软交换技术及其应用

hszhangtao

摘 要 本文首先分析了软交换技术的产生原因，然后对软交换技术做了简要先容，并针对目前软交换设备所能够提供的业务，提出了软交换网的应用，最后，对采用软交换技术组网中应注意的问题进行了分析。

关键词 软交换 TG SG AG IAD IP

1 软交换技术产生的背景

　　人类的通信包括话音、数据、视频与音频组合的多媒体三大内容。一直以来，上述三类通信业务均是分别由不同的通信网来承载和疏通。电话网承载和疏通语音业务、数据网承载和疏通数据业务，多媒体网承载和疏通多媒体业务。

　　随着社会信息化程度的进一步加深，通信已经成为人们生活和工作中不可缺少的工具，人们对通信要求也不再仅仅是基本的语音通信业务和简单的WWW浏览和收发E-mail，人们需要的是能够随时、随地、灵活地获取所需要的信息。因此要求电信运营商能够灵活地为用户提供丰富的电信业务，而基于由不同通信网络提供不同业务的运营模式难以满足用户“灵活地获取所需要的信息”的需求，只有构建一个"全业务网络——即能够同时承载和疏通语音、数据、多媒体业务的网络”才能满足用户日益增长的对通信业务的需求。

　　电话网的历史最为悠久，其核心是电话交换机，电话交换机经历了磁石式、共用电池式、步进制、纵横制、程控制5个发展阶段，其差别在于交换机的实现方式发生了改变。程控制电话交换机的出现是一个历史性的变革，它采用了先进的体系结构，其功能可以分为呼叫业务接入、路由选择(交换)和呼叫业务控制3部分，其中的交换和呼叫业务控制功能均主要是通过程序App来实现。但其采用的资源独占的电路交换方式，以及为通信的双方提供的对等的双向64kbit/s固定带宽通道不适于承载突发数据量大、上下行数据流量差异大的数据业务。

　　数据网的种类繁多，根据其采用的广域网协议不同，可将其分为DDN、X.25、帧中继和IP网，由于IP网具有协议简单、终端设备价格低廉、以及基于IP协议的WWW业务的开展，基于IP协议的Internet呈爆炸式发展，一度成为了数据网的代名词。IP网要求用户终端将用户数据信息均封装在IP包中，IP网的核心设备——路由器仅是完成“尽力而为”的IP包转发的简单工作，它采用资源共享的包交换方式，根据业务量需要动态地占用上下行传输通道，因此IP网实际上仅是一个数据传送网，其本身并不提供任何高层业务控制功能，若在IP网上开放语音业务，必须额外增加电话业务的控制设备。值得一提的是，IP网中传送的IP包能够承载任何用户数据信息，为实现语音、数据、多媒体流等多种信息在一个承载网中传送创造了条件。

　　可见，电话网和数据网均存在一定的先天缺陷、无法通过简单地改造而成为一个“全业务网”，因此，为了能够实现在同一个网络上同时提供语音、数据以及多媒体业务，即通信业务的融合，产生了软交换(softswitch)技术。

2 软交换技术先容

2.1 软交换网络的总体结构

　　软交换技术采用了电话交换机的先进体系结构，并采用IP网中的IP包来承载话音、数据以及多媒体流等多种信息。

　　一部程控电话交换机可以划分为业务接入、路由选择(交换)和业务控制3个功能模块，各功能模块通过交换机的内部交换网络连接成一个整体。软交换技术是将上述3个功能模块独立出来，分别由不同的物理实体实现，同时进行了一定的功能扩展，并通过统一的IP网络将各物理实体连接起来，构成了软交换网络。

　　电话交换机的业务接入功能模块对应于软交换网络的边缘接入层；路由选择(交换)功能模块对应于软交换网络的控制层；业务控制模块对应于软交换网络的业务应用层；IP网络构成了软交换网的核心传送层。

2.2 边缘接入层

　　软交换技术将电话交换机的业务接入模块独立成为一个物理实体，称为媒体网关(MG)，MG功能是采用各种手段将各种用户及业务接入到软交换网络中，MG完成数据格式和协议的转换，将接入的所有媒体信息流均转换为采用IP协议的数据包在软交换网络中传送。

根据MG接入的用户及业务不同，MG可以细分为以下几类。

　　中继媒体网关(TG)：用于完成与PSTN/PLMN电话交换机的中继连接，将电话交换机PCM中继中的64kbit/s的语音信号转换为IP包。

信令网关(SG)：用于完成与PSTN/PLMN电话交换机的信令连接，将电话交换机采用的基于TDM电路的七号信令信息转换为IP包。

　　TG和SG共同完成了软交换网与采用TDMA电路交换的PSTN/PLMN电话网的连接，将PSTN/PLMN网中的普通电话用户及其业务接入到了软交换网中。接入网关(AG)：提供模拟用户线接口，用于直接将普通电话用户接入到软交换网中，可为用户提供PSTN提供的所有业务，如电话业务、拨号上网业务等，它直接将用户数据及用户线信令封装在IP包中。

　　综合接入设备(IAD，Integrated Access Device)：一类IAD同时提供模拟用户线和以太网接口，分别用于普通电话机的接入和计算机设备的接入，适用于分别利用电话机使用电话业务、利用计算机使用数据业务的用户；另一类IAD仅提供以太网接口，用于计算机设备的接入，适用于利用计算机同时使用电话业务和数据业务的用户，此时需在用户计算机设备中安装专用的“软电话App”。

　　多媒体业务网关(MSAG，Media Servers Access Gateway)：用于完成各种多媒体数据源的信息，将视频与音频混合的多媒体流适配为IP包。 H.323网关：用于连接采用H.323协议的IP电话网网关。

无线接入媒体网关(WAG，Wireless Access Gateway)：用于将无线接入用户连接至软交换网。

　　可见，AG、TG和SG共同完成了电话交换机的业务接入功能模块的功能，实现了普通PSTN/PLMN电话用户的语音业务的接入，并将语音信息适配为适合在软交换网内传送的IP包。同时软交换技术还对业务接入功能进行了扩展，体现在IAD、MSAG、H.323 GW、WAG等几类媒体网关。通过各类MG，软交换网实现了将PSTN/PLMN用户、H.323 IP电话网用户、普通有线电话用户、无线接入用户的语音、数据、多媒体业务的综合接入。 2.3 控制层

　　软交换技术将电话交换机的交换模块独立成为一个物理实体，称为软交换机(SS)，SS的主要功能是完成对边缘接入层中的所有媒体网关的业务控制及媒体网关之间通信的控制，具体功能如下。

(1) 根据业务应用层相关服务器中登记的用户属性，确定用户的业务使用权限，以确定是否接受用户发起的业务请求。

(2) 对边缘接入层的各种媒体网关的资源进行控制，控制各个媒体网关资源的使用，并掌握各个媒体网关的资源占用情况，以确定是否有足够的网络通信资源以满足用户所申请的业务要求。

(3) 完成呼叫的路由选择功能，根据用户发起业务请求的相关信息，确定哪些媒体网关之间应建立通信连接关系，并通知这些媒体网关之间建立通信连接关系并进行通信，以及在通信过程中所采用的信息压缩编码方式、是否启用回声抑制等功能。

(4) 对媒体网关之间的通信连接状态进行监视和控制，在用户业务使用完成后，指示相应的媒体网关之间断开通信连接关系。

(5) 计费。由于软交换机只是控制业务的接续，而用户之间的数据流是不经过软交换机的，因此软交换机只能实现按接续时长计费，而无法实现按信息量计费。若要求软交换机具备按信息量计费的功能，则要求媒体网关具备针对每用户的每次使用业务的信息量进行统计的功能，并能够将统计结果传送给软交换机。

(6) 与H.323网的关守(GK)交互路由等消息，以实现软交换网与H.323 IP电话网的互通。

2.4业务应用层

　　软交换技术将电话交换机的业务控制模块独立成为一个物理实体，称为应用服务器(AS)，AS的主要功能是完成业务的实现，具体功能如下。 (1) 存储用户的签约信息，确定用户对业务的使用权限，一般采用专用的用户数据库服务器+AAA服务器或智能网SCP来实现。

(2) 采用专用的应用服务器和智能网SCP(要求软交换机具备SSP功能)来实现YDN 065-1997《邮电部电话交换设备总技术规范书》中定义的基本电话业务及其补充服务功能，以及智能网能够提供的电话卡、被叫付费等智能网业务。

(3) 采用专用的单个应用服务器或多个应用服务器实现融合语音、数据以及多媒体的业务，灵活地为用户提供各种增值业务和特色业务。

(4) 软交换网控制层中的软交换机之间是不分级的，当网络中每增加一个软交换机时，其它所有软交换机必须增加相应的局数据；而这对于网络运营来说，将是极为麻烦的，其解决办法是在业务应用层中设置策略服务器来为软交换机提供路由信息。当然，策略服务器的设置方案将直接影响软交换网络的安全可靠性。

2.5 核心传送层

　　核心传送层实际上就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、控制层中的软交换机、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。

　　鉴于IP网能够同时承载语音、数据、视频等多种媒体信息，同时具有协议简单、终端设备对协议的支撑性好且价格低廉的优势，因此软交换网选择了IP网作为承载网络。

　　软交换网中各网元之间均是将各种控制信息和业务数据信息封装在IP数据包中，通过核心传送层的IP网进行通信。

2.6 软交换网中的协议及标准

　　软交换网络中同层网元之间、不同层的网元之间均是通过软交换技术定义的标准协议进行通信的。国际上从事软交换相关标准制定的组织主要是IETF和ITU-T。它们分别从计算机界和电信界的立场出发，对软交换网协议作出了贡献。

2.6.1 媒体网关与软交换机之间的协议

　　除SG外的各媒体网关与软交换机之间的协议有MGCP协议和MEGACO/H.248协议两种。

　　MGCP协议是在MEGACO/H.248之前的一个版本，它的灵活性和扩展性比不上MEGACO/H.248，同时在对多运营商的支撑方面也不如MEGACO/H.248协议。

　　MEGACO/H.248实际上是同一个协议的名字，由IETF和ITU联合开发，IETF称为MEGACO，ITU-T称为H.248。MEGACO/H.248称为媒体网关控制协议，它具有协议简单，功能强大，且扩展性很好的特点。

SG与软交换机之间采用SIGTRAN协议，SIGTRAN的低层采用SCTP协议，为七号信令在TCP/IP网上传送提供可靠的连接；高层分为M2PA、M2UA、M3UA。由于M3UA具有较大的灵活性，因此目前应用较为广泛。SIGTRAN/SCTP协议的根本功能在于将PSTN中基于TDM的七号信令通过SG以IP网作为承载透传至软交换机，由软交换机完成对七号信令的处理。

2.6.2软交换机之间的协议

　　当需要由不同的软交换机控制的媒体网关进行通信时，相关的软交换机之间需要通信，软交换机与软交换机之间的协议有BICC协议和SIP-T协议两种。

　　BICC协议是ITU-T推荐的标准协议，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撑存在一定不足。SIP-T是IETF推荐的标准协议，它主要是对原SIP协议进行扩展，属于一种应用层协议，采用Client-Serve结构，对多媒体数据业务的支撑较好、便于增加新业务，同时SIP-T具有简单灵活、易于实现、扩展性好的特点。目前BICC和SIP协议在国际上均有较多的应用。

2.6.3软交换机与应用服务器之间的协议

　　软交换机与Radius服务器之间通过标准的Radius协议通信。软交换机与智能网SCP之间通过标准的智能网应用层协议(INAP、CAP)通信。一般情况下，软交换机与应用服务器之间通过厂家内部协议进行通信。为了实现软交换网业务与软交换设备厂商的分离，即软交换网业务的开放不依赖于软交换设备供应商，允许第三方基于应用服务器独立开发软交换网业务应用App，因此，定义了软交换机与应用服务器之间的开放的Parlay接口。

2.6.4媒体网关之间的协议

　　除SG外，各媒体网关之间通过数据传送协议传送用户之间的语音、数据、视频等各种信息流。

　　软交换技术采用RTP(Real-time Transport Protocol)作为各媒体网关之间的通信协议。RTP协议是IETF提出的适用于一般多媒体通信的通用技术，目前，基于H.323和基于SIP的两大IP电话系统均是采用RTP作为IP电话网关之间的通信协议。

2.6.5小结

　　MGCP、MEGACO/H.248、SIGTRAN、BICC、STP-T、Parlay协议传送的均是控制类信息，不包含任何用户之间的有用通信信息。RTP传送的是用户之间的有用通信信息。同时，媒体网关与连接的非软交换网设备之间需采用相应的协议通信。值得一提的是，软交换网与H.323网互通，H.323 GW与H.323网的IP电话网关采用RTP通信，同时软交换机需与H.323网的GateKeeper之间采用H.323协议通信。
3 软交换技术的应用

3.1目前的软交换设备对业务的支撑情况

　　目前，许多电话交换设备供应商和数据设备供应商均推出了自己的软交换设备，国内厂商包括中兴、HUAWEI和大唐；国外厂商包括阿尔卡特、北方电讯、西门子、朗讯、Cisco、Sonus、UT斯达康等企业。各厂商提供的软交换设备均遵从软交换技术的总体架构，只是在具体实现方式上存在着一些差异。

　　软交换技术的产生是为了构件一个“全业务网”，即在同一个网上实现语音、数据、多媒体视频流业务的融合；并且为了实现这个目的，将呼叫控制和业务功能在功能实体上进行了分离。但目前各厂家提供的软交换系统在业务提供上与上述目标还存在一定的差距，还需要经历一个不断发展和完善的过程。

　　目前，语音业务仍旧在通信业务中占据主导地位，也是各电信运营商盈利的主要来源，软交换网实现多业务的融合，应首先能够提供至少与PSTN相同的语音业务。因此，各设备厂商也将对语音业务的支撑列为首要任务。

语音业务可以分为语音转接业务和语音直接接入业务。

　　软交换网的虚拟中继业务提供语音转接业务，实际上就是利用软交换网转接PSTN端局之间的语音业务，而软交换网本身不直接接入语音终端用户，此时软交换网的功能类似于PSTN中的汇接局或长途局的功能。提供虚拟中继业务，软交换网中必须配置TG、SG和软交换机设备，若仅提供与PSTN相同的语音转接业务，则不需要单独的应用服务器，此时呼叫控制和业务的实现均是由软交换机负责完成。目前各软交换设备供应商提供的系统均已经能够提供虚拟中继业务。

　　语音直接接入业务，要求软交换网具备PSTN本地端局的功能，在我国信息产业部2001年5月25日发布的《电话交换设备总技术规范》以及补充件中规定了PSTN交换机应具备的各项功能，目前各软交换设备厂家均是利用软交换机来实现上述功能，而未采用专用的应用服务器。对于用户信息和存储和鉴权认证也是由软交换机来实现，也支撑由专用的应用服务器或智能网SCP来实现，因此，从某种意义上说，目前各厂商提供的软交换系统对于基本语音业务仍未采用“呼叫控制与业务应用的分离”的概念。同时，软交换网中为直接接入用户还必须配置AG和/或IAD设备；与PSTN相连，则还需配置TG和SG设备。目前各软交换设备供应商提供的系统均已经能够提供基本的语音直接接入业务，但不同厂商提供的系统对于《电话交换设备总技术规范》以及补充件中规定了PSTN交换机应具备的各项功能的支撑情况仍各不相同。同时，对于PSTN智能网实现的各种语音增值业务，各厂家提供的软交换系统也是通过智能网方式来实现的，此时，软交换机具备SSP功能，触发智能网业务，访问智能网的SCP。　　近年来数据业务的增长较快，但业务应用主要集中在WWW浏览、E-mail、下载、网络游戏、网络视频流媒体在线观看、网上购物、ICQ及网上聊天等业务。软交换设备供应商推出了一些数据与语音相融合的业务，例举如下。

　　上网呼叫等待业务：用户通过电话线拨号上网，当有电话呼入时，用户可以在PC界面上得到电话呼入的提示，并可选择接听、拒绝、前转来电。

　　点击拨号业务：通过点击Web页面上的Tel或Fax的号码，发起电话呼叫。

　　Web 800业务：通过点击Web页面上的800号码，通过PC发起电话呼叫，话费由被叫承担。

　　短消息业务：通过PC发送、接收短消息至移动手机。

　　个人数据库业务：用户可以将自己的包括电话号码、E-Mail地址在内的通信录、单日或多日的个人日程安排表等重要私人信息存放在系统为用户分配的专用数据存储设备中，并可随时调用查看和编辑修改，以备纸制文件或手机的遗失。

　　唯一信息业务：系统为用户分配专用的存储资源，用户的固定电话和手机电话留言、E-mail收件、网上购物定单等所有接收信息均存储在用户的统一信箱中，用户可通过PC机访问自己的统一信箱而获得所有与自己相关的信息。

　　呼叫跟随业务：实际上是对电话业务中的呼叫前转业务的扩展，允许用户设定多个被叫号码，来电在不同的时段转接至不同的被叫号码，且在同一时段，来电顺序接至不同的被叫号码。

　　网络交流中增加语音交流的业务：目前在Internet上进行网络游戏、网络聊天时，用户之间的交流只能基于PC文本的方式，此业务提供了PC-PC的语音交流功能。

其它还有会议等多方语音、数据通信业务等。

　　以上列举了一些目前软交换设备供应商通过增加应用服务器，已经能够支撑的一些主要业务，当然不同厂商对上述业务的支撑情况、实现方式、业务功能不尽相同。

3.2软交换网可行的应用

　　从上述业务中可以看出，目前软交换网络提供的业务仍主要是在语音业务方面，且提供的增值业务功能也很有限，其中部分业务功能利用智能网一样能够实现，目前，软交换设备供应商、运营商尚无法提供真正吸引用户的“Kill”级的、软交换网特有的业务。软交换网业务的发展和完善仍需要设备供应商、运营商、内容服务提供商的努力，仍有一段漫长的路要走。

　　根据软交换技术的特点、设备的成熟性，以下提出一些目前软交换网可行的应用。

3.2.1长途语音业务

　　目前，大部分软交换设备供应商均已经能够提供成熟的虚拟中继业务，来转接PSTN语音业务。

　　对于拥有庞大的、完善的IP网络，但无PSTN的电信运营商来说，采用软交换网络提供长途语音业务是一种较好的选择，由于软交换网是采用IP网作为承载，因此，可以节省TDM传输电路建设的投资。建设软交换网的TG、SG和软交换机，并完成与PSTN连接，同时选择合适的用户鉴权方式即可开放业务。

　　对于拥有一个已经将自己各地分支机构通过IP网连接起来的跨地域的企业来说，采用软交换网将各分支机构的电话机连接起来，即TG、SG与各分支机构的PABX连接起来，或者通过AG、IAD直接连接各电话机，并建设软交换机即可使用内部网络疏通长途电话业务，节省数目可观的电话费。

3.2.2本地语音接入业务

　　对于拥有庞大的、完善的本地IP网络，但无本地PSTN端局的电信运营商来说，采用软交换网络接入用户也是一种较好的选择，本地PSTN端局的覆盖范围有限，且用户线布放的工程实施难度较大，因此，可以在用户端设置IAD设备，利用已有的小区宽带IP网络连接至软交换IP网络，完成各个IAD与软交换机、其它媒体网关设备的连接，即实现了本地电话机的接入，同时为了保证本地接入的电话能够与其它运营商的PSTN通信，还需完成软交换网与PSTN的连接。

　　同时，对接入的本地用户还可以灵活、多样地为用户开放软交换业务，并随着软交换业务的发展不断丰富完善。

3.2.3移动3G网络

　　无论是WCDMA还是CDMA2000，其发展目标均是在核心网络实现语音和数据业务的统一承载和交换，软交换技术无疑将是一种较好的选择。在3G网络中，原MSC将裂变为MSC-GW和MSC-SERVER，MSC-GW完成媒体网关的功能，MSC-SERVER完成软交换机的功能，IP网络作为3G网络的统一语音、数据媒体流的承载网络，实现各种业务数据流的融合。

3.3软交换网络建设中应注意的问题

3.3.1安全问题

　　安全问题包括网络安全和用户数据安全两个方面。

　　网络安全是指软交换网络本身的安全，即保证软交换网络中的媒体网关、软交换机、应用服务器设备不会受到非法攻击。由于软交换技术选择了IP网作为承载网，IP协议的简单和通用为网络黑客提供了便利条件。当软交换选择了开放的(与Internet相连的)IP网作为承载网时，网络安全问题尤其突出，必须在IP网上采用合适的安全策略，以保证软交换网的网络安全。

　　用户数据安全是指用户的签约信息和通信信息的安全，即不会被非法的第三方窃取和监听。首先，软交换网需采用必需的安全认证策略保证用户签约信息的安全，同时，无论是用户的签约信息还是用户的通信信息的安全均需要IP网的安全策略作为保证。

3.3.2 QoS服务质量保证

　　目前各软交换设备供应商均声称所提供软交换系统支撑对QoS服务质量的保证，即软交换机能够根据语音、数据、视频的业务特性为用户所申请使用的业务分配特定的网络资源，以保证QoS。但软交换网的业务是承载在IP网上的，基于“best effort”服务策略的IP网难以很好地贯彻软交换机的QoS策略，因此，为保证软交换网的业务服务质量，必须要求软交换的IP承载网支撑“Diff serv”等必要的服务质量保证策略。

3.3.3 IP地址

　　软交换技术选择了IP网作为软交换网的承载网，因此，软交换网中的各网元设备均需要设备IP地址；若软交换网仅提供虚拟中继业务，则不需为用户分配用户IP地址，若软交换网提供本地直接接入用户的业务，则需要为每一个用户均分配一个用户IP地址。

　　目前的IP地址有IPv4和IPv6两种标准，IPv4推出较早，是目前广泛采用的标准，但目前剩余的IP地址数量已经极为有限。为了解决IPv4地址资源紧张的问题，产生了IPv6，IPv6对IP地址资源进行了扩展，IP地址资源已经不再成为限制。但IPv4和IPv6在同一网络中不能并存，必须在网络中进行转换和包封，IPv4和IPv6的大规模混合组网尚无经验可循。

　　IPv4将IP地址划分为公有IP地址和私有IP地址两大类，同时IP网络设备支撑动态IP地址和静态IP地址的分配使用方式，公有地址和私有地址的选用既要考虑网络访问效率因素，又要综合考虑网络安全因素；动态地址和静态地址的选用既要考虑拥有的地址资源、地址使用效率，又要考虑对开放业务的影响。

3.4小结

　　如上所述，目前软交换网络能够提供的极具吸引力的业务还很有限，还需要设备供应商、运营商、内容服务提供商以及用户需求的各方努力，软交换网的建设应结合软交换技术的特点和自身的业务需求，避免盲目建设。

同时，软交换网的建设还需要关注IP承载网的建设情况，只有构建在一个安全、完善的IP网上的软交换网才具有生命力。