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基于ATCA或MicroTCA的獨立信令網(wǎng)關設計

2009/07/17

  信令網(wǎng)關用于橋接下一代IP網(wǎng)絡和傳統(tǒng)的包交換電話網(wǎng)絡(PSTN),處理的主要是呼叫建立、控制和計費等信號。網(wǎng)關設計要求融合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)設計。MicroTCA、AdvancedMC硬件和現(xiàn)成軟件可以提供構(gòu)建模塊用于開發(fā)獨立的信令網(wǎng)關設計,這樣設計出來的網(wǎng)關很容易隨著IP電話需求的增加而進一步擴展。

  電話需要兩種類型的網(wǎng)關:一種是用來處理話音、視頻和數(shù)據(jù)的媒體網(wǎng)關;另一種是用來處理呼叫控制的信令網(wǎng)關。一些歐洲的電話系統(tǒng)使用相同的物理鏈路同時傳送這兩種信號,因此媒體和信令網(wǎng)關可以是同一設備。但包括北美地區(qū)的網(wǎng)絡在內(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的,因此開發(fā)人員可以將媒體和信令網(wǎng)關分割成獨立的單元。

  同時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立信令網(wǎng)關。這種網(wǎng)關可以用作兩種系統(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,從而創(chuàng)建出作為一個系統(tǒng)單元的組合式網(wǎng)關設計。這種模塊也可以用作純信令網(wǎng)關的基礎,只需簡單地增加更多的網(wǎng)關模塊就能滿足不斷增長的呼叫量需求。

  網(wǎng)關模塊的硬件設計必須提供PSTN接口,這些端口通常要處理每個SS7鏈路上64kbps數(shù)據(jù)速率的E1/T1/J1 PSTN信號,或者成組使用時的高速鏈路(透明和ATM鏈路)。網(wǎng)關還內(nèi)置能夠運行PSTN與IP網(wǎng)絡堆棧的處理器和至少兩個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。雖然這看起來簡單,但獨立網(wǎng)關模塊的設計可能是一個很大的挑戰(zhàn)。

  為滿足電信需要,網(wǎng)關必須被設計成在99.999%時間里都能可靠工作。這要求網(wǎng)關能理軟硬件故障,同時保持連續(xù)的服務。升級和/或替換硬件和軟件的能力是支持99.999%的另一項重要措施,要求網(wǎng)關具備負載均衡和故障轉(zhuǎn)移的軟件冗余能力。此外,支撐這些軟件的硬件,包括模塊、機架、電源模塊、風扇和互連,必須檢測和響應系統(tǒng)故障(使用冗余硬件),提供熱插拔功能,并支持軟件/固件升級機制。

  系統(tǒng)管理支持也是必需的,因為網(wǎng)關一般在“黑盒”似的網(wǎng)絡中運行,在工作過程中沒有操作人員介入。因此它需要具有硬件及協(xié)議棧操作的自我管理功能,包括故障檢測和響應等。此外,當在網(wǎng)絡中第一次安裝網(wǎng)關時,設計需要支持網(wǎng)關操作的設置和控制。

  滿足網(wǎng)關需要的xTCA規(guī)范

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

  這樣,在開始時設計基于ATCA或MicroTCA規(guī)范的信令網(wǎng)關之前,很多工作都已完成,它們就是來自不同提供商的現(xiàn)成硬件和軟件。這些規(guī)范的控制機構(gòu)PICMG(PCI工業(yè)計算機制造商組織)啟動了一個互操作性程序來提升互操作性能,從而讓設計師有更多時間完成組件的混合和匹配。

  ATCA和MicroTCA都使用模塊化設計方法在其組件中創(chuàng)建了系統(tǒng)管理和熱插拔功能。作為這種方法的一部分,高級夾層卡(AMC)最初就是針對ATCA靈活性的擴展而開發(fā)的(通過為I/O等目標提供可熱插拔的夾層卡),后來經(jīng)過擴展變成了MicroTCA的基礎部分。

  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,一個通用的AMC設計不加修改就可以在系統(tǒng)中使用,因此具有很大的可擴展性。

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

  對于MicroTCA來說,機箱內(nèi)的MCH(MicroTCA carrier hub)提供系統(tǒng)管理以及與每個模塊的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打開或關閉AMC,詢問AMC,甚至取消它們的背板訪問功能,因此MCH能夠提供模塊級的電子鍵控、故障檢測和故障隔離等服務。


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

  例如,愛默生的Centellis 1000 MicroTCA機箱就提供了冗余電源和單個MCH模塊。它能容納多達10個新增的全尺寸AMC,能支持各種應用。Centellis 500 MicroTCA機箱是一種低成本的入門級解決方案,采用一個標準的MicroTCA MCH和電源模塊,支持4個中等尺寸的AMC。這兩種解決方案在網(wǎng)關尺寸和特別應用架構(gòu)方面為設計師提供了很大的靈活性。

  獨立信令網(wǎng)關設計師可以從針對MicroTCA系統(tǒng)的AMC設計開始,并根據(jù)需要利用不同的MicroTCA機箱類型進行擴展,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)關所需的所有硬件,并有足夠的空間提供到PSTN的多個前面板連接,因此在一塊卡上可以實現(xiàn)所有的功能。

  在MicroTCA架構(gòu)中,這些AMC模塊可以插入與協(xié)議無關的交換式串行背板。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,無需額外的轉(zhuǎn)換。

  網(wǎng)關軟件要求

  針對信令網(wǎng)關設計的軟件比較復雜。雖然硬件包含了大部分通用網(wǎng)絡接口、處理器和存儲器,但軟件必須完成各種不同協(xié)議之間的信號轉(zhuǎn)換,同時實現(xiàn)高可靠行為。在PSTN側(cè)是時間復用的SS7呼叫控制協(xié)議,另一側(cè)是以數(shù)據(jù)包為基礎的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。

  信令網(wǎng)關的任務是確保在一個網(wǎng)絡上產(chǎn)生的信令能夠到達另一個網(wǎng)絡上的目的地。另外,兩個PSTN網(wǎng)絡可以通過中間的IP網(wǎng)絡實現(xiàn)連接。媒體網(wǎng)關(MG)將語音、視頻和數(shù)據(jù)從IP網(wǎng)絡傳送/轉(zhuǎn)換到另一個MG或IP端點。信令網(wǎng)關(SG)用于封裝SS7控制信令并將它們發(fā)送到媒體網(wǎng)關控制器(MGC,也稱為軟交換)。MGC需要管理這些信令進入和離開IP網(wǎng)絡時的連接,并需要處理IP網(wǎng)絡中發(fā)起的連接。當IP網(wǎng)絡鏈接著兩個PSTN網(wǎng)絡時,SG也能封裝SS7信令,并通過IP網(wǎng)絡傳送到另外一個SG,因此一個具有完整橋接功能的網(wǎng)絡具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)。


   幸運的是,就象硬件一樣,現(xiàn)成標準的構(gòu)建模塊大大地簡化了獨立型信令網(wǎng)關的軟件設計。其中一個重要的組件是SIGTRAN協(xié)議棧,它能支持在IP網(wǎng)絡上傳送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)絡上傳送控制信號。

   SIGTRAN適配層則針對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)關終結(jié)MTP層。當IP鏈接到PSTN電話時,SIGTRAN適配層將信令從上層傳送到軟交換進行處理;或者簡單地將本質(zhì)上完整的消息傳送給另一SG,然后再沿途送達另一個PSTN。

  系統(tǒng)設計決策

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

  創(chuàng)建網(wǎng)關的一種方法是使用兩個不同的AMC模塊:一個處理SS7接口,一個處理IP接口。這些模塊將分割SIGTRAN堆棧,并通過高速背板鏈路(如PCI Express)進行通信。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AMC模塊上。這種方法具有多個顯著的優(yōu)勢,這些優(yōu)勢可以彌補許多部署條件下減少了的呼叫處理密度。第一個優(yōu)勢是單模塊設計可以簡化故障轉(zhuǎn)移。兩個模塊可以分擔SS7信令處理負載,每個模塊運行在40%的容量。這樣當發(fā)生故障時,系統(tǒng)可以簡單地將所有業(yè)務切換到余下的模塊上進行處理,直到故障模塊通過熱插拔替換掉。由于所有功能都在單個模塊設計中實現(xiàn),熱插拔仍很簡單,因為不需要重新初始化合作模塊。

  單模塊設計方法的另一個優(yōu)勢是它能提供更精細的顆粒用于系統(tǒng)擴展。SS7信令較低的帶寬意味著單模塊設計可以處理數(shù)量眾多的SS7鏈路。這也意味著開發(fā)人員可以在小型MicroTCA機箱(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上最流行的小型網(wǎng)關的需求。如果容量要求提高,系統(tǒng)能以適度的成本得到逐步擴展,不用象雙模塊方法中那樣高成本和大幅度。

  單模塊設計提供了最低成本的信令網(wǎng)關市場準入。由于設計專注于一個AMC,因此該設計無疑是系統(tǒng)中最基礎的部分,具有可能最低的成本。

  另外一個額外的好處是應用的靈活性。AMC可以當作具有完整功能的SG黑盒,因此為MicroTCA系統(tǒng)創(chuàng)建的單卡SG還可以插入ATCA MG卡設計中,形成統(tǒng)一的網(wǎng)關設計。SG AMC還能簡單地占用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xTCA的AMC上實現(xiàn)獨立的信令網(wǎng)關,可以讓設計師開發(fā)出具有完整冗余性和擴展能力、從小尺寸到中等尺寸的各種產(chǎn)品。此外,通過集成進ATCA卡,AMC設計還能為更大的系統(tǒng)提供信令網(wǎng)關功能。因此,隨著通信領域從PSTN向IP網(wǎng)絡的持續(xù)過渡,這種設計完全可以滿足當前和未來的通信產(chǎn)業(yè)需求。


電子系統(tǒng)設計


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