大话核心网(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:陈学梁,李丹

出版社:电子工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

大话核心网

大话核心网试读:

自序

本书最初起源于作者在通信人家园所写的连载文章——《夜话核心网》,其帖子浏览量突破10万人次,在C1114论坛引起极大的关注。随着文章的一篇篇发布,其中对核心网技术独特的论述视角和轻松愉悦的文风受到了众多读者的关注和喜爱,很多人在帖子中留下了评语,有些虽然只有短短的一句话,但也可以看出是对作者由衷的感谢。

本书立意原本是用来纪念作者8年的通信生涯,也许是情之所至,文中的很多感悟都引起了广大通信界朋友的共鸣,这些朋友中有大学新生、在校研究生、运营商、设备商、设计规划人员等。

本书作者硕士毕业后,在通信界混迹8年,所悟所感皆化为本书的几十万字,也许书中的某些文字段落看起来并不那么精彩,但是融于作者的情感,也都成为了整个温馨故事中的一部分。

正如“不是所有的牛奶都是特仑苏”,也不是所有的文章都有真情实感,希望本书能够成为通信界的“特仑苏”。陈学梁 李丹2014年8月

网友评论摘录

慕城雪:前辈人生阅历甚为丰富,90后小弟深感佩服。2G/3G/4G知识详谈甚为详细,感谢分享!

wcdmaiscome:交换的未来,拥抱客户者得天下,新的革命即将到来了。读罢好文,仿佛能看到未来美丽的物联智慧世界。从狭义看,曾经语音主导的通信网络,核心网已经演进乏力;从广义看,核心网仍然那么的辉煌灿烂,新的大陆就在前方。不用犹豫,朝阳已经升起,拿起勇气,披上战袍,骑上宝马,前进吧!

SUOSUOYAN:相见恨晚的帖子,最喜欢这样深入浅出的系统性的见解了。教科书到处都是枯燥的标准、架构。

majesty100:利用节前比较空闲的这几天,把到目前为止的全部内容都看完了。我做的东西和核心网有些关系,但过去只关心相关的部分,我对核心网内部是“小白”了。今天午饭后公司就放假了,一直在公司待到现在看完,感谢LZ(楼主)。

285205000@qq.co:作为一个已经入行2年半的设备商核心网IT民工,楼主的帖子深入浅出,看完收获也不少~~。

lips:我本想下载,但家园说我好久不上了,不能下。好吧,我评论一下,写的真的很好!

asd7920596:楼主的文笔和专业知识都令我折服。

lishunkang1982:楼主写得不错,持续关注,写完确实可以考虑出书。

荒村听雨滴:好文,学习啦!非常感谢楼主!

donowait:读了,收藏;再读,再收藏……如是反复!

szczj88:花了一天多的时间仔细看完了,对通信核心网的演进又多了一层理解,多谢版主无私的奉献!顶起。

pamge_ly:LZ(楼主)大牛,希望有一天我也能发这样的帖子!

oyjiangtao:好帖学习了,对于自己的工作,学习得再深都不为过。

chenshuyan:文笔很好,写得不错,期待中!

shyhahawin:支持好帖子。

deanpu:楼主说得很容易理解,哇,谢谢!嘿嘿……

bigdog615:牛逼,必须拜读。

yb28895272:进来学习的真的颇有感受。

酷酷鱼:发现好帖,收藏,慢慢看!

CFO:mark&膜拜一个……

xuwenqiang1:嗯,很好,很棒!谢谢!

我们有缘:大牛人辛苦了,希望早日出书,最好还有电子书,这样我们追起来也能轻松一些!

my_192:天天期盼有更新啊~~~

svip:楼主好文笔,技术也是很牛的。

家园副管09:感谢!你也辛苦了,这么久的坚持真是不容易,小编顶一个!

调累它:楼主辛苦,不光学习知识,也学习这种精神!

ttwx:受教颇深,感谢楼主大神。

my_192:楼主把难懂晦涩的技术问题,描述成生活中的一个个生动的小故事,浅显易懂,生动有趣,有时又不乏生活的哲理与感悟,不是一般的工科男啊,学习膜拜呵呵~~~

洪欣1225:每天一点点,等到12月30日,再回过头来看,已经完成了一件多么不可思议的事了啊,赞一个!

沃爱德华:加入收藏夹,拜读!

leishengjie6:我来顶一个,写得真不错!

fangshifeng:强帖学习,楼主有爱。

通信青苹果:楼主的广泛推理演进联系讲解很奇妙哦!

wwang034:楼主知识面很广,文笔好,生活又有体验,值得向楼主学习。

xiwenbao123:每天一更新,好帖必须顶起,我每天也都在偷偷的做笔记中。

jbqs:很好很强大

liuzhang1221:学习中……出书吧!支持!

zhaoyongchang:很好!有些问题用很简单的表达方法就说得很明白。

xmxiaodai:写得很好,要是能出书就更好了!

guoli800:楼主你写得真好!

……

原帖参见:http://bbs.c114.net/thread-712446-1-1.html

前言——春天里

转眼从业CT(Communication Technology)已经8年,从年少轻狂到现在人老珠黄。经历过大悲,体验过大喜,内心有时静如止水,有时波浪澎湃。回顾过去的30多年,最幸福的事情莫过于为人夫,为人父。背负着肩上的责任,自然不敢松懈,每日在职场辛苦打拼,回家看到嗷嗷待哺的孩子,心中的压力立刻烟消云散。

晚上拖着疲惫的身躯,终于躺在床上,从业多年的辛劳历历在目,回想曾经的学生生涯,尽管是个理工院校,但是自己的文笔还算过得去,也曾吟诗作赋,对酒当歌,只是在职场多年,文笔每况愈下,当年的文艺范也越发久远,使得我心中颇为担忧。

多年来,一直有两个愿望:一来是给过去8年的职业生涯做个总结;二来是本书立意之日,正是妻子的生日,也是女儿满月之时,过去的一年坚持完成本书,也是想送这份礼物给这辈子我最爱的两个女人。

尽管10年前,运营商就在惊呼管道化、ICT融合、IT(Information Technology)打败CT……但是真正让所有的CT人感受到恐慌的,恰是最近几年Android、iOS设备的广泛使用,带来诸如Facebook、Twitter、WhatsApp、微博、微信、陌陌等OTT应用的崛起,进而引起运营商短信、彩信、语音收入的大幅下滑,更为严重的是这种趋势不可扭转。

为应对IT对CT的巨大冲击,电信运营商和电信设备商纷纷选择转型。

电信运营商:面对OTT的强势入侵,运营商自然不肯将现有利益拱手让给他人,纷纷想出奇招进行应对,例如法国电信、ATT、意大利电信、德国电信等早在6年前就已经启动向OTT转型,推出基于IMS的增值业务、IMS Based IPTV系统,以及自有的OTT业务等;但是,纵观世界范围内的电信运营商,尚未有向IT转型的成功例子。

电信设备商:爱立信成功地由电信设备提供商转型为电信服务提供商;华为则立足电信设备市场,同时向企业网市场、消费电子市场拓展;诺西(诺基亚西门子通信技术有限公司)则不断收缩业务,聚焦于无线接入网络市场;而阿朗(阿尔卡特·朗讯,简称阿朗)和中兴则依旧在艰难探索……

在传统电信设备商一片哀嚎的时候,三星通信(网络系统)借助于其在LTE上的深厚积累异军突起,大有跻身电信设备商三强的态势。借助于LTE,三星可能迅速补齐其在2G(GSM)、3G(UMTS)方面的技术短板。可以预见,未来三星不仅会在移动通信领域,而且在固网、传输、交换领域也将大放异彩。

这是一个最好的时代,也是一个最坏的时代;这是明智的时代,也是愚昧的时代;这是信任的纪元,也是怀疑的纪元;这是光明的季节,也是黑暗的季节;这是希望的春日,也是失望的冬日;我们面前应有尽有,我们面前也一无所有;我们都将直上天堂,我们也都将直下地狱……

今日的通信人,毫无疑问在当年学生生涯中,是比较突出的一个群体,只是选择了通信这条路,注定了只能风雨兼程。历史告诉我们,变化的时代,机遇和挑战永远如影随行,无论未来如何变化,让我们成为自己心中的Better Man……

第1章 梦田:从程控交换说起

为什么需要交换那些年追过的交换原理曾经的七格格——No.7信令

每个人心里都有一亩田,每个人心里都有一个梦。我心里的这一亩田,用它来种什么?种桃种李种春风,开尽百花春又来,那是我心里的一亩田,那是我心里一个不醒的梦。

每个通信人的心中都有这样一个梦田,如同一颗种子,它点燃了我们通信人的梦想,它是什么?

多年前的程控交换,就是我们心中的那个梦田,七号信令就是通信人心中的第一颗种子。

1.1 为什么需要交换

人可以一天不吃饭,但不能一天不说话。说话是什么?说话是交流。记得一句广告语“通信丰富人们的沟通和生活”,好吧,沟通从打电话开始。“远古”时代,人们怎么打电话?让我们看看“古人”使用的“土鳖”电话系统,如图1-1所示。图1-1 传统电话系统示意图“土鳖”为什么不好?如果好,为什么那么多的人唯恐避之不及?好吧,我来谈谈为什么不能做土鳖。众所周知,“土鳖”是个历史的产物,具有时代局限性,好比在20世纪70年代末和80年代初那会,一个人扛着大哥大,开着拖拉机,身披麻袋,腰系红丝带,头顶大锅盖,手拿韩国泡菜——这叫时髦!但是现在如果有人如此江南Style,则只能叫“东方不败”。

回到图1-1所示的“土鳖”电话系统图,有技术精英会说它存在如下缺点:(1)不经济,线路投资很大,线路利用率低;(2)使用不方便,电话机要与很多条线连接,安装、维护非常困难。

在职场,把人大致分类为:50%的人属于B(Normality),40%的人属于B+,9%的人属于C,1%的人属于A。而且为数不少的500强公司里的“H(uai)R(en)”把这种分类方式引入到员工的考评中,诞生了企业管理的一个个奇迹和奇葩。当然,制定考评规则的肯定属于人群中为数不多的精英。精英的思维是普通人不能揣测的,我作为人群中的B类,只能用普通人的思维去思考。

为什么我不信精英?因为心在寻找,眼睛才能看到。如果按照图1-1所示的方式组建电话系统,可以预见,这样的系统是不可能扩展的,而且其中电话机的实现复杂度将大大超越我们现有的电话机,这在当时是不可实现的。

为什么不可扩展?显而易见,图1-1中每增加一台电话机,则该网络拓扑的复杂度将急剧增加,当电话机的数量达到一定程度后,该系统将一片混乱。再看看电话机终端。为什么通信网络可以获得巨大的发展?其中很大的一个原因,就是通信网采用了瘦客户端模式(即终端简单,网络复杂)。如果采用图1-1的土鳖组网模式,我们姑且抛开这些“9%”的连线问题,只从通信的角度来看,为实现一个良好的通信体验,至少电话机要感知大量的通信场景,诸如呼叫忙、呼叫闲、链路不可达等都要在电话机中采用复杂的机制来实现,可以预见这样的电话机价格必定非常高昂,最终导致普通用户将永远与它无缘。正是因为成本,通信系统中才大量使用了瘦客户端。纵观IT(Information Technology)/CT(Communication Technology)几十年的发展史,很多技术斗争的背后,成本都是重要的推手。

正是由于土鳖电话系统复杂和成本高昂,所以出现了交换机,它将电话系统使用的成本降到可接受的程度。交换机为什么可以降成本?可以看图1-2所示的示意图。图1-2 电话交换系统示意图

采用交换系统后,每个用户的连接线直接降到1/N(N为网络中电话机的数量)。在固网通信系统中,最大的成本往往是我们通常不注意的设备造成的,如电缆、接入终端等。降低电缆成本,直接使得电话网建设成本大大降低。

采用中心化的交换系统后,电话系统的控制功能实现了集中化,从而可实现整网的协调调度。其实,无论对固网还是移动网,控制功能集中化的好处都是如此。电话功能集中控制后,中心控制系统可以感知各个电话机的状态,于是诸如在土鳖电话系统中“你不知道我,我不知道你”之类的情形也一去不复返了。

前面的土鳖电话系统可以看成是分布式的系统,而交换电话网可以看成是集中式的系统。在IT/CT系统中,分布式和集中式好比一对冤家,斗争了几十年,至今尚未分出胜负。

实际上,无论是CT系统还是IT系统,很难做到完全的分布式,真正完全无为而治的结果往往是一团糟。正如前面所言,全分布式系统中,终端的实现将极度复杂。分布式和集中式虽然是一对欢喜冤家,表面水火不容,其实却是水乳交融。正是因为中心电话交换设备的出现,做到了能够及时发现用户的呼叫请求、记录被叫用户号码、判断用户的忙闲状态等,最终使得链路可以按需建立和释放,使得任意两个交换机所服务的用户可以自由通话,而互不干扰。

关于分布式和集中式的讨论贯穿了通信网络发展的全部过程。理解好分布式和集中式,就可以更好地理解核心网的变迁。分布式系统可以理解为各个节点之间是平等的关系。比如一个班级的同学之间,不存在谁领导谁,谁给谁考核。因为平等,所以网络系统中很多复杂的管理功能需要分布到各个节点中,于是节点之间的信息交互就非常复杂。举个例子,我们使用的计算机,每台都是Windows+CPU+硬盘+网卡……为什么计算机要这么复杂?因为互联网采用的是一种分布式的设计,节点都是平等关系,只有每个节点功能足够强大才能完成复杂的上网功能。而在电话网系统中,电话机是非常简单的,可能都没有显示屏,也没有什么多核CPU、内存、硬盘等;但是这些简单的电话机需要被一个复杂的交换机(程控交换机或软交换机)来控制,相当于网络的复杂功能被做到了网络侧的集中式节点上,所以电话网是个集中控制的系统。

1.2 那些年追过的交换原理

谈到通信交换网,不可回避地要涉及到电话程控交换系统。记得在读本科的时候,学完程控交换原理后,我和它依然在两个平行的世界。只是不巧,在读研究生的时候,迫于生活的压力,给一位老师当助教,而她讲授的就是程控交换原理,于是我又用心重新学习了这门课程。

有时要感叹一下,同样是学习,本科那会纯粹是为了应付考试,研究生那会是为了生活,因为学习动力不一样,自然最后的学习效果也大相径庭。

在工作多年后,我又重新审视了程控交换网,发现它的功能就相当于如今的核心网,而程控交换网中的信令——七号(No.7)信令就是核心网的控制面信令。七号信令之于程控交换网,好比SIP信令+MGCP/H.248之于NGN(下一代网络)系统一样。

1.2.1 初识程控交换

顾名思义,程控交换是程序控制的交换,我们所接触的程控交换系统一般指数字程控交换系统(由于模拟程控交换太久远,就不再阐述了)。说到系统,仿佛又是一个让人望而生畏的高大上词汇,这种词汇有共同的特点:摸不着,看不清,理不顺。同样,在核心网中出现的词语——网络、下一代、超级、资源池(Pool)、弹性、健壮性、扩展性、云(Cloud)、服务、Agent、Broker、中间件、架构等都是如此。要把它们解释清楚,不能靠三言两语,往往必须千言万语。即使如此,依然是七嘴八舌,我们众里寻他千百度,蓦然回首,而她依然在云深不知处。

本书我们不谈系统,也不谈网络,先谈设备,因为摸得着、看得见的才是我等普通人能够理解的。

程控交换系统(或者是交换网)最核心的设备就是程控交换机。如图1-3所示,典型的程控交换机包括两个部分:控制功能部分和交换功能部分。图1-3 程控交换系统示意图

粗看图1-3,如果我们尝试把它记下来,纵使烂熟于心,也不会给我们带来一点好处,因为此类系统图旧得不能再旧,而历史一直在前进,社会不停在进步,技术不断在发展,设备不停在演进。《射雕英雄传》告诉我们一个简单的道理,为什么郭靖记性不好,却可以练就十八般武艺,成为武林盟主。有人说,他是“笨鸟先飞,勤能补拙……”;还有人说是因为他娶得好……在我看来,靖哥哥是有自知之明的人,他习武记忆力不好,但是他理解力不错,正是靠着不错的理解力,才成就一代射雕神话。其实这个道理在生活中无处不在,俗话常说“好记性不如烂笔头”,而烂笔头不如用心去理解。

回到图1-3所示的架构图,我们可以想一想,最近十年通信技术变化莫测,无论核心网还是接入网都已经面目全非,但是不变的是什么?

记得我刚读研究生那会儿,所学专业是通信与信息系统,当时有几句话听得耳朵起茧,“控制与承载分离,业务与控制分离”。多年以后,我总结核心网架构演变的规律,无非就是“控制、承载、业务,分分合合”,如此过家家而已。

程控交换机是一个封闭的盒子,但是内部依然包括控制、承载、业务三个部分。

程控交换机由话路子系统和控制子系统组成。其中控制子系统可以理解成我们所编写的程控交换机软件;话路子系统就是交换网络和接口设备。话路子系统主要完成电话网连接的建立;而控制子系统则要完成接收信号,并发出各种控制命令去控制交换网络。业务部分,初期主要是线路的接续,后来发展到智能网系统,至此电信业务才丰富起来,网络架构中业务单元和程控交换机实现了分离,演变成了独立的网元。

1.2.2 程控交换中的高速公路

程控交换机是通过交换单元来完成交换过程的。整个交换过程就像汽车通过高速公路,从一个城市到达另一个城市一样。通过交换单元,语音信号可以畅通无阻地从电话的发起方到达被叫方。

程控交换机中的交换单元是交换机中最重要的部分,从原理上,交换可以分为空分交换和时分交换两种。值得指出的是,空分、时分的概念在通信系统中极为重要,除了固定通信系统外,后来的数字移动通信也延续了该理念。

何为空分交换?顾名思义就是从空间上完成交换过程。想象一下,把两个不同位置的人(或者电话终端)连接起来,或者将它们分开,似乎就容易理解了。空间上要完成连接和去连接,肯定需要一种能进行闭合(导通)和断开(阻塞)的元器件(或者叫交叉节点)去做这件事情,通过将大量的这种元器件组成矩阵,并控制矩阵中节点的闭合和断开,可以实现一条链路的连接或者关闭。空分交换矩阵又叫空分交换网络,典型的M×N空分交换矩阵如图1-4所示。

在图1-4中,为完成M条入线中的任意一条连接到N条出线中的任意一条,需要M×N个交叉点。交叉点一般采用双极型晶体管和场效应管。学过电子技术的人都知道,利用这些元器件可以做出电子开关。但是交换矩阵中需要数量巨大的交叉点,并且交叉点需要频繁进行导通和截止,因此其带来的成本、体积、使用寿命的问题则是不可回避的难题。在实际使用中都采用大规模集成电路来实现交换矩阵。图1-4 空分交换矩阵

交换矩阵通过控制系统来控制,可以实现节点的导通和截止,从而完成线路的接续和断开。接触过无线通信系统的人都知道,在无线物理层中也涉及到大量的矩阵处理,如预编码矩阵等,实际上就有点空分交换的味道。

1.2.3 数字交换基础——PCM

讲完了空分交换,下面再谈谈时分交换。顾名思义,时分交换就是通过对时间进行分片来完成信息的交换。按照正规的说法:时分交换要完成的事情,就是在发射端通过不同的时间传输不同的信息流,而在接收端则按照一定规则在不同的时间接收不同的信息流,其中时间交换的调度通过控制系统来完成。搞无线的朋友们,看到这里是否感觉和现在的TDD(TDS、TDL)(如图1-5所示)有些相似呢?图1-5 TDD信道划分

有线和无线在本质上有多少差异呢?人类认识世界的过程总是循序渐进的,所以技术也不可能完全断裂,不会没有一点延续性。不同领域的技术,也许外在的形式千差万别,剥茧抽丝,回归本质,结果常常是殊途同归。

要理解时分交换的原理,PCM(Pulse-code Modulation,脉冲编码调制)是不能绕开的话题。所谓PCM,它是一种模拟信号的数字化方法,也是通信人最早接触的内容之一。远一点的有程控交换机,近一点的有蓝光DVD系统等,这些都和PCM密切相关。

如何理解PCM,我也曾经苦苦思索,特别是一个人的时候,夜深人静,感叹人生,偶也有一些技术感悟。

单身的时候,我常工作到很晚才回家,下班后经常没有饭吃,精力时常不济,一般煮点稀饭,偶尔也将就点只用煎蛋度过一个个漫长的夜晚。

成家以后,有段时间妻女回老家了,我在夜深人静的时候,心中想起妻子的辛苦,伴着音响的丝丝音乐,渐渐入眠。

在这个数字化的时代,每天我们都离不开音乐,音乐就是好声音,音乐就是那些.wav、.mp3、.wma、.ogg、.acc、.ape……伴着音乐,我思考着人是一个什么样的系统,是模拟系统,还是数字系统呢?思考很久后,我得出“人是一个模拟系统”的结论。

很久以前,看过一个生物学的短片,说人体的神经元之间是通过电信号来通信的,而人体似乎又没有所谓的AD/DA(模数/数模)转换装置,所以思前想后似乎人只能是个模拟系统才更为合理。

我们听到的声音,从扬声器发出来,通过空气传播进入人体,引起耳膜振动,刺激人体细胞(似乎就是声电转换,最后电信号刺激了神经元),最后我们感觉到声音。

尽管人类是很棒的模拟通信系统,但是人类似乎一直没有理解模拟通信系统,没有摸透模拟信号的规律。于是人类就想到把这些模拟的东西变成数字,外包给计算机,让机器去干这些最苦的体力活。

回到交换机系统,交换机最基础的功能是传输声音,而原始的声音是模拟信号,于是人类发明了一种让声音变成数字的方法,即通过PCM三部曲——抽样、量化和编码,让声音变成数字信号,并且可以通过解码、滤波等再还原到原始的模拟信号,如图1-6所示。图1-6 PCM通信示意图1.2.3.1 抽样

抽样过程很简单,学过通信原理的人都知道抽样定理,即抽样频率要大于等于两倍的原始信号的带宽。

抽样定理的权威描述如下:

对于一个有限带宽的连续信号f(t),其最高频率为f,此信号可M由时间上相隔

秒的各均匀间隔点上的信号值f(KT)唯一确定。s

简单来看,抽样示意图如图1-7所示。图1-7 抽样示意图

PCM过程实际上就是A/D转换的过程,而模拟信号可以转换成数字信号的理论基础就是抽样定理。在抽样过程中满足抽样定理时,系统应无失真,这一点与量化过程有本质区别;量化过程中是有失真的,只不过失真的大小可以控制。根据信号是低通型还是带通型,抽样定理分为低通抽样定理和带通抽样定理。

如图1-8所示,低通抽样定理描述如下:图1-8 低通抽样示意图

对于一个带限模拟信号f(t),假设其频带为(0,f),若以抽H样频率f≥2f对其进行抽样的话(抽样间隔T≤1/f),则f(t)将被其sHss样值信号y(t)=f(nT)完全确定。或者说,可从样值信号y(t)sss=f(n(T)中无失真地恢复出原信号f(t)。s

在实际工程中经常遇到带通型信号,即频谱不是从直流开始,而是在f~f的一段频带内。对于带通信号,是否也要求按f≥2f的条件LHsH进行抽样?如果不是的话,它与低通信号有何区别呢?

带通抽样定理描述如下:

设一个频率带限信号x(t)的频带限制在(f,f)内,如果其LH抽样速率f满足:s

其中n取能满足f≥2(f−f)的最大整数(0,1,2…),则用f进sHLs行等间隔抽样,所得到的信号抽样值x(nT)能准确地确定原信号sx(t)。

直观地讲,带通抽样过程,可以通过图1-9进行理解。图1-9 带通抽样示意图

说明:带通抽样定理使用的前提条件是只允许在其中一个频带上存在信号,而不允许在不同的频带同时存在信号,否则将会引起信号混叠。带通抽样理论的应用大大降低了所需的射频抽样频率,为后面的实时处理奠定了基础。1.2.3.2 量化

模拟信号经过抽样后,得到在时间上离散的抽样信号,但其幅度取值仍然是连续的,所以它还是模拟信号,必须对抽样信号进行幅度的离散化处理。所谓量化,就是将抽样后的幅度取值连续信号变换为有限个离散值信号的过程。用通俗的语言讲,就是用有限个值近似地去表示抽样所取得的值。

模拟信号的量化示意图如图1-10所示。图1-10 模拟信号量化示意图

由于信号的变化不一定是等幅度的,所以量化的方法也分为两种:一种叫作均匀(直观上看量化的间隔是等间隔的)量化;另一种叫作非均匀量化(直观上看量化的间隔不是固定的)。

• 均匀量化

均匀量化指其量化间隔是均匀的,如图1-11所示。

从图1-11我们可以看出量化的大致原理,量化采用离散的近似值去表示原始信号的幅度值,因此会导致误差,量化中的主要问题在于如何提高量化信噪比。图1-11 均匀量化示意图

均匀量化存在的主要缺点:在量化级数大小适当时,小信号的量化信噪比太小,往往不能满足要求;而大信号的量化信噪比较大,远远高于要求的标准。

• 非均匀量化

非均匀量化是指对信号的不同部分采用不同的量化间隔。更具体地说,根据信号的不同区间确定量化间隔,即与信号的大小有关。当信号幅度较小时,量化间隔小,其量化误差也小;当信号幅度较大时,量化间隔大,量化误差也大。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同。

与均匀量化相比,非均匀量化实质上是利用适度降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比,使信号在较宽的动态范围内的量化信噪比都能达到要求。非均匀量化如图1-12所示。图1-12 非均匀量化示意图

实现非均匀量化一般采用压缩扩张技术,即在发送端将抽样值进行压缩处理后再均匀量化,在接收端进行相应的扩张处理。采用压缩扩张技术的PCM系统框图如图1-13所示。图1-13 非均匀量化PCM系统框图

压扩技术的原理就是在抽样电路后增加了一个压缩器的电路,通过这个电路对信号做一个对数运算得到一个新的信号,在解码过程中,再进行一个对数的逆运算,将信号恢复出来。

压缩电路的特点:对小信号有比较大的增益(放大系数),而对大信号的增益比较小。抽样后的信号经过压缩器以后发生了畸变,即小信号部分得到放大,而大信号相比小信号被压缩了,对这个畸变信号进行均匀量化,就相当于对原始抽样信号做了非均匀量化。

接收过程与发送过程相反,使用了信号扩张器,它的作用和压缩器相反,对小信号压缩,对大信号提升。比较理想的发送和接收,应保证信号无失真,具体到非均匀量化的过程,就相当于信号经过压缩器和扩张器后,从结果来看好像信号通过线性电路一样。

通过图1-14所示的压缩/扩张器信号变换图,更能形象地理解压缩器和扩展器的信号输入/输出的变化。图1-14 压缩/扩张器信号变换图

关于压缩方法(对数运算器)又分为A律(美国)和律律(欧洲,中国)。关于A律和律律的内容讲解,远一点的有樊昌信的《通信原理》,近一点的有《深入浅出通信原理》、《通信之道》等,本书就不班门弄斧了。1.2.3.3 编码

编码的过程相对复杂,一般通信原理的书都有详细介绍。编码干的事情就是把量化得到的信号电平值转换成二进制数,PCM中采用的编码是折叠二进制码(FBC),其编码图见表1-1。表1-1 PCM编码图1.2.3.4 PCM总结

PCM的作用是将模拟信号变成数字信号。PCM三部曲(抽样、量化、编码)如图1-15所示,其中的量化过程引入了量化误差。图1-15 PCM三部曲示意图

1.2.4 时分复用

前面已经谈到PCM三部曲完成了将模拟信号转换成数字信号,也谈到了采用脉冲信号对信号进行抽样,还谈到了抽样定理和抽样间隔。假设抽样过程中,每个脉冲信号的持续时间是252s,相当于抽样点的持续时间也是252s,采样频率是8kHz,则抽样间隔将是1/8000Hz=1251s,则相邻的抽样点有1001s的空闲时间被浪费了。如图1-16所示,τ与T之间的占空比为:图1-16 占空比示意图

浪费的空闲时间为:T−τ。

这样,如果一个信道只传输一路PCM信号,其信道利用率就太低了(20%)。为了充分利用传输信道,便出现了信道时分复用(TDM)技术。1.2.4.1 什么是TDM

妻子和女儿回老家的那段日子,有一天晚上下了一场雨,雨停后,我坐在窗台边,微微的细风吹来,有一种清凉剔透的感觉。似乎很多年不曾静下来思考或回味,我总是在一路奔跑,却忘了当初为什么出发。

在晚上九点的时候,给父母打了一个长长的电话,谈了很多事情,大部分时间都是我在说,他们在倾听。放下电话,自己心中有种重重的感觉,也许只有而立之年,为人夫和为人父后,方才体会到我作为儿子的角色。

这是一本技术漫谈的书,但是我天马行空,穿插了太多的杂谈。我想,既然是大话,就是一场心与心的交流。回顾我多年的工作,记不清楚,这几年曾下了多少次决心去做一些事情:英语口语、Hadoop、NoSQL……很多很多,终因工作繁忙,无法分心,导致最终没有坚持下来。

有时候,我觉得改变自己是一件很难的事情。因为惰性,往往很难将时间充分利用起来,时间在不知不觉中不断流逝;在工作和生活中,我总是在一件事之后接着执行下一件事,不知不觉中,人也变成一个串行的螺丝钉。放眼望去,凡是有所成就的人,似乎都能在很多领域取得平衡,也许每个人都可以在时间的长河中,变成一个分时复用的超人,从而激发自己无限的潜能。

在通信系统中,也有分时复用的概念,也就是TDM。TDM简单示意图如图1-17所示,通过控制开关(K1,K2)在不同的时间连通不同的触点,实现了信道在时间上的复用,从而提高了信道的利用率。图1-17 时分复用示意图

采用TDM后,语音信号的交换就变成一种时隙的交换,即对于程控交换机而言,交换的对象变成了时隙。

假设收、发信端各有3人要通过一个实信道(一条电缆)同时打电话,我们把他们分成甲、乙、丙三对,并配以固定的传输时隙以一定的顺序分别传输他们的信号。比如,第一时刻开关拨在甲位传输甲对通话者的信号;第二时刻开关拨在乙位传输乙对通话者的信号;第三时刻开关拨在丙位传输丙对通话者的信号;第四时刻又循环到传送甲对信号,周而复始,直到通话完毕。时分复用技术的特点:各路信号在频谱上是互相重叠的,但在传输时彼此独立;任一时刻,信道上只有一路信号在传输。1.2.4.2 时分接线器

前面已经讲过,通过PCM完成了模拟信号的数字化,并将信号变成了时隙信号。那么如何完成时隙信号的交换,就要用到T接线器。

T接线器的基本操作就是将数据写入存储器和从该存储器读出数据。在读和写的过程中,通过选用的时隙进行信息交换,如图1-18所示。图1-18 时隙交换示意图

其实,第一次看图1-18这个原理图是很难看懂的,但是任何事物通过化繁为简,总是可以发现万变不离其宗。在通信网络中,存在一种“CD”结构,其中C表示Controller(控制器),D表示Device(被控制设备)。把图中各个实体进行剥离,抽取出控制器,被控制设备即可理解了。图1-18中,处理机相当于控制器,而SM、CM都是被控制设备。其中SM存储语音,CM存储语音时隙的地址。根据控制对象的不同,T接线器分为“顺序写,控制读”和“控制写,顺序读”。

顾名思义,“顺序写,控制读”就是写时隙按照时隙顺序写SM对应的单元,而读的时候按照控制器的要求去读。如图1-19所示,控制器控制时隙3的语音交换到时隙19,则相应地在CM的19单元中保持时隙3的地址信息,在输出时隙到来时,先读取CM中对应单元的内容,然后以此内容为索引去读取SM中相应单元的信息。用这种方式完成时隙3的语言传送到时隙19中去。图1-19 读出控制方式的T接线器

对于“控制写,顺序读”而言,控制对象变成了写入过程,如图1-20所示,即当输入时隙到来时,先读取CM中的对应单元的内容,然后以此内容为索引将信息写入到SM的对应单元中。读取时,则是当某个时隙到来时,顺序读取SM中对应单元的信息到该时隙中。图1-20 写入控制方式的T接线器

由于T接线器基于存储转发的模式,因此必然带来语音的延迟。同理,在路由器中,由于也基于存储转发的机制,而且互联网中路由设备非常多,存储转发的行为非常庞大,导致IP网络中延迟问题非常突出。比如,我们常常可以感觉到互联网Skype等IP电话的时延明显大于固定电话系统。在IP网络中,如何优化网络路由,降低时延,提升对时延比较敏感业务(如语音、游戏等)的体验,已成为无数网络研究人员奋斗的目标。

1.3 曾经的七格格——No.7信令

前面已经谈了程控交换机的原理,而在实际电话系统中,多台程控交换机需要连接在一起,从而形成了程控交换网络,如图1-21所示。程控交换机网络好比是公路交通系统,那么单个程控交换机好比是城市中的市区路网,而多个市区路网需要互联,规划为省道,多个省道需要互联规划为国道,最终保证了用户可以畅通到达国内的任何地方。图1-21 传统电话交换网的一般体系结构

在学习程控交换网络的时候,有个内容是不得不提的,那就是七号信令——No.7信令。

No.7信令有个外号叫七格格,今天如果你还懂No.7信令,毫无疑问你可能是阿哥、王爷……也就是说,你是古董级的人物,那么我们懂No.7信令还有用吗?

在我读研究生的时候,有个老师开了一门选修课“No.7信令系统”,当我选修时,看着那本大部头的鸿篇巨作,封面上的“信令”一词,颇有高端、大气、上档次的架势,这曾经让我这个凡人颇为恐惧。而今回首往事,那时太年轻。Too Young Too Naive。

1.3.1 什么是格格——信令

何为信令?按照我今天的理解,就是信息传输的规则,当然这种理解并不是高大上(高端、大气、上档次,简称“高大上”)的表述,没有教科书权威。但是我自从工作之后,一直秉承凡人情怀,所以再也未曾拜读教科书上牛人们的大作了,毫无疑问他们都是9%的精英。

和凡人情怀相对的,是现在的互联网都在谈论的格调和品位,它仿佛就是现在的小资们寻找的路易·威登(Louis Vuitton),那么信令在信息传输中又有什么规则呢?我们知道公路系统需要交通灯,国家需要宪法,套用一句古话“不以规矩不能成方圆”,这就是信令的规则:信令就是通信系统的交通灯,没有信令,则不能移动,也无法联通。

由此看来,信令在通信中,实际上是高大上的东西,自然需要有品位和包装。关于“信令”这个单词怎么写,或者说怎么读,可能并不是每个人都注意到了。孔乙己说茴香豆的“茴”字有四种写法,我不是孔乙己,也没有吃过茴香豆,甚至读书那会儿都看不懂鲁先生的作品,所以我只说“信令”的英文标准写法:Signalling!

1.3.2 格格的一家人——交换信令

既然谈到格格,自然避不开芒果台永远的还珠姐姐,二十年过去了,还珠格格也应该长大了,是否也一样面对结婚、生子、养育后代的重大课题?

王菲说“因为爱情,怎么会有沧桑;所以我们还是年轻的模样。因为爱情在那个地方;依然还有人在那里游荡,人来人往”。年轻时候,每个人都在追求爱情,但是爱情是什么?有人说,爱情是一种魔力,它是电,它是光,它是唯一的神话……爱情控制着男女,为它痴,为它狂……

基努·里维斯在电影《地球停转之日》中说过一句话:“任何事物都不会消失,它只是换了一种存在的形态”。正如爱情控制了痴情的男女,在通信系统中,信令则控制了通信设备。

回到“什么是信令?”,前面已经讲了高大上的规则,这里用凡人的情怀来谈谈我心中的信令,通俗一点讲信令就是信息传送的一种命令(格式)或规则,再直白一点,就是爸爸妈妈每天和我们说的那些东西,老婆每天跟老公唠叨的那些东西。

前面已经说过CD(Controller和Device)结构是通信的基本结构,其实再想想,也许我们生活中无处不是CD系统,父母之于子女,老婆之于老公,老板之于员工,“NiuBility”之于Normality……那么C如何控制D,其实靠的就是信令。

在程控交换系统中,信令就是交换网络中各个通信网元交流的语言。

简单的程控交换系统如图1-22所示。图1-22 电话机到交换机的简单示意图

从图1-22可见,设备与设备之间都存在信令的交互,相应的信令是不是应该分为“用户线信令”和“中继信令”呢?

自己理解的东西往往胜过别人的说教,好比爱情中,主动出击和被动接受,给当事人的印象和感觉必定有天壤之别。今天的诸多出版物对技术的描述,实在令人惨不忍睹。很庆幸当初抱着活下去的勇气,奋不顾身地学习了两次程控交换原理,毕业后总算还清当初老师的谆谆教诲,今天留下的只是残存的一点败柳。也罢!能留下的自然就是属于我的,流逝的就让它随风而去吧。

回忆读书的课程是令人痛苦万分的事情,而国外的研究证明:学校学习的东西在工作中用不着!而且中国教材对信令的描述,实在是让人极为费解,比如对信令的分类,标准的教材会这样说:第一种按照信令的工作区域可以分为用户线信令和局间信令;第二种按照信令的功能可以分为监视信令、选择信令和操作信令;第三种按信令技术可以分为随路信令和公共信道信令。诸如此种,不知道分类还会有多少变种。考试就是用来选拔9%精英的事情,所以总是“记不住的在骚动,记得住的有恃无恐”,可怜我当初的学生生涯,经历了百种磨难才顺利毕业,读书真是需要莫大的勇气,能走到今天我也要感谢室友不杀之恩。

尽管前面讲了很多引子,但是本书要谈的还是技术本身,所以随路信令和公共信道信令是不得不讲的。

官方对所谓随路信令的描述是这样的:随路信令是指在话路接续过程中所需的占用、应答、拆线等业务信令均由该话路本身来传送的一种方式,即用传送语音的通路来传送为建立和拆除该话路所需的各种业务信令。

当年看到这段高大上的描述,我能做的只是背诵,然后考完赶快把它忘掉。人脑是个神奇的组织,总是把该留下的刻在你的脑海中,把不该留下的,清理得干干净净。有时候我想,人这辈子到老了还记得多少事?我现在又记得年轻时候的多少事情呢?曾经的烦恼,郁闷,苦不堪言,今天我又能回忆起多少?有一天老婆对我说,你要记着带一个纸箱子回家装东西,可我忘记了;有一天老婆对我说,你要记着报销上次的费用,第二天上班我就最先搞定了。所以我想,记得的一定是重要的,忘记的一定是不重要的。对随路信令我还记得什么呢?现在我才发现专家们要说的就是“信令和语音一起传输叫随路信令”,而当今的核心网系统,在逻辑上、外在表现上、设备形态上已经发生了很大变化,比如LTE的EPC系统中的S1接口,尽管在逻辑上定义了S1-C(控制面信令接口),S1-U(数据面接口),其物理实现上却是一根光纤搞定,套用专家们对随路信令的定义,我们也可以把EPC中的S1-C信令叫随路信令了。

与随路信令一起要说的就是公共信道信令,它是局间信令方式的一种。专家们是这样描述的:“公共信道信令的主要作用是将信令通路与语音通路分开,而将若干条电路的信令集中在一条专用于传送信令的通道上传送。这条信令通道就叫作信令信道数据链路。公共信道信令方式的信令容量大,处理和传送速度快,适用于由程控数字交换机和数字传输设备组成的数字网”。

用户信令和语音分开,好比专款专用,自然效率和速度比随路信令要高。

用户线信令,限于篇幅这里不做阐述,这里重点讲讲局间信令。

关于局间信令,典型的有中国1号信令和No.7信令。前者在笔者十多年前的学生生涯中就不是主流了;而No.7信令则是通信网络的一个里程碑,曾经成就了巨大中华。常言道“忘记历史等于背叛”,这句话不仅适用于日本,也适用于通信系统。

在程控交换系统中,No.7信令扮演着核心的角色,如图1-23所示。图1-23 No.7信令与交换机的示意图

关于No.7信令,记得学生生涯中,有道题是必考题,也是老师检验学生的一道经典题目,如图1-24所示。每次看到此图,我心中难免浮想联翩,它似乎是那么熟悉,但我又只能回忆起点滴,而未来我们又要行将陌路。如今重温,感叹No.7信令的交互机制确实是经典之作,今天IT/CT系统中所有的控制面交互方式,本质上与此大同小异。图1-24 No.7信令交互流程图

如果早30年,某个凡人申请了该信令交互的专利,恐怕当今ICT的所有控制协议,皆在劫难逃;只是历史不能重来,时间不能穿越,人也不能选择出生时间。既然如此,作为一个技术型的凡人,唯有努力学习前辈的成果,踏着浪尖,辛苦工作每一天,纵然不能逆袭为高富帅,也一定会成为矮锉富!

1.3.3 七格格的花衣——模型

No.7信令是电话网最重要的信令之一,尽管随着新技术的涌现,其重要性已大不如从前,但是历史是不能遗忘的。忘记历史的人,创造不了未来。

七年前我刚参加工作,在入职某公司后的转正答辩中,考到了No.7信令的流程,可见江湖虽然不见七格格的身影,但也曾流传格格的传说。

No.7信令的内容非常烦琐,市面上随便翻本No.7信令的书,少说也有100来页,但是纵使细读下来价值似乎也不大。自NGN之后,IP电话系统已经替代了大量的传统电话系统,但是我们既然曾经爱过七格格,不妨看看它和当今的技术有哪些相通之处。

学网络的人,都知道OSI七层模型:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

No.7信令的功能分层模型和OSI七层模型基本对应,如图1-25所示。图1-25 No.7信令体系结构

其中,消息传递部分由MTP组成。

网络层由SCCP和MTP中的MTP3共同组成。

用户功能由TUP、ISUP和MAP组成。

1.3.4 七格格的脸和唇

一般提到No.7信令,谈得最多的就是电话用户部分(TUP)和ISDN用户部分(ISUP)了。这两个东西是个啥,一两句话还真说不清楚。

还是先谈点官方的辞令,通过现象,我们再看本质。1.3.4.1 七格格的脸——TUP

TUP属于No.7信令第七层功能,主要实现电话呼叫的建立和释放,同时支持电话用户的补充业务,如:(1)呼叫前转类业务;(2)主叫用户识别类业务;(3)呼叫完成类业务;(4)多方通话类业务;(5)语音邮箱。

• 典型的TUP消息(见表1-2)表1-2 TUP消息分类

• TUP消息信号单元格式

TUP消息如图1-26所示,属于MSU(Message Signal Unit,信令的消息单元)种类,其格式符合MSU的共同特征。如何理解MSU和TUP的关系呢?我们知道,IP数据包是一种通用的数据包,而TCP数据包则是IP数据包的一种形式(如IP数据包也可能是UDP数据包等)。同理,MSU相当于IP数据包格式,而TUP相当于TCP数据包,即TUP消息是MSU消息中的一种而已。图1-26 TUP消息信号单元格式

如果在MSU中的SIO是0100,则标识该消息是TUP消息。

TUP格式的独特的地方在于SIF部分,它包括电话标记、标题码和信息内容,长度是可变的,但必须是8bit的整数倍,最长可达272字节。

1)标记

DPC:目的信号点编码;

OPC:源信号点编码;

CIC:电路识别编码。

2)标题码及其分配和含义

H0:识别消息群;

H1:识别消息群中某个特定的消息。

常用标题码的含义可以参见典型TUP消息分类描述表格(表1-2)。

TUP消息格式分析到此,还算简单易懂。但是对搞通信的我们,面对诸多此类的消息格式,通常的第一反应是既兴奋,又痛苦。兴奋的是这种格式太常见了,痛苦的是发现这个格式居然没有见过,或者说似曾相似,却又忘记具体是什么消息。

我也如此,每次看到这些鬼东西,呼唤着苍天,诅咒着大地,为什么要如此的“苦逼”,最后又要无可奈何地去记忆,理解,背诵……如此反复,痛苦不已。

我曾经很憎恶那些设计通信协议的“NiuBility”,搞不懂为什么他们要发明这么多让人摸不着头脑的字符,我想来想去,还是觉得用IP和ATM的故事,可能更容易理解“NiuBility”们设计协议的初衷。

每一个协议的设计者都是伟大的,同时也是“苦逼”的。之所以伟大是因为他干了一件没有人干过的事情,并且干成了!之所以“苦逼”,是因为事情不一定要搞得这么复杂。通信系统的设计,往往都是为了规避1%的风险,或者为了提高1%的可靠性,却做了90%的无用功,由此却带来了数十倍的复杂性。IP和ATM之争,IP胜了!在技术方面,IP并不比ATM先进,而且IP的问题很多很多;但是IP仅仅凭借简单易用,最终大胜ATM!

今天的CT和IT正在鏖战,现在看来CT略显颓势,而IT似乎更胜一筹。之所以如此,根源就在于IT以“简,易,快,成本低”取得了蓬勃发展;而CT在技术变革中,固守标准化、产业化,抗拒革命性的新事物。本质上IT是一种底层设计的模式,而CT是一种顶层设计的模式,两种设计模式的不同,在不同的场景下效率自然有差异,不能说那种模式必然替代另外一种,但是不同的场景下总会有不同的主从关系,IT和CT的融合将不可避免,如何融合考验着大家的智慧。

为便于理解,这里以一次电话呼叫的TUP消息交互为例,并选择其中一条消息做分析。图1-27是典型的TUP控制信令流程图。图1-27 市话分局间信令流程

我这里选择IAM消息进行分析,见图1-28。图1-28中阴影部分为真实环境下的IAM消息,在No.7信令系统当中,一般采用十六进制。图1-28 No.7信令数据包

在分析后面的字节前,我们首先要明确一点,实际传送中,从BSN开始到最后的信号信息字段,都用十六进制码表示。在传送时,先传低位,再传高位。最后解码的结果如图1-29所示。图1-29 No.7IAM消息解码结果1.3.4.2 七格格的唇——ISUP

ISUP相对于TUP消息的结构更加复杂,它支持提供语音和非语音业务功能。ISUP与TUP的最大不同之处是释放方式,TUP为主控释放,而ISUP为互不控制方式。

ISUP支持业务包括:(1)基本承载业务,即以电话交换控制为基础的业务;(2)ISDN补充业务,如号码识别类、呼叫发起类、呼叫完成类、多方通信补充业务等。

一次完整的ISUP汇接呼叫流程如图1-30所示。图1-30 ISUP汇接呼叫流程

限于篇幅,本书对ISUP不做详细介绍了。

第2章 老男孩:谈谈下一代

玩概念的NGNNGN的High Level——身材NGN的Low Level——接口NGN的少帅——软交换机NGN的全家福——关键网元NGN中的普通话——SIP协议NGN中的方言NGN的缺憾

梦想总是遥不可及,是不是应该放弃?花开花落又是雨季,春天啊你在哪里?青春如同奔流的江河,一去不回,来不及道别;看那满天飘零的花朵,在最美丽的时刻凋谢——有谁会记得这世界它曾经来过,当初的愿望实现了吗?事到如今只好祭奠吗?抬头仰望着满天星河,那时候陪伴我的那颗,这里的故事你是否还记得?

下一代网络(NGN)曾经是无数通信人的梦想,承载了大家过去太多美好的希望,似乎电信核心网多年遥不可及的梦想已然触手可及。在今天通信人的心中,NGN就像那个老男孩,在最美丽的春天相遇,如今却只能祭奠NGN的故事,你是否还记得?

2.1 玩概念的NGN

听过一个笑话,大意是说:“保安是个哲学家,因为他每天都在追问:你是谁?从哪里来?要到哪里去?”笑过之后,我们是否也问过自己:这一辈子有什么目标?为什么而奋斗?

有人说中国人是没有信仰的,也有人说中国人的信仰就是钱。白岩松说过,如果非要给中国人加个信仰,其实就是过年。

中国人为什么要过年?我参悟了很久,发现是因为思念我们的上一代和下一代。

上一代是养育之恩,下一代是哺育之情,我们常常是踏着上一代,奔向下一代。我们为什么可以为了下一代前赴后继?是因为希望。有人曾经说过,希望是人世间最美好的东西。因为希望,我们才能奋斗;因为希望,我们才有追求;因为希望,才活着。

跨过了2013年,走进2014年,回顾了上一代的程控交换网络,我们有必要谈谈下一代的网络——NGN。

NGN是个什么东东?其实它不在东西,也不位于南北,也不曾到过中原大地。NGN只是个概念,美其名曰“下一代网络”,根本原因在于NGN出现之前,核心网系统的演进过于缓慢。当NGN出现之后,人们天真地以为,这种新的网络架构是个历史的转折点,网络的演进似乎有颠覆性变革,于是人们给它取了个永不过时的名字——“下一代网络”。当然,今天回首再看NGN,它只是核心网演进中的一个小插曲。

由于人们对NGN寄予了太大的希望,似乎希望它无所不包,结果造成NGN系统还是违背了最初的设计初衷。NGN到底是什么?业界曾经争论很久,其实在我看来无非就是一句老话:“NGN的核心思想就是两个分离:控制和承载分离;业务和控制分离”。用通信的语言来说,控制和承载分离,就是把信令面和数据流的承载面分开,用不同的网元去实现,并定义信令面网元和承载面网元的接口;业务和控制分离,就是业务通过专门的业务服务器来实现,并在信令面网元和业务服务器之间定义相关接口。

NGN将网络进行了分层,将核心网分成信令控制面、数据承载面和业务面,如图2-1所示。网络中不同的层采用不同的网元实现,层与层之间进行解耦,并采用专门的接口协议进行通信。这样使得网络结构和功能更加清晰,由于各层之间的功能解耦,网络的演进也更加方便了。图2-1 NGN系统架构图

既然NGN只是个概念,难免会犯旧的臭毛病,它也曾被捧上神坛;但是回顾人们造神的历史,都总是把某个神描绘成一个无所不能的超人,上可入天,下可遁地,拳打湖广,脚踢川渝,隔空取蛇,空杯来酒……似乎此物只应天上有,人间哪得几回闻。人们为了和传统程控交换网割裂开,于是发明了NGN,从它诞生的那天起,NGN就担负了太多的使命,不仅要承前,而且要启后。

身处职场多年,发现一个道理:理想是如此的丰满,现实是如此的骨感,没有亮点的职场,注定黯淡无光。读书的时候看了无数的爱情片,我始终不能理解:为什么某些女配角对男主角爱得要死要活,而当和他不可能白头到老时,突然从男主角的天使,变成他的魔鬼,似乎不能拥有,就只能去毁灭。因为专注,所以极致;因为极致,所以难以割舍;爱到极致,便是同生共死。回到技术本身,如果也可以做到极致,想必终将有一席之地。

历史告诉我们,往往一个无所不能的人,最终呈现给人们的却是无能,人只有承认他不能做好所有的事,才能踏实做好一两件事。技术也是如此,一个无所不能,涵盖万物,既能对下无限兼容,又能对上持续演进的技术,终究会因为其负重蹒跚,导致不可能成功。工作也是如此,如果拼命干工作,眉毛胡子一起抓,最终逃脱不了工作拼命干自己的窘境。

个性是人作为独立个体区别于其他个体所呈现的特质。如果一个人没有了个性,就不能算一个独立的个体。同样,技术如果没有独特的地方,注定其生命也是昙花一现。

NGN架构中,各个逻辑层专注于自身的功能,同其他层做到了功能解耦。这种体系结构,确实是网络演进的一个里程碑。如今大红大紫的SDN(Software Defined Network),其功能模型和NGN系统几乎异曲同工。我一直觉得技术本身都是曲折、螺旋上升的过程,NGN在经历了大爆发之后,被IMS的光芒所掩盖而归于沉寂,然而殊不知又借着SDN的躯壳,似又卷土重来。

2.2 NGN的High Level——身材

在生活中,我们常去评价女性的外表,谈的最多的无非就是那几句“大小、幅度、身材和皮肤”等等。因为本书立足技术,何况作为已婚人士,不想招致广大女性的误会,违背我中立的立场,所以对此类细节地方我不作详细展开。

尽管如此,作为一个公知常识,对女性的美的宏观定义中,身材几乎是男性摆在第一位的标准。作为一个技术爱好者,同时作为一个男性,我这里尝试去给大家展现NGN(Next Generation Network)的技术身材。

当谈到身材,我们首先要定义美女的标准,否则再好的身材总会由于没有固定的尺度,而错失香港小姐、亚洲小姐、全球小姐的称号。这里先定义什么叫NGN。NGN的定义有狭义和广义之分,而常言道“酒要一口一口地喝,路要一步一步走,步子迈得太大,会扭着脚”,所以这里我只谈谈狭义的NGN。

狭义的NGN是指以软交换(固定软交换和移动软交换)为核心的网络体系架构,通过两个分离(业务与控制分离,控制和承载分离)形成的新网络体系架构。

NGN的标准化组织很多,包括ITU、ETSI、3GPP等都插过手,各路大佬PK,都是权威,但给出的定义又不尽相同,作为一介凡人,实在惹不起这些大佬,我就用草根的语言来阐述我心中的NGN。

广义的NGN就是一帮人去扯蛋和扯皮,毫无意义地玩弄文字;而狭义的NGN,特指以软交换为核心的网络系统,主要特征是控制和承载、业务和控制的两个分离。两个分离带来了网络架构的变化,形成了应用层(业务层),控制层(信令层),传输层(IP/光/ATM传输网等),接入层(PSTN/WiFi/GSM/UMTS等)。

NGN的身材如图2-2所示。图2-2 NGN的身材

在NGN身材中,控制层(软交换,Softswitch)是其最为核心的部分。前面在交换网的诞生中,我们已经知道接入和传输的成本是整个网络中最大的一块,同时也是运营商无法被取代的核心竞争力。而控制层和业务层,随着互联网对通信网的持续入侵,互联网SP已成功转型成互联网运营商。未来互联网公司对电信网络控制层和业务层的旁路必将愈演愈烈,电信运营商想要掌控网络控制层和业务层已经越来越难;但是如果有一天电信运营商完全丧失对网络和业务的控制,势必将丧失对终端用户的控制,最终电信网必将沦为纯粹的哑管道,电信运营商的业务最终也只能变成类似房地产交易似的一锤子买卖。

通信圈中做信令和业务的人,曾经是通信人中的高富帅,时到今日却沦落到凡人界的草根,作为其中的一份子,我有时甚为无奈和悲哀。未来的路在哪里?孙子兵法告诉我们,只能早早转型,期待开辟下一个战场,搏击下一个十年。

2.3 NGN的Low Level——网络接口

回到男人和女人的问题,男人去评价女人,High Level的角度必然是看身材,但是大家都知道,光有身材是远远不够的,俗话说细节决定成败,更多的时候,Low Level的方面更是取胜的关键。

这里,我也谈谈NGN中的Low Level——网络接口。

• NGN的内部接口

正如人分为自己人和外人,NGN的接口也分为内部接口和外部接口。关于内部接口,顾名思义,就是指NGN网络中内部网元之间的接口,如图2-3所示。

NGN的内部接口主要有:SIP、H.323、PARLAY、H.248/MGCP和SIGTRAN等。

• NGN的外部接口

NGN的外部接口如图2-4所示,主要有:SNMP、SIP-T/BICC、ISUP、INAP和SCCP等。图2-3 NGN的内部接口图2-4 NGN的外部接口

看完上面的NGN的对内和对外接口示意图,可以想象NGN实在不易。正如现在这个时代,对男人提出跨时代的要求,好男人不会让心爱的女人受一点点伤,注定不仅要上得了厅堂,入得了厨房,杀得了木马,翻得了围墙,斗得过地痞,打得过流氓,开得起轿车,买得起洋房……

一个女人爱一个男人,会愿意给他生孩子,一个男人爱一个女人,会奋发图强,努力带给她更好的生活。

男人和NGN是如此地相似。不仅肩负着非凡的责任和使命,也都具有同样的内部接口和外部接口。对内和对外,我理解就好比工作和生活。接口这个东西,就好比用来衔接各个部件,或者人与人之间联系的纽带,好比一家人之间:父亲、母亲、丈夫、妻子、儿女、岳父、岳母……维系他们的就是爱情和亲情,所以对内的接口就好比亲情和升级版的爱情等情感;而对外的接口就好比朋友之间、同事之间、师生之间、领导下属之间和陌生人之间等联系的纽带,所以对外的接口好比友情等情感。

一个好的接口,往往会带来一个好的情感沟通体验。人不是一个孤立的物种,不仅需要爱情/亲情,也需要友情等,对内对外都不可或缺,不能互相替代,如此才能生活得幸福。回到一个网络系统,同样需要对内和对外有好的接口设计,才能保证网络稳定,和谐地运行。

2.4 NGN的少帅——软交换机

如同一个家庭需要一个主体,网络系统也需要一个核心的网元。在NGN系统中,最核心的设备就是软交换机(Softswitch)。

这里又冒出了一个新名词——软交换机(Softswitch),但是阐述一个新名词,往往需要无比的勇气,新是相对于旧,自然必须有承前启后的关系,软交换机自然是相对于传统的程控交换机而言的新名词。为什么要够软?传统的程控交换机怎么就够硬?软交换机,软在哪里?

不去谈论“岁月是把杀猪刀,紫了葡萄,绿了芭蕉”的晦涩诗句,这不是水果界,而在通信界,这是实实在在的交换机。

前面已经谈过,传统交换机无论空分交换,还是时分交换,实际上呼叫控制和媒体传输都是集成在一起的,而人的传统思维,总是觉得设备之间具有实际的物理连线(如光缆、网线、电话线等),会给人一种硬通货的感觉,比如一台笔记本和一份正版的“Visual Studio 2012 Ultimate with MSDN”光盘,促销价都是500元的话,99%的人都会选择前者,尽管后者的价值是前者的十多倍。

程控交换演变到软交换后,呼叫控制和媒体传输已经分离,也就是软交换机只管呼叫控制,不管媒体传输,因而脱离了硬通货(光纤、网线、电话线等),给人软的感觉;另外,在软交换中,硬件采用通用CPCI/ATCA平台,核心功能都是软件实现的,这也是软交换的由来。

尽管我只是一介草根,凡夫俗子,远达不到专家的境界,但是技术是个严谨的活,因此软交换的权威说法还是需要摘录一下。

专家语录:“软交换技术是NGN网络的核心技术,为下一代网络(NGN)具有实时性要求的业务提供呼叫控制和连接控制功能。软交换技术独立于传送网络,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。”

讲到这里,论述似乎已经太过专业化,每天上班搞技术,回家还是搞技术,头脑已经一片混沌。没有了时间,也就不会思考,没有了思考,也就开始了沉沦。

往事历历在目,技术的发展史,让我心中浮想联翩,回首交换系统的发展,从控制交换,怎么就突然到了下一代的网络NGN?

前面已经讲过,不管世界如何变化,本源的东西,永远在那里!

具体而言,在图2-5所示的程控交换到软交换的演进图中,左边是程控交换机,右边是NGN系统,电话交换系统的演进相当于将程控交换机的功能模块独立出来,形成NGN中的单独网元。如:呼叫控制模块演进到软交换机,七号信令链路模块演进到信令网关;Time Slot交换矩阵演进到分组核心网,实现数据包的交换;用户线模块演进到接入设备,中继线模块演进成中继媒体网关,完成TDM流到IP分组或ATM信元媒体格式的相互转换。图2-5 程控交换机到软交换机的演进图

技术的演进和社会的进步是如此的相似,正如《三国演义》开篇所言“话说天下大势,分久必合,合久必分”,这就是事物发展的规律。本书中所阐述的核心网演进过程,同样遵循这一定律,相信读完本书,各位读者可以深刻体会到核心网技术的变化无常和分合无定式。

2.5 NGN的全家福——关键网元

上节我们已经了解了NGN的核心网元——软交换机,但是一个网络系统不可能只由单个网元构建而成,在NGN的大家庭中,还有其他关键的网元,如图2-6所示。图2-6 NGN网元分布图

由此产生的接口协议有:SIP/H.323,H.248/MGCP,Parlay API,RTP/MPEG……

由于本书篇幅所限,不可能眉毛胡子一起抓,抛弃大而全的累赘,下面不讲废话,力求小而精地讲述一下NGN的一家子。

2.5.1 网元的形态

• 软交换机

核心网从软交换机开始,其硬件形态已经发生了巨大变化,早期的软交换采用CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect,紧凑型PCI)硬件平台,后期的软交换采用新一代的ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture,先进的电信计算平台)硬件平台,如图2-7和图2-8所示。图2-7 ATCA单板外观形态图2-8 ATCA机框外观形态

ATCA是一种硬件标准,不是一个具体产品平台的名称。ATCA的主要目标是为电信级应用提供标准化的硬件平台体系结构,并使之支持多种电信级特性,如99.999%的可用性等。ATCA体系结构针对信令和媒介网关的连接性需求进行了优化,使解决方案具备高可用性、高性能以及更快的上市速度和更加强大的管理能力,从而更好地满足电信设备的定制要求。

在采用ATCA硬件后,软交换系统可以聚焦在软件层面的设计。在典型的软交换系统的软件架构设计中,常分为以下几个功能模块:信令处理模块(SS7/H.248/SIP适配器),数据管理模块(DB),媒体资源控制模块(Resource Manager),业务处理模块(如:Call Server),系统支撑模块(平台中间件),如图2-9所示。

信令处理模块:顾名思义,主要功能自然是负责处理与软交换机交互的信令(SS7/H.248/SIP适配器……)。图2-9 软交换软件架构图

数据管理模块:是和数据库系统交互(在实际实现的时候,可以和数据库系统融为一体)的模块,其主要功能是提供一个集中式的数据库管理平台,用于管理系统运行所需的各种数据,如系统硬件配置数据、接口配置数据、业务配置数据、用户配置数据等。数据库子系统向业务处理、信令处理、媒体网关控制等子系统提供消息或者API接口,用于查询、增加、删除数据的操作。

媒体资源控制模块:主要实现媒体网关的管理和维护,以及对媒体网关上承载资源的管理和操作等功能。

业务处理模块:主要实现软交换的基本业务和补充业务的处理。

系统支撑模块:它是系统的软件支撑平台,软件平台实际上是介于操作系统和业务软件之间的一个软件中间件,通过对操作系统进行抽象,将底层操作系统和硬件的接口等做成统一的软件API。这样,上层业务软件只需要调用中间件的API,就可实现对操作系统和硬件的访问。一般来说,系统支撑模块是基础组件,各个公司都有这样的平台系统,而且实现方式各有不同,这也是各个设备商的核心竞争力所在。系统支撑模块为上层提供了维护操作、告警管理、话务统计、信令/用户跟踪、数据备份、单板倒换、在线加载等功能的实现机制,这样上层业务软件可以更加聚焦业务实现,而不同时懊恼于这些功能的实现处理,从而提高了业务软件开发的效率。

• 网关的故事

在日常生活中,我们经常听到网关这个词,但是可能对它的作用却不怎么熟悉。相信大家多少接触过TCP/IP,特别是网规网优、设备运维、软件测试的朋友们,一定经常遇到配置设备IP地址的情形。

我们知道配置IP地址后,两个设备可以互相访问,图2-10是Windows系统下的IP地址配置界面(Linux中采用ifconfig命令或者yast工具或者配置文件,启动脚本等去配置IP地址),通常IP地址和掩码是必须要配置的,而网关的配置则不是必须的,那网关什么情况必须要,什么情况又可有可无呢?图2-10 IP地址配置图

生活中,很多事情我们都不知道为什么,于是我们一直在抓瞎,我们不敢用Sure,Certainly,Of course,而总是支支吾吾地Maybe,Perhaps?因为我们没有自信心!我们在不懂装懂,总是在Normality和清高之间徘徊、犹豫!

人性的问题,是个哲学的问题,本书无法去探讨,回到技术本身,我们一起来看看网关——它是谁,从哪里来,要到哪里去?

用通俗的语言来讲,可以这样理解网关:大家都知道,从一个房间走到另一个房间,必然要经过一扇门。同样,从一个网络向另一个网络发送信息,也必须经过一道“关口”,这道关口就是网关。顾名思义,网关(Gateway)就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。

用精英的语言来讲,网关是这样的:网关在英文中叫做Gateway,中文又称网间连接器、协议转换器。在使用不同的通信协议、数据格式或语言,甚至体系结构完全不同的两种系统之间,网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不一样,网关对收到的信息要重新打包,以适应目的系统的需求。同时,网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI 7层协议的顶层——应用层。

到此,大家对网关可能已经似懂非懂了,这比一无所知稍微进步一点,但是碰到动真格的场合,我们依然还是不确定,还是会犹豫,这里我讲一个十年前的故事:“房子的那点事”。

房子是我大学的同学,在很久以前,他喜欢上了系里的系花小雨,每日朝思暮想,茶饭不思,但是房子毕竟是个凡人,而小雨就像天上的仙子,可远观而不可亵渎,房子始终无法制造一场浪漫的邂逅。

小屁是房子的室友,和房子不同,小屁是典型的花花公子,前前任女友是校花,前任是院花,现任女友是班花——小兰。

当小屁当着全寝室的哥们宣布小兰成为他的第三任女友的时候,最高兴的不是别人,反而是房子,因为小兰是小雨的室友兼闺蜜。有句话是这样说的:“如果你要取悦一个女人,一定要先取悦她的闺蜜”。

得知小屁的消息后,房子如获至宝,他开始每晚奋笔疾书,将一行行的相思泪,化作一句句的情诗。每天早晨,房子郑重地将情书交给小屁,嘱咐小屁一定要将它送到小雨手中,小屁自然不敢怠慢兄弟,每日和小兰缠绵完,临别时必定将房子的情书交给小兰,嘱咐她务必安全地将信送达到小雨手中。

小雨有时候也会回信,回信的内容刚开始总是简单而客气,有时候会说大家只是普通朋友,让房子寻找属于自己的幸福。房子收到小雨的回信,刚开始总是激动、兴奋,看完信后又会像泄气的皮球,一下子从云端跌落到谷底,但是房子从来没有放弃给小雨写情书。

渐渐地小雨已经习惯小兰每日送达的书信,渐渐地小雨的回信也不在局限在经典的八股文,也会讲讲她最近的心情,偶尔还问问房子的近况。

于是有一天,房子和小雨一起泛舟在校园的湖心,当房子问:“朱丽叶,你愿我做你的罗密欧吗?”,不出意外,他等到了那一句“我愿意”。

在2004年的毕业之季,王子和公主的童话有了一个完美的结局,那一年房子和小雨在美丽的海滨之城——烟台举办了浪漫的环海婚礼。

写完上面的故事,我自己都有点感动了,光良说“童话里都是骗人的,张开双手变成翅膀守护你,幸福和快乐是结局……”,是的,既然是童话,结局自然只能如此。

在房子的爱情故事里,房子想和小雨共话相思语,小屁和小兰分别充当了红娘的角色,上过大学的我们都知道,红娘常常要将他们要收到的信息加工成他/她自己觉得合适的信息,从网络技术的角度来看,房子和小雨分别是主机A和主机B,而小屁则是房子的网关A,小兰是小雨的网关B,和牵线搭桥的红娘一样,网关时常需要将收到的信息进行加工,然后再转发到其他的网关或者网关所服务的主机。

设想如果房子和小雨本来就认识,又或者房子可以勇敢地跑到小雨的楼下,用蜡烛摆个心形,然后在楼下大声呼唤小雨,还会需要小屁和小兰掺和这档事吗?正因为无法邂逅,或者无法制造浪漫的邂逅,所以才需要中间人牵线搭桥。

在网络的世界里面,如果一个主机和另外一个主机在一个子网中,其实是不需要网关的,正因为我们需要跨网进行通信,才诞生了网关。

• NGN中的网关

NGN中的网关按照功能来分,有很多种,如果网关应用在接入网中,就叫接入网关;如果应用在信令系统中就叫信令网关;如果用在中继系统中就叫中继网关;另外,还有通用媒体网关等。

接入网关AMG,如图2-11所示,在SS的控制下,完成媒体流转换和非SS7信令处理等功能,主要用于ISDN、V5、PBX等用户接入。图2-11 AMG示意图

AMG和SoftSwitch之间采用H.248协议进行互通,IAD和SoftSwitch之间采用MGCP协议进行互通。

信令网关SG,如图2-12所示,主要完成7号信令网与IP网之间信令消息的互通,以及2G的MSC/GMSC与软交换机之间ISUP消息的转接等。图2-12 SG示意图

通用媒体网关UMG,如图2-13所示,主要完成媒体流格式转换与信令转换功能。图2-13 UMG示意图

中继网关TG,提供中继接入,可以和软交换以及信令网关配合替代现有的汇接/长途局,中继网关由软交换控制,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。

• NGN中的其他网元

软交换网络中还有一些设备、终端、应用服务器和网络管理系统等,这里无法一一列举,作为一个怀旧的人,列出几个我曾经使用过的设备,让我们一起看看那些年我们一起追过的NGN设备。(1)IP电话

笔者在2005年用多媒体会议系统的时候,用到了一个H.323的IP电话机,好像是这个样子,如图2-14所示。图2-14 IP电话示意图(2)SIP电话

2005年使用NGN软交换机的时候,用了A公司的两个SIP视频电话机做了一次视频测试,好像是这个样子,如图2-15所示。图2-15 SIP电话示意图(3)SIP软终端

2005年底在宁波某个局点,采用A公司的SIP软终端和Xlite 2.0做了一次对接,当时感叹这么个软件,功能如此强大,居然还是免费,某些公司再不转型搞点高科技可能就要倒了!后来用到Xlite4.7(如图2-16所示),更加坚定了我的这个想法。图2-16 SIP Softphone示意图(4)IAD设备

我是很讨厌IAD的,在2005年实习的时候,第一次接触的就是这个设备,然后老板每天都要我发日报汇报工作进展,所以连续写IAD测试报告好几个月,更为恐怖的是,A公司的某个员工,居然测试IAD设备达一年之久!每天我从破旧的出租房坐公交到移动大厦,遇到A公司那几位住五星级酒店达一年之久的哥们时,心中顿时万分愤慨,时至今日,故人不知何处,当年的IAD也消失得无影无踪,这里展出一款替代品吧,如图2-17所示。图2-17 IAD示意图

2.5.2 NGN的虎将——再话媒体网关

• 媒体网关

前面已经大话了网关,而对媒体网关却只点到即止,有人说如果软交换是控制面的核心,那么媒体网关则是数据面的核心。既然媒体网关是NGN中的虎将,前面的铺垫,那就是“欲擒故纵”的把戏了。

职场的每一天都是平凡的,在平凡中总要用无数的邮件(Mail)和信息(Message)证明自己,有时候会感觉很累,有时候又乐此不疲。我时常思考:人生究竟是什么?是奋斗(Fighting)还是防守(Defending)?还是妥协(Compromise)?

回顾过去的三十多年的工作和生活,作为一个纯粹的俗人,只有一句话送给自己:“你若不努力奋斗,就不会进取;你若不防守,终将迷失自我”。

在生活中,有着太多不起眼的人和事,有时候我们一路奔跑,忘记了它们的存在,可是当一天,它们不在了,我们才发现它们才决定着我们的幸福。

好比一对夫妻,相处得是否和睦,能否一起白头到老,常常就在于洗碗这种小事;有时候决定职场氛围的,往往就在于你旁边座位上的那个人;同理到一个企业,决定企业竞争力的,通常就是这个企业最基层的员工,可惜不是每个企业的高层都明白这个道理。当顺丰把快递员作为核心竞争力、当海底捞把服务员作为核心资产的时候,无数的中小企业依然把英明神武的领导作为企业的最大财富……

再看NGN系统,听说过NGN的人,必然知道软交换,并知道SIP协议;但是未必就知道媒体网关和媒体网关的控制协议MGCP/H.248。

前面已经说过,程控交换机的用户板演进到NGN中就成了媒体网关,房子的爱情故事告诉了我们网关是什么,经过推理,我们对媒体网关也了然于心。NGN中的媒体网关就是将媒体从一种格式转换为另一种格式,最常见的是将电路域媒体格式转换为分组域媒体格式。

媒体网关在NGN系统中,是个默默无闻的角色,但是它的重要性并不亚于软交换机,当年我学NGN的时候,终日困在软交换、SIP、SIGTRAN、BICC等控制面协议中,对媒体网关知之甚少。直到工作多年后,做路由器和交换机,才逐渐理解媒体网关的角色。

媒体网关实际就是传输层的网元。正因为如此,其使用量比软交换机数量要庞大得多,而且媒体网关由于需要处理大量媒体数据,实际复杂程度丝毫不逊于软交换机。

在NGN系统中的语音、多媒体数据等,都需要经过媒体网关进行处理,最终到达业务服务器中。

• 媒体网关控制协议

在2013年我去了一次北京,那天北京下了一场雨,但是空气依然出奇地糟糕;从首都机场T3航站楼到东直门,再转到积水潭,一路耗费了一个多小时;不记得前几次是什么时候来的北京,似乎每次感觉都不怎么好,印象中总是拥挤的地铁,打不到出租车,上、下车都需要刷公交卡,大爷一般的服务员,还有远得出奇的T3、T2航站楼……当然这里还有无数的北漂,无数的权威……

自从成家后特别不想出差。酒店毕竟比不上家,被子薄;肚子饿了也找不到冰箱;水果也没有;超市也很远;吃饭动辄上百;真非我等草根可以承受得了的。

可惜工作不可能完全随心所欲,拿人钱财必须替人消灾,所以就产生了管理者和被管理者的阶层。同理回到媒体网关,作为一个接入网和传输网的设备,媒体网关也必须被软交换所控制。在当今的职场中,不向上反馈,也不向下沟通;不横向拉通,也不纵向联合,光闷头干活的人在大企业中是难以生存的。媒体网关也是一样,在软交换系统中,它也不能只是默默传输数据,被动地接收软交换的指令,它也需要向软交换机上报大量的反馈信息,才能让软交换机知道媒体网关做的贡献。

谈到软交换机对媒体网关的控制,自然需要了解这些控制协议的分类了。

媒体网关的控制协议,历史上也存在两派之争,以IETF为代表的Megaco–RFC3015和以ITU为代表的H.248 v1.0,本质上就是IT派和CT派之争。最终结果是两派对媒体网关的控制协议,除了在编码格式上未达成一致外(MEGACO采用文本方式,如图2-18所示,H.248采用ASN.1格式),其他内容基本达成一致,都基于TCP和UDP协议,由IP、ATM、SDH等多种承载方式承载,可用于TGW、AGW、RGW等各个类型的网关之上,支持多方会议和呼叫保持、呼叫转移等附加业务。典型的MEGACO / H.248呼叫流程如图2-19所示。图2-18 MGCP协议示意图图2-19 MEGACO / H.248呼叫流程

对这种编码格式的东东,我还是要谈一下,尽管ITU和IETF对编码格式有争议,而且最终在实际系统中采用的还是ASN.1编码格式,但是我依然觉得控制协议的文本编码可能更是主流趋势。

其实,从No.7信令发展到SIP协议,也是从二进制编码到文本编码的演进过程,在核心网系统里面,可以预见未来文本编码会越来越多地取代二进制编码。

而在无线系统里面,由于传统的CT设备习惯了ASN.1的编解码格式,导致2G、3G、4G在无线侧都是延续了二进制方式。

在未来,NGN的媒体网关如何演进到后面几代?2012年以前,可能还是云中探雾,摸不着方向。而随着SDN的大热,未来演进趋势越来越清晰。

所谓SDN众说纷纭,有人说它是软件定义网络(Software-defined Networking),有人说叫业务定义网络(Service Driven Network),还有人说叫用户定义网络(UserS Defined Network),到底叫什么,其实不重要,名字只是个马甲,关键的是SDN能够做什么,核心网的任何变革都是需求驱动的,有什么的需求决定什么样的网络架构。

而在SDN的思路中,对传输设备(路由器/交换机)做了革命性的重构,使得现在困扰媒体网关的灵活数据处理变成现实。本书后面会对SDN做专题论述,相信媒体网关演进到SDN后,会带来核心网数据面的大变革。

2.6 NGN中的普通话——SIP协议

在NGN系统中,协议有很多种,而本书不是专业的教科书,所以只讲最重要的协议:NGN中的会话初始协议SIP(Session Initiation Protocol)。

SIP是IETF制定的多媒体通信协议,最早是在IETF RFC 3261中定义,它是基于文本的应用层控制协议,用于建立、修改和终止多媒体会话。SIP协议往往需要很多的协议(RTP/RTCP、SDP、RTSP和DNS等)支撑才能支持多媒体业务,如图2-20所示。SIP不仅是NGN控制协议的核心,同时也是IMS系统的基础协议。图2-20 SIP协议族

我们在谈一个协议的时候,必须首先搞清楚这个协议能够干什么?

前面已经说过No.7信令,它的主要作用是会话的建立。那什么是会话?SIP会话和Session密不可分,在通信系统大部分都是面向连接的,Session实际上是维持一次通信的最小单元。从上面的描述中,我们抽取SIP最本质的东西是应用层和控制会话过程的协议。

2.6.1 时代的呼唤——SIP中的角色定义

在2013年北京之行归来后,短短的不足半月时间,发生了很多大事。华为发布了荣耀3;魅族发布了MX3;小米发布了MI3、小米TV;三星发布了Galaxy Note3和Galaxy Gear;微软收购了Nokia,Elop木马成功屠城;李开复博士得了淋巴癌(祝“教父”早日康复);苹果即将发布iPhone 5S,iPhone 5C;……

这是一个最好的时代,也是一个最坏的时代;我们都将直上天堂,我们都将直下地狱;我们每天都迎着阳光起床,伴着落日睡去,春去春来,秋来秋往。上帝是公平的,给了我们同样的时间、空气、水、阳光;上帝也是不公平的,他没有给我们同样的起点,没有给我们同样的智商,他把人分为三教九流,他把社会分成上、中、下等,他创造了男人和女人,也创造了富人,也创造了穷人……

每一个人心中都有一个梦想,期待有朝一日成功逆袭;每个高富帅背后都有一个不为人知的故事;童话里可以看到白富美为了一个心上人甘于天天萝卜、咸菜,现实中只能看到一个高富帅身边簇拥着无数的白富美。这就是现实,每个人在社会中都有自己的角色,不同的角色意味着身份的差别。

而SIP协议同样有角色的定义,一个完整的SIP系统如图2-21所示。SIP协议包括:用户代理(UA)、代理服务器、注册服务器、重定向服务器、B2BUA(Back-to-Back User Agent)。图2-21 SIP网络架构图(1)用户代理(UA:User Agent)

说到代理,辛劳的通信人应该不会陌生,代理是个什么东西?它是中原地产,它是21世纪地产,它是链家地产,它是我爱我家……

说到这里,大家应该彻底明白了,原来代理就是我们又爱又恨的人,它为我们干事,却又收着我们不愿给的钱。SIP的用户代理也是一样,它帮用户干活,自然也为向用户收费创造了机会。

我们常常接触的用户代理是什么样呢?就是前面谈到的SIP终端。典型的SIP终端(或者叫做SIP代理)可以分为三类:SIP软终端、SIP硬终端和SIP IAD(SIP AG接入网关)。

用户代理包括以下两个组件(如图2-22所示):

User Agent Client UAC(发起请求)

User Agent Server UAS(响应请求)图2-22 用户代理示意图(2)SIP代理服务器

在讲SIP代理服务器之前,我们先看看什么叫代理服务器。各位都是网虫,都知道痞子蔡和轻舞飞扬,都曾经看过《第一次的亲密接触》,当年在我刚踏网的时候,为了找这个小说,曾经用了无数个代理服务器,读研离开代理服务器显然是无法生活的,当时在导师公司上班,有幸我做的是网管,管理着全公司的代理服务器。还记得当时用的是微软的ISA Server,通过给每个用户开账户并进行权限管理,还记得当时的房子兄弟热爱BT,曾经弄得整个公司无法上网的故事,最后清查罪魁祸首的任务自然落到我头上,通过分析日志,我自然发现了其中的秘密,兄弟之情大过天,最后调查结果肯定是不了了之。经过此事之后,让我更加明白代理服务器的原理。

通俗地讲,代理服务器就是个中介的角色。理论上中介帮两方传递信息,它拥有最原始的信息,而且可以更改获取的信息再去发送,因此,有代理服务器的地方基本上是毫无隐私可言的。曾经我在分析ISA Server日志的时候,发现某些爱好者特别爱登录国外的教育网址,客观点来说,这些经历让我以后一直安分守己。

什么叫SIP代理服务器呢?其实代理服务器就是SIP网络中的中间实体。如图2-23所示,为了处理客户端的请求,它既承担了服务器的角色又承担客户端的角色,主要完成路由处理功能,保证将请求/响应消息发送到对应的实体。图2-23 代理服务器示意图

联系到无线接入网,Relay站点就可以看成是接入网系统中的代理角色,Relay站点一方面承担基站的角色,负责接收无线终端的信息,以及将基站的信息处理后发送到无线终端;另一方面承担无线终端的角色,接收基站的信息,以及将上行的信息发送到基站。

所以说网络系统都是相通的,不管有线网络,还是无线网络,变的是形,不变的是魂,把握本质,以不变之魂应对万变之躯,方能从容不迫,终能大成!(3)B2BUA

B2BUA,实质上是SIP UA和代理服务器的一种杂交产物,如同今天的转基因作物,可以让玉米成为水果玉米,也可以让辣椒变成甜椒,从本质上转基因的物品我们已经无法确定它的归属。

杂交的东西,一般来说是为了达到某种目的,回到B2BUA,它可以看作是SIP UA的一种应用,是一种特殊的SIP逻辑实体,它可以接受SIP请求并像UAS(UA Server)那样处理它们,同时它又可以向别的实体发送请求,此时它又相当于UAC(UA Client)的角色。正因为有这样的角色转换,因此B2BUA需要维持对话(Dialog)状态,并处理所有与它建立的会话中发送的请求消息。

一般来说,B2BUA不改变SIP协议的URI部分的From和To域,这样可以保证不影响业务透明传输。但是一般并不代表着一定,斯诺登告诉我们,既然是有代理的功能,则B2BUA还是具有棱镜门的能力。(4)注册服务器

注册服务器是SIP协议的核心网元之一,如图2-24所示,SIP终端需要注册,好比是员工上班需要打卡。普通员工上班不打卡,老板自然不给他发工资,SIP终端不注册,SIP网络自然认为该终端非法,不给享受网络服务。值得指出的是,注册服务器只对SIP终端用户身份进行认证,而不给除SIP UA以外的其他网元进行注册认证。图2-24 注册服务器示意图

说到这里,其实很好理解,我们在工作中经常可以看到这样一群人,公司的某些制度对其是无效的,比如某某创业公司,创始人是一帮朋友、同学、亲戚、父子、夫妻、兄妹……他们可以经常迟到早退,并且不用扣工资,而公司里的普通员工每天战战兢兢,唯恐迟到一分半秒罚半天工资;大企业也是一样,大部分的员工都需要严格遵守考勤制度,而一些高端人士,往往也是不用刷卡的。这就是生活的现实,同样也是网络系统的现实,因为信任某些网元(可信域中的网元),所以这些网元无须向注册服务器注册,而UA网元通常和网络不在一个可信的域中,所以网络需要注册机制保证UA的合法性。(5)重定向服务器

重定向服务器(Redirect Server),如图2-25所示,顾名思义是用来完成会话重定向的功能,通常使用的场景是主叫方向被叫方发起请求,网络侧通过重定向服务器将被叫方的新位置返回给主叫方,这样主叫方可以根据新的位置重新发起呼叫。图2-25 重定向服务器示意图

做IT开发的人,都应该对HTTP协议很了解,在HTTP中经常会使用HTTP重定向的功能,其原理和SIP重定向完全一样。

这里列出两个重定向的例子,一个是多域名网址的重定向,另一个是网页的重定向。

域名的重定向,我们以京东商城为例,京东之前的域名是www.360buy.com,现在的域名是www.jd.com,当用户访问360buy的时候如图2-26所示,跳页面将跳转到www.jd.com,如图2-27所示。图2-26 访问京东旧域名示意图图2-27 跳转到京东新域名示意图

注册了多个域名的网站,通过重定向可以让访问这些域名的用户自动跳转到主站点。

此外,在网站建设中,经常会遇到需要网页重定向的情况,比如网站调整(如改变网页目录结构);网页被移到一个新地址;网页扩展名改变(如应用需要把.php改成.Html或.shtml)等,在这种情况下如果不采用重定向,则在用户请求访问页面的时候只能得到401错误。

在维基百科中,比如在其中搜索“US”,搜索结果均被重定向到“美国”的页面,如图2-28所示。图2-28 页面重定向示意图

和重定向功能比较类似的有代理服务器转发,但是重定向与转发还是存在一些区别,转发是服务器行为,重定向是客户端行为。在转发时是1次请求,而重定向是2次请求;转发地址栏不会发生改变,而重定向地址栏会改变;转发在项目内,而重定向可以转到项目外。当使用转发时,由代理服务器进行请求的转移,客户端将不会知道这个过程;而在重定向,则客户端完全感知重定向的过程,且由客户端重新使用新地址发起请求。

小结:区别于代理服务器的是重定向服务器并不对呼叫进行终结;在通常情况下,转发行为比重定向行为速度更快。

2.6.2 SIP协议栈结构

SIP协议的主要功能包括建立会话、管理会话、用户能力协商和SDP协议、用户定位和定位服务器等功能。

SIP协议栈的结构如图2-29所示,分为四层。图2-29 SIP协议栈结构

其中,语法和编/解码层,顾名思义就是SIP协议栈中最基本的语法规则和编码格式。类比无线系统,相当于无线系统中的物理层。事务是SIP的基本元素,事务层可以认为是SIP系统的逻辑部分,一个事务是由客户机事务发送给服务器事务的请求,和从服务器事务发送给客户机事务的所有响应组成,事务层处理响应和请求的匹配。值得指出,“事务”是SIP协议中一个极为重要的概念。我们可以简单地认为事务是一种请求和应答的匹配集合,SIP协议是一种基于事务处理的协议。

事务用户可以看作是SIP协议的实例。我们在无线系统协议中,比如LTE的RRC协议,经常需要定义用户的实例,基站系统需要基于该实例维护大量的用户实例状态,根据实例状态以及系统定义的状态机来进行消息逻辑的处理,可以认为SIP协议的实例是一个用户的SIP状态信息的集合。

SIP协议的结构和LTE基站侧的协议栈结构(如图2-30所示)是比较类似的,eNodeB分别包含PHY(物理层L1)、MAC、RLC、PDCP、RRC和NAS(即应用层信令)。其中PHY可以是SIP协议栈的语法和编码层,而RRC层可以看作是事务层(RRC中的用户实例可以看作是事务用户),RLC+PDCP可以看作是SIP的传输层。图2-30 LTE控制面协议栈结构

2.6.3 SIP消息

(1)SIP消息分类

SIP消息采用文本方式编码,分为两类:请求消息和响应消息,如图2-31所示。请求消息是指用于客户端为了激活按特定操作而发给服务器的SIP消息。响应消息是指用于对请求消息进行响应,指示呼叫的成功或失败状态。图2-31 SIP消息分类(2)SIP消息基本结构

SIP消息由三部分组成,即消息行、消息头和消息体。

SIP消息的具体格式如下:

起始行=请求行/状态行(SIP请求消息起始行是请求行(Request-Line),响应消息起始行是状态行(Status-Line))。

请求消息头至少包括From、To、CSeq、Call-ID、Max-Forwards、Via六个头字段,它们是构建SIP消息基本单元。

消息体一般采用SDP(Session Description Protocol)协议,会话描述协议。

一般来说,消息格式是非常难记忆的东西,要把通信系统的消息语法规范讲解的让人兴趣盎然几乎是Impossible Mission。我也时常在思考,通信系统这么复杂,效率却如此低下,未来终极的通信系统会是什么样子?时至今日,我依然没有找到答案。

CT最早是靠信令去控制的,信令控制的特点是迅速、及时、有效;当我们看到一次呼叫接续,若干信令的交换可以在毫秒内完成,而一次OSS/BSS系统的配置,往往需要数小时才能见效,我们毅然选择做信令人,无怨无悔地去奉献我们的青春。

只是变革的脚步往往让我们措手不及,今天纯粹做信令的公司,生存的空间已经越来越小,也许SIP协议会是最后一个呼叫控制协议。在未来的通信系统中,是否还需要有呼叫控制?未来的电信业务是否还需要基于连接?也许,这些问题都是需要探讨的。

微信等OTT(Over The Top)业务的出现,已经大大地消弱了电信运营商的盈利能力,今天CMCC的财报已经下滑了超过10%,OTT毫无疑问已经是通信从业人员无法回避的话题,尽管电信智能管道已经喊了十多年,但是面对每天瞬息万变的App,网络的智能还是太慢太慢。智能的管道的提出,本意是希望电信运营商更好、更快地控制电信网络,以此期望用管道捆绑用户和OTT运营商,从而维系传统的收费模式,但是从现在智能管道的发展来看,无论流量的精细化运营,还是基于管道的增值业务,始终没有看到成功的先例。

通信类的业务,一直依赖于稳定的连接,似乎专有的管道、端到端的连接,才能保证稳定的业务质量。于是隧道协议广泛应用,VPN技术层出不穷,似乎专有、独享的资源才能保证用户的满意度……

通信系统早期的盈利模式,是基于对管道的占用情况收费的,对应用层业务平台的重视是不够的;之后多媒体技术的出现使得应用层融入到CT网络中;随着控制和业务的分离,应用层和CT开始独立演进;然后应用层逐渐脱离底层通信网络,并实现了网络层(及下层)的一些功能。

特别是应用层实现的面向连接,如TCP协议(应用层的面向连接协议)通过复杂的交互机制,可以在非物理连接的网络系统中维持应用层的连接关系;严格地说,从网络侧的角度来看,大部分应用层面向连接的通信,其实际的传输数据包依然是无连接。应用层为了维护所谓的连接,发明了心跳机制和握手机制,而万恶的心跳恰是当今无线网络空口和核心网信令面临风暴的罪魁祸首。

随着SDN的出现,Software Define Everything似乎成为大家关注的话题,软件定义的内容已经不再局限于应用层,SDN已经到了网络层,SDR(软件定义无线电)已经到了物理层,未来的通信系统将不会再有技术壁垒。

IT和CT原本在各自的伊甸园,井水不犯河水,然后有一天地壳运动后,就没有CT了。

而本节要谈的SIP协议,我一直觉得是IT侵蚀CT的一个序曲。我们知道传统的电信协议的标准化组织主要有3GPP、ITU和ETSI等,而最有影响力的莫过于3GPP,它们定义的协议共同点是非常晦涩难懂的,如No.1信令完全无法理解,No.7信令把人折磨得死去活来。而SIP协议的标准化组织众多,如图2-32所示;SIP最初是由互联网标准化组织Internet Engineering Task Force(IETF)制定的。在1999年,IETF推出SIP规范RFC 2543,并在2000年11月IETF成功搞定了3GPP,从此在电信标准中诞生了一个接近人类语言的会话协议——SIP 3GPP会话协议,简称SIP协议。(3)电信SIP协议和PSTN消息的对比图2-32 SIP标准组织

在七号信令中,典型的消息有IAM、ACM、ANM、RLS和RLC消息,分别和SIP协议中的如下消息对应。

IAM=INVITE

ACM=180 RINGING

ANM=200 OK

RLS=BYE

RLC=200 OK

SIP终端和普通PSTN电话之间呼叫接续过程如图2-33A和图2-33B所示,从图中更容易理解No.7信令和SIP消息的对应关系。

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