浅谈基于软交换的下一代网络技术
浅谈基于软交换的下一代网络技术
随着产业界的融合趋势，电话网、计算机网、有线电视网趋于融合，
网络面临的负荷在不断增大，业务需求也趋于多样化，运营商必须提供越来越多的多媒体业务才能吸引住用户，如何建设一个可持续发展的网络，实现数据与语音业务的融合
, 加快面向用户的业务开发节奏及提高其灵活性
,以保证运营商能在未来的数据多媒体业务中分得应有的市场份额，是提出
NGN网络的根本出发点。
NGN 的网络特点
NGN即下一代网络。从发展的角度来看， NGN是从传统的以电路交换为主的 PSTN网络中逐渐迈向以分组交换为主，它承载了原有 PSTN网络的所有业务，把大量的数据传输卸载到 IP网络中以减轻 PSTN网络的重荷，又以 IP技术的新特性增加和增强了许多新老业务。从这个意义上讲， NGN是基于 TDM的 PSTN语音网络和基于 IP/ATM的分组网络融合的产物，它使得在新一代网络上语音、 视频、数据等综合业务成为了可能。从网络功能上看 ,NGN不是今天哪一种网络的简单发展延伸 ,而是三网融合的产物。它不仅将具有今天各种网络的所有功能 ,还将具有网络融合后产生的新功能。 NGN技术实现了业务的融合，吸取网络 (PSTN/ISDN、 PLMN、 IN、 Internet)之间的互通，在全网内快速提供新的语音、数据、图像，融合了 IP、 ATM、 IN和 TDM等众家之长，形成分层的全开放的体系架构。此外 ,在 NGN中还将实现固定网络和移动网络的融合。在网络的体系结构方面 NGN将从今天的 IP网演化形成。首先是网络的 IP化。从终端接入网、城域网到广域网都将实现 IP化。进一步的演化是改进 IP网的结构 ,发展新协议以满足 NGN的要求。
NGN是业务 驱动的网络，是业务独立于网络的网络，将现有网络演变成下一代网络并非一日之工，而原有的网络与新网络并存需相当长的时间，所以新网络还需能够和原有网络互通，这就要求新的网络体系能够完成以下功能：采用 TDM传输网和 SS7信令网互通、与现有的业务 (如智能网提供的业务 )互通和与现有的 PSTN网络体系融合。 NGN通过 网关设备实现与现有网络， 例如 PSTN、 ISDN和 GSM等的互通，同时 NGN也支持现有终端和 IP智能终端， 包括模拟电话、 传真机、 ISDN终端、移动电话、 GPRS终端、 SIP终端、 H.248终端、 MGCP终端、通过 PC的以太网电话、线缆调制解调器等。
NGN是一种融合多种业务的新型目标网络， NGN(下一代网络 )的突出优点是由一系列的关键技术来保障的 , 势必涉及相当多的传统技术和新型协议，如软交换技术、数字处理技术、数字传输技术、路由技术、基于 IP的相关 通信协议等。许多技术和协议还将不断出现，需进一步完善 , 因此研究和建设 NGN是一个探索性、阶段性、艰巨的过程。但 NGN开放的业务平台为其自身发展提供了更广阔的空间 ,而这正是运营商关注的焦点。
NGN 的分层结构
一般认为， NGN在功能上可划分为四个开放的 网络层次：接入和传输层、媒体传送层、控制层、网络业务层各层的功能及部件构成如下 (见图 1)：
1. 接入和传输层
其功能是将各类用户连接至网络，然后集中用户业务将它们传递至目的地，其中包括各种接入手段 ,如宽窄带，移动或固定用户接入等。由各种媒体 网关或智能接入终端设备组成，主要设备有：信令网关 (SG)、中继网关 (TG)、接入网关 (AG)、综合接入设备 (IAD)、无线接入网关 (WAG)、媒体资源 服务器、 H.323网关 (H.323 GW)。
2. 媒体传送层
将信息格式转换成为能够在网络上传递的信息格式。例如：将话音信号分割成 ATM信元或 IP包。此外，媒体层可以将信息媒体流选路至目的地。
3. 控制层
主要涉及软交换相关的功能，完成业务逻辑的具体执行，其中包含呼叫控制，资源管理，接续控制和路由等操作，实现各种信令协议的互通和转换。此层是 NGN的核心神经，决定用户收到的业务，并能控制低层网络元素对业务流的处理。
4. 网络业务层
网络业务层主要负责在呼叫建立的基础上提供各种各样的增值业务控制逻辑相应的网络管理及服务，完成增值业务处理。如业务生成、业务逻辑定义和业务编程接口等。此外，业务层还负责业务相关的管理功能，如业务认证和业务计费等。同时提供开放的第三方可编程接口，易于引入新型业务。业务层由一系列的业务应用 服务器组成，包括： SCP、 AAA服务器、应用服务器、策略服务器。
NGN的核心技术——软交换
软交换技术是实现新一代话音 通信及多媒体和数据交互的核心技术。从应用来说 ,软交换主要是应用在 IP网上的。软交换用在 IP网络是非常自然的，因为 IP网络所需的呼叫控制与承载连接是分开的。软交换是下一代网络呼叫与控制的核心，是 NGN体系结构中的关键技术，其核心思想是硬件 软件化，通过软件来实现原来交换机的控制接续和业务处理等功能，各实体间通过标准化协议进行连接和通信，便于在 NGN中更快地实现各类复杂的协议，更方便地提供业务。是 NGN中语音 /数据 /视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设备。目前软交换主要完成以下功能：媒体 网关接入功能、呼叫控制功能、业务提供功能、互连互通功能、支持开放的业务 /应用接口功能、认证与授权功能、计费功能、资源控制功能和 QoS管理功能、协议和接口功能等。
简单地看，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，由于不同的业务所需要的呼叫控制功能不同，因此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。软交换的重要特点之一是为三方应用提供平台 ,允许用户对系统进行编程，创建新业务，从而不仅增加了服务种类，而且加快了服务应用速度。另外，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。软交换技术体现了业务 /控制与传送 /接入分离的思想，在整个软交换体系中，完成接续、控制功能的信令协议起到核心作用，决定了业务提供能力的强弱。把传输与呼叫控制分离开来，为控制、交换和软件可编程功能建立了分离的平面，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 ,使软交换能无缝软统一于通信数据、传真、视频等多媒体业务。
NGN 的网络特点
NGN即下一代网络。从发展的角度来看， NGN是从传统的以电路交换为主的 PSTN网络中逐渐迈向以分组交换为主，它承载了原有 PSTN网络的所有业务，把大量的数据传输卸载到 IP网络中以减轻 PSTN网络的重荷，又以 IP技术的新特性增加和增强了许多新老业务。从这个意义上讲， NGN是基于 TDM的 PSTN语音网络和基于 IP/ATM的分组网络融合的产物，它使得在新一代网络上语音、 视频、数据等综合业务成为了可能。从网络功能上看 ,NGN不是今天哪一种网络的简单发展延伸 ,而是三网融合的产物。它不仅将具有今天各种网络的所有功能 ,还将具有网络融合后产生的新功能。 NGN技术实现了业务的融合，吸取网络 (PSTN/ISDN、 PLMN、 IN、 Internet)之间的互通，在全网内快速提供新的语音、数据、图像，融合了 IP、 ATM、 IN和 TDM等众家之长，形成分层的全开放的体系架构。此外 ,在 NGN中还将实现固定网络和移动网络的融合。在网络的体系结构方面 NGN将从今天的 IP网演化形成。首先是网络的 IP化。从终端接入网、城域网到广域网都将实现 IP化。进一步的演化是改进 IP网的结构 ,发展新协议以满足 NGN的要求。
NGN是业务 驱动的网络，是业务独立于网络的网络，将现有网络演变成下一代网络并非一日之工，而原有的网络与新网络并存需相当长的时间，所以新网络还需能够和原有网络互通，这就要求新的网络体系能够完成以下功能：采用 TDM传输网和 SS7信令网互通、与现有的业务 (如智能网提供的业务 )互通和与现有的 PSTN网络体系融合。 NGN通过 网关设备实现与现有网络， 例如 PSTN、 ISDN和 GSM等的互通，同时 NGN也支持现有终端和 IP智能终端， 包括模拟电话、 传真机、 ISDN终端、移动电话、 GPRS终端、 SIP终端、 H.248终端、 MGCP终端、通过 PC的以太网电话、线缆调制解调器等。
NGN是一种融合多种业务的新型目标网络， NGN(下一代网络 )的突出优点是由一系列的关键技术来保障的 , 势必涉及相当多的传统技术和新型协议，如软交换技术、数字处理技术、数字传输技术、路由技术、基于 IP的相关 通信协议等。许多技术和协议还将不断出现，需进一步完善 , 因此研究和建设 NGN是一个探索性、阶段性、艰巨的过程。但 NGN开放的业务平台为其自身发展提供了更广阔的空间 ,而这正是运营商关注的焦点。
NGN 的分层结构
一般认为， NGN在功能上可划分为四个开放的 网络层次：接入和传输层、媒体传送层、控制层、网络业务层各层的功能及部件构成如下 (见图 1)：
1. 接入和传输层
其功能是将各类用户连接至网络，然后集中用户业务将它们传递至目的地，其中包括各种接入手段 ,如宽窄带，移动或固定用户接入等。由各种媒体 网关或智能接入终端设备组成，主要设备有：信令网关 (SG)、中继网关 (TG)、接入网关 (AG)、综合接入设备 (IAD)、无线接入网关 (WAG)、媒体资源 服务器、 H.323网关 (H.323 GW)。
2. 媒体传送层
将信息格式转换成为能够在网络上传递的信息格式。例如：将话音信号分割成 ATM信元或 IP包。此外，媒体层可以将信息媒体流选路至目的地。
3. 控制层
主要涉及软交换相关的功能，完成业务逻辑的具体执行，其中包含呼叫控制，资源管理，接续控制和路由等操作，实现各种信令协议的互通和转换。此层是 NGN的核心神经，决定用户收到的业务，并能控制低层网络元素对业务流的处理。
4. 网络业务层
网络业务层主要负责在呼叫建立的基础上提供各种各样的增值业务控制逻辑相应的网络管理及服务，完成增值业务处理。如业务生成、业务逻辑定义和业务编程接口等。此外，业务层还负责业务相关的管理功能，如业务认证和业务计费等。同时提供开放的第三方可编程接口，易于引入新型业务。业务层由一系列的业务应用 服务器组成，包括： SCP、 AAA服务器、应用服务器、策略服务器。
NGN的核心技术——软交换
软交换技术是实现新一代话音 通信及多媒体和数据交互的核心技术。从应用来说 ,软交换主要是应用在 IP网上的。软交换用在 IP网络是非常自然的，因为 IP网络所需的呼叫控制与承载连接是分开的。软交换是下一代网络呼叫与控制的核心，是 NGN体系结构中的关键技术，其核心思想是硬件 软件化，通过软件来实现原来交换机的控制接续和业务处理等功能，各实体间通过标准化协议进行连接和通信，便于在 NGN中更快地实现各类复杂的协议，更方便地提供业务。是 NGN中语音 /数据 /视频业务呼叫、控制、业务提供的核心设备。目前软交换主要完成以下功能：媒体 网关接入功能、呼叫控制功能、业务提供功能、互连互通功能、支持开放的业务 /应用接口功能、认证与授权功能、计费功能、资源控制功能和 QoS管理功能、协议和接口功能等。
简单地看，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，由于不同的业务所需要的呼叫控制功能不同，因此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。软交换的重要特点之一是为三方应用提供平台 ,允许用户对系统进行编程，创建新业务，从而不仅增加了服务种类，而且加快了服务应用速度。另外，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。软交换技术体现了业务 /控制与传送 /接入分离的思想，在整个软交换体系中，完成接续、控制功能的信令协议起到核心作用，决定了业务提供能力的强弱。把传输与呼叫控制分离开来，为控制、交换和软件可编程功能建立了分离的平面，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 ,使软交换能无缝软统一于通信数据、传真、视频等多媒体业务。
软交换结合了传统话音网络的可靠性和
IP技术的灵活性、有效性和开放性等优点，使得传统电信运营商和新兴运营商都十分看好这一技术的发展前景。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。软交换技术已成为业界的新热点，它的出现使语音网络走向开放的新型体系架构。作为下一代网络交换核心的
SoftSwitch，结合了传统的电话网络的可靠性和
IP技术的灵活性及有效性的优点，是新兴运营者进入语音市场的新的技术手段，也是传统语音网络向分组语音演进的方式，由其所形成的系列网络设备将对我国电信网的演进以及利用
IP网络提供丰富的业务起重要的作用，具有广阔的发展前景。
NGN的几个重要协议
在 通信系统中，控制是通过协商解决的，相应的就须有协议。在 NGN体系结构中，软交换作为控制中心 ,正是通过支持 MGCP、 H.248/MEGACO、 SIP等多种协议实现的。
1.MGCP
MGCP是由 IETF的 MEGACO工作组较早定义的媒体 网关控制协议。在软交换系统中， MGCP主要用于从功能的角度定义软交换和媒体网关或软交换与 MGCP终端之间的行为 ,软交换通过此协议控制媒体网关 /MGCP终端上的媒体 /控制流的连接、建立和释放。它的实现比较简单，没有 H.248那样对包和属性的详细定义，事件交互的机制也比较简单。因此， MGCP具有实现简单等特点，但其互通性和支持业务的能力受到限制。
2.H.248/MEGACO
H.248/MEGACO协议是由 IETF的 MEGACO工作组制定的 ,后被 ITU-T SG16采纳形成了 ITU-T H.248建议 , 是在 MGCP(媒体网关控制协议 )协议 (RFC2705)的基础上 ,结合了其他媒体网关控制协议的一些特点发展而成。此协议提供了控制媒体网关 /H.248终端上的媒体 /控制流的建立、连接、释放的命令与保证这些命令执行的机制 ,同时也可以携带一些随路呼叫信令。 在解决了 H.323的复杂，伸缩性差等缺点之后 ,H.248/MEGACO因其功能灵活、支持业务能力强而受到重视，而且不断有新的附件补充其能力，得到了广泛的厂商支持 ,是目前媒体网关和软交换之间的主流协议，目前国内通信标准推荐软交换和媒体网关之间应用 H.248协议。
3.SIP
SIP协议是一种基于 UDP/IP技术的应用层协议。在 RFC2543协议文本上仅对 SIP作了应用层的描述，规定了 SIP协议可以承载在 UDP/IP上，对具体的底层实现技术完全不必理睬。 SIP是完全基于文本的明文协议，一切的控制包无须专门的、昂贵的解码仪表即能人工肉眼看懂。 SIP协议非常简单，仅有 6条命令 (INVITE、 ACK、 BYE、 CANCEL、 OPTION、 REGISTER)，返回代码和 HTTP协议基本一样。 SIP最大的特点是仅需利用已定义的消息头字段 ,对其进行简单必要的扩充就能很方便地支持各项新业务和智能业务 ,具有很强的灵活性和扩充性。由于实现起来非常方便，效率高，维护成本也相对较低，据调查、在各大设备制作厂商的开发计划中 ,支持 SIP协议的厂商正大辐度增加。 SIP协议已被广泛接受为包括 3G移动多媒体在内的多媒体业务与应用的核心协议。目前 SIP本身的主体协议 (RFC2543)已经完成，可以完成大部分的多媒体呼叫控制功能， SIP的补充协议草案在制订和讨论中。
NGN网络 建设中需要关注的问题
任何新技术在开始应用时都不是十全十美的，需要经过试验发现问题，并加以完善。 NGN是一种全新的网络，其建设必然存在一些问题：
1. 体系结构和协议标准的兼容性与不成熟问题 ;
2. 没有令人满意的网络控制和端到端的 QoS全程保证问题 ;
3. 业务平台开发问题 ;
4. 网络管理问题 ;
5. 网络 安全性问题 ;
6. 如何组建大网问题 ;
7. 如何实现私网穿透问题 ;
8. 其它问题，如会晤和呼叫管理 (包括用于计费、统计和故障监视的可靠的事件记录等 )，支持紧急呼叫业务和优先服务的机制， API接口技术， IP地址分配等。
这些技术问题都有待我们去进一步研究。 NGN网络与现有网络的运营模式也有很大区别，这一点非常重要。运营商与设备供应商应当一起冷静地解决这些问题，并积极进行试验，不断加以完善。 IETF组织已经提出了多种模型，我们相信开放的网络体系架构和灵活的业务平台将是发展的方向。
结束语
NGN技术的出现使得运营商们纷纷开始投入对下一代 网络的研究和试探。国外国内多家运营商正在积极进行 NGN网络实验和试运营。目前 ,西门子、阿尔卡特、北电网络、中兴等不少设备供应商都推出了下一代网络的解决方案。可以说， NGN蕴含着巨大的商业利益， NGN对现有网络的改造将很大程度上增强网络的竞争力，同时 NGN中的多媒体业务将是各大运营商的利润增长点。随着产品、技术、标准和网络运营的不断成熟，相信在不久的将来， NGN必然会成为网络建设的主流。
NGN的几个重要协议
在 通信系统中，控制是通过协商解决的，相应的就须有协议。在 NGN体系结构中，软交换作为控制中心 ,正是通过支持 MGCP、 H.248/MEGACO、 SIP等多种协议实现的。
1.MGCP
MGCP是由 IETF的 MEGACO工作组较早定义的媒体 网关控制协议。在软交换系统中， MGCP主要用于从功能的角度定义软交换和媒体网关或软交换与 MGCP终端之间的行为 ,软交换通过此协议控制媒体网关 /MGCP终端上的媒体 /控制流的连接、建立和释放。它的实现比较简单，没有 H.248那样对包和属性的详细定义，事件交互的机制也比较简单。因此， MGCP具有实现简单等特点，但其互通性和支持业务的能力受到限制。
2.H.248/MEGACO
H.248/MEGACO协议是由 IETF的 MEGACO工作组制定的 ,后被 ITU-T SG16采纳形成了 ITU-T H.248建议 , 是在 MGCP(媒体网关控制协议 )协议 (RFC2705)的基础上 ,结合了其他媒体网关控制协议的一些特点发展而成。此协议提供了控制媒体网关 /H.248终端上的媒体 /控制流的建立、连接、释放的命令与保证这些命令执行的机制 ,同时也可以携带一些随路呼叫信令。 在解决了 H.323的复杂，伸缩性差等缺点之后 ,H.248/MEGACO因其功能灵活、支持业务能力强而受到重视，而且不断有新的附件补充其能力，得到了广泛的厂商支持 ,是目前媒体网关和软交换之间的主流协议，目前国内通信标准推荐软交换和媒体网关之间应用 H.248协议。
3.SIP
SIP协议是一种基于 UDP/IP技术的应用层协议。在 RFC2543协议文本上仅对 SIP作了应用层的描述，规定了 SIP协议可以承载在 UDP/IP上，对具体的底层实现技术完全不必理睬。 SIP是完全基于文本的明文协议，一切的控制包无须专门的、昂贵的解码仪表即能人工肉眼看懂。 SIP协议非常简单，仅有 6条命令 (INVITE、 ACK、 BYE、 CANCEL、 OPTION、 REGISTER)，返回代码和 HTTP协议基本一样。 SIP最大的特点是仅需利用已定义的消息头字段 ,对其进行简单必要的扩充就能很方便地支持各项新业务和智能业务 ,具有很强的灵活性和扩充性。由于实现起来非常方便，效率高，维护成本也相对较低，据调查、在各大设备制作厂商的开发计划中 ,支持 SIP协议的厂商正大辐度增加。 SIP协议已被广泛接受为包括 3G移动多媒体在内的多媒体业务与应用的核心协议。目前 SIP本身的主体协议 (RFC2543)已经完成，可以完成大部分的多媒体呼叫控制功能， SIP的补充协议草案在制订和讨论中。
NGN网络 建设中需要关注的问题
任何新技术在开始应用时都不是十全十美的，需要经过试验发现问题，并加以完善。 NGN是一种全新的网络，其建设必然存在一些问题：
1. 体系结构和协议标准的兼容性与不成熟问题 ;
2. 没有令人满意的网络控制和端到端的 QoS全程保证问题 ;
3. 业务平台开发问题 ;
4. 网络管理问题 ;
5. 网络 安全性问题 ;
6. 如何组建大网问题 ;
7. 如何实现私网穿透问题 ;
8. 其它问题，如会晤和呼叫管理 (包括用于计费、统计和故障监视的可靠的事件记录等 )，支持紧急呼叫业务和优先服务的机制， API接口技术， IP地址分配等。
这些技术问题都有待我们去进一步研究。 NGN网络与现有网络的运营模式也有很大区别，这一点非常重要。运营商与设备供应商应当一起冷静地解决这些问题，并积极进行试验，不断加以完善。 IETF组织已经提出了多种模型，我们相信开放的网络体系架构和灵活的业务平台将是发展的方向。
结束语
NGN技术的出现使得运营商们纷纷开始投入对下一代 网络的研究和试探。国外国内多家运营商正在积极进行 NGN网络实验和试运营。目前 ,西门子、阿尔卡特、北电网络、中兴等不少设备供应商都推出了下一代网络的解决方案。可以说， NGN蕴含着巨大的商业利益， NGN对现有网络的改造将很大程度上增强网络的竞争力，同时 NGN中的多媒体业务将是各大运营商的利润增长点。随着产品、技术、标准和网络运营的不断成熟，相信在不久的将来， NGN必然会成为网络建设的主流。