誤行為的應用所引起的任何有害影響。

（３）第三方硬件銷售商能增加支持新設備和協(xié)議的能力。

（４）業(yè)務和應用提供者能增加支持全系統(tǒng)范圍的策略能力而不會危害其性能和安全。

（５）有能力進行同步通信控制，以支持包括帳單、網(wǎng)絡管理和其他運行支持系統(tǒng)的各種各樣的后營業(yè)室系統(tǒng)。

（６）支持運行時間捆綁或有助于結構改善的同步通信控制網(wǎng)絡的動態(tài)拓撲。

（７）從小到大的網(wǎng)絡可伸縮性和支持徹底的故障恢復能力。

軟交換的實現(xiàn)目標是在媒體設備和媒體網(wǎng)關的配合下，通過計算機軟件編程的方式來實現(xiàn)對各種媒體流進行協(xié)議轉換，并基于分組網(wǎng)絡（ＩＰ／ＡＴＭ）的架構實現(xiàn)ＩＰ網(wǎng)、ＡＴＭ網(wǎng)、ＰＳＴＮ網(wǎng)等的互連，以提供和電路交換機具有相同功能并便于業(yè)務增值和靈活伸縮的設備。

軟交換系統(tǒng)的參考模型如圖２。

４ 軟交換所使用的主要協(xié)議

軟交換體系涉及協(xié)議非常眾多，包括Ｈ．２４８、ＳＣＴＰ、ＩＳＵＰ、ＴＵＰ、ＩＮＡＰ、Ｈ．３２３、ＲＡＤＩＵＳ、ＳＮＭＰ、ＳＩＰ、Ｍ３ＵＡ、ＭＧＣＰ、ＢＩＣＣ、ＰＲＩ、ＢＲＩ等。國際上，ＩＥＴＦ、ＩＴＵ－Ｔ、ＳｏｆｔＳｗｉｔｃｈ Ｏｒｇ等組織對軟交換及協(xié)議的研究工作一直起著積極的主導作用，許多關鍵協(xié)議都已制定完成，或趨于完成。這些協(xié)議將規(guī)范整個軟交換的研發(fā)工作，使產(chǎn)品從使用各廠家私有協(xié)議階段進入使用業(yè)界共同標準協(xié)議階段，各家之間產(chǎn)品互通成為可能，真正實現(xiàn)軟交換產(chǎn)生的初衷——提供一個標準、開放的系統(tǒng)結構，各網(wǎng)絡部件可獨立發(fā)展。在軟交換的研究進展方面，我國處于世界同步水平。信息產(chǎn)業(yè)部“網(wǎng)絡與交換標準研究組”在１９９９年下半年就啟動了軟交換項目的研究，目前已完成了《軟交換設備總體技術要求》。此外，“ＩＰ標準研究組”正在研制有關中繼媒體網(wǎng)關（ＴＧ）、信令網(wǎng)關?穴ＳＧ?雪、接入網(wǎng)關（ＡＧ）、綜合接入設備?穴ＩＡＤ?雪等設備技術規(guī)范。

下面對幾個主要協(xié)議做一簡單介紹。

１．Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ

Ｈ．２４８和ＭＥＧＡＣＯ協(xié)議均稱為媒體網(wǎng)關控制協(xié)議，應用在媒體網(wǎng)關和Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ與軟交換設備之間。兩個協(xié)議的內容基本相同，只是Ｈ．２４８是由ＩＴＵ提出來的，而ＭＥＧＡＣＯ是由ＩＥＦＴ提出來的，且是雙方共同推薦的協(xié)議。它們引入了Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ（終端）和Ｃｏｎｔｅｘｔ（關聯(lián)）兩個抽象概念。在Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ（終端）中，封裝了媒體流的參數(shù)、ＭＯＤＥＭ和承載能力參數(shù)，而Ｃｏｎｔｅｘｔ（關聯(lián)）則表明了在一些Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ（終端）之間的相互連接關系。Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ通過Ａｄｄ、Ｍｏｄｉｆｙ、Ｓｕｂｔｒａｃｔ、Ｍｏｖｅ等８個命令完成對Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ（終端）和Ｃｏｎｔｅｘｔ（關聯(lián)）之間的操作，從而完成了呼叫的建立和釋放。

２．媒體網(wǎng)關控制協(xié)議（ＭＧＣＰ）

媒體網(wǎng)關控制協(xié)議（ＭＧＣＰ）是由ＩＥＦＴ提出來的，是簡單網(wǎng)關控制協(xié)議（ＳＧＣＰ）和ＩＰ設備控制協(xié)議（ＩＰＤＣ）相結合的產(chǎn)物。ＭＥＧＡＣＯ協(xié)議是對ＭＧＣＰ協(xié)議的進一步改進、完善和提高，ＭＧＣＰ協(xié)議可以說是一個比較成熟的協(xié)議，協(xié)議的內容與ＭＥＧＡＣＯ協(xié)議比較相似。目前軟交換系統(tǒng)設備大都支持該協(xié)議，其不足也慢慢表現(xiàn)出來，將來可能要被Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ協(xié)議所取代。

在軟交換系統(tǒng)中，ＭＧＣＰ協(xié)議與Ｈ．２４８／ＭＥＧＡＣＯ協(xié)議一樣，應用在媒體網(wǎng)關和ＭＧＣＰ終端與軟交換設備之間，通過此協(xié)議來控制媒體網(wǎng)關和ＭＧＣＰ終端上的媒體／控制流的連接、建立和釋放。

３．會話初始協(xié)議（ＳＩＰ）

會話初始協(xié)議（ＳＩＰ）是ＩＥＴＦ提出的在ＩＰ網(wǎng)上進行多媒體通信的應用層控制協(xié)議。以Ｉｎｔｅｒｎｅｔ協(xié)議（ＨＴＴＰ）為基礎，遵循Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的設計原則，基于對等工作模式。利用ＳＩＰ可實現(xiàn)會話的連接、建立和釋放，并支持單播、組播和可移動性。此外，ＳＩＰ如果與ＳＤＰ配合使用，可以動態(tài)地調整和修改會話屬性，如通話帶寬、所傳輸?shù)拿襟w類型及編解碼格式。其具體內容可參見ＩＥＴＦ ＲＦＣ ２５４３ｂｉｓ。

在軟交換系統(tǒng)中，ＳＩＰ協(xié)議主要應用于軟交換與ＳＩＰ終端之間，也有的廠家將ＳＩＰ協(xié)議應用于軟交換與應用服務器之間，提供基于ＳＩＰ協(xié)議實現(xiàn)的增值業(yè)務?？偟膩碚f，ＳＩＰ協(xié)議主要應用于語音和數(shù)據(jù)相結合的業(yè)務，以及多媒體業(yè)務之間的呼叫建立與釋放。特別是ＳＩＰ協(xié)議以其簡單、靈活的特點，使作為移動通信標準化組織的３ＧＰＰ已經(jīng)決定在其基礎上建立第三代移動通信的全ＩＰ網(wǎng)絡，并要求未來的３Ｇ終端必須支持ＳＩＰ協(xié)議。

４．ＳＣＴＰ協(xié)議

ＳＣＴＰ協(xié)議是由ＩＥＴＦ提出的一種關于流控制傳送協(xié)議。主要是在無連接的網(wǎng)絡上傳送ＰＳＴＮ信令信息，該協(xié)議可以在ＩＰ網(wǎng)上提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。ＳＣＴＰ可以在確認方式下，無差錯、無重復地傳送用戶數(shù)據(jù)，并根據(jù)通路的ＭＴＵ的限制，進行用戶數(shù)據(jù)的分段；在多個流上保證用戶消息的順序遞交，把多個用戶的消息復制到ＳＣＴＰ的數(shù)據(jù)塊中。利用ＳＣＴＰ偶連的機制來保證網(wǎng)絡級的部分故障自處理。ＳＣＴＰ還具有避免擁塞和避免遭受泛播及匿名攻擊的特點。

ＳＣＴＰ協(xié)議在軟交換中起著控制協(xié)議的主要承載者的作用。

５ 軟交換技術的主要特點和功能

１．軟交換技術的主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面：

（１）支持各種不同的ＰＳＴＮ、ＡＴＭ和ＩＰ協(xié)議等各種網(wǎng)絡的可編程呼叫處理系統(tǒng)。

（２）可方便地運行在各種商用計算機和操作系統(tǒng)上。

（３）高效靈活性。例如：

·軟交換加上一個中繼網(wǎng)關便是一個長途／匯接交換機（Ｃ４交換機）的替代，在骨干網(wǎng)中具有ＶｏＩＰ或ＶＴＯＡ功能。

·軟交換加上一個接入網(wǎng)關便是一個語音虛擬專用網(wǎng)（ＶＰＮ）／專用小交換機（ＰＢＸ）中繼線的替代，在骨干網(wǎng)中具有ＶｏＩＰ功能。

·軟交換加上一個ＲＡＳ，便可利用公用承載中繼來提供受管的ＭＯＤＥＭ業(yè)務。

·軟交換加上一個中繼網(wǎng)關和一個本地性能服務器便是一個本地交換機（Ｃ５交換機）的替代，在骨干網(wǎng)中具有ＶｏＩＰ或ＶＴＯＡ功能。

（４）開放性 通過一個開放的和靈活的號碼簿接口便可以再利用ＩＮ（智能網(wǎng)）業(yè)務。例如，它提供一個具有接入到關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、輕量級號碼簿訪問協(xié)議和事務能力應用部分號簿的號碼簿嵌入機制。

（５）為第三方開發(fā)者創(chuàng)建下一代業(yè)務提供開放的應用編程接口（ＡＰＩ）。

（６）具有可編程的后營業(yè)室特性。例如：可編程的事件詳細記錄、詳細呼叫事件寫到一個業(yè)務提供者的收集事件裝置中。

（７）具有先進的基于策略服務器的管理所有軟件組件的特性。包括展露給所有組件的簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議接口、策略描述語言和一個編寫及執(zhí)行客戶策略的系統(tǒng)。

２．軟交換是多種邏輯功能實體的集合，它提供綜合業(yè)務的呼叫控制、連接和部分業(yè)務功能，是下一代電信網(wǎng)語音／數(shù)據(jù)／視頻業(yè)務呼叫、控制、業(yè)務提供的核心設備。主要功能表現(xiàn)在以下幾個方面：

（１）呼叫控制和處理 為基本呼叫的建立、維持和釋放提供控制功能。

（２）協(xié)議功能 支持相應標準協(xié)議，包括Ｈ．２４８、ＳＣＴＰ、Ｈ．３２３、ＳＮＭＰ、ＳＩＰ等。

（３）業(yè)務提供功能 可提供各種通用的或個性化的業(yè)務。

（４）業(yè)務交換功能

（５）互通功能 可通過各種網(wǎng)關實現(xiàn)與響應設備的互通。

（６）資源管理功能 對系統(tǒng)中的各種資源進行集中管理，如資源的分配、釋放和控制。

（７）計費功能 根據(jù)運營需求將話單傳送至計費中心。

（８）認證／授權功能 可進行認證與授權，防止非法用戶或設備接入。

（９）地址解析功能和語音處理功能。

６ 基于軟交換的應用

隨著通信網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和軟交換各種標準的制定與補充，不少廠家都推出了軟交換的解決方案，各運營商也在積極進行相關實驗。目前，國內外許多電信設備制造商，如西門子、阿爾卡特、愛立信、北電、中興等都在積極發(fā)展新的交換機過渡平臺，提出了軟交換在下一代網(wǎng)絡中的解決方案。這里簡要介紹一下軟交換在ＶｏＩＰ中的應用，圖３為基于軟交換技術的ＶｏＩＰ網(wǎng)絡結構。

從圖中可以看出，它的功能非常類似于現(xiàn)行電路交換傳送系統(tǒng)間的交換／長途網(wǎng)，Ｃ４交換機用軟交換系統(tǒng)和一組中繼網(wǎng)關的組合體所取代。中繼網(wǎng)關自身是由軟交換技術利用主／被叫協(xié)議控制，這個協(xié)議就是與來自某個具有指定源／目的的ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ流的電路交換機的一個指定時隙相關的ＭＧＣＰ／ＩＰＤＣ協(xié)議。

軟交換技術作為呼叫處理的組成部分，其標識要被用來終結該呼叫的最有可能的出口網(wǎng)關，并利用這個信息來命令中繼網(wǎng)關執(zhí)行所指定的功能，亦即軟交換技術能夠通過選擇一個最小代價的路由來完成每次呼叫，以使所選擇的出口網(wǎng)關最接近目的電話。于是，就完成了原有通過電路交換網(wǎng)執(zhí)行的呼叫操作功能。

接入網(wǎng)關既可以終結ＩＳＤＮ的ＰＲＩ，也可以終結來自企業(yè)ＰＢＸ的ＣＡＳ信令。這種接入網(wǎng)關能夠被軟交換以基于分組電話協(xié)議的多種方式進行控制；對于基于Ｈ．３２３協(xié)議的網(wǎng)關，軟交換能夠像一個Ｈ．３２３網(wǎng)關那樣動作；如果接入網(wǎng)關隧道ＰＲＩ（Ｑ．９３１）或ＣＡＳ信令返回到軟交換，那么軟交換還能夠使用像ＭＧＣＰ／ＩＰＤＣ協(xié)議以更好的方式控制接入網(wǎng)關。這也體現(xiàn)了軟交換技術處理接入網(wǎng)關的能力。

軟交換技術通過ＳＩＰ協(xié)議接到電纜網(wǎng)絡上，以支持企業(yè)的 ＩＰ ＰＢＸ及ＩＰ電話。它還能夠通過ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議接入ＳＣＰ，也可通過ＴＣＰ／ＳＣＣＰ協(xié)議接入到ＳＳ７網(wǎng)絡上，使無縫互連成為可能。

７ 基于軟交換的下一代網(wǎng)絡中需要繼續(xù)關注的主要問題

雖然基于軟交換的下一代網(wǎng)絡是一個比較完整的網(wǎng)絡解決方案，可以應用在各種通信領域，但由于其技術新，目前的解決方案大多處于實驗階段，尚未形成大規(guī)模應用，許多問題仍需要繼續(xù)關注，如ＱＯＳ、網(wǎng)關、安全性、業(yè)務提供方式、與現(xiàn)有網(wǎng)絡的有機結合等問題。

１．ＱＯＳ問題

對任何網(wǎng)絡來說，ＱＯＳ的保證都是一個非常重要的問題。從根本上說，軟交換本身并不能解決ＱＯＳ問題，而是靠其承載網(wǎng)絡來保證服務質量的。承載網(wǎng)絡目前有兩種方式：ＡＴＭ和ＩＰ。對于ＡＴＭ的承載網(wǎng)絡來說，其本身就有很強的ＱＯＳ機制。但是，對于ＩＰ的承載網(wǎng)絡來說，如何解決好ＱＯＳ問題。在基于軟交換的下一代網(wǎng)絡中是一個非常關鍵的問題，因為從目前廠家的設備開發(fā)情況和網(wǎng)絡發(fā)展的總的趨勢來看，以ＩＰ為承載網(wǎng)絡應該是大勢所趨。

２．軟交換網(wǎng)絡的管理

從軟交換目前的實現(xiàn)情況來看，大部分都采用ＳＮＭＰ協(xié)議作為軟交換系統(tǒng)的網(wǎng)管協(xié)議，但ＳＮＭＰ網(wǎng)管系統(tǒng)具有一定的局限性，ＳＮＭＰ網(wǎng)管以靜態(tài)管理方式為主，無法針對各種不同業(yè)務的需求變化進行綜合管理。由于ＳＮＭＰ采用的是基于ＵＤＰ的承載方式，因此不能很好的保證網(wǎng)管信息的可靠傳輸。同時，基于軟交換的下一代網(wǎng)絡提供的是實時業(yè)務，而要求網(wǎng)管系統(tǒng)必須具有一定的ＱＯＳ管理能力。但目前基于軟交換的網(wǎng)管系統(tǒng)處理這方面的能力比較差，還需進一步的改進、完善，才能滿足用戶對服務質量的要求

３．軟交換涉及的協(xié)議尚需繼續(xù)完善

軟交換網(wǎng)絡的各個網(wǎng)絡接口之間采用開放的協(xié)議進行通訊。但是，目前不論是從協(xié)議的制定情況，還是各個廠家的開發(fā)情況來看，接口的標準化還不完善，大多數(shù)協(xié)議還處于擴充完善階段。因此，離最終的開放網(wǎng)絡還需要有一段時間。

綜上所述，軟交換雖然具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但目前仍處于發(fā)展的起步階段。以軟交換為核心的通信系統(tǒng)將會提供業(yè)務開放能力，符合三網(wǎng)合一的發(fā)展趨勢，提供話音、數(shù)據(jù)、視頻業(yè)務和多媒體融合業(yè)務，滿足通信個性化、移動化和隨時隨地獲取信息的發(fā)展目標。