7. VoIP 與 All-IP Network 之功能架構

目前已經有許多VoIP及All-IP 網路之功能架構出現，各不相同， PC-to-PC, PC-to-Phone, Phone-to-PC, SIP, 3GPP, IMS 等 各有各的繁複架構，除非是資深的專家，否則很難有深刻的認識， 對於初學者更是一道難以跨過的門檻。 本章先由通訊系統最基本的功能提取出來，再介紹一個抽象的功能架構， 讀者可以根據這個抽象架構衍伸出各種不同的實際架構。

7.1 基本功能模組

7.1.1 MGW (Media Gateway)

MGW 作為 Gateway 負責在傳統網路與封包網路之間轉換 語音訊號與控制信號。控制信號包括 on-hook, off-hook, dial-tone, dialed-digits, busy-tone, ring-back-tone等。如果是與 Trunk 介接， 此外，還需要負責轉換所撥電話號碼及IP地址。

7.1.2 SGW (Signaling Gateway)

傳統電信網路非常依賴信號網路(Signaling Network)傳遞很多控制信號，除此之外，很多先進服務機能 (feature) 需要 依靠 Signaling Network 才能獲得 Intelligent Network的支援， 最風行的信號協定是 SS7 協定，VoIP 系統如果要能獲得 Intelligent Network 的支援或利用其信號網路則必須建置 一個 Signaling Gateway才能讓搭載在IP 封包上的控制信號透過 Signaling Gateway 上下車到 SS7 網路上。否則，VoIP只能 做做簡單的 POTS (Plain Old Telephone Service) call。

7.1.3 CSCF (Call State Control Function, Call Session Control Function)

一通電話從拿起電話開始直到掛斷結束，交換機都負責處理，稱為 call processing， 通常以 Finite State Machine (FSM) 來表達一個服務機能 的細部動作 (behavior)，而call processing 也由相應的 FSM 來控制。 在近年的各種新電信技術中，都以CSCF 來定義 call processing 這個角色。 而 CSCF 的全名有兩種說法 Call State Control Function 或 Call Session Control Function。

7.1.4 其他

除了上述幾個基本功能之外，還有其他許多功能，例如記帳或多媒體功能等。

7.2 功能架構

配置上述基本功能的軟硬體架構，隨著VoIP環境的不同而有不同。 在最簡單的 PC-to-PC 而言，沒有SGW，而 MGW 及 CSCF 都建置在收發兩端的電腦內。而在 SIP 的架構中，MGW 及 CSCF 則包含在 User Agent 中，而這User Agent 則可能建置在電腦上，或Residental Gateway 上。 SIP 如果要能與PSTN 互連，且獲得 Intelligent Network 的支援，則必須建置 SGW。 以上這兩種 PC Based VoIP 的架構都沒有 SGW 所以無法在與 PSTN 介接時，只能進行 POTS 的互通，無法支援先進的服務機能，例如 「話中插撥」 (Call Waiting) 就必須透過 SGW 獲得 Signaling Network 傳遞信號。 在第二章曾有闡明 VoIP 與 PSTN 互連的限制。

從2000年初期開始，電信業界所提出要取代 Circuit-Switched PSTN 網路的各種VoIP架構就比較完整， 比較風行的抽象架構是 All-IP 網路，而3GPP (Third Generation Partner Project) 所提出的架構則是實現 All-IP 網路的一個實例。 我們以圖 7.1 說明 All-IP 網路的抽象架構並以圖 7.2 的 而3GPP R5 架構作為實例供讀者參考。


圖7.1 All-IP 網路抽象架構

在圖7.1 中，上半部是傳統PSTN網路，下半部是IP網路， 各種VoIP 的設備是架設在 IP 網路上，可供連在IP網路上或 PSTN網路上的電話用戶彼此通話。 讓使用者的傳統電話機連接到IP網路的是 Media Gateway， 在 Media Gateway 中必含有 MGW 功能模組，也可能含有 CSCF 功能模組負責處理基本的呼叫及受話功能 (basic call processing)。 在傳統的電話系統中，電話的呼叫與受話處理都在昂貴的交換機 （俗稱 TDM 交換機)上處理， 此因傳統電話機本身僅是一個非常簡單的設備，遠遠不足以承擔執行CSCF 的重任。但是現今功能強大的電子資訊設備價格已經非常低廉，即便 Media Gateway 是置於使用者家中，亦可以含有 CSCF 功能模組，如此可以 分散 CSCF 的負載。

Trunk Gateway 負責介接 VoIP 與 PSTN 使得雙方的電話機可以通話。 Trunk Gateway 也必須含有 MGW 功能模組，其實 Trunk Gateway 也是 一種特殊的 Media Gateway。

Signaling Gateway 負責介接 VoIP 與 PSTN 的信號網路使得雙方可以 交換控制信號，Signaling Gateway 含有 SGW 功能模組。

All-IP 網路的心臟，Call Agent 含有CSCF 負責處理所有的通話。 承擔傳統 交換機的call processing 功能。除了basic call processing 的功能可能被 Media Gateway 分擔之外，其他的 call processing 功能 都在 Call Agent 中執行。在工業界已經有很多新興公司在設計 Call Agent，通常以 Soft Switch 作為產品名稱。可惜獨木難撐大廈，All-IP 網路進展很慢，許多此類公司紛紛不支倒地。

傳統之 TDM 交換機為了維持99.999%的高可靠度，必須特製 各種軟硬體，以致價格異常昂貴。在All-IP網路架構中， TDM 交換機 的很多功能已經分散到許多元件上，留在 Call Agent (Soft Switch) 裡的功能大為減少，再加上，Soft Switch 可以採用市售的 高可靠度電腦 (High-Available Computer) 可以用遠低於TDM交換機 的價格得到相同的可靠度。

All-IP 網路的運作原理，與第二章的 VoIP 運作原理類似， Trunk Gateway 即是俗稱的上下車設備。 讀者可輕易從中瞭解All-IP 網路的運作原理。


圖7.2 3GPP Release 5 架構