漫談IP新世代電信服務(1)新世代電信網路標準—NGN/NGI/IPv6
傳統電信網路與網際網路,都在往下一代技術發展,網際網路走向NGI、電信網路則朝NGN前進,而IPv6則將是未來承載網路應用服務的第三層應用協定。
很多人都聽過下一代網路(Next Generation Networks,簡稱NGN),但不一定明白它的內涵,NGN最早源起於美國副總統高爾於1993年提出的全球資訊基礎建設(GII;Global Information Infrastructure)概念,當年9月,美國柯林頓政府發佈一份長達30頁的國家資訊基礎建設藍皮書,全球隨即掀起國家資訊基礎建設熱潮,包括新加坡的「IT2000計畫」、日本的「資訊新政」、菲律賓的「2000年國家資訊計劃」,歐洲各國聯盟合組「資訊基礎環境委員會」,而臺灣則由行政院成立跨部會的「國家資訊基礎建設計劃專案推動小組」,各國對資訊基礎建設發展的願景都可謂是NGN概念的濫觴。
NGN其實是個相當鬆散的概念,因為不同的領域對下一代網路有不同的看法,所以尚沒有公認的、明確的定義,到目前為止,NGN的規格都還在發展之中,還沒有一個標準化組織完成對NGN的嚴格定義和規範。
從NGN到NGI
新世代網際網路(NGI,Next Generation Internet)和NGN則是完全不同的理念。傳統電信網路與網際網路,都在往下一代技術發展,網際網路走向NGI、電信網路則朝NGN前進,NGI的理想是在Internet上發展適合承載電信服務的傳輸能力,而NGN則是在原有電信網路上引進IP交換技術。
參與NGI實驗的基本上是非盈利性組織,而NGN的參與者幾乎都是電信營運商,相較NGN,NGI尚無強勢的組織進行嚴格的定義。有人如此闡釋NGI:更快、更大、更安全、更及時、更方便的網際網路。
對於NGN網路,國際電信聯盟則有基本的概念定義:多業務、寬頻化、分封化、開放性、移動性、普及性、相容性、安全性、可管理的電信網路。
由於NGN及NGI皆為以IP技術為核心的網路,也因此許多學者建議將兩者的概念整合,把NGN所提出的「電信網路整合IP服務」的概念,進一步訴求到NGI的概念:「電信服務直接導入Internet」。
下一代網路的重要目標:IP匯流、四網合一
而不論是從網際網路出發的NGI或是由電信網路發起的NGN,都屬於下一代的網路,但是,我們不禁要問,在「這一代」網路基礎上要有多大的突破性或革命性進步,才能稱為「下一代」網路?
NGN是個廣義的概念,泛指一個不同於目前這一代、以數據為中心的融合電信服務網路,是可提供語音、數據和多媒體等各種服務的綜合開放性網路架構,大多數專家都同意它透過IP技術來實現是較佳的選擇。
而目前NGN的網路構建方式還在變革,但重要的發展目標是將應用服務和傳輸技術分離,以達成所有應用服務都可以不受限制地運作在任何傳輸技術之上,換言之,下一代網路是服務導向的網路:服務與呼叫控制分離,呼叫與承載分離,分離的目的是讓服務能夠真正獨立於網路之上,靈活有效的實現應用的提供。
傳統電信網路的服務型態與網路規格結合地相當緊密,例如電話線路的設計是提供語音服務、有線電視線路的設計是提供電視節目,各自以不同的技術提供不同的服務,無法相互融合。
下一代網路的用戶可以自行配置和定義自己的服務特徵,不必關心承載服務務的網路型式以及終端類型,這使得服務和應用的提供有較大的靈活性。
換個角度來說,現有的資訊網路,無論是電信網路、電腦網路和有線電視網路,其中任何一種網路都無法成為獨一的基礎平臺,進而發展與其特性相異的服務,但近幾年隨著IP技術的發展,才使人們真正認識到電信網路(包括有線和無線)、電腦網路及有線電視網路都將藉由先進的IP技術整合成統一的網路,即人們通常所說的「三網整合」大趨勢,或是再加上行動通信網路構成所謂的「四網合一」,IP協議使得各種以IP為基礎的業務都能在不同的網路上實現互通,人類首次具有了統一的為四大網路都能接受的IP通信協議,為下一代網路的可行性奠定了最堅實的基礎。
未來IP應用將由IPv6承載
為達成此一目的,引進新的第三層(Layer3)通訊協定是重要關鍵,目前最被廣泛使用的是IPv4協議,也就是人們常說的TCP/IP協議,是大多數企業和Internet的唯一選擇,發展至今已經有近20年的歷史。
但隨著Internet規模不斷擴大,IPv4已曝暴出嚴重危機─IP位址資源的短缺。IPv4可提供的IP地址約為43億(232)個,由美國掌握絕對的控制權,資源分配極為不公。如美國部分大學所擁有的幾個A級(Class A)IP地址總數,就比整個臺灣所有的IP位址還要多,甚至於一個實驗室擁有的幾個B級(Class B)IP地址,數量也比一家本地的ISP更具規模。
有預測顯示,以目前Internet發展的速度來計算,保守保計未來5~10年間,所有的IPv4地址將用罄,儘管目前已採取某些措施來保護IPv4位址資源的合理利用,如非傳統網路區域路由和網路位址翻譯,但都不能解決根本的問題,也因此,IETF從1995年就開始著手研究開發下一代IP協議,包括IPv5、IPv6、IPv9、IPv10等提案,其中的IPv6即備受關注,成為下一代的IP協定。
縮寫為「Internet Protocol Version 6」的IPv6,具有長達128位元的位址空間,按目前全球人口總數計算,IPv6理論上可讓地球上的每個人將擁有上千個IP地址,可以徹底解決IPv4位址不足的問題。
2的128次方(2128)到底有多大?根據學者Christian Huitema對於位址分配有效性的研究,地球表面積總共有5.1億平方千米,採用IPv6在最佳的情況下,每平方公尺可以分配到391萬兆個位址,最差的情況每平方公尺也有約1,564個位址。
此外,IPv6還採用了分級位址模式、傳輸速度、服務品質(QoS)、主機位址自動配置、認證和加密等、廣播(Broadcast)與群播(Anycast)等許多技術。
有人說:「IPv4是把電腦與電腦連接起來,IPv6則是把地球上的每個人與每臺設備都連接起來了!」。目前無論是NGN、NGI甚至於3G,都宣佈IPv6將是未來承載網路應用服務的唯一第三層應用協定,就可以知道它的重要性。
SIP協定終將整合多種網路
下一代網路應該是比今天更好的網路,它將具有更高速率,支援更多的服務,以更多元的方式展現多種應用、支援多種服務水準的QoS,運行/維護/管理也更簡單、經濟。NGN的網路技術與業務,將有多種多樣的接入和核心網服務於社會;它不止是Internet、行動、IPv6、光或無線,而是所有這些技術與服務的總和。
而下一代網路中的所有傳統電信服務都會移轉至以IP為基礎的整合電信網路上,要完成一通電話呼叫、一次視訊會議、發一封傳真、傳一則短訊,都需要有呼叫控制協定這類上層的應用層協定的輔助,而由IETF所制定的SIP(Session Initiation Protocol)協定,相較於其他類似的對手如H.323、MGCP等,亦擁有極大的技術優勢,在下一代網路上,無論是NGN、NGI還是3G,都宣佈將以SIP為基礎的協定來提供語音、視訊會議、傳真、短訊等傳統電信服務,SIP協定有多麼重要,下一回合將有詳細的剖析。
漫談IP新世代電信服務(2)下一代電信網路應用─由SIP整合的多網服務
透過SIP協定,無論是網際網路或是傳統電信網路,都可以將不同的聯絡方式整合成單一號碼。
早上8點整,小陳在手機悠揚的樂聲中醒來,這是4G電信公司提供的Morning Call服務。4G電信公司是臺灣首家提供Mobile Internet服務的二類電信業者,使用IP技術提供電信暨加值服務。
以小陳所使用的4G服務搭配多網連結手機為例,除了可自訂來電者的鈴聲,撥出電話時,還可針對不同收話者傳送特定的發話鈴聲,或是接電話時,選擇接受對方所指定的來電鈴。至於傳統手機就能提供的來電答鈴功能,自然也不會遺漏,小陳可輕易的更改來電者的鈴聲,還能依時段修改,而這一系列服務都是透過SIP協定完成。更重要的是,所有的服務都在小陳的智慧型手機即可完成,不需要電信業者的介入,自然也不會有服務費用的問題。
行動、家用、企業、SIP 4網合1
顧名思義,智慧型多網手機至少整合了行動電話、家用無線電話、企業無線分機、SIP網路電話4種網路,拿著多網手機,回到家會自動搜尋可用的Wi-Fi 網路,透過涵蓋範圍內的無線熱點(Hot Spot)註冊到家用電話閘道器(IAD)後,即搖身變為家用無線電話,任何人撥打家裡的市話號碼,都能連結至這支多網手機。
[size=-2]無論身處何種電信或網路服務,多網手機都可隨時連線以獲得服務。
在戶外3G或4G電信業者的訊號範圍內時,多網手機又提供行動電話功能(先前在家中也可以一直持續扮演行動電話角色),稍晚這支手機被帶入提供Wi-Fi服務的捷運站,它又自動註冊到網路電話服務提供廠商(ITSP)的伺服器(Proxy Server)上,這種網路電話服務未來也有可能提供如日本050 或臺灣070 的電話號碼,並與現有的公眾電話(PSTN)號碼互通。
小陳帶著多網手機進公司後,又自動地透過內部Wi-Fi 網路註冊到軟交換機(SoftSwitch)上,此時它形同企業無線分機,任何人打公司的分機,小陳都能接聽。
一組電話號碼多網漫遊
多網手機對不想漏接任何電話的小陳而言,是很有賣點的通訊新產品,除了提供VoIP,多網手機還具有號碼一致性的優點,只要預先進行設定,小陳在家裡也能接聽客戶打至公司分機的電話,甚至家中的市話、個人行動電話、公司的分機等眾多需要記憶的號碼,都能整合為單一的智慧型虛擬號碼,透過自動轉接的方式,小陳可依所想扮演的某一號碼角色撥號,也能選擇是否要依所處的環境接受來電。
[size=-2]無論是透過網際網路或是傳統電信網路,藉由SIP協定可以讓不同聯絡方式整合成單一號碼。
對小陳的朋友、客戶而言,只要記得一組070開頭的智慧型虛擬碼,除了容易記憶,發話端也具有節費的好處,即使不記得這組智慧型虛擬碼,直接撥打小陳的行動電話、家用市話、公司分機、SIP網路電話號碼,也都能夠找到他。
早上9點整,小陳梳洗完畢,準備搭捷運前往拜訪VIP客戶,小陳是知名IT公司的業務代表,別忘了這是2010年,大部分在10年前必須進公司才能處理的例行事務,都已可透過網路完成。
Presence技術降低企業通訊成本
在搭乘捷運這段30分鐘的路程上,小陳回覆了10多封的電子郵件,還「看到」技術人員小李也在線上,車箱內人聲嘈雜,不方便講電話,因此小陳透過即時訊息(IM)與小李討論客戶ERP系統的建置,手機簡訊是老早就有的服務,但現今只有部分即時通訊軟體才有「Presence」服務,與傳統電信服務相較,「Presence」是IM 技術的最大優勢之一。Presence有人稱為「存在」技術,是即時獲取他人Presence 資訊(如用戶狀態、通信能力、個人參考資訊等),並展現給其他在線用戶的一種方法。
在傳統電信服務中,要嘗試呼叫對方並建立連線,必須先撥打對方的電話號碼(e.164 國際電信交換碼),經過3~10 秒等待交換機轉接之後,才聽到回鈴聲(Ring Back Tone),這代表已送出振鈴給目標話機,若發話對像不在話機旁,可能鈴響10~30秒後都無人接聽。在這個試圖呼叫對方的過程中,共花了15~45 秒的等待時間,最後仍無法保證成功與對方聯繫,Presence即可大幅縮短建立呼叫的時間。
若採用更高階的Presence技術,還能實現各種進階的加值應用,例如,透過定址定位服務(Location Base Services),小陳看到小李上線的同時,還可知道小李現在在哪個位置,預料這服務將吸引不少企業主,因為即使員工不進公司,老闆還是能確切掌握員工所在位置。當然對個人也是非常有用的,譬如導覽服務,系統可直接告知離用戶所在位址最近的餐廳、加油站等,或是告知下班公車開到哪裡了,離站還有多遠等等,誤差不會超過幾公尺。
小陳甚至可將Presence技術應用於個人行事曆,例如行事曆上已記錄下午要與主管進行重要會議,在會議時間內,IM即可自動顯示「開會中」,手機也自動拒絕任何來電,所有來電將自動進入語音信箱。
在SIP協定下開發的IM以及Presense技術,為企業帶來的是通信效能的革命,業務員減少撥號、忙線、等待對方接聽所浪費的時間成本,增加了與客戶溝通的效率,對電信業者而言,Presence服務能有效增加通信量的優勢,在今天競爭激烈的態勢下更是彌足珍貴。
SIP協定創造企業多媒體溝通環境
早上9點30分,小陳準時踏入客戶的大門,今天將進行一場重要的產品簡報,與會者包括客戶端的業務主管、位於印度的採購部門經理、位於美國矽谷總部的總經理和資訊部門經理,透過視訊會議,將產品訊息一次傳達,大幅降低差旅成本,過程中,客戶對付款條件提出疑問,小陳立即請財務部門的小周臨時加入會議,將合約範本透過電子白板呈現在所有與會人員面前。
接著,客戶的資訊部門經理拋出一個艱深的技術問題,小陳也立即邀請小李參加會議,由於小李出差在外,而且手機還不具影像顯示功能,所以小李只好以語音加入會議。
客戶對小陳進行的這一場跨國簡報相當滿意,而這一套視訊會議系統,也是基於SIP協定,並與IP-PBX系統整合,成為企業多媒體通訊的一部分。
早上11點30分,小陳與客戶透過網際網路,應用電子簽章技術完成換約程序,12點整,他走出客戶大門,正考慮是否先回公司時,手機忽然收到家中的保全系統被觸發的告警訊息,小陳立即撥回家中的保全系統,透過監控攝影機的即時影像,遠端監看現場狀況,原來只是他的愛犬來福撞到落地窗,虛驚一場。
小陳的一天看似科幻電影的場景,但是上述所有應用情境,在今天以IP為基礎的電信服務中都已是成熟的技術,預期在2010之前,電信業者即可推出多網服務供企業使用。
漫談IP新世代電信服務(3)淺談SIP協定與架構
會談啟始協議(SIP,Session Initiation Protocol)是繼Mail(SMTP)、WWW(HTTP)之後,第三大關鍵通信協定,透過SIP所營造出的即時多媒體互動會談功能,才能滿足現在使用者的需求。
會談啟始協議(SIP,Session Initiation Protocol)是新世代的網路電話(VoIP)基礎技術,是基於網際網路工程工作特別小組開放式協議體系下所制定,目的在將傳統電信網過渡至全方位IP化網路服務(All-IP Network Services),也是下一波電信產業革命中,實現網際網路、固網、行動、廣電四網融合的關鍵技術。
網際網路發展以來第三重要的協定
有學者認為,SIP是Internet發明以來最重要的會談層(Session Layer)通信協定,也是繼Mail(SMTP)、WWW(HTTP)之後,第三大關鍵通信協定。
時至今日,則唯有SIP藉由文字、語音、影像等媒介營造出的即時多媒體互動會談功能,才能滿足使用者現階段的通訊需求。
SIP的設計
SIP是基於TCP/IP協定上層運作的信令協議,用於啟動、管理、終止IP網路中的語音和視訊甚至於文字會話,具體來說就是用來建立、修改和終止一個或多個參與者之間的對話。
SIP協定在建立對話的時候,使用一組借用自HTTP格式的文字訊息傳遞、交換多個用戶之間的IP位址、媒體能力,編碼格式等資訊。SIP是IETF體系的一部份,因此與IETF的許多其他協議都有聯繫,例如即時傳輸協議(RTP)、會談公告協議(SAP)、會談描述協議(SDP)。而一個完整的SIP服務系統,還需要DNS、DHCP、RSVP等IETF協定的配合才能正常運作。其中SDP可視為SIP的一部分,專門負責處理媒體格式的協商,SIP沒有它也不可能單獨運作。
以OSI定義的網路七層分類,SIP應該是屬於會談層(Session Layer),但是也有人將其歸類為廣義的應用層(Application Layer)協定。由於SIP是架構在應用層中,因此開發SIP的應用程式時,可不論底層的傳輸協定或網路架構,這讓SIP具有容易開發、內容簡潔以及擴充性高的優點,也讓SIP除了可在TCP或UDP的傳輸層上進行互動運作外,還能架構在其他任何型態的傳輸網路,讓開發者更容易進行系統的整合。
SIP的關鍵元件
SIP通過類似E-mail形式的資源識別標誌(URI)來標名用戶地址,它通過諸如用戶電話號碼、帳號、主機名等元素來構成SIP URI,其格式為user@domain的表示方式。其中user也可以是傳統電信網路中的e.164電信交換碼。
[size=-2]SIP關鍵元件及其呼叫模式。
SIP的關鍵元件有下列幾項:
用戶代理User Agent:
通常簡稱為UA,是SIP網路環境中的用戶終端設備,其角色相當於H.323 Terminal。在邏輯上包含有User Agent Client (UAC) 以及 User Agent Server(UAS)兩種,UAC負責產生請求,而UAS負責產生依照請求產生應答。每一個UA都同時扮演者UAC和UAS的角色,當它是呼叫別人的主叫端時,就是UAC;當它是被別人呼叫的被叫端時,就是UAS。
目前我們所能看到的各種話機,本質上都是一種SIP UA裝置。有一種USB Phone是配合Soft Phone使用的,它的本質是一種音效裝置,雖然很多人也叫它做網路話機,但是它並不屬於SIP UA的角色。
代理伺服器Proxy Server:
為SIP協議運作的中心,同時具有伺服器端和客戶端雙重角色的中介元件,負責代表SIP UA或者其他的Proxy Server產生請求或將收到的請求代為轉送到另外一個目標SIP元件去。由Proxy Server提供對用戶定位的服務,以轉送到正確的UA位置去,且UA回覆結果也是一樣會經由相反的路由將結果回覆給請求端的UA,這就是Proxy Server的路由功能。
Proxy Server其實就是扮演傳統電信領域中,交換總機的角色。由於它的存在,可大幅簡化UA的設計複雜度(否則UA要能記得所有通訊對象的IP網址),也是VoIP業者營運的中樞。
重定向伺服器Redirect Server:
SIP的其中一個主要特性就是,它將用戶的邏輯位址和實際位址分開,這使得用戶可以定義一個不變的邏輯位置,然後將它映射成別名至一個或多個變化的實際位置。重定向伺服器接受任何SIP元件的請求,並將被呼叫方的SIP位址映射成一個或多個位址並將回應給客戶端。和代理伺服器不同的是,重定向伺服器不會轉遞任何請求到其他伺服器。
註冊伺服器Register Server:
接受註冊請求的伺服器,其目的是記錄用戶在請求中的聯繫資訊,或更新位置伺服器中的位址資料庫。註冊伺服器提供UA進行註冊的介面,用以進行管理並提供特定的服務。
位置伺服器Location Server:
可視為SIP資料庫,負責儲存UA的資訊,接受註冊伺服器的用戶資料,並提供給代理伺服器和轉向伺服器使用。通常位置伺服器、註冊伺服器都是代理伺服器的一部分,少數大規模的電信等級服務設施,才會因效能考量區分開。
媒體閘道器Media Gateway:
支援PSTN網路和IP網路兩種異質網路之間的中介呼叫與傳送,或是處理同為IP網路的兩種異質協定,如SIP與H.323之間的呼叫。
媒體伺服器Media Relay Server:
為了穿越NAT或其他媒體型式轉換等目的,在兩個UA之間進行RTP Media的中繼轉遞,或者是為多方通話的媒體內容匯接目的,它必須配合SIP代理伺服器使用,或本身即兼具代理伺服器的功能。
SIP的呼叫模式
直接呼叫是SIP協議中最基本、最簡單的呼叫方式,任何SIP終端裝置只要知道其他任何SIP終端裝置的IP位址或網域名稱,就可以進行直接呼叫的動作。
SIP也支援代理呼叫,當UAC想要跟UAS通話,它對已經註冊上的代理伺服器A傳送一個邀請訊息,目的是告知A想與其UAS通話,當A收到通話請求訊息後,會搜尋資料庫中的資料,但A發現無法得知UAS的位置時,A會將邀請訊息傳送給下一個指定的下一級代理伺服器B,這類似路由器中預設路由(Default Gateway)的概念。
一般在跨業者交換呼叫訊息的大型SIP環境中,代理伺服器也會建構成為階層式的組織,常有一通呼叫轉送5或6次的情況,而重定向呼叫和代理伺服器不同處在於,代理伺服器會把邀請訊息轉發到被叫方的地址並等待回應;而轉向伺服器會使用位置伺服器尋找被叫方的位置,並在重定向訊息中把這個位址回送給主叫方,讓主叫方自行嘗試對被叫方建立會談。除此之外,其目的與代理呼叫完全一致。
SIP的主要元件視不同應用還有非常多的擴展,如即時訊息伺服器(IM Server)、存在伺服器(Presence Server)等等。在高階呼叫模式上,也有多方會議呼叫(Conference Call)、第三方呼叫(Third Party Call)等擴展,前者大家都耳熟能詳,後者則是SIP的特異功能,係指由Proxy Server呼叫主端呼叫兩方,讓兩方建立通話的方式,在如客服中心(Call Center)的應用中,第三方呼叫可以同時呼叫客戶和客服人員,是非常有效率的呼叫建立方式。上述的擴展都還在不斷的發展和改進之中。
為了滿足多媒體通信系統移動性的需要,SIP在設計的初期還考慮到對移動性的支援,對服務品質(QoS)的支援、異質網路間的相互呼叫及介接、NAT的穿越、安全性的考量等等,在之後的章節都會一一述及。
SIP協定扮演了NGN(下一代電信網路)、NGI(下一代網際網路)、3G(第三代行動電話網路)的關鍵會談控制功能,大約10年之後,我們打的每一通電話都將是透過SIP協定建立通話,這讓我們有充足的理由來認識 SIP。