FreeSWITCH权威指南 -- 1.PSTN与VoIP基础（笔记）

VoIP（Voice Over IP）：承载于IP网上的语音通信。

PSTN（Public Switched Telephone Network）：公共交换电话网，就是我们日常打电话所使用的电话网络。

1.1 PSTN起源与发展

1.1.1 最早的电话网

第一次语音传输是贝尔在1876年用振铃电路实现的。

1.1.2 人工电话交换时代

交换机诞生，它位于整个电话网的中心，用于连接每个用户。用户打电话时，先连接到交换机，由接线员手动接通到对方线路。

1.1.3 自动电话交换时代

1）步进式自动电话交换机（史端乔交换机）：由用户话机的拨号脉冲直接控制交换机的动作，属于“直接控制”方式。

2）旋转式和升降式交换机：用记发器接收用户的拨号脉冲，然后将其通过译码器译成电码来控制接线器的动作，属于“间接控制”方式。

3）纵横制接线器：将使用滑动摩擦方式的触点改成压接触，减少磨损，提高交换机寿命；用导电性好的贵金属（如银）做金属触点，提高接触的可靠性；把控制部分和话路部分分开，控制部分（公共控制）由标志器和记发器完成，对用户拨号盘要求低，也提高了中继部署的灵活性。

1.1.4 半电子交换机时代

交换机的控制部分引入电子技术，话路部分仍采用机械触点。

1.1.5 空分交换机时代

交换机引入“存储程序控制”概念，使用程控交换机，话路部分保留了机械触点，以“空分”方式工作，也称空分交换机，交换的还是模拟信号。

1.1.6 数字交换机时代

脉冲编码调制（PCM）技术应用于传输系统中，它将“模拟”信号数字化，提高了通话质量、增加了传输距离、节约了线路成本。

1.1.7 PSTN时代

用于移动电话交换的通信网络称为移动网，程控交换网称为固定电话网（固网）。移动网在固网基础上增加了许多基站（Base Station）、归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）和拜访位置寄存器（Visitor Location Register，VLR），以记录用户的位置、支持异地漫游等。移动交换中心称为MSC（Mobile Switch Center）。

1.1.8 NGN及VoIP时代

NGN（Next Generation Network，下一代网络）是一种规范和部署网络的概念，采用分层、分布和开放业务接口的方式，为业务提供者和运营者提供一种能逐步演进的策略，实现一个具有快速生成、提供、部署和管理新业务的平台。

IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）技术是NGN的解决方案。

通信网络的演进，在无线方面从GSM/CDMA/UMTS等向LTE（无线通信标准）发展，在核心网方面从电路交换向IMS发展。

随着LTE网络的部署，运营商选择VoLTE（Voice Over LTE，LTE网络直传）、CSFB（Circuit Switched Fallback，电路交换网络支援）、SVLTE（Simultaneous Voice and LTE，LTE与语音网同步支持）、OTT（Over-The-Top）等方法之一解决LTE网络中的语音传输问题。

1.2 局间中继与电路复用技术

局间中继：连接交换机（局）的E1（32个64kbit/s复用，速率2.048Mbit/s）或T1（24个64kbit/s复用，速率1.544Mbit/s）电路。

传统交换机使用时分复用（TDM）技术将多路通话合并到一条数字中继线上，节省了局间中继线的数量。

随着话务量的增加，采用SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字传输体系）技术中的STM-1（Synchronous Transfer Module，同步传输模块），将63个E1合并到一个155Mbit/s速率的光路（光纤）上，还可以将155Mbit/s速率的光路使用波分复用等技术合并到1Gbit/s或10Gbit/s速率的光路上，实现话路收敛和传输。

1.3 我国电话网结构

我国电话网由本地网与长途网组成，通过国际交换中心进入国际电话网。原有电话网采用五级制，C1～C4构成长途电话网，C5（端局）及汇接局（Tm）构成本地网。

随着业务量增加，五级网络结构转接段数多造成了接续时延长、传输损耗大、网络管理工作复杂、不利于新业务的开展等问题。因此，由五级电话网向三级电话网转变，将C1、C2转变为DC1，C3、C4转变为DC2，来减少转接段数。

我国固定电话网结构：

NGN支持更灵活、更复杂的业务，包括IM/SMS/MMS等消息类业务、点对点交互式多媒体/文件共享/游戏等多方协作交互业务、内容分发业务、广播/多播业务、企业托管业务，以及数据检索、数据通信、在线应用、传感器网络、远程控制等各类多媒体业务和数据业务。

随着技术发展，光纤入户，全网IP化，在我国移动网络中，大量部署了IMS。

1.4 信令

信令（Signaling）：用户、中继线状态、主叫号码、被叫号码、中继路由的选择等通信信息。

1.4.1 信令分类

1）按功能划分：线路信令、路由信令、管理信令；

2）按工作区域划分：用户线信令、局间信令；

3）按信道划分：随路信令、公共信道信令。

1.4.2 用户线信令

用户线信令：从用户终端（通常是话机）到端局交换机之间传送的一些控制信息（如用户摘机、挂机、拨号、主叫号码显示等）。

普通话机通过电压变化来传递摘、挂机信号；通过DTMF（Dual Tone Multi Frequency，双音多频）传送被叫号码，通过移频键控（Frequency Shift-keying，FSK）技术来支持来电显示（Caller Line Identification Presentation，Caller ID或CLIP，主叫线路识别提示）。

ISDN（Integrated Service Digital Network，综合业务数字网）在用户线上传送数字信号。它的基本速率接口（Base Rate Interface，BRI）使用144kbit/s的2B+D信道（2个64kbit/s的B信道及1个16kbit/s的D信道），B信道用来传输话音、数据和图像，D信道用来传输信令、分组信息。

ISDN是为了解决用户线上的语音与数据同步传输问题，需要专门的NT1终端设备，后被ADSL技术取代。

ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）：是一种新的数据传输方式，它的上行和下行带宽不对称，称为非对称数字用户线路。它采用频分复用技术把普通的电话线分成电话、上行和下行三个相对独立信道，避免相互之间干扰。

1.4.3 局间信令

局间信令：交换机与交换机间传送的用于话路建立、释放等控制信号。

传统PSTN网络中常见的局间信令有ISDN PRI（Primary Rate Interface，基群速率接口）信令和七号信令（Signaling System No.7，SS7）。

七号信令主要在运营商设备上使用，运行商与用户设备（如PBX）一般使用PRI信令对接。

1.4.4 七号信令

七号信令局间呼叫流程：

IAM：Initial Address Message，初始地址消息；

ACM：Adress Complete Message，地址全消息；

ANC：Answer Charge，应答计费消息；

CLF：Clear Forward，前向释放消息；

CBK：Clear Backword，后向释放消息；

RLG：Release Gard，释放监护信号。

上面交换机A与B之间传递的为七号信令中的TUP（Telephone User Part，电话用户部分），后被ISUP（ISDN User Part，ISDN用户部分）取代。

ISUP与TUP互通信令流程：

IAI：IAM With Additional Information，带附加信息的IAM；

ANM：Answer Message，应答消息；

REL：Release，释放；

RLC：Release Complete，释放完成。

ISUP与ISDN互通信令流程：

1.4.5 H.323与SIP信令

H.323与SIP属于VoIP领域的通信信令，适用于用户线信令和局间信令，作为多媒体通信的应用层控制（信令）协议。

ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）制定了H.32x多媒体通信系列标准，使得在现有通信网络上进行视频会议成为可能。

H.320是在N-ISDN（Narrowband ISDN，窄带综合业务数字网）上进行多媒体通信的标准；H.321是在B-ISDN（Broadband ISDN，宽带综合业务数字网）上进行多媒体通信的标准；H.322是在LAN（Local Area Network，局域网）上进行多媒体通信的标准；H.323是在PBN（ Packet Based Networ，分组网络）上进行多媒体通信的标准；H.324是在GSTN（General Switched Telephone Network，通用交换电话网）和无线网络上进行多媒体通信的标准。

SIP（Session Initiation Protocol，会话发起协议）是由IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组）提出的IP电话信令协议。

SIP用于发起会话，能控制多参与者的多媒体会话的建立和终结，能动态调整和修改会话属性，如会话带宽要求、传输的媒体类型（语音、视频和数据等）、媒体的编解码格式、对组播和单播的支持等。

ISUP与SIP互通的信令流程：

1.5 媒体

在SIP通信中，除文字外，媒体都是在RTP（Real-time Transport Protocol，实时传输协议）中传输的。媒体一般都是持续传输的，称为RTP流。

1.6 电路交换与分组交换

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）。

分组交换采用存储转发的传输方式，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）逐个发送出去。

1.7 VoIP

VoIP呼叫控制协议主要有SIP、H.323、MGCP（媒体网关控制协议）与H.248/MEGACO（媒体网关控制协议）等。

1.8 IMS

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

1.8.1 IMS基本架构

IP多媒体的全套解决方案是由终端、GERAN（GSM EDGE Radio Access Network，GSM（Global System for Mobile communications，全球移动通信系统）/EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，强型数据速率GSM演进技术）无线通信网络）或UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）陆地无线接入网）、GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务）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。

1.8.2 IMS的特点

1）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；

2）支持Diameter协议，Diameter是IETF开发的协议，用于认证、授权和计费（Authen-tication、Authorization、Accouting，AAA）；

3）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；

4）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；

5）业务、控制、承载层完全分离；

6）增强计费功能，通过CCF（计费采集功能）可以支持更灵活的在线、离线计费；

7）增强多媒体业务，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

1）CSCF（Call Session Control Function）：呼叫会话控制功能

①代理CSCF（P-CSCF）：是IMS中与用户的第一个连接点，提供Proxy（代理）功能，也可提供UA（用户代理）功能；

②问询CSCF（I-CSCF）：类似IMS的关口节点，分配S-CSCF、路由查询及IMS域间拓扑隐藏；

③服务CSCF（S-CSCF）：在IMS核心网中处于核心控制地位，负责对UE的注册鉴权、会议控制以及用户数据管理等。

2）MGCF（Media Gateway Control Function）：媒体网关控制功能

①控制IMS-MGW中的媒体信道连接；

②与CSCF通信；

③根据路由号码，为从传统网络来的入局呼叫选择CSCF；

④执行ISUP协议和IMS呼叫控制协议间的转换。

3) IM-MGW（IP Multimedia-Media Gateway Function）：多媒体网关功能

①通过与MGCF交互来进行资源控制；

②拥有并维护回声消除器等资源；

③可能需要多媒体数字信号编、解码器。

4）MRF（Multimedia Resource Function）：多媒体资源功能

分为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）两部分。

MRFC的主要功能：

①控制MFP中的媒体流资源；

②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；

③产生计费记录。

MRFP的主要功能：

①控制Mb接口点的承载；

②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（Subscription Locator Function）：签约定位功能

①在会话建立期间，被I-CSCF查询，向I-CSCF提供存储用户具体数据的HSS的名字；

②通过Dx接口来接入IMS；

③在单一的HSS环境中，不需要SLF。

6）HSS（Home Subscriber Server）：归属用户服务器功能

HSS是一个数据库实体，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：·

①IMS用户标识（包括公有及私有标志）：号码地址信息；

②IMS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；

③IMS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；

④IMS用户的业务签约信息：包括其他AS增值业务数据。

7) BGCF（Breakout Gateway Control Function）：出口网关控制功能

①收到S-CSCF请求后，为呼叫选择一个适当的PSTN（或CS域）接口点；

②选择一个与PSGN（或CS域）相连的网络；

③如果本网络没有与PSTN相连，就把SIP信令转发给与PSTN（或CS域）相连的网络的BGCF；

④在与PSTN（或CS域）相连的网络中，选择一个MGCF，把SIP信令转发给MGCF；

⑤生成计费记录。

8）SGW（Singnalling Gateway Function）：信令网关功能

SGW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。

SGW不对应用层的消息进行解释，但必须对底层的SCCP（Signaling Connection Control Part，信令连接控制部分）或SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）消息进行解释来保证信令的正确路由。

9）AS（Application Server）：应用服务器

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AS来提供的。AS通过OSA（Open Service Architecture，开放服务架构）的方式引入了Internet上应用的开发模式，为IT应用与电信网的融合奠定了技术基础。

一般来说，AS包含以下三类功能与实体：

①SIP AS：基于SIP的应用服务器，负责提供IMS的具体服务；

②IM-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 Application Part，CAMEL应用部分）之间的接口，为IMS用户提供增值业务；

③OSA-SCS（Open Service Access-Service Capability Server）：SIP和OSA框架之间的接口。

1.8.4 IMS网络中使用SIP协议的主要参考点