第一部分-基础篇-第一章：PSTN与VOIP（下篇）

序言

  学习资料来源《FreeSWITCH权威指南》-作者杜金房这本书。我是2022年6月毕业的，偶然的机会接触到FreeSWITCH，但是目前在南京从事java后端开发，FreeSWITCH纯属个人爱好，进行笔记整理。也一直希望有机会可以参与FreeSWITCH相关工作开发，如有需要，请联系我18956043585，先说声谢谢您了。文章内容如有疑问点，我必定洗耳恭听并虚心接受，请您多多指教。感谢你的时间阅读。

  今天是2023年5月28日，昨天周六加班了，比较忙，今天周日有时间，静下心来可以好好整理了。前两章内容比较枯燥无味，希望大家耐着性子过一遍吧。后面我会录制视频

  本笔记仅供个人学习和研究使用，任何商业行为或者从中获利行为均属于侵权行为。若有侵权请及时联系作者删除。

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第一部分-基础篇-第一章：PSTN与VOIP（上篇）

1.6 电路交换与分组交换

   在传统的电路交换中，两个通信节点间需要建立一个 专用通路；

   缺点：效率低下

  报文交换以报文作为数据交换的单位，携带目标地址、源地址等信息，在节点间采用存储转发的方式，不需要建立专门的通信线路，可以大大提高通信线路的利用率

• 分组交换是报文交换的特殊情形

1.6.1 电路交换

  传统的电话都是基于电路交换的。由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成）

• 电路交换的优点：

• 由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的 时延非常小。

• 通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。。

• 双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。

• 电路交换既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号。适配性强。

• 进电路交换的设备（交换机等）及控制均较 简单。

• 电路交换的缺点：

• 电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说较长。 建立时间长

• 建立电路交换连接后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他 用户使用，因而信道利用率低。 利用率低

• 在进行电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

1.6.2 分组交换

  我们熟悉的ip交换釆用的就是分组交换的方式。它仍釆用存储转发的传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去，因此分组交换除了具有报文交换的优点外，与报文交换相比其还有以下优缺点；

• 分组交换的优点：

• 加快了数据在网络中的传输速度。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操 作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的几率及等待的时间也必然少得多。 具有缓冲减缓的作用

• 简化了存储管理。因为分组的长度固定，故相应的缓冲区的大小也固定，在交换节点 中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。 简化为对缓冲区的管理

• 减少了出错几率和重发数据量。因为分组较短，其出错几率必然减少，每次重发的数 据量也就大大减少，这样不仅 提高了可靠性，也减少了传输时延。

• 由于分组短小， 更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。

• 分组交换的缺点：

• 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其节点交换机必须具有更强的处理能力。 对交换机要求高

• 分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传 送的信息量增大5% ~ 10%,这在一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间， 使控制复杂、时延增加。 信息量增大

• 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的节点 时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问 题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。 建立过程更加复杂

  总之，若要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则釆用电路交换较为合适；当端到端的通路有很多段的链路组成时，釆用分组交换传送数据较为合适。从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合计算机之间的突发式的数据通信。

• 传输数据量大----》电路交换
• 端到端中间很复杂----》分组交换
• 互联网时代----》分组交换成为必然

1.7 VoIP

  维基百科上是这样说的： IP电话（Voice over Internet Protocol, VblP,又称宽带电话或网络电话）是一种透过互联网或其他使用IP技术的网络来实现的新型电话通信。

  过去IP电话主要用在大型公司的内联网内，技术人员可以复用同一个网络提供数据及语音服务，除了简化管理，更可提高生产力。随着互联网日渐普及，以及跨境通信数量大幅飙升，IP电话亦被应用在长途电话业务上。由于世界各主要大城市的通信公司竞争日益剧烈，以及各国电信相关法令松绑，IP电话也开始应用于固网通信，因其具有的低通话成本、低建设成本、易扩充性及日渐优良化的通话质量等主要特点，被目前国际电信企业看成是传统电信业务的有力竞争者。更详细的内容参见维基百科上的“IP电话”

  目前，VoIP呼叫控制协议主要有SIP、H.323、MGCP与H.248/MEGACO等。

1.8 IMS

   IMS涉及的概念和名词术语相当多，本节将简单加以介绍，对此感兴趣的读者参考， 也可以根据这里提到的关键词到网上搜索或查找相关书籍进行更深入的学习。其他读者可跳过本节。

1.8.1 什么是IMS

   IMS的全称是IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem）,它是一个基于IP网提供 语音及多媒体业务的网络体系架构。

   作为其 GSM之后的未来移动网络远景目标的一部分。IMS的最初的版本（3GPP R5 ）主要是给出了一种基于GPRS来实现IP多媒体业务的方法。在这个版本的基础上，3GPP、3GPP2以及 TISPAN进行了进一步的更新，以支持GPRS之外的（诸如WLAN, CDMA2000和固定等） 其他接入网络。从目前来看，IMS是独立于接入网技术的，尽管它与底层传输功能有着很多联系。

   从另外一个角度看，IMS实际上是IP网上的一个应用系统。IP网的相关技术标准主要由IETF制定，包括应用层（如Email （POP3、SMTP）、文件传输（FTP）、网页浏览（HTTP） 等）的相关协议标准。IETF负责制定了与实时应用（Real-time Applications）相关的协议标 准，包括SIP、RTP等。IMS使用的基本都是IETF相关的协议标准（SIP、Diameter等）， 不同的是，ISM在其基础上又进行了详细的操作性描述和增强，以便提供一种完整的、健壮 的多媒体系统。这些操作性描述和增强为运营商控制、分责任、计费和安全提供了支持。
   IP多媒体的全套解决方案是由终端、GERAN （ GSM EDGE Radio Access Network, GSM/ EDGE 无线通信网络）或 UTRAN （ UMTS Terrestrial Radio Access Network, UMTS 陆地无线接入网）、GPRS核心网和IP多媒体核心网子系统的一些特殊的功能单元来支持的。这些 功能单元包括呼叫会话控制功能（CSCF）、媒体网关控制功能（MGCF）、IP多媒体网关功能 （IM-MGW）、多媒体资源功能控制器（MRFC）、多媒体资源功能处理器（MRFP）、签约定位功 能（SLF）,出口网关控制功能（BGCF）、应用服务器（AS）、信令网关功能（SGW）等。

   IMS网元众多，其核心网络基本架构如图

1.8.2 IMS的特点

IMS具有以下特点：

• 采用 SIP作为呼叫控制协议。基于SIP协议实现了呼叫控制和业务控制的分离，并增强了多媒体支持能力。
• 支持Diameter协议。Diameter是IETF开发的协议，用于认证、授权和计费（Authentication , Authorization、Accouting, AAA）
• 采用归属控制方式。对于移动用户而言，通过归属控制，即使用户漫游到外地，也可以享受到与归属地同样的服务。
• 口采用接入无关性。提供优越的融合特性，核心功能与具体接入技术无关。
• 业务、控制、承载层 完全分离。IMS进一步发扬了 NGN软交换结构中业务与控制分离、控制与承载分离的思想，与软交换相比其进行了更充分的网络解耦，网络结构更加清晰合理，同时不同类型网络的解耦也为网络在不同层次上的重新聚合创造了条件。这种重新聚合，就是网络新的融合的过程。
• 增强计费功能。通过CCF （计费釆集功能），可以支持更灵活的在线、离线计费。
• 增强多媒体业务。在增强多媒体业务这方面，主要体现在Presence （呈现）、Messaging （短消息）、Conferencing （会议）、PoC （ Push-to-talk over Cellular,基于移动网络、采用 VoIP 技术的集群对讲业务）、MBMS : Multimedia Broadcast Multicast Service （多媒体 广播多播服务）等几个方面。

1.8.3 IMS核心网元

   IP多媒体子系统像CS域（Circut Switched Domain,用于向用户提供电路型业务连接）、 PS域（Packet Switched Domain,用于向用户提供分组型业务的连接）子系统一样，可以完成呼叫的发起、保持、释放等功能。另外，它还要对多媒体进行转换控制以及对多媒体业务提供支持，所以包含更多的功能实体来分别完成不同的功能。

（1 ） CSCF

CSCF （ Call Session Control Function, 呼叫会话控制功能）根据在网络中所处的位置的不同，承担的作用也不一样，它可以分为如下三种类型：

• 代理CSCF（P-CSCF）：它是IMS中与用户的第一个连接点，提供Proxy（代理）功能， 即接受业务请求并转发它们。P-CSCF在某些情况下也可以提供UA（用户代理）功能。
• 问询CSCF（I-CSCF）：类似IMS的关口节点，分配S-CSCF,路由査询以及IMS域 间拓扑隐藏。
• 服务CSCF （S-CSCF）：它在IMS核心网中处理核心控制地位，负责对UE的注册鉴 权、会议控制以及用户数据管理等。

（2 ） MGCF

MGCF （Media Gateway Control Function, 媒体网关控制功能）一般用于以下场景：

• 控制IMS-MGW中的媒体信道的连接。
• 与CSCF通信。
• 根据路由号码，为从传统网络来的入局呼叫选择CSCF。
• 执行ISUP协议和IMS呼叫控制协议间的转换。

（3 ） IM-MGW

   一个 IM-MGW （IP Multimedia-Media Gateway Function, 多媒体网关功能）可以 终止来自电路交换网的承载信道和来自分组网的媒体流（如IP网中的RTP流）。IM-MGW可以支 持媒体转换、承载控制和负荷处理（例如，多媒体信号编解码器、回声消除器、会议桥等）。 它包含如下功能：

• 通过与MGCF交互来进行资源控制。
• 拥有并维护回声消除器等资源。
• 可能需要多媒体数字信号编、解码器。

   IMS-MGW要提供必要的资源来支持UMTS/GSM媒体传输，还需要对H.248协议进行 进一步的调整来支持额外的多媒体数字编、解码器等。

###（4） MRF
MRF （ Multimedia Resource Function, 多媒体资源功能）分成两部分，包括MRFC （Multimedia Resource Function Controller,多媒体资源功能控制器）和 MRFP （ Multimedia Resource Function Processor,多媒体资源功能处理器）。

• MRFC的主要功能：控制MFP中的媒体流资源；翻译来自AS和S-CSCF的信息（会 话标志符等），并相应地对MRFP进行控制；产生计费记录。
• MRFP的主要功能：控制Mb接口点的承载；提供MRFC需要的资源，混合输入媒体 流（如用于多方会议），发出多媒体流（如用于多媒体广播），处理多媒体流（如语音 编码转换、媒体分析）等。

（5 ） SLF

   在会话建立期间，被I-CSCF査询，SLF （Subscription Locator Function, 签约定位功能）
向I-CSCF提供存储用户具体数据的HSS的名字；通过Dx接口来接入IMS。在单一的HSS 环境中，并不需要SLF。

（6 ） HSS

   HSS （ Home Subscriber Server, 归属用户服务器功能）是一个数据库实体，它用于在归 属网络中保存用户的签约信息，包括基本标志、路由信息及业务签约信息等。HSS中保存 的主要信息包括：

• IMS用户标识（包括公有及私有标志）：号码地址信息。
• IMS用户安全上下文：用户网络接入认证密钥信息、漫游限制信息等。
• IMS用户的路由信息：HSS支持用户注册，并且存储用户的位置信息。
• IMS用户的业务签约信息：包括其他AS增值业务数据。

（7） BGCF

   BGCF （ Breakout Gateway Control Function, 出口网关控制功能）用于选择与 PSTN （或 CS域）接口点相连的网络。如果BGCF发现自己所在的网络与接口点相连，那么BGCF就 选择一个MGCF,该MGCF负责与PSTN （或CS域）的交互。如果接口点在另一个网络， 那么BGCF就把会话信令转发给另一个网络的BGCFO BGCF在选择与PSTN相连的网络的 时候，会利用收到的其他协议的信息和管理信息。BGCF的主要功能如下：

• 收到S-CSCF请求后，为呼叫选择一个适当的PSTN （或CS域）接口点。
• 选择一个与PSGN （或CS域）相连的网络。如果本网络没有与PSTN相连，那么 BGCF就把SIP信令转发给与PSTN （或CS域）相连的网络的BGCF。
• 在与PSTN （或CS域）相连的网络中，选择一个MGCF,并把SIP信令转发给MGCF。
• 生成计费记录。

（8） SGW

  SGW （ Singnailing Gateway Function, 信令网关功能）完成传输层的信令转换，在基于 SS7的信令与基于IP的信令之间转换（也就是在Sigtran SCTP/IP和SS7 MTP之间进行转 换）。SGW不对应用层的消息进行解释，但必须对底层的SCCP或SCTP消息进行解释来保 证信令的正确路由。

（9） AS

  在IMS系统中，实现了业务与控制的完全分离，所有的具体业务都是通过应用服务器 （Application Server, AS）来提供的。应用服务器通过一种称为开放服务架构（Open Service Architecture, OSA）的方式引入了 Internet Jb应用的开发模式，为IT应用与电信网的融合 奠定了技术基础。AS与CSCF之间使用SIP协议通信。对于不同的服务，AS可以选择不同 的SIP模式，如SIP代理模式、SIP用户代理（UA - User agent）模式和SIP B2BUA模式。 AS可以设置在IMS本网内，也可以设置在外部的第三方网络中。如果位于本网，它还可以 利用Sh或Si接口査询HSSO
一般来说，AS包含以下三类功能与实体：

• SIP AS （ Application Server）:基于SIP的应用服务器，负责提供IMS的具体服务。
  SIP AS和S-CSCF之间直接利用SIP及其扩展的呼叫信令协议，因此不需要进行呼叫 信令协议之间的转换工作。另外由于基于SIP可以非常方便地实现语音、数据以及视 频等多媒体类的会话，因此SIP AS可以高效率地提供各种新型的融合业务。
• IM-SSF （IP Multimedia Service Switching Function）: IP 多媒体交换功能实体，它作 为SIP和智能网的CAP （CAMEL 0 Application Part, CAMEL应用部分）之间的接口， 为IMS用户提供增值业务。可以位于用户归属网，也可以由第三方提供，主要用于 处理IMS发来的SIP会话、发起SIP请求、发送计费信息给CCF和OCS。
• OSA-SCS （ Open Service Access-Service Capability Server）: SIP 和 OSA 框架之间的 接口。SCS实际上是负责API具体实现的功能实体，它与核心网络元素（如HLR、 MSC、SSP等）进行交互。这样，一个SCS服务程序就相当于一个进入核心网络的 一个代理或一个网关。

1.8.4 SIP协议的参考点