软交换——IP网与PSTN网的融合

恋々风

一、从PSTN网到IP网
　　PSTN网是一个业务层与呼叫控制层紧密结合、不可分割的网络，基于电路交换的程控电话交换机虽然可以为广大用户提供优质的语音及增值服务，但它仍然存在着巨大的局限性。业务种类单一，而且当一项新的业务需要提供时，就需要对全网的交换机进行改造和升级，实现难度大，周期长，成本高。
　　互联网的出现，改变了单一网络提供单一服务的局面，它给用户提供的是一个开放的应用环境。以开放的市场、开放的应用为特点的IP业务应运而生，但产生的问题也随之出现——在开放的平台，提供的服务质量无法控制，而且很难收回投资。
　　如今在竞争的电信市场环境下，运营商要生存，要收回投资，就要吸引更多的用户，而吸引用户的竞争手段，只有凭借价格优势和独特的业务。但是在传统的PSTN网络上提供与众不同、同时又受用户青睐的业务很难，针对不同用户提供个性化业务更难。所以目前大多数运营商只有通过降低价格，谋求生存，由此导致的问题是：运营商和服务商陷入了恶性的价格竞争。
　　我们看到了网络发展的轨迹：即从单一网络提供单一业务开始，走向开放平台上的开放的应用，再走向开放网络平台上网络与应用密切结合的开放业务。

二、软交换—IP网与PSTN网的融合
    软交换是下一代网络的控制功能实体，为下一代网络(NGN) 提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心。简单的看，软交换是实现传统程控交换机的“呼叫控制”功能的实体，但传统的“呼叫控制”功能是和业务结合在一起的，不同的业务所需要的呼叫控制功能不同，这要求软交换提供的呼叫控制功能是各种业务的基本呼叫控制。
    软交换在我国“软交换设备总体技术要求”中规定软交换是电路交换网向分组网演进的核心设备，也是下一代电信网络的重要设备之一，它独立于底层承载协议，主要完成呼叫控制、媒体网关接入控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，并可以向用户提供现有电路交换机所能提供的业务以及多样化的第三方业务。
　　下一代网络上必须具有开放的电信业务平台。开放性体现在两点，一是业务可扩充性。传统的电信网络上，接入控制、媒体传输控制、呼叫处理、智能业务、应用业务和业务运营是靠不同的业务平台和协议完成的。下一代网络，它们将在同一平台上垂直地集成。这样，电信业务就可以灵活地加以扩充；二是业务的交换性，电信业务是由模块组成，用户可以自由定义，任何业务可以通过增加模块的方式实现新的业务。这样可以产生针对不同用户的个性化业务。将来的电信市场竞争越来越激烈，很多运营商通过增加新业务来吸引客户，软交换的特点恰能满足这种需求，所以软交换技术有很大的发展空间。
    1．软交换的概念  
    软交换与80年代人们提出的先进智能网有些类似，但它具有更新、更多的含义，它将在业务融合、终端用户控制、第三方应用集成中起重要作用。未来新公众网的组成元素中，软交换将是一个重要组件，是新老网实现融合的枢纽。  
    那么什么是软交换呢？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（建立会话、拆除会话）、信令互通（如从SS7到IP）。其结果就是把呼叫传输与呼叫控制分离开，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面，使业务提供者可以自由地将传输业务与控制协议结合起来，实现业务转移。其中更重要的是，软交换采用了开放式应用程序接口（API），允许在交换机制中灵活引入新业务，而原来老式的4类、5类交换机仍可通过SS7链路保留。  
    2．软交换的网络结构
    图1是Bridgewater提供的IP与PSTN融合的结构图，其中的智能业务节点、各种数据库以及信令网关所完成的功能就是我们所说的软交换。信令网关完成7号信令和IP信令之间的转换。智能业务点与各种资源数据库相连，负责业务连接的控制，还有开放式应用接口。网络接入设备就是在智能点指导下完成业务的传输。现在生产的设备中，智能业务点往往就是软交换机，网络接入设备就是媒体网关。  







    关于软交换功能是基于服务器还是基于交换机来实现，其实因情况而异。以交换为中心的模式可以提高资源密集型应用（如选路表查询，状态控制）的性能，而基于服务器的方式具有编程的功能，能灵活适应策略、用户喜好、特性控制等变化，所以两者结合起来可能效果更好。
    3．软交换的功能  
    根据软交换在网络中的不同位置，他们具有不同的功能。  
    （1）Internet业务卸载的功能
    软交换的一个重要功能就是将拨号业务从现有5类交换机上卸载下来。传统5类交换机不适合处理大量的长时间呼叫业务，如果能在传统汇接网络的边缘放置较便宜的软交换机，把拨号业务在进入5类交换机之前直接交换到ISP的网络或Internet网上，而话音业务不受影响，继续向下传送，这样就会极大减轻交换机的负担。传统运营者就不会抱怨Internet业务对网络带来的压力，竞争的本地运营公司（CLEC）、ISP等新兴运营公司也不用抱怨向CLEC支付的昂贵交换机使用费，皆大欢喜。  
    （2）代替4类交换机
    随着软交换标准的不断完善和协议的通过，新一代软交换将有能力成为4类汇接交换机的代替产品。4类交换机不需要具有5类交换机那么多的特性，所以只要信令网关能够提供合适的SS7接口，下一代交换机就可以胜任其职。它们的主要应用将是长途VoIP业务。  
    （3）代替5类交换机
    5类交换机的价格往往是CLEC和业务提供者进入市场的一大障碍。他们希望有新产品，既具备5类交换机的特性，又价格便宜，还可以在网络层提供增强型业务。下一代交换机适合本地环路的VoIP方案，它即可以接收ATM或IP上传送的业务，又可以把业务转移到PSTN上，还能继续把业务作为数据业务传到骨干网上。
    4．软交换的好处  
    （1）与电路交换机相比，软交换成本低。
    软交换采用开放式平台，易于接收革新应用，而且由于软交换利用的是普通计算机器件，其价格性能比每年提高60％～80％，电路交换机的价格性能比每年提高大约20％，所以与电路交换机相比，软交换在成本方面有更大优势。而且很多设备制造商欢迎第三方开发者，在软交换平台上开发能够很容易、很迅速加入任何网络的新业务。  
    （2）软交换配置灵活，功能块可以分布在整个网络中，也可集中起来，适合不同需求。
    网络可以选择不同的软交换配置模式：可以采用多个小型软交换机分布在网络边缘，或者是用一些较大的交换机分布在主要城市的网络中心，或者是更少的、更大的软交换机放于数据中心，与高速光纤骨干网相连。一般来说，大型网络需要用多个软交换机管理不同的区域和范围，业务可从本地平台接入，而小型网络可能需要2个软交换机（其中一个作备份）就够了。  
    （3）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。
    软交换支持开放式API，多数设备制造商会创造一个编程的环境，方便用户建立新业务，使用户独立于制造商以及他们支持的技术（ATM/IP/TDM）与协议（H.323/MGCP/SIP等）。  
    （4）对于那些采用电路交换机建网不合适、不经济的运营公司来说，软交换不失为一个好的建网策略。
    除成本低外，业务提供者能够很容易地用软交换转移、处理那些对5类交换机来说太复杂的业务。CLEC在传统交换机方面没有什么投资基础，他们可以通过综合接入设备（IAD）把业务特性控制放在网络边缘，然后用软交换来保持中心呼叫控制的功能。对以ISP为服务用户的业务提供者来说，保持中心呼叫控制也是一个很好的选择，因为它可以很方便的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。对IXC（长途运营公司）来说，可能只需要高性能的软交换用于大量用户选路查询和呼叫建立，所以他们可能愿意把信令和某些呼叫控制特性集中化。传统本地运营公司（CLEC）可能是最慢采用软交换的，主要是考虑到他们已对传统交换机所作的巨大投资。
    5．软交换的网络特点
     （1）开放分布式的网络结构
    软交换采用业务和呼叫控制分离、呼叫控制和承载分离技术，实现开发分布式网络结构，使业务独立于网络。通过开放式的协议和接口，可以灵活、快速地提供个性化的服务。
     （2）高效的包交换网络
    软交换采用高效的包交换技术，同时支持语音、数据、视频等业务。
     （3）独立的网络控制层
    软交换采用开放的计算机平台将呼叫控制从媒体网关中分离出来，通过软件实现基本的呼叫控制功能，包括呼叫选路及信令控制等，使业务提供者可方便地结合承载业务和控制协议，提供开放的开发接口，灵活、快速地提供个性化的业务。
     （4）网络互通和网络设备网关化
    通过媒体网关、中继媒体网关及信令网关等网关，可实现与PSTN等网络的互通，有效地继承原网络的业务。

三、软交换协议的发展
    软交换的实现过程主要就是通过网关发出信令，控制话音/数据业务通路。网关提供IP/ATM网络与传统PSTN网络之间的连接，软交换确保呼叫或连接的信令信息（自动号码识别、记费信息等）在网关之间的沟通和交流。所以软交换要能够实现信令转换（即能实现用一种信令建立呼叫，用另一种信令结束呼叫），至少能够支持SS7、ISUP、SIP、H.323和MGCP等协议。软交换产品要尽可能与多种设备互操作，尤其是IP网关、网络接入服务器、综合接入设备等，能支持4、5类交换机特性。  
    有关软交换的标准、协议是网络融合的关键。现在包括设备制造商、业务提供者在内的业界都在为标准制定工作而努力，希望把先进业务、语音应用引入到数据网中，并能和传统网络顺利融和。现在的标准工作主要涉及：互操作性；媒体控制协议（如MGCP、H.248），软交换机之间的通信（如SIP），扩展业务平台的协议和API；符合国际电话连接标准；安全标准；利用软交换传送高级业务等方面。相关的标准主要有H.323、MGCP、SIP等。
    1．H.323  
    1996年ITU通过H.323规范时，是作为H.320的修改版（H.320是ISDN和电路交换网上的会议电视的协议），用于LAN上的会议电视。后来1998年又通过H.323的第二版，从而该规范也可用于IP网上的通信，目前第三版的工作正在进行。现在作为多媒体组网标准的H.323应用比较广泛，它是IP网关/终端在IP网上传送话音和多媒体业务所使用的核心协议，包括点到点、点到多点会议、呼叫控制、多媒体管理、带宽管理、LAN与其他网络的接口等。  
    H.323协议中关于长途呼叫建立时间等问题还有待解决。H.323没有关于NNI接口的定义，没有拥塞控制机制。这在专用网内实现计算机－计算机的呼叫没有问题，但要提供全国性业务及PSTN-to-PSTN连接则必须依赖NNI接口。H.323是集中式对等结构，多个平台运行多个软件，硬软件升级不容易。
    2．媒体网关控制协议（MGCP）  
    MGCP是SGCP（简单网关控制协议）和IPDC（Internet Protocol Device Control）的结合产物。1998年Level 3提出IPDC，同时Telcordia（原来的Bellcore）提出了SGCP，当IETF成立MeGaCo工作组后，两者合并为MGCP。当时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（media streaming）功能分离开，放置在软交换与媒体网关之间。那时H.323和SIP协议不能处理这两个分离实体之间的通信，所以就产生了MGCP。  
    MGCP侧重的是简单性和可靠性，MGCP协议本身只限于处理媒体流控制，呼叫处理等智能工作卸载到软交换上，使媒体网关成为一个很简单的设备，简化了本地接入设备的设计，只负担必要的接入硬件和MGCP用户侧功能的成本，网管和互操作成本转移到网络上。图2是MGCP的实施示意图。MGCP通过软交换实现对多业务IP网边缘上的数据通信设备（如VoIP网关、voice-over-ATM网关、cable modem、机顶盒、软PBX和电路交叉连接）的外部控制和管理。其中的软交换可以分布在多个计算机平台上，从外部控制、管理多媒体网络边缘上的媒体网关，指导网关在端点之间建立连接，探测摘机之类的事件，产生振铃等信号，以及规范端点之间如何、何时建立连接。  





    MGCP是软交换、媒体网关、信令网关的关键协议，它使IP电话网可以接入PSTN，实现端到端电话业务。MGCP规范的草案已经提交给IETF和ETSI。  
    后来Lucent又提出了媒体设备控制协议（MDCP），于是所有以上协议又合并成MeGaCo 协议（又称作H.248）。MeGaCo既适应面向连接的媒体（TDM，ATM），又面向无连接媒体（IP），是一个全套的多种媒体网关控制标准。其标准制定工作正在进行中，但由于它比较复杂，因此需要较长一段时间才能完成。
    3．SIP（Session Initiation Protocol）  
    SIP主要是为Internet网上的多媒体会议电视服务的，用于建立Internet主机之间的会晤（session）。它以Internet协议（HTTP）为基础，遵循Internet的设计原则，所以很容易增加新业务，扩展协议，而不会引起互操作问题。  
    SIP协议简单，是模块式，不受基础协议与结构的限制。它可用于端点或服务器上呼叫的建立，也可运行在媒体网关控制器、网关、数据库等其他设备之间。1999年4月哥伦比亚大学完成了第一个SIP互操作实验，很快又完成了SIP在基本呼叫建立过程中稳定性的测试，现在正在进行关于安全、认证方面的工作，预计基于SIP的商用产品会很快推出。  
    SIP最近刚刚成为IETF的RFC。象H.323一样，SIP也没有NNI接口，但它也在积极解决这个问题。国际软交换联盟（International Softswitch Consortium）和一些组织提倡SIP，认为它虽说没有H.323那样功能强大，但对运营者来说，比较容易实施，不少运营者和制造商从H.323转移到SIP，而Vocaltec等一些运营者还是采用了H.323。

四、软交换的研发和应用
    目前，我国软交换的应用主要集中在语音业务。许多电信设备制造商开始研究和开发软交换系统，其中中兴和华为等公司已经提出了基于软交换网络的解决方案，并研究开发了提供话音业务的软交换系统。
    就运营商而言，传统运营商十分关注现有网络如何进一步发展，新兴运营商关注如何迅速占领市场，因此软交换成为大家共同关注的焦点，并积极进行或筹备软交换的试验。
    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还难以做到相互兼容。BICC协议、 SIP - T 协议和 H.248 协议也在发展之中，协议的选项需要运营商根据业务的需要来进一步确定。有关软交换的标准、协议是网络融合的关键。现在包括设备制造商、业务提供者在内的业界都在为标准制定工作而努力，希望把先进业务、语音应用引入到数据网中，并能和传统网络顺利融合。现在的标准工作主要涉及：互操作性；媒体控制协议(如MGCP、 H.248)，软交换机之间的通信(如SIP)，扩展业务平台的协议和API；符合国际电话连接标准；安全标准；利用软交换传送高级业务等方面。相关的标准主要有 H.323 、MGCP、SIP等。但相关的软交换标准还有待完善、统一和被广泛接受。软交换所面临的首要的也是最主要的挑战就是多协议，即软交换所支持的协议很多，而且这些协议分别来自不同的标准化组织，这为技术研究、设备生产通信运营等各方面都带来了很多协调方面的困难。

五、软交换的前景分析
　　软交换技术起源于美国的企业网应用，即便今天，也仍然主要以企业内部和长途话音网上的应用居多。它对于运营大型网络需要解决的IP地址规划、QoS，网络安全等问题考虑较少，几乎就是直接移交给宽带IP网去解决。目前，国外已经有许多运营商开始NGN的试运营，我国的主流运营商也已着手进行NGN的实验，但NGN能否如其所愿带给运营商和普通老百姓所需要的东西，本身并不明朗。NGN究竟有多大的前景？是否会像以前的宽带网络热一样雷声大，雨点小？
　　NGN一个重要的特点是网络平台的开放性。一个完全开放的网络平台，为业务运营商的发展提供了良好的基础。对于我国的运营商来说，技术不是需要担心的主要问题，关键的问题是，有没有能力将庞大的市场潜力转变成忠实的消费群和源源不断的业务收入，让现有的投资发挥最大的效率，从而增加业务收入。途径主要有两个，其一是开拓增值业务，其二是通过管理提高服务能力。
　　NGN网络一个最大的特点是业务驱动网络，那么NGN到底能提供什么有价值的应用业务呢？从目前NGN的资料来看，NGN除可以提供现有PSTN网上的业务外，还可提供诸如统一消息、即时消息、在Web上打电话、开网上会议等等业务。但这些业务实际上有多大的吸引力呢？就拿统一消息来说，国内业务领域目前已经有数十家企业可提供UMS（统一消息系统），先不谈UMS有多少用户用，统一消息不用NGN的技术都可实现，等到NGN出现，它如何从原有市场上将用户争过来呢？同样，在Web上打电话，开网上会议等业务将来也很难吸引用户。
　　NGN兴起的时候似乎很有前景，但经过几年实践证明NGN的前景令人堪忧。前些时候，使用软交换技术的全美第四大本地运营商McLeoUSA和著名的全球IP电话提供商GlobalCrossing已经宣告破产，用软交换提供长途话音的Level3公司经营状况也是举步维艰，这些情况无疑给准备采纳NGN的运营商敲响了警钟。在拉美，Telefonica、巴西电信、CTBC等运营商对设备供应商进行测试后，得到的结论是NGN在技术、标准和产品成熟度方面仍然不能满足大规模运营的要求，因而放缓了NGN的建设脚步。
　　因此，我们在讨论NGN网络及其发展时，一方面要考虑到网络演进方面的技术问题和应采取的策略。同时，我们更应该考虑新技术应用的时机问题和可能带来的经济效益。中国的通信网经过20年的高速发展，越过了世界通信发达国家50年以致更长时间发展的道路，现在我国的通信网在网络技术和网络形态上已与通信发达国家基本持平，我们的网络水平已不是20世纪80年代的水平，为了达到现在这样的网络我们已做了大量的投入。向新一代网络迈进时，我们网络水平已处于世界的前列，如何使现有网络继续发挥作用，如何考虑此时的网络过渡问题将是我们慎重研究的问题。