軟交換規(guī)模商用的前景分析

2019-11-03 10:22:12

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供稿：網(wǎng)友

中國(guó)電信集團(tuán)北京研究院　　葉華　　張園

一、制約軟交換規(guī)模商用的主要因素

　　由于傳統(tǒng)電話網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)缺乏競(jìng)爭(zhēng)能力、業(yè)務(wù)缺少新的增長(zhǎng)點(diǎn)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外各運(yùn)營(yíng)商紛紛開始關(guān)注分組語音技術(shù)，特別是軟交換技術(shù)的發(fā)展。

　　運(yùn)營(yíng)商商用軟交換的主要目的是希望減少投資、運(yùn)營(yíng)成本，尋求更多的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)。但不可否認(rèn)，到目前為止軟交換的成熟性是制約其發(fā)展的主要因素，規(guī)模商用仍面臨著種種亟待解決的問題，其主要挑戰(zhàn)包括：

　　－兼容和互聯(lián)尚未做到；

　　－新業(yè)務(wù)不很成熟；

　　－缺乏可行的QoS和網(wǎng)絡(luò)安全方案及組大網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)；

　　－商業(yè)模型和運(yùn)維管理的研究有待加強(qiáng)；

　　－軟交換系統(tǒng)的總體投資仍高于TDM等。

二、軟交換規(guī)模商用的總體趨勢(shì)

　　2001年11月，美國(guó)SPRINT公司訂了價(jià)值1億多美元的軟交換工程合同，準(zhǔn)備在幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)向“下一代網(wǎng)絡(luò)”的演進(jìn)；葡萄牙的PT Prime、埃及電信、丹麥的Sonofon等運(yùn)營(yíng)商已實(shí)現(xiàn)了軟交換技術(shù)的商用。在國(guó)內(nèi)，網(wǎng)通控股早在2000年就開始進(jìn)行了軟交換試驗(yàn)，在寧波地區(qū)建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)軟交換實(shí)驗(yàn)局。中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通及中國(guó)衛(wèi)星通信公司也分別開展了軟交換技術(shù)和業(yè)務(wù)實(shí)驗(yàn)，為今后軟交換規(guī)模商用積累了經(jīng)驗(yàn)。

　　在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，Sip、H.323、BICC、SIGTRAN、H.248等已成為軟交換系統(tǒng)的主流協(xié)議，并逐步完善，相應(yīng)的測(cè)試方法和測(cè)試工具已經(jīng)具備。

　　在3G領(lǐng)域，WCDMA R4版本2001年3月功能凍結(jié)，與Rel99網(wǎng)絡(luò)比較，最主要的變化是R4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電路域采用了承載與控制分離的思想，將MSC的功能分解，其中呼叫控制的功能給了MSC Server，媒體流轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)墓δ芙o了MGW。R5是全I(xiàn)P（或全分組化）的第一個(gè)版本，2002年6月功能凍結(jié)，并不斷進(jìn)行修改和完善。R5定義了IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）。IMS基于IETF會(huì)話控制協(xié)議，并利用PS域，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理、多媒體會(huì)話信令和載體業(yè)務(wù)傳輸。預(yù)計(jì)R4相關(guān)產(chǎn)品將于明年推出。因此總體來說，與固定網(wǎng)相比，軟交換在移動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較晚。　　從經(jīng)濟(jì)效益方面看，軟交換的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益比較好，而TDM的短期效益比較好，如果軟交換的設(shè)備價(jià)格降到與TDM類似，則軟交換的比較優(yōu)勢(shì)會(huì)更大一些。

　　隨著IP技術(shù)和軟交換技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)計(jì)在未來5年左右，軟交換在全球范圍內(nèi)的商用規(guī)模將逐步擴(kuò)大，主要應(yīng)用包括：

　　－語音（包括長(zhǎng)途、本地、移動(dòng)）；

　　－IP Centrex；

　　－第二根電話線；

　　－IP PBX；

　　－語音與數(shù)據(jù)相融合的增值業(yè)務(wù)等。

三、軟交換規(guī)模商用面臨的主要技術(shù)問題

　　1．安全問題

　　在軟交換網(wǎng)絡(luò)中，各種媒體流的承載均采用分組網(wǎng)，分組網(wǎng)的一系列安全問題也就隨之而來。軟交換網(wǎng)絡(luò)也就面臨著被攻擊、被假冒、搶占資源，用戶的信息被竊聽、被竄改等問題。在軟交換的本地網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)眾多（主要是接入設(shè)備），分布廣泛，面臨的主要問題包括幾個(gè)方面：

　　-軟交換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（包括軟交換、各種媒體網(wǎng)關(guān)、IAD、各類終端）的安全，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被攻擊、被假冒等；

　　-用戶信息的安全，如用戶的語音等信息被竊聽、被竄改、帳號(hào)被盜用等；

　　-業(yè)務(wù)的安全，如網(wǎng)絡(luò)被非法用戶使用、非法節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。

　　（1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的安全

　　軟交換網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備包括軟交換、中繼媒體網(wǎng)關(guān)、信令網(wǎng)關(guān)、接入網(wǎng)關(guān)、IAD設(shè)備、各類終端等。對(duì)于軟交換、各類媒體網(wǎng)關(guān)、計(jì)費(fèi)、網(wǎng)管等設(shè)備，考慮到重要程度高、節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少、位置比較集中，可以在網(wǎng)絡(luò)外側(cè)設(shè)置防火墻，對(duì)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾，只允許特定端口號(hào)的數(shù)據(jù)包通過防火墻，這種方法可以對(duì)Ping of death等一系列的DoS（分布式拒絕服務(wù)攻擊）攻擊進(jìn)行過濾。

　　網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)具有不同級(jí)別的管理員權(quán)限管理機(jī)制，越權(quán)操作應(yīng)予以禁止。對(duì)非法操作提供記錄信息，對(duì)系統(tǒng)可能造成潛在危害的請(qǐng)求，如多次認(rèn)證失敗的連接、可疑的IP地址連接、頻發(fā)的大話務(wù)流量等，應(yīng)能夠告警并采取相應(yīng)的防范措施。

　　對(duì)于一些未經(jīng)授權(quán)的接入設(shè)備利用軟交換的協(xié)議建立非法呼叫或者干涉合法呼叫，需要對(duì)軟交換連接的傳輸建立安全機(jī)制。當(dāng)在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸本協(xié)議時(shí)，可以使用Ipsec對(duì)H.248或MGCP協(xié)議的傳輸進(jìn)行保護(hù)。如果低層協(xié)議不支持Ipsec，應(yīng)當(dāng)在H.248協(xié)議頭之中定義AH頭來實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)議連接的保護(hù)。

　　（2）用戶信息的安全

　　對(duì)于用戶的私人信息的安全問題，主要存在于接入層。因此應(yīng)該從兩個(gè)方面來保證用戶信息的安全。

　　第一，對(duì)用戶的數(shù)據(jù)流進(jìn)行隔離，防止用戶的信息被非法用戶截取。可以采取二層的VLAN技術(shù)，對(duì)用戶的數(shù)據(jù)流進(jìn)行隔離，用ACL控制用戶之間的互訪。

　　第二，為防止媒體流被篡改、竊取，應(yīng)實(shí)施適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制來保護(hù)媒體連接，解決辦法就是對(duì)音頻消息進(jìn)行加密。但隨著寬帶終端數(shù)量的增加，一方面密鑰需求量會(huì)成倍增加，另一方面用戶每次通信可能會(huì)使用不同的密鑰，因?yàn)槿粲脩粢淮斡忠淮蔚氖褂孟嗤拿荑€與別人交換信息，則如果某人偶然地接觸到了用戶的密鑰，那么用戶曾經(jīng)和另一個(gè)人交換的每一條消息都不再是保密的了，另一方面，使用一個(gè)特定密鑰加密的信息越多，提供給竊聽者的材料也就越多，這就增加了他們竊密的機(jī)會(huì)，所有這些都對(duì)密鑰的分發(fā)提供了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。一種比較好的解決方案就是采用Kerberos解決方案，它是由MIT發(fā)明的，使保密密鑰的管理和分發(fā)變得十分容易。Kerberos建立了一個(gè)安全的、可信任的密鑰分發(fā)中心（Key Distribution Center,KDC），SIP終端/IAD設(shè)備只要知道與KDC進(jìn)行通信的密鑰就可以了，而不需要知道成百上千個(gè)不同的密鑰。

　　（3）業(yè)務(wù)的安全

　　業(yè)務(wù)的安全主要是防止業(yè)務(wù)的非法盜用，非法搶占帶寬，防止非法終端和設(shè)備訪問網(wǎng)絡(luò)，解決的辦法就是軟交換網(wǎng)絡(luò)對(duì)SIP智能終端和IAD設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證。

　　對(duì)于IAD設(shè)備，可以采用MAC地址認(rèn)證的方法。即在認(rèn)證的數(shù)據(jù)庫(kù)中將用戶設(shè)備的MAC地址記錄下來，當(dāng)用戶需要接入網(wǎng)絡(luò)使用業(yè)務(wù)的時(shí)候，首先對(duì)用戶設(shè)備的MAC地址進(jìn)行認(rèn)證，如果認(rèn)證通過，才給其分配IP地址，允許其接入網(wǎng)絡(luò)。如果用戶的終端設(shè)備為非法設(shè)備，則無法接入網(wǎng)絡(luò)。此方案能夠有效地保證合法的終端才能接入網(wǎng)絡(luò)中，不過，這種方法存在著一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，即只是保證合法終端接入網(wǎng)絡(luò)，而不是保證合法用戶接入網(wǎng)絡(luò)。

　　對(duì)于SIP智能終端，則建議采用基于用戶名和密碼的認(rèn)證方式，也稱DHCP+方式，之所以成為DHCP+主要是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要對(duì)傳統(tǒng)的DHCP協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，主要增加了認(rèn)證功能，即DHCP服務(wù)器在將配置參數(shù)發(fā)給終端之前必須將終端提供的用戶名和密碼送往軟交換進(jìn)行認(rèn)證，通過后才將配置信息發(fā)給用戶終端，此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以保證合法用戶接入網(wǎng)絡(luò)，缺點(diǎn)是DHCP+還沒有正式的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品和應(yīng)用很少。

　　（2） QoS問題

　　軟交換的承載網(wǎng)采用包交換網(wǎng)絡(luò)（ATM或IP），而由于IP組網(wǎng)技術(shù)的簡(jiǎn)單、靈活、接入的業(yè)務(wù)豐富，因而目前城域網(wǎng)中主要采用IP技術(shù)。IP技術(shù)的“Best effort”機(jī)制帶來的QoS問題也隨之帶給了軟交換網(wǎng)絡(luò)。目前的PSTN和ISDN網(wǎng)絡(luò)可以提供端到端的服務(wù)質(zhì)量的保證，軟交換網(wǎng)絡(luò)如果要大規(guī)模的應(yīng)用，就必須提供端到端的服務(wù)質(zhì)量的保證，因而QoS問題就顯得更為重要。

　　目前，IP網(wǎng)中解決QoS問題的主要技術(shù)有Diffserv、802.1p/q、Interserve（RSVP）、MPLS技術(shù)。

　　我們可以在城域網(wǎng)的各個(gè)層次采用DiffServ、CAR、接入數(shù)量控制以及動(dòng)態(tài)QoS策略等多種技術(shù)來保證NGN業(yè)務(wù)的端到端QoS。

　　在網(wǎng)絡(luò)的接入層，可以采用802.1p/q技術(shù)。首先，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類。數(shù)據(jù)流可以分為信令流、語音流和數(shù)據(jù)流等，要求NGN的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（網(wǎng)關(guān)、IAD、SIP終端等）支持802.1p/q協(xié)議，可以根據(jù)端口號(hào)、IP地址等對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，對(duì)不同類別的數(shù)據(jù)流設(shè)置不同的VLAN，進(jìn)行隔離。并且對(duì)不同類別的數(shù)據(jù)流設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，應(yīng)對(duì)信令流設(shè)置最高的優(yōu)先級(jí)，語音流其次，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最后。這樣可以保證信令消息和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在L2或L3的網(wǎng)絡(luò)中被優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

　　在城域網(wǎng)的邊緣層，要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持Diffserv。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)能根據(jù)多種信息對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，包括：VLAN ID、802.1p優(yōu)先級(jí)、DS字段或TOS字段。網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的策略，將各種信息映射為相應(yīng)的DSCP值，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)就能在網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先排隊(duì)、優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，得到高級(jí)別的服務(wù)。

　　對(duì)于骨干層，目前各大運(yùn)營(yíng)商的IP骨干網(wǎng)流量不高，有比較充足的帶寬。因此在骨干層可以采取保證充足的帶寬和DiffServ 的策略來保證業(yè)務(wù)的QoS。

　　雖然軟交換網(wǎng)絡(luò)的QoS問題是由承載層不可靠性引起的，我們也可以采用其它的機(jī)制來提高網(wǎng)絡(luò)的QoS。

　　◆緩沖區(qū)的動(dòng)態(tài)調(diào)整

　　在IP網(wǎng)中，由于路由不對(duì)稱或分組在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)間不一致引起分組傳輸?shù)亩说蕉藭r(shí)延不一致，即產(chǎn)生抖動(dòng)，如果不消除抖動(dòng)的影響，會(huì)使話音有斷續(xù)而影響通話質(zhì)量。為此，接收端通常設(shè)定一個(gè)抖動(dòng)緩沖區(qū)，以消除分組之間的時(shí)延差距，一般而言抖動(dòng)緩沖是根據(jù)抖動(dòng)的最差情況而設(shè)計(jì)的，這種做法的一個(gè)缺點(diǎn)是使端到端的時(shí)延過大，而端到端時(shí)延過大又能產(chǎn)生回聲，因此緩沖區(qū)的設(shè)定應(yīng)能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，以使網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延在網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前條件下是最小的，因此軟交換網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)媒體網(wǎng)關(guān)應(yīng)該具備動(dòng)態(tài)調(diào)整緩沖大小的能力。

　　◆回聲抑制和舒適噪音

　　IP網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)語音包的處理、排隊(duì)及終端節(jié)點(diǎn)對(duì)語音包的緩沖都會(huì)給語音帶來端到端的時(shí)延，當(dāng)語音的時(shí)延超過25ms時(shí)，就需要增加回聲補(bǔ)償機(jī)制，來減小回音。因此，通常要求網(wǎng)關(guān)、IAD、SIP終端等支持回聲抑制、舒適噪音等功能，來提高語音質(zhì)量。

　　◆擁塞處理

　　軟交換作為呼叫控制的核心，應(yīng)該能夠根據(jù)網(wǎng)關(guān)的負(fù)荷狀況，控制可接入的呼叫數(shù)量，H.248協(xié)議在附錄Annex M.2中定義了媒體網(wǎng)關(guān)資源擁塞處理包（Media Gateway Resource Congestion Handling），此包作用于Root Termination上，此包中定義了MGCongestion事件，當(dāng)MG擁塞時(shí)，就向軟交換報(bào)告MGCongestion擁塞事件，軟交換根據(jù)ObservedEventsDescriptor 中reduction參數(shù)值來確定應(yīng)該拒絕多少比例的呼叫。

　　◆鏈路的動(dòng)態(tài)檢測(cè)

　　鏈路的動(dòng)態(tài)檢測(cè)是指網(wǎng)關(guān)設(shè)備利用RTCP的收、發(fā)報(bào)文監(jiān)控統(tǒng)計(jì)包丟失率，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。鏈路動(dòng)態(tài)檢測(cè)是網(wǎng)關(guān)進(jìn)行QoS管理的重要依據(jù)，它將直接影響語音編碼的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，輸入緩沖的動(dòng)態(tài)調(diào)整等工作。

　　（3）軟交換網(wǎng)絡(luò)管理

　　有效的網(wǎng)絡(luò)管理和業(yè)務(wù)管理對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說是十分重要的，而軟交換網(wǎng)絡(luò)的承載平臺(tái)是基于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，因此，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和電信級(jí)服務(wù)的特點(diǎn)使軟交換網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的管理提出了更高的要求，此外，由于軟交換網(wǎng)絡(luò)采用的是分布式體系，要求網(wǎng)管系統(tǒng)不但能夠提供平面化的管理，而且能夠提供垂直化的系統(tǒng)管理，網(wǎng)絡(luò)管理更加復(fù)雜。因此基于軟交換的網(wǎng)絡(luò)管理、業(yè)務(wù)管理和各種用戶接入的管理也是軟交換技術(shù)的研究重點(diǎn)。

　　目前的軟交換設(shè)備廠家通常都能夠提供對(duì)軟交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（比如軟交換、媒體網(wǎng)關(guān)等）的管理，但是很難提供網(wǎng)絡(luò)級(jí)的管理，即對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全管理、對(duì)網(wǎng)絡(luò)的資源管理。由于軟交換網(wǎng)絡(luò)采用分層的體系結(jié)構(gòu)，因此要求軟交換的網(wǎng)管系統(tǒng)不但能對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，而且能對(duì)軟交換承載網(wǎng)絡(luò)的資源進(jìn)行管理，掌握設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)資源的使用情況，這將有利于網(wǎng)絡(luò)QoS的管理及相關(guān)策略的實(shí)施。目前，國(guó)內(nèi)外設(shè)備制造商也在這一方面展開積極的研究和探索。有些廠家提出了建立基于承載網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器提供網(wǎng)絡(luò)級(jí)的話務(wù)量控制，它可以基于話務(wù)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒙酚尚畔⒂?jì)算每條路徑需要預(yù)留的帶寬。在承載網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)置網(wǎng)絡(luò)訪問控制設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)訪問控制設(shè)備根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器計(jì)算的帶寬來控制網(wǎng)絡(luò)的流量，保證已經(jīng)接入的業(yè)務(wù)的QoS，并且，網(wǎng)絡(luò)訪問控制設(shè)備定期向網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器報(bào)告帶寬使用情況，網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器根據(jù)報(bào)告的業(yè)務(wù)量重新計(jì)算需要預(yù)留的帶寬，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理和分配。但是，這些解決方案都有待進(jìn)一步細(xì)化和在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中檢驗(yàn)。

　　（4）終端

　　移動(dòng)終端從普通通話終端向支持?jǐn)?shù)據(jù)、媒體業(yè)務(wù)終端漸進(jìn)過程顯示，終端已成為業(yè)務(wù)發(fā)展的重要組成部分。因此從業(yè)務(wù)提供角度來講，軟交換的規(guī)模商用，不僅需要突破現(xiàn)有固定電話機(jī)只能提供單一的語音業(yè)務(wù)的瓶頸，還與終端的智能化、多媒體化、個(gè)性化程度密切相關(guān)。運(yùn)營(yíng)商應(yīng)與終端制造商形成良性互通，共同培育市場(chǎng)。目前NGN終端主要包括SIP終端、H.323終端，它們可以支持傳統(tǒng)語音、視訊和多媒體業(yè)務(wù)，但在業(yè)務(wù)提供能力、互通性、安全性、可管理性等方面有待深入研究。

　　供電，是終端技術(shù)中應(yīng)值得重視的技術(shù)，在現(xiàn)在的PSTN網(wǎng)絡(luò)中，話音終端的供電都是由局端供電。用戶家中即使停電了，電話依然可以使用。但是對(duì)于一些智能終端和IAD設(shè)備，都是由本地供電，如果停電，則電話終端就不能使用。這樣就會(huì)給用戶帶來不便，也不利于智能終端的推廣。

　　我們可以通過局域網(wǎng)供電的方式，通過雙絞線為用戶的終端設(shè)備供電。CDP（CISCO Delivery Protocol）協(xié)議就是一種通過局域網(wǎng)給終端設(shè)備供電的協(xié)議。IEEE802.3af也在研究通過以太網(wǎng)的媒體接口（MDI：media dependent interface）用網(wǎng)絡(luò)來給終端設(shè)備供電。

　　802.3af定義了兩類電源設(shè)備：端跨(end-span)和中跨(mid-span)設(shè)備。端跨設(shè)備指的是采用嵌入式“Power over LAN”技術(shù)的以太網(wǎng)交換機(jī)，這類交換機(jī)可在同一條線路對(duì)(1/2 和3/6傳輸線)上傳送數(shù)據(jù)和電源。中跨設(shè)備就像是接線板，一般有6到24條通道。這類設(shè)備安裝在傳統(tǒng)交換機(jī)和受電設(shè)備之間。每個(gè)中跨端口都有一個(gè)RJ-45數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)/電源RJ-45輸出接頭。中跨設(shè)備利用未使用的4/5和7/8線路對(duì)傳送電源，而數(shù)據(jù)利用其他線路對(duì)傳送。

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