Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №8

Применение чипов Ethernet-коммутаторов в медиашлюзах

Катлеров Павел


Переход к объединению сетей на основе коммутации пакетов сегодня очевиден. Глобальные поставщики услуг телефонии способствуют массовому внедрению VoIP, руководствуясь в равной мере тревогой и интересом к новым возможностям. С одной стороны, операторы опасаются, что могут потерять значительную часть абонентов, которые предпочтут IP-телефонию, предоставляемую конкурентами. С другой — в новых услугах на базе VoIP они видят новые источники прибылей. При переходе к пакетным сетям будут использоваться пакетные коммутаторы для телефонии, чтобы передавать голос традиционных телефонных сетей общего пользования (ТСОП) поверх IP-инфраструктуры. Проблема состоит в том, чтобы в новом оборудовании на базе пакетных коммутаторов обеспечить такой же уровень качества и надежности, как у ТСОП.

Введение в пакетные коммутаторы

Для того чтобы удовлетворить нужды поставщиков услуг телефонии и Интернета, пакетные коммутаторы следующего поколения должны предоставлять мультимедийные услуги на базе VoIP и обеспечивать качество связи (QoS), надежность и гибкость архитектуры. Под термином «пакетный коммутатор», как правило, понимают контроллер медиашлюзов или соединений, который управляет работой медиашлюзов и устанавливает связи между абонентами в сети.

Пакетный коммутатор может быть реализован в одном устройстве, однако многие компании разделяют его на два и более устройств: контроллер медиашлюза, шлюз сигнализаций и медиашлюз. К числу мировых производителей оборудования для NGN на базе пакетных коммутаторов принадлежат Cisco, Huawei, ZTE, Alcatel, Ericsson, Lucent, Motorola, Nortel, Marconi, Siemens и Sonus. Теперь слово за отечественными компаниями-производителями: поддержат ли они мировую тенденцию?

Медиашлюз в составе пакетного коммутатора

Медиашлюз объединяет различные типы цифровых потоков для установления телефонного соединения, а также передачи данных. Это устройство может иметь в составе интерфейсы телефонной сети E1, E3 или STM1, а также интерфейсы ATM- и IP-сетей для поддержки VoIP-звонков. Контроллер медиашлюза формирует инструкции для объединения различных потоков между интерфейсами шлюза и исключения пауз для абонентов. Одна из задач медиашлюза — обеспечить качество предоставляемых сетью услуг (QoS) посредством подавления эха в линии, управления буфером джиттера, приоритезации различных видов пакетного трафика. Если медиашлюз обеспечивает функциональность шлюза сигнализаций, то он также занимается преобразованием сигнализации от ТСОП к IP-сети, предоставляя интерфейсы сигнализаций SS7 и MF. Контроллер медиашлюзов обладает функциями установления соединения, перенаправления звонков, биллингом, сигнализацией, дополнительными услугами, а также отражает интеллект системы. Он может управлять несколькими географически удаленными медиашлюзами посредством TCP/IP-соединения.

Рис. 1. Архитектура системы на базе медиашлюза. 1 — модуль управления и синхронизации, 2 — модуль интерфейса в IPGсети, 3 — EthernetGкоммутатор, 4 — модули доступа в сеть TDM, 5 — драйвер шины

Технологические трудности перехода к новым сетям

Поскольку IP не проектировался для услуг реального времени, адаптация IP-сети для задач телекоммуникаций требует улучшения QoS, доступности узлов сети и безопасности. Характеристики трафика для передачи голоса и данных существенно различаются. Когда смесь разнородного трафика в сети возрастает, увеличивается и количество технических трудностей у операторов. Например, телефонный трафик выдвигает жесткие требования: малая задержка пакетов, низкий джиттер (вариация задержки), малый процент потери пакетов, защита от атак, направленных на отказ сети (DoS).

При построении сети, адаптированной для услуг IP-телефонии, необходимо учитывать следующие фундаментальные параметры:

  • возможность передачи мультисервисного и выделенного голосового трафика;
  • средний джиттер;
  • доступность узлов сети;
  • задержка голоса при передаче между крайними узлами сети;
  • потеря пакетов при передаче голоса;
  • время переключения на резерв в центральном коммутаторе;
  • высокая безопасность информации и защита от сетевых атак.

Чтобы обеспечить телефонное качество связи, медиашлюзы должны разрабатываться для обеспечения качества услуг (QoS), необходимого для IP- и ATM-сетей. Для IP-сетей системы должны поддерживать биты Type of Service (TOS), которые позволяют провайдерам устанавливать высокие приоритеты голосового трафика. Кроме того, необходима поддержка стандарта MPLS. В ATM-сетях требуется использовать Constant Bit Rate (CBR), чтобы гарантировать доставку ячеек.

Таким образом, медиашлюз должен обеспечить:

  • преобразование информации из тайм-слотов, используемых в системах с временным уплотнением каналов, в пакеты;
  • сжатие голоса для экономии полосы канала;
  • канальную обработку: подавление эха в линии, управление буфером джиттера и компенсацию потерянных сетью пакетов в соответствии с QoS;
  • вставление необходимых служебных сигналов в канал связи: сигналы вызова и ожидания, а также комфортный шум линии;
  • обнаружение специфических событий звонка: состояние трубки (положена или поднята) и активность канала.

Применение Ethernet коммутаторов в медиашлюзах

За последние годы производители полупроводников значительно адаптировали Ethernet-коммутаторы и DSP (цифровые сигнальные процессоры) для применения этих чипов в пакетных коммутаторах и медиашлюзах. DSP усовершенствовали по количеству MIPS (миллионов инструкций в секунду), MMAC/с (миллионов умножений с накоплением в секунду), увеличили рабочие частоты и объем интегрированной памяти. Ethernet-коммутаторы также развиваются, удешевляя цену за порт. Ethernet — это стандарт, надежная технология, широко внедряемая и поддерживаемая многими сетевыми инженерами. Как и DSP, Ethernet-коммутаторы наращивают количество интегрированных портов, объем внутренней памяти, приобретая дополнительную функциональность.

Большинство недорогих Fast Ethernet-коммутаторов, выпускаемых промышленностью, содержат в одном чипе PHY (блок физического уровня) иMAC (блок управления доступом к среде). Но если PHY и MAC в одном чипе — это преимущество для некоторых устройств, то интеграция PHY является неоптимальным решением, когда коммутатор необходим для объединения DSP в медиашлюзе. Поскольку DSP содержат только MAC-интерфейсы, им потребуется дополнительный внешний PHY, чтобы правильно подключиться к Ethernet-коммутатору со встроенным PHY. Компания Zarlink Semiconductor предлагает другой подход: подключать Ethernet-коммутаторы к DSP напрямую, обеспечивая MAC-to-MAC-соединение. Расширенные функции QoS и классификатора потоков, свойственные такому коммутатору, позволяют убрать из схемы ПЛИС, как правило, необходимую для поддержки дополнительной функциональности, отсутствующей в обычных Ethernet-коммутаторах.

Рис. 2. Архитектура современных плат преобразования голоса в медиашлюзе

Сравним подходы, используемые в архитектурах медиашлюзов с применением стандартных Ethernet-коммутаторов с интегрированным PHY и в архитектурах следующего поколения, созданных на базе Ethernet-коммутаторов без PHY, имеющих дополнительную функциональность в виде QoS и классификатора потоков.

Сегодня большинство плат преобразования голоса, предназначенных для медиашлюзов, создается на основе DSP, осуществляющих преобразование TDM-потока в пакеты. В состав таких плат, как правило, входят:

  1. Ethernet-коммутатор для мультиплексирования пула DSP;
  2. управляющий процессор или ПЛИС для передачи сигнализации и управления платой;
  3. иногда может применяться ПЛИС, преобразующая VoIP-трафик для специальных DSP;
  4. TDM-коммутатор для управления TDM-трафиком.

Распространенные Ethernet-коммутаторы с встроенным PHY требуют дополнительных внешних PHY для соединения с пулом DSP, что ведет к неразумному расходу энергии и места на плате. Некоторые медиашлюзы используют ПЛИС для управления преобразованием голосового трафика в DSP, так как эта функциональность отсутствует во многих Ethernet-коммутаторах.

В следующем поколении плат преобразования голоса общее число компонентов уменьшится, но при этом увеличится производительность пула DSP на каждой плате. Zarlink выпускает несколько серий Ethernet-коммутаторов, разработанных для медиашлюзов следующего поколения. Решения на базе DSP с коммутатором фирмы Zarlink позволяют уменьшить размеры плат и потребление энергии, а также получить расширенные функции QoS. Ethernet-чипы от Zarlink предоставляют разработчикам полную функциональность: классификацию и фильтрацию пакетов, прямое подключение к пулу DSP за счет прямых MAC-to-MAC-подключений между DSP и коммутатором Zarlink, без дополнительных блоков преобразования интерфейсов. Zarlink поддерживает несколько интерфейсов, описанных стандартом IEEE 802.3, включая MII и GMII, а также принятые в отрасли интерфейсы RMII и SMII. Большинство DSP-чипсетов с Ethernet совместимо хотя бы с одним из этих интерфейсов.

Стандарт IEEE 802.3 предписывает для интерфейса MII, что PHY должен обеспечить сигналы синхронизации TX&RX для MAC. При MAC-to-MAC-подключении потребуется дополнительный блок, генерирующий сигналы синхронизации, так как оба MAC'а будут ожидать сигналы синхронизации на входе. Zarlink позаботился и об этом: в дополнительном блоке нет необходимости, поскольку MAC коммутатора генерирует частоты синхронизации. Этот интерфейс известен как Reverse MII (RvMII). На платах с большим количеством DSP разводка MAC-to-MAC-соединений — непростая задача. В таких случаях используют интерфейсы с меньшим числом сигналов, например RMII или SMII.

Рис. 3. Архитектура медиашлюза на основе DSP и многофункционального EthernetGкоммутатора фирмы Zarlink

Коммутаторы фирмы Zarlink позволяют распознавать настраиваемые шаблоны и предоставляют потоковый движок, поддерживающий L2-L7-классификацию и коммутацию потоков на базе стандартных или заданных пользователем форматов фрейма. Это предоставляет большую гибкость в управлении пулом DSP, поддержку сигнализации и управляющей информации, которая может теперь быть упакована в нестандартные типы пакетов.

В дополнение к жестко запрограммированным шаблонам, которые распознают стандартные типы фреймов Ethernet, Zarlink предоставляет программируемый движок распознавания шаблонов — секвенсор для поддержки типов фреймов, настраиваемых пользователем. Секвенсор — это патентованный микроконтроллер последовательности, позволяющий разбирать Ethernet-заголовок, используя условный алгоритм (if-then-else), поддерживающий до 15 точек принятия решения и возможность разбирать до 96 байт заголовка пакета.

Потоковый движок фирмы Zarlink применяет правила по одному или нескольким полям, чтобы принять решение о классификации и коммутации. В платах конверсии голоса он может определять потоки голоса, адресованные в DSP, сигнализацию или пакеты управления линейной платой, направляемые на локальный порт.

Одним из механизмов коммутации, используемых в платах конверсии голоса, является перенаправление потоков на нужный DSP на основе логических портов уровня L4. Обычно требуется дополнительная ПЛИС, устанавливаемая перед коммутатором для отображения уровней L4 в L2. Коммутаторы Zarlink поддерживают коммутацию на базе логических портов UDP/TCP уровня L4, что позволяет исключить ПЛИС. Коммутатор также может осуществлять подмену конечных MAC-адресов для использования только одного MAC-адреса в плате конверсии голоса, вместо множества MAC-адресов для каждого DSP в пуле.

Распространение медиашлюзов приводит к развитию Ethernet-коммутаторов, которые уже сегодня позволяют уменьшить число компонентов системы и обеспечить надежный, экономичный транспорт. Многие из ведущих компаний, — производителей пакетных коммутаторов и медиашлюзов, проектируют новое поколение медиашлюзов, чтобы добиться лидирующих позиций на развивающемся рынке VoIP.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке