Freeswitch集群在智能外呼平台中的应用

前言

两年来，新冠疫情给我们的工作生活带来了巨大影响，社会各界都面临着严峻的挑战。汽车之家敏锐的洞察到降低人力成本，筛选高优客户、提高意向成交率已经成为各主机厂的迫切需求，因此，智能外呼平台，应运而生。

通过对市面上的几款外呼平台调研，发现有很多业务场景并不支持，不仅可扩展性差、而且维护成本高，所以为了更好地承接主机厂业务，满足客户定制化需求，决定研发自己的智能外呼平台。

常见的外呼平台都是基于VoIP（Voice over Internet Protocol，缩写为VoIP）实现的，VoIP是基于IP的语音传输，是一种语音通话技术，经由网际协议（IP）来达成语音通话与多媒体会议。

VoIP电话

不同于传统的电话，VoIP是一种新兴的电话通信方式。它是一种把语音技术集成在IP协议中，通过互联网进行传输的一种全新的通信方式，其成本远低于传统电话。

• VoIP电话优点

• VoIP平台的选择

目前国内比较流行和拥有大量活跃用户的是Freeswitch（https://freeswitch.org/）和 Asterisk（http://www.asterisk.org/）

      下图为二者的简单对比：

结论：基于以上调研和对比，发现Freeswitch的资料相对完备，学习成本低，并且已有较多的成功案例，很多外呼供应商都采用Freeswitch作为软交换平台。因此，Freeswitch也 将是我们更优的选择。

初识Freeswitch

Freeswitch是一个开源的电话交换平台。官方给它的定义是——世界上第一个跨平台的、伸缩性极好的、免费的、多协议的电话软交换平台。在Freeswitch出现之前，软交换技术基本上掌握在少数通信企业，集成在硬件设备上整机出售，价格昂贵。需要大量的专业积累才能入门，使用者基本上偏运维，无法掌握实质的技术。

当Freeswitch以BypassMedia(旁路模式：此模式下freeswitch更像是一个信令proxy，媒体不会通过freeswitch，sdp消息体不做修改，没有录音，二次拨号等功能)运作时，它和其它VoIP通信原理一致，同样是点到点的实时通信。负责通话双方的媒体协商，交换RTP端口，编解码等信息，详细的SIP协议或协商流程可参见：RFC3261文档，源码及编译安装可以参见Freeswitch官网。

• Freeswitch运行机制

Freeswitch内部使用线程模型来处理并发请求，每个连接都在单独的线程中进行处理，不同的线程间通过Mutex互斥访问共享资源，并通过消息和异步事件等方式进行通信。这种架构能处理很高的并发， 并且在多核环境中运算能均匀地分布到多颗CPU或单CPU的多个核心上。Freeswitch的核心非常短小精悍，这也是其保持稳定的关键。绝大部分应用层的功能都在外围的模块中实现。外围模块是可以动态加载（以及卸载）的，在实际应用中可以只加载用到的模块。外围模块通过核心提供的Public API与核心进行通信，而核心则通过回调（或称钩子）机制执行外围模块中的代码。

• 开发模式的选择

Freeswitch的开发模式有两种：

1. 面向服务器开发，这种开发模式是基于脚本内嵌的方式，主要开发lua脚本或者使用C语言开发mod，开发人员的学习成本高，不易维护，脚本之间无法复用；
2. 面向客户端开发，Freeswitch支持多种语言，开发人员可以使用自己熟悉的开发语言(java)。通过调用核心API的方式，可以控制整个会话流程。

综上所述：虽然lua脚本或C语言的执行效率更高，但是客户端的开发模式更加方便定制化开发，易于开发，况且把复杂的业务逻辑放在Freeswitch服务端不利于后续的维护和扩展。面向客户端开发有2种连接模式：内连（Inbound）模式和外连（Outbound）模式。这里我们仅说下内连模式

在内连模式下，Freeswitch作为一个服务器，而用户的程序可以作为一个TCP Client主动连接到Freeswitch上。同样，Freeswitch允许多个客户端连接。每个客户端连接上来以后，可以订阅Freeswitch的内部事件，实现可定制化开发。

例如：电话转接、定制化彩铃等都可以通过内联模式实现控制。

• Freeswitch下基于sip协议的呼叫流程

下面给出了上述调用流程的逐步解释

• 发送到代理服务器的INVITE请求负责启动会话。
• 代理服务器立即向呼叫者(Alice)发送 100 Trying 响应以停止INVITE请求的重传。
• 代理服务器在位置服务器中搜索Bob的地址。在获得地址之后，它进一步转发INVITE请求。
• 此后，由Bob产生的 180响铃(临时响应)被返回给Alice。
• Bob在接听电话后立即生成 200 OK 响应。Alice收到 200 OK 时，Bob会收到来自Alice的 ACK 。
• 同时，会话建立并且RTP分组(对话)开始从两端流动。
• 在对话之后，任何参与者(Alice或Bob)可以发送 BYE 请求以终止会话。BYE 直接从Alice到Bob绕过代理服务器。
• 最后，Bob发送 200 OK 响应以确认BYE并且会话终止。
• 在上述基本呼叫流程中，三个事务(标记为1,2,3)可用。
  完整的呼叫(从INVITE到200 OK)称为 Dialog 。

• Freeswitch主要配置文件

Freeswitch的核心底层代码是由C语言编写，如果需要重构Freeswitch核心功能、基于Freeswitch二次开发软交换，或者针对Freeswitch开发其他自定义模块，则需要在符合Freeswitch开发规范的情况下进行改造。而使用Freeswitch或者针对Freeswitch做esl应用端开发，则基本不需要更改Freeswitch底层代码逻辑，Freeswitch是通过提供基于静态xml的文件配置方式，来实现对Freeswitch所有功能的配置和调度控制。

拨号计划（dialplan）是Freeswitch配置文件中至关重要的一部分，它的主要作用就是对电话进行路由。就是当一个用户拨号时，对用户所拨的号码进行分析，进而决定下一步该做       什么。如：可以拨打9197进行接通音乐校验，拨打1001不在线进入语音信箱留言等，通过拨号计划可以达到领编码进行功能的扩展。

由于Freeswitch知识点较多，每一个知识点展开讨论都比较大，以上篇幅仅把Freeswitch使用过程中的主要知识点做了介绍。接下来讲解下Freeswitch服务中心的演化构建。

Freeswitch 服务中心的演变

• 单Freeswitch服务（1.0）
  在智能外呼服务从0到1的孵化过程中，如何保证各个功能点正确实现，业务顺利推进是首先需要解决的核心问题。一个简单的Freeswitch单体架构，是可以满足智能机器人的外呼通话要求。

外呼机器人拨打流程：

1. Freeswitch服务启动成功；
2. 建立私有分机号，作为机器人账号；
3. 机器人通过拨号规则调用Freeswitch；
4. Freeswitch接收到拨号后调用配置的网关，把要呼叫的号码经防火墙后，发送给线路运营商；
5. 线路商收到呼叫请求后，连接用户手机号，最终建立外呼机器人到用户手机的通信通道。

单体架构问题：

1. 存在单点故障风险，从而会导致整个外呼系统瘫痪；2. 并发能力有限。

• 负载均衡（2.0）

随着业务的的增长，外呼量会越来越大，对服务的稳定性要求也越来越高，对Freeswitch的高可用集群的诉求也被提上日程。

Freeswitch的高可用部署方式有两种：主备切换和负载均衡，官方文档介绍的主备切换部署是采用Corosync & Pacemaker，负载均衡采用前置opensips。

为了解决1.0 版本所面临的性能不足和单点故障风险，引入opensips前置于Freeswitch服务作为信令负载。

 Freeswitch负载均衡架构图如上图所示，使用opensips服务作为负载控制端。

 工作流程：

1. 外呼请求通过opensips服务动态分配可用的Freeswitch服务;
2. Freeswitch接入mysql数据库，存储双边通道信息，共用同一份Session数据，保持通话；
3. 客户端与Freeswitch服务直接建立连接；
4. 外呼服务接收到转人工请求，直接通过ESL调用App命令进行拨号路由转接。

        当我们的服务中心需要提供给众多的主机厂业务一起使用时候，需要万级甚至十万级同时并发通话时，上述方式很难支持。

        新的的问题紧随而至：1.  每新增一台服务器都需要和线路商对接，增加了对接的难度；2.  每新增一台服务器，保持端口一致的情况下，需要占用一个公网ip地址。

• 汇接局模式+负载均衡（3.0）
  上述2.0方案中，随着外呼业务量的增多，并发量的增大，相应需要部署的Freeswitch服务也会越来越多，从而导致公网ip使用成本上升。为了解决上述问题，进一步提升并发量，引入汇接局+负载均衡的模式。

核心节点：

• fs-router 路由中心
• fs-media 媒体交换中心

fs-router路由中心主要有2个功能点，其一是：拨号寻址，线路对接。其二是：会话中间消息路由的转发。

fs-media媒体交换中心主要作为媒体（通话语音）传递，以及ESL通过Api和命令的方式对fs-media的调用。工作流程：

1. 外呼请求通过opensips服务动态分配可用的freeswitch服务;
2. fs-media接入mysql数据库，存储双边通道信息，共用同一份Session数据，以便保持通话；
3. fs-mediaA/B(媒体终结服务) 经拨号路由转发给fs-router，由fs-router和线路商进行sip信令的交互；
4. 通信建立成功后由fs-mediaA/B直接和线路商进行语音流传递；
5. 客户端通过fs-mediaA/B和用户进行通话。

汇接局+负载均衡模式的优势：

1. 汇接局模式，解决公网ip的占用问题；
2. 统一出局，简化线路商对接；
3. 方便扩展，简化新增服务配置；
4. 由于集群式的部署，可以通过拨号方式的配置，针对不同的租户，分配到不同的fs-media上，做到租户之间的物理隔离。

总结

从第一次语音传输在1876年使用振铃电路实现，到现在通过网络来实现的新型电话通信，历经了100多年，每一次通信的革新都离不开科技的进步。VoIP网络电话的兴起，不仅预示着通信方式的革新，而且标志着新一代呼叫中心成为了电话通信的宠儿。随着Freeswitch服务中心的持续建设，通信业务层面的价值会逐步提升，打破了交换技术掌握在少数通信企业的壁垒，降低了接入难度和使用成本。从1.0的单一服务到3.0的汇接局+负载均衡，在架构升级后，Freeswitch服务中心不仅满足高并发，多租户的业务场景，而且还保证了服务的高可用、简化了对接流程、方便了服务的扩展。

• 展望

新一代的呼叫中心更多地融入了媒体渠道与通信渠道。未来，在业务层面，Freeswitch服务中心不仅适应于智能外呼平台，同时可满足其他业务场景的使用。如：人机协同、在线客服、多人会议、视频通话、排队等待来电呼入等诸多场景。在技术层面，不仅要考虑性能和可用性的提升，而且还要兼顾其通话、视频等质量的提高。通过多fs-router（路由中心），进一步提高它的性能和可用性。最后，追随技术的脚步，迎接新的挑战。

文章参考：

1. SIP 教程：https://www.w3cschool.cn/session_initiation_protocol/
2. Freeswitch权威指南