第一部分-基础篇-第一章：PSTN与VOIP（上篇）

序言

  今天是2023年5月25日，自从2022年6月毕业，已经快一年了。时间如梭，接触FreeSWITCH将近两年，从今天开始正是整理自己的学习笔记，学习资料来源《FreeSWITCH权威指南》-作者杜金房这本书。目标是2天已更新，加油吧！

本笔记仅供个人学习和研究使用，任何商业行为或者从中获利行为均属于侵权行为。若有侵权请及时联系作者删除。

引言：什么是VOIP和PSTN

• VoIP的英文原意是Voice Over IP,即承载于IP网上的语音通信
• PSTN(Public Switched Telephone Network,公共交换电话网)就是我们日常打电话所使用的 电话网络 。

1.1 PSTN起源与发展

  在漫长的通信历史长河中，PSTN及电话交换技术的发展经历了很多阶段，如从直接控制到间接控制再到公共控制、从人工交换到自动交换、从电子交换到程控交换、从模拟到数字、从电路交换到分组交换、从“硬”交换到软交换等。下面我们分别介绍

1.1.1 最早的电话网

在同一时间只能有一个用户讲话 (半双工)。

发话方通过话音振动来激励电炭精麦克风从而产生电信号，电信号传到远
端后通过振动对方的扬声器发声，从而传到对方的耳朵里。

缺点：每个人通话就要拉一条线，很复杂

  如果整个电话网上有10个人，而某人想与另外9个人通话，他就需要铺设9对电话线。同时整个电话网上就需要10×(10-1)/2=45对电话线

1.1.2 人工电话交换时代

为了解决上述的问题提出的解决方案

  随着时代的发展，对电话有需求的用户越来越多，甚至普通家庭都希望拥有自己的电话。但是，为每对欲通话的家庭之间都铺设电话线是不可能的。因此，一种称为交换机(Switch,又称Exchange)的设备诞生了。它位于整个电话网的中心，用于连接每个用户。用户想打电话时，先拿起电话连接到管理交换机的接线员，由接线员负责接通到对方的线路。这便是最早的电话交换网(见图1-2),交换接续工作全部由人工完成。通过使用交换机，交换网上需要的线路大大减少了

缺点： 这个解决方案把接线员累坏了，导致了效率低下，满足不了了人们的需求

1.1.3自动电话交换时代

为了解决上述的问题提出的解决方案

1. 1889年到1891年期间，美国阿尔蒙·B·史端乔(Almon B Strowger)发明了步进式自动电话交换机–>这种交换机的特点是由用户话机的拨号脉冲直接控制交换机的动作，属于“直接控制”方式。
   
2. 以后，又出现了旋转式和升降式的交换机。这类交换机采用了一个称为“记发器”的部件来接收用户的拨号脉冲，然后将其通过译码器译成电码来控制接线器的动作，这属于“间接控制”方式。在采用记发器后，增加了选择的灵活性，从而使交换机的容量得到了提高
   4. 1919年，瑞典的电话工程师帕尔姆格伦和贝塔兰德发明了“纵横制接线器”(见图1-5),并申请专利–>这种交换机将过去使用滑动摩擦方式的触点改成了压接触，减少了磨损，从而提高了交换机的寿命
   
   瑞典和美国分别在1926年和1938年开通了纵横制交换机，接着，法国、日本和英国也相继生产出纵横制交换机。

1.1.4半电子交换机时代

  随着电子技术，尤其是半导体技术的迅速发展，人们开始在交换机内引入电子技术，产生了电子交换机。由于当时技术条件的限制，仅在控制部分引入了电子技术，而话路部分在较长的一段时间内仍然采用机械触点。这种交换机一般称为半电子交换机或准电子交换机(区别是后者采用了速度较快的笛簧接线器)

1.1.5空分交换机时代

  1946年，第一台由存储程序控制的电子计算机诞生，这对现代科学技术起到了划时代的作用。通过在交换机中引入“存储程序控制”的概念，1965年5月， 美国贝尔系统 的1 号电子交换机(ESS No.1)问世了，这是世界上第一部开通使用的程控电话交换机。当时的交换机话路部分还保留了机械触点，以“空分”方式工作，因此称为空分交换机。并且，它交换的还是模拟信号。

1.1.6 数字交换机时代

  20世纪60年代初以来，脉冲编码调制(PCM)技术成功地应用于传输系统中，它通过将“模拟”的信号数字化，提高了通话质量、增加了传输距离，同时，节约了许多线路成本。1970年，法国开通了世界上第一部程控数字交换机E10,开始了数字交换的新时代。

1.1.7现代PSTN时代

  随着技术的进步和人们对通信要求的增加，世界上许许多多的交换机间也需要相互通信，这些交换机之间通过中继线(Trunk)相连，随着电子交换机和程控交换机的发展，便出现了现代意义的PSTN网络。PSTN网络把世界上各个角落的人们都联系在了一起，很显然，有时一个通话需要穿越好多台交换机。

  20世纪70年代后期出现了蜂窝式移动电话(当移动电话小到可以拿在手里的时候就开始叫“手机”了)系统，这是无线电话发展的里程碑。而在此之前，虽然无线电通信是在1895年发明的，但无线电话却是在20世纪初发明了真空三极管之后才出现的。1915年首次成功地实现了跨越大西洋的无线电话通信；1927年在美国和英国之间开通了商用无线电话。移动电话的出现，扩展了PSTN网络的能力和范围，对PSTN网络的影响极其深远。

  专门用于移动电话交换的通信网络称为移动网，而原来的程控交换网则称为固定电话网，简称固网。简单来说，移动网就是在普通固网的基础上增加了许多基站(Base Station,可以简单理解为天线),并增加了归属位置寄存器(Home Location Register,HLR)和拜访位置寄存器(Visitor Location Register,VLR),以记录用户的位置(在哪个天线的覆盖范围内)、支持异地漫游等。移动交换中心称为MSC(Mobile Switch Center)。

1.1.8 下一代网络及VoIP时代

  同时，在无线移动通信领域，随着移动通信技术的成熟及众多智能终端的出现，对高速IP网络的要求也就越来越迫切。最新的3G●、4G@技术就是应此要求而产生的。未来的通信中要完全取消低效的电路传输及电路交换，而全部集中到IP通信上来，也就催生了一个新的无线通信标准LTE⑧。LTE的定义是长期演进而来的，其为现代的手机及其他移动设备提供了高速的数据通信手段，逐步实现了全IP交换。

  关于通信网络的演进，简单来说，在无线方面体现为从GSM/CDMA/UMTS等向LTE 发展，在核心网方面则体现为从电路交换向IMS发展。过去几年，围绕LTE语音曾经出现过多种观点、技术和演进路线。由于LTE标准不再支持用于支撑GSM、UMTS和CDMA2000网络下语音传输的电路交换技术，它只能进行全IP网络下的分组交换，因此随着LTE网络的部署，运营商需选择VoLTE日、CSFBE、SVLTEO、OTT@等方法之一解决LTE网络中的语音传输问题。从目前来看，移动网络庞大且复杂，在网络建设初期大部分运营商都选择使用CSFB方式建设网络，这种方式便于快速部署系统。当然，CSFB只是过渡时期的临时解决方案。从长远来看，VoLTE及其他几种方案更符合未来网络的发展方向。据报道，中国移动已于2013年6月发布了VoLTE技术白皮书，并计划于2014年下半年展开大规模商用。未来通信网络将走向何方，让我们拭目以待。

1.2 电话实现技术

  电话系统的发展与科技的进步是分不开的。在本节，我们来介绍一些关键的电话技术及专业术语。

1.2.1 电话号码

1.固定电话号码

固定的手机号码

2.移动电话号码和专用号段

  手机号和一些特殊的手机号码

3.短号码

  有一类特殊的号码称为短号码，如大家熟知的110、119、120等，这些属于公益性的号码(又称紧急号码，供紧急情况下使用),拨打都是免费的。

4.800和400号码

  800开头的号码是被叫付费的业务，主叫呼叫这些号码是免费的。这些号码主要由一些大的企业集团使用。这类号码都是虚拟的电话号码，在实际呼叫过程中通过查询数据库转换成真正的目的号码。

  但是800号码有一个致命的缺点，就是用手机打不通，这主要是电信业务的历史原因(主要原因是不同运营商的网间结算)造成的。随着移动业务的发展，手机用户越来越多，因此，出现了400业务。这类业务的特点是主被叫分摊付费，主叫付本地通话费，被叫付长途电话费(如果主被叫不在一个城市)。400业务是手机用户可以呼叫的。

  当然，随着时代的发展，以及各运营商提供更加灵活的话务套餐(如主叫免收长途费等),主叫用户对拨打这类号码时对实际资费已不太敏感。拥有800和400之类的电话号码越来越多地成为了企业实力和社会形象的标志。

5.北美电话号码分类计划

6.电话号码的书写格式

1.2.2模拟信号与数字信号

  模拟(Analog)量是连续的变化的量，如温度、声音等。早期的电话网也是基于模拟交换的。对于人类交流来讲模拟信号是非常理想，但它很容易引入噪声。如果通话双方距离很远，信号会衰减，因而需要对信号进行放大。问题是，信号中经常混入线路的噪声，放大信号的同时也放大了噪声，导致信噪比(信号量与噪声的比例)下降，严重时甚至会难以分辨。

  数字(Digital)信号是不连续的(离散的),是按一定的时间间隔(单位时间内抽样的次数称为频率)对模拟信号进行抽样(见图1-6)得出的一些离散值。然后通过量化和编码过程就可将这些离散值变成数字信号。根据抽样定理θ,当抽样频率是模拟信号最高频率的2 倍时，就能够完全还原原来的模拟信号。

1.2.3 PCM (脉冲编码调制)

  PCM(Pulse Code Modulation)的全称是脉冲编码调制。它是一种通用的将模拟信号转换成以0和1表示的数字信号的方法。

  一般来说，人的声音频率范围在300~3400Hz之间，通过滤波器将超过4000Hz的频率过滤出去，便得到4000Hz内的模拟信号。然后根据抽样定理，使用8000Hz进行抽样，便得到离散的数字信号。使用PCM方法得到的数字信号就称为PCM信号，一般一次抽样会得到16bit的信息。

  PCM通常有两种压缩方式：

  A律和μ律。

  其中北美使用μ律，我国和欧洲使用A律律。这两种压缩方法很相似，都采用8bit的编码获得12bit到13bit的语音质量⑨。但在低信噪比的情况下，μ律比A律略好。A律也用于国际通信，因此，凡是涉及A律和μ律转换的情况，都由使用μ律的国家负责。

1.2.4 局间中继与电路复用技术

  连接交换机(局)的E1或T1电路称为局间中继。交换机间的消息以及通话数据都是在局间中继上传送的，传统的交换机使用时分复用(TDM)技术将多路通话合并到一条数字中继线上，可以大大节省局间中继线的数量。

  利用时分复用技术可以将32个64kbit/s的信道合并到一条2Mbit/s(64kbit/s×32=2.048Mbit/s,通俗来说就直接叫一个两兆)的电路上，这样的电路称为一个E1(在北美和日本，是24个64kbit/s复用，称为T1,速率是1.544Mbit/s)。在E1中，每一个信道称为一个时隙。其中，除0时隙固定传同步时钟外，其他31个时隙最多可以同时支持31路电话(有时候会使用第16时隙传送信令，这时最多支持30路电话)。

  随着话务量的增加，交换机之间的电路越开越多，因而需要更高级别的电路复用技术。目前通常的做法是将63个E1合并到一个155Mbit/s(2×63+P=155,其中P是电路复用的开销)速率的光路(光纤)上，在SDH(Synchronous Digital Hierarchy,同步数字传输体系)技术中这称为STM-1(Synchronous Transfer Module,同步传输模块)。

  当然，155Mbit/s速率的光路还可以使用波分复用等技术合并到1Gbit/s或10Gbit/s速率的光路上，实现话路收敛和传输。

1.3 我国电话网结构

  我国的电话网由本地网与长途网组成，并通过国际交换中心进入国际电话网。

1.4 信令

  信令：通俗的来说就是信息，消息。比如说用户的信息，手机号码的信息，中继路由的信息，我们把它起了一个好听的名字，叫做信令：

1.4.1信令分类

(1)按信令的功能分

• 线路信令：具有监视功能，用来监视主被叫的摘、挂机状态及设备忙闲。
• 路由信令：具有选择功能，指主叫所拨的被叫号码，用来选择路由。
• 管理信令：具有操作功能，用于电话网的管理和维护。

(2)按信令的工作区域分

• 用户线信令：是用户终端与交换机之间的信令。它包括用户状态(摘、挂机)信号、用户拨号(脉冲、DTMF)所产生的数字信号，以及交换机向用户终端发送的信号(铃流、信号音)。
• 局间信令：是交换机和交换机之间的信令，在局间中继线上传送，用来控制呼叫接续和拆线。

(3)按信令的信道分

按照信道的不同，信令可以分为以下两种：

• 随路信令：信令和话音在同一条话路中传送。
• 公共信道信令：以时分方式在一条高速数据链路上传送一群话路。
  随路信令传送速度慢，信息容量有限(传递与呼叫无关的信令能力有限);公共信道信令传送速度快、容量大，具有改变或增加信令的灵活性，便于开放新业务。

(4)其他分类

  另外，信令还可分为带内信令和带外信令、模拟信令和数字信令、前向信令和后向信令、线路信令和记发器信令等

1.4.2用户线信令

  从用户终端(通常是话机)到端局交换机之间经常需要传送一些控制信息，如用户摘机、挂机、拨号、主叫号码显示等，这些信息称为用户线信令。用户线信令可以通过模拟或数字信号传递。

1.4.3局间信令

  交换机与交换机之间也需要传送控制信号，用于话路的建立、释放等，这些控制信号就称为局间信令

1.4.4七号信令

  七号信令（Signaling System No. 7, SS7 ）是我国目前使用的主要信令方式，用于局间通信。我国的电话网络中有专门的七号信令网。

下面是是通话的过程也就是七号信令的过程

• IAM （Initial Address Message,初始地址消息）
• ACM （Adress Complete Message, 地址全消息）
• ANC （Answer Charge,应答计费消息）
• CLF （Clear Forward,前向释 放消息）
• RLG （ReleaseGard,释放监护消息）
• CBK （ Clear Backword,后向释放消息）

上面在交换机A与B之间传递的为七号信令中的TUP （ Telephone User Part,电话用户 部分）。目前，由于ISUP （ISDN User Part, ISDN用户部分）能与ISDN互联并提供比TUP 更多的能力和服务，故其已基本取代TUP成为我国七号信令网采用的主要信令方式。

1.4.5 H.323与SIP信令

  H.323与SIP属于VoIP领域的通信信令，它们适用于用户线信令和局间信令，由于IP终端比普通话机更加智能，因此这些信令在用户线信令及局间信令使用方式上已没有太大区别。

• H.323是ITU多媒体通信系列标准H.32x的一部分，该系列标准使得在现有通信网络上进行视频会议成为可能。H.324是在GSTN和无线网络上进行多媒体通信的标准。H.323为现有的分组网 络PBN （如IP网络）提供多媒体通信标准，若和其他的IP技术（如IETF的资源预留协议 RSVP）相结合，就可以实现IP网络的多媒体通信
• SIP （ Session Initiation Protocol,会话发起协议）是由IETF （Interne工程任务组）提出的1P电话信令协议。正像其名字所隐含的那样，SIP用于发起会话，它能控制多个参与者参加的多媒体会话的建立和终结，并能动态调整和修改会话属性，如会话带宽要求、传输的 媒体类型（语音、视频和数据等）、媒体的编解码格式、对组播和单播的支持等。

总结

  H.323和SIP设计之初都是作为多媒体通信的应用层控制（信令）协议，目前一般用于 IP电话。

• H.323是电信领域的，就想告诉大家以前传统的拉电话线的座机电话和手机电话，现在通过IP网络进行通话了，发展史比较早
• SIP是Internet领域，发展的比较晚，但是借鉴了其他Internet标准和协议的设计思想，告诉大家IP通话不是以前的电话了，而是软件上面的一个功能，只不过有了明文的的信令和规则

具体的区别

• SIP是基于文本的协议，而H.323釆用基于ASN.1和压缩编码规则的二进制方法表示 其消息，因此，SIP对以文本形式表示的消息的词法和语法分析比较简单。
• SIP会话请求过程和媒体协商过程等是一起进行的，因此呼叫建立时间短，而在 H.323中呼叫建立过程和进行媒体参数等协商的信令控制过程是分开进行的。
• H.323为实现补充业务定义了专门的协议，如H.450.1, H.450.2和H.450.3等，而 SIP只要充分利用已定义的头域，必要时对头域进行简单扩展就能很方便地支持补充 业务或智能业务。
• H.323进行集中、层次式控制。尽管集中控制便于管理（如便于计费和带宽管理等）, 但是当用于控制大型会议电话时，H.323中执行会议控制功能的多点控制单元很可能 成为瓶颈。而SIP类似于其他的Internet协议，设计上为分布式的呼叫模型服务，具 有分布式的组播功能。

1.5 媒体

  信令主要传输一些控制信号，而通信双方需要听到的是对方的语音数据，这些语音数据就称为媒体（Media），还有语音，还有视频、文 字信息（短消息）、传真等。

  在SIP通信中，除文字外，媒体都是在RTP协议中传输的。由于媒体一般都是持续传输的，因此又称RTP流。