ATM交換機VOIP的設計與實現*

王建兵,康宗緒,周天翠,徐智敏

(重慶金美通信有限責任公司,重慶400030)

ATM交換機VOIP的設計與實現*

王建兵,康宗緒,周天翠,徐智敏

(重慶金美通信有限責任公司,重慶400030)

ATM(異步轉移模式)交換機由于執行了嚴格的基于連接的流量管理和擁塞控制,能為用戶提供良好的QoS(服務質量)保證,在網絡部署中得到了廣泛應用。但是隨著ATM交換機與IP網絡互連越來越廣泛,如何解決VoIP(互聯網協議電話)是ATM交換機設計面臨的重要問題。該文以ATM交換機以太網接口互連為例,對ATM交換機如何實現VoIP業務建立、撤銷及話音傳輸等方面,提出了一套完整的設計和實現方案。

異步轉移模式 服務質量 互聯網協議電話 ATM中繼仿真

0 引 言

ATM[1]交換機在骨干網和軍事通信網中得到了廣泛應用,尤其在無線、窄帶環境下仍然有廣泛的應用[2]。為了保證網絡節點間話音的有效建立,話音路由機制采用專用協議,且只能在ATM中繼接口間進行話音的建立和傳輸。但是隨著IP技術的發展,采用以太網接口的傳輸設備越來越多,因此迫切需要找到一種方法,在不修改原有話音建立和傳輸機制的情況下,實現ATM交換機以太網節點間的IP話音傳輸,用以提高網絡的整體性能。該項功能的實現與否直接關系到ATM交換機的應用范圍和生命周期。

本文通過對通用VoIP實現的基本原理、面臨的問題、話音的傳送機制及信令體系,以及ATM交換機原有的話音傳送機制及信令體系的介紹。并對兩種體制進行了分析和比較,設計了ATM中繼仿真的方式來實現以太網間的話音互通。并對信令流程、報文內容和試驗驗證等方面進行了詳細介紹。

1 通用VoIP介紹

1.1 VoIP傳送基本原理

IP語音傳送的基本原理是[3]:在發送端需將模擬語音信號轉換成數字信號、壓縮編碼處理,IP分組,經過IP網絡把數據包傳輸到接收方;在接收方的過程為發送方的逆過程,從而達到由IP網絡傳送語音的目的。其基本傳送過程如圖1所示[4]。

圖1 VoIP基本傳送過程Fig.1 Forward process of VoIP

通用VOIP的信令體系采用SIP[5]。

1.2 VoIP面臨的主要問題

如何能在實時語音的傳輸中保障良好的QoS是VoIP技術發展的關鍵。為了保證實時語音的QoS,必須對網絡的傳送帶寬、時延、丟包、抖動、包亂序和回聲等相關參數進行必要的處理。但是由于傳統的IP網絡主要是用來傳輸數據業務,采用的是盡力而為的、無連接的技術,因此沒有相應服務質量保證。

2 ATM交換機話音實現原理介紹

2.1 ATM交換機話音基本傳送原理

ATM交換機語音技術,是建立在ATM技術上的分組化、數字化的傳輸技術,它以分組的形式傳輸語音數據。其基本原理是:模擬語音信號首先經過模/數轉換變成數字信號,通過語音壓縮算法對語音數據進行壓縮編碼處理(由于語音編碼主要有比特率、質量、延遲和復雜度四種屬性。好的編碼方案,不是追求盡可能低的編碼比特率,而是根據實際應用的要求對各種屬性進行折衷,因為它們之間往往是有矛盾的。ATM交換機根據實際應用需求支持PCM、CVSD和G.729三種編碼方式,然后把這些語音數據按ATM的相關協議進行打包,經過ATM網絡把數據包傳輸到接收方,在接收方把這些語音數據包串起來,經過解碼解壓處理后,恢復成原來的語音信號,從而達到由ATM網絡傳送語音的目的。其基本傳送過程如圖2所示。

圖2 ATM語音基本傳送過程Fig.2 ATM forwarding process of VoIP of ATM

2.2 ATM交換機話音信令體系介紹

ATM交換機之間的電路網中繼業務分成兩個部分,它主要包括交換機之間的鄰居發現與維護,及交換機之間的信令與業務交互。ATM話音業務協議棧如圖3所示。

圖3 ATM話音業務協議棧Fig.3 Ptotocol stack of voice of ATM

2.3 ATM交換機話音實現過程

如圖4所示,交換機通過中繼接口互連后,中繼接口板首先實現物理層同步,并將狀態上報到控制交換板,由控制交換板啟動交換機之間的鄰居發現,并交付相關的設備信息。交換機在設備識別后,會周期性地發送維護消息,用以監測鄰居設備是否依然存在。

圖4 交換機話音實現過程Fig.4 Process of voice implementation of ATM

只有在交換機識別后,交換機間的話音才能建立。當用戶發起呼叫時,交換機將首先監測是否有已識別的鄰居設備,及帶寬等QoS參數是否滿足建立要求,如果有已識別的鄰居設備,且帶寬等QoS參數滿足要求,交換機將發送相關信令到鄰居設備嘗試建立話音連接。

3 以太網間VoIP實現方案

3.1 以太網間VoIP策略選擇

通用VoIP和ATM語音傳送要求比較如表1所示。

表1 語音傳送要求比較Table 1 Demand comparison of voice transmit

由于ATM交換機的傳送機制和IP傳送機制均是包傳送,因此他們傳送的基本流程是一致的。只是ATM傳送時的報文大小固定,且是面向連接業務,因此支持話音等實時業務的功能更好。通用VoIP需要克服的問題,如帶寬管理、時延控制、丟包、抖動和回聲等問題,在ATM交換機中已得到較好處理。ATM交換機在以太網間采用IP傳送話音需要解決的主要問題是信令體系及傳送方式的改變。由于ATM交換機研制完成,且已批量裝備,不可能對交換機的信令體系進行重新設計,因此不能直接采用通用的SIP信令體系來做為ATM交換機以太網間的信令體制;而只能采用一種與原有信令體制一致的方式來實現,即ATM中繼仿真的方式來實現。

3.2 ATM中繼仿真信令體系

以太網間ATM中繼仿真協議棧如圖5所示。由于支持交換機之間的話音中繼業務由兩個部分組成,即交換機之間的鄰居發現與維護和交換機之間的信令與業務交互。因此采用交換機通過IP子網廣播方式周期性發出在線通告消息來進行鄰居發現和維護,用以仿真ATM中繼接口間的鄰居發現和維護過程。在相互識別的鄰居之間以單播方式進行信令和業務交互。

圖5 ATM中繼仿真協議棧Fig.5 Protocol stack of ATM trunk simulation

3.3 鄰居發現與維護

如圖6所示,交換機間通過局域網進行互連,首先將交換機互連的以太網口IP地址配置在同一網段,對應的路由協議配置為OSPF。當交換機間通過局域網實現IP互通后,每個交換機將以IP包的形式周期性地發送在線通告消息,消息將攜帶本交換機的IP地址、設備類型和節點標識等參數。在線通告消息以IP子網廣播的方式發送給局域網,并把從局域網收到的在線通告消息轉發給自己所連接的交換機。

圖6 交換機鄰居發現連接Fig.6 Neighbour finding of ATM

交換機收到來自其它交換機的在線通告消息后即可識別其設備類型、節點標識和IP地址等參數,如果解析報文正確,則認為該交換機是自己的鄰居。如果一段時間內不能收到某交換機的在線通告消息,則認為失去了該鄰居。如果失去了某個鄰居,則應釋放與該鄰居有關的業務連接。

通過這種機制,交換機之間的邏輯連接關系如圖7所示。

圖7 交換機鄰居發現邏輯Fig.7 Logical connection of ATM neighbour finding

3.4 信令與業務交互

在鄰居識別的基礎之上,即可以通過IP單播與某個特定鄰居進行信令和業務的交互。信令和業務封裝到IP隧道中在交換機之間進行傳輸。

4 測試驗證

4.1 以太網間話音業務測試

搭建如圖8所示驗證平臺并配置各設備。3個交換機通過以太網口與局域網相連,各交換機以太網接口地址配置在同一網段,對應的路由協議配置為OSPF,同時打開在線通告消息,在交換機間實現IP互通后,查看交換機人機界面菜單,ATM1、ATM2和ATM3三個交換機之間能夠相互識別,話機1、話機2和話機3相互撥打電話,均能正常呼叫通話,話音質量均為優。

圖8 以太網間話音業務測試Fig.8 Voice test betweenEthernet interface of ATM

4.2 綜合組網業務測試

搭建如圖9所示驗證平臺并配置各設備。ATM1和ATM2通過以太網口與局域網相連,以太網接口地址配置在通一網段,對應的路由協議配置為OSPF,同時打開在線通告消息。ATM1和ATM3, ATM2和ATM3之間通過ATM中繼接口互連,正確配置交換機互連中繼接口參數。在交換機間實現IP互通后,查看交換機人機界面菜單,ATM1、ATM2和ATM3三個交換機能相互識別,話機1、話機2和話機3相互撥打電話,均能正常呼叫通話,話音質量均為優。而且話機1和話機2的通話質量與話機1和話機3的通話質量沒有明顯區別。證明ATM交換機間以太網互連采用ATM中繼仿真方式實現是合理,可行的。

圖9 綜合組網話音業務測試Fig.9 Voice test of integrated networking

5 結 語

本文提出了利用ATM交換機本身是分組交換,話音傳輸流程與通用VoIP基本一致的特點,設計了在ATM交換機以太網間,采用ATM中繼仿真的方式來實現話音業務的互通,既滿足了交換機間通過以太網互連話音業務的實現,又不改變ATM交換機原有的話音信令體系。既實現了ATM交換機功能的擴展,又保證了交換機的穩定性和可靠性。本文中以太網間話音的實現方法在ATM交換機中通過了工程實現,具有一定通用性,可以滿足ATM交換機通過以太網互連的話音需求。

[1] 黃錫偉,朱秀昌.寬帶通信網絡[M].北京:人民郵電出版社,1999:144-147.

HUANG Xi-wei,ZHU Xiu-chang.Broadband Communication Net[M],BeiJing:People Post and Telecommunication Press,1999,533-534.

[2] 王建兵,康宗緒,李文.ATM交換機IP業務優先級的設計與實現[J].通信技術,2014,47(05):540-543.

WANG Jian-bing,KAN Zong-xun,LIWen.Designment and Implementation of ATM Switching IP data priority[J].Communications Technology,2014,47(5):540-543.

[3] 陳德來.IP電話原理及相關技術標準[J].電信快報, 1999(08):22-26.

CHEN De-lai.Principle of IP phone and technology standard[J],Telecommunications Information,1999, (8):22-26.

[4] 劉海鵬.SIP協議簡介及其與H.323協議的比較[J].科技咨詢導報,2007(01):10-11.

LIU Haipeng,SIP Protocol Brief Introductionand Comparing with H.323 protocol[J].Science and Technology Consulting Herald,2007,(1):10-11.

[5] 張登銀,孫精科.VolP技術分析與系統設計[M].北京:人民郵電出版社,2003:22-25.

ZHAIDen-ying,SHEN Jin-ke.VolPTechnology Analysis and System Design[M],BeiJing:People Post and Telecommunication Press.2003,22-25。

王建兵(1973—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為計算機網絡及通信技術;

WANG Jian-bing(1973-),male,M.Sci., senior engineer,mainly engaged in computer and communition technology.

康宗緒(1972—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為計算機網絡及通信技術;

KANG Zong-xu(1972-),male,M.Sci.,senior engineer,mainly engaged in computer and communition technology.

周天翠(1975—),女,碩士,高級工程師,主要研究方向為計算機網絡及通信技術;

ZHOU Tian-cui(1975-),female,M.Sci.,senior engineer,mainly engaged in computer and communition technology.

徐智敏(1980—),男,碩士,工程師,主要研究方向為計算機網絡及通信技術。

XU Zhi-ming(1980-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in computer and communition technology.

Design and Im plementation of ATM Sw itchingVOIP

WANG Jian-bing,KANG Zong-xu,ZHOU Tian-cui,XU Zhi-ming
(Chongqing Jinmei Communication Co.,Ltd.Chongqing,400030,China)

ATM Switch is widely used in the network deployment owing to its strict traffic management and congestion control based on connection,and it could offer good quality of service to users.However,with increasingly wide interconnection between ATM switch and IP net,how to solve the problem of VoIP becomes a significant issue for ATM switch design.Taking the interface interconnection of ATM switch ethernet as an example,this paper proposes a complete design and Imolementation scheme of VoIP setting up, removing and voice transmission.

ATM;QoS;VoIP;ATM trank simulation

TP393.0

A

1002-0802(2014)12-1415-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.014

2014-09-11;

2014-11-11 Received date：2014-09-11;Revised date：2014-11-11