NGI第3章2光交换.ppt

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1、下一代互连网技术（NGI),第1章 NGI概述 第2章 NGI主要传输技术 第3章 宽带IP交换技术 第4章 IPv6协议 第5章 高层网络协议 第6章 无线网络技术 第7章 宽带接入技术,第3章 宽带IP交换技术,主要内容： 3.1 数据交换的概念 3.2 传统路由器的工作原理 3.3 ATM交换技术 3.4 IP交换技术 3.5 多协议标记交换-MPLS 3.6 光交换技术 3.7 IP软交换技术,3.6 光交换技术,3.6.1 光交换技术简介,光交换节点由接口、光交换网络、信令和控制系统四大部分组成。接口完成光信号的转换、复用/分路或信号的上路/下路。信令协调光交换节点和接入设备以及光节

2、点设备间的工作。光交换网络在控制系统的控制下交换光信号，实现任意用户间的通信。,未来的全光网仍是以交换节点为核心构建，因此研究和开发具有高速宽带大容量交换潜力的光交换机势在必行。,如何实现交换网络和控制系统的光化，包括光逻辑操作和数据操作算法是光交换系统主要的研究课题。至今光计算机还没有广泛投入使用，涉及的光交换系统还是一个光交换网络与电子控制系统相结合的交换系统。有信令支持的自动交换光网络ASON(Automatic Switched Optical Network)具有动态连接能力，但目前还未实现。目前的光交换系统中控制选路的路由表由人工配置，控制光交换网络交换的转发表通过网管系统配置。,

3、3.6.1 光交换技术简介（续）,3.6 光交换技术,目前可用于超高速光纤网络的复用技术主要有： 光波分复用OWDM(Optical WaveLength Division Multiplexing) 光频分复用OFDM(Optical Frequency Division Multiplexing) 光时分复用OTDM(Optical Time Division Multiplexing) 光码分复用OCDM(Optical Code Division Multiplexing) 副载波复用SCM(SubCarrier Multiplexing)等。 其中，OFDM和OWDM在本质上相似，都

4、是用不同的光载波传输信息，但两者又有区别：在同一根光纤中传输的光载波路数不多，载波之间的间隔又较大的复用方式通常称为OWDM；若光载波路数较多，波长间隔较小而又密集的复用方式称为OFDM，OFDM是密集波分复用系统使用的复用技术。,3.6.1 光交换技术简介（续）,3.6 光交换技术,按交换方式分，光交换系统分为：光路交换和分组交换两类。光路交换又可分为空分(SD)、时分(TD)和波分/频分(WD/FD)光交换，及复合型。其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一类是采用波导技术的波导空分，另一类是使用自由空间光传播技术的自由空间光交换。光分组交换中，异步传送模式(ATM)是近来被广泛

5、研究的一种光交换方式，是用硬件交换信元脉冲串。,3.6.1 光交换技术简介（续）,3.6 光交换技术,1光开关 光开关是构成光交换系统的主要器件。通过开关接通或断开，使得光信号通过和隔断。 光开关可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关靠光纤或光学元件移动, 使光路发生改变。其特点是插入损耗低，串扰小，消光比和波长透明度大，但其开关响应速度低(ms级)，仅适合于光路的恢复等面向连接的应用。典型的器件是机械光纤开关。 非机械式光开关依靠电光效应、磁光效应、声光效应和热光效应来改变波导折射率, 使光路发生改变。其特点是开关响应速度相对较高和易于集成。,3.6.2 光交换器件,3.6 光交换技术,

6、2. 光放大器 光放大器就是放大光信号的器件。它的输入、输出信号均是光波。光放大器件有两大类：一类称为光纤放大器；另一类是半导体光放大器。 光纤放大器最基本的组成有三部分：一是掺稀土离子的光纤，这是激光激活物质，其长度一般在十几米范围内；二是光耦合器，这里主要是波分复用器(WDM)，它将泵浦光与信号光耦合进掺稀土的光纤中；三是泵浦源，是激励激光活性物质的。泵浦源是输出功率较大(几十mW到100多mW),而输出波长一定(980 nm、1480 nm)的激光器。,3.6.2 光交换器件,3.6 光交换技术,2. 光放大器(续） 半导体光放大器可以对输入的光信号进行放大，并且通过偏置电信号可以控制它

7、的放大倍数。如果偏置信号为零，那么输入光信号就会被这个器件完全吸收，使输出信号为零，相当于把光信号关断。当偏置信号不为零时，输入光信号就出现在输出端上，相当于让光信号导通。因此，这种半导体光放大器可以用作光开关。半导体光放大器开关插入损耗小，有很宽的带宽且易于集成。同样，掺饵光纤放大器也可以用作光开关，只要控制泵浦光即可。,3.6.2 光交换器件,3.6 光交换技术,3波长变换器 波长转换器是一种用于光交换的器件。最直接的波长变换光电光变换，即将波长为i的输入光信号，由光电探测器转变为电信号，然后再去驱动一个波长为j的激光器，或者通过外调制器去调制一个波长为j的输出激光器，如下图所示。,3.6

8、.2 光交换器件,3.6 光交换技术,4光存储器 光存储器是时分光交换系统的关键器件，它可实现光信号的存储，以进行光信号的时隙交换。常用的光存储器有两种：双稳态激光二极管和光纤延时线。双稳态激光器可用作光缓存器，但是它只能按位缓存，而且还需要解决高速化和容量扩充等问题。光纤延时线是一种比较适用于时分光交换的光缓存器。它以光信号在其中传输一个时隙时间经历的长度为单位，光信号需要延时几个时隙，就让它经过几个单位长度的光纤延时线。,3.6.2 光交换器件,3.6 光交换技术,光交换网络完成光信号在光域的直接交换，不需通过光电光的变换。根据光信号的分割复用方式，相应的也存在空分、时分和波分三种信道的交

9、换。若光信号同时采用两种或三种交换方式，则称为混合光交换。 1空分光交换 空分光交换(space optical switch)的实现是最简单的一种，该交换使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。空分交换网络由开关矩阵组成。最基本的空分光交换网络是22光交换模块。,3.6.3 光交换,3.6 光交换技术,空分光交换模块有以下几种： (1) 铌酸钾晶体定向耦合器； (2) 由4个12光交换器件组成的22光交换模块，该12光交换器件可以由铌酸锂方向耦合器担当，只要少用一个输入端即可。 (3) 由4个11开关器件和4个无源分路/合路器组成的22光交换模块，其中11开关器件可以是半导体激

10、光放大器、掺铒光纤放大器、空分光调制器，也可以光门电路等。 所有以上器件均具有纳秒(ns)量级的交换速度。,3.6.3 光交换（续）空分光交换,3.6 光交换技术,在图(a)所示的光交换模块中，输入信号只能在1个输出端出现，而图(b)所示的输入信号可以在两个输出端都出现。,基本的22空分光交换模块 (a) 由12光交换器件组成；(b) 由11开关和无源分路/合成组成,3.6.3 光交换（续）空分光交换,3.6 光交换技术,用11、22等光开关为基本单元，并按不同的拓扑结构连接可组成不同形式的交换网络，如纵横交换网络、三级串联结构形式网络和多级互联网络等。根据组成网络的器件不同，对交换网络的控制

11、也不同，可以是电信号、光信号等。 空分光交换直接利用光的宽带特性，开关速度要求不高，所用光电器件少，交换网络易于实现，适合中小容量交换机。,3.6.3 光交换（续）空分光交换,3.6 光交换技术,2时分光交换 时分光交换采用光延迟器件来完成时隙互换。下图为两种时隙交换器TSI(Time Slot Interchanger)。图中的空间光开关在一个时隙内保持一种状态，并在时隙间的保护带中完成状态转换。,3.6.3 光交换（续）时分光交换,时隙交换器,3.6 光交换技术,上图中现假定时分复用的光信号每帧有T个时隙，每个时隙长度相等，代表一个信道。图(a)用一个lT空间光开关把T个时隙时分复用，每个

12、时隙输入到一个22光开关。若需要延时，则将光开关置成交叉状态，使信号进入光纤环中，光纤环的长度为1，然后将光开关置成平行状态，使信号在环中循环。需要延时几个时隙就让光信号在环中循环几圈，再将光开关置成交叉状态使信号输出。T个时隙分别经过适当的延时后重新复用成一帧输出。这种方案需要一个1T光开关和T个22光开关，光开关数与T成正比。,3.6.3 光交换（续）时分光交换,3.6 光交换技术,图(a)是反馈结构，即光信号从光开关的一端经延时又反馈到它的一个入端。它有一个缺点，就是不同延时的时隙经历的损耗不同，延时越长，损耗越大，而且信号多次经过光开关还会增加串扰。 图(b)采用了前馈结构，不同的延时

13、使用不同长度的单位延时线。图中没有22光开关，控制比较简单，损耗和串扰都比较小。但是在满足保持帧的完整性要求时，它需要2T减l条不同长度的光纤延时线，而反馈结构只需要T条长度为1的光纤延时线。,3.6.3 光交换（续）时分光交换,3.6 光交换技术,时分光交换网络,时分光交换网络的工作原理为：首先，把时分复用信号送入空间开关分路，使它的每条出线上同时都只有某一个时隙的信号；然后，把这些信号分别经过不同的光延迟线器件，使其获得不同的时间延迟；最后，再把这些信号经过一个空间开关复用重新复合起来，时隙互换就完成了。,3.6.3 光交换（续）时分光交换,3.6 光交换技术,3波分光交换 波分复用系统采

14、用波长互换的方法来实现交换功能。波长开关是完成波长交换的关键部件。可调波长滤波器和变换器是构成波分光交换的基本元件。 波长互换的实现是从波分复用信号中检出所需波长的信号，并把它调制到另一波长上去，如图8.18所示。检出信号的任务可以由具有波长选择功能的法布里珀罗(F-P)滤波器或相干检测器来完成。信号载波频率的变换则是由可调谐半导体激光器来完成的。为了使交换系统能够根据具体要求在不同的时刻实现不同的连接，控制信号应对F-P滤波器进行控制，使之在不同的时刻选出不同波长的信号。,3.6.3 光交换（续）波分光交换,3.6 光交换技术,波长互换光交换,时分和波分交换都具有一个共同的结构，即都是从某种

15、多路复用信号开始，先进行分路，再进行交换处理，最后进行合路，输出的还是一个多路复用信号。,3.6.3 光交换（续）波分光交换,3.6 光交换技术,波长选择光交换原理,波长选择光交换:另一种交换结构与上面介绍的正好相反，如图所示。它是从各个单路的原始信号开始，先用某种方法，如时分复用或波分复用，把它们复合在一起，构成一个多路复用信号，然后再由各个输出线上的处理部件从这个多路复用信号中选出各个单路信号来，从而完成交换处理。,3.6.3 光交换（续）波长选择光交换,3.6 光交换技术,上图（波长选择光交换原理图）结构可以成一个NN阵列型波长交换系统，N路原始信号在输入端分别去调制N个可变波长激光器，

16、产生出N个波长的信号，经星形耦合器后形成一个波分复用信号、在输出端可以采用光滤波器或相干检测器检出所需波长的信号。该结构的波长选择方式有： 发送波长可调，接收波长固定； 发送波长固定，接收波长可调； 发送和接收波长均按约定可调； 发送和接收波长在每一节点均为固定，由中心节点进行调配。,3.6.3 光交换（续）波长选择光交换,3.6 光交换技术,4结合型光交换 虽然使用半导体激光器可实现光频转换，使用调谐滤波器可以选择信道，但是在实际系统中利用它们实现交换的信道数有限。将几种光交换相结合，可以扩大交换网络的容量。 1) 空分与时分结合型交换系统 图8.20给出两种空分与时分结合的光交换单元。图中

17、，时分光交换模块可由N个时隙交换器构成。LiNbO3光开关、InP光开关和半导体光放大器门型光开关的开关速率都可达到ns级，由它们构成空分光交换模块S。,3.6.3 光交换（续）结合型光交换,3.6 光交换技术,两种空分与时分结合型光交换单元 (a) TST结构；(b) STS结构,3.6.3 光交换（续）结合型光交换,3.6 光交换技术,2) 波分与空分结合型交换系统 使用波分复用技术设计大规模交换网络的一种方法是把多级波分交换网络进行互联。但是这种方法每次均需要把WDM信号分路后进行交换，然后再合路，这使系统很复杂，实现起来也很困难，成本也高。解决方法之一是利用空分交换技术。把输入信号波分

18、解复用，再对每个波长的信号分别应用一个空分光交换模块，完成空间交换后再把不同波长的信号波分复用起来，完成波分与空分光交换功能，如下图所示。,3.6.3 光交换（续）结合型光交换,3.6 光交换技术,一种波长复用的空分光交换模块,3.6.3 光交换（续）结合型光交换,3.6 光交换技术,3) FDM与TDM结合型交换系统 在FDM交换系统中，加入光存储器完成时隙交换，就可以实现FDM与TDM结合型交换，如下图所示。其工作原理是这样的：首先，用电时分复用的方法将N路信号复用在一起，然后去调制L个光载波中的一个光载波，这L路光载波经频分复用后就构成FDM与TDM结合的复用信号。为了实现FDM与TDM

19、结合型交换，应首先用波分解复用器对 L路FDM信号解复用，得到L路时分复用信号，然后再对每一路TDM信号进行时隙交换。TDM交换是由1N分路器、N个光存储器、N个低速频率转换器和1个N1光合路器组成。时隙交换后的L路光信号再经合路器复合后送入光纤传输，从而完成了FDM与TDM结合型交换。由此可见，这种1级结构需要NL个光存储器和NL个低速频率转换器。,3.6.3 光交换（续）结合型光交换,3.6 光交换技术,FDM与TDM结合型交换系统原理图,3.6.3 光交换（续）结合型光交换,3.6 光交换技术,5ATM光交换 ATM光交换是以ATM信元为交换对象的技术，交换遵循电领域ATM交换的基本原理

20、，采用波分复用、电或光缓存技术，由信元波长进行选路。依照信元的波长，信元被选路到输出端口的光缓冲存储器中，然后将选路到同一输出端口的信元存储于输入公用的光缓冲存储器内，完成交换的目的。 下图是用输出缓冲器控制的光信元交换广播选择星形网络。该网络中输入和输出信号是电信号，其比特率为B，经光时分复用后为nB。交换系统由6部分组成：光调制器、光信元编码器、星形耦合器、光信元选择器，光信元缓冲器以及光信元解码器。,3.6.3 光交换（续）ATM光交换,3.6 光交换技术,光时分复用ATM信元交换广播选择星形网络,3.6.3 光交换（续）ATM光交换,3.6 光交换技术,光信元编码器是一列脉冲间隔压缩器

21、，每个编码器由12的光开关、一对光延迟线和一个光耦合器组成。在光发送端，使用超窄光脉冲发生器，把比特率为B的电ATM信元数据流转变成超高速光信元流，超窄光脉冲由增益切换分布反馈激光二极管或模式锁定激光器获得。包括路由信息的控制信元同时由直接调制激光器产生，并与它们对应的高速数据信元经波分复用器复用在一起。在星形耦合器中，经波分复用后的超高速数据信息信元和控制信元又与其它输入线来的信元时分复用，其结果是在星形耦合器的输出端产生了一列比特率为nB的超高速光比特流。,3.6.3 光交换（续）ATM光交换,3.6 光交换技术,数据信元被波分解复用后，信元选择器检出控制信元，当其地址与输出线的地址一致时

22、，使用一个光门控开关，从高速数据流中滤出数据信元，然后送入输出缓冲器，比特率为nB的超高速光信元被转换回比特率为B的光信元，并进一步由信元解码器变换为电信元。信元选择器和信元探测器需要的逻辑功能是由电子器件来完成的。 光星形耦合器的广播选择星形网络结构简单，因此可靠性高、费用也低。,3.6.3 光交换（续）ATM光交换,3.6 光交换技术,6自由空间光交换 光学通道由光学波导组成，所构成的交换网络容量有限，远远没有发挥光的并行性、高密度的潜力。另外，平面波导构成的光开关节点是一种定向耦合开关节点，没有逻辑处理功能，不能做到自寻址路由控制，因此很难适应ATM交换的需要。 光载波在自由空间传输的带

23、宽约为100THz，自由空间光交换网络系统可利用这种带宽。 自由空间光交换是指在空间无干涉地控制光的路径的光交换。它构成简单，只需要移动棱镜或透镜即可。,3.6.3 光交换（续）自由空间光交换,3.6 光交换技术,典型的自由空间光交换是由二维光极化控制的阵列或开关门器件组成。使用全息光交换技术可构成大规模的自由空间光交换系统，且无需多级互联。 自由空间交换的优点是互连不需物理接触，且串扰和损耗小。但对光束的校准和准直精度要求很高。 自由空间光交换网络可以由多个22交叉连接元件组成。下图是由具有极化控制的两块双折射片组成的交换元件，前一块双折射片对两束正交极化的输入光束复用，后一块片对其解复用。

24、输入光束偏振方向由极化控制器控制，可以旋转0o或90o。当旋转0o时，输入光束的极化状态不会改变；当旋转90o时，输入光束的极化状态发生变化，正常光束变为异常光束，异常光束变为正常光束，实现了22交换。,3.6.3 光交换（续）自由空间光交换,3.6 光交换技术,由两块双折射片组成的交换元件 (a) 交叉连接状态；(b) 平行连接状态,3.6.3 光交换（续）自由空间光交换,3.6 光交换技术,7光交换系统 实际系统中，上述不同的光交换技术可以支持不同粒度的交换。多路光纤空间交换和波长交换是粗粒度的信道分割；时分或分组交换的信道是细分割粒度。 目前，WDM全光网的主要节点设备是光交叉连接(OX

25、C)和光分插复用器(OADM)。 OADM的功能是在光域内从传输设备中有选择性地下路、上路或直通传输信号，实现传统SDH设备中电的ADM功能。相比较而言，OADM更具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，使整个光纤通信网络的灵活性大大提高。目前固定波长OADM已有产品，可变波长OADM技术也已经成熟，正从实验室走向商用市场。,光交换层次示列,一种广泛采用的OADM结构图,3.6.3 光交换（续）自由空间光交换, OXC的功能是在光域网上直接实现高速光信号的路由选择、网络恢复等，是全光网的核心器件。虽然OXC只具有有限的光交换功能，但已在各种基于WDM的光联网中得到了应用。OXC即用于长途骨干

26、网，也应用于城域网。OXC的基本应用包括物理网络的管理、波长管理、指配和疏导。物理网络的管理是指故障路由的恢复和灵活的选路；波长管理主要指波长选路；指配和疏导可实现网络重组和改变业务模式，以适应新业务的需要。此外，在WDM网中，为了防止信道间的串扰，相邻波长需保证一定的间隔，因而可用波长数受限，OXC网络节点对指定波长进行互连，可实现波长重用。,3.6.3 光交换（续）自由空间光交换,3.6 光交换技术,基于空间交换的OXC结构图,3.6.3 光交换（续）自由空间光交换,3.6 光交换技术,3.6.4 光交换技术的发展状况 对光交换的探索始于20世纪70年代，80年代中期发展比较迅速。首先是在

27、实验室对各种光基本器件进行了技术研究，然后对构成系统进行了研究。目前对光交换所需器件的研究已具有相当水平。在光器件技术推动下，光交换系统技术的研究也有了很大进展。第一步进行电控光交换，即信号交换是全光的，而光器件的控制仍由电子电路完成。目前实用系统大都处于这一水平，相关成果报道得也比较多。第二步为全光交换技术，即系统的逻辑、控制和交换均由光子完成。关于这方面的报道还较少。,3.6 光交换技术,目前美国ATM贝尔研究所，日本NEC和NTF、德国HHI、瑞典爱立信公司等研究机构对光交换的研究水平较高，主要涉及6种交换方式以及光互联、全光同步、光存储器和光交换在B-ISDN中的应用等领域。光交换领域

28、急需研究开发的课题有：光互联、光交换、光逻辑控制及光综合通信网的结构。 我国在“七五”期间就开展了光交换技术的研究，并将光交换技术列为“八五”、“九五”期间的高科技基础研究课题。1990年，清华大学实现了我国第一个时分光交换(34 M/s)演示系统。1993年，北京邮电大学光通信技术研究所研制出光时分交换网络实验模型。,3.6.4 光交换技术的发展状况,3.6 光交换技术,目前，光交换技术市场日益成熟，价格也在迅速下降。许多运营商，比如 Global Crossing、法国电信和日本电信等都已经计划在他们的网络中广泛采用光交换技术。北京市通信公司宣布采用北电网络的 OPTera DX光交换机完

29、成了长途光传输系统工程，升级后的网络已投入商业服务。 对光信号处理可以是线路级的、分组级的或比特级的。WDM光传输网属于线路级的光信号处理；OTDM是比特级的光信号处理，由于它对光器件的工作速度要求很高，离实用还有一定的距离；光分组交换(OPS)属于分组级的光信号处理，和OTDM相比，它对光器件工作速度的要求大大降低，而且比WDM能更加灵活、有效地提高带宽利用率。,3.6.4 光交换技术的发展状况,3.6 光交换技术,光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分组交换，是下一代全光网络技术，其应用前景广阔。目前，世界上许多发达国家进行了光分组交换网的研究，如欧洲RACD计划

30、的ATMOS项目和ACTS计划的 KEOPS项目，美国DARPA支持的POND项目和CORD项目，英国EPRC支持的WASPNET项目，日本NTT光网络实验室的项目等。 但是，光分组交换网的实用化取决于一些关键技术的进步，如光标记交换、微电子机械系统、光器件技术等。目前，光器件技术中固态光交换技术已开始迅速发展，交换速度可以在纳秒的范围之内，主要用于光的分组交换。已经有一些公司在这个方向上取得了重大进展。随着光网络技术、系统技术、光器件技术的发展，光分组交换在不远的将来会走向实用化。,3.6.4 光交换技术的发展状况,3.6 光交换技术,3.7 软交换技术,3.7.1 软交换技术产生的背景 2

31、0世纪90年代中期，已有话音和数据两种不同类型的通信网络投入运营。即使是同一类型的网络也逐步打破了一个运营商独家经营的局面。不同运营商为了不断扩大自己的业务地盘，纷纷参与市场竞争，传统的通信网络框架已分崩离析。电信企业力图发展图像和计算机业务；有线电视企业积极发展计算机和电话业务；计算机企业则试图把活动图像和电话业务纳入自己的业务范围。这样，三网合一发展综合业务已成为必然。,电信网、计算机数据通信网和广播电视网在业务、技术、管理上的统一，实现 “三网合”。,3.7 软交换技术,3.7.1 软交换技术产生的背景,3.7 软交换技术,3.7.1 软交换技术产生的背景,如何实现异构网络的融合，又满足

32、网络的高度开放性、灵活性和适应性要求呢？答案:从网络体系结构入手，将网络的媒体承载部分、呼叫控制部分以及业务生成部分相分离。 结构上:采用中央服务器的分布式结构，各层采用标准协议和开放接口进行通信;承载传送:基于IP交换的网络;硬件和软件组件的标准化更便于多厂商解决方案的引入和网络运营商与第三方开发的业务的快速引入。软交换技术正是能适应上述要求的下一代网络的解决方案。 软交换的主要思路不同于综合交换机，它保持PSTN/ISDN网络基本不变，即不再增加现有节点的复杂度，通过相应网关实现电路交换网和分组数据网的互通，并把电路交换对实时通信业务的控制技术引入数据网，由此实现两类网络的综合，进而实现网

33、络的融合。,(a) 传统电路交换模式；(b) 软交换模式,用软交换思想构建的交换模型不同于传统的电路交换，如图8.4所示。图中(a)表示传统电路交换机的功能组成，(b)是软交换结构。(b)中的媒体网关替代了(a)中的用户板/中继板，它完成从TDM流到IP分组流的转换；IP分组骨干网替代了传统时分交换网络；软交换技术替代了控制时分交换网络的控制器，它控制媒体网关之间媒体分组的交换和选路。,3.7.1 软交换技术产生的背景,3.7 软交换技术,首先，实现上述思想的成功方案是IP电话。由于IP网传输时延不定，QoS无法保证，为了支持实时电话业务，IETF定义了实时协议RTP(Real-Time Pr

34、otocol)支持QoS，定义了资源预留协议RSVP(Resource Reservation Protocol)为呼叫保留网络资源。此外，IP网是开放式的网络，为了保证网络安全，必须验证电话用户身份(即鉴权)，对重要电话信息必须加密。此外还必须对电话用户通话进行计费。 目前，IP电话的体系结构大体可分为两种，一种是基于H.323的IP电话体系结构，另一种是基于SIP的IP电话体系结构,3.7 软交换技术,3.7.1 软交换技术产生的背景,3.7 软交换技术,3.7.1 软交换技术产生的背景,基于H.323的IP电话网络由IP电话网关GW(GateWay)和网守GK(GateKeeper)组成

35、。GW完成媒体信息编码转换和信令转换(No.7至H.323或用户线信令到H.323的转换)，GK实现电话号码到IP地址的翻译、带宽管理、鉴权、网关定位等服务。多点控制单元MCU(Multipoint Control Unit)执行多点会议呼叫信息流的处理和控制。,IP电话系统的组成,在最初的IP电话网关设计中，信令处理、IP网传输层地址交换、编码语音流的传送都在同一设备中实现,其交换都是由硬件来实现的，都是公认的“硬交换”。 后来，人们将IP电话网关进行功能分解。分解后网关只负责不同网络的媒体格式的适配转换，故称之为媒体网关MGW(Media GateWay)。 控制功能，包括呼叫控制、连接控

36、制、接入控制和资源控制等功能由另外设置的独立的媒体网关控制器MGC(Media Gateway Controller)负责。,3.7 软交换技术,3.7.1 软交换技术产生的背景,MGC是与传统硬交换不同的“软交换”设备，相当于交换机，但MGC并不具体负责话音信号的传送，只是向MGW发出指令，由MGW完成话音信号的传送和格式转换，相当于MGC中只包含交换机的控制软件，而交换网络则位于MGW之中。 MGC数量少而功能复杂，而网关相当于终端设备，数量大而功能简单，一个MGC可以控制多个网关。业务更新时只需要更新MGC软件，无需更改网关，这有利于快速引入新业务。 不同制造商对MGC赋予不同的名称，例

37、如呼叫服务器(Call Server)、呼叫性能服务器(Call Feature Server)、呼叫代理(Call Agent)等。前美国贝尔通信研究所(Bellcore)首先提出MGW-MGC之间的控制协议草案。其后，ITU-T和IETF合作研究，制定了统一的控制协议标推，这就是著名的H.248协议。,3.7 软交换技术,3.7.1 软交换技术产生的背景,3.7.2 软交换方案举例,软交换IP电话网结构,3.7 软交换技术,连接终端的接入网关AGW(Access GateWay)和支持PSTN互通的中继网关TGW(Trunk GateWay)，均通过网关控制协议H.248受MGC的控制。其

38、中，AGW通过常规的RJ-11接口和电话机相接，负责： (1) 采集电话用户的事件信息(如摘机、挂机等)，并上传MGC； (2) 支持RTP协议，以完成端到端IP话音的传送。 TGW负责桥接PSTN和IP网络，它能够： (1) 支持多种类型的中继线接入，如直联7号信令中继、MFC中继、模拟中继等； (2) 能提供中继接入的各种音信号； (3) 装备录音通知或交互式语音应答设备； (4) 在MGC控制下完成与PSTN用户的交互。,3.7 软交换技术,3.7.2 软交换方案举例,MGC与PSTN的信令转换由7号信令网关完成。转换协议是IETF定义的流控制传送协议SCTP(Stream Contro

39、l Transfer Protocol)。MGC处理7号信令，在phone-PC通信情况下，还完成7号信令至H.323或SIP协议簇的转换。MGC还能与智能网的SCP互通，而且支持目前PSTN的各种智能业务，还可望在IP环境下开发新的增值业务。 MGC支持分布式结构，该结构允许在IP网中设置多个MGC，它们协同工作，共同控制网关。在ISDN-IP-ISDN应用环境下，为支持主/被叫ISDN终端的正常通信，IP网络有必要在主/被叫侧的ISDN之间透明地传送ISUP信令。为此，ITU-T和IETF又定义了MGC之间的接口协议，分别称为承载无关的呼叫控制协议BICC(Bearer Independe

40、nt Call Control)和SIP电话控制协议SIP-T(SIP Telephony)。,3.7 软交换技术,3.7.2 软交换方案举例,3.7 软交换技术,3.7.2 软交换方案举例,ZTE SOFTSWITCH商用案例介绍,软交换的设计目标是建立一个可伸缩的软件系统，它独立于特定的底层硬件和操作系统，并且能够处理各种各样的通信协议，支持PSTN、ATM和IP网的互连，并便于业务增值和系统的灵活伸缩。软交换有如下几个技术特点： (1) 它是一个着眼于网络解决方案，而不是像综合交换机那样着眼于节点的解决方案。网络新能力的支持由网元(网关、服务器等)实现，软交换则定义网元之间的标准接口。,

41、3.7 软交换技术,3.7.3 基于软交换技术的网络体系结构,(2) 它是一个分布式和集中式相结合的解决方案。具体传输转换功能由分布在网络中的分布式网关完成，这些网关数量多，功能相对简单，容量各不相同，但是呼叫控制和业务控制功能可集中于少数几个软交换机完成。 (3) 它是一个软件解决方案，核心在于软交换机中的控制逻辑和网元之间的接口协议，传送层功能由相应的底层网络自行解决。由于控制任务专一，软交换的容量可以相当大，有利于对通信业务的有效控制。,3.7 软交换技术,3.7.3 基于软交换技术的网络体系结构,基于软交换技术的网络体系结构分成媒体接入层、传输服务层、控制层和业务应用层。呼叫的控制和业

42、务的生成从媒体层中分离出来。 媒体接入层主要实现异构网络到核心传输网以及异构网络之间的互连互通，集中业务数据量并将其通过路由选择传送到目的地。 传输服务层完成业务数据和控制层与媒体接入层间控制信息的集中承载传输。 控制层决定呼叫的建立、接续和交换，将呼叫控制与媒体业务相分离，理解上层生成的业务请求，通知下层网络单元如何处理业务流。 业务应用层则决定提供和生成哪些业务，并通知控制层做出相应的处理。,3.7 软交换技术,3.7.3 基于软交换技术的网络体系结构,3.7 软交换技术,软交换网络体系结构,3.7 软交换技术,3.7.3 基于软交换技术的网络体系结构,3.7.3 基于软交换技术的网络体系

43、结构,3.7 软交换技术,3.7.3 基于软交换技术的网络体系结构,媒体网关：为媒体接入层的基本处理单元，负责管理PSTN与分组数据网络之间的互通和媒体、信令的相互转换，包括协议分析、话音编/解码、回声消除、数字检测和传真转发等。 信令网关：提供SS7信令网络(SS7链路)和分组数据网络之间的协议转换，其中包括协议ISUP、TCAP等的转换。 无线网关：负责移动通信网到分组数据网络的协议转换。 软交换：通过提供基本的呼叫控制和信令处理功能，对网络中的传输和交换资源进行分配和管理，在网关之间建立起呼叫或是已定义的复杂的处理，同时产生本次处理的详细记录。,3.7 软交换技术,3.7.3 基于软交换

44、技术的网络体系结构,控制层：主要由MGC组成，通常称为“软交换机”。它提供传统有线网、无线网、7号信令网和IP网的桥接功能(包括建立电话呼叫和管理通过各种网络的话音和数据业务流量)，是软交换技术中的呼叫控制引擎。 传输层：承载业务，核心技术有TDM、IP、ATM或MPLS。 业务应用层：应用服务器提供了执行、管理、生成业务的平台，负责处理与控制层中软交换的信令接口，提供开放的API用于生成和管理业务。媒体服务器则是用于提供专用媒体资源(IVR、会议、传真)的平台，并负责处理与媒体网关的承载接口。如果在应用中，应用服务器不与媒体服务器一起使用，则应用服务器只支持不要求媒体操作的业务，如阻截、前转

45、和与选路相关的业务。应用服务器也可单独生成和提供各种各样增强的业务。,3.7 软交换技术,3.7.3 基于软交换技术的网络体系结构,应用服务器和软交换之间的接口采用IETF制定的SIP，软交换可以通过它将呼叫转至应用服务器进行增强业务的处理，同时应用服务器也可通过该接口将呼叫重新转移到软交换设备。API驻留于应用服务器之中，为下面的业务和交换功能提供接入和生成的手段。它们为分组话音业务提供者提供了一个可以迅速高效地开发各种不同业务的环境，由于这些API接口具有开放和灵活的特性，因此在生成、管理业务时不必对软交换的功能进行更新或升级。,3.7 软交换技术,3.7.3 基于软交换技术的网络体系结构

46、,软交换是下一代网络(包括固定网、移动网、数据网)的核心技术，主要用于处理实时业务，如话音业务、视频业务、多媒体业务等，此外还提供一些基本补充业务，举例于传统交换呼叫控制和基本业务。由于具有开放性、灵活性和扩充性等优势，软交换技术将在未来网络的业务网层面发挥核心作用。 软交换是智能网的继承和发展。显然，在交换和业务分离上软交换与IN有类似之处，但就整个体系结构上两者有很大不同。传统IN仍然是按照不同业务网独立设置的，并未考虑不同运营商、不同类型网络、不同类型业务统一接入处理和互连互通。而软交换作为一个开放的功能实体，采用标准的开放协议与外部实体实现通信。下图给出了软交换与外部的接口采用的标准协

47、议。,3.7 软交换技术,3.7.4 软交换技术的标准化进展,软交换与外部的接口采用的标准协议,3.7 软交换技术,3.7.4 软交换技术的标准化进展,媒体网关与软交换之间的接口用于软交换对媒体网关进行承载控制和资源管理。此接口采用H.248(MeGaCo)协议，也可考虑采用媒体网关控制协议MGCP(Media Gateway Control Protocol)和IP设备控制协议IPDC(Internet Protocol Device Control)。信令网关与软交换之间的接口完成软交换和信令网关之间信令信息的传递。此接口采用SCTP。 软交换与网管中心之间的接口可实现对软交换的管理，采用

48、简单网络管理协议SNMP(Simple Network Management Protocol)。软交换与智能网的SCP之间的接口提供对现有智能网业务的支持，此接口使用智能网应用协议INAP。,3.7 软交换技术,3.7.4 软交换技术的标准化进展,软交换与应用服务器间的接口提供对第三方应用和各种增值业务的支持功能，此接口可采用SIP协议或软交换提供的API。 软交换与策略服务器间的接口可对网络设备的工作进行动态调整，此接口可用IETF的COPS(Common Open Policy Service)协议。 软交换间的接口主要实现不同软交换设备之间的交互。此接口采用SIP-T、H.323或IT

49、U-T最新推出的BICC协议。,3.7 软交换技术,3.7.4 软交换技术的标准化进展,自从软交换概念提出以来，我国科研和生产部门也一直紧紧跟踪软交换技术的最新进展，标准化工作也在同步进行。1999年下半年，我国网络与交换标准研究组启动了软交换项目的研究。2001年12月，信息产业部科技司印发了参考性技术文件软交换设备总体技术要求。现在，网络与交换标准研究组在积极制定有关信令网关、媒体网关、相关协议的技术规范及网络开放式体系架构和设备单元的测试规范。高科技“863”计划列项了软交换系统在移动和多媒体应用的研究。国内外设备制造商、各大运营商也都提出了各自相应的解决方案。,3.7 软交换技术,3.7.4 软交换技术的标准化进展在中国,以软交换为核心的交换体系提供业务开放能力，符合固定网络和移动网络融合的趋势；提供语音、数据、视频业务和多媒体融合业务，满足通信个性化、移动化和随时随地获取信息的发展目标。软交换技术是目前解决在统一平台上，提供多业务应用的一个重要发展方向，是下一代网络呼叫与控制的核心。,3.7 软交换技术,3.7.4 软交换技术的标准化进展,3.21 软交换是在怎样的环境下提出的？怎样实现？ 3