【现代通信技术】第七章 IP网技术、软交换技术和IMS技术

一、 路由器中的路由选择

当数据包分组抵达路由器时，系统会基于数据包分组头部的目标地址信息以及该路由器自身的本地路由表信息来确定下一跳的目标路由器及其对应的出接口位置。如何在该过程中的实现细节是什么？

当路由器接收到一个IP数据包时（即发生了一个新的通信请求），它需要对该数据包进行处理以完成传输任务。如果该数据包的目的主机与当前处理单元位于同一个物理网络内，则可以通过基于ARP协议的方法获取其目标设备的MAC地址以及对应的物理地址信息（即目标设备所在的MAC帧地址），从而将原始数据包裹进相应的MAC帧并立即发送出去（即发送到同一网段内的下一跳设备），从而使目的主机能够顺利接收此数据流（这种方法被称为直接转发）。然而，在实际工作中若遇到目标设备不在当前网段的情况，则必须先查询路由表以获取下一个传输单元的信息（即下一跳节点），然后将此数据包裹起来传递给下一个相关传输介质（即发送到指定网段中的相应端口），最终实现对目标设备的数据收发功能（这种方法则被称为间接转发）。

生成IP包时需要包含目的主机的IP地址信息。考虑到主机数量极为庞大,如果按主机单独建立网络号列表,则会导致路由表过于庞大,不仅难以存储,而且查询效率低下,维护和更新工作量极大。因此,实际应用中通常会采用按目标网络号进行列表的方式。在网络入口处,当生成的IP包尚未抵达目的地时,只需明确目标网络号即可定位下一个转发节点;当IP包抵达目标网络时,路由器将能够采用直接转发机制进行处理,从而有效降低了整个系统的工作量。

路由器配置指南 本段将详细介绍如何根据所使用的具体路由算法配置路由器的本地路由表信息以实现对外部子网的正确访问与连接下面看，在实际配置中通常会设置两个接口以分别连接到不同区域：接口A负责连接到第一个区域（如Network 1），而接口B则负责连接到第二个区域（如Network 2）。在配置完成后路由器会根据预先设定好的目标子网信息自动生成相应的本地 routing table 即使在保持该网络拓扑结构不变的前提下如果改用不同的 routing algorithm 则会导致各节点生成各自的 routing table 这种变化将直接影响最终的最佳路径选择标准从而导致传输路径的不同结果

在路由表中，还有两种特殊的路由——默认路由和特定主机路由。

默认路由(default routing)

• 若无法在路由表中找到与目标地址相匹配的记录，则会将该数据包发送至该默认下一跳路由器上。这种做法不仅能够有效减少路由表规模，还能显著提升查找效率。
• 采用默认路由策略一方面能确保不会出现选路失败的情况，并且还能够将多个下一项记录合并设置为默认。

特定主机路由(host--specific routing)

通常情况下, 路由表中的表项是基于网络号来组织的, 但在某些特殊场景下, 为了实现管理维护等功能, 允许在路由表中使用主机地址作为表项, 给特定主机分配专门的路由通路以满足其需求.

下面，我们概括在路由器中进行路由选择的算法步骤。

二、 路由协议-RIP协议

路由器根据特定的路由协议在互联网环境中创建本地路由表，并决定了IP数据包的具体传输路径。具体来说，在实际网络中有哪些具体的路由协议以及它们是如何被应用的呢？

互联网覆盖了全球数十亿用户以及庞大的用户群体以及大量的交换设备。考虑到路由协议在设计时往往注重可实现性，并采用层次化和分布式架构来处理复杂的网络环境需求。然而由于各种关键节点的状态时刻都在变化着突增的压力可能导致短暂故障或网络拥塞现象这就会对相关路径造成一定的影响从而导致相关路径出现波动为了确保数据分组能够顺畅地转发就需要具备及时感知并快速响应的能力

在实践中, 我们将整个互联网划分为众多的小自治系统(Authority System, AS)。每个AS内部, 可以自主选择所采用的路由协议,与其他AS互不影响,从而极大地提高了灵活选择路由协议的能力和便利性;需要注意的是, AS的划分通常依据不同的政治、人文和社会地理等因素

路由协议可以分为两类：

内部网关协议(域内): 在同一个AS内使用的路由协议，在不与其它网络实体交互的情况下应用（例如RP、OSPF等）。
外部网关协议(域间): 在不同AS之间通信时使用的路由协议（例如BGP）。

下面让我们了解一种内部网络设备之间的通信机制——RIP（Routing Information Protocol） ，该协议是最常用、最普遍采用的一种内部网络设备之间的通信机制。

• 基于距离向量的路由算法被采用。
• 使用转发次数（即HOP值）作为计算费用的标准。
• RIP协议的最大网络直径可达15个HOPS。
• 每隔30秒发送一次完整的路由数据库。
• 好信息传递迅速而坏消息传递相对缓慢。（一旦发现一条较短的有效路径会被迅速知晓并更新本地数据；但若遇到某条路径故障导致目标不可达时，则该故障需经过较长的时间才会被发现并更新相关数据）

分布式路由选择策略中最基本的算法有两类：

距离向量算法： 如RIP

链路状态算法： 如OSPF

我们从距离向量算法的角度来解读一下RIP协议：

• 概念解析： 每个路由器通过发布自己的distance vector来维护对网络的信息状态。
• distance vector二元组 {NETWORK, COST}
  • NETWORK：目标网络号
  • COST：到达目标网络所需的代价
    • 代价衡量了从当前节点到目标网络的距离，在RIP协议中它表示路径上经过 router的数量（每经过一个 router,COST 增加1）
  • 当COST设置为 16时，则表示该连接不通（因为最大可达 hop计数为15）
• 路由数据库 中记录了各个 router掌握的距离 vector以及指向相邻 router的目标网络。
  • 采用 distance vector 协议的 router每隔一定时间会通过 route update消息发送一组 distance vector 给相邻 router。
  • 这些 distance vector 包含了当前 node所掌握的所有 routing信息，并与 node's routing database 中的内容相对应。
• distance vector更新流程
  • 将接收到的所有邻居提供的 distance information中的COST值与本地 current记录（通常为1）相加。
  • 将计算结果与本地现有的 routing information 进行逐项对比，并选择较小值作为新的基准。
  • 根据上述最小化后的 result 更新 local routing database。
  • 完成 database 更新后即可基于新 result 计算并生成新的 routing table information。

为了更好地理解 RIP 协议如何更新路由数据库，请看以下示例。其中 R1 和 R2 是两个相邻节点上的路由器，在 R1 的路由信息数据库中记录显示，在该路径上可以直接到达目的网络 N1 并进行转发操作，并给予该路径的成本值为 0；而与此同时，在 R2 的路由信息数据库中则记录显示其路径成本标记为 4。

然后,R1发送路由更新信息给所有相邻节点,其中包含的目的网络N1费用为零的信息;R2接收到该信息后,按照之前介绍的方法,更新自身本地的路由数据库.根据R1发送的距离信息,计算出前往目的网络N1经过下一跳路由器R1所需的费用仅为1元,这比数据库中原本记录的路径费用4元更低.因此,R2将数据库中对应的目的网络设置为N1,费用定为1元,并将其下一跳路由器标记为R1.随后,R2每隔一段时间就会发送一次距离向量信息以更新网络路径.

各路由协议在性能方面存在差异。尤其是 RIP 协议，在早期互联网规模较小的网络环境中表现更为突出。然而随着节点数量持续增长而导致 AS 域不断扩大时 RIP 协议的应用受到了限制 因此 而提出了 OSPF 协议

三、 路由协议-OSPF协议

该协议特别适用于节点数量较少且网络规模较小的情形。此外，在这种协议下，所有的路由器都会定期发送出距离向量信息，并因此产生较高的路由开销。当网络拓扑发生变化时（即当某条路由发生变更），这将直接影响算法更新收敛所需的时间较长。

针对上述问题，人们还提出了开放最短路径优先型动态路由协议OSPF (Open Shortest Path First)， 采用基于链路状态的路由协议并结合**Dijkstra算法（最短路径优先算法）**进行操作。即基于此方法计算网络中任意两个节点间的最短路径。

• OSPF允许多条等价通路到达同一目的地而不像RIP那样只保留一条到目标网络的信息。
• 当拓扑结构发生变化时路由器才会更新路由并发布链路状态而非仅仅在需要时才进行处理因此无需持续不断地发送这些信息。
• 此外OSPF没有设定节点或数据包传输的数量上限因此适合部署在大规模复杂网络中并且具备良好的扩展性。

在OSPF协议中，路由器将链路状态信息发布给其他路由器：

• 此路由器与多个网络及周边路由器相连接,所涉及的各链路费用是多少。
• 此路由器会发送到整个网络中去链路状态信息。
• 源端点标识符、目标端点标识符以及两者之间的线路费用。

该路由器中的本地路由数据库 记录着整个网络的拓扑结构图

• 信息库系统（即链路状态数据库）是整个网络中各节点之间相互连接所形成的网络架构图
• 各个路由器接收的LSP数据被用来描述和更新这一网络架构图
• 根据这一网络架构图利用Dijkstra算法能够推导出网络中任意两个节点之间的最短通路
• 路由器依据这一网络架构图计算出路由表的内容

OSPF协议的工作过程 可以概括为以下几个过程:

• 各路由器向网络中广播数据包序列（LSP） ；
• 路由器接收到其他路由器发布的链路状态数据后，在各自维护的结构化信息数据库中进行更新；在稳定运行一段时间后，在各个路由器内部统一形成了完整的网络拓扑模型；
• 各路由器基于获取到的网络拓扑信息独立地生成各自的最短路径树状结构 ；
• 在完成最短路径树计算后，在路由表中构建树状结构以实现动态路由配置。

LSP能够快速传播至整个网络，在链路状态协议的帮助下实现快速收敛。从而迅速构建起一个精确反映网络拓扑结构的视图。然而，在网络拓扑结构发生变化时（如节点或链路故障），LSP信息仅在必要时发送以避免不必要的通信开销。因此在这样的情况下传输速度也会相对加快一些。由于各个路由器都拥有完整的网络拓扑信息并进行数据转发管理以避免循环路由现象的发生进而保证了整个网络运行的安全性和稳定性。此外该协议还支持多种不同类型的网络参数及其动态更新从而提升了其扩展性和适应性使其适用于复杂的大型分布式网络环境

OSPF常用于大型网络环境。将整个网络划分为若干独立的地区，在每一地区内各路由节点会互相发送其本地拓扑信息以建立共同的知识库并维护一致的状态数据库进而决定路由选择策略以确保可靠的数据传输与流量管理然后由各地区的边界节点配置好的骨干通道进行互联从而实现跨地区的高效通信对于各地区间的流量管理则仅需交换简化的数据即可而无需复杂的详细路径信息最终使得这种架构能够支持大规模复杂的互联网需求

下面是RIP协议和OSPF协议的对比：

四、 软交换技术的概念

20世纪末，
电信业掀起了对下一代网络(NEXTGENERATION NETWORK)相关技术研究的热潮。
软交换技术将传统的交换设备拆分为呼叫控制与媒体处理两个独立模块，
并采用标准协议进行通信，
通过分组交换网络实现数据传输，
是NGN体系的重要支撑技术之一。

广义的NGN 是泛指不同于目前一代的技术创新网络，并采用了多种创新技术手段来支持语音、数据和多媒体业务融合发展的体系——采用这种观点指出无论未来如何发展都有后续的空间（即‘下一代之后永远还有下一代’）。狭义地说，在下一阶段内所指的是以软交换为核心的开放体系架构——这指的是当前阶段所定义的那一类网络（即‘当下定义为狭义’）。

NGN的特征 如下：

遵循开放架构原则遵循开放架构原则
通过标准化接口实现模块间的高效通信
以业务为导向的设计方案将业务逻辑独立于呼叫控制机制实现高效的资源分配
实现了对呼叫和承载过程的高度分离管理从而提升了系统的可扩展性
遵循统一通信协议构建数据传输框架遵循统一通信协议构建数据传输框架
采用IP数据链路协议作为基础传输层确保了信息传递的安全性和可靠性

涉及**软件交叉互操作性（SOXC）**的技术发展，在移动通信领域已取得显著进展。其中，SOXC分为广域和专用两种类型：广域SOXC涵盖基于SOXC的下一代网络架构；而专用SOXC则特指用于实现通信功能的专用交换设备；由此可知，广域意义上的SOXC即为专用SOXC在下一网络架构中的应用延伸。

那么，在软交换与电路交换的技术特点上存在显著差异吗？左图展示了基于电路交换的网络架构示意图，在该架构中接入点负责连接终端设备与网络节点之间的信息传输；而中继节点则起到信息转发的作用，并且此类设备主要应用于语音通信领域；其内置的呼叫控制功能也是围绕语音通话设计的；整个设备内部的信息处理形成了一个相对独立的信息处理系统；右图则呈现了软交换技术的工作流程示意图，在这一架构中各功能模块之间通过虚线进行联系，并且均具备标准接口；信令与数据传输采用分组数据传输的方式进行；这种架构下各功能模块之间实现了高度分离，并且这种设计使得新业务的开发与扩展变得更加便捷；值得注意的是软交换设备的核心功能仍集中在呼叫控制层面；而实现与其他终端或节点之间的通信则需借助媒体网关这一中间层设施；这使得整个架构呈现出一种完全开放的服务模式

传统电路交换网是一种垂直整合并采用封闭式的系统架构，在新业务开发过程中主要依赖于专用设备及配套软件实现功能配置设置与参数优化等任务。由于该系统结构导致开发成本高昂且耗时较长，在当前快速变化的市场环境下难以满足当前市场环境变化及用户需求的多样性。软交换系统则通过打破传统封闭式的架构，在网络管理层面实现了横向集成模式下的创新设计，并通过开放接口及通用通信协议构建起了一种更加灵活高效的网络运行机制。这种创新设计使得软交换网络能够形成开放分布式多厂商应用架构，在提升网络运行效率的同时也显著降低了运营成本水平

软交换的特点 如下：

• 硬件分散化配置使得业务控制与业务逻辑实现相对集中化，

• 整体网络建设成本较低同时升级较为便捷，

• 有助于加快新业务、新应用的开发、生成以及部署流程，

• 提升了网络资源利用率效率并减少了交换机中继互联带来的复杂性以及减少了业务网承载的成本。

• 软交换设备占地面积较小同时布局合理。

总结一下软交换的概念 ：

软交换作为现代通信技术和下一代分组网络的重要组成部分，在整个网络演进进程中扮演着关键角色。
不依赖传统的传输网络系统。
它负责处理呼叫控制与管理、资源分配协议运行协调以及路由选择与优化等关键功能。
不仅能够为用户提供现有的全部电路交换服务功能配置，并且具备向外部系统提供灵活扩展接口的能力。

下面，我们对软交换的体系接口进行了解。软交换系统自下而上地包含有接入层、核心传输层、控制层以及应用层四个主要组成部分。

• 接入层： 通过多种接入设备如信令网关、媒体网关及接入网关等方式与核心骨干网实现互联。

• 传输层： 负责构建连接并传输各信令与媒体流的核心传输通道，其核心传输介质采用IP分组网络技术。
• 控制层： 综合管理各项通信要素及数据流量，在其架构中软交换设备是不可或缺的关键组件。
• 业务层： 作为整体系统的重要组成部分，在业务层面整合优化各类基础资源以满足用户多样化的服务需求。

由此可见，在原有网络架构的基础上将原有的呼叫控制功能独立出来后形成了现在的控制层体系（即软交换）。原有网络中处理媒体及传送相关的功能则由核心传输层来负责执行；而接入/媒体层面则主要承担着提供各类接入方式的任务。值得注意的是由于软交换必须叠加在现有传统的通信网架构之上才能发挥其作用

下面这张图进行了详细的列举和说明，并清晰地阐述了软交换各模块的构成要素及其相互间的通信规范。可以看出这些模块具有众多种类其中任意两个模块之间都需要特定的通信协议进行交互。

该图表专门用于展示软交换设备的内部功能模块，并列举与其相关联的功能模块。可将其功能归纳为以下几点：

• 媒体网关适配功能: 支持媒体网关的功能配置及管理，并实现终端设备的直接接入；通过该服务可为相关业务系统提供相应的运行支持。

• 业务提供功能: 为电路交换系统和智能网提供完整的运行服务，并支持通过API接口实现对外部系统的数据交互。

• 网络管理和计费功能: 实现对网络运行状态及费用计算的各项管理职责。

• 地址解析/路由功能: 完成IP地址映射及路径转发等功能模块的配置及运行维护。

• 互通功能: 实现对外部实体及软交换设备间的交互连接，并通过信令转换实现各类通信数据信息的有效传输；通过协同工作完成各类复杂业务流程的操作。

• 业务交换功能(SSF功能): 根据指定指令完成特定业务参数的识别及与其他控制平面（SC）的数据交互；负责处理各类型呼叫状态信息并完成相关信令转换操作；根据系统需求动态调整各类呼叫处理策略; 在主控制平面(SCF)下接收并处理相关的IN类事件请求。

• 呼叫控制功能: 负责基础呼叫建立、维持和终止等全过程的关键操作步骤实施。

五、 IMS技术的概念

在通信技术发展的同时伴随着人们对日益增长的需求，在不同类型的网络之间实现深度融合与互通成为一种必然趋势。就从整个网络传输的角度来看，在全网实现IP化已成为行业内的共识；基于此背景之下学术界与产业界开始探索新的技术架构，在支持固定与移动两种类型间的深度融合下为广大用户提供多种多样化的综合业务服务，并实现了电信级的服务质量（QoS）保障；因此我们就提出了IP多媒体子系统

IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem, IMS） 代表了一项技术，在解决固定与移动网络融合的问题上具有重要作用，并且能够涵盖语音、数据以及多媒体等多种类型的服务。IMS不仅解决了融合过程中的挑战，并且还能够提供一系列标准化架构以支持多样化的业务需求，在整个 next-gen 网络体系中扮演着关键角色。

IMS的主要特点 可以概括如下：

不涉及接入。IMS借用了软交换技术理念，在网关节点实现网络间的互通连接，并支持包括固定接入、移动接入等多种接入方式。
基于统一协议的实现使得系统能够灵活地支持多媒体业务传输，并在现有!网络架构下实现了无缝式过渡。
在业务运行层面实现了独立于业务管理的自动化控制功能。
实现了归属服务的独立管控能力。
用户数据存储与交换过程中的动态资源分配实现了完全分离的功能划分。这不仅解决了移动用户号码携带问题还能够平滑地应对智能终端引发的各种业务触发事件。
整体架构层次性明确划分各功能模块间的职责边界。
通过集中管理策略实现对网络质量和性能的关键指标进行严格保障

软交换技术与IMS有着相同点以及不同点 ：

在作为下一代网络技术提出方面存在共同特点，在这一目标下均致力于构建一个基于分组划分层次且具有开放性的下一代网络架构。在这一架构中实现了控制与承载的分离。

不同点：
软交换技术的核心创新在于其分层架构设计。该技术充分利用了分组数据网传输能力，在传统电路交换设备的基础上实现了功能模块的有效分离。
软交换设备专注于执行基本呼叫控制及其相关属性管理。
在实际应用场景中，“软交换”系统对语音通信服务、IP接入服务以及与PSTN/VoIP网络间的互通连接给予了充分重视。
然而，在移动性管理和多媒体业务处理方面仍存在待优化的空间。
目前，“软交换”技术体系已较为完善，并在国内得到了广泛的实际应用。

IMS技术

• 基于承载分立的软交换技术和进一步实现呼叫控制平面与业务平面的分离,IMS重点构建了灵活的业务服务架构,专注于构建基于统一管理的信息服务网关,从而能够提供丰富的业务功能和支持多端异构通信需求.
• 该系统充分支持动态资源分配的需求,不依赖具体的接入策略.
• 目前现有的产品线已获得广泛认可,被认为是推动未来网络演进的关键技术基础.

IMS网络底层 采用基于IP协议的分组交换网络进行传输，可以分为三层。

IP接入网络层

• 发起和终结各类SIP会话:
• 实现IP分组承载与其他各种承载之间的转换根据业务部署和会话层的控制实现各种QoS策略；完成与PSTN/PLMN之间的互联互通;设备包括各类SIP终端、有线接入网关、无线接入网关、互联互通网关等。

IP多媒体核心网络层

• 全部基于IP，提供多媒体业务环境；
• 完成用户注册，完成基本会话的控制，与应用服务器交互执行应用业务中的会话、维护管理用户数据管理业务QoS策略等功能；
• IMS系统的大部分核心功能实体均处于本层。

业务网络层

• 提供多媒体业务的应用平台，可以向用户提供多种综合业务。

下面来介绍IMS的功能实体 ：

• P-CSCF(代理呼叫会话控制功能)： 是IMS用户的网络接入节点。所有SIP信令，无论来自UE还是发送给UE的都必须经过它。主要功能:
  • 将UE发来的注册请求消息转发给I-CSCF
  • 将从UE收到的S/户请求和响应转发给S-CSCF
  • 将SP请求和响应转发给UE
  • 发送计费相关信息，
  • 提供SIP信令的完整性和机密性保护
  • 和PDF交互，授权承载资源并进行QoS管理
• I-CSCF(查询呼叫会话控制功能)。 主要功能：
  • 为一个发起SP注册请求的用户分配一个S-CSCF
  • 将从其他网络来的S/户请求路由到S-CSCF；
  • 查询归属用户服务器HSS，获取为某个用户提供服务的S-CSCF地址；
  • 根据从HSS获取的S-CSCF地址将SP请求和响应转发到S-CSCF。
  • 生成计费记录。
  • 提供网间拓扑隐藏网关功能。
• S-CSCF(服务呼叫会话控制功能)： 是IM5的核心功能模块，位于归属网络，为UE进行会话控制和注册服务。在注册和呼叫过程中的主要功能:
  • 接收注册请求。
  • 实现用户与归属网络间的相互认证。
  • 处理消息流，包括：为已经注册的会话终端进行会话控制；作为代理服务器，处理或转发收到的请求，作为用户代理，中断或者独立发起SP事务；与服务平台交互来向用户提供服务；提供终端相关的服务信息。
  • 当代表主叫的终端时，寻找被叫所接入的I-CSCF并转发SIP请求或响应;当呼叫要路由到户STN或CS域时，把SIP请求或响应转发给对应网关，
  • 当代表被叫的终端时，如果用户在归属网络中，把S/户请求或响应转发给P-CSCF;如果用户在拜访网络中把SI请求或响应转发给I-CSCF。当呼叫要路由到PSTN或CS域时，把SP请求或响应转发给对应网关。
  • 发送计费消息。
• HSS(归属用户服务器)： 存储用户数据。主要功能：
  • 存储用户身份信息(用户标识、号码和地址)、用户安全信息(用户网络接入控制的鉴权和授权信息)、用户的位置信息和用户的签约业务信息。
  • 对移动性管理、呼叫和会话建立、鉴权、漫游接入授权、用户的多标识处理等功能提供支持。
• BGCF(出口网关控制功能)
• MGCF(媒体网关控制功能)
• PDF(策略决策功能)