第三章 软交换网关技术

53第三章软交换网关技术3.1概述以软交换为核心、IP/ATM为骨干网的下一代网络将是一种融合的网络，它不仅能够实现传统的电信网络、计算机网络和有线电视网的融合，也将实现固定和移动网络的融合。现行的各种网络将作为边缘网络并通过一个称作网关的技术接入到IP骨干网，从而实现全网的融合。网关的作用就是完成两个异构网络之间信息(包括媒体信息和用于控制的信令信息)的相互转换，以便一个网络中的信息能够在另一网络中传输。完成信息传送媒体间相互转换的设备称作媒体网关，媒体网关是将一个网络中传送信息的媒体格式转换另一网络所要求的媒体格式的设备。例如媒体网关能够在电路交换网和分组网的媒体流之间进行转换，可以处理音频、视频或T.120，也具有处理三者任意组合的能力，能够进行全双工的媒体翻译，可实现IVR、媒体会议等功能。媒体网关的作用主要是负责将各种用户或网络的媒体流综合地接入到IP核心网中，媒体网关包括中继网关、接入网关、住户网关等，设备本身并没有明确的分类，任何一类媒体网关都将遵循开放的原则并具体实现某一类或几类媒体转换和接入功能，接受软交换的统一管理和控制。按照媒体网关设备再在网络中的位置，其主要作用可分类如下：•中继网关：主要针对传统的PSTN/ISDN中C4或C5交换局媒体流的汇接接入，将其接入到ATM或IP网络，实现VoATM或VoIP功能。•接入网关：接入网关负责各种用户或接入网的综合接入，如直接将PSTN/ISDN用户、以太网用户、ADSL用户或V5用户接入。这类接入网关一般放置在靠近用户的端局，同时它还具有拨号Modem数据业务分流的功能。•住户网关：从目前的情况看，放置在用户住宅小区或企业的媒体网关主要解决用户话音和数据(主要指Internet数据)的综合接入，未来可能还会解决视频业务的接入。信令网关是No.7信令网与IP网的边缘接收和发送信令消息的信令代理，信令网关的功能主要完成信令消息的中继、翻译或终接处理。信令网关功能可以和媒体网关功能集成在一个物理实体中，处理由媒体网功能控制的与线路或中继终端有关的信令消息。3.2网关技术演进Internet网的发展促进了VoIP技术的发展。VoIP技术从具有语音服务的PC级产品到限定在IP网络内部的通话，进而发展到通过Internet网传送具有较好服务质量的话音、传真和数据业务，促进了传统的电信网络和Internet网的融合。众所周知，H.323网络就是基于VoIP技术的IP电话网络之一，它实现了PSTN和IP网络的融合。由于IP网络和PSTN54网络存在三个基本不同之处：第一，两种网络的地址解决方案不同。在PSTN中以E.164地址方案来表示端点，而IP网络使用的地址有IP地址、域名系统(DNS)和统一资源定位标识符等；第二，两种网络的话音编码方式不同。PSTN使用G.711编码，而IP网络则需要压缩编码，如G.729；第三，两种网络使用的信令协议不同。PSTN主要的信令协议是No.7信令，而IP网络最著名的信令解决方法有H.323和SIP协议。PSTN和IP网络的这些差别，需要一个功能实体来适配，该功能实体就是网关。网关的引入，促进了IP电话系统的发展，为PSTN用户节省了长途电话费用。为了建立PSTN和Internet之间的连接，网关不但要执行媒体格式转换，还要进行信令转换，而且需要控制内部资源以便为每个呼叫建立内部的话音通路。网关的这种结构对于IP电话系统的大规模部署具有相当的制约，主要表现为：·扩展性：运营商期望未来的IP电话系统能支持数百万用户，但现有网关大多只能支持几千用户。其原因是网关既要支持媒体变换，又要支持媒体控制和信令，功能过于复杂；·和PSTN的无缝融合：运营商和用户都希望未来的IP电话的使用方法和传统的PSTN完全相同，但现有IP电话系统均要求进行二次拨号，即先拨业务接入码和网关相接，然后才能拨被叫用户号码；·可用性：运营商要求系统业务中断时间和PSTN相仿，每年仅几分钟，但现有的网关结构缺乏故障保护机制，难以满足此要求；·No.7信令能力：运营商期望目前由7号信令网提供给PSTN用户的各种业务也能提供给IP电话用户，但现有许多网关，尤其是ISP提供的网关尚不能支持7号信令。因此，网关体系结构的突破势在必行，网关功能分解已成为当前最佳解决方案。3.2.1网关功能分解IETF的RFC2719给出了网关的总体模型，将网关的特征分为三个功能实体：媒体网关(MG)功能、媒体网关控制(MGC)功能和信令网关(SG)功能，如图3.1所示。信令网关功能媒体网关控制功能媒体网关功能IP电话信令RTP流SS7信令媒体流IP网络PSTN图3.1分离的网关功能实体媒体网关功能在物理上一端终接于PSTN电路，另一端则是作为IP网络路由器所连接的终端。媒体网关功能的主要目的是将一个网络中的比特流转换为另一种网络中的比特流，并且在传输层和应用层都需要进行这种转换。在传输层，一方面要进行PSTN网络侧的复用功能，另一方面还要进行IP网络侧的解复用功能。这是因为在PSTN网络中，多个语音通路以时分复用机制(TDM)复用为一个帧的，而IP网则将话音通路封装在实时传输协议(RTP)的净负荷中；在应用层，PSTN和IP网络的语音编码机制不同，PSTN主要采用G.711编码，而IP网络采用语音压缩编码以减少每个话路占用的带宽。这就导致了两个结果：语55音质量的降低和时延的增加。因此，媒体网关功除了利用IP网络中提供的用来提高QoS的技术外，还具有支持IP网流量旁路或其它增强功能，如播放提示音、收集数字和统计等。实际上，这些增强功能还可以进一步被旁路到一个专用的设备中。信令网关(SG)功能负责网络的信令处理，如它可以将No.7信令的ISUP消息转换为H.323网络中的相应消息。信令网关功能一方面通过IP协议和媒体网关控制器(MGC)功能进行通信，另一方面通过NO.7和PSTN进行通信。根据应用模型的不同，信令网关的作用也有所不同。在中继网关应用模型中，信令网关功能的作用仅仅是将信令以隧道的方式传送到媒体网关控制器中，由后者进行信令的转换。媒体网关控制器功能控制整个网络：监视各种资源并控制所有连接，也负责用户认证和网络安全；媒体网关控制器功能发起和终接所有的信令控制。实际上，媒体网关控制器功能主要进行信令网关功能的信令翻译。在很多情况下，媒体网关控制器功能和信令网关功能集成在同一个设备中。3.2.3网关功能互连体系结构媒体网关功能、信令网关功能和媒体网关控制器功能能够以不同的方式进行组合。媒体网关单元(MGU)是包含媒体网关功能的物理实体，信令网关单元(SGU)则是信令网关功能的物理实体，而媒体网关控制单元(MGCU)是媒体网关控制器功能的物理实体。根据所要求的功能和使用位置的不同，下一代网络中将存在不同的网关组织类型。中继网关，它将长途交换机连接到IP路由器，应该有NO.7信令接口，并且能够管理大量的连接（PSTN侧的64kbps链路和IP侧的RTP流）。中继网关的用途是利用IP网络的分组媒体流传送来替代PSTN的长途中继链路，实现“电话到电话的呼叫”。接入网关，通过接入接口（如用户网络接口UNI）将电话连接到IP路由器，用来支持“计算机到电话”或者“电话到计算机”以及“电话到电话”呼叫。例如，网络接入服务器(NAS)可以通过ISDN接口将长途交换机和IP路由器连接在一起。用户驻地媒体网关，能将模拟电话连接到IP路由器。总的来说，用户驻地媒体网关支持的用户数目较少，且位于离用户比较近的地方。用户驻地网关的目的是为了扩大IP网络的使用。智能网平台SS7信令网SGUMGUMGCU/SoftswitchPSTNIPSS7信令RTP流ISUP/SCTP/IPMEGACO/TCP|UDP/IPSIP/UDP|TCP/IPorH.323/TCP/IPSGU信令网关单元MGU媒体网关单元MGCU媒体网关控制单元Softswitch软交换图3.2PSTN和IP网络互连的体系结构网关三个功能分离的结果是在其功能实体之间需要引入新的接口，如MGC和SG之56间、MGC和MG之间都需要新的接口进行通信。MGC和MG之间的接口协议用于媒体网关控制器控制媒体网关，如呼叫控制、连接控制和资源分配等。ITU-T和IETF联合开发的H.248/MEGACO协议用于MGC对MG的控制。MGC和SG之间的接口协议能够在IP网络中传输NO.7信令，比较有名的是IETF的信令传输组(SIGTRAN)制订的SCTP协议。图3.2是根据网关功能分离建立的网络体系结构。图3.2没有表示出一个媒体网关控制单元(MGCU)管理多个媒体网关单元(MGC)的情形，也没有表示出MGCU/softswitch和智能网平台之间的链路。媒体网关单元还在不断地演进中，IETF的很多工作组（主要是SIGTRAN工作组）都正在致力于这方面的标准研究工作。3.3媒体网关3.3.1媒体网关定义国际软交换协会(ISC)在软交换参考体系结构中将媒体网关功能(MGF)定义为：MGF是接入到IP网络的一个端点/网络中继或几个端点的集合，它是分组网络和外部网络(PSTN、移动网络等)之间的接口设备，例如，它可以是IP网络和电路网络（如IP到PSTN）之间、两个分组网络（如IP到3G/ATM）之间的网关。1．媒体网关的主要作用媒体网关的主要作用是将媒体从一种传输格式转换为另一种传输格式，最常见的是将电路媒体格式转换为分组媒体格式，ATM分组格式转换为IP分组格式，或者将模拟/ISDN电路格式转换为分组格式（在用户驻地媒体网关中）；2．媒体网关的主要功能媒体网关的主要功能包括：(1)通过MGCP或H.248/MEGACO和MGCF通信，和MGCF的通信是主从关系(MGCF为主，MGF为从)。(2)具有媒体处理功能，如媒体编码转换、媒体分组打包、回声消除、抖动缓冲管理、分组丢失补偿等。(3)能执行媒体插入功能，如呼叫进程中的提示音产生、DTMF生成、证实音生成、语音检测等。(4)能处理信令和媒体时间检测功能，如DTMF检测、摘挂机检测、语音动作检测等。(5)管理位于本设备上的上述功能实体需求的媒体处理资源。(6)具有数字分析的能力(基于从MGCF下载的数字地图)。(7)向MGCF提供一种审计端点状态和能力的机制。(8)不需要保持经过MGF的多个呼叫的呼叫状态，仅需要维护它所支持的呼叫连接状态。3．注意(1)一个SIP电话系统就是一个MGF（MGCF独占一个机箱）。(2)一个支持SIP的网关也是一个MGF（MGCF独占一个机箱）。57(3)MGF将呼叫定位到源端网络可能需要MGCF的控制。(4)实用化协议包括RTP/RTCP、TDM、H.248/MEGACO和MGCP。实际上，媒体网关就是媒体网关功能的物理实现。媒体网关负责媒体的传输，包括将模拟的或者电路交换的语音转换为分组语音，反之亦然。媒体网关处于传输平面，对应于OSI模型的第四层（传输层）。媒体网关和处于汇聚层的路由器和交换机共同完成语音信号在网络中的传输。媒体网关的主要传输协议为RTP/UDP，主要信令协议为MGCP和H.248/MEGACO。3.3.2媒体网关在软交换网络中的位置通过媒体网关、信令网关和媒体网关控制器的不同组合，现有的通信网络（包括PSTN、PLMN、IP网络和有线电视网）都可以接入到核心骨干网（ATM或IP网络）中。虽然每种网络的接入方案会有所差别，但总的来说，可以归纳为三种基本的应用：中继应用、接入应用和驻地用户应用。IP网络中继网关媒体网关控制器/呼叫代理RTP/RTCP信令网关PSTNPSTNSS7信令网络中继网关RTP/RTCPTDMTDMMGCP/H.248MGCP/H.248SIGTRAN图3.3中继应用情况1．中继应用图3.3表示了利用中继媒体网关替代汇接局的中继应用情况。图中软交换替代了传统的PSTN的C4汇接交换机，信令网关进行No.7信令和基于SIGTRAN的IP信令协议的转换和传输，而中继媒体网关则在MGC的控制下完成PSTN到IP再到PSTN的媒体中继汇接连接。2．接入