软交换机

软交换机通过媒体控制协议技术可以实现呼叫控制与媒体传输相分离的思想。所以,国外也有学者将软交换机称为呼叫代理器或媒体网关控制器。软交换机作为基于商用硬件平台,采用开放、标准、多协议和可运营管理的技术代表,将成为NGN中重要而关键的系统和设备技术之一。软交换机这个术语可以说是从国外“Softswitch”翻译而得,其概念基本上是伴随着IP电话技术体系的功能分层和控制分离思想的发展而形成的。

在传统的PSTN交换网络中,业务控制与呼叫控制以及传输承载都集中在交换机里,PSTN的各项业务必须通过TDM交换机进行实现。为满足用户对新业务的不断需求,PSTN网络中出现了公共的业务生成平台即智能网。PSTN的智能网首次提出并实现了一些全网性业务生成与呼叫控制相分离,并因此改善了PSTN全网性业务的开展提高了网络集中提供业务的能力,缩短了全网性新业务提供的周期。IP电话技术体系不仅进一步强化了业务生成与呼叫控制分离的思想,而且更进一步期待实现呼叫控制与媒体传输承载相分离。这种分离的目标是使IP电话业务的控制和生成真正独立于媒体传输网络设施,从而更加灵活有效地实现IP电话及其相关业务和多媒体应用的融合。更重要的是这种分离还有利于电信运营商能在分组网上实施集中的运营、管理、维护和配制。电信运营商和用户可以通过IP连接在局端系统自行定义配置和管理自己的业务特征,而不必担心用户终端的类型和配置,从而使业务和应用的提供有较大的可能性、灵活性和可运营管理性。

根据国际Softswitch论坛ISC的定义,Softswitch是基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能的设备和系统。据此定义,Softswitch是典型的为分组网的语音目的而设计的技术实践手段。这一定义也说明,Softswitch借用传统电信领域PSTN网中的“硬”交换机switch的概念,所不同的是强调其基于分组网和呼叫控制与媒体传输承载相分离的含义。Softswitch是NGN中的重要组成部分,但它更多的是关注呼叫控制功能的设备和系统,其本身并不能构成特别的整体组网技术机制和网络体系架构。

软交换机的技术基础是MGCP/H.248媒体控制协议。媒体控制协议又称器件控制协议,是一种所谓主从关系的控制协议。被控方一般不含智能状态的简单器件或设备,一切状态事件的发生和变化都必须上报主控设备。所以,媒体控制协议一般不应被视为呼叫信令,只能用于端点(包括用户端点和中继端点)控制。软交换机的局间呼叫信令协议不能使用MGCP/H.248,而必须使用已有的多媒体国际标准,即ITU的H.323协议和/或IETF的SIP协议。

软交换机通过媒体控制协议技术可以实现呼叫控制与媒体传输相分离的思想。所以,国外也有学者将软交换机称为呼叫代理器(CA)或媒体网关控制器(MGC)。软交换机概念的提出不仅使NGN的语音业务功能和与传统PSTN网的交换机功能可以完全透明地兼容?从根本上确保了IP电话技术能够完全替代PSTN网络。

软交换机作为基于商用硬件平台,采用开放、标准、多协议和可运营管理的技术代表,将成为下一代通信网络(NGN)中重要而关键的系统和设备技术之一。然而,必须看到,由于国内具有一定规模的软交换机组网和实践还不多见,有关软交换机的讨论和实践还仅停留在局部和个体技术的概念层面上。

软交换机主要提供如下功能:

呼叫控制功能(CCF);

地址解析/路由功能;

业务提供功能;

网管/计费功能;

业务交换功能(SSF);

SIP(Session Initiation Protocol)互通功能;

H.323互通功能;

应用服务器连接功能;

信令网关连接功能;

中继网关控制功能。

此外,要求系统具有灵活的可扩展性和电信级的高可用性并具有很强的软件容错和硬件容错能力。因此,该目标系统是一个多机、实时的电信系统。

人们关于软交换机的技术特征的看法基本比较一致。根据软交换机的概念可以看出,软交换机的技术特征是基于MGCP/ H.248媒体控制协议,实现呼叫控制与媒体传输相分离的思想。

尽管NGN的目标是将语音、数据、视频业务逐渐融合演变成为集多种业务于IP网络之上,但是它面临的根本挑战仍在于寻求成熟的、可大规模运营管理的IP电话技术。因为,语音是运营商最普及、最基本和最重要的业务,其市场涵盖的范围最广,其商业收入的影响远比其它业务更大。经过近百年的发展?传统的PSTN技术和TDM网为运营商的语音业务提供了成熟的经营模式和品质标准。数据IP网络原本是为数据业务而设计的?而语音是时间敏感性的业务,在数据IP网络中提供大规模语音业务的IP电话技术是任何运营商在向NGN过渡过程中所面临的首要挑战。

软交换机基本上是为在IP网上实现PSTN交换机的功能所特别设计的。传统PSTN网的交换机是垂直、封闭和私有的系统结构,软交换机是以呼叫控制与媒体相分离的、基于标准的、开放的系统结构。除此而外,软交换机与PSTN的“硬”交换机还有许多共同的属性。比如说,它们都是相对集中控制和管理的系统设备,其系统中保存了所有面向用户的数据及其呼叫状态信息。这一点使得软交换机受到电信运营商的特别重视?因为只有这样才能满足电信运营要求对IP分组网的端点接入和与PSTN互通互连实施有效的呼叫业务控制和运维管理。所以说,软交换机是NGN中IP电话技术的一种重要实现手段。

特别值得一提的是,为了支持智能端点、视频端点和多媒体端点接入,一般软交换机还有可能支持H。323协议和SIP协议来控制管理H.323和SIP的用户端点。这样一来,软交换机本身也不能完全地对其所控制管理的所有端点实施彻底的呼叫控制与媒体传输分离。另外,如前所述,软交换机还必须在“局间”支持H.323和SIP协议来与H.323网和SIP网以及其他的软交换机互联。但是,MGCP/H.248媒体控制协议技术始终是软交换机的基本特征。倘若某一呼叫控制设备系统不支持MGCP或H.248媒体控制协议,一般都不能将其称之为软交换机。业界通常将以支持H。323协议为显著特征的呼叫控制设备称为网守(Gatekeeper),将以支持SIP协议为显著特征的呼叫控制设备称为代理服务器(ProxyServer)。

另外,尽管软交换机支持智能端点、视频端点和多媒体端点的接入,但并不意味着所有的语音、数据、视频业务都得集中在软交换机上完成实现。理论上讲,即使存在着这种设备的可能性也完全没有必要这样做,因为这种系统不具备任何优势反而存在着一系列整体架构上的缺陷。事实上,软交换机的核心设计集中在各种业务的呼叫控制功能和一定程度上的端点能力的管理。比如说,软交换机并不直接提供任何形式的IP数据业务;软交换机可以支持视频端点业务,但视频会议的控制功能并不由软交换机直接提供,而是通过互连到其它的应用服务器来实现。

通过统一的、基于IP的传输基础结构,可以将呼叫控制设备(软交换机为主),配合其它的IP技术和数据应用技术构造一个系统来支持多媒体和其他智能业务。我们可以将这样的系统称为软交换机系统。广义来讲,软交换机系统是呼叫、媒体和业务控制多种逻辑功能实体的集合。它提供包括电话终端、智能终端、多媒体终端业务的呼叫控制、连接以及部分其它业务功能。这样的软交换机系统可以用于NGN控制、管理业务接入和PSTN网络边缘的局端设备。通过这种方式,多种与呼叫控制相关的业务可以统一集成在这个系统中管理、运营。但这样的软交换机系统内部仍将采用多个分布式的子系统模式以便在集成的系统中灵活地提供包括语音在内的智能和多媒体业务的应用。

所以从由软交换机所提供的电话业务和其技术特征来看,软交换机是NGN体系中一个重要的组成部分,但并没有提供任何整套网络架构的根本创新。

图1给出软交换机的4个关键性的子系统:协议栈子系统,协议转换子系统,通用协议子系统和通用模型子系统。通用模型子系统与5个呼叫相关的通用协议子系统通信,这5个通用协议子系统分别对应5个协议组。这5个子系统分别是通用呼叫控制协议子系统,通用业务控制协议子系统,通用呼叫承载控制协议子系统,通用移动性管理协议子系统和通用AAA(Authentication,Authorization,Accounting)协议子系统。协议转换子系统将每种特定的协议转换成相应的通用协议。协议栈子系统根据不同的通信协议可进一步划分为特定协议栈的子系统,这些特定协议栈子系统也可以大致划分为5类。

图2给出通用协议的PDU(Protocol DataUnit)格式来达到统一性,适用于各种通用协议。其中翻译与封装并用的思想借鉴了SIP-T(Session Initiation Protocol for Telephony)协议。协议数据单元的设计以翻译为主,封装为辅。翻译保证了大部分有用的需要转换的参数可以方便地获取,实现高效性,封装则保证了信息的完整性,以备特殊参数的需求,实现可扩展性。

设计通用协议的好处主要有以下几点:

可以实现软交换机核心的协议无关性,软交换机的通用模型子系统只需处理五种通用的协议即可,不需要关心与外部功能实体实际采用的是何种协议;

可以实现软交换机的协议组件性,如果需要添加或删除某个外部协议,只需要通过对系统的配置增加或去掉相应的协议栈子系统和协议转换子系统;

降低了软交换通用模型子系统的设计难度;

协议转换,协议协作和协议配合是软交换机中的关键技术,在协议数量众多的情况下,采用通用协议作中介可以大大减少协议转换,协议协作和协议配合的数量。

在智能网体系中,SSF中的IN-SSM(Intelligent Network Service Switching Model)实现了一个业务控制模型,软交换中的通用业务控制模型可以参照该模型来实现。通用呼叫控制模型可以在Q.931协议中的网络侧的outgoing procedure和incoming procedure的状态机和INAP(Intelligent Network Application Part) CS-2 (Capability Set 2)BCSM(Basic Call State Model)的基础上进行设计。通用呼叫承载控制模型可以根据目前仅有的两种呼叫承载控制协议H.248和MGCP(Media Gateway Control Protocol)来设计。

根据软交换中协议关系定理,在呼叫控制协议组内存在协议转换关系,在呼叫承载控制协议组内存在协议协作关系,而在业务控制协议组,移动性管理协议组及AAA协议组内都存在协议独立关系。对协议组内的协议关系处理体现在通用协议子系统中,即通用协议PDU的翻译信息单元部分。对于协议独立关系,无需任何处理,即相应的通用协议PDU中的翻译信息单元为空。对于协议协作关系,在通用呼叫承载控制协议子系统中应该将需要在两种协议间传递的信息翻译为通用呼叫承载控制协议PDU中的翻译信息单元。对于协议转换关系,应该根据原子协议功能确定将哪些必需的信息翻译为通用呼叫控制协议PDU中的翻译信息单元。值得注意的是,以上有关协议关系的论述都是从系统外部的角度来看的,而从系统内部的角度来说,由于在目标系统中普遍采用了通用协议作为中介,每种特定的协议都需要与相应的通用协议进行协议转换。

根据软交换中协议关系定理,在业务控制协议组,移动性管理协议组,AAA协议组这三个协议组与呼叫控制协议组间存在协议协作关系,在呼叫承载控制协议组与呼叫控制协议组间也存在协议协作关系,在业务控制协议组,移动性管理协议组,AAA协议组这三个协议组与呼叫承载控制协议组间存在协议独立关系,而在业务控制协议组,移动性管理协议组,AAA协议组这三个协议组之间存在协议协作关系。对于这些协议组间的协议独立关系和协议协作关系的处理体现在通用模型子系统中,即各通用模型间消息的交互中。

具有良好的可扩展性是软交换机成功的关键,以下几点可以确保目标系统具有良好的协议可扩展性。

在呼叫控制协议组中采用间接协议转换而不是直接协议转换,便于今后新协议的加入;

同样还在其他协议组中采用间接协议协作或者间接协议配合,便于今后新协议的加入;

在协议栈子系统中删除一种特定的协议时,只需要删除相应的协议转换子系统,不会影响通用协议子系统和通用模型子系统。但如果这个即将被删除的特定的协议是本协议组内唯一的协议,则对应的通用协议子系统和通用模型子系统都需要删除;

在协议栈子系统中增加一种特定的协议时,如果该协议可以归属于现有的5类协议组中的一个组,则只需要同时增加相应的协议转换子系统而不需增加通用协议子系统和通用模型子系统,否则需增加相应的协议转换子系统,通用协议子系统和通用模型子系统;

通用PDU中的公共信息单元部分实现了通用协议的可扩展性;

通用PDU中的封装信息单元部分包含了被封装协议的原始PDU,当通用模型子系统需要处理未在翻译信息单元中出现的协议内容时,可以从这个原始PDU中提取,保证了尽量少地改动系统并尽快提供新的功能。

具有高可用性是对电信系统的一个基本要求,以下几点确保了目标系统能达到一个令人满意的可用性。

采用多进程方式,同样功能的进程间采用负荷分担的方式工作;

采用多机系统,同样的,物理设备之间也采用负荷分担的方式工作;

采用过载控制机制,防止在大话务量冲击下系统崩溃;

采用守护子系统对其他各个子系统进行守护,实现软件容错。

软交换机是下一代网各种业务中提供呼叫控制的重要设备和系统。然而,软交换机并不是下一代网的全部。软交换机作为下一代网呼叫控制的重要组成部分仍需要与其他关键技术和设备相辅相成,协同开展更丰富的视频和多媒体业务。

软交换机的系统程序和局数据是软交换机的运行基础,也是故障恢复时最为重要不容有错的一个环节,因此做好系统数据和局数据的及时备份将切实重要,同时也为故障恢复提供保证。

在概念上“软交换是下一代网的核心”这个提法将带来一些基本命题上的混淆和逻辑上的困惑。下一代网的核心技术应该从根本上包括支持语音、数据、视频业务等各种网络技术体制。软交换机本身只是局部的设备系统而并不具有全面网络体制架构的特征。软交换机本身不直接提供IP数据业务。软交换机可以通过呼叫控制模式和功能的扩展支持视频和多媒体端点业务,但软交换机仍需要与其它关键技术和设备来协同开展更丰富的视频和多媒体业务。软交换机技术主要是为集中的呼叫控制功能而设计的。除了软交换机技术,下一代网还将依赖于其它一系列已有的IP技术和其它应用技术来支持语音、数据、视频等多种业务。

在策略上“软交换是下一代网的核心”这个提法往往容易导致人们以为软交换机技术等同于下一代网技术,从而将研讨和实践的注意重点只放在单一的软交换机技术及其周边的范围。将未来投资的考虑只放在软交换机相关的设备和系统上。从而走向只看树木不看森林的短视策略思维。

在技术上“软交换是下一代网的核心”这个提法往往容易导致人们寄一切下一代网的期望于软交换机设备,进而以软交换机为核心来思考构造所谓的下一代网,使得有关下一代网的讨论和实践长期仅停留在初级、局部、小规模和个体设备系统技术的概念层面上,从而陷入将软交换机的局部结构作为下一代网的总体网络体系结构的无解之惑。

在实践上围绕软交换机为核心进行组网方式的试验和探讨极为容易导致人们忽视其它下一代网技术的实践和探讨,从而限定了下一代网只能是软交换机互为联接的、所谓全平面网的“无网模式”。显而易见,“无网模式”的下一代网络体系结构只能支持一个或几个软交换机,是不适合电信运营商规模运营的。笔者把这种现象称为软交换机技术实践的“孤岛现象”。

在网络结构上“软交换是下一代网的核心”不能回答诸如下一代网需不需要核心网技术,如不需要,如何避免软交换机的“孤岛现象”,如需要,何为下一代网的核心网技术,如何解决软交换机之间的协调和互联,如何开展下一代网的全网性的业务等基本问题。

在下一代网的网络架构体系讨论中,历来有两种迥然不同的策略思路:一种是主张强调智能的端点和边缘,简单的网络设施,因为端到端多媒体融合的业务的驱动力来源于端点和边缘,下一代网业务的蓬勃创新和繁荣昌盛正依赖于此。互联网的成功也证明了这种思路对多媒体业务的重要性。另一种思路主张简单的端点和边缘,智能的网络设施,因为只有单纯统一的端点和边缘设备,才有利于规模性地经营管理和控制。PSTN网络所提供的语音业务已验证了这种思路商业实践的可靠性。ITU的 H.323协议和IETF的SIP协议正是某种程度上体现第一策略思路的技术体制。而以IETF/ITU的MGCP/H.248协议为特征的软交换机正是体现第二策略思路的实现手段。如上所述,为了更大程度上实现端到端IP电话的电信运营目标,人们为电信运营商设计出软交换机技术机制。IP电话语音业务是软交换机中的最主要、最根本的业务功能。

显而易见的是,真正意义的下一代网既需要智能端点业务的创新繁荣,又需要其系统可规模经营管理。下一代网的网络架构体系讨论的难点正在于如何综合平衡考虑多种技术。笔者以为,就技术成熟和发展来看,H.323协议、SIP协议和MGCP/H.248协议为特征的软交换机等三种技术都是IP电话和下一代网的实现手段。这三种技术各有区别和特长需要相辅相成,只有采用融合三种技术的网络架构体系和实现手段,才为上策。

事实上,下一代网的体系应该由核心网和位于下一代网接入和边缘位置的端局软交换机所共同组成。其中下一代网的核心网是覆盖运营商服务范围的骨干通信网络,用于实现各软交换机之间、多运营商之间、不同网络之间的互连互通,实现全网的话务控制及调度;共享集中数据库检索性质的全网性业务,共享业务创作环境,提供全网范围的网络管理等。NGN的核心网主要提供组网方式、路由策略、话务控制、全网业务创建管理、全网络维护管理等功能。显而易见,在下一代网IP电话实施的三种主要技术中,H.323协议的网络技术、SIP协议网络技术将在核心网中起主要作用。世界上不少电信运营商已利用H.323的网守或SIP的代理服务器和其它网络应用服务器实现组网、联网和开展全网业务及运维。

这并不等于否认软交换机技术在下一代网的重要和关键地位。下一代网络架构体系是由 H.323和SIP网络体系来决定,但下一代网中最普及和最基本的IP电话业务的接入和汇聚主要依赖MGCP/H.248协议为特征的软交换机技术。正如许多学者早已指出的,软交换机也可以看成是在H.323和SIP体系下,智能网关分解的结果。这样,三种技术融合的网络架构体系或许就更加清楚了。事实上,真正意义的软交换机应该是通用型classless的软交换机?它在下一代网中承担着区域或端局系统平台的重任,肩负着同时控制网络接入话务和控制PSTN网络边缘互联话务的功能。区域性的通用型软交换机和全国性核心骨干网共同组建才能构筑完整的下一代网通信体系。

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