网关设备H.248协议的实现

王金辉

(河北远东哈里斯通信有限公司，河北石家庄050200)

0 引言

基于IP网络的软交换技术正在逐步取代电路交换技术，成为公众交换电话网/公众陆地移动电话网(Public Switched Telephone Network/Public Land Mobile Network，PSTN/PLMN)的主流技术。软交换系统在运营商的核心控制网络已经得到大规模的部署，在其他行业(如电力系统、银行系统等)也逐渐开始应用。和基于电路交换技术的程控数字交换机相比，软交换系统由不同设备实现呼叫控制、终端接入等功能，各种设备之间使用标准的接口或协议，这样，软交换系统就提供了开放的功能及业务扩展能力。在此基础上，各种增值业务(如视频业务、统一通信业务等)也可以得到快速地发展。

1 软交换

软交换是下一代网络(Next Generation Network，NGN)的控制功能实体，为NGN具有实时性要求的业务提供呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心。简单地看，软交换是实现传统程控交换机的“呼叫控制”功能的实体，设计思想是:呼叫和承载分离、业务和呼叫分离。

软交换设备是多种逻辑功能实体的集合，提供综合业务的呼叫控制、连接以及部分业务功能，是软交换网络中语音/视频/数据业务呼叫、控制和业务提供的核心设备，也是目前电路交换网向分组网演进的主要设备之一。软交换各实体之间通过标准的协议进行连接和通信［1］。

软交换体系结构分4层:应用层、控制层、传输层和接入层。

应用层设备包括各种业务服务器，如计费服务器、应用服务器和网管服务器等，这些服务器控制软交换核心实现各种业务功能，如会议、统一通信和号码簿等。

控制层设备包括软交换设备，也称作媒体网关控制器(Media Gateway Controller，MGC)，是整个软交换系统的控制核心。

传输层指的是IP网络层，包括万维网及各行业自建的专用数据网等网络。

接入层设备包括:中继网关(Trunk Gateway，TG)、信令网关 (Signal Gateway，SG)、接入网关(Access Gateway，MG)和各种IP终端。

TG:位于NGN的边缘接入层，连接PSTN和NGN网络，实现IP包转时分复用模式(TDM)的功能［2］。

SG:用于完成与PSTN/PLMN电话交换机的信令连接，将电话交换机采用的基于TDM电路的7号信令信息转换为IP包。

AG:用于直接将普通电话用户接入到 NGN网络。

软交换系统的体系结构如图1所示。

2 H.248协议

由图1可知，媒体网关(Media Gateway，MG)在软交换体系结构中位于接入层。软交换设备通过媒体网关控制协议(Media Gateway Control Protocol，MEGACO)/H.248协议控制网关进行各种动作(如控制接入网关检测终端的摘机、挂机、拍叉簧、拨号和向终端发送各种信号音等;控制中继网关进行媒体流的转换等)。MEGACO是Internet工程任务组(Internet Engineering Task Force)制定的标准，H.248是国 际 电 信 联 盟标准化部门(International TelecommunicationUnion－Telecommunication Standardization)制定的标准。H.248和MECACO在协议文本上相同，只是在协议消息传输语法上有所区别，H.248采用 ASN.1语法格式(ITU －T X.680 1997)，MEGACO采用ABNF语法格式(RFC2234)。

Megaco/H.248通过一系列命令处理终端(Termination)、上下文(Context)、事件(Event)以及信号(Signal)等。

Add命令负责添加 Termination到 Context。Context中的第一个Termination上的Add命令可以用于创建一个 Context［3］。

Modify命令用于更改Termination的属性、事件和信号。

Subtract命令用于断开Context中的Termination连接，并返回加入 Context的关于 Termination的统计值。Context中最后一个Termination上的Subtract命令用以删除Context。

Move命令自动将Termination移动到其他context。

AuditValue命令用以返回 Termination的属性、事件、信号和统计值的当前状态。

AuditCapabilities命令返回媒体网关所支持的关于 Termination属性、事件及信号等的所有可能值。

Notify命令允许媒体网关通知媒体网关控制器关于媒体网关中发生的事件。

ServiceChange命令允许媒体网关通告媒体网关控制器一个或一组 Termination将退出服务或返回到服务。此外MG利用ServiceChange命令通告MGC(注册)它的可用性，并通告MGC它将或已重启。MGC可能通过向MG发送ServiceChange命令而通告 MG其移交过程。MGC还可能使用 ServiceChange命令通知MG将一个或一组Termination加入或退出服务。

Notify命令(MG通过该命令通知MGC关于MGC所关心的某事件已经发生)由 MG发送到达 MGC。ServiceChange命令可以由MG发送到MGC，也可以由MGC发送到MG。其余命令则是由MGC发送到MG。

3 网关

接入媒体网关用于为各类用户提供多种类型的业务接入［4］。中继媒体网关位于电路交换网和IP分组网络之间，用来终结大量的数字电路［5］。

接入网关、中继网关都由硬件、软件组成。接入网关的硬件负责检测终端的摘机、挂机、拍叉簧、拨号、向终端发送各种信号音、对媒体流进行格式转换。中继网关的功能除对DSS1消息进行适配外，也要对媒体流进行格式转换。所以接入网关、中继网关的功能及软硬件组成基本一致。

3.1 硬件结构

网关的硬件结构如图2所示。

图2 硬件结构

公共控制板:网关的核心硬件，由中央处理器、内存、硬盘和网卡等设备组成，运行软件系统，通过总线和其他外围板卡进行通信，接收板卡发送的数据、控制板卡的动作。为了提高网关设备的稳定性，公共控制板可冗余配置，使用热备份方式，一旦主用控制板出现故障，备用控制板可以马上接管服务。

模拟接入板:用于接入模拟终端。模拟接入板通过背板总线使用音频线和模拟终端连接，为模拟终端提供电压、检测终端的摘机、挂机事件，并可以检测终端所拨数字，以及向终端播放拨号音、忙音等各种信号音。

数字中继板:用于和PSTN通过E1进行互联，互联信令一般采用综合业务数字网(Integrated Services Digital Network，ISDN)信令或中国 7号信令(Signalling System No.7，SS7)。使用 ISDN 信令时，一般采用集群速率接口(Primary Rate Access，PRA)。使用SS7信令时，一般采用ISDN用户部分(ISDN User Part，ISUP)协议。

媒体处理板:用于将媒体流在脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)格式和实时传输协议(Real Time Transfer，RTP)格式之间进行转换。媒体处理板由嵌入式处理器、高性能数字信号处理(Digital Signal Processing，RTP)组成。嵌入式处理器完成和公共控制板的通信、对DSP的控制，DSP完成语音的编解码。

外网控制板:用于在公共控制板和外网机架之间建立通信通道。一般的通信设备是由多个机架或机框组成，便于用户端口需求的扩展。

网络交换板:用于媒体网关和软交换设备及其他IP网元(网关、终端)之间通信。媒体网关和软交换设备的控制协议必须承载在IP网络之上，而语音流的传输也必须依赖于IP网络。

3.2 软件结构

网关的软件结构如图3所示。

图3 软件结构

呼叫控制模块:网关的核心控制软件，运行于公共控制板上，处理模拟终端的各种事件(摘机、挂机和拨号)，并根据软交换设备的命令指示模拟接入板对终端播放各种信号音。对终端的事件处理后，将事件映射成H.248协议模块的内部消息，并发送到H.248协议模块。在呼叫建立过程中，根据终端所处的呼叫阶段，对收到的消息(接入模块、H.248协议模块)进行不同的处理。如果网关配置为冗余系统，则主、备呼叫控制模块之间定时发送心跳消息，一旦备用模收不到主用模块的响应，则立即迁移至主用状态。

H.248协议模块:网关的协议处理模块，由H.248协议栈部分、协议栈管理部分、网关管理部分组成、媒体控制部分。H.248协议栈部分负责对呼叫控制模块的消息进行编码，对软交换设备的消息进行解码。协议栈管理部分负责对协议栈进行初始化、配置和维护等管理工作。网关管理部分则完成资源的状态管理，包括:注册、心跳和双归属等功能。媒体控制部分完成根据软交换设备的命令申请媒体资源、变更媒体模式。

媒体资源管理模块:媒体处理板管理模块，包括资源分配、资源维护和资源统计等。媒体网关可配置多块媒体处理板，此模块根据预先配置的资源分配算法(负荷分担等)分配媒体端口，并控制DSP创建RTP、激活RTP和变更媒体流的模式。同时对通话过程中的丢包率、发送及接收的RTP个数等进行统计，并上报到软交换设备。软交换设备根据统计情况决定是否采用相应的处理措施，如当丢包率比较高时，表明网络状况可能不太好，此时应对呼叫进行限制。

网络管理模块:管理网关和软交换设备之间的通信通道、在网关和软交换设备之间收发协议数据。H.248协议模块启动后，通知网络管理模块建立用户数据包协议(User Datagram Protocol，UDP)监听端口。

以上各模块以任务形式存在，通过邮箱机制进行通信。

3.3 注册

网关启动时，必须向软交换设备进行注册，通知软交换设备网关上资源的状态。MG可以使用ServiceChange命令向MGC报告一个终结点或一组终结点将要退出服务或者刚刚返回服务［6］。

网关注册流程如图4所示。

①网关启动，网关管理部分判断是主用机架还是备用机架。如果是主用机架，则通知协议栈管理部分向软交换设备进行整体注册。

②协议栈管理部分调用协议栈进行Ser-viceChange消息的编码，ServiceChange中的TerminationId为Root，Method为 Restart。编码完成后，通过网络管理模块将注册消息发送到软交换设备;

③网络管理模块收到软交换设备的Reply消息后，发送到协议栈模块;

④协议栈管理部分调用协议栈进行消息解码，并通知网关管理部分。网关管理部分则通知相关模块注册已成功。

图4 注册流程

3.4 呼叫建立

呼叫流程如图5所示。

图5 呼叫流程

①模拟接入模块检测到终端摘机，上报到呼叫控制模块;

②呼叫控制模块建立呼叫包，并将摘机消息发送到协议模块;

③协议模块对摘机消息进行映射和编码，编码完成后发送到网络管理模块。网络管理模块将摘机消息发送到软交换设备;

④网络管理模块收到软交换下发Modify消息(指示网关向终端送拨号音，并检测拨号，消息中包括数字位图)后，将Modify消息发送到协议模块;

⑤协议模块对Modify消息进行解码，将消息映射成内部消息并发送到呼叫控制模块;

⑥呼叫控制模块向接入模块发送消息，指示接入模块向终端播放拨号音;

⑦接入模块收集号码后，上报到呼叫控制模块;

⑧呼叫控制模块按照数字位图进行号码比较，并将比较结果发送到协议模块;

⑨协议模块进行编码，映射成Notify消息，并通过网络管理模块上报到软交换;

⑩网络管理模块收到软交换下发Modify消息(指示网关向终端送回铃音)后，将Modify消息发送到协议模块;

⑪同步骤⑤;

⑫呼叫控制模块向接入模块发送消息，指示接入模块向终端播放回铃音;

⑬网络管理模块收到软交换下发Add消息(申请媒体资源)后，将Add消息发送到协议模块;

⑭协议模块向资源管理模块发送消息，申请媒体资源，并将结果上报到软交换;

⑮网络管理模块收到软交换下发Modify消息(指示网关向终端停送回铃音)后，将Modify消息发送到协议模块;

⑯同步骤⑤

⑰呼叫控制模块向接入模块发送消息，指示接入模块停止向终端播放回铃音;

⑱网络管理模块收到软交换下发Modify消息(将媒体模式修改为“收发”)后，将Modify消息发送到协议模块;

⑲协议模块向资源管理模块发送消息。

至此，通话建立。

4 结束语

基于以上分析，通过研究硬件和软件结构，参考软交换体系的组成原理，并对H.248协议进行深入分析，经过多次论证和试验，完成了H.248协议在媒体网关的实现。在实际应用中，通过大话务量测试(使用呼叫模拟器、测试仪表等工具)，并针对H.248协议进行具体细节地测试，验证了网关完全实现了设计思想。

［1］YD/T 1434－2006软交换设备总体技术要求［S］，2006.

［2］陈少军.软交换系统七号信令设计［J］.无线电通信术，2012，38(2):17 －19.

［3］YD 1292－2003－I.基于 H.248的媒体网关控制协议技术要求［S］，2003.

［4］YD/T 1243.2－2002媒体网关设备技术要求—综合接入媒体网关［S］，2002.

［5］YD1243.1－2002媒体网关设备技术要求——IP中继媒体网关［S］，2002.

［6］中国电信 H.248协议标准［S］，2003.