软交换技术

第25卷第7期计算机工程与设计2004年7月Vol.25 No. 7COMPUTER ENGINEERING AND DESIGNJul.2004文章编号: 100-7024(2004)07-1146-04中图分类号:TN915.03文献标识码:A软交换技术张茂尧(枣庄市劳动和社会保障局，山东枣庄277101)摘要:传统的电话交换网的私有性、封闭性及其开发高成本、升级换代周期长、不能及时提供具有竞争力的新业务，而市场对电信业务提出了不仅有综合业务，而且有针对特定群体，甚至个人的微服务需求。各种网络的技术特征正趋向一致，向宽带化、智能化演进，下一代网络的出现成为必然。软交换是从IP电话发展起来的下一代呼叫控制层的功能实体，呼叫与承载分离、业务与呼叫控制分离、兼顾与现有网络业务的互通及下一代网络的发展，能提供开放的、标准的API或协议，其分布式结构和网络融合能力使个人通信成为可能。软交换技术的出现，使电信运营商可通过它快速地向具有不同特征的人群提供微型服务，前景广阔，但其在商业和技术上存在无统一的标准、协议的兼容问题以及API无成熟产品、业务不明朗等问题.关键词:软交换;下一代网络;媒体网关控制器Soft- switch technologyZHANG Mao-yao(Labour and Social Security Bureau of Zaozhuang, Zaozhuang 277101, China)Abstract: The traditional telephone switch net has some characteristics of privacy, closeness, and high costs of development, but itcan not provide new competitive business on time. On the other hand, the market has raised some requirements that not only have com-prehensive business but als has aimed at specific group of people, even individuals. All kinds of technological charateristics are tendingto be consistent, and revolve towards wide-band and itelligence. It is invitable that the next generation of net will appear soon. Thesofswitch is a functional entity of control level of next generation cll, which is developed from IP telephone. Its call is separated frombearing and its business is separated from call control. Also, it gives consideration to the communication with the present net business,the development ofthe net for next generation, and it provides open and standard API or protocol. Its distributed structure and capabilityof net connection make the telecommunication possible. The appearance of sofswitch technology enable the telecommunication com-panies to provide micro-services for dfferent groups of people rapidly. And its prospect is vast. However, there are some commercialand technological problems, such as lack of unified standard, compatible problem ofprotocol, no mature products ofAPl, uncertaintyof business, etc.Key words: sf-switch; next generation net; media net gate contoller来说，最大的挑战就是解决如何接入用户网络的问题。租用1引言传统本地电信运营商(ILEC-Incumbent Local Exchange Car-Internet和光网络等新技术的发展对传统电信网络观念rier) 的双绞线网络,并利用DSL技术为用户在有限带宽线路和体系结构的改变产生了深刻的影响,新思想、新观念层出上提供宽带的网络应用则是最为合适的方式之一.不穷。软交换就是VoIP和智能网概念的延伸与发展，是下VoDSL技术的出现为CLECs提供了进入本地电话交换一代网 络(NGN)呼叫控制层的功能实体。本文初步讨论软市场的能力和机遇，然而基于Class-5交换机的传统电话交交换的出现背景、设计思想、体系结构、功能组成、相关协议换网是一个私有的、封闭的网络,限制了CLECs和ILECs的以及目前研究状况和存在问题。全面竞争。第l,Class-5交换机造价昂贵,开发成本高,升级1.1激烈竞争的电 信市场换代周期长。第2,Class-s交换机的业务开发要依赖设备制1996年，美国国会通过<1996电信改革法案》，进一步开造商，周期长、成本商，无法为CLECs及时提供与竞争对手放本地交换市场。竞争性本地电信运营商(CLEC- Competi.相区别的、 具有竞争力的新业务。CLECs迫切需要寻找新tive Local Exchange Carrier)如雨后春笋般诞生。对于CLECs技术来取代Class-5交换机，以实现PSTN和分组数据网络收稿日期: 2003-04-08; 修订日期: 2003-07-31.中国煤化工作者简介:张茂尧(1968-), 男，山东枣庄人，工程师。MHCNMHG- 1146 -的融合，为客户提供低成本、电信级的语音服务和各种丰富的增值业务。管理层面1.2面向业务的驱动市场对电信业务的需求有两大类: - -是综合业务的提供，二是Internet技术的飞速发PSIN!PSTN:展把针对特定群体甚至个人的微服务需求推ISDV/IP分组网GSM向一个新的高度。成功的电信运营商必须针网关对不同的受众群体，提供不同类型、不同级别的服务:针对不同的收入群体，推出不同质图1 IP 电话网络总体枢架量、不同级别的服务。然而在传统通信网络中,业务体系结构是面向过程，以垂直方式开发的，其业务大规模部署具有相当大的制约。Arango 和Huitema提出了网关分解的概念，其分解模型如图2所示。它由3部分组控制采用集中控制方式，业务的分层结构和底层呼叫控制成:信令网关(Signal Gateway,SG)、媒体网关(Media Gateway,功能紧密关联,新业务的开发周期较长,成本较高，不能适MG)和媒体网关控制(Media Gateway ControlMGC).应市场竞争的需要。引入面向对象和分布计算技术是业务体系结构的发展趋势。PSTNISD1.3向下一代网络 的演进目前，传统电话交换网、公用分组数据网、Internet网守网、移动通信网与卫星通信网等多种网络垂直并存。信令MGC随着网络技术的发展，各种网络的技术特征正逐渐趋音向一致，诸如数字化、光纤化、分组化等。需要注意的体I是，向IP协议的汇聚已成为各网络下一步发展的共同趋势，IP协议成为各类网络都能接受的通信协议，终端从而在技术上为网络融合奠定了坚实的基础。下一代网络(NGN)可提供包括话音、数据、传真图2网关分解功能模型和多媒体等各种业务，具有开放式的网络架构，多样化、综合化的接入方式,基于统一协议和分组交换，是全球这个体系结构的先进之处在于实现了呼叫控制和承载信息基础设施(GI)的具体实现。NGN网络的核心层功能控制的相分离,网关只承担简单的媒体变换功能，其它功能结构将趋向层次化和扁平化,在功能上可分为4层:业务层、则由网关控制器完成，两者之间运行MGCP(Media Gateway控制层、媒体层和接入传输层。传统网络向宽带化、智能化Control Protocol) 协议或H.248协议。这种结构有利于网络方向演进,向下一代网络演进已经成为人们共识。“下一代容量的扩展和新业务的开发与布署。网络”的提出极大地推动了人们对软交换的兴趣和研究。2.2 软交换的定义.软交换就是从IP电话的基础上逐步发展起来的一个新2软交換的概念，呼叫与承载分离、业务与呼叫控制分离是它的最大2.1 VoIP 技术特点。国外自70年代起就开始研究首先，软交换借鉴了VoIP中网关分离的思想。在传统计算机网络上的话音通信,当时主Tnaditional cireuit要是基于ARPANET网络平台进行switch modelSoftswitch model研究和试验。随着Intermet在全球SS7ManageraeatNew范围内的兴起和话音编码技术的networt. )ytemsorvices发展，基于IP的分组话音通信技术获得了突破性进展和实际运用。BillingLucentsytem 门TechnologicsIP电话网的总体框架如图1所network ,Softswitch示。其中网关(gateway)主要完成TDM -Linerime slot TrunkGateway control| card F TDM媒体格式转换和信令转换，在IP分H ceard interchange| card片protocol组网侧执行H.323或SIP协议，在TDMIP/ATM t IP。另一侧执行ISDN等信令。除此以TM| backbone ATM外，还要控制网关内部资源,为每Access/trunkingAcs/runking个呼叫建立网关内部的话音通路。中国煤化工media gateway这种结构对于IP电话系统的图3MHCNMHG- 1147 -电话系统中,交换由交换设备中的交换矩阵来实现,呼叫控媒体网关和数据媒体网关等。同时，软交换设备还可以利制、业务提供以及交换矩阵都集中在一个系统之中。而软用H.323协议和会话启动协议(SIP)将H.323终端和会话启交换将传统电话交换机的各个功能进行分解，并将分解之动协议客户端终端接入软交换系统,以提供相应的业务。后的功能分布在各个通用计算机平台之上。这些平台既可呼叫控制功能:呼叫控制功能是软交换的重要功能之以独立演进,又可以通过标准协议进行互连互通,组合成一一。它为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能，包括个有机整体。从图3中我们可以看出，软交换利用媒体网关呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等。可和中继网关代替电路交换机中的用户板和中继板，利用软以说呼叫控制功能是整个网络的灵魂。交换设备完成电路交换机中的基本的呼叫控制、计费、认证、业务提供功能:由于软交换系统既要兼顾与现有网络路由、资源管理和分配、协议处理等功能，利用分组网代替业务的互通，又要兼顾下一代网络业务的发展，因此软交换传统交换机中的交换矩阵。应能实现现有PSTNISDN交换机提供的全部业务，包括基其次，软交换吸取了传统电信智能网中业务与呼叫控本业务和补充业务，同时还应该可与现有智能网配合提供制分离的思想,通过进--步开放可编程应用程序接口(API),现有智能网的业务;更为重要的是,软交换还应该能提供开用第3方业务供应商提供一个灵活便捷的业务开发与部署放的、标准的API或协议,以实现第3方业务的快速接入。平台，最大限度地满足用户需求。互连互通功能:目前,在IP网上提供实时多媒体业务可软交换与传统电路交换系统功能比较如表1所示。以基于H.323协议和SIP协议两种体系结构。其中, H.323协议由ITU-T制订,SIP协议由IETF提出,两者表1软交换与传统电路交换系统功能比较均可以完成呼叫建立、呼叫释放、业务提供和功能软交换传统电路交换能力交换等功能。交换的基本方式基于软件基于电路资源管理功能:软交换可以对带宽等网络设备控制策略化、动态干预和集中维护静态资源进行分配和管理。体系结构模块化，开放式结构私有的，封闭的认证和计费:软交换可以对接入软交换系交换媒体类型话音、数据、传真、视颊主要是话音，对其它类型扶持有限较氏统的设备进行认证、授权和地址解析，同时还提供第3方业务能力较高难以实现可以向计费服务器提供呼叫详细话单。个性服务能力较高2.4软交换的体系结构扩展性从几百用户平滑扩展到上百万扩展成本高2.4.1 基本思想个用户，成本与规模成正比CommWorks于1999年最先提出软交换的会议视频质量好.可以提供研发成本低，启动资金10万美金高，启动资金3千万美元3层结构，即传输边缘层、网关控制层,应用服务层。分层的网络架构预示着网络发展趋势从软交换还有其它多个名称,如媒体网关控制器、呼叫代各种单- -的网络向全业务信息网转移。理等。人们对于软交换的认识也各不相同。从广义.上看，2.4.2系统框架 结构软交换是指-种体系结构, 一个可以使任何设备通过IP分(1)边缘接入层:边缘接入层负责将各种不同的网络和组网访问电信业务和Internet业务的产品、协议和应用的集终端设备接入软交换体系结构,将各种业务量进行集中,并合，包括媒体网关、信令网关、软交换设备、应用服务器等设备。从狭义上看，软交换指实现与业务无关业务/应用层AAA服务器目录服务器特征服务器的呼叫连接控制的实体，如媒体网数据库服务器I应用服务器策略服务器sCPJ关控制器(Media Gateway Control-ler)或呼叫代理(Call Agent). ISC(In-temational Sofswitch Consortium)将网络控制层软交换设备了软交换设备 T软交换定义为基于软件的呼叫控制实体。本文讨论的软交换主要是指IP路由器/ATM交换机运行在NGN控制层的媒体网关控核心交换层FC核心分组柯LC制器(MGC),也叫呼叫代理或呼叫控制。2.3 软交换的主要功能媒体服务器D[MGPAD媒体接入功能:软交换可以通边缘搂入层支持H.323/SF过H.248协议将各种媒体网关接入七号信令网PSTNPLMN协议的建电话规)软交换系统,如中继媒体网关、ATMIAD:综合接入设备AAA:认证、中国煤化工;做体网关PAD,分组接入设备媒体网关、综合接入媒体网关、无线:TYHCNMHG一1148 -利用公共的传送平台传送到目的地。接入层的设备包括各种不同的网络、终端设'策略服务器(应用服务器)备以及各种网关设备。这些网络或终端(媒体服务器SIrsB-s/的议数据库服务园设备可以是公众交换电话网、ATM网络、目录服务器COPS\、PARLAYAPI 协议帧中继网络、移动网络、各种IP电话终端MCGP/L.248协议IAPI协议及模拟终端等,它们通过不同的网关或接威SIP协议计费服务器信令网关RADIUS协议入设备接入核心网络。SCTP协议(2)核心交换层:核心交换层对各种不软交换SIP-T/8ICC 协议同的业务和媒体流提供公共的传送平台。MOCPEL.248协迄多采用基于分组的传送方式,目前比较公认的核心传送网为IP网或ATM骨干网。媒体网关RAS协议SNMP。网管服务器协议,(3)网络控制层:网络控制层完成呼叫INAP 协议SIP协议网控制、路由、认证、资源管理等功能。其主sCSIP 代理要实体为软交换设备。SCP,业务控制点sIP 会话肩动协议(4)业务/应用层:业务/应用层在呼叫控制的基础上向最终用户提供各种增值图5软交换的对外接 口和协议业务，同时提供业务和网络的管理功能。该层的主要功能实体包括应用服务器、特软交换的分布式结构和网络融合能力使个人通信的实征服务器、策略服务器、AAA服务器、目录服务器数据库服现成为可能， 运营商可以通过软交换快速地向具有不同特务器、SCP.网管(负责网络的管理)及安全系统(提供安全保征的人群提供 “微型服务",这-能力带来 了无限的创新可能和业界营收潜力。2.5软交换的对外接口及采用的通信协议(1)主要协议:软交换要与网络中很多的功能实体之间3存在的问题通过标准接口与协议进行交互。常用的协议有:①媒体控(1)协议尚未做到兼容性,标准还在发展之中。设备供制协议:H.248.MGCP(软交换设备-媒体网关、媒体服务器)、应 商目前最大的困感就是软交换的协议标准是否统-规范。RTP/RTCP(媒体网关、媒体服务器、H.323/SIP终端之间);②不同厂家的软交换在技术标准的选用及协议的兼容性方面呼叫控制协议: SIP-TBIC(软交换设备-软交换设备)H.323还难 以做到相互兼容。(软交换设备.软交换设备或软交换设备H.323GW/GK终(2)API没有成熟的产品。基于开放的业务平台，采用端)、SIP(软交换设备SIP终端)、MTUPISUP(软交换设备.标准的API接口为网络运营商提供新业务开创了美好的前信令网关)等;③应用支持协议: Parlay(软交换设备应用服景，但是相应的产品仍在探索和研发之中，并且Parlay API务器)、RADIUS(软交换设备一AAA服务器)、MAP(软交换设的定 义简单,可以用不同的编程语言实现,业务的可移植性备-位置数据库/鉴权服务器)、LDAP/TRIP(软交换设备-数据和产品之间的互操作性也是一个问题。库)、CAMELWIN (软交换设备-SCP)等;④维护管理协议:(3)业务不明朗。虽然软交换系统在理论上提供了网SNMP、COPS等;⑤承载相关协议: SCTP(软交换设备-信令络开放的体系架构,有利于业务的开发和提供,但目前在应网关)M3UA/SUAIUA(软交换设备-信令网关)SCCPTCAP用方 面还难以看出诱人的业务前景。现在，大多数软交换(软交换设备-SCP)。的试验是提供基本的话音业务、会议业务(含视频)和网上(2) 软交换对外接口:图5描述了软交换与各功能部件浏览业务。 除话音业务外,提供业务的操作都较为复杂，-之间的接口与所需协议。个没有业务支援的技术是没有生命力的。(3)基于软交换的新业务:软交换可以提供的业务有: .(4)网络QoS和网络安全问题没有较好的解决方案。尽PSTN相关的业务、ISDN业务和智能网业务;话音与互联网管可以采用ATM网络作为承载网络来解决QoS问题，但是相结合的业务,如点击拨号和Intermet Call Waiting等:多媒体ATM网络由于设备造价昂贵和支持运营商较少等原因，在市业务,如Web会议业务支持全面灵活的动态通信环境，包括场占有率方面较低，特别是国内很多ATM宽带网络，主要用交流文件的共享、对个别与会者的耳语、会议的控制等:另于低层次的承载，真正接入Internet还只是IP网络。采用IP外，还有UM统-消息系统，用户可以随时随地通过电话、网络作为承载话音的网络时，合理有效地调配网络资源、解传真机.PC机、手机、寻呼机及PDA设备收发如语音、电子决 QoS和网络安全的问题一直希望有较为可行的方案。邮件、传真、短消息(SMS)、即时消息(IstantMessage)等信(5)IP地址问题。目前的IP电话网络大都基于专网，网息;基本定位业务,通过手机提供使用者的实际地理位置:络融合后IPv4的地址明兄不够.从IPv4向IPv6的过渡又会VOD视频点播、入口业务、文本与语音双向转换、增强型呼带来村中国煤化工叫功能、个人路由策略等业务。YHCNMHG (T下转第1191页)一1149 -5.1 前缓测试序列的生成Reinhold: Addison Wesley Longman, 1983.227-250.对于待测试变迁r，首先选择对应的局部变迁序列集(2] Naio s, Tunoyoma M. Fault decion for sequental mechinesE(E,E,E),该变迁序列输入到MTM模型能被无阻塞地输by transition tours[C]. Proc IEEE Fault Tolerant Compute Conf出，则该输出是使需要的前缀测试序列。Englewood Ciffs, N J Prentice-Hall, 1981.例如对于变迁t,变迁序列集E(165151+16)对应的输[3] Krishan Sabnani,Anton Dahbura. A protocol test generation pro-cedure [0]. Computer Networks and ISDN System, 1988,15 (7):出序列为6.该序列为s的前缀测试序列R。285-297.5.2 UI0 序列的生成对于前缀测试664t6t系统的当前全局状态为[4] Gonenc G. A method for design of fault detection experiment[]. IEEE Transactios on Computr, 190.19);518-558.(susSs1osm)，则对应的UIO序列为:110序列h在全局状态5] Chow T.Testing sofware design modeled by finite machines [J].(r.sSn,sm)的全局输出为00, M内的其它状态都不可能该输IEEE Transactions on Software Engneering, 1978, 15(4): 178-出,它惟一地 标识了局部状态siu.187.5.3 UIo 测试序列的生成[6] David Harel. On visual formalisms []. Communications of the变迁的前綴测试序列和UIO序列的组合即构成UIO测ACM, 1988,31():514-529.试序列。例如对于变迁t,htsot1051左即是其UIO测试序[7] David Harel. Statecharts:a visual formalism for complex sys-列。该测试序列对应的输入、输出序列为ABEBFGHAB/tems [J]. Science of Computer Programming, 1987,15 (8):001010100。231-274. .在图2所示的模块中，基于MTM模型生成方法共为其[8] Deek Coleman, Fiona Hayes, Stephen Bear. ltroducing ojeer生成测试序列9条,而采用积自动机生成的测试序列的数量charts or how to use statecharts in object-oriented design [J].为25条。由实例可见,MTM模型测试序列生成方法需要更IEEE Transactions on Software Engneering,1992,18(1):9-18.少的测试序列，同时也解决了测试序列中可能存在的两类9] Robert V Binder. 面向对象系统的测试[M].北京:人民邮电出同步问题。版社, 2001,4:121-185.[10] Hierons R M. Checking states and tanstion of a set of com-6总结municating finite state machines[J]. Microprocessors and Micro-本文主要研究了状态图中测试序列生成的同步间题,systems, 2001,124)443-452.文中定义的两类同步问题都使得测试路径不能按照预期路[1] Hierons R M, Sadeghipour s, Singh H. Testing a system seei径被执行。文章提出了基于状态图的多测试模型MTM,并fied using satecharts and z[J]. Informnation and Software Tech-nology, 2001,19(43): 137-149.在此基础上给出了测试路径的生成策略。理论和实验都证明,这一策略能有效地解决测试序列的同步问题,并且与积[12] TAI Kuo chung,YOUNG Yu-chiou. Synchronizable test sequen-ces of finite state machines[]. Computer Networks and ISDN自动机相比,该策略需要更少的测试用例，避免了组合空间System,1998,1730):1111131.爆炸问题，这对于大型系统的测试是极其重要的。[13] Deepinder P Sidhu, LEUNG Ting-kau. Formal methods for pro-参考文献:tocol testing:A detailed study[J] IEEE Transactions on SoftwareEngineering,1989,15(4):413- 426.1]Boris Beizer. Sofware testing techniques [M]. Van Nostrand(上接第1149页)2] Local-exchange softswitch system:Softswitch and packet voice6结论[EB/OL]. ht:/:/www.ic.org.软交换的前景究竟有多大,就像Internet,5年前谁也没[3] International sfswitch consortium [R/OL]. 2002. Reference想到它会有今天这样的规模，同样谁也无法预料到5年后的Architecture. ht://sof/witch.or.状况。但就目前科学技术的迅猛发展来看，软交换将为下[4] Yves De Srres, Lawrence Hegarty.Value added services in the-代网络提供娱乐、消费、享受的功能实体。尽管软交换市converged network[J]. IEEE Communications Magazine,2001,39(9):146-154.场前景广阔，但在商业和技术上都面临着许多挑战。目前[S] Ard-Jan Moerdijk, Lucas Klostermann. Opening the networks各国网络运营商对软交换态度较为谨慎。with parlay/OSA APls: Standards and aspects behind the APIs参考文献[C/OL]. 2002. htp/w.parl.o..[6] 赵慧玲,叶华.以软交换为核心的下- 代网络技术[M].北京:人1] Ramnath A Lakshmi-Ratan .The lucent technologies sofswitch-realizing the promise of confvergence[M]. Bell Labs Technical中国煤化工Journal, 1999.4-5.TYHCNMHG- 1191 -