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石友康:软交换技术研究进展

http://www.sina.com.cn 2004年03月16日 15:26 新浪科技

  信息产业部电信研究院 石友康

  摘要:下一代网络(NGN)包含了正在发生的网络构建方式的多种变革。NGN是目前各国电信部门的研究热点,也将是各国网络的发展趋势,一些国家正在开展实验,我国有关部门和运营商也已开展了NGN试验。本文主要介绍了下一代网络的国内外研究现状和趋势、需要关注的几个问题以及有关NGN/软交换的标准进展等。

  关键词:下一代网络 (NGN) 软交换

  一、NGN国外研究现状和趋势

  NGN(下一代网络)一直是业界的热点与焦点,国外的政府、行业团体、运营商、设备厂商等都在进行NGN的研究与探索,从国外的有关NGN的研究与行动上来看,NGN包含的内容非常广泛,例如:采用软交换技术的分组化的话音网;以智能光网为核心的下一代光网络;以MPLS、IPv6为重点的下一代IP网;以及采用3G、4G的下一代无线通信网等等。一些行业组织和标准化机构也启动了本领域的NGN网络技术研究,如:IETF的下一代IP网、3GPP与UMTS论坛的下一代移动通信网、ITU-T的NGN Project 2004。虽然一些国家的政府、标准化组织、电信运营商、制造商和服务提供商在NGN上的作法仍不尽相同,但是,他们目的都是相同的:即研究和部署面向下一代的技术与业务。

  NGN代表着网络未来的发展方向,各个国家的政府都把对NGN技术的掌握视为提升本国(或本地区)经济、增强竞争实力的重要内容。欧美在目前的5年计划FP5中,专门设立一个关于NGN的项目NGNI,研究内容包括:Qos、IPv6、光网、接入网、有线与无线的融合、内容与网络的管理、业务、卫星、移动通信、互操作性等不仅包括网络技术的发展和演进,还包括业务需求与业务模型、管制政策等内容。例如对QoS的研究,不仅仅是研究从网络技术上如何实现对QoS的支持,还包括各种应用对QoS之需求的研究,以及IPv6中的QoS等等。随着对NGN研究的深入,欧盟在2002年底提出NGN 2010。NGN 2010比目前的NGNI又向前进了一大步,内容增加了:家庭网络、NM(网管)、AAA、DTV(数字视频广播)、卫星、技术经济性等内容。

  下一代网络(NGN)技术是ITU-T研究的一大热点。为了加快NGN的研究和标准化进程,ITU-T SG13继2003年9月的会议之后,于2004年1月和2月又召开了NGN课题报告人联合会议(JRG-NGN),推出了11个NGN标准草案,意在对NGN的研究方向、框架体系、业务需求、网络功能、互通、服务质量、移动性管理、可管理的IP网络和NGN演进方式等各个方面提出总体要求,为世界各国的通信运营商和设备制造商提供网络发展和产品研发的思路和依据。在2004年2月的研究组全会上提出了NGN功能特性的建议草案(NGN-Overview),对NGN的基本特征、能力、目标和功能进行了描述。会议延续了NGN网络通用的原则、需求和框架体系,对NGN的基本模型做了进一步的详细划分,将用户平面、控制平面和管理平面分别置于业务层和传送层上,使得水平垂直关系一目了然;在NGN业务方面,进一步明确了NGN的业务范畴,并定义了业务要求和网络要求,体现了业务与网络相分离的NGN基本原则;本次会议细化了NGN移动性管理的总体要求和体系架构(MOB),还提出了基于SLA可管理的IP网络的概念(MAN),并详细定义了MAN的业务和框架。在QoS方面,形成了关于QOS体系架构、端到端QoS要求、和接入网QoS的三个标准草案。在网络演进方面,启动了NGN演进方式标准草案的研究。

  二.软交换网络体系结构

  软交换网络的主要思想是业务、控制、传送与接入相分离,各实体间通过标准的协议进行连接和通信,整个网络分为四个层面:业务应用与支撑层;控制层;传送层和接入层。软交换网络体系结构如图1所示。软交换位于网络的控制层,提供各种业务的呼叫控制、连接以及部分业务提供。信令网关是用于连接7号信令网与IP网的设备,主要完成PSTN/ISDN侧的七号信令与IP网侧信令的转换功能。中继媒体网关网关位于软交换网络的接入层,用于电路交换网和IP分组网之间的网关,提供媒体映射和代码转换功能。综合接入媒体网关也位于软交换网络的接入层,直接连接用户终端和V5接入网设备。综合接入设备(IAD)位于软交换网络的用户接入层,将用户的语音、数据及视频等应用接入到分组交换网络中,在分组交换网络中完成相应的功能。无线接入网关完成移动用户的接入。用户智能终端作为软交换网络中的用户终端设备,具有局域网接口,直接接入软交换设备,完成用户的接入和语音编解码和媒体流的传送。软终端作为软交换网络中新型的用户终端,不再是一个物理的终端实体,而是作为一种终端软件,运行于用户的PC机上或其它具有类似功能的设备上,接入软交换设备,配合其它PC外设(耳机、麦克风、摄像头等),完成用户的接入和语音编解码和媒体流的传送。应用服务器位于软交换网络中的业务应用与支撑层面,提供业务执行环境,负责为接入软交换网络的用户提供增值的智能业务和各种个性化的业务,广义的应用服务器应包括传统的智能网SCP、SIP应用服务器和通过Parlay网关接入的第三方应用服务器。媒体服务器位于软交换网络中的业务应用与支撑层面,是软交换网络中提供专用媒体资源功能的独立设备,在软交换或应用服务器的控制下,提供各种业务所需的媒体资源,包括DTMF信号的采集与解码、信号音的产生与发送、录音通知的发送、会议、不同编解码算法间的转换等各种资源功能以及通信功能和管理维护功能。网络管理系统位于软交换网络的业务应用与支撑层面,提供所有软交换框架体系下设备的网络管理功能。计费营帐系统位于软交换网络的业务应用与支撑层面,提供软交换框架体系下所有终端用户开户、业务的计费处理、帐单生成与用户交互。策略服务器通过COPS协议与软交换系统的各个组件进行通信实施策略管理,根据业务需求以及特性分配标签、控制接纳等,能够为不同业务流保证QoS,满足用户日益个性化的业务需求。位置服务器位于软交换网络的业务应用与支撑平面,记录所有软交换网络用户的用户信息,包括用户位置、属性等,供软交换网络中的其它设备如软交换、应用服务器等查询用户信息。IADMS位于软交换网络体系的业务应用与支撑层面,作为网管系统与综合接入设备之间的代理,为软交换网络中大量的IAD设备提供网管功能。

  图1软交换网络体系示意图

  软交换网络中各部件的协议接口参见图1网络体系结构中的所示,具体描述如下:

  Ss接口:软交换与软交换之间的互通协议接口,为SIP或BICC协议;

  Sa接口:软交换和信令网关(SG)之间信令传输承载接口,信令的传输承载协议为SCTP,不同的组网模式下可分别采用M3UA、M2PA、M2UA、IUA等;

  Sb接口:软交换与媒体网关(TG/AG/WMG)之间的控制信令接口,为H.248或MGCP协议;

  Sc接口:软交换与综合接入设备(IAD)之间的控制信令接口,为H.248或MGCP协议,推荐采用H.248协议;

  Sd接口:软交换与智能终端、SoftPhone终端之间的控制信令接口,分别为SIP或H.323、H.248、MGCP协议;

  Se接口:软交换与策略服务器(Policy Server)之间的接口,具体协议待研究;

  Sf接口:软交换与位置服务器(Location Server)之间的接口,可以为LADP协议、TRIP(IP网络上传送电话选路协议)等,具体待研究;

  Sg接口:软交换与媒体服务器(Media Server)之间的接口,为MGCP或H.248协议;

  Sh接口:软交换与应用服务器(AppServer)之间的接口,为INAP或SIP协议或Parlay API接口;

  Si接口:软交换与计费营帐系统Billing之间的接口,为XML接口;

  Na接口:网管系统NMS与IADMS之间的管理接口,为XML接口;

  Nb接口:IADMS与软交换网络终端之间的管理接口,为SNMP协议;

  Nc接口:网管系统与软交换网络设备之间的管理接口,为SNMP协议。

  三.我国有关软交换体系标准研究情况

  下一代网络的研究是目前的热点,为了配合NGN网络在我国的逐步建设,应从业务需求的分析入手,考虑网络装备的情况,研究新一代网络体系架构NGN具有广泛的内涵,其研究范围相当广泛,主要研究的内容如下:新业务和应用的研究;网络传送的基础设施;网络体系架构的研究;IP网络技术的研究;网络融合技术的研究;互通和互操作的研究;新型的控制、管理和运维机制;各网络单元的研究;新的网络协议的研究;网络安全体系和技术的研究;测试技术的研究等,制定一个完整、统一、先进的NGN技术系列标准,指导我国NGN网络的规划和建设。

  中国通信标准化协会各技术工作委员会密切跟踪国际上NGN标准的发展进程,研究制订我国NGN的相关标准,并积累了大量资料和经验,并取得了一定成绩。为我国软交换网络的建设、网络的演进、设备的开发、研制和引进做好充分准备。

  1)在软交换组网总体技术研究方面

  已开始研究软交换网络框架体系,内容包括确定软交换网络的体系模型、软交换组网技术、业务模型、软交换网络性能和QOS、综合网管、软交换网络的编址、网络互通和业务互通、软交换网络安全要求等。

  2)在组网设备方面

  已经完成以下设备规范的制订:

  -软交换设备总体技术要求;

  -软交换设备总体技术要求(修订版);

  -移动交换服务器设备规范;

  -软交换设备测试规范;

  -媒体网关技术规范-ATM中继媒体网关;

  -媒体网关技术规范-IP中继媒体网关;

  -媒体网关技术规范-综合接入媒体网关;

  -媒体网关技术规范-支持多媒体业务部分;

  -媒体网关技术规范-支持移动业务部分;

  -媒体网关测试规范-ATM中继媒体网关;

  -媒体网关测试规范-IP中继媒体网关;

  -媒体网关测试规范-综合接入媒体网关;

  -媒体网关控制器技术规范;

  -信令网关设备技术规范;

  -信令网关设备测试规范;

  -基于软交换的应用服务器技术要求;

  -基于软交换的媒体服务器技术要求;

  -基于软交换的应用服务器技术要求;

  -基于软交换的媒体服务器技术要求;

  -基于软交换的综合接入设备(IAD)技术规范;

  -基于软交换的综合接入设备(IAD)测试规范。

  目前正在进行以下设备规范的制订:

  -IP智能终端技术规范;

  -IP智能终端测试规范;

  -基于软交换的位置服务器测试规范;

  -基于软交换的应用服务器测试规范;

  -媒体网关控制器测试规范等。

  3)在组网协议方面

  已经完成以下协议的标准制订:

  -基于H.248的媒体网关控制协议技术规范;

  -BICC协议技术规范;

  -SCTP协议技术规范;

  -M3UA协议技术规范;

  -M2UA协议技术规范;

  -MGCP协议技术规范

  -SIP与H323协议互通技术要求

  -PARLAY协议技术要求

  -M2PA协议技术规范;

  -IUA协议技术要求;

  -V5UA协议技术要求;

  目前正在进行以下协议标准的制订:

  -IP网络DIAMETER协议技术规范;

  -IP网络上传送电话选路协议(TRIP)技术规范;

  -基于会话初始协议SIP的呼叫控制技术规范;

  -基于H.248的媒体网关控制协议(修订);

  -Parlay X Web服务器技术要求;

  -SIP协议穿越NAT技术要求;

  -MGCP协议穿越NAT技术要求;

  -H323协议穿越NAT技术要求;

  -H248协议穿越NAT技术要求等。

  4)在网络管理方面

  目前正在进行以下标准的制订:

  -综合接入设备管理系统(IADMS)技术要求;

  -基于软交换的综合网络管理系统(NMS)技术要求等。

  5)在业务方面

  目前正在进行以下标准的制订:

  -基于软交换的业务体系技术要求;

  -基于软交换的业务系列规范:号码显示类业务技术规范;

  -基于软交换的业务系列规范:呼叫前转类业务技术规范;

  -基于软交换的业务系列规范:多方通话类业务技术规范;

  -基于软交换的业务系列规范:点击拨号类业务技术规范;

  -基于软交换的业务系列规范:视频多媒体业务技术规范等。

  四.需要关注的几个问题

  1.软交换试验问题

  目前,无论是从技术角度还是从网络角度来讲,全球范围内下一代网络均处于研究和试验阶段。同时当前网络到下一代网络的演进和过渡还需要一段时间。世界各国正在进行下一代网络相关技术和网络试验,对下一代网络相关技术还需进行较深入的研究。目前已建的通信网络还会与下一代网络在较长的时间内以重叠网的形式共存。从国外的发展情况看,发达国家已经从当前网络发展过程中获得了很多的利益,因而为在下一代网络发展过程中继续获得更大的利益,纷纷投入一定力量进行下一代网络的研究。我国也应在政府的统一引导下,从实际情况出发,协调各运营商、设备制造商的立场,分步骤、有计划地投入一定的人力和物力对下一代网络所涉及到的各种关键技术进行研究、比较和分析,对关键技术/设备进行研究与开发,同时建设下一代网络试验床,进行关键技术/设备的联网试验与测试,并进行各种业务试验。在研究试验的基础上,制定出我国下一代网络建设和发展规划,并在一定范围内进行下一代网络的商用试验,在时机成熟的情况下,整合行业资源,推广使用下一代网络,实现跨越式发展,促进我国电信运营业的新业务和应用的开发,带动我国民族信息产业的发展。

  实验应包含以下主要内容:

  1)组网技术的试验;

  2)各类网络终端接入试验(固定终端、移动终端、IP终端)

  3)设备的兼容性与互通性研究与试验

  4)NGN商业模式研究与试验;

  5)检验承载网的能力(包括QOS和安全)和对下一代网络的适应性;

  6)固定网与移动网(特别是软交换中固定和移动的互通问题)的融合试验,尤其是软交换中固定和移动的互通试验;

  7)NGN寻址技术的试验(IPv6、ENUM、数字域名、用户编号);

  8)NGN多业务应用(话音、数据、多媒体、第三方提供的应用)的试验以及提供这些业务的复杂性和可行性等;

  9)NGN多厂家环境下的OAM、OSS技术研究;

  9)NGN与Internet的互补性研究;

  10)研究网络演进步骤(IPv4向IPv6的过渡、现有网演进等);

  11)网络抗攻击和安全防护技术研究与试验

  12)终端漫游研究与试验等。

  2.软交换组网技术问题

   传统电信网经过长期的运营积累,在网络组织方面已经具有相当成熟的经验;而基于软交换的网络组织目前国内外尚无成熟的经验,是采用基于软交换的全平面结构,还是分区域选路结构等在技术和实践方面都有待进一步的探索。

  关于软交换与软交换之间的组网,有如下的两种结构:

  1)平面路由结构

  在这种方式下,路由功能在软交换内实现,每个软交换都维护着全网所有用户的路由信息,软交换之间为逻辑网状网结构,通过一次地址解析就可以定位到被叫软交换。

  图1平面路由结构

  2)分层路由结构

  (1)分层位置服务器方式

  在这种方式下,路由信息放置在位置服务器上,位置服务器之间形成分层结构,软交换可以配置一个或多个位置服务器,软交换向位置服务器发送地址解析请求,地址解析在位置服务器上完成。位置服务器之间应实现路由信息的共享和互通,软交换和位置服务器之间应实现路由信息的获取。在分层位置服务器结构的模式下,位置服务器的层次数量决定于实际网络的容量和建设规模,运营商可以根据实际情况灵活设置。

  图2分层位置服务器路由结构

  路由体系下软交换层面为逻辑网状网结构,与传统的电话网不同,局向、长途、本地等概念均弱化,网络中任何一个软交换设备均可直接定位对端软交换,不存在呼叫信令的逐调转发,而是通过集中设置的位置服务器提供路由服务,位置服务器可以按照网络容量设置层次,以解决大规模组网问题。

  由于位置服务器并不是软交换网络体系定义的标准实体,而是为了解决软交换网络大规模组网问题而提出的一个功能实体,其功能和特性还没有得到业界的统一认可,并且软交换与位置服务器以及位置服务器之间的通信规程,业界尚没有统一标准,厂家的实行方式也各异,包括TRIP、LDAP、RAS、H.323 AnnexG等。

  从路由信息的获取方式来看,位置服务器的路由信息可静态配置也可动态生成,静态配置类似现有H.323 VoIP电话网络的网守路由方式,即在网守中保存号码和网关地址的对应关系。而动态路由中讨论较多的技术为TRIP,TRIP由IETF IPTEL工作组提出,为策略驱动的动态路由协议,属于一种域间定位和路由协议。基于TRIP实现的路由考虑了许多附加信息,如支持的协议、容量、服务质量等信息。

  (2)分层软交换结构方式

  在这种方式下,端局软交换之间采用汇接软交换来互连,软交换之间采用静态路由配置。

  在分层软交换结构的模式下,软交换的层次数量决定于实际网络的容量和建设规模,运营商可以根据实际情况灵活设置。此种路由体系借鉴了现有电话网的分层思想,将软交换划分为不同层次,即软交换层面不为逻辑网状网结构,而是增加了互连软交换。互连软交换负责不同域的软交换网络之间的互通,如省间路由或者不同运营商的软交换网络之间的路由,当互连软交换的路由数据过于庞大时,可将互连软交换分成多级,如省级互连、大区级互连或者国家级互连。

  此种体系下互连软交换中的路由信息是静态配置的,通常只需配置下一跳的软交换即可,对于不同运营商网络之间的互联,则可配置到对方的网间互连软交换,并不需要了解其内部结构。

  图3分层软交换路由结构

  层次化软交换路由体系和定位服务器方案均可解决大规模组网时的呼叫路由问题,其中层次化软交换路由体系,实现技术成熟,并且通过互连软交换可保持各个区域软交换网络的简单及易于扩展的特点,同时互连软交换层作为一个简单的层面,提供到外部网络的网关功能,避免了太多的互联点出现,并可保证内部网络结构和信息的安全,但是由于信令需要逐跳转发,中间经过的每个互连软交换均需要对呼叫信令进行处理,从而带来了较大的呼叫时延。

  位置服务器方案下,呼叫信令无需转接,直接在起始和目的软交换之间传递,但目前技术不太成熟,位置服务器与软交换之间以及软交换之间的通信规程尚无标准,并且此结构下长途/本地概念受到弱化,对现有的运营和管理模式有较大影响。对于静态路由和动态路由,静态路由简单、高效、可靠,但数据需要手动更新,而且只能支持简单的路由策略,动态路由相对比较灵活,且数据更新灵活、方便,但设备实现复杂。

  由于网络的发展并非一蹴而就,不同运营商可以根据自己的网络状况选择不同的路由方案,例如在网络建设初期,可采用软交换全互连的平面结构,随着网络规模扩大,采用一层位置服务器提供路由服务,在后期,可采用分层的定位服务器为全网提供路由服务。

  3.IPv6的应用与演进问题

  在软交换网络中,将引入大量的IP智能终端和综合接入设备(IAD),由于每个终端均需占用一个IP地址,如果大面积应用,必然会面临Ipv4地址匮乏问题。在尚未实施IPV6地址分配方案之前,解决此问题的方法之一就是分配私有IP地址,并通过NAT进行公私有地址之间的转换。

  目前,业界对NAT穿透问题非常关注,也提出了各种解决方案,主要包括ALG、STUN(Simple Traversal of UDP through NAT)、MIDCOM(Traversal Using Relay NAT)等,这些解决方案各有其应用场合。到底采用哪种方式需要从以下角度进行综合考虑:1)升级要求:哪些网络元素需要做升级;2)网络业务量:应用这种解决方案后,是否会引入新的网络开销;3)话音质量:此解决方案是否影响话音质量,增加时延或丢包率?4)运营商的投资:运营商是否需要做大量投资?5)企业投资:如果面向企业客户,企业是否需要做大量投资?6)确定性:此解决方案是否只能在特定环境下生效,是否可以支持各种应用方案,是否可以穿越各种NAT;7)扩展性:此方案是否支持大规模应用。目前我国正在制订相应的NAT穿透标准。

  对于IPv6协议,它的最大优势是提供了巨大的地址空间。IPv6适合于NGN业务端到端的特性、巨大的用户数目、永远在线等特点。但一次性地用IPv6取代现有的IPv4网络是不可能,也是不现实的,IPv4和IPv6网络将共存相当长的时间。

  NGN网络中需要在现有的IPv4网络上逐步融合IPv6,如利用穿越现存IP v4网的隧道技术将许多个“IPV6孤岛”连接起来,逐步扩大IPV6的实现范围,直至最后IPv6网络完全取代IPv4。

  在NGN网络从IPv6的应用和演进过程中应遵循以下原则:1)支持IPv6的产品以满足业务需求为导向;2)不破坏现有的IPv4业务;3)在主机/应用之间提供IPv4/IPv6业务;

  递增式的升级和部署,不旨在一次性完成过渡;4)对NGN网络业务开展成本、维护支撑要求最小化。

  4.全网QoS问题

  在承载网络方面,另一个敏感问题就是QoS,QoS能否保证是软交换网络能否能成为未来统一平台的关键,这很大程度上取决于软交换网络所基于的承载网络,但也需要从网管方面实施相应的QoS控制策略。

  NGN网络的业务实时性要求很高,因此对网络的QoS提出了很高的要求,能否保证QOS是软交换网络能否能成为未来统一平台的关键,这很大程度上取决于软交换网络所基于的分组承载网络,但也需要从网管方面实施相应的QoS控制策略,因此需要有一个全网的QoS解决方案。

  全网的QoS解决方案基本思路是通过在全网布置一定数量的策略服务器,策略服务器通过和控制会话的软交换以及和负责媒体接入控制和转发的边缘路由器进行交互,来保证全网的业务是在一个可控的和可管理的方式下进行开展。

  有关软交换网络的QOS目前正在研究之中。

  5.用户管理认证问题

  NGN网络是基于分组网络,大量的用户终端可以通过分组接口直接接入NGN网络,给NGN网络的设备带来了极大的安全隐患,以及带宽盗用等问题。同时,随着NGN网络中业务的丰富与多样性,对终端智能化程度要求也越来越高,终端版本的升级、维护、馈电等都提出了相应的要求,因此NGN网络中对终端用户的管理与认证是必不可少的,是保证整个NGN网络业务开展的必要条件。

  随着NGN网络业务的不断开展,终端数量会爆炸性的增长,单纯通过网管系统来管理数量巨大的终端,必然给集中式网管系统带来巨大的开销,因此NGN网络的终端管理认证系统要求采用终端-IADMS-网管方式的分布式终端管理系统架构。

  五.结语

  目前虽然不少厂家推出了NGN的解决方案,国内外各运营商也在积极进行相关的试验,但新技术的应用需要相当长的时间来完善。目前NGN从信令系统到体系结构都还需要逐步完善和成熟,但积极试验和发展NGN已成为目前电信界考虑的重大战略性趋势。


  
  
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