现代交换技术 第3版 教学课件 ppt 作者 张中荃 2013现代交换技术第九章

第九章软交换技术第九章软交换技术本章内容：软交换概述软交换的网络结构软件换的相关软交换的应用本章重点：软交换的相关协议和应用本章难点：软交换的相关协议引入背景►分组交换网适合各种类型信息的传输，网络资源利用率高。►基于TDM的PSTN话音网能保证优良的语音品质，但对新业务的提供能力有限。所面临的问题：►如何进行改造，使PSTN能适应数据业务的需要。►如何实现PSTN低成本地向基于分组的网络结构演进。►如何实现PSTN与新建数据网的体系融合。软交换（Softswitch）是解决问题的关键。是下一代话音交换网络的核心。软交换的基本含义就是把呼叫控制功能从媒体网关（传输层）中分离出来，通过服务器或网元上的软件实现基本呼叫控制功能，包含呼叫选路、管理控制、连接控制、信令互通等。9.1.1软交换的基本概念什么是软交换？►是一种功能实体，是下一代网络呼叫与控制的核心；►提供具有实时性要求的呼叫控制和连接控制的功能；►与传统交换技术不同，它把呼叫传输和呼叫控制分离开，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平台，使业务提供者能自由地将传输业务与控制协议相结合，实现业务转移。►PSTN网和ATM网是基于交换单元的硬交换。►软交换是基于IP网络的包交换，通过服务器或网元上的软件来实现，与业务无关。9.1软交换概述►提供支持多种信令协议，实现PSTN网和IP网/ATM网间的信令互通和不同网关的互操作。►处理实时业务，并具有提供各种增值业务和补充业务的能力（如处理视频和多媒体业务）。►提供可编程的、逻辑化控制的开放的API协议，实现与外部应用平台的互通；通过不同的逻辑与媒体层的网关交互，对网关设备或IP/ATM网的核心设备进行控制。►提供网守功能，即接入认证与授权、地址解析和带宽管理等。►操作维护功能，主要包括业务统计和告警等。►计费功能，具有采集详细话单的功能。9.1.2软交换的基本功能9.1软交换概述►与电路交换机相比，软交换成本低。►可以灵活选择软交换的配置模式，功能块可以分布在整个网络中，也可集中起来，以适合不同网络需求。►软交换采用开放式标准接口，易于和不同网关、交换机、网络节点通信，兼容性、互操作性、互通性好。►能够很容易地转移或处理复杂业务；可以很方便地进行大规模网络升级，运营者可以把新型业务下载到数据网络上，只把话音业务在传统交换机上传输。9.1.3软交换的好处9.1软交换概述以软交换为核心的网络具有以下三大特征：（1）采用开放的网络构架体系（2）基于业务驱动的网络（3）基于统一协议的和基于分组的网络9.2软交换的网络结构9.2软交换的网络结构9.2.1软交换的网络结构主要包括：业务/应用层控制信令层传输层媒体/接入层其中软交换位于控制信令层9.2软交换的网络结构9.2.2各层功能描述1、业务应用层其主要功能是在纯呼叫建立之上为用户提供附加增值业务，同时提供业务和网络的管理功能，为VoIP网提供各种应用和业务的执行逻辑，存放业务逻辑和业务数据，包括软交换网络各类业务所需要的业务逻辑、数据资源及媒体资源等。主要由各类业务应用平台构成，包括应用服务器、特征服务器、策略服务器、SCP、AAA服务器、目录服务器、数据库服务器、网管服务器等。业务应用层为VoIP网提供各种应用和业务的执行逻辑，可以包括应用服务器、功能服务器等设备，也可以包含类似于媒体服务器这样的特殊部件。9.2软交换的网络结构9.2.2各层功能描述2、控制信令层控制信令层是网络系统控制的核心，为传输层提供控制功能，其设备或功能是根据从接入层接收的信令信息来完成对边缘接入层中的所有媒体网关的各种业务呼叫控制，并负责各媒体网关之间通信的控制，通过控制传输层部件完成呼叫控制、选路、认证、资源管理等功能，及完成呼叫建立和释放。主要由软交换设备（媒体网关控制器）构成。具有多种不同的功能实现形式，包括软交换（Softswitch）、呼叫代理（CallAgent，CA）、呼叫控制器（CallController）等。控制信令层主要是为传输层提供控制功能，其设备或功能是根据从接入层接收的信令信息来执行呼叫控制的，通过控制传输层部件来建立或拆除经过VoIP网的媒体连接。媒体网关控制器（MGC）是VoIP网络中的一种关键物理设备，具有多种不同的功能实现形式，包括软交换、呼叫代理、呼叫控制器等。（1）MGC的功能可以集中或分开。（2）MGC是信令消息的源点和终点，它通过一种或多种MGC协议控制中继网关、媒体网关和媒体服务器，提供路由信息、认证和记帐信息。（3）MGC可以通过不同的服务控制协议与应用服务器进行通信。9.2软交换的网络结构9.2.2各层功能描述3、传输层传输层是软交换网的承载网络，其作用和功能就是将边缘接入层中的各种媒体网关、控制层中的软交换设备、业务应用层中的各种服务器平台等各个软交换网网元连接起来。传输层可分为三个域：IP传输域、非IP传输域和互通功能域。IP传输域为分组通过VoIP网络提供传输通道、选路/交换结构。非IP传输域提供接入网关或预留网关，以便支持非IP终端/电话/ISDN网络等接入功能。互通功能域对从外部网络接收或向外部网络发送的信令提供转换功能，包括信令网关、媒体网关或互通网关。功能服务器应用服务器策略服务器各类用户终端CA，MGC，软交换SCP各类接入网关NASMGSGPSTN/ISDN/ATMSS7网业务/应用层控制信令层传输层媒体/接入层图9.1基于软交换的网络系统结构示意图开放的API信令（ISUP、MAP、RANAP、MGCP、MEGACO、SIP）IP传输域互通功能域非IP接入域IP电话IN/AINInter-NetworkSwitchSIP/SIP-T；H.323传输层提供了从外部网络或终端到VoIP网的信令和媒体接口。传输层可以分为三个域：IP传输域、非IP传输域和互通功能域。IP传输域为分组通过VoIP网络提供传输通道、选路/交换结构，包括路由器、交换机等设备和提供服务质量与传输保证的设备。非IP传输域提供接入网关或预留网关，以便支持非IP终端/电话/ISDN网络、DSL网络的综合接入设备（IAD）、HFC网络的CableModem或多媒体终端、GSM/3G移动无线接入网的接入功能。互通功能域对从外部网络接收或向外部网络发送的信令提供转换功能，它主要包括信令网关、媒体网关或互通网关。9.2软交换的网络结构9.2.2各层功能描述4、媒体接入层其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，功能类似于传统程控交换机的用户模块或中继模块。主要包括各类媒体网关设备、综合接入设备（IAD）及各种终端设备。媒体网关又可分为中继网关（TG）、接入网关（AG）、无线接入网关（WG）、信令网关（SG）等。软交换功能：由智能业务节点、各种数据库以及信令网关共同完成。信令网关：完成7号信令和IP信令之间的转换。9.2.3网络结构实例（1）Bridgewater提供的IP与PSTN融合的网络结构智能业务点：与各种资源数据库相连，负责业务连接的控制以及开放式应用接口。网络接入设备：就是在智能业务点指导下完成业务的传输。（1）Bridgewater提供的IP与PSTN融合的网络结构9.2.3网络结构实例（2）事务型分布式软交换系统体系结构基本思想是：用连接在IP网络上的媒体网关、媒体网关控制器、信令网关、呼叫处理服务器和电信业务服务器完成相当于传统电话网、信令网、智能网、管理网和业务提供网的功能，并与传统的接入网络和传统的电话业务网络互连。9.2.3网络结构实例9.3软交换的相关协议9.3.1软交换接口及其协议软交换体系涉及协议非常多，包括H.248、SCTP、ISUP、TUP、INAP、H.323、RADIUS、SNMP、SIP、M3UA、MGCP、BICC、PRI、BRI等。图9.5软交换的对外接口9.3软交换的相关协议9.3.1软交换接口及其协议9.3软交换的相关协议（1）软交换机与应用/业务层之间的协议①软交换与应用服务器间的接口，可使用SIP协议或API（如Parlay），提供对三方应用和各种增值业务的支持功能。②软交换与策略服务器间的接口，可使用公共开放策略服务协议（COPS），实现对网络设备的工作进行动态干预。③软交换与网关中心间的接口，可使用SNMP，实现网络管理。④软交换与智能网的业务控制点（SCP）之间的接口，可使用INAP，实现对现有智能网业务的支持。9.3.1软交换接口及其协议9.3软交换的相关协议（2）软交换机之间的协议①SIP-T是IETF的标准协议，它主要是对原SIP协议进行扩展，属于一种应用层协议。②BICC是ITU-T的标准协议，它主要是将原七号信令中的ISUP协议进行封装，对多媒体数据业务的支持存在一定不足。9.3.1软交换接口及其协议（3）信令网关（SG）与软交换机之间的协议采用信令传送协议（SIGTRAN），其低层采用信令控制传输协议（SCTP）。SIGTRAN/SCTP协议的根本功能在于将PSTN中基于TDM的No.7信令的高层信令信息（TUP/ISUP/SCCP），通过SG以IP网作为承载透明传至软交换机，由软交换机完成对No.7信令的处理。9.3软交换的相关协议（4）媒体网关与软交换机之间的协议主要有MGCP或H.248/Megaco两种媒体网关控制协议，用于软交换对媒体网关的承载控制、资源控制及管理。H.248/Megaco实际上是同一个协议的名字，由IETF和ITU-T联合开发，IETF称为Megaco，ITU-T称为H.248。9.3.1软交换接口及其协议（5）媒体网关之间的协议除SG外，各媒体网关之间采用数据传送协议RTP。9.3.2H.323协议H.323协议是基于IP网络进行音频、视频和数据通信应用的标准协议。它是最初于1996年由ITU通过的，作为H.320的修改版（H.320是ISDN和电路交换网上的会议电视协议），用于局域网（LAN）上的多媒体会议，后来扩展至覆盖VoIP。9.3.2H.323协议图9-6H.323系统结构图9.7H.323协议栈结构1、H.323协议结构9.3.2H.323协议�声像应用（音频）（视频）�终端控制和管理�数据应用�G.7xx系列(G.711,G.722,G.7231,G,729A)H.26x(H.261,H.263)RAS(H.225.0终端至网闸信令)H.225.0呼叫信令H.245媒体信道控制T.120系列(T.123,T.124,T.125,T.126,T.127),T.324加密RTP不可靠传送协议（UDP）可靠传送协议（TCP）网络层链路层物理层RTCP9.3.2H.323协议2、H.323呼叫信令过程9.3.3SIP协议会话发起协议（SIP）是由IETF（Internet工程任务组）提出的在IP网上进行多媒体通信的应用层控制协议（IP电话信令协议）。用于建立、修改和终止IP网上的双方或多方多媒体会话，完成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。9.3软交换的相关协议其主要目的是为了解决IP网中的信令控制，以及同软交换的通信，从而构成下一代的增值业务平台，对电信、银行、金融等行业提供更好的增值业务。9.3.3SIP协议一、SIP协议功能一、SIP协议功能提供电路交换网（即传统的PSTN）与包交换网（即IP、ATM）中信息转换（包括语音压缩、数据检测等）。提供PSTN同IP网间的协议转换应用服务器是运行和管理增值业务的平台，通过SIP与软交换模块进行通信。媒体服务器提供媒体和语音资源的平台，同时与媒体服务器进行RTP流的传输。9.3.3SIP协议SIP协议的两个基本网络实体：客户机和网络服务器。（1）客户机：也称用户代理客户，是发送SIP请求的一方。客户可能存在于用户设备上（比如PC）；也可能位于与服务器相同的平台上（比如SIP代理服务器同时具备客户机和服务器的功能）。二、SIP协议的基本网络实体9.3.3SIP协议二、SIP协议的基本网络实体SIP系统的终端系统称为用户代理（UA），包括用户代理客户（UAC）和用户代理服务器（UAS）两部分。UAC模块的功能是初始化一个呼叫，根据SIP和SDP的协议规范构造请求数据包，将呼叫者的状态和呼叫优先级、对代理和路由的要求等附加的请求信息作为参数通过消息报头提交给代理服务器，发起请求。UAS模块的功能是等待呼叫的请求数据包，并根据SIP和SDP的协议规范构造响应数据包，响应可以是接受、转发或者是拒绝呼叫请求，响应的类型以及被呼叫者的信息也是作为参数提交给代理服务器，回答呼叫。9.3.3SIP协议（2）网络服务器：用于向客户机发出的请求提供服务并回送应答消息的应用程序，SIP中存在三种不同类型的服务器：代理服务器、重定向服务器、注册服务器。代理服务器：代理服务器接受UA的SIP请求，经过适当修改，代表UA转发或响应请求。代理服务器的典型功能是可以进入数据库或位置服务器，帮助其处理请求。重定向服务器：用来从UAC接收请求，并将该请求中的SIPURL映射到零个或者多个下一级服务器的地址，然后将这此地址以响应消息的方式告诉UAC，UAC根据收到的新地址，重新向下一服务器发送请求信息。二、SIP协议的基本网络实体9.3.3SIP协议注册服务器：用户注册时向注册服务器发送Register请求，告诉网络自己被给定的地址是有效的。另外，SIP中还经常提到定位服务器，它不属于SIP实体，但它是SIP体系结构的重要组成部分。定位服务器存储并返回用户的可能位置信息。定位服务器可以利用注册服务器和其他数据库的信息，并通过大部分注册服务器的位置信息上传，实现信息更新。二、SIP协议的基本网络实体9.3.3SIP协议三、SIP协议消息图9-10SIP基本呼叫建立过程SIP消息包括请求和响应两种类型。9.3.3SIP协议请求消息：是从客户机发到服务器的消息，定义了6种。INVITE初始化一个会话。ACK对INVITE消息的最终回应，表明及接受到请求。BYE终止一个会话。CANCE终止一个等待处理或正在处理的请求。OPTIONS询问另一方服务器性能，确定能接受何种媒体服务。REGISTER申请注册客户的地址。三、SIP协议消息9.3.3SIP协议响应消息：是从服务器发到客户机的消息。三、SIP协议消息9.3.3SIP协议 状态码 描述 1XX 通知 2XX 成功 3XX 重定向 4XX 请求失败 5XX 服务器错误 6XX 全局性错误四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议A局与B局设备Softs3000接入IP骨干网，利用SIP协议实现软交换系统互通，同时还可以与其它SIP域设备（如SIPPhone，SIPSoftphone等）互通。城域网AIP骨干网城域网BSIP中继SIP中继H.248软终端SIP终端Softs3000（A）Softs3000（B）四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议用户注册流程①终端代理A向注册服务器发送REGISTER注册请求；②注册服务器通过后端认证/计费中心获知用户住处不在数据库中，便向终端代理A回送401Unauthorized质询信息，其中包含安全认证所需要的令牌；四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议用户注册流程③终端代理A根据安全认证令牌将其标识和密码加密后，再次用REGISTER消息给注册服务器；④注册服务器将REGISTER消息中的用户信息解密，通过认证/计费中心验证基合法后，将该用户信息登记数据库中，并向终端代理A返回成功响应消息200OK。四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议IP网MACMACInvite100Trying-ACKRTPsession(voice,video,etc)主叫用户被叫用户200OK180Ringing-ACK100Trying-直接呼叫流程①用户摘机拨号发起呼叫，终端代理A（主叫）向该区域代理服务器发起Invite请求；②代理服务器通过认证/计费中心确认用户后，检查请求消息中的Via头域是否包含其地址。若包含，说明发生环回，返回指示错误应答；否则，在请求消息的Via头域插入自身的地址，并向Invite消息To域所指示的被叫终端代理B转发Invite请求。四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议IP网MACMACInvite100Trying-ACKRTPsession(voice,video,etc)主叫用户被叫用户200OK180Ringing-ACK100Trying-直接呼叫流程③代理服务器向终端代理A送呼叫处理中的应答消息100Trying；④终端代理B向代理服务器送呼叫处理中的应答消息100Trying；⑤终端代理B指被叫用户振铃，用户振铃后，向代理服务器发送180Ringing振铃信息；四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议IP网MACMACInvite100Trying-ACKRTPsession(voice,video,etc)主叫用户被叫用户200OK180Ringing-ACK100Trying-直接呼叫流程⑥代理服务器向终端代理A转发被叫用户振铃信息；⑦被叫用户摘机，终端代理B向代理服务器返回表示连接成功的应答（200OK）；⑧代理服务器向终端代理A转发该成功指示（200OK）；四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议IP网MACMACInvite100Trying-ACKRTPsession(voice,video,etc)主叫用户被叫用户200OK180Ringing-ACK100Trying-直接呼叫流程⑨终端代理A收到消息后，向代理服务器发ACK消息进行确认；⑩代理服务器将ACK确认消息转发给终端代理B；此后，主被叫用户之间建立通信连接，开始通话。四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议代理服务器呼叫流程①SIP用户代理A向SIP代理服务器a发送呼叫建立请求Invite②SIP代理服务器a向重定向服务器发送呼叫建立请求，重定向服务器返回重定向消息（包含代理服务器c的信息）③SIP代理服务器a向重定向服务器指定的SIP代理服务器c发送呼叫建立请求四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议代理服务器呼叫流程④被请求的SIP代理服务器c使用非SIP协议（例如域名查询或者LDAP等）到定位服务器查询被叫位置，定位服务器返回被叫位置（被叫SIP代理服务器b）⑤被请求的SIP代理服务器c向被叫SIP代理服务器b发送呼叫建立请求四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议代理服务器呼叫流程⑥SIP用户代理B（被叫）发呼叫建立请求（被叫振铃或显示）⑦被叫用户代理B向被叫SIP用户代理服务器b发同意（或拒绝）⑧被叫用户代理服务器b向主叫代理服务器a所请求的代理服务器c发同意（或拒绝）四、SIP协议的应用9.3.3SIP协议代理服务器呼叫流程⑨所请求的代理服务器c向主叫代理服务器a发同意（或拒绝）⑩主叫代理服务器a向SIP用户代理A指示被叫是否同意呼叫请求（1）媒体网关控制协议（MGCP）是由Telecordia公司根据分离网关结构要求提出的，是在综合简单网关控制协议（SGCP）和IP设备控制（IPDC）协议的基础上形成的。（2）人们希望把以软件为中心的呼叫处理功能和以硬件为中心的媒体流处理功能分离开，放置在软交换与媒体网关之间。（3）H.323和SIP协议都不能处理两个分离实体之间的通信，而由MGCP来处理。9.3.4MGCP协议9.3软交换的相关协议呼叫信令过程9.3.4MGCP协议应用实例SoftX3000通过MGCP协议控制媒体资源服务器（MRS），提供在IP网络上实现各种业务所需的媒体资源功能，包括业务音提供、会议、交互式应答、通知、统一消息、高级语音业务等；控制AG/AMG和IAD的接入，可接入模拟电话用户，支持PSTN业务、传真透传、T.38等。9.3.4MGCP协议9.3软交换的相关协议9.3.5H.248/Megaco协议（1）H.248和Megaco协议均称为媒体网关控制协议，应用在媒体网关和软交换设备之间。（2）H.248/Megaco协议使语音、传真和多媒体信号在PSTN与IP网之间进行交换成为可能。（3）H.248/Megaco定义的各种协议消息既可以在TCP上传输，也可以在UDP上传输，TCP和UDP之间的主要区别是可靠性和复杂度。9.3.5H.248/Megaco协议呼叫信令过程9.3.5H.248/Megaco协议通过H.248协议利用TMG8010中继媒体网关或者UMG8900通用媒体网关提供业务承载转换、互通和业务流格式处理功能，实现PSTN原有业务接入软交换系统（Softswitch）；软交换设备利用H.248协议与接入媒体网关（AMG/IAD）实现模拟电话用户接入。应用实例9.4软交换的应用9.4.1语音IP化承载从市场需求来看，越来越多的企业青睐带宽费用低廉的IP网络来承载语音。从技术发展来看，语音IP化承载的关键技术涉及信令技术（H.323&SIP&MGCP）、媒体编码技术（话音压缩编码G.729MPEG-II）、媒体实时传输技术（实时传输协议RTP）、业务质量保障技术（RSVPRTCP）、网络传输技术（TCP和UDP）等。从用户角度来看，对语音IP化承载的性能要求主要涉及时延、抖动、丢包率、可靠性等方面。模拟话音通路与信令通路相分离，话音信息首先通过接入网关（AG）的数字化并形成RTP分组，然后通过IP网络的传输，再将RTP分组经过中继网关（TG）将数字化话音传送到PSTN。9.4.1语音IP化承载1、通过IP承载的接入网接入网关（AG）将来自接入网的语音信息流进行分组和相关转换后，以RTP分组形式将语音分组发送到中继网关（TG），TG将分组语音转换还原为电路语音并以物理电路中继线路送到PSTN。9.4.2综合业务接入图9.23通过IP承载的Cable接入2、通过IP承载的Cable接入CableModem将来自POTS话机的语音进行数字化和分组后，以RTP分组形式通过CMTS传送到中继网关（TG），MGC通过MGCP协议控制TG。然后将语音和经过信令网关（SG）的信令传递到PSTN。3、通过IP承载的DSL和IAD接入IAD将语音数字化并分组后，经DSLAM、IP分组网以RTP分组形式传送到中继网关（TG）。然后将语音和经过信令网关（SG）的信令传递到PSTN。图9.25无线接入实例（3GPPR2000-ALLIP一般情况）4、通过IP承载的无线接入图9.26WCDMAR4网络模型5、软交换在3G中的应用5、软交换在3G中的应用