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IPTV一般泛指通过IP网络传输音视频内容并用电视机收看的业务。目前电信运营商提供的IPTV运营在支持组播的可管理的IP网上,其主要业务为直播电视(转播电视广播)、时移电视、视频点播(VoD)以及交互信息服务等。
目前中国的IPTV系统采用客户机/服务器模式提供单播和点播(包括VoD和时移电视)业务。由于服务器输入/输出(I/O)“瓶颈”的限制,一台服务器只能支持有限的并发流(千数量级的并发流)。要解决十万、百万用户同时收看的问题,不仅需要大量服务器,还需要极宽的网络带宽。目前的解决方法一是采用组播来提供广播,二是采用内容传送网络(CDN)技术将服务器尽量放到离客户近的地方以减轻网络负荷。现有网络要支持组播,需要进行改造,这不仅导致成本增加还将损失互联网无所不在的通达能力。因此,IPTV只能在经过改造的局部网络内提供广播业务。对于IPTV进一步向网络新媒体演化趋势,目前的客户机/服务器模式也不能很好地提供支持。
客户机/服务器已经成为制约IPTV发展的“瓶颈”,解决方法是体系结构向对等连接(P2P)模式演化。
2.P2P内容分发技术的演化
计算机网络发展演化过程不断在集中和分布之间摆动。早期计算机的使用模式是众多用户共享大型计算机,以后发展了个人计算机,从集中走向分布。在互联网上存在类似情况,开始采用客户机/服务器方式,使用网站上集中的服务器。进一步发展将走向分布式,集中的服务器变成分布式的。
P2P技术将许多用户结合成一个网络,共享其中的带宽,共同处理其中的信息。与传统的客户机/服务器模式不同,P2P工作方式中,每一个客户终端既是客户机又是服务器。以共享下载文件为例,下载同一个文件的众多用户中的每一个用户只需要下载文件的一个片段,然后互相交换,最终每个用户都得到完整的文件。
实现P2P的第一步是在互联网上进行检索,找到拥有所需内容和计算能力的结点地址;第二步是通过互联网实现对等连接。为了充分发挥互联网无所不在的优势,不能对互联网协议进行任何修改。解决的方法是在基础的互联网上架设一个P2P重叠网。
P2P重叠网分为无组织的P2P重叠网、有组织的P2P重叠网和混合型网三大类。目前在互联网上广泛使用的大多是无组织的P2P重叠网,如BitTorrent(BT)下载。而有组织的P2P重叠网目前还处于学术界研究阶段,如Tapestry、Chord、Pastry和CAN等网络。正在研究的新一代的P2P应用包括多播、网络存储等都运行在这种有组织的P2P重叠网上。一些实用系统开始使用混合型结构。
无组织的P2P重叠网已经演进了几代。第一代P2P网络采用中央控制网络体系结构。早期的软件Napster就采用这种结构;第二代P2P采用分散分布网络体系结构,适合在自组织(Ad hoc)网上应用,如即时通信等;第三代P2P采用混合网络体系结构,这种模式综合了第一代和第二代的优点,用分布的超级结点取代中央检索服务器,并进一步利用有组织网的分布式哈希表(DHT)加速检索。
广播影视资料内容的分发主要采用两种方法:一种方法是先下载,下载后再观看,这种方法现在被称为播客(Podcast);另一种就是用流媒体的方式边下载边收看。P2P技术对这两种方式都支持。
P2P共享下载大家比较熟悉。目前常用的P2P软件BT属于第三代混合型无组织网。每天全球都有数以千万计的网民用BT软件下载整部电影、MP3和大型软件等,其数据流量已占全球因特网总数据流量的70%以上。在中国情况类似,宽带用户大部分流量是P2P应用。版权问题是困扰P2P下载发展的主要问题,目前一些有合法版权的播客网站开始健康发展。
P2P流媒体是近年来才发展起来的,目前在中国发展得非常好,有10多家网站采用自主开发的软件提供P2P Internet视频服务,注册用户达250万户。
3.P2P流媒体直播技术进展
利用P2P技术实现大规模流媒体点播和直播的系统Webcast出现于1998年。Webcast利用一棵二叉多播树在用户之间进行实时多媒体数据的传输和共享。此后由于流媒体直播服务相对简单,首先得到快速发展。2000年出现第一套P2P视频直播系统的原型——ESM系统,该系统采用用户网状结构互连构造最优媒体数据多播树的方法在用户间传播实时的多媒体内容。由于算法限制,这套系统只能扩展到几千人同时在线,但已经标志着P2P流媒体直播系统进入了系统发展期。
此后各种原型系统、高度可扩展的应用层多播协议大量涌现。其中典型的系统有提供音频广播的Standford大学的Peercast系统和德国的P2PRadio系统,他们均采用开放源代码。而应用层多播协议有微软的Coopnet/Splitstream协议、思科的Overcast协议、马里兰大学的NICE协议、伯克利大学的Gossip协议等。虽然这些系统和协议尚不能实用,但为P2P流媒体直播打下了坚实的理论基础。
2004年5月欧洲杯期间,香港科技大学张欣研博士开发的CoolStreaming原型系统在Planetlab网上试用获得成功。这套系统使用Goosip协议在用户之间传播控制信令,使用类似于BT的多点对多点数据传播协议在用户之间传送媒体数据包。CoolStreaming系统是第一次真正将高可扩展和高可靠性的网状多播协议应用在P2P流直播系统当中,标志P2P直播技术进入准商业运作阶段。在CoolStreaming成功的鼓舞下,中国流媒体直播技术和业务发展迅速,在世界上独树一帜,目前中国有10多个网站使用各自发展的软件提供P2P流媒体直播业务。用户最多的是PPLive网采用的Synacast系统。Synacast系统的核心是一套完整的网上视频传输和运营支持业务平台。在此平台上可以方便地完成节目采集、、认证、统计分析等功能。
由于采用了P2P技术进行流媒体内容的分发,Synacast系统对服务器端的要求比较低。通常情况下,每一个源分发服务程序只占用5%左右的CPU负载,20 MB的内存和10 Mb/s的网络带宽。以PPLive网为例,该网站原本使用的是传统的Windows Media服务器,一台100 Mb/s服务器以单播方式提供一路节目的直播,最多可支持200~300个用户并发访问;当使用了Synacast技术后,一台100 Mb/s接入互联网的普通PC服务器可以同时提供5~10路视频节目的直播,每一路节目均可以支持百万用户同时收视。
目前P2P流媒体直播的主要性能如下:播放的电视节目的码率一般为3~500 kb/s,有些频道已经开始提供800 kb/s的码率,超过VCD的画面质量;在20 s~1 min左右完成数据缓冲,并开始播放,可以给用户提供稳定、清晰的电视节目,一般不会出现播放停顿的问题;具有内网穿越功能,从而保障内网用户的使用;使用5~10 Mb/s服务器出口带宽支持百万级数量用户的同时在线;具有认证、计费平台。
P2P流媒体电视直播采用计算机终端,在用户计算机中存储的内容仅几分钟,不需要使用硬盘,目前正开始发展廉价的机顶盒终端。
4.P2P流媒体点播技术进展
与直播领域相比,在流媒体点播领域,P2P技术的发展速度相对较为缓慢。主要是因为点播当中的高度交互性需求,使得实现的复杂程度较高。此外节目源版权因素对P2P点播技术的应用有阻碍。2000年,美国普度大学实现的GnuStream系统是在Gnutella网络基础之上的第一个P2P准点播系统。该系统也使用了网状多播的策略。由于版权因素的限制,这套系统没有能得到大规模的使用。2000年之后,P2P的点播技术在适用于点播的应用层传输协议技术、底层编码技术以及数字版权技术等方面都有重要进展。在应用层传输协议方面,比较重要的有2002年提出的P2Cast协议以及2003年提出的CollectCast协议(用于PROMISE系统)。目前正在发展实用的P2P点播系统,开始进入商业应用阶段。
美国在线(AOL)和华纳兄弟合作将在互联网上采用Kontiki公司P2PVoD推出In2TV业务,为客户提供电视剧点播业务。有6类电视剧节目,具有DVD质量的视频效果。In2TV还提供各种交互服务如游戏等。
与P2P流媒体直播不同,P2P流媒体终端必须拥有硬盘,其成本高于直播终端。
5.P2PInternetTV发展进程和存在的问题
2004年中国开始出现采用P2P流媒体技术在互联网上进行电视直播的网站。目前中国有10多个网站使用各自发展的软件提供P2P流媒体直播业务,掀起了一股P2P Internet TV浪潮。主要Internet TV系统有:
PPLive网络(采用Synacast软件)
ppStream网络
QQ直播网络(已与新版QQ进行了捆绑)
猫眼网络电视(猫扑网)
TVKoo网络(沸点网络电视)
Rox磊客网
一些电信运营商也开始加入这一潮流,贵州网通采用上海网用公司的技术开展实验运营,上海电信也在实验。
P2P流媒体一方面提高了电视的通达性,另一方面降低了电视播出的门槛。
目前中央电视台网站通过客户机/服务器模式向全世界提供广播服务。但是画面很小,同时在线人数也受限制。如果采用P2P模式既可保持互联网的通达性,覆盖到全球,又可以保证质量支持大量用户同时收看。P2P流媒体还可以降低广播电视播出门槛,用很简单的服务器就可以实现网上流媒体广播。P2P共享下载可以降低内容分发的门槛。
2006年春节联欢晚会期间,中央电视台使用P2P和CDN技术向全球进行同步视频直播。除在全球布设CDN服务,采用客户机/服务器模式用流媒体技术提供直播外,还采用清华大学的Gridmedia系统和天天宽广公司的UUSee平台进行P2P流媒体电视直播。2006年1月28日16时至1月29日1时,央视网站页面点击量达到2.96亿次,页访问次数达4 792万次,收看春节晚会视频直播的人次为410万,其中89万来自海外;最高同时在线人数为46.7万,其中7.5万来自海外;最大带宽超过5.38 Gb/s,其中国际带宽最大4.9 Gb/s。
2005年湖南卫视超女总决赛,PPLive进行了网上直播,有50万人同时在线收看。2005年12月31日晚,使用PPLive直播软件看“2005-2006年超女跨年演唱会”的用户数突破百万大关。其中30%来自海外。
中国基于E-mail和手机号码的网上收付费平台——由快钱公司和上海天娱传媒有限公司合作完成的系统,首次应用P2P内容版权保护技术于网络直播活动,用户需要领取免费的门票才可以观看。
中国已经开始P2P流媒体网上新闻直播,如神六升空和返回过程中,搜狐、新浪和网易等门户网站使用P2P流媒体技术进行了视频直播。
山东省三大新闻网之一的山东新闻网与拥有国际领先流媒体技术的光芒传媒合作,成功开通了网上视频新闻栏目。搜狐2006年将推出“我形我秀”的P2P网络电视台。
P2P流媒体技术和业务在中国的快速发展受到了资本市场的青睐,如软银投资CoolStreaming公司,建立光芒传媒Roxbeam公司,运营Rox磊客网,并且向Yahoo BB提供技术。此外还有Uusee、Mysee、PPLive、PPstream和千橡等网络也都得到了风险投资(VC)公司的投资。
P2P Internet TV在短短的一年多时间内快速发展,2005年底注册用户已达到250万户。显示出了巨大的生命力,但另一方面也应该看到其还面临很多困难和问题。
首先是缺乏能够盈利,可以持续发展的运营模式和产业链。目前基本上都是免费收看争取提高用户点击率,以获取VC公司的投资。结果是不能通过健康的产业链,合法地得到内容,只能转播现有的电视频道和以灰色方式得到内容。
其次是接入门槛很低,众多的新兴公司进入竞争行列,导致竞争加剧。而大多数创业者是搞技术出身,不熟悉媒体业,资本不足,形成不了规模,结果只能导致低水平竞争。
P2P Internet TV的发展将引发一系列法律问题。传统电视是本地服务的,有一系列监管的法律法规。简单地将目前用于电视的法规移植到互联网上是不可行的。目前欧洲共同体已经开始制订适用于Internet TV的新法规。
此外P2P Internet TV将会引发利益分配的问题。在中国已出现电信运营商要封堵BT和Skype软件的传言;在美国一些电信运营商推出分两等级服务的计划,导致要求国会立法保持网络中性的争论。
6.P2PIPTV
目前中国IPTV和P2P Internet TV是沿两条路径独立发展的,各自遇到一些发展中的困难。如果将两者结合起来,以发展IPTV的资源和力量发展P2P Internet TV,或者换句话说以P2P Internet TV的理念和技术发展IPTV有可能开创网络媒体演化的新局面。这就是P2P IPTV。
中国正在建设创新型国家,发展基于P2P的IPTV是一次引领世界发展潮流,实现世界级创新的历史机会。目前中国在P2P Internet TV的技术和应用方面居世界领先地位,电信业在发展宽带业务方面有强烈的需求和良好的基础,有先进的网络基础设施和有国际竞争力的电信和网络设备制造业,可以成功地支持创新。
P2P IPTV运行在公共互联网上,架构P2P重叠网,建立运营平台,拥有认证、授权和计费系统,具有互联网无所不在覆盖全球的通达能力,能够支持向网络新媒体平滑演进。
P2P IPTV还面临技术、运营模式、产业链以及法律法规等各方面的问题,而解决这些问题为实现科技创新提供了很好的机会。发展P2P IPTV有助于平衡各方面利益,建立可持续发展的产业链。
关键词 下一代网络 软交换 存在问题
Abstract: It describes the state of soft switch technology in the world, services provided by NGN based on soft switch , related organizations on soft switch study and problems on its development.
Keywords: NGN Soft switch Problem
1 国际软交换技术的发展状况
下一代网络(NGN)是一个建立在IP技术基础上的新型公共电信网络,它将话音、数据、视频等多种业务集于一体。建设下一代网络是电信竞争的需要。随着通信技术的飞速发展和电信市场的逐步开放,电信业的一个最重要的发展趋势就是业务运营和网络运营的分离,由网络运营商提供可靠、高效的基础承载平台,由业务提供商提供各种应用,他们与设备制造商三足鼎立,共同推动了电信业的繁荣和进步。
软交换技术是下一代网络的核心技术,软交换思想吸取了IP、ATM、IN和TDM等众家之长,形成分层、全开放的体系架构,作为下一代网络的发展方向,软交换不但实现了网络的融合,更重要的是实现了业务的融合。
目前,欧洲电信运营商对于软交换(下一代网络)的发展和应用大体上采用比较务实和谨慎的态度,运营商都是根据自身网络的实际情况和业务的发展来采取对策。德国电信聚焦海外市场,积极开拓国际IP网的话音业务,并在新技术投入使用之前,注重新技术和新设备的试验和评估。2001年开始在国际网络进行软交换的试验,放置了一台软交换机和4个媒体网关开展IP网络提供语音业务、呼叫中心业务和VPN业务的试验,其软交换的标准采用SIP-T协议。英国电信则逐步地在长途网和本地网实现分组话音,本地网有5个节点开展了软交换实验,部分已经商用,并且试验规模在逐步扩展。在提供话音质量的保证方面,英国电信已在其承载网络内全面采用ATM技术。比利时电信认为2004年以后引入NGN比较适当,但目前需注意跟踪技术和设备的发展,比利时电信的技术部门在NGN方面重点研究未来分组话音网络的体系架构和需求、开展NGN技术培训、建立NGN实验室,为开展现场试验进行技术准备。一些北美电信运营商也正在积极开展有利于软交换提供话音业务的试验,有些运营商已经开始提供商用业务。
2002年3月,中国电信下一代网络(NGN)试验项目在北京、上海、广州、深圳4城市启动。中国电信与北电网络、爱立信、西门子、中兴通讯、上海贝尔5厂家签订了下一代网络试验工程设备合同。合同涉及金额近1亿元人民币。根据中国电信与北电网络签署的合同,在北京、上海、广州和深圳4城市部署北电网络的SUCCESSIoN下一代网络解决方案。NGN网络全国试验网项目涉及的技术面、提供的业务量、网络覆盖的广度、深度均在全球首屈一指。
在设备制造商方面,特别值得一提的是加拿大北电网络,其NGN 产品为SUCCESSIoN(继往开来)解决方案,于1999年在BT-SPAIN首次正式商用,迄今为止,在全球超过24个国家的40多个网络中得到试验或商用。其商用客户中包括VErIzoN 、SPrINT、中国电信、香港宽频(HKBN)、新世界电信(NEW WorLD TEL) 及铁通等。
SUCCESSIoN的应用类型包括了长途及汇接(C4)业务、本地接入(C5)及多媒体业务、无线汇接及3G核心网业务以及有线电视多网合一业务。目前几种解决方案已经在实际网络中运用。其中,VErIzoN的软交换本地汇接网络包含2个软交换节点及70多个媒体网关,每个节点每天处理超过1 100万次呼叫。SPrINT作为全美第一个实现TDM端局以软交换替换的运营商,其第一期工程(350万线)全部采用北电的SUCCESSIoN方案。香港宽频应用SUCCESSIoN本地IAD接入方案,在短短的17个月时间内,已拥有16万用户,是全球最大的基于以太网IAD接入的NGN网络,目前运营稳定良好。在最近的市场调研报告中,北电网络列全球软交换市场份额第一,也是全球VoIP和VoATM媒体网关市场份额第一。
2 NGN提供的业务
软交换技术的引入除了对现有PSTN话音业务实现全面的继承以外,还在基于SIP的宽带多媒体业务、PSTN与因特网业务结合衍生的业务、用户个性化业务以及业务创新方面有着PSTN和因特网等单一网络无法比拟的优势。传统PSTN由于终端智能和带宽的限制,无法实现多种灵活的业务逻辑和多媒体业务。由于业务逻辑控制和网络智能在PSTN内每个交换机上呈分散式节点式分布,并且由于用户数据由各自归属的交换机管理,导致某些业务(如广域CENTrEx)难以开展。PSTN的终端种类非常单一且没有智能,业务的智能完全由交换机实现,因此一直以来难以实现用户对业务的个性化定制,而且由于终端智能的限制存在使用不便和各种电话补充业务难以推广的问题。引入NGN则在业务实现的简单性和灵活性上有了本质改变。NGN的业务逻辑控制和网络智能在软交换和应用服务器等少量网元上集中部署,因此可以方便地在全网实现业务部署和业务升级,NGN对广域CENTrEx的实现就非常容易。由于NGN引入了对等性控制协议(SIP),使得终端的智能大大提高,目前市场上已经出现了丰富多彩的SIP智能终端。终端智能的提高及媒体承载能力的加强(如支持话音、视频等)使得用户对业务的个性化定制成为可能并且已经商用。如NGN的“呼叫屏蔽”这一特性,用户可以对不同来话进行筛选性的监控,可以在不同时间对不同来话实施不同的应答策略,应答的方式也不仅仅局限于接听、转发、挂断等传统方式,而是包括了话音应答、问候音播放、语音信箱转接、电子邮件转接、网页推送等多种不同的应答方式。这种灵活性在传统PSTN上是无法实现的。
此外,NGN能够实现许多PSTN所无法实现的业务特性,一号通就是一个很好的例子。PSTN通过IN方式也可以实现一号通业务,然而NGN基于SIP协议可以轻松实现IN方式的一号通所无法实现的能力。如NGN的一号通业务可以实现用户根据自己的需要随时设定对来话的振铃终端和振铃顺序,而这些策略可以依据来话者的不同和时间段的不同而变化。比如对自己的家人和同事可以实施两种完全不同的振铃策略,自己上班和下班时的振铃策略也可以完全不同。这就给了用户最大的自由和灵活性,保证可以有一种方式能联系到他,给日常生活和工作带来了极大的方便。这种业务特性是PSTN所无法实现的。类似的例子还有许多,如WEB800、点击传真等。
NGN不但在业务实现的简易性和灵活性上有独到之处,并且能实现许多PSTN无法实现的业务,而且具有业务的惟一性。NGN的业务能力主要包括:
A) 全面继承PSTN传统话音业务(包括基本话音业务、电话补充业务、CENTrEx业务、ISDN PRI补充业务、IN类业务等);
B) 基于SIP的宽带多媒体业务;
C) PSTN与因特网相结合的业务(即PINT业务,如点击拨号、点击传真、WEB800、ICW等);
D) 用户可定制的个性化业务。
3 从事软交换研究的国际组织
NGN是目前运营商和设备厂商都在讨论的热点技术,也是国外许多标准化组织和论坛(包括ITU-T的第11和16工作组, IETF的IP TELEPHoNY工作组、信令传输工作组(SIGTrAN)、媒体网关控制工作组(MEGACo),ETSI 的TIPHoN,国际软交换协会(ISC),3GPP,3GPP2,MPLS论坛,ATM论坛,DVB,DSL论坛,PARLAY等)的研究工作重点。我国网络与交换标准研究组和IP研究组于2000年开始制定NGN网络的相关标准。
其中,ISC成立于1999年5月,目前有近150个成员,是运营商和设备供应商交流需求和动态的场合。国际上大多数知名的电信设备制造商,如阿尔卡特、朗讯、北方电讯、CISCo、西门子、富士通、诺基亚、爱立信等,另外有一些电信运营商如美国的LEVEL 3、QWEST、AT&T、日本的NTT等均为该协会成员。
软交换论坛包含5个工作组,负责网络架构、协议制定等技术工作。
业务应用工作组负责业务功能制定、协调以及API标准的应用。
网络结构工作组负责软交换网络功能架构的制定。
设备控制工作组负责软交换间以及软交换与其他网络设备间控制协议的制定和补充、增强,如MGCP、MGC和设备的兼容性等。
网络管理工作组负责网络管理的结构和协议制定。
SIP工作组负责SIP协议在软交换网络中的应用和增强。
此外,ITU-T和IETF在相关协议的标准化方面已经取得了重要的进展,如H.248协议、BICC协议、SIP协议和SIGTrAN系列协议等。
4 存在的问题
目前虽然不少厂家推出了软交换的解决方案,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。从目前厂家所提供的解决方案来看,目前存在的主要问题如下:
A) 国际上尚无大型网络的组网和运营经验。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NGN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,还是采用分区域选路结构等,在技术和实践方面都有待进一步的探索。
B) 协议尚未做到兼容性,标准还在发展之中。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。
C) API没有成熟的产品。基于开放的业务平台,采用标准的API接口为网络运营商提供新业务开创了未来美好的前景,但是相应的产品仍在探索和研发之中。
D) 业务开发问题。标准、开放的API接口能够快速、灵活地提供丰富的业务,这是软交换体系的一个优势所在,但目前厂家能够提供的业务多集中为基本语音业务及补充业务、IN类业务、PINT业务、多媒体终端之间的同步浏览、统一消息、多媒体会议等,究竟什么业务才是运营商手中的杀手业务,才能真正带来收益,是目前运营商和设备商在共同苦思冥想的问题,目前并未出现使人眼前为之一亮的业务。
E) 网络安全和网络Qos问题。目前业界还没有一个非常完善的方法来解决网络安全性的问题,只能通过要求TG、软交换等网络设备应具备一定的反入侵能力以增强系统的安全性,用户账号、密码等用户数据的安全则只能采用加密的方式解决。在网络Qos方面,IETF组织已经提出了多种服务模型和机制来满足Qos的需求,其中比较著名的有综合业务模型(INTSErV)、区分业务模型(DIFFSErV)、MPLS技术、流量工程等,具体这些方案如何组合使用、可行性如何,效果如何,有待研究。
一、软交换的概念
软交换技术是一个能够提供下一代分组通信――包括语音、宽带和无线网络的平台。利用软交换技术,全球服务提供商和运营商能够优化他们的网络,并且能够提供新的业务和应用来获取新的利润。软交换是网络演进以及下一代分组网络的核心设备之一,它独立于传送网络,主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能,同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务,并向第三方提供可编程能力。软交换技术就是将呼叫控制功能从媒体网关(传输层)中分离出来,通过软件实现基本呼叫控制功能,包括呼叫选路、管理控制、连接控制(建立/拆除会话)和信令互通,从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离,为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面。软交换主要提供连接控制、翻译和选路、网关管理、呼叫控制、带宽管理、信令、安全性和呼叫详细记录等功能。与此同时,软交换还将网络资源、网络能力封装起来,通过标准开放的业务接口和业务应用层相连,从而可方便地在网络上快速提供新业务。
二、基于软交换技术的网络结构
软交换的主要设计思想是业务与控制分离、承载与接入分离的思想,把传统交换机功能实体离散分布在网络之中(如图1)。软交换技术是一种功能实体,为软交换网络提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能。
软交换网络是基于分组交换的网络,在原有电路交换机的基础上,将业务功能(业务提供)、控制功能(呼叫和信令控制)和接入功能(中继和用户接入)相分离,形成软交换网络的应用服务器、控制设备、信令网关和各种接入媒体网关。
软交换网络是一个可以同时向用户提供语音、数据、视频等业务的开放网络。它采用一种分层的网络结构,使得组网更加灵活和方便。整个网络被分成接入层、传送层、控制层和业务层(如图2),即把控制和业务的提供从媒体层中分离出来。
1. 业务应用层:主要由各类业务应用平台构成,包括应用服务器、数据库、策略服务器、SCP、AAA服务器等。软交换技术将电话交换机的业务控制模块独立成为一个物理实体,称为应用服务器(AS),主要功能是完成业务的实现,向用户提供各种增值业务。存放业务逻辑和业务数据,并可以通过应用服务器提供API接口。
2. 控制层:主要由软交换机设备构成。软交换技术将电话交换机的交换模块独立成为一个物理实体,称为软交换机(SS:SoftSwitch),SS主要功能是完成对边缘接入层中的所有媒体网关的各种业务呼叫控制,并负责各媒体网关之间通信的控制。
3. 核心传送层:核心传送层实际上就是软交换网的承载网络,为业务媒体流和控制信息流提供统一的、保证QoS的高速分组传送平台,其作用和功能就是将边缘接入层中的各种媒体网关、控制层中的软交换机、业务应用层中的各种服务器平台等各个软交换网网元连接起来。软交换网中各网元之间均是将各种控制信息和业务数据信息封装在IP数据包中,通过核心传送层的IP网进行通信。鉴于IP网能够同时承载语音、数据、视频等多种媒体信息,同时具有协议简单、终端设备对协议的支持性好且价格低廉的优势,因此软交换网选择了IP网作为承载网络。目前主要包括IP网和ATM网。
4. 边缘接入层:主要包括各类媒体网关设备、综合接入设备(IAD)及各种终端设备。软交换技术将电话交换机的业务接入模块独立成为一个物理实体,称为媒体网关(MG),MG功能是采用各种手段将各种用户及业务接入到软交换网络中,MG完成数据格式和协议的转换,将接入的所有媒体信息流均转换为采用IP协议的数据包在软交换网络中传送。
中继媒体网关(TG)和信令网关(SG)共同完成了电话交换机的业务接入功能模块的功能,实现了普通PSTN/PLMN电话用户的语音业务的接入,并将语音信息适配为适合在软交换网内传送的IP包。同时软交换技术还对业务接入功能进行了扩展,体现在AG、IAD、MSAG、H.323 GW、WAG等几类媒体网关。通过各类MG,软交换网实现了将PSTN/PLMN用户、H.323 IP电话网用户、无线接入用户的语音、数据、多媒体业务的综合接入。
软交换网络各层之间采用标准的协议和接口。各层之间相互独立,独自发展,每层之内的技术革新不影响其他层,并且软交换网络能够提供灵活多样的接入方式。通过开放的API接口可以支持运营商、第三方业务提供商开发新业务。
三、软交换的功能和特点
1. 软交换的功能
(1)呼叫控制功能。呼叫控制功能是软交换的重要功能之一,它为基本呼叫的建立、维持和释放提供控制功能,包括呼叫处理、连接控制、智能呼叫触发检出和资源控制等,可以说是整个网络的灵魂。
(2)互连互通功能。软交换是一种开放和多协议实体,采用标准协议与各种媒体网关、终端和网络进行通信,包括H.248、SCTP、ISUP、TUP、INAP、H.323、RADIUS、SNMP、SIP、M3UA、MGCP、BICC、PRI、BRI等。通过各种网关协议实现各种网络互通。
(3)业务提供和交换功能。 软交换控制媒体网关可以选择语音压缩算法和打包成IP包在IP网络上传输。
(4)计费功能。具有采集详细话单和计次表话单的功能,可根据运营要求将话单传送至计费中心。对于计账卡计费业务,具备实时断线功能。
(5)媒体网关功能。软交换控制媒体网关可选择语音压缩算法和打包成IP包在IP网络上传输。
(6)资源管理功能。对系统中的各种资源进行集中管理,如资源的分配、释放和控制。
2. 软交换的特点
(1)支持各种不同的PSTN、ATM和IP协议等各种网络的可编程呼叫处理系统;
(2)可方便地运行在各种商用计算机和操作系统上;
(3)高效灵活性;
(4)开放性;
(5)具有可编程的后营业务特性;
(6)具有先进的基于策略服务器的管理所有软件组件的特性。包括展露给所有组件的简单网络管理协议接口、策略描述语言和一个编写及执行客户策略的系统。
四、软交换的主要应用
针对不同的网络状况和业务需求,目前软交换主要应用在以下几个方面:
分组中继(PACHET TRUNKING):针对用户数增加对汇接局容量需求激增以及传输带宽增加的情况,通过采用软交换技术构建分组中继叠加网络,利用媒体网关直接提供高速的分组数据接口大大减少传输网络中低速交叉连接设备的数量,对语音进行静音抑制和话音压缩,以及AAL2/ATM的可变速率适配,降低了网络传输成本和带宽需求(可以节省近60%的传输资源),从而满足对现有的汇接局的扩容要求。
虚拟中继(VIRTUAL TRUNTING)电信级、7号信令端到端的大规模VOIP/ATM呼叫。软交换与媒体网关之间通过MGCP/H.248通信,软交换可面向其他网络提供SS7,INAP,H。323,SIP等多种协议,实现NGN和PSTN,IN,H。323,SIP等网络之间的通信。
多媒体业务(MULTIMEDIA SERVICES):针对用户多媒体业务的需求,利用软交换技术,将各种应用服务器上的新业务,在软交换设备的集中控制下,通过各种网关设备最终提供给广大终端用户,其中软交换直接控制着各种新业务的发放与实施,保证了业务在全网开展的及时性。另外,支持开放的API接口,通过与第三方应用服务提供商合作,开发并引入新的业务和应用。
电信级拨号接入(CARRIER CLASS DIALIN)其媒体网关同时具备VOIP网关和关守2种功能,在软交换的控制下,使全网媒体网关能统一管理,并能进行拨号上网用户数据旁路,且支持多ISP方案。
下一代本地交换系统(NEXT GENERATION LOCAL SWITCH)提供数据终端与PSTN网电信级互联互通。支持对个人用户(IP PHONE/PC)、企业用户(IP PBX)及不同网络(H。323/SIP)的接入。
3G的发展趋势是最终与IP网融合形成统一的IP网,IP网通过软交换的控制,及无线网关向3G用户提供宽带数据业务,同时也可以通过VOIP的方式提供语音业务。
关键词: IP多媒体子系统;会话推送服务器;基于IMS的多媒体电话业务;重路由
Abstract: This paper describes a solution that uses IMS to increase Internet access for subscribers. By using Push As, rerouting, charging, and other special techniques, this solution meets the networking needs of Internet users (which is different from the needs of telecom users). In this paper, we analyze a model based on the traffic of Internet access subscribers, and we discuss service development. There is a high number of Internet subscriber applications but a relatively low usage rate, which makes web self-registering, deregistering, and prepaid charging suitable. As well as being used for fixed-network reconstruction, IMS can also be used to increas the number of Internet subscribers.
Key words: IP multimedia subsystem (IMS); PUSH AS; multimedia telephony (MMTEL); rerouting
中图分类号:TP393 文献标志码:A 文章编号:1009-6868 (2012) 04-0038-06
IP多媒体子系统(IMS)作为新一代核心网控制技术,是未来移动、固定网络融合的统一控制层,是引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。IMS在标准上已经基本成熟,在运营商中已经开始尝试规模商用,但是应用方式在业界还处于探讨当中。IMS在中国的应用方式主要是替代软交换进行固网改造。比如中国电信各省公司已经完成IMS设备的集采工作,部分省公司的IMS设备已经割接了数十万用户。除了固网改造外,其他新的应用模式还在探讨中,比如按第三代合作伙伴计划(3GPP)标准,长期演进(LTE)的语音、视频类会话也将由IMS进行控制。但是LTE在中国的规模部署还需一段时间,因此除了固网改造之外,IMS网络如何接入、发展用户就是一个问题。另一方面,随着MSN、Skype、QQ等业务的发展,Internet通信业务对传统运营商的业务发展也构成了很大挑战。电信运营商如何应对IT业务的渗透,并实现转型是近几年业界讨论的热门话题。
2011年中兴通讯在海外某运营商的IMS网络已经实施并商用,该局点提供固网改造功能和IT的应用。作为竞争性运营商,在用户接入、用户规模上都没有明显优势,所以在引入IMS时考虑必须有创新的业务,在方案上对IMS进行了扩展。
1 IMS组网介绍
1.1 组网
该运营商的现网是一个下一代网络(NGN)改造后的软交换局,它可以接入综合业务接入网(MSAN)的固网用户、H.323标准的终端、SIP协议(非IMS标准)的终端。
IMS实施后,组网如图1所示,符合3GPP标准要求[1]。MSAN的固网用户,通过接入网关控制功能(AGCF)接入IMS网络。AGCF兼做协议转换功能,接入H.323标准的IP用户交换机(IP PBX)、综合业务接入设备(IAD),SIP协议(非IMS标准)的IP PBX、IAD。新发展的Internet用户,使用局方定制的符合3GPP标准的软终端,包括Win PC、Mac PC、WinCE、iPhone、Android等多个版本,并通过会话边界控制器(SBC)接入-呼叫会话控制功能(P-CSCF)。IMS网络通过媒体网关控制功能(MGCF)、媒体网关(IM-MGW)与现网电路域互通。MGCF与现网软交换通过SIP-T协议互通,媒体面不经过MGW,IMS终端和软交换终端直接端到端互通。不同终端之间可能存在编解码不能互通的问题,IMS网络需要提供编解码转换功能[2]。编解码转换功能由多媒体电话应用服务器(MMTEL AS)实现,MMTEL AS识别会话需要编解码转换时,控制媒体网关做编解码转换。MMTEL AS内置了媒体资源控制功能(MRFC),IM-MGW内置了媒体资源处理功能(MRFP)[2]。IMS通过业务交换功能(SSF AS)与业务控制点(SCP)互通,为IMS用户提供现网智能业务。在IMS网络中引入第三方AS,提供MMTEL AS之外的其他业务,比如Push AS提供的会话推送业务。
用户的号码编号方式分固网改造用户、新发展的互联网类用户两种情况。
固网改造用户与中国的固网改造基本类似,每用户SIP、Tel格式的IP多媒体公共标识(IMPU)各1个。
关键词:SIP、用户、SIP消息、VOIP、NGN
1
前言
正如DYNAMICSOFT公司首席科学家Jonathan Rosenberg博士所说的“在电信界以外毫无所知的情况下,一场静悄悄的革命发生了”。而领导这场静悄悄革命的是会话初始化协议(Session Initiation Protocol,SIP),它是由IETF提出的IP电话信令协议。SIP的出现打破了传统电信业务的传输模式,它用基于Internet的准则为电信业带来了新的生机。SIP作为第三代移动系统的信令协议,能够提供IP多媒体服务,可以将蜂窝系统与Internet应用领域融合在一起。它的主要目的是为了解决IP网中的信令控制,以及同软交换机(SoftSwitch)的通信,从而构成下一代的增值业务平台,对电信、银行、金融等行业提供更好的增值业务。
2
SIP简介
2.1
SIP系统结构
按逻辑功能区分,SIP系统由4种元素组成:用户,SIP服务器,重定向服务器以及SIP注册服务器,如错误!未找到引用源。所示。
SIP用户,又称为SIP终端,是SIP系统中的端用户,在RFC3261中将它们定义为一个应用。根据它们在会话中扮演的角色的不同,又可分为用户客户机(UAC) 和用户服务器(UAS)2种。其中前者用于发起呼叫请求,后者用于响应呼叫请求。
SIP服务器,是一个中间元素,它既是一个客户机又是一个服务器,具有解析名字的能力,能够前面的用户向下一跳服务器发出呼叫请求。然后服务器决定下一跳的地址。
重定向服务器,是一个规划SIP呼叫路径的服务器,在获得了下一跳的地址后,立刻告诉前面的用户,让该用户直接向下一跳地址发出请求而自己则退出对这个呼叫的控制。
SIP注册服务器,用来完成对UAS的登录,在SIP系统的网元中,所有UAS都要在某个登录服务器中登录,以便UAC通过服务器能找到它。
2.2
SIP的主要功能
SIP具有如下基本功能:
1.
用户定位(User location):决定哪个终端系统参加通信;
2.
用户能力(User capabilities):决定通信所采用的媒体和媒体参数;
3.
用户可用性(User availability):决定被叫方是否愿意加入通信过程;
4.
呼叫建立(Call setup):振铃、主叫方和被叫方的连接和参数的建立;
5.
呼叫处理(Call hangling):呼叫前转或终结呼叫。
2.3
SIP消息机制
SIP是一个基于文本的协议,它的消息分为两大类:从客户端到服务器的请求(Request)和从服务器到客户端的响应(Response)。
无论请求消息还是响应消息都是由起始行(Start-Line)、消息头部(Message-Header)和可选的消息体(Message-Body)构成。SIP消息的头部字段主要有From、To、Call-ID、Cseq、Via、Contact等,用于标识会话的各种相关参数,而可选的消息体部分用于描述会话双方的通信能力。
请求消息的起始行称为请求行(Request-Line),其中的“方法”(Method)字段表明了请求消息的功能。
SIP协议定义了6种方法:REGISTER:用于登记联系信息;INVITE:用于邀请用户加入会话;ACK:用于对邀请做出响应;CANCEL:用于取消未完成的请求;BYE:用于终止会话;OPTIONS:用于询问服务器的性能。
响应消息的起始行称为状态行(Status-Line),其中的状态码字段指示了被叫方对请求的响应结果。
2.4
SIP呼叫举例
如错误!未找到引用源。所示描述了一个典型的SIP呼叫。user1@sip1.com作为UAC希望同user2@sip2.com通话,他首先发出一个INVITE请求,本地的SIP服务器sip1.com接受到这个INVITE请求后,经过地址解析,将其发送至SIP服务器sip2.com,同时sip1.com返回给user1 一个 100 Trying消息。sip2.com接收到sip1.com的INVITE请求后,将其转发给user2@sip2.com,并返回给sip1.com一个Trying消息。user2接受到INVITE请求后,在应答之前,将返回给sip2.com一个180Ringing消息,此Ringing消息将依次转发给sip1.com、user1。如果user2决定应答呼叫,则返回一个200 OK消息,此消息经过sip2.com、sip1.com最后到达user1。user1在收到200OK消息后,直接发送一个ACK确认消息给user2。至此呼叫建立过程完成,user1和user2之间可以建立媒体通道进行对话。当一方想结束通话时,发送一个BYE消息给对方,对方返回一个200 OK消息,SIP呼叫即被终止。
2.5
SIP的优越性
SIP是为VoIP电话,尤其是结合Internet设计的协议,它拥有明显的优越性。
1.
SIP拥有优异的可扩展性,原因在于,大大降低了对中心节点(核心网络服务器)的压力,在同样情况下,可大幅提高系统对呼叫的处理能力。
2.
SIP与现有的Internet应用紧密结合,包括Web以及Email业务,而点击拨号(Click to Dial)和点击传真(Click to Fax)等协议都是基于SIP的。
3.
对于工程师而言,SIP具有非常简单的优势,可以松实现Internet电话。
SIP具有更高的功能性和增长潜力,但SIP获得普遍接受的前提是整个分组语音承载技术先被人们接受。现在,这些条件已越来越成熟,SIP的发展正面临着一个大好时机。
3
SIP发展现状
在现阶段,SIP已经得到了业界的普遍认同:
1.
标准组织:NGN论坛、3GPP、3GPP2等标准组织已确定SIP为多媒体会话标准,CDMA、NGN、WCDMA核心网将走向融合和统一;
2.
制造商:业界纷纷推出基于SIP的多媒体解决方案,包括电信设备厂商(Nortel、Ericsson、Huawei)、数据通信厂商(Cisco)以及软件厂商(Microsoft);
3.
运营商:基于SIP的NGN Voice方案已经成为发展趋势,各大运营商普遍接受,美洲运营商招标建设基于SIP的NGN Voice网络,Embratel认同基于SIP的VoIP解决方案,日本宽带运营商的VoIP网关设备均基于SIP;
4.
软件厂商:固定和移动终端操作系统Win XP、Win CE、Symbian宣布支持SIP,企业办公系统Notes、Exchange、GroupWise支持基于SIP协议与包括电信运营商在内的第三方互通通信与状态信息
基于SIP协议的多媒体业务平台是未来NGNS(下一代网络的新型业务Next Generation Network-based Service)的主流业务平台,尤其在NGN(下一代网络)更为合适。
4
支持SIP的产品
目前,已经有不少值得关注的、比较有代表性的SIP应用,例如:
1.
SIP产品开发商Dynamicsoft是Cegetel的合作者,该公司致力于为SIP产品设计和制造开发平台,供其他厂商在其基础上开发市场需要的新兴语音服务。
2.
3Com公司已完成其SIP产品的第四次测试,其目的是为了检验软件和硬件的SIP互操作性。这是第一次整个电话系统都建立在SIP基础上的测试,比如通过一台SIP网关访问PSTN等。
3.
Siemens已经正式向业界推出了采用SIP协议的VoIP电话。该产品完全符合SIP的要求,呼叫可以从PSTN、Intranet或者Internet发起。此类电话产品,包括电话机、客户程序和通信服务器、网关都可应用于企业通信系统和电信规模的IP电话系统。
4.
Cisco 将SIP功能嵌入了其接入服务器和系列路由器,这些嵌入功能负责IP网络语音和多媒体呼叫的信令控制,而Cisco的SIP软件具备SIP协议的固有优势,在个人移动服务上功能强大。
5.
Lucent实现了一套供第三方开发者采用SIP的可编程软件平台,支持SIP全部标准服务和组成元素。
5
结束语
本文简单介绍了SIP的基本知识和发展现状,以及它在电信界中的应用。SIP技术现在还处于发展阶段,可以预料,当SIP技术成熟并市场化后,将会给电信界带来一次革命,给银行、金融等行业提供更好的增值业务。
参考文献
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[RFC 2543] M. Handley, H. Schulzrinne, E. Schooler, and J.Rosenberg.“SIP: Session Initiation Protocol, ” IETF. March 1999
2.
[RFC 3261]G.Camarillo,A.Johnston,M.Handley,J.Peterson,H.Schulzrinne, E.Schooler, R.Sparks,and J.Rosenberg, “SIP: Session Initiation Protocol,”IETF. June 2002
3.
[RFC 2327] M. Handley, V. Jacobson. “SDP: Session Description Protocol,” IETF. April 1998
4.
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5.
[RFC 1889] H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson. “RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications,” IETF. January 1996
6.
[RFC 768] J. Postel. “User Datagram Protocol,” IETF. August 1980
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8.
《以软交换为核心的下一代网络技术》赵慧玲 叶华等编著
人民邮电出版社 2003
9.
《IP网络多媒体通信技术》黄永峰等编著
人民邮电出版社 2003
10.
《软交换与下一代网络》陈建亚 余浩编著
北京邮电大学出版社2003
11.
《VoIP技术分析与系统设计》张登银 孙精科等编著
人民邮电出版社 2003