基于ATCA和MicroTCA的獨(dú)立信令網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

信令網(wǎng)關(guān)用于橋接下一代IP網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的包交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)，處理的主要是呼叫建立、控制和計(jì)費(fèi)等信號(hào)。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)要求融合IP協(xié)議、傳統(tǒng)的交換電路協(xié)議、操作系統(tǒng)、管理以及高可靠性的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。MicroTCA、AdvancedMC硬件和現(xiàn)成軟件可以提供構(gòu)建模塊用于開(kāi)發(fā)獨(dú)立的信令網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的網(wǎng)關(guān)很容易隨著IP電話需求的增加而進(jìn)一步擴(kuò)展。

電話需要兩種類型的網(wǎng)關(guān)：一種是用來(lái)處理話音、視頻和數(shù)據(jù)的媒體網(wǎng)關(guān)；另一種是用來(lái)處理呼叫控制的信令網(wǎng)關(guān)。一些歐洲的電話系統(tǒng)使用相同的物理鏈路同時(shí)傳送這兩種信號(hào)，因此媒體和信令網(wǎng)關(guān)可以是同一設(shè)備。但包括北美地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的其它系統(tǒng)是在不同的物理鏈路上傳送信令和媒體這兩種信號(hào)的，因此開(kāi)發(fā)人員可以將媒體和信令網(wǎng)關(guān)分割成獨(dú)立的單元。

同時(shí)滿足上述兩種部署方案的方法之一是創(chuàng)建以模塊形式存在的獨(dú)立信令網(wǎng)關(guān)。這種網(wǎng)關(guān)可以用作兩種系統(tǒng)中的組件或構(gòu)建模塊。這樣的模塊可以插入可用的AMC站點(diǎn)，從而創(chuàng)建出作為一個(gè)系統(tǒng)單元的組合式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。這種模塊也可以用作純信令網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)，只需簡(jiǎn)單地增加更多的網(wǎng)關(guān)模塊就能滿足不斷增長(zhǎng)的呼叫量需求。

網(wǎng)關(guān)模塊的硬件設(shè)計(jì)必須提供PSTN接口，這些端口通常要處理每個(gè)SS7鏈路上64kbps數(shù)據(jù)速率的E1/T1/J1 PSTN信號(hào)，或者成組使用時(shí)的高速鏈路(透明和ATM鏈路)。網(wǎng)關(guān)還內(nèi)置能夠運(yùn)行PSTN與IP網(wǎng)絡(luò)堆棧的處理器和至少兩個(gè)IP端口，如千兆以太網(wǎng)連接，因此它們有冗余鏈路連接到IP網(wǎng)絡(luò)。雖然這看起來(lái)簡(jiǎn)單，但獨(dú)立網(wǎng)關(guān)模塊的設(shè)計(jì)可能是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

為滿足電信需要，網(wǎng)關(guān)必須被設(shè)計(jì)成在99.999%時(shí)間里都能可靠工作。這要求網(wǎng)關(guān)能理軟硬件故障，同時(shí)保持連續(xù)的服務(wù)。升級(jí)和/或替換硬件和軟件的能力是支持99.999%的另一項(xiàng)重要措施，要求網(wǎng)關(guān)具備負(fù)載均衡和故障轉(zhuǎn)移的軟件冗余能力。此外，支撐這些軟件的硬件，包括模塊、機(jī)架、電源模塊、風(fēng)扇和互連，必須檢測(cè)和響應(yīng)系統(tǒng)故障(使用冗余硬件)，提供熱插拔功能，并支持軟件/固件升級(jí)機(jī)制。

系統(tǒng)管理支持也是必需的，因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)一般在“黑盒”似的網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，在工作過(guò)程中沒(méi)有操作人員介入。因此它需要具有硬件及協(xié)議棧操作的自我管理功能，包括故障檢測(cè)和響應(yīng)等。此外，當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)中第一次安裝網(wǎng)關(guān)時(shí)，設(shè)計(jì)需要支持網(wǎng)關(guān)操作的設(shè)置和控制。

滿足網(wǎng)關(guān)需要的xTCA規(guī)范

減少挑戰(zhàn)難度的方法之一是使用基礎(chǔ)架構(gòu)，這種基礎(chǔ)架構(gòu)能夠提供模塊/刀片要求的功能，從而讓設(shè)計(jì)師集中精力做好網(wǎng)關(guān)功能的設(shè)計(jì)。高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu)(ATCA)和MicroTCA(一起被稱為xTCA)都是能夠滿足這些系統(tǒng)需求的開(kāi)放規(guī)范。許多供應(yīng)商已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出基于這些規(guī)范的系統(tǒng)構(gòu)建模塊。

這樣，在開(kāi)始時(shí)設(shè)計(jì)基于ATCA或MicroTCA規(guī)范的信令網(wǎng)關(guān)之前，很多工作都已完成，它們就是來(lái)自不同提供商的現(xiàn)成硬件和軟件。這些規(guī)范的控制機(jī)構(gòu)PICMG(PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商組織)啟動(dòng)了一個(gè)互操作性程序來(lái)提升互操作性能，從而讓設(shè)計(jì)師有更多時(shí)間完成組件的混合和匹配。

ATCA和MicroTCA都使用模塊化設(shè)計(jì)方法在其組件中創(chuàng)建了系統(tǒng)管理和熱插拔功能。作為這種方法的一部分，高級(jí)夾層卡(AMC)最初就是針對(duì)ATCA靈活性的擴(kuò)展而開(kāi)發(fā)的(通過(guò)為I/O等目標(biāo)提供可熱插拔的夾層卡)，后來(lái)經(jīng)過(guò)擴(kuò)展變成了MicroTCA的基礎(chǔ)部分。

在ATCA中，AMC安裝在較大的系統(tǒng)卡或刀片之上，然后一起插入系統(tǒng)背板。在MicroTCA中，相同的AMC卡直接插在背板上。這樣，一個(gè)通用的AMC設(shè)計(jì)不加修改就可以在系統(tǒng)中使用，因此具有很大的可擴(kuò)展性。

ATCA和MicroTCA架構(gòu)為高可用性系統(tǒng)提供內(nèi)在的支持。每個(gè)AMC模塊都有一個(gè)模塊管理控制器(MMC)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊電源、操作和背板連接的遠(yuǎn)程控制。

對(duì)于MicroTCA來(lái)說(shuō)，機(jī)箱內(nèi)的MCH(MicroTCA carrier hub)提供系統(tǒng)管理以及與每個(gè)模塊的MMC的交互功能(圖1)。在ATCA系統(tǒng)中，這些功能由子架管理控制器和支持AMC的ATCA卡上的IPMC共同完成。MCH和MMC之間的交互能使MCH打開(kāi)或關(guān)閉AMC，詢問(wèn)AMC，甚至取消它們的背板訪問(wèn)功能，因此MCH能夠提供模塊級(jí)的電子鍵控、故障檢測(cè)和故障隔離等服務(wù)。



MicroTCA架構(gòu)內(nèi)還可選支持使用冗余電源、冷卻風(fēng)扇和MCH控制模塊，因此很容易使用運(yùn)行高可用性系統(tǒng)軟件的完整硬件冗余進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而這些軟件大部分是現(xiàn)成的。

例如，愛(ài)默生的Centellis 1000 MicroTCA機(jī)箱就提供了冗余電源和單個(gè)MCH模塊。它能容納多達(dá)10個(gè)新增的全尺寸AMC，能支持各種應(yīng)用。Centellis 500 MicroTCA機(jī)箱是一種低成本的入門級(jí)解決方案，采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MicroTCA MCH和電源模塊，支持4個(gè)中等尺寸的AMC。這兩種解決方案在網(wǎng)關(guān)尺寸和特別應(yīng)用架構(gòu)方面為設(shè)計(jì)師提供了很大的靈活性。

獨(dú)立信令網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)師可以從針對(duì)MicroTCA系統(tǒng)的AMC設(shè)計(jì)開(kāi)始，并根據(jù)需要利用不同的MicroTCA機(jī)箱類型進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足不同的電話系統(tǒng)需要。AMC的尺寸足以容納多通道網(wǎng)關(guān)所需的所有硬件，并有足夠的空間提供到PSTN的多個(gè)前面板連接，因此在一塊卡上可以實(shí)現(xiàn)所有的功能。

在MicroTCA架構(gòu)中，這些AMC模塊可以插入與協(xié)議無(wú)關(guān)的交換式串行背板。這種背板將千兆以太網(wǎng)作為其基本結(jié)構(gòu)，允許AMC模塊直接連接到IP網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需額外的轉(zhuǎn)換。

網(wǎng)關(guān)軟件要求

針對(duì)信令網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的軟件比較復(fù)雜。雖然硬件包含了大部分通用網(wǎng)絡(luò)接口、處理器和存儲(chǔ)器，但軟件必須完成各種不同協(xié)議之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高可靠行為。在PSTN側(cè)是時(shí)間復(fù)用的SS7呼叫控制協(xié)議，另一側(cè)是以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。

信令網(wǎng)關(guān)的任務(wù)是確保在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的信令能夠到達(dá)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的目的地。另外，兩個(gè)PSTN網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)中間的IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接。媒體網(wǎng)關(guān) (MG)將語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)從IP網(wǎng)絡(luò)傳送/轉(zhuǎn)換到另一個(gè)MG或IP端點(diǎn)。信令網(wǎng)關(guān)(SG)用于封裝SS7控制信令并將它們發(fā)送到媒體網(wǎng)關(guān)控制器 (MGC，也稱為軟交換)。MGC需要管理這些信令進(jìn)入和離開(kāi)IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)的連接，并需要處理IP網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起的連接。當(dāng)IP網(wǎng)絡(luò)鏈接著兩個(gè)PSTN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，SG也能封裝SS7信令，并通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳送到另外一個(gè)SG，因此一個(gè)具有完整橋接功能的網(wǎng)絡(luò)具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)。



幸運(yùn)的是，就象硬件一樣，現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建模塊大大地簡(jiǎn)化了獨(dú)立型信令網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。其中一個(gè)重要的組件是SIGTRAN協(xié)議棧，它能支持在 IP網(wǎng)絡(luò)上傳送SS7消息(圖3)。這種協(xié)議棧用一種流式控制傳送協(xié)議(SCTP)替換了SS7的MTP層，以便在IP網(wǎng)絡(luò)上傳送控制信號(hào)。



SIGTRAN適配層則針對(duì)SS7的上層協(xié)議模擬出缺少的MTP層協(xié)議，從而保持了高層消息結(jié)構(gòu)的完整性。這種結(jié)構(gòu)允許信令網(wǎng)關(guān)終結(jié)MTP層。當(dāng)IP鏈接到PSTN電話時(shí)，SIGTRAN適配層將信令從上層傳送到軟交換進(jìn)行處理；或者簡(jiǎn)單地將本質(zhì)上完整的消息傳送給另一SG，然后再沿途送達(dá)另一個(gè)PSTN。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策

AMC模塊的具體設(shè)計(jì)取決于開(kāi)發(fā)人員如何決定將模塊組合成高可用性系統(tǒng)。xTCA架構(gòu)提供了各個(gè)部件，但如何組裝這些部件有多種方法。

創(chuàng)建網(wǎng)關(guān)的一種方法是使用兩個(gè)不同的AMC模塊：一個(gè)處理SS7接口，一個(gè)處理IP接口。這些模塊將分割SIGTRAN堆棧，并通過(guò)高速背板鏈路(如PCI Express)進(jìn)行通信。以這種方式劃分SG功能可以讓硬件高效地處理大量信令。

另外一種方法是將SIGTRAN、SCTP和SS7接口放在單個(gè)AMC模塊上。這種方法具有多個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)許多部署條件下減少了的呼叫處理密度。第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是單模塊設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化故障轉(zhuǎn)移。兩個(gè)模塊可以分擔(dān)SS7信令處理負(fù)載，每個(gè)模塊運(yùn)行在40%的容量。這樣當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地將所有業(yè)務(wù)切換到余下的模塊上進(jìn)行處理，直到故障模塊通過(guò)熱插拔替換掉。由于所有功能都在單個(gè)模塊設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，熱插拔仍很簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰匦鲁跏蓟献髂K。

單模塊設(shè)計(jì)方法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它能提供更精細(xì)的顆粒用于系統(tǒng)擴(kuò)展。SS7信令較低的帶寬意味著單模塊設(shè)計(jì)可以處理數(shù)量眾多的SS7鏈路。這也意味著開(kāi)發(fā)人員可以在小型MicroTCA機(jī)箱(如Centellis 500)中只使用少量模塊就能創(chuàng)建成本最低的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品正好滿足目前市場(chǎng)上最流行的小型網(wǎng)關(guān)的需求。如果容量要求提高，系統(tǒng)能以適度的成本得到逐步擴(kuò)展，不用象雙模塊方法中那樣高成本和大幅度。

單模塊設(shè)計(jì)提供了最低成本的信令網(wǎng)關(guān)市場(chǎng)準(zhǔn)入。由于設(shè)計(jì)專注于一個(gè)AMC，因此該設(shè)計(jì)無(wú)疑是系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分，具有可能最低的成本。

另外一個(gè)額外的好處是應(yīng)用的靈活性。AMC可以當(dāng)作具有完整功能的SG黑盒，因此為MicroTCA系統(tǒng)創(chuàng)建的單卡SG還可以插入ATCA MG卡設(shè)計(jì)中，形成統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。SG AMC還能簡(jiǎn)單地占用ATCA系統(tǒng)中另外未用的夾層卡槽，從而以最低的成本向中心局提供這種額外的功能。

總之，在針對(duì)xTCA的AMC上實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的信令網(wǎng)關(guān)，可以讓設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)出具有完整冗余性和擴(kuò)展能力、從小尺寸到中等尺寸的各種產(chǎn)品。此外，通過(guò)集成進(jìn)ATCA卡，AMC設(shè)計(jì)還能為更大的系統(tǒng)提供信令網(wǎng)關(guān)功能。因此，隨著通信領(lǐng)域從PSTN向IP網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)過(guò)渡，這種設(shè)計(jì)完全可以滿足當(dāng)前和未來(lái)的通信產(chǎn)業(yè)需求。