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軟交換機

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軟交換機通過媒體控制協議技術可以實現呼叫控制與媒體傳輸相分離的思想。所以，國外也有學者將軟交換機稱為呼叫代理器或媒體網關控制器。軟交換機作為基於商用硬件平台，採用開放、標準、多協議和可運營管理的技術代表，將成為NGN中重要而關鍵的系統和設備技術之一。軟交換機這個術語可以説是從國外“Softswitch”翻譯而得，其概念基本上是伴隨着IP電話技術體系的功能分層和控制分離思想的發展而形成的。 [1] 
中文名
軟交換機 [1] 
外文名
SoftSwitch [1] 
技術基礎
MGCP/H.248媒體控制協議 [1] 
類    別
交換機 [1] 
基本思想
實現呼叫控制與媒體傳輸相分離 [1] 
分    類
Ofl3softSwitch、Open vSwitch軟交換機等。 [2] 

目錄

  1. 1 概念
  2. ▪ 起源
  3. ▪ 定義
  4. ▪ 技術基礎
  5. ▪ 優點
  1. 2 功能
  2. 3 技術特徵
  3. 4 關鍵技術
  4. ▪ 關鍵子系統
  5. ▪ 通用協議
  1. ▪ 通用模型
  2. ▪ 協議組內的協議關係處理
  3. ▪ 協議組間的協議關係處理
  4. ▪ 可擴展性
  1. ▪ 可用性
  2. 5 在NGN中的作用
  3. ▪ 提法思考
  4. ▪ 策略分析

軟交換機概念

軟交換機起源

在傳統的PSTN交換網絡中，業務控制與呼叫控制以及傳輸承載都集中在交換機裏，PSTN的各項業務必須通過TDM交換機進行實現。為滿足用户對新業務的不斷需求，PSTN網絡中出現了公共的業務生成平台即智能網。PSTN的智能網首次提出並實現了一些全網性業務生成與呼叫控制相分離，並因此改善了PSTN全網性業務的開展提高了網絡集中提供業務的能力，縮短了全網性新業務提供的週期。IP電話技術體系不僅進一步強化了業務生成與呼叫控制分離的思想，而且更進一步期待實現呼叫控制與媒體傳輸承載相分離。這種分離的目標是使IP電話業務的控制和生成真正獨立於媒體傳輸網絡設施，從而更加靈活有效地實現IP電話及其相關業務和多媒體應用的融合。更重要的是這種分離還有利於電信運營商能在分組網上實施集中的運營、管理、維護和配製。電信運營商和用户可以通過IP連接在局端系統自行定義配置和管理自己的業務特徵，而不必擔心用户終端的類型和配置，從而使業務和應用的提供有較大的可能性、靈活性和可運營管理性。 [1] 

軟交換機定義

根據國際Softswitch論壇ISC的定義，Softswitch是基於分組網利用程控軟件提供呼叫控制功能的設備和系統。據此定義，Softswitch是典型的為分組網的語音目的而設計的技術實踐手段。這一定義也説明，Softswitch借用傳統電信領域PSTN網中的“硬”交換機switch的概念，所不同的是強調其基於分組網和呼叫控制與媒體傳輸承載相分離的含義。Softswitch是NGN中的重要組成部分，但它更多的是關注呼叫控制功能的設備和系統，其本身並不能構成特別的整體組網技術機制和網絡體系架構。 [1] 

軟交換機技術基礎

軟交換機的技術基礎是MGCP/H.248媒體控制協議。媒體控制協議又稱器件控制協議，是一種所謂主從關係的控制協議。被控方一般不含智能狀態的簡單器件或設備，一切狀態事件的發生和變化都必須上報主控設備。所以，媒體控制協議一般不應被視為呼叫信令，只能用於端點(包括用户端點和中繼端點)控制。軟交換機的局間呼叫信令協議不能使用MGCP/H.248，而必須使用已有的多媒體國際標準，即ITU的H.323協議和/或IETF的SIP協議。 [1] 
軟交換機通過媒體控制協議技術可以實現呼叫控制與媒體傳輸相分離的思想。所以，國外也有學者將軟交換機稱為呼叫代理器（CA）或媒體網關控制器（MGC）。軟交換機概念的提出不僅使NGN的語音業務功能和與傳統PSTN網的交換機功能可以完全透明地兼容?從根本上確保了IP電話技術能夠完全替代PSTN網絡。 [1] 

軟交換機優點

軟交換機作為基於商用硬件平台，採用開放、標準、多協議和可運營管理的技術代表，將成為下一代通信網絡（NGN）中重要而關鍵的系統和設備技術之一。然而，必須看到，由於國內具有一定規模的軟交換機組網和實踐還不多見，有關軟交換機的討論和實踐還僅停留在局部和個體技術的概念層面上。 [2] 

軟交換機功能

軟交換機主要提供如下功能： [3] 
  1. 呼叫控制功能(CCF)； [3] 
  2. 地址解析/路由功能； [3] 
  3. 業務提供功能； [3] 
  4. 網管/計費功能； [3] 
  5. 業務交換功能(SSF)； [3] 
  6. SIP(Session Initiation Protocol)互通功能； [3] 
  7. H.323互通功能； [3] 
  8. 應用服務器連接功能； [3] 
  9. 信令網關連接功能； [3] 
  10. 中繼網關控制功能。 [3] 
此外，要求系統具有靈活的可擴展性和電信級的高可用性並具有很強的軟件容錯和硬件容錯能力。因此，該目標系統是一個多機、實時的電信系統。 [3] 

軟交換機技術特徵

人們關於軟交換機的技術特徵的看法基本比較一致。根據軟交換機的概念可以看出，軟交換機的技術特徵是基於MGCP/ H.248媒體控制協議，實現呼叫控制與媒體傳輸相分離的思想。 [1] 
儘管NGN的目標是將語音、數據、視頻業務逐漸融合演變成為集多種業務於IP網絡之上，但是它面臨的根本挑戰仍在於尋求成熟的、可大規模運營管理的IP電話技術。因為，語音是運營商最普及、最基本和最重要的業務，其市場涵蓋的範圍最廣，其商業收入的影響遠比其它業務更大。經過近百年的發展?傳統的PSTN技術和TDM網為運營商的語音業務提供了成熟的經營模式和品質標準。數據IP網絡原本是為數據業務而設計的?而語音是時間敏感性的業務，在數據IP網絡中提供大規模語音業務的IP電話技術是任何運營商在向NGN過渡過程中所面臨的首要挑戰。 [1] 
軟交換機基本上是為在IP網上實現PSTN交換機的功能所特別設計的。傳統PSTN網的交換機是垂直、封閉和私有的系統結構，軟交換機是以呼叫控制與媒體相分離的、基於標準的、開放的系統結構。除此而外，軟交換機與PSTN的“硬”交換機還有許多共同的屬性。比如説，它們都是相對集中控制和管理的系統設備，其系統中保存了所有面向用户的數據及其呼叫狀態信息。這一點使得軟交換機受到電信運營商的特別重視?因為只有這樣才能滿足電信運營要求對IP分組網的端點接入和與PSTN互通互連實施有效的呼叫業務控制和運維管理。所以説，軟交換機是NGN中IP電話技術的一種重要實現手段。 [1] 
特別值得一提的是，為了支持智能端點、視頻端點和多媒體端點接入，一般軟交換機還有可能支持H。323協議和SIP協議來控制管理H.323和SIP的用户端點。這樣一來，軟交換機本身也不能完全地對其所控制管理的所有端點實施徹底的呼叫控制與媒體傳輸分離。另外，如前所述，軟交換機還必須在“局間”支持H.323和SIP協議來與H.323網和SIP網以及其他的軟交換機互聯。但是，MGCP/H.248媒體控制協議技術始終是軟交換機的基本特徵。倘若某一呼叫控制設備系統不支持MGCP或H.248媒體控制協議，一般都不能將其稱之為軟交換機。業界通常將以支持H。323協議為顯著特徵的呼叫控制設備稱為網守(Gatekeeper)，將以支持SIP協議為顯著特徵的呼叫控制設備稱為代理服務器（ProxyServer）。 [1] 
另外，儘管軟交換機支持智能端點、視頻端點和多媒體端點的接入，但並不意味着所有的語音、數據、視頻業務都得集中在軟交換機上完成實現。理論上講，即使存在着這種設備的可能性也完全沒有必要這樣做，因為這種系統不具備任何優勢反而存在着一系列整體架構上的缺陷。事實上，軟交換機的核心設計集中在各種業務的呼叫控制功能和一定程度上的端點能力的管理。比如説，軟交換機並不直接提供任何形式的IP數據業務；軟交換機可以支持視頻端點業務，但視頻會議的控制功能並不由軟交換機直接提供，而是通過互連到其它的應用服務器來實現。 [1] 
通過統一的、基於IP的傳輸基礎結構，可以將呼叫控制設備（軟交換機為主），配合其它的IP技術和數據應用技術構造一個系統來支持多媒體和其他智能業務。我們可以將這樣的系統稱為軟交換機系統。廣義來講，軟交換機系統是呼叫、媒體和業務控制多種邏輯功能實體的集合。它提供包括電話終端、智能終端、多媒體終端業務的呼叫控制、連接以及部分其它業務功能。這樣的軟交換機系統可以用於NGN控制、管理業務接入和PSTN網絡邊緣的局端設備。通過這種方式，多種與呼叫控制相關的業務可以統一集成在這個系統中管理、運營。但這樣的軟交換機系統內部仍將採用多個分佈式的子系統模式以便在集成的系統中靈活地提供包括語音在內的智能和多媒體業務的應用。 [1] 
所以從由軟交換機所提供的電話業務和其技術特徵來看，軟交換機是NGN體系中一個重要的組成部分，但並沒有提供任何整套網絡架構的根本創新。 [1] 

軟交換機關鍵技術

軟交換機關鍵子系統

圖1 軟交換機的幾個關鍵子系統 圖1 軟交換機的幾個關鍵子系統
圖1給出軟交換機的4個關鍵性的子系統：協議棧子系統，協議轉換子系統，通用協議子系統和通用模型子系統。通用模型子系統與5個呼叫相關的通用協議子系統通信，這5個通用協議子系統分別對應5個協議組。這5個子系統分別是通用呼叫控制協議子系統，通用業務控制協議子系統，通用呼叫承載控制協議子系統，通用移動性管理協議子系統和通用AAA(Authentication，Authorization，Accounting)協議子系統。協議轉換子系統將每種特定的協議轉換成相應的通用協議。協議棧子系統根據不同的通信協議可進一步劃分為特定協議棧的子系統，這些特定協議棧子系統也可以大致劃分為5類。 [3] 

軟交換機通用協議

圖2 通用PDU的格式 圖2 通用PDU的格式
圖2給出通用協議的PDU(Protocol DataUnit)格式來達到統一性，適用於各種通用協議。其中翻譯與封裝並用的思想借鑑了SIP-T(Session Initiation Protocol for Telephony)協議。協議數據單元的設計以翻譯為主，封裝為輔。翻譯保證了大部分有用的需要轉換的參數可以方便地獲取，實現高效性，封裝則保證了信息的完整性，以備特殊參數的需求，實現可擴展性。 [3] 
設計通用協議的好處主要有以下幾點： [3] 
  1. 可以實現軟交換機核心的協議無關性，軟交換機的通用模型子系統只需處理五種通用的協議即可，不需要關心與外部功能實體實際採用的是何種協議； [3] 
  2. 可以實現軟交換機的協議組件性，如果需要添加或刪除某個外部協議，只需要通過對系統的配置增加或去掉相應的協議棧子系統和協議轉換子系統；
  3. 降低了軟交換通用模型子系統的設計難度； [3] 
  4. 協議轉換，協議協作和協議配合是軟交換機中的關鍵技術，在協議數量眾多的情況下，採用通用協議作中介可以大大減少協議轉換，協議協作和協議配合的數量。 [3] 

軟交換機通用模型

在智能網體系中，SSF中的IN-SSM(Intelligent Network Service Switching Model)實現了一個業務控制模型，軟交換中的通用業務控制模型可以參照該模型來實現。通用呼叫控制模型可以在Q.931協議中的網絡側的outgoing procedure和incoming procedure的狀態機和INAP(Intelligent Network Application Part) CS-2 (Capability Set 2)BCSM(Basic Call State Model)的基礎上進行設計。通用呼叫承載控制模型可以根據目前僅有的兩種呼叫承載控制協議H.248和MGCP(Media Gateway Control Protocol)來設計。 [3] 

軟交換機協議組內的協議關係處理

根據軟交換中協議關係定理，在呼叫控制協議組內存在協議轉換關係，在呼叫承載控制協議組內存在協議協作關係，而在業務控制協議組，移動性管理協議組及AAA協議組內都存在協議獨立關係。對協議組內的協議關係處理體現在通用協議子系統中，即通用協議PDU的翻譯信息單元部分。對於協議獨立關係，無需任何處理，即相應的通用協議PDU中的翻譯信息單元為空。對於協議協作關係，在通用呼叫承載控制協議子系統中應該將需要在兩種協議間傳遞的信息翻譯為通用呼叫承載控制協議PDU中的翻譯信息單元。對於協議轉換關係，應該根據原子協議功能確定將哪些必需的信息翻譯為通用呼叫控制協議PDU中的翻譯信息單元。值得注意的是，以上有關協議關係的論述都是從系統外部的角度來看的，而從系統內部的角度來説，由於在目標系統中普遍採用了通用協議作為中介，每種特定的協議都需要與相應的通用協議進行協議轉換。 [3] 

軟交換機協議組間的協議關係處理

根據軟交換中協議關係定理，在業務控制協議組，移動性管理協議組，AAA協議組這三個協議組與呼叫控制協議組間存在協議協作關係，在呼叫承載控制協議組與呼叫控制協議組間也存在協議協作關係，在業務控制協議組，移動性管理協議組，AAA協議組這三個協議組與呼叫承載控制協議組間存在協議獨立關係，而在業務控制協議組，移動性管理協議組，AAA協議組這三個協議組之間存在協議協作關係。對於這些協議組間的協議獨立關係和協議協作關係的處理體現在通用模型子系統中，即各通用模型間消息的交互中。 [3] 

軟交換機可擴展性

具有良好的可擴展性是軟交換機成功的關鍵，以下幾點可以確保目標系統具有良好的協議可擴展性。 [3] 
  1. 在呼叫控制協議組中採用間接協議轉換而不是直接協議轉換，便於今後新協議的加入； [3] 
  2. 同樣還在其他協議組中採用間接協議協作或者間接協議配合，便於今後新協議的加入； [3] 
  3. 在協議棧子系統中刪除一種特定的協議時，只需要刪除相應的協議轉換子系統，不會影響通用協議子系統和通用模型子系統。但如果這個即將被刪除的特定的協議是本協議組內唯一的協議，則對應的通用協議子系統和通用模型子系統都需要刪除； [3] 
  4. 在協議棧子系統中增加一種特定的協議時，如果該協議可以歸屬於現有的5類協議組中的一個組，則只需要同時增加相應的協議轉換子系統而不需增加通用協議子系統和通用模型子系統，否則需增加相應的協議轉換子系統，通用協議子系統和通用模型子系統； [3] 
  5. 通用PDU中的公共信息單元部分實現了通用協議的可擴展性； [3] 
  6. 通用PDU中的封裝信息單元部分包含了被封裝協議的原始PDU，當通用模型子系統需要處理未在翻譯信息單元中出現的協議內容時，可以從這個原始PDU中提取，保證了儘量少地改動系統並儘快提供新的功能。 [3] 

軟交換機可用性

具有高可用性是對電信系統的一個基本要求，以下幾點確保了目標系統能達到一個令人滿意的可用性。 [3] 
  1. 採用多進程方式，同樣功能的進程間採用負荷分擔的方式工作； [3] 
  2. 採用多機系統，同樣的，物理設備之間也採用負荷分擔的方式工作； [3] 
  3. 採用過載控制機制，防止在大話務量衝擊下系統崩潰； [3] 
  4. 採用守護子系統對其他各個子系統進行守護，實現軟件容錯。 [3] 

軟交換機在NGN中的作用

軟交換機是下一代網各種業務中提供呼叫控制的重要設備和系統。然而，軟交換機並不是下一代網的全部。軟交換機作為下一代網呼叫控制的重要組成部分仍需要與其他關鍵技術和設備相輔相成，協同開展更豐富的視頻和多媒體業務。 [1] 
軟交換機的系統程序和局數據是軟交換機的運行基礎，也是故障恢復時最為重要不容有錯的一個環節，因此做好系統數據和局數據的及時備份將切實重要，同時也為故障恢復提供保證。 [4] 

軟交換機提法思考

  1. 在概念上“軟交換是下一代網的核心”這個提法將帶來一些基本命題上的混淆和邏輯上的困惑。下一代網的核心技術應該從根本上包括支持語音、數據、視頻業務等各種網絡技術體制。軟交換機本身只是局部的設備系統而並不具有全面網絡體制架構的特徵。軟交換機本身不直接提供IP數據業務。軟交換機可以通過呼叫控制模式和功能的擴展支持視頻和多媒體端點業務，但軟交換機仍需要與其它關鍵技術和設備來協同開展更豐富的視頻和多媒體業務。軟交換機技術主要是為集中的呼叫控制功能而設計的。除了軟交換機技術，下一代網還將依賴於其它一系列已有的IP技術和其它應用技術來支持語音、數據、視頻等多種業務。 [1] 
  2. 在策略上“軟交換是下一代網的核心”這個提法往往容易導致人們以為軟交換機技術等同於下一代網技術，從而將研討和實踐的注意重點只放在單一的軟交換機技術及其周邊的範圍。將未來投資的考慮只放在軟交換機相關的設備和系統上。從而走向只看樹木不看森林的短視策略思維。 [1] 
  3. 在技術上“軟交換是下一代網的核心”這個提法往往容易導致人們寄一切下一代網的期望於軟交換機設備，進而以軟交換機為核心來思考構造所謂的下一代網，使得有關下一代網的討論和實踐長期僅停留在初級、局部、小規模和個體設備系統技術的概念層面上，從而陷入將軟交換機的局部結構作為下一代網的總體網絡體系結構的無解之惑。 [1] 
  4. 在實踐上圍繞軟交換機為核心進行組網方式的試驗和探討極為容易導致人們忽視其它下一代網技術的實踐和探討，從而限定了下一代網只能是軟交換機互為聯接的、所謂全平面網的“無網模式”。顯而易見，“無網模式”的下一代網絡體系結構只能支持一個或幾個軟交換機，是不適合電信運營商規模運營的。筆者把這種現象稱為軟交換機技術實踐的“孤島現象”。 [1] 
  5. 在網絡結構上“軟交換是下一代網的核心”不能回答諸如下一代網需不需要核心網技術，如不需要，如何避免軟交換機的“孤島現象”，如需要，何為下一代網的核心網技術，如何解決軟交換機之間的協調和互聯，如何開展下一代網的全網性的業務等基本問題。 [1] 

軟交換機策略分析

在下一代網的網絡架構體系討論中，歷來有兩種迥然不同的策略思路：一種是主張強調智能的端點和邊緣，簡單的網絡設施，因為端到端多媒體融合的業務的驅動力來源於端點和邊緣，下一代網業務的蓬勃創新和繁榮昌盛正依賴於此。互聯網的成功也證明了這種思路對多媒體業務的重要性。另一種思路主張簡單的端點和邊緣，智能的網絡設施，因為只有單純統一的端點和邊緣設備，才有利於規模性地經營管理和控制。PSTN網絡所提供的語音業務已驗證了這種思路商業實踐的可靠性。ITU的 H.323協議和IETF的SIP協議正是某種程度上體現第一策略思路的技術體制。而以IETF/ITU的MGCP/H.248協議為特徵的軟交換機正是體現第二策略思路的實現手段。如上所述，為了更大程度上實現端到端IP電話的電信運營目標，人們為電信運營商設計出軟交換機技術機制。IP電話語音業務是軟交換機中的最主要、最根本的業務功能。 [1] 
顯而易見的是，真正意義的下一代網既需要智能端點業務的創新繁榮，又需要其系統可規模經營管理。下一代網的網絡架構體系討論的難點正在於如何綜合平衡考慮多種技術。筆者以為，就技術成熟和發展來看，H.323協議、SIP協議和MGCP/H.248協議為特徵的軟交換機等三種技術都是IP電話和下一代網的實現手段。這三種技術各有區別和特長需要相輔相成，只有採用融合三種技術的網絡架構體系和實現手段，才為上策。 [1] 
事實上，下一代網的體系應該由核心網和位於下一代網接入和邊緣位置的端局軟交換機所共同組成。其中下一代網的核心網是覆蓋運營商服務範圍的骨幹通信網絡，用於實現各軟交換機之間、多運營商之間、不同網絡之間的互連互通，實現全網的話務控制及調度；共享集中數據庫檢索性質的全網性業務，共享業務創作環境，提供全網範圍的網絡管理等。NGN的核心網主要提供組網方式、路由策略、話務控制、全網業務創建管理、全網絡維護管理等功能。顯而易見，在下一代網IP電話實施的三種主要技術中，H.323協議的網絡技術、SIP協議網絡技術將在核心網中起主要作用。世界上不少電信運營商已利用H.323的網守或SIP的代理服務器和其它網絡應用服務器實現組網、聯網和開展全網業務及運維。 [1] 
這並不等於否認軟交換機技術在下一代網的重要和關鍵地位。下一代網絡架構體系是由 H.323和SIP網絡體系來決定，但下一代網中最普及和最基本的IP電話業務的接入和匯聚主要依賴MGCP/H.248協議為特徵的軟交換機技術。正如許多學者早已指出的，軟交換機也可以看成是在H.323和SIP體系下，智能網關分解的結果。這樣，三種技術融合的網絡架構體系或許就更加清楚了。事實上，真正意義的軟交換機應該是通用型classless的軟交換機?它在下一代網中承擔着區域或端局系統平台的重任，肩負着同時控制網絡接入話務和控制PSTN網絡邊緣互聯話務的功能。區域性的通用型軟交換機和全國性核心骨幹網共同組建才能構築完整的下一代網通信體系。 [1] 
參考資料