VoIP ATA設(shè)計中的考慮因素及方案比較-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯VoIPATA設(shè)計中的考慮因素及方案比較-技術(shù)方案下一代模擬電話適配器(ATA)將需要認(rèn)真處理目前尚未解決的指配和安全問題。設(shè)計者需要檢查這些要求對硬件和軟件產(chǎn)生的影響并保證使現(xiàn)有的平臺對這些有待證實的考慮具有可擴(kuò)展能力。本文將探討在VoIPATA設(shè)計中需要考慮的一些因素并對相關(guān)硬件和軟件供應(yīng)商所提供的方案做出評價。寬帶無疑為實現(xiàn)VoIP的大眾市場掃清了障礙，但的影響因素是硬件和軟件技術(shù)的進(jìn)步。為滿足用戶和運(yùn)營商對質(zhì)量、價格和性能方面的期望和要求，人們已經(jīng)付出了很大的努力。在過去的幾年里已經(jīng)出現(xiàn)了一些芯片組、固件和信令協(xié)議，這些進(jìn)步使實現(xiàn)VoIP的承諾可能在今天成為現(xiàn)實。讓我們看一下ATA。這個設(shè)備以基本的形式使VoIP得以實現(xiàn)。人們把ATA設(shè)計成一種與家庭微波產(chǎn)品、VCR或應(yīng)答器功能水平相同的設(shè)備。與任何其它產(chǎn)品相比，這類產(chǎn)品面臨著更多的設(shè)計挑戰(zhàn)。由于沒有可以向消費(fèi)者提供幫助的安裝人員或網(wǎng)絡(luò)工程師，這類產(chǎn)品必須具有極高的魯棒性。這些產(chǎn)品的價格還必須足夠低。這些要求需要工程小組付出艱苦努力才能得到滿足。硬件設(shè)計的考慮因素要生產(chǎn)出成本效益高并具有長話級音質(zhì)的產(chǎn)品，消費(fèi)級VoIPATA的硬件開發(fā)商需要權(quán)衡許多因素。內(nèi)核處理器選擇是個或許也是關(guān)鍵的決策，這個器件將決定主要的材料成本并決定外部設(shè)備、非易失性存儲和運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)存儲等基本功能。

取決于對某個專用處理器的熟悉程度，設(shè)計者可能會選擇使用某個熟悉的處理器并與面向語音處理(如壓縮、解壓縮和回聲消除)的外部DSP組合在一起。設(shè)計者通常使用32位RISC處理器來處理TCP/IP和會話啟動協(xié)議(SIP)等網(wǎng)絡(luò)和信令協(xié)議。雖然使用某個單純RISC處理器既處理語音也處理控制功能是可能的，但這很可能只能使用某個簡單的編解碼器來支持單一語音信道。雙處理器內(nèi)核的實現(xiàn)給工程師帶來更大的靈活性并具有使用單一封裝所帶來的其它優(yōu)勢。一個例子是使用帶有RISC內(nèi)核和DSP內(nèi)核的處理器。在市場上可以找到各種低成本處理器，但這類雙內(nèi)核器件目前推動著現(xiàn)有消費(fèi)類VoIP產(chǎn)品領(lǐng)域許多方面的發(fā)展。雙內(nèi)核環(huán)境確實要求進(jìn)行雙處理器軟件開發(fā)、調(diào)試和處理器間通訊管理并將加重軟件開發(fā)負(fù)擔(dān)。大多數(shù)半導(dǎo)體制造商為這個過程提供輔助工具。另一個可選方案是使用帶有雙執(zhí)行單元但只有單一指令管道的RISC/DSP處理器。RISC/DSP方案可以同時支持語音處理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能而不需要處理器間通訊。因而，這種方式可以消除RISC和DSP之間的通訊開銷并有助于保證良好的聲音質(zhì)量。大多數(shù)語音處理算法需要循環(huán)使用乘法累加(MAC)和其它數(shù)學(xué)運(yùn)算。使用帶有片上內(nèi)存、單周期MAC指令、零開銷循環(huán)、柱式位移器和模量尋址的全功能DSP可以極大地提高系統(tǒng)性能。因為不再需要分立的DSP，集成的RISC/DSP處理器消除了分立DSP的成本、降低了整體設(shè)計復(fù)雜性，另外，還可以縮短上市時間。片上外設(shè)也是設(shè)計出高成本效益VoIP產(chǎn)品的關(guān)鍵。例如，如果片上帶有雙10/100Mbps以太網(wǎng)MAC則不再需要外部以太網(wǎng)控制器并保證產(chǎn)品可以擴(kuò)展到多端口LAN/WAN配置。大多數(shù)雙MAC器件包含無需CPU干預(yù)而自動轉(zhuǎn)交以太網(wǎng)幀的集成型以太網(wǎng)網(wǎng)橋，對于不帶有集成路由器或防火墻功能的簡單器件，CPU可以專注于路由等其它任務(wù)。以大約200MIPS的速度運(yùn)行的處理器也能以接近線速支持網(wǎng)絡(luò)路由、NAT和防火墻功能。商用級器件需要強(qiáng)加密功能和用于對稱密碼的集成硬件加速。因而，隨著時間的推移，消息摘要(messagedigest)將變得日益重要。帶有發(fā)送和接收FIFO的脈沖編碼調(diào)制(PCM)接口允許設(shè)計者把各種音頻編解碼器、用于VoIP適配器音頻編解碼器與SLIC一體化器件無縫地連接起來。內(nèi)存子系統(tǒng)在VoIP產(chǎn)品設(shè)計中扮演著重要角色。我們可以把內(nèi)存子系統(tǒng)分解成4個元件：指令和數(shù)據(jù)高速緩存、DSP內(nèi)存、閃存和SDRAM。大型的片上指令和數(shù)據(jù)高速緩存可以使內(nèi)核處理器以全速運(yùn)行，而同高速緩存相關(guān)的多路器件可以提高擊中率(hitrate)。雖然需要使用閃存和SDRAM等外部內(nèi)存來完成程序存儲、代碼執(zhí)行和運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)存儲，專用的片上DSP內(nèi)存有助于保持程序參數(shù)和片上語音采樣數(shù)據(jù)從而保持處理吞吐量。設(shè)計者應(yīng)該尋找為外部SDRAM和閃存提供無膠合接口，并切記16位定長指令集處理器比32位或變長指令集處理器的代碼密度高。必須指出，由于代碼密度終決定外部存儲器需求，對OEM用戶來說，較低的密度意味著較低的成本。系統(tǒng)設(shè)計者可以使用的一種更加先進(jìn)的技術(shù)是基于系統(tǒng)級封裝(SiP)的產(chǎn)品。這是一種復(fù)雜的封裝技術(shù)，它向用戶提供了一種把SDRAM和閃存與處理器裸片堆疊在單獨BGA封裝中的方案。除了減小PCB尺寸之外，SiP技術(shù)還有許多其它優(yōu)點。通過消除外部存儲元件和外部總線，這種技術(shù)可以降低PCB的復(fù)雜性并改進(jìn)PCB的可靠性，同時確保EMI和開關(guān)噪聲。這樣可以設(shè)計出具成本效益的產(chǎn)品并減輕對存儲器元件供貨情況的擔(dān)心。DSP算法DSP的主要任務(wù)是處理語音編解碼算法。語音數(shù)據(jù)壓縮是節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬必不可少的。為了實現(xiàn)互操作，典型的VoIP產(chǎn)品支持幾種常見的ITU編解碼器(如G.711、G.723.1、G.726和G.729A)。這些編解碼器是在位速率、實現(xiàn)復(fù)雜性和語音質(zhì)量之間折衷的產(chǎn)物。例如，長話級質(zhì)量編解碼器G.711是一種簡單的編解碼器，它使用速度低于1MIPS的DSP但占用64kbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬并需要負(fù)擔(dān)用于RTP、UDP和IP報頭的開銷。G.723.1只使用5.3或6.3kbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬(包含開銷)并提供接近長話級的音質(zhì)，但它消耗更多的DSP資源(MIP和內(nèi)存)。G.726支持多個位速率(16-40kbps)，G.729A支持8kbps，這兩種編解碼器都提供近長話級話音且對DSP資源要求相對較低。以降低DSP負(fù)載為目標(biāo)的編解碼器設(shè)計優(yōu)化可以使VoIP產(chǎn)品支持更多的語音信道且無需使用更快的處理器或增加處理器數(shù)量。要保證高水平音質(zhì)和符合ITU標(biāo)準(zhǔn)需驗證編解碼器的位準(zhǔn)確度。使用一種高度復(fù)雜的編解碼器和一種實時操作系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，按照多級流水線設(shè)計、以200MHz運(yùn)行且性能達(dá)到260MIPS的RISC/DSP處理器可以支持三個語音流信道。除了編解碼器之外，還需要線回聲消除和聲學(xué)回聲消除算法來至少消除由SLIC混合阻抗失配導(dǎo)致的近端回聲和某些情況下的遠(yuǎn)端回聲。OEM廠商可以從許多軟件供應(yīng)商那里得到針對各種各樣平臺的大部分編解碼器許可。這些許可給予OEM使用某個編解碼算法特定實現(xiàn)方案的權(quán)力。。除了基本要求之外，一些處理器也提供片上IPSec加速器來減輕處理器內(nèi)核執(zhí)行VPN數(shù)學(xué)運(yùn)算的負(fù)擔(dān)。典型的例子有DES、3DES、MD5、SHA-1加速器，可以使用這些產(chǎn)品來實現(xiàn)安全通訊系統(tǒng)和支持語音的高性能安全路由器。軟件方面的考慮因素所有器件都需要操作系統(tǒng)。雖然可以使用自行開發(fā)的操作系統(tǒng)、傳統(tǒng)的RTOS或簡單的任務(wù)轉(zhuǎn)換開關(guān)，但需要經(jīng)歷漫長的開發(fā)和測試過程并需要做好不斷維護(hù)代碼庫的思想準(zhǔn)備。如果使用符合各種標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，你就可以把精力集中在保持產(chǎn)品個性化上，而你的代碼在下一代產(chǎn)品中復(fù)用的比例也會大大提高。有多種操作系統(tǒng)可供選擇，但請記住，不論對于哪一種消費(fèi)類產(chǎn)品，價格都是至關(guān)重要的。這通常把所有第三方操作系統(tǒng)(如VxWorks)排除在外并促使你把目光投向Linux、uClinux和其它開放資源的嵌入式操作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)基本上能以合理的存儲器空間向你提供完整且符合標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)網(wǎng)堆棧和廣泛的微控制器支持，但對它們進(jìn)行配置和部署有時沒有現(xiàn)成的方案。成熟的操作系統(tǒng)可以帶來很多好處，一個極好的例子是向ATA加入第二個以太網(wǎng)端口而產(chǎn)品硬件只發(fā)生很小變化。雖然在硬件上這是一個相對較小的設(shè)計變化，但導(dǎo)致從端點到路由器之間的軟件發(fā)生了巨大的改變。因而，實現(xiàn)DHCP服務(wù)器、NAT、PAT、PPPoE、網(wǎng)橋、MAC或IP尋址克隆等功能將需要某種形式的QoS和防火墻堆棧。這正是成熟的操作系統(tǒng)確實優(yōu)于自行開發(fā)或?qū)Ｓ胁僮飨到y(tǒng)的地方，對于后兩者，每個組件都代表額外的成本。QoS和延遲時間在消費(fèi)類VoIP中討論多的話題也許是服務(wù)質(zhì)量(QoS)。雖然除消費(fèi)類VoIP訂戶之外還有許多其它實現(xiàn)策略想法，理解QoS的限制和意圖是非常重要的。由于終要在公共網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，VoIP服務(wù)易于產(chǎn)生延遲抖動或數(shù)據(jù)包丟失等各種類型的中斷，這些中斷將會影響服務(wù)質(zhì)量。雖然對于數(shù)據(jù)傳輸而言這并不是一個焦點問題，但要滿足用戶對長話級音質(zhì)期望，ATA必須配備有效的抖動緩沖器。QoS只能輔助但無法完全解決這個問題。QoS意味著給“高優(yōu)先級”數(shù)據(jù)包加標(biāo)志以免由于“低優(yōu)先級”傳輸產(chǎn)生的擁擠造成延時或數(shù)據(jù)包丟失。實現(xiàn)這個目標(biāo)的一種理想方法是非常簡單地在ATA和寬帶連接之間使用帶寬保留協(xié)議(如RSVP)。通過從寬帶連接申請預(yù)定數(shù)量的帶寬，音頻流在本地不會遇到瓶頸，從而質(zhì)量得到更好的保證(但只是在它進(jìn)入公共互聯(lián)網(wǎng)之前)。另一個同QoS相關(guān)的問題是同數(shù)據(jù)包的大小有關(guān)的延遲。在低質(zhì)量ADSL的128kb上行連接中，長度為1,500字節(jié)的以太網(wǎng)幀需占用接近2個語音幀的時間長度。為解決這個問題，直接連接到寬帶調(diào)制解調(diào)器的帶有集成NAT和集成路由器功能的ATA器件可以在VoIP呼叫期間減少M(fèi)SS(片規(guī)模)或在外發(fā)數(shù)據(jù)包信息流中周期性地插入斷點，從而不管數(shù)據(jù)負(fù)載是否沉重都可以插入語音包。類似地，對于ATA正在傳送數(shù)據(jù)流、終止或啟動數(shù)據(jù)包的情況，該器件可以使用流量整形方法。這包括對某些特殊類型的數(shù)據(jù)包進(jìn)行帶寬限制并在其它等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包之前優(yōu)先發(fā)送對時間有嚴(yán)格要求的數(shù)據(jù)包。這種方式允許對數(shù)據(jù)包進(jìn)行動態(tài)分類，包括帶寬及進(jìn)入和輸出數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級。如果發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失，被激活的位于兩端的TCP流控制機(jī)制將降低發(fā)送速率。許多的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)也將對嵌入在TCP數(shù)據(jù)包報頭ToS域中的“提示”做出響應(yīng)。數(shù)據(jù)包的“區(qū)分服務(wù)(DiffServ)”類別被用來表明應(yīng)如何來處理數(shù)據(jù)包，通過授予和產(chǎn)生這個域我們可以獲得一些QoS。路由器將使用DiffServ域把語音包放置在更高優(yōu)先級的隊列中，從而保證它們得到更大比例的可用帶寬和經(jīng)歷更少的延遲和丟失。我們可以以多種方式來完成流量整形。流量整形的HTB理論及其它方法幾乎可以使用任何準(zhǔn)則把數(shù)據(jù)包分成各種隊列。使用“標(biāo)記”和“桶”的概念以及基于類的系統(tǒng)和過濾器，HTB允許對數(shù)據(jù)流進(jìn)行復(fù)雜的顆粒控制。HTB允許和帶寬分配。它也允許“較低”優(yōu)先級隊列暫時從較高優(yōu)先級隊列借用當(dāng)前并未使用的帶寬。HTB的主要優(yōu)點之一是隊列被組織成“樹”，每個分類從父節(jié)點繼承帶寬限制，從而有能力以高度顆?；姆绞綄α髁渴┘涌刂?。這是使用成熟的操作系統(tǒng)而不是定制或?qū)Ｓ蠷TOS的另一個優(yōu)點。防火墻和穿越技術(shù)NAT已經(jīng)使互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到IPv4不可能達(dá)到的水平。當(dāng)試圖達(dá)到在一個或多個NAT防火墻后面的終端用戶設(shè)備時，穿越NAT也是需要解決的挑戰(zhàn)性問題。NAT有4個典型的類型：全圓錐(cone)、地址受限的圓錐、端口受限的圓錐和對稱NAT，穿越它們的方法包括ALG、媒體隧道、第三方代理或STUN。因為提供ALG、隧道或第三方代理的前提條件是與NAT或其它設(shè)備進(jìn)行合作，要把這種方案在消費(fèi)類設(shè)備中推廣是極不現(xiàn)實的，因而作為ATA制造商，我們正在依靠自己的力量來解決NAT問題。STUN是得到廣泛應(yīng)用的方案并可以穿越大多數(shù)NAT防火墻。STUN使用一種輕量級UDP協(xié)議并使用外部STUN服務(wù)器來識別NAT防火墻所完成的變換種類。然后，在特定UDP連接上，它將確切地識別出NAT已經(jīng)選定要做的用于RTP或SIP的變換。這些信息是在沒有NAT防火墻專門合作的情況下收集得到的，此后這些信息被用于建立SIP和RTP進(jìn)程。雖然實際上所有消費(fèi)者都假定設(shè)備使用某種圓錐NAT，但在公司環(huán)境中更可能遇到的是對稱NAT。在這個情況下，需要使用ALG或本地代理。指配和管理目前，VoIP供應(yīng)商使用兩種策略來解決VoIPATA的配置問題，一種是在付運(yùn)之前進(jìn)行預(yù)配置，另一種是自動指配(通常使用TFTP)。應(yīng)該指出，非常類似于由運(yùn)營商對SIP標(biāo)準(zhǔn)所作的定制信令修正，每個服務(wù)供應(yīng)商都有自己獨特的指配模式。從可伸縮性的角度看，預(yù)配置是不現(xiàn)實的，在這里，現(xiàn)在來分析一下遠(yuǎn)程指配設(shè)備需要滿足哪些要求。一般來說，配置信息將包含SIPUID、呼叫者ID、口令、用戶申請的功能和所有其它賬號信息(可能包括E911要求的地點信息)。VoIP供應(yīng)商也將需要發(fā)現(xiàn)服務(wù)器信息(包括SIP代理服務(wù)器、固件升級服務(wù)器、媒體和功能服務(wù)器)。另外，需要給定QoS容許度、固件修改、振鈴形式、定時器和計數(shù)器的參數(shù)和變量。切合實際的實現(xiàn)方式是把從收到的設(shè)置文件解析出的數(shù)值饋送給后端MIB數(shù)據(jù)庫。然后，這個數(shù)據(jù)庫可以提取合適的資源并把所做的改變應(yīng)用到該設(shè)備。另外，使用腳本也可以得到基本相同的結(jié)果，但在可移植能力和擴(kuò)展能力上很可能要付出代價。消費(fèi)類產(chǎn)品和運(yùn)營商產(chǎn)品具有不同的管理需求。雖然運(yùn)營商傾向于希望得到可以同其現(xiàn)有的NMS相結(jié)合的設(shè)備，用戶卻要求基于網(wǎng)絡(luò)的工具且?guī)缀醪皇褂煤唵尉W(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)。