軟交換系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張建中

(河北遠(yuǎn)東哈里斯通信有限公司,河北石家莊050200)

0 引言

軟交換概念的提出至今,經(jīng)過了多年的發(fā)展實(shí)踐,相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范正逐步成熟和完善。人們對軟交換技術(shù)的認(rèn)識和應(yīng)用的思路也隨著實(shí)際工作的深入和實(shí)踐領(lǐng)域的拓寬,發(fā)生了相應(yīng)的變化和重點(diǎn)的轉(zhuǎn)移。

軟交換機(jī)是電路交換網(wǎng)向分組網(wǎng)演進(jìn)的核心設(shè)備,也是下一代網(wǎng)絡(luò)的重要設(shè)備之一,它獨(dú)立于底層承載協(xié)議,主要完成呼叫控制、媒體網(wǎng)關(guān)接入控制、資源分配、協(xié)議處理、路由、認(rèn)證和計(jì)費(fèi)等主要功能,并可以向用戶提供現(xiàn)有電路交換機(jī)所能提供的所有業(yè)務(wù)以及多樣化的第三方業(yè)務(wù)。它基于業(yè)務(wù)與控制相分離、控制與承載相分離的思想,通過開放的接口和業(yè)務(wù)提供的靈活性帶來網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加清晰、業(yè)務(wù)提供更加豐富靈活、建設(shè)和維護(hù)更加有效等好處。

軟交換系統(tǒng)在公網(wǎng)的應(yīng)用部署已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)定的發(fā)展時期,而在專網(wǎng)通信系統(tǒng)中軟交換系統(tǒng)的建設(shè)也即將進(jìn)入快速發(fā)展期。軟交換系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展需要學(xué)術(shù)界、工程界、用戶和設(shè)備制造商等多方的努力才能發(fā)展得更好。以遠(yuǎn)東哈里斯通信有限公司的軟交換機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),描述了一個軟交換機(jī)系統(tǒng)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)及要求

軟交換機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是以原信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YD 1434-2006-I軟交換設(shè)備總體技術(shù)要求》為設(shè)計(jì)依據(jù)的,并嚴(yán)格遵循該標(biāo)準(zhǔn)中對關(guān)鍵功能、技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)架構(gòu)和業(yè)務(wù)提供等方面的設(shè)計(jì)要求;同時,系統(tǒng)開發(fā)完畢后的功能測試也以能通過《YD 1435-2006-I軟交換設(shè)備測試方法》中規(guī)定的測試項(xiàng)目為最低要求。

在保證符合《YD 1434-2006-I軟交換設(shè)備總體技術(shù)要求》中規(guī)定的各項(xiàng)要求的前提下,重點(diǎn)設(shè)計(jì)了如下的功能:

①系統(tǒng)的高可靠性;

②系統(tǒng)對多種終端協(xié)議類型和中繼協(xié)議類型的支持;

③大容量,支持10萬用戶以上規(guī)模的應(yīng)用;

④行政通信與調(diào)度通信可以合一;

⑤支持多種組網(wǎng)方式;

⑥支持多種寬窄帶業(yè)務(wù),并提供業(yè)務(wù)開發(fā)接口;

⑦系統(tǒng)具備完善的監(jiān)控和管理能力。

對于上述重點(diǎn)設(shè)計(jì)要求,在進(jìn)行系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,均提出了有針對性的技術(shù)解決設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟交換機(jī)系統(tǒng)軟件的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)共分為6個子系統(tǒng):協(xié)議接入和適配子系統(tǒng)、通用呼叫和資源控制子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)接入子系統(tǒng)、公共服務(wù)子系統(tǒng)、HA高可用子系統(tǒng)、操作維護(hù)管理(OAM)子系統(tǒng),其中有些子系統(tǒng)又可細(xì)分為更具體的下一級子系統(tǒng)或功能模塊。下面將逐一對每一個子系統(tǒng)的功能、關(guān)鍵子模塊及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

圖1 軟交換系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2.1 協(xié)議接入和適配子系統(tǒng)

協(xié)議接入和適配子系統(tǒng)主要完成對多種終端協(xié)議和中繼協(xié)議的接入和適配工作。該子系統(tǒng)以模塊化的形式實(shí)現(xiàn)了對多種協(xié)議的接入設(shè)計(jì),同時也便于增加新的接入?yún)f(xié)議。其中協(xié)議接入適配模塊的設(shè)計(jì)功能是將各種不同的協(xié)議信令抽象轉(zhuǎn)化為軟交換系統(tǒng)內(nèi)部的統(tǒng)一消息,或?qū)⑼ㄓ煤艚泻唾Y源控制子系統(tǒng)下達(dá)的控制指令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的協(xié)議信令并傳遞給協(xié)議模塊;各個協(xié)議模塊分別完成對應(yīng)的協(xié)議消息的接收/發(fā)送、解包/打包等功能。由于篇幅限制,下面僅給出了七號信令接入模塊和SIP協(xié)議接入模塊的框架結(jié)構(gòu)。

2.2 通用呼叫和資源控制子系統(tǒng)

通用呼叫和資源控制子系統(tǒng)完成對呼叫的處理和控制(包括呼叫控制、連接承載控制、資源控制等),并在呼叫事件符合應(yīng)用業(yè)務(wù)所設(shè)定的觸發(fā)點(diǎn)時,激活上層的應(yīng)用業(yè)務(wù)來對呼叫進(jìn)行控制。該子系統(tǒng)是軟交換機(jī)的核心控制模塊,呼叫關(guān)聯(lián)模型和基本呼叫處理是它的2個關(guān)鍵模塊。呼叫關(guān)聯(lián)模型和基本呼叫處理2個模塊的設(shè)計(jì)吸收了智能網(wǎng)技術(shù)中成熟的呼叫模型技術(shù),并對其進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)充。其中,基本呼叫處理模塊主要實(shí)現(xiàn)呼叫控制和連接承載控制功能,而呼叫關(guān)聯(lián)模型模塊一方面向上層提供呼叫的關(guān)聯(lián)關(guān)系,另一方面實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)控制、多點(diǎn)控制和多媒體處理功能。鑒權(quán)與認(rèn)證和資源管理是該子系統(tǒng)的另外2個關(guān)鍵模塊,它們負(fù)責(zé)對軟交換機(jī)控制下的網(wǎng)關(guān)、終端和媒體服務(wù)器等周邊設(shè)備進(jìn)行鑒權(quán)和維護(hù)管理。

通用呼叫和資源控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SIP Server或者H.323網(wǎng)守的大部分功能,在實(shí)際使用中,可代替SIP Server或H.323網(wǎng)守來使用。接入模塊的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 接入模塊的框架結(jié)構(gòu)

2.3 業(yè)務(wù)接入子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)接入子系統(tǒng)主要完成提供部分內(nèi)嵌業(yè)務(wù)邏輯和對外提供業(yè)務(wù)開發(fā)接口以便于新業(yè)務(wù)的提供。其中內(nèi)嵌業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)主要提供各種補(bǔ)充業(yè)務(wù),箭頭表示消息的傳遞方向。INAP協(xié)議適配接口子系統(tǒng)用于與業(yè)務(wù)控制點(diǎn)(SCP)設(shè)備進(jìn)行連網(wǎng),SCP設(shè)備通過INAP協(xié)議為軟交換系統(tǒng)提供智能網(wǎng)業(yè)務(wù)。安全管理接口子系統(tǒng)為PARLAYAPI和JAIN API業(yè)務(wù)接口提供安全管理功能。PARLAY API模塊和JAIN API模塊負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)能力適配子系統(tǒng)呈現(xiàn)的業(yè)務(wù)視圖分別使用PARLAY API和JAIN API的形式來呈現(xiàn)給外部應(yīng)用服務(wù)器,并由外部服務(wù)器上運(yùn)行的業(yè)務(wù)邏輯通過調(diào)用PARLAYAPI或JAIN API來為軟交換系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)能力適配子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將系統(tǒng)內(nèi)的私有的業(yè)務(wù)能力適配統(tǒng)一消息分別在其上層系統(tǒng)所使用的協(xié)議、消息或API之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

業(yè)務(wù)接入子系統(tǒng)在內(nèi)嵌業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了調(diào)度通信業(yè)務(wù)邏輯,該業(yè)務(wù)邏輯通過SIP協(xié)議和外部調(diào)度臺進(jìn)行通信,共同配合組成一個完整的調(diào)度通信系統(tǒng)。通過許可文件可屏蔽軟交換機(jī)的調(diào)度通信業(yè)務(wù),使軟交換系統(tǒng)專一完成語音、數(shù)據(jù)和多媒體的行政通信功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 內(nèi)嵌業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2.4 公共服務(wù)子系統(tǒng)

公共服務(wù)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)屏蔽操作系統(tǒng)的差異性,并為操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用提供各種基本功能的二次封裝,例如內(nèi)存管理、定時服務(wù)和信號量等。該子系統(tǒng)是由眾多函數(shù)庫和服務(wù)進(jìn)程組成。公共服務(wù)子系統(tǒng)為特殊條件下的系統(tǒng)移植打下了良好的基礎(chǔ)。

2.5 高可用子系統(tǒng)

高可用子系統(tǒng)(High Availability Subsystem,HA)負(fù)責(zé)整個軟交換機(jī)系統(tǒng)的熱冗余備份功能的實(shí)現(xiàn)。軟交換機(jī)被設(shè)計(jì)成為了1+1熱冗余備份的系統(tǒng),平時工作時分主用機(jī)架和備用機(jī)架,主用機(jī)架之上的HA高可用子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將主邊呼叫中的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時的發(fā)送到備用機(jī)架,并由備邊HA高可用子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分發(fā)給各個相關(guān)進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)更新,同時HA高可用子系統(tǒng)負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性;另外,當(dāng)備邊重啟完成后,備邊的HA高可用子系統(tǒng)負(fù)責(zé)向主邊的HA高可用子系統(tǒng)索要冗余數(shù)據(jù)。HA高可用子系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和模塊構(gòu)成如圖4所示。

圖4 HA高可用子系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2.6 OAM子系統(tǒng)

OAM子系統(tǒng)是由多個獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)程組成,每一個進(jìn)程完成一個特定的功能。這些進(jìn)程與外部的GUI程序或者WEB應(yīng)用程序進(jìn)行消息通信,從而完成人機(jī)交互;對內(nèi)與軟交換機(jī)內(nèi)部的各模塊或子系統(tǒng)使用私有協(xié)議進(jìn)行消息交換。OAM子系統(tǒng)完成的功能如下:命令行解析和處理、提供SNMP協(xié)議接口、數(shù)據(jù)配置管理、CDR管理、錯誤管理、告警管理、消息和信令跟蹤、日志管理、業(yè)務(wù)量統(tǒng)計(jì)、內(nèi)存數(shù)據(jù)管理、擁塞控制和系統(tǒng)安全管理等功能。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

考慮到基于ATCA(高級電信計(jì)算架構(gòu))技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺是技術(shù)發(fā)展的趨勢,以及該平臺在系統(tǒng)擴(kuò)展性、可靠性、穩(wěn)定性、計(jì)算能力上的優(yōu)越表現(xiàn),軟交換機(jī)的硬件平臺采用了ATCA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱和單板。

為了滿足電信級的應(yīng)用需求,操作系統(tǒng)采用了符合CGL 4.0規(guī)范的、WindRiver公司的、電信級的、實(shí)時的、嵌入式的Linux操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)核心模塊的開發(fā)全部采用的是標(biāo)準(zhǔn)C語言,少量程序采用了Shell編程。外部GUI采用Delphi語言,Web 應(yīng)用則采用了 Perl、ASP.net、Java等語言。

為了保證系統(tǒng)在大話務(wù)量下對數(shù)據(jù)存取的速度要求,系統(tǒng)采用了高速內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù),關(guān)鍵數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存,系統(tǒng)負(fù)載較輕時再進(jìn)行硬盤數(shù)據(jù)的交換。

依據(jù)軟交換機(jī)許可文件提供的系統(tǒng)最大并發(fā)數(shù)等數(shù)據(jù),系統(tǒng)在進(jìn)行初始化時,會依據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的內(nèi)存池分配,對能夠處理的最大呼叫量、允許注冊的最大用戶數(shù)、業(yè)務(wù)呼叫量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)在各個模塊或進(jìn)程內(nèi)所需要的內(nèi)存池buffer個數(shù)和大小,進(jìn)行精確的計(jì)算和分配,從而可以根據(jù)實(shí)際需求對硬件能力和系統(tǒng)容量進(jìn)行精確的配置。

4 結(jié)束語

描述了一個軟交換機(jī)系統(tǒng)軟件的框架功能結(jié)構(gòu)及其概要實(shí)現(xiàn)過程,論述的設(shè)計(jì)思想已經(jīng)被應(yīng)用于實(shí)踐開發(fā)。經(jīng)實(shí)踐證明,該框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路清晰,結(jié)構(gòu)合理,充分實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和目標(biāo),對實(shí)際開發(fā)工作有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。同時提及的設(shè)計(jì)思想對于同類開發(fā)或研究項(xiàng)目而言也是一種有益的參考。

[1]YD 1434-2006-I.軟交換設(shè)備總體技術(shù)要求[S],2006.

[2]YD 1435-2006-I.軟交換設(shè)備測試方法[S],2006.

[3]齊幸輝.軟交換內(nèi)嵌業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2009,35(366):45-47.

[4]李亞波,陳俊亮,蘇 森.基于通用呼叫控制模型的軟交換體系設(shè)計(jì)[J].通信學(xué)報(bào),2003,24(3):78-85.