NGI第3章2光交換課件

下一代互連網(wǎng)技術(shù)（NGI)第1章

NGI概述第2章

NGI主要傳輸技術(shù)

第3IP交換技術(shù)

第4章

IPv6協(xié)議第5章高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議第6章無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第7章寬帶接入技術(shù)

第3章寬帶IP交換技術(shù)主要內(nèi)容：3.1數(shù)據(jù)交換的概念3.2傳統(tǒng)路由器的工作原理3.3ATM交換技術(shù)3.4IP交換技術(shù)3.5多協(xié)議標記交換-MPLS

3.6光交換技術(shù)

3.7IP軟交換技術(shù)3.6光交換技術(shù)3.6.1光交換技術(shù)簡介

光交換節(jié)點由接口、光交換網(wǎng)絡(luò)、信令和控制系統(tǒng)四大部分組成。接口完成光信號的轉(zhuǎn)換、復(fù)用/分路或信號的上路/下路。信令協(xié)調(diào)光交換節(jié)點和接入設(shè)備以及光節(jié)點設(shè)備間的工作。光交換網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)的控制下交換光信號，實現(xiàn)任意用戶間的通信。未來的全光網(wǎng)仍是以交換節(jié)點為核心構(gòu)建，因此研究和開發(fā)具有高速寬帶大容量交換潛力的光交換機勢在必行。目前可用于超高速光纖網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用技術(shù)主要有：光波分復(fù)用OWDM(OpticalWaveLengthDivisionMultiplexing)光頻分復(fù)用OFDM(OpticalFrequencyDivisionMultiplexing)光時分復(fù)用OTDM(OpticalTimeDivisionMultiplexing)光碼分復(fù)用OCDM(OpticalCodeDivisionMultiplexing)副載波復(fù)用SCM(SubCarrierMultiplexing)等。其中，OFDM和OWDM在本質(zhì)上相似，都是用不同的光載波傳輸信息，但兩者又有區(qū)別：在同一根光纖中傳輸?shù)墓廨d波路數(shù)不多，載波之間的間隔又較大的復(fù)用方式通常稱為OWDM；若光載波路數(shù)較多，波長間隔較小而又密集的復(fù)用方式稱為OFDM，OFDM是密集波分復(fù)用系統(tǒng)使用的復(fù)用技術(shù)。3.6.1光交換技術(shù)簡介（續(xù)）

3.6光交換技術(shù)按交換方式分，光交換系統(tǒng)分為：光路交換和分組交換兩類。光路交換又可分為空分(SD)、時分(TD)和波分/頻分(WD/FD)光交換，及復(fù)合型。其中空分交換按光矩陣開關(guān)所使用的技術(shù)又分成兩類，一類是采用波導(dǎo)技術(shù)的波導(dǎo)空分，另一類是使用自由空間光傳播技術(shù)的自由空間光交換。光分組交換中，異步傳送模式(ATM)是近來被廣泛研究的一種光交換方式，是用硬件交換信元脈沖串。3.6.1光交換技術(shù)簡介（續(xù)）

3.6光交換技術(shù)1．光開關(guān)光開關(guān)是構(gòu)成光交換系統(tǒng)的主要器件。通過開關(guān)接通或斷開，使得光信號通過和隔斷。光開關(guān)可分為機械式和非機械式兩大類。機械式光開關(guān)靠光纖或光學(xué)元件移動,使光路發(fā)生改變。其特點是插入損耗低，串擾小，消光比和波長透明度大，但其開關(guān)響應(yīng)速度低(ms級)，僅適合于光路的恢復(fù)等面向連接的應(yīng)用。典型的器件是機械光纖開關(guān)。

非機械式光開關(guān)依靠電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)和熱光效應(yīng)來改變波導(dǎo)折射率,使光路發(fā)生改變。其特點是開關(guān)響應(yīng)速度相對較高和易于集成。3.6.2光交換器件3.6光交換技術(shù)2.光放大器(續(xù)）

半導(dǎo)體光放大器可以對輸入的光信號進行放大，并且通過偏置電信號可以控制它的放大倍數(shù)。如果偏置信號為零，那么輸入光信號就會被這個器件完全吸收，使輸出信號為零，相當于把光信號關(guān)斷。當偏置信號不為零時，輸入光信號就出現(xiàn)在輸出端上，相當于讓光信號導(dǎo)通。因此，這種半導(dǎo)體光放大器可以用作光開關(guān)。半導(dǎo)體光放大器開關(guān)插入損耗小，有很寬的帶寬且易于集成。同樣，摻餌光纖放大器也可以用作光開關(guān)，只要控制泵浦光即可。3.6.2光交換器件3.6光交換技術(shù)3．波長變換器波長轉(zhuǎn)換器是一種用于光交換的器件。最直接的波長變換光—電—光變換，即將波長為λi的輸入光信號，由光電探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后再去?qū)動一個波長為λj的激光器，或者通過外調(diào)制器去調(diào)制一個波長為λj的輸出激光器，如下圖所示。3.6.2光交換器件3.6光交換技術(shù)4．光存儲器光存儲器是時分光交換系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，它可實現(xiàn)光信號的存儲，以進行光信號的時隙交換。常用的光存儲器有兩種：雙穩(wěn)態(tài)激光二極管和光纖延時線。雙穩(wěn)態(tài)激光器可用作光緩存器，但是它只能按位緩存，而且還需要解決高速化和容量擴充等問題。光纖延時線是一種比較適用于時分光交換的光緩存器。它以光信號在其中傳輸一個時隙時間經(jīng)歷的長度為單位，光信號需要延時幾個時隙，就讓它經(jīng)過幾個單位長度的光纖延時線。3.6.2光交換器件3.6光交換技術(shù)空分光交換模塊有以下幾種：(1)鈮酸鉀晶體定向耦合器；(2)由4個1×2光交換器件組成的2×2光交換模塊，該1×2光交換器件可以由鈮酸鋰方向耦合器擔當，只要少用一個輸入端即可。(3)由4個1×1開關(guān)器件和4個無源分路/合路器組成的2×2光交換模塊，其中1×1開關(guān)器件可以是半導(dǎo)體激光放大器、摻鉺光纖放大器、空分光調(diào)制器，也可以光門電路等。所有以上器件均具有納秒(ns)量級的交換速度。3.6.3光交換（續(xù)）－空分光交換3.6光交換技術(shù)在圖(a)所示的光交換模塊中，輸入信號只能在1個輸出端出現(xiàn)，而圖(b)所示的輸入信號可以在兩個輸出端都出現(xiàn)?；镜?×2空分光交換模塊(a)由1×2光交換器件組成；(b)由1×1開關(guān)和無源分路/合成組成3.6.3光交換（續(xù)）－空分光交換3.6光交換技術(shù)用1×1、2×2等光開關(guān)為基本單元，并按不同的拓撲結(jié)構(gòu)連接可組成不同形式的交換網(wǎng)絡(luò)，如縱橫交換網(wǎng)絡(luò)、三級串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式網(wǎng)絡(luò)和多級互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等。根據(jù)組成網(wǎng)絡(luò)的器件不同，對交換網(wǎng)絡(luò)的控制也不同，可以是電信號、光信號等。

空分光交換直接利用光的寬帶特性，開關(guān)速度要求不高，所用光電器件少，交換網(wǎng)絡(luò)易于實現(xiàn)，適合中小容量交換機。3.6.3光交換（續(xù)）－空分光交換3.6光交換技術(shù)上圖中現(xiàn)假定時分復(fù)用的光信號每幀有T個時隙，每個時隙長度相等，代表一個信道。圖(a)用一個l×T空間光開關(guān)把T個時隙時分復(fù)用，每個時隙輸入到一個2×2光開關(guān)。若需要延時，則將光開關(guān)置成交叉狀態(tài)，使信號進入光纖環(huán)中，光纖環(huán)的長度為1，然后將光開關(guān)置成平行狀態(tài)，使信號在環(huán)中循環(huán)。需要延時幾個時隙就讓光信號在環(huán)中循環(huán)幾圈，再將光開關(guān)置成交叉狀態(tài)使信號輸出。T個時隙分別經(jīng)過適當?shù)难訒r后重新復(fù)用成一幀輸出。這種方案需要一個1×T光開關(guān)和T個2×2光開關(guān)，光開關(guān)數(shù)與T成正比。3.6.3光交換（續(xù)）－時分光交換3.6光交換技術(shù)圖(a)是反饋結(jié)構(gòu)，即光信號從光開關(guān)的一端經(jīng)延時又反饋到它的一個入端。它有一個缺點，就是不同延時的時隙經(jīng)歷的損耗不同，延時越長，損耗越大，而且信號多次經(jīng)過光開關(guān)還會增加串擾。圖(b)采用了前饋結(jié)構(gòu)，不同的延時使用不同長度的單位延時線。圖中沒有2×2光開關(guān)，控制比較簡單，損耗和串擾都比較小。但是在滿足保持幀的完整性要求時，它需要2T減l條不同長度的光纖延時線，而反饋結(jié)構(gòu)只需要T條長度為1的光纖延時線。3.6.3光交換（續(xù)）－時分光交換3.6光交換技術(shù)時分光交換網(wǎng)絡(luò)

時分光交換網(wǎng)絡(luò)的工作原理為：首先，把時分復(fù)用信號送入空間開關(guān)分路，使它的每條出線上同時都只有某一個時隙的信號；然后，把這些信號分別經(jīng)過不同的光延遲線器件，使其獲得不同的時間延遲；最后，再把這些信號經(jīng)過一個空間開關(guān)復(fù)用重新復(fù)合起來，時隙互換就完成了。3.6.3光交換（續(xù)）－時分光交換3.6光交換技術(shù)

波長互換光交換時分和波分交換都具有一個共同的結(jié)構(gòu)，即都是從某種多路復(fù)用信號開始，先進行分路，再進行交換處理，最后進行合路，輸出的還是一個多路復(fù)用信號。3.6.3光交換（續(xù)）－波分光交換3.6光交換技術(shù)波長選擇光交換原理波長選擇光交換:另一種交換結(jié)構(gòu)與上面介紹的正好相反，如圖所示。它是從各個單路的原始信號開始，先用某種方法，如時分復(fù)用或波分復(fù)用，把它們復(fù)合在一起，構(gòu)成一個多路復(fù)用信號，然后再由各個輸出線上的處理部件從這個多路復(fù)用信號中選出各個單路信號來，從而完成交換處理。3.6.3光交換（續(xù)）－波長選擇光交換3.6光交換技術(shù)上圖（波長選擇光交換原理圖）結(jié)構(gòu)可以成一個N×N陣列型波長交換系統(tǒng)，N路原始信號在輸入端分別去調(diào)制N個可變波長激光器，產(chǎn)生出N個波長的信號，經(jīng)星形耦合器后形成一個波分復(fù)用信號、在輸出端可以采用光濾波器或相干檢測器檢出所需波長的信號。該結(jié)構(gòu)的波長選擇方式有：①發(fā)送波長可調(diào)，接收波長固定；②發(fā)送波長固定，接收波長可調(diào)；③發(fā)送和接收波長均按約定可調(diào)；④發(fā)送和接收波長在每一節(jié)點均為固定，由中心節(jié)點進行調(diào)配。3.6.3光交換（續(xù)）－波長選擇光交換3.6光交換技術(shù)兩種空分與時分結(jié)合型光交換單元(a)TST結(jié)構(gòu)；(b)STS結(jié)構(gòu)3.6.3光交換（續(xù)）－結(jié)合型光交換3.6光交換技術(shù)2)波分與空分結(jié)合型交換系統(tǒng)使用波分復(fù)用技術(shù)設(shè)計大規(guī)模交換網(wǎng)絡(luò)的一種方法是把多級波分交換網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)。但是這種方法每次均需要把WDM信號分路后進行交換，然后再合路，這使系統(tǒng)很復(fù)雜，實現(xiàn)起來也很困難，成本也高。解決方法之一是利用空分交換技術(shù)。把輸入信號波分解復(fù)用，再對每個波長的信號分別應(yīng)用一個空分光交換模塊，完成空間交換后再把不同波長的信號波分復(fù)用起來，完成波分與空分光交換功能，如下圖所示。3.6.3光交換（續(xù)）－結(jié)合型光交換3.6光交換技術(shù)FDM與TDM結(jié)合型交換系統(tǒng)原理圖3.6.3光交換（續(xù)）－結(jié)合型光交換3.6光交換技術(shù)5．ATM光交換

ATM光交換是以ATM信元為交換對象的技術(shù)，交換遵循電領(lǐng)域ATM交換的基本原理，采用波分復(fù)用、電或光緩存技術(shù)，由信元波長進行選路。依照信元的波長，信元被選路到輸出端口的光緩沖存儲器中，然后將選路到同一輸出端口的信元存儲于輸入公用的光緩沖存儲器內(nèi)，完成交換的目的。下圖是用輸出緩沖器控制的光信元交換廣播選擇星形網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中輸入和輸出信號是電信號，其比特率為B，經(jīng)光時分復(fù)用后為nB。交換系統(tǒng)由6部分組成：光調(diào)制器、光信元編碼器、星形耦合器、光信元選擇器，光信元緩沖器以及光信元解碼器。3.6.3光交換（續(xù)）－ATM光交換3.6光交換技術(shù)光時分復(fù)用ATM信元交換廣播選擇星形網(wǎng)絡(luò)3.6.3光交換（續(xù)）－ATM光交換3.6光交換技術(shù)光信元編碼器是一列脈沖間隔壓縮器，每個編碼器由1×2的光開關(guān)、一對光延遲線和一個光耦合器組成。在光發(fā)送端，使用超窄光脈沖發(fā)生器，把比特率為B的電ATM信元數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變成超高速光信元流，超窄光脈沖由增益切換分布反饋激光二極管或模式鎖定激光器獲得。包括路由信息的控制信元同時由直接調(diào)制激光器產(chǎn)生，并與它們對應(yīng)的高速數(shù)據(jù)信元經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用在一起。在星形耦合器中，經(jīng)波分復(fù)用后的超高速數(shù)據(jù)信息信元和控制信元又與其它輸入線來的信元時分復(fù)用，其結(jié)果是在星形耦合器的輸出端產(chǎn)生了一列比特率為nB的超高速光比特流。3.6.3光交換（續(xù)）－ATM光交換3.6光交換技術(shù)數(shù)據(jù)信元被波分解復(fù)用后，信元選擇器檢出控制信元，當其地址與輸出線的地址一致時，使用一個光門控開關(guān)，從高速數(shù)據(jù)流中濾出數(shù)據(jù)信元，然后送入輸出緩沖器，比特率為nB的超高速光信元被轉(zhuǎn)換回比特率為B的光信元，并進一步由信元解碼器變換為電信元。信元選擇器和信元探測器需要的邏輯功能是由電子器件來完成的。

光星形耦合器的廣播選擇星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，因此可靠性高、費用也低。3.6.3光交換（續(xù)）－ATM光交換3.6光交換技術(shù)6．自由空間光交換

光學(xué)通道由光學(xué)波導(dǎo)組成，所構(gòu)成的交換網(wǎng)絡(luò)容量有限，遠遠沒有發(fā)揮光的并行性、高密度的潛力。另外，平面波導(dǎo)構(gòu)成的光開關(guān)節(jié)點是一種定向耦合開關(guān)節(jié)點，沒有邏輯處理功能，不能做到自尋址路由控制，因此很難適應(yīng)ATM交換的需要。光載波在自由空間傳輸?shù)膸捈s為100THz，自由空間光交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可利用這種帶寬。

自由空間光交換是指在空間無干涉地控制光的路徑的光交換。它構(gòu)成簡單，只需要移動棱鏡或透鏡即可。3.6.3光交換（續(xù)）－自由空間光交換3.6光交換技術(shù)典型的自由空間光交換是由二維光極化控制的陣列或開關(guān)門器件組成。使用全息光交換技術(shù)可構(gòu)成大規(guī)模的自由空間光交換系統(tǒng)，且無需多級互聯(lián)。自由空間交換的優(yōu)點是互連不需物理接觸，且串擾和損耗小。但對光束的校準和準直精度要求很高。自由空間光交換網(wǎng)絡(luò)可以由多個2×2交叉連接元件組成。下圖是由具有極化控制的兩塊雙折射片組成的交換元件，前一塊雙折射片對兩束正交極化的輸入光束復(fù)用，后一塊片對其解復(fù)用。輸入光束偏振方向由極化控制器控制，可以旋轉(zhuǎn)0o或90o。當旋轉(zhuǎn)0o時，輸入光束的極化狀態(tài)不會改變；當旋轉(zhuǎn)90o時，輸入光束的極化狀態(tài)發(fā)生變化，正常光束變?yōu)楫惓９馐?，異常光束變?yōu)檎９馐瑢崿F(xiàn)了2×2交換。3.6.3光交換（續(xù)）－自由空間光交換3.6光交換技術(shù)由兩塊雙折射片組成的交換元件(a)交叉連接狀態(tài)；(b)平行連接狀態(tài)3.6.3光交換（續(xù)）－自由空間光交換3.6光交換技術(shù)7．光交換系統(tǒng)實際系統(tǒng)中，上述不同的光交換技術(shù)可以支持不同粒度的交換。多路光纖空間交換和波長交換是粗粒度的信道分割；時分或分組交換的信道是細分割粒度。目前，WDM全光網(wǎng)的主要節(jié)點設(shè)備是光交叉連接(OXC)和光分插復(fù)用器(OADM)。

●OADM的功能是在光域內(nèi)從傳輸設(shè)備中有選擇性地下路、上路或直通傳輸信號，實現(xiàn)傳統(tǒng)SDH設(shè)備中電的ADM功能。相比較而言，OADM更具有透明性，可以處理任何格式和速率的信號，使整個光纖通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性大大提高。目前固定波長OADM已有產(chǎn)品，可變波長OADM技術(shù)也已經(jīng)成熟，正從實驗室走向商用市場。光交換層次示列一種廣泛采用的OADM結(jié)構(gòu)圖3.6.3光交換（續(xù)）－自由空間光交換

●OXC的功能是在光域網(wǎng)上直接實現(xiàn)高速光信號的路由選擇、網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)等，是全光網(wǎng)的核心器件。雖然OXC只具有有限的光交換功能，但已在各種基于WDM的光聯(lián)網(wǎng)中得到了應(yīng)用。OXC即用于長途骨干網(wǎng)，也應(yīng)用于城域網(wǎng)。OXC的基本應(yīng)用包括物理網(wǎng)絡(luò)的管理、波長管理、指配和疏導(dǎo)。物理網(wǎng)絡(luò)的管理是指故障路由的恢復(fù)和靈活的選路；波長管理主要指波長選路；指配和疏導(dǎo)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重組和改變業(yè)務(wù)模式，以適應(yīng)新業(yè)務(wù)的需要。此外，在WDM網(wǎng)中，為了防止信道間的串擾，相鄰波長需保證一定的間隔，因而可用波長數(shù)受限，OXC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對指定波長進行互連，可實現(xiàn)波長重用。3.6.3光交換（續(xù)）－自由空間光交換3.6光交換技術(shù)基于空間交換的OXC結(jié)構(gòu)圖3.6.3光交換（續(xù)）－自由空間光交換3.6光交換技術(shù)3.6.4光交換技術(shù)的發(fā)展狀況對光交換的探索始于20世紀70年代，80年代中期發(fā)展比較迅速。首先是在實驗室對各種光基本器件進行了技術(shù)研究，然后對構(gòu)成系統(tǒng)進行了研究。目前對光交換所需器件的研究已具有相當水平。在光器件技術(shù)推動下，光交換系統(tǒng)技術(shù)的研究也有了很大進展。第一步進行電控光交換，即信號交換是全光的，而光器件的控制仍由電子電路完成。目前實用系統(tǒng)大都處于這一水平，相關(guān)成果報道得也比較多。第二步為全光交換技術(shù)，即系統(tǒng)的邏輯、控制和交換均由光子完成。關(guān)于這方面的報道還較少。3.6光交換技術(shù)目前美國ATM貝爾研究所，日本NEC和NTF、德國HHI、瑞典愛立信公司等研究機構(gòu)對光交換的研究水平較高，主要涉及6種交換方式以及光互聯(lián)、全光同步、光存儲器和光交換在B-ISDN中的應(yīng)用等領(lǐng)域。光交換領(lǐng)域急需研究開發(fā)的課題有：光互聯(lián)、光交換、光邏輯控制及光綜合通信網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。

我國在“七五”期間就開展了光交換技術(shù)的研究，并將光交換技術(shù)列為“八五”、“九五”期間的高科技基礎(chǔ)研究課題。1990年，清華大學(xué)實現(xiàn)了我國第一個時分光交換(34M/s)演示系統(tǒng)。1993年，北京郵電大學(xué)光通信技術(shù)研究所研制出光時分交換網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)Ｐ汀?.6.4光交換技術(shù)的發(fā)展狀況3.6光交換技術(shù)目前，光交換技術(shù)市場日益成熟，價格也在迅速下降。許多運營商，比如GlobalCrossing、法國電信和日本電信等都已經(jīng)計劃在他們的網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用光交換技術(shù)。北京市通信公司宣布采用北電網(wǎng)絡(luò)的OPTeraDX光交換機完成了長途光傳輸系統(tǒng)工程，升級后的網(wǎng)絡(luò)已投入商業(yè)服務(wù)。對光信號處理可以是線路級的、分組級的或比特級的。WDM光傳輸網(wǎng)屬于線路級的光信號處理；OTDM是比特級的光信號處理，由于它對光器件的工作速度要求很高，離實用還有一定的距離；光分組交換(OPS)屬于分組級的光信號處理，和OTDM相比，它對光器件工作速度的要求大大降低，而且比WDM能更加靈活、有效地提高帶寬利用率。3.6.4光交換技術(shù)的發(fā)展狀況3.6光交換技術(shù)

光分組交換網(wǎng)能以更細的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分組交換，是下一代全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊。目前，世界上許多發(fā)達國家進行了光分組交換網(wǎng)的研究，如歐洲RACD計劃的ATMOS項目和ACTS計劃的KEOPS項目，美國DARPA支持的POND項目和CORD項目，英國EPRC支持的WASPNET項目，日本NTT光網(wǎng)絡(luò)實驗室的項目等。但是，光分組交換網(wǎng)的實用化取決于一些關(guān)鍵技術(shù)的進步，如光標記交換、微電子機械系統(tǒng)、光器件技術(shù)等。目前，光器件技術(shù)中固態(tài)光交換技術(shù)已開始迅速發(fā)展，交換速度可以在納秒的范圍之內(nèi)，主要用于光的分組交換。已經(jīng)有一些公司在這個方向上取得了重大進展。隨著光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、光器件技術(shù)的發(fā)展，光分組交換在不遠的將來會走向?qū)嵱没?.6.4光交換技術(shù)的發(fā)展狀況3.6光交換技術(shù)3.7軟交換技術(shù)3.7.1軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景20世紀90年代中期，已有話音和數(shù)據(jù)兩種不同類型的通信網(wǎng)絡(luò)投入運營。即使是同一類型的網(wǎng)絡(luò)也逐步打破了一個運營商獨家經(jīng)營的局面。不同運營商為了不斷擴大自己的業(yè)務(wù)地盤，紛紛參與市場競爭，傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)框架已分崩離析。電信企業(yè)力圖發(fā)展圖像和計算機業(yè)務(wù)；有線電視企業(yè)積極發(fā)展計算機和電話業(yè)務(wù)；計算機企業(yè)則試圖把活動圖像和電話業(yè)務(wù)納入自己的業(yè)務(wù)范圍。這樣，三網(wǎng)合一發(fā)展綜合業(yè)務(wù)已成為必然。傳輸統(tǒng)一業(yè)務(wù)融合管理統(tǒng)一控制軟化電信網(wǎng)、計算機數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)在業(yè)務(wù)、技術(shù)、管理上的統(tǒng)一，實現(xiàn)“三網(wǎng)合—”。傳輸統(tǒng)一業(yè)務(wù)融合管理統(tǒng)一控制軟化手機電視車載電視..….IPTV、VOD、..….IP電信業(yè)務(wù)廣播業(yè)務(wù)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)固網(wǎng)業(yè)務(wù)移動業(yè)務(wù)IMEMAIL網(wǎng)絡(luò)游戲..….3.7軟交換技術(shù)3.7.1軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景3.7軟交換技術(shù)3.7.1軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景

如何實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，又滿足網(wǎng)絡(luò)的高度開放性、靈活性和適應(yīng)性要求呢？答案:從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)入手，將網(wǎng)絡(luò)的媒體承載部分、呼叫控制部分以及業(yè)務(wù)生成部分相分離。

結(jié)構(gòu)上:采用中央服務(wù)器的分布式結(jié)構(gòu)，各層采用標準協(xié)議和開放接口進行通信;承載傳送:基于IP交換的網(wǎng)絡(luò);硬件和軟件組件的標準化更便于多廠商解決方案的引入和網(wǎng)絡(luò)運營商與第三方開發(fā)的業(yè)務(wù)的快速引入。軟交換技術(shù)正是能適應(yīng)上述要求的下一代網(wǎng)絡(luò)的解決方案。軟交換的主要思路不同于綜合交換機，它保持PSTN/ISDN網(wǎng)絡(luò)基本不變，即不再增加現(xiàn)有節(jié)點的復(fù)雜度，通過相應(yīng)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)電路交換網(wǎng)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的互通，并把電路交換對實時通信業(yè)務(wù)的控制技術(shù)引入數(shù)據(jù)網(wǎng)，由此實現(xiàn)兩類網(wǎng)絡(luò)的綜合，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的融合。(a)傳統(tǒng)電路交換模式；(b)軟交換模式用軟交換思想構(gòu)建的交換模型不同于傳統(tǒng)的電路交換，如圖8.4所示。圖中(a)表示傳統(tǒng)電路交換機的功能組成，(b)是軟交換結(jié)構(gòu)。(b)中的媒體網(wǎng)關(guān)替代了(a)中的用戶板/中繼板，它完成從TDM流到IP分組流的轉(zhuǎn)換；IP分組骨干網(wǎng)替代了傳統(tǒng)時分交換網(wǎng)絡(luò)；軟交換技術(shù)替代了控制時分交換網(wǎng)絡(luò)的控制器，它控制媒體網(wǎng)關(guān)之間媒體分組的交換和選路。3.7.1軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景3.7軟交換技術(shù)首先，實現(xiàn)上述思想的成功方案是IP電話。由于IP網(wǎng)傳輸時延不定，QoS無法保證，為了支持實時電話業(yè)務(wù)，IETF定義了實時協(xié)議RTP(Real-TimeProtocol)支持QoS，定義了資源預(yù)留協(xié)議RSVP(ResourceReservationProtocol)為呼叫保留網(wǎng)絡(luò)資源。此外，IP網(wǎng)是開放式的網(wǎng)絡(luò)，為了保證網(wǎng)絡(luò)安全，必須驗證電話用戶身份(即鑒權(quán))，對重要電話信息必須加密。此外還必須對電話用戶通話進行計費。目前，IP電話的體系結(jié)構(gòu)大體可分為兩種，一種是基于H.323的IP電話體系結(jié)構(gòu)，另一種是基于SIP的IP電話體系結(jié)構(gòu)3.7軟交換技術(shù)3.7.1軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景傳輸統(tǒng)一業(yè)務(wù)融合管理統(tǒng)一控制軟化3.7軟交換技術(shù)3.7.1軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景

基于H.323的IP電話網(wǎng)絡(luò)由IP電話網(wǎng)關(guān)GW(GateWay)和網(wǎng)守GK(GateKeeper)組成。GW完成媒體信息編碼轉(zhuǎn)換和信令轉(zhuǎn)換(No.7至H.323或用戶線信令到H.323的轉(zhuǎn)換)，GK實現(xiàn)電話號碼到IP地址的翻譯、帶寬管理、鑒權(quán)、網(wǎng)關(guān)定位等服務(wù)。多點控制單元MCU(MultipointControlUnit)執(zhí)行多點會議呼叫信息流的處理和控制。IP電話系統(tǒng)的組成在最初的IP電話網(wǎng)關(guān)設(shè)計中，信令處理、IP網(wǎng)傳輸層地址交換、編碼語音流的傳送都在同一設(shè)備中實現(xiàn),其交換都是由硬件來實現(xiàn)的，都是公認的“硬交換”。后來，人們將IP電話網(wǎng)關(guān)進行功能分解。分解后網(wǎng)關(guān)只負責不同網(wǎng)絡(luò)的媒體格式的適配轉(zhuǎn)換，故稱之為媒體網(wǎng)關(guān)MGW(MediaGateWay)。

控制功能，包括呼叫控制、連接控制、接入控制和資源控制等功能由另外設(shè)置的獨立的媒體網(wǎng)關(guān)控制器MGC(MediaGatewayController)負責。3.7軟交換技術(shù)3.7.1軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景傳輸統(tǒng)一業(yè)務(wù)融合管理統(tǒng)一控制軟化

MGC是與傳統(tǒng)硬交換不同的“軟交換”設(shè)備，相當于交換機，但MGC并不具體負責話音信號的傳送，只是向MGW發(fā)出指令，由MGW完成話音信號的傳送和格式轉(zhuǎn)換，相當于MGC中只包含交換機的控制軟件，而交換網(wǎng)絡(luò)則位于MGW之中。

MGC數(shù)量少而功能復(fù)雜，而網(wǎng)關(guān)相當于終端設(shè)備，數(shù)量大而功能簡單，一個MGC可以控制多個網(wǎng)關(guān)。業(yè)務(wù)更新時只需要更新MGC軟件，無需更改網(wǎng)關(guān)，這有利于快速引入新業(yè)務(wù)。不同制造商對MGC賦予不同的名稱，例如呼叫服務(wù)器(CallServer)、呼叫性能服務(wù)器(CallFeatureServer)、呼叫代理(CallAgent)等。前美國貝爾通信研究所(Bellcore)首先提出MGW-MGC之間的控制協(xié)議草案。其后，ITU-T和IETF合作研究，制定了統(tǒng)一的控制協(xié)議標推，這就是著名的H.248協(xié)議。3.7軟交換技術(shù)3.7.1軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景3.7.2軟交換方案舉例軟交換IP電話網(wǎng)結(jié)構(gòu)3.7軟交換技術(shù)連接終端的接入網(wǎng)關(guān)AGW(AccessGateWay)和支持PSTN互通的中繼網(wǎng)關(guān)TGW(TrunkGateWay)，均通過網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議H.248受MGC的控制。其中，AGW通過常規(guī)的RJ-11接口和電話機相接，負責：(1)采集電話用戶的事件信息(如摘機、掛機等)，并上傳MGC；(2)支持RTP協(xié)議，以完成端到端IP話音的傳送。

TGW負責橋接PSTN和IP網(wǎng)絡(luò)，它能夠：(1)支持多種類型的中繼線接入，如直聯(lián)7號信令中繼、MFC中繼、模擬中繼等；(2)能提供中繼接入的各種音信號；(3)裝備錄音通知或交互式語音應(yīng)答設(shè)備；(4)在MGC控制下完成與PSTN用戶的交互。3.7軟交換技術(shù)3.7.2軟交換方案舉例

MGC與PSTN的信令轉(zhuǎn)換由7號信令網(wǎng)關(guān)完成。轉(zhuǎn)換協(xié)議是IETF定義的流控制傳送協(xié)議SCTP(StreamControlTransferProtocol)。MGC處理7號信令，在phone-PC通信情況下，還完成7號信令至H.323或SIP協(xié)議簇的轉(zhuǎn)換。MGC還能與智能網(wǎng)的SCP互通，而且支持目前PSTN的各種智能業(yè)務(wù)，還可望在IP環(huán)境下開發(fā)新的增值業(yè)務(wù)。

MGC支持分布式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許在IP網(wǎng)中設(shè)置多個MGC，它們協(xié)同工作，共同控制網(wǎng)關(guān)。在ISDN-IP-ISDN應(yīng)用環(huán)境下，為支持主/被叫ISDN終端的正常通信，IP網(wǎng)絡(luò)有必要在主/被叫側(cè)的ISDN之間透明地傳送ISUP信令。為此，ITU-T和IETF又定義了MGC之間的接口協(xié)議，分別稱為承載無關(guān)的呼叫控制協(xié)議BICC(BearerIndependentCallControl)和SIP電話控制協(xié)議SIP-T(SIPTelephony)。3.7軟交換技術(shù)3.7.2軟交換方案舉例3.7軟交換技術(shù)3.7.2軟交換方案舉例中國電信數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)NMSAPPMediaServerIADManagerZXSS10SS1bZXSS10S100ZXSS10M100ZXSS10S100SoIPPhoneI524LANSwitchSoIPPhoneI601I524LANSwitchNMSAPPMediaServerIADManagerZXSS10SS1bZXSS10M100ZXSS10A200ZXSS10A200ZXSS10A200ZXSS10A200ZXSS10A200ZXSS10A200SIP-T深圳肇慶PSTNSS7SS7PSTNZTESOFTSWITCH商用案例介紹軟交換的設(shè)計目標是建立一個可伸縮的軟件系統(tǒng)，它獨立于特定的底層硬件和操作系統(tǒng)，并且能夠處理各種各樣的通信協(xié)議，支持PSTN、ATM和IP網(wǎng)的互連，并便于業(yè)務(wù)增值和系統(tǒng)的靈活伸縮。軟交換有如下幾個技術(shù)特點：(1)它是一個著眼于網(wǎng)絡(luò)解決方案，而不是像綜合交換機那樣著眼于節(jié)點的解決方案。網(wǎng)絡(luò)新能力的支持由網(wǎng)元(網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等)實現(xiàn)，軟交換則定義網(wǎng)元之間的標準接口。3.7軟交換技術(shù)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分布執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)解決接口協(xié)議控制軟化(2)它是一個分布式和集中式相結(jié)合的解決方案。具體傳輸轉(zhuǎn)換功能由分布在網(wǎng)絡(luò)中的分布式網(wǎng)關(guān)完成，這些網(wǎng)關(guān)數(shù)量多，功能相對簡單，容量各不相同，但是呼叫控制和業(yè)務(wù)控制功能可集中于少數(shù)幾個軟交換機完成。(3)它是一個軟件解決方案，核心在于軟交換機中的控制邏輯和網(wǎng)元之間的接口協(xié)議，傳送層功能由相應(yīng)的底層網(wǎng)絡(luò)自行解決。由于控制任務(wù)專一，軟交換的容量可以相當大，有利于對通信業(yè)務(wù)的有效控制。3.7軟交換技術(shù)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分布執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)解決接口協(xié)議控制軟化基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分成媒體接入層、傳輸服務(wù)層、控制層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。呼叫的控制和業(yè)務(wù)的生成從媒體層中分離出來。

媒體接入層主要實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)到核心傳輸網(wǎng)以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互連互通，集中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量并將其通過路由選擇傳送到目的地。

傳輸服務(wù)層完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制層與媒體接入層間控制信息的集中承載傳輸。

控制層決定呼叫的建立、接續(xù)和交換，將呼叫控制與媒體業(yè)務(wù)相分離，理解上層生成的業(yè)務(wù)請求，通知下層網(wǎng)絡(luò)單元如何處理業(yè)務(wù)流。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層則決定提供和生成哪些業(yè)務(wù)，并通知控制層做出相應(yīng)的處理。3.7軟交換技術(shù)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分布執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)解決接口協(xié)議控制軟化3.7軟交換技術(shù)分布執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)解決接口協(xié)議控制軟化軟交換網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.7軟交換技術(shù)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)DatebaseSCP軟交換軟交換AAA

ServerApplicationServerPolicy

Server業(yè)務(wù)層呼叫控制層分組交換網(wǎng)絡(luò)SGTGHGAGH323GWIAD邊緣接入層

核心傳送層

IPPBXMSAGSIPSIP/H.248/MGCP/H.323RTP/RTCP3.7軟交換技術(shù)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

●媒體網(wǎng)關(guān)：為媒體接入層的基本處理單元，負責管理PSTN與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的互通和媒體、信令的相互轉(zhuǎn)換，包括協(xié)議分析、話音編/解碼、回聲消除、數(shù)字檢測和傳真轉(zhuǎn)發(fā)等。

●信令網(wǎng)關(guān)：提供SS7信令網(wǎng)絡(luò)(SS7鏈路)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，其中包括協(xié)議ISUP、TCAP等的轉(zhuǎn)換。

●無線網(wǎng)關(guān)：負責移動通信網(wǎng)到分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

●軟交換：通過提供基本的呼叫控制和信令處理功能，對網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和交換資源進行分配和管理，在網(wǎng)關(guān)之間建立起呼叫或是已定義的復(fù)雜的處理，同時產(chǎn)生本次處理的詳細記錄。3.7軟交換技術(shù)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

控制層：主要由MGC組成，通常稱為“軟交換機”。它提供傳統(tǒng)有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、7號信令網(wǎng)和IP網(wǎng)的橋接功能(包括建立電話呼叫和管理通過各種網(wǎng)絡(luò)的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量)，是軟交換技術(shù)中的呼叫控制引擎。

傳輸層：承載業(yè)務(wù)，核心技術(shù)有TDM、IP、ATM或MPLS。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：①應(yīng)用服務(wù)器提供了執(zhí)行、管理、生成業(yè)務(wù)的平臺，負責處理與控制層中軟交換的信令接口，提供開放的API用于生成和管理業(yè)務(wù)。②媒體服務(wù)器則是用于提供專用媒體資源(IVR、會議、傳真)的平臺，并負責處理與媒體網(wǎng)關(guān)的承載接口。如果在應(yīng)用中，應(yīng)用服務(wù)器不與媒體服務(wù)器一起使用，則應(yīng)用服務(wù)器只支持不要求媒體操作的業(yè)務(wù)，如阻截、前轉(zhuǎn)和與選路相關(guān)的業(yè)務(wù)。應(yīng)用服務(wù)器也可單獨生成和提供各種各樣增強的業(yè)務(wù)。3.7軟交換技術(shù)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)用服務(wù)器和軟交換之間的接口采用IETF制定的SIP，軟交換可以通過它將呼叫轉(zhuǎn)至應(yīng)用服務(wù)器進行增強業(yè)務(wù)的處理，同時應(yīng)用服務(wù)器也可通過該接口將呼叫重新轉(zhuǎn)移到軟交換設(shè)備。API駐留于應(yīng)用服務(wù)器之中，為下面的業(yè)務(wù)和交換功能提供接入和生成的手段。它們?yōu)榉纸M話音業(yè)務(wù)提供者提供了一個可以迅速高效地開發(fā)各種不同業(yè)務(wù)的環(huán)境，由于這些API接口具有開放和靈活的特性，因此在生成、管理業(yè)務(wù)時不必對軟交換的功能進行更新或升級。3.7軟交換技術(shù)3.7.3基于軟交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)軟交換SIP接口協(xié)議API

軟交換是下一代網(wǎng)絡(luò)(包括固定網(wǎng)、移動網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng))的核心技術(shù)，主要用于處理實時業(yè)務(wù)，如話音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)等，此外還提供一些基本補充業(yè)務(wù)，舉例于傳統(tǒng)交換呼叫控制和基本業(yè)務(wù)。由于具有開放性、靈活性和擴充性等優(yōu)勢，軟交