王建兵,康宗绪,周天翠,徐智敏

(重庆金美通信有限责任公司,重庆400030)

ATM交换机VOIP的设计与实现*

王建兵,康宗绪,周天翠,徐智敏

(重庆金美通信有限责任公司,重庆400030)

ATM(异步转移模式)交换机由于执行了严格的基于连接的流量管理和拥塞控制,能为用户提供良好的QoS(服务质量)保证,在网络部署中得到了广泛应用。但是随着ATM交换机与IP网络互连越来越广泛,如何解决VoIP(互联网协议电话)是ATM交换机设计面临的重要问题。该文以ATM交换机以太网接口互连为例,对ATM交换机如何实现VoIP业务建立、撤销及话音传输等方面,提出了一套完整的设计和实现方案。

异步转移模式 服务质量 互联网协议电话 ATM中继仿真

0 引 言

ATM[1]交换机在骨干网和军事通信网中得到了广泛应用,尤其在无线、窄带环境下仍然有广泛的应用[2]。为了保证网络节点间话音的有效建立,话音路由机制采用专用协议,且只能在ATM中继接口间进行话音的建立和传输。但是随着IP技术的发展,采用以太网接口的传输设备越来越多,因此迫切需要找到一种方法,在不修改原有话音建立和传输机制的情况下,实现ATM交换机以太网节点间的IP话音传输,用以提高网络的整体性能。该项功能的实现与否直接关系到ATM交换机的应用范围和生命周期。

本文通过对通用VoIP实现的基本原理、面临的问题、话音的传送机制及信令体系,以及ATM交换机原有的话音传送机制及信令体系的介绍。并对两种体制进行了分析和比较,设计了ATM中继仿真的方式来实现以太网间的话音互通。并对信令流程、报文内容和试验验证等方面进行了详细介绍。

1 通用VoIP介绍

1.1 VoIP传送基本原理

IP语音传送的基本原理是[3]:在发送端需将模拟语音信号转换成数字信号、压缩编码处理,IP分组,经过IP网络把数据包传输到接收方;在接收方的过程为发送方的逆过程,从而达到由IP网络传送语音的目的。其基本传送过程如图1所示[4]。

图1 VoIP基本传送过程Fig.1 Forward process of VoIP

通用VOIP的信令体系采用SIP[5]。

1.2 VoIP面临的主要问题

如何能在实时语音的传输中保障良好的QoS是VoIP技术发展的关键。为了保证实时语音的QoS,必须对网络的传送带宽、时延、丢包、抖动、包乱序和回声等相关参数进行必要的处理。但是由于传统的IP网络主要是用来传输数据业务,采用的是尽力而为的、无连接的技术,因此没有相应服务质量保证。

2 ATM交换机话音实现原理介绍

2.1 ATM交换机话音基本传送原理

ATM交换机语音技术,是建立在ATM技术上的分组化、数字化的传输技术,它以分组的形式传输语音数据。其基本原理是:模拟语音信号首先经过模/数转换变成数字信号,通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理(由于语音编码主要有比特率、质量、延迟和复杂度四种属性。好的编码方案,不是追求尽可能低的编码比特率,而是根据实际应用的要求对各种属性进行折衷,因为它们之间往往是有矛盾的。ATM交换机根据实际应用需求支持PCM、CVSD和G.729三种编码方式,然后把这些语音数据按ATM的相关协议进行打包,经过ATM网络把数据包传输到接收方,在接收方把这些语音数据包串起来,经过解码解压处理后,恢复成原来的语音信号,从而达到由ATM网络传送语音的目的。其基本传送过程如图2所示。

图2 ATM语音基本传送过程Fig.2 ATM forwarding process of VoIP of ATM

2.2 ATM交换机话音信令体系介绍

ATM交换机之间的电路网中继业务分成两个部分,它主要包括交换机之间的邻居发现与维护,及交换机之间的信令与业务交互。ATM话音业务协议栈如图3所示。

图3 ATM话音业务协议栈Fig.3 Ptotocol stack of voice of ATM

2.3 ATM交换机话音实现过程

如图4所示,交换机通过中继接口互连后,中继接口板首先实现物理层同步,并将状态上报到控制交换板,由控制交换板启动交换机之间的邻居发现,并交付相关的设备信息。交换机在设备识别后,会周期性地发送维护消息,用以监测邻居设备是否依然存在。

图4 交换机话音实现过程Fig.4 Process of voice implementation of ATM

只有在交换机识别后,交换机间的话音才能建立。当用户发起呼叫时,交换机将首先监测是否有已识别的邻居设备,及带宽等QoS参数是否满足建立要求,如果有已识别的邻居设备,且带宽等QoS参数满足要求,交换机将发送相关信令到邻居设备尝试建立话音连接。

3 以太网间VoIP实现方案

3.1 以太网间VoIP策略选择

通用VoIP和ATM语音传送要求比较如表1所示。

表1 语音传送要求比较Table 1 Demand comparison of voice transmit

由于ATM交换机的传送机制和IP传送机制均是包传送,因此他们传送的基本流程是一致的。只是ATM传送时的报文大小固定,且是面向连接业务,因此支持话音等实时业务的功能更好。通用VoIP需要克服的问题,如带宽管理、时延控制、丢包、抖动和回声等问题,在ATM交换机中已得到较好处理。ATM交换机在以太网间采用IP传送话音需要解决的主要问题是信令体系及传送方式的改变。由于ATM交换机研制完成,且已批量装备,不可能对交换机的信令体系进行重新设计,因此不能直接采用通用的SIP信令体系来做为ATM交换机以太网间的信令体制;而只能采用一种与原有信令体制一致的方式来实现,即ATM中继仿真的方式来实现。

3.2 ATM中继仿真信令体系

以太网间ATM中继仿真协议栈如图5所示。由于支持交换机之间的话音中继业务由两个部分组成,即交换机之间的邻居发现与维护和交换机之间的信令与业务交互。因此采用交换机通过IP子网广播方式周期性发出在线通告消息来进行邻居发现和维护,用以仿真ATM中继接口间的邻居发现和维护过程。在相互识别的邻居之间以单播方式进行信令和业务交互。

图5 ATM中继仿真协议栈Fig.5 Protocol stack of ATM trunk simulation

3.3 邻居发现与维护

如图6所示,交换机间通过局域网进行互连,首先将交换机互连的以太网口IP地址配置在同一网段,对应的路由协议配置为OSPF。当交换机间通过局域网实现IP互通后,每个交换机将以IP包的形式周期性地发送在线通告消息,消息将携带本交换机的IP地址、设备类型和节点标识等参数。在线通告消息以IP子网广播的方式发送给局域网,并把从局域网收到的在线通告消息转发给自己所连接的交换机。

图6 交换机邻居发现连接Fig.6 Neighbour finding of ATM

交换机收到来自其它交换机的在线通告消息后即可识别其设备类型、节点标识和IP地址等参数,如果解析报文正确,则认为该交换机是自己的邻居。如果一段时间内不能收到某交换机的在线通告消息,则认为失去了该邻居。如果失去了某个邻居,则应释放与该邻居有关的业务连接。

通过这种机制,交换机之间的逻辑连接关系如图7所示。

图7 交换机邻居发现逻辑Fig.7 Logical connection of ATM neighbour finding

3.4 信令与业务交互

在邻居识别的基础之上,即可以通过IP单播与某个特定邻居进行信令和业务的交互。信令和业务封装到IP隧道中在交换机之间进行传输。

4 测试验证

4.1 以太网间话音业务测试

搭建如图8所示验证平台并配置各设备。3个交换机通过以太网口与局域网相连,各交换机以太网接口地址配置在同一网段,对应的路由协议配置为OSPF,同时打开在线通告消息,在交换机间实现IP互通后,查看交换机人机界面菜单,ATM1、ATM2和ATM3三个交换机之间能够相互识别,话机1、话机2和话机3相互拨打电话,均能正常呼叫通话,话音质量均为优。

图8 以太网间话音业务测试Fig.8 Voice test betweenEthernet interface of ATM

4.2 综合组网业务测试

搭建如图9所示验证平台并配置各设备。ATM1和ATM2通过以太网口与局域网相连,以太网接口地址配置在通一网段,对应的路由协议配置为OSPF,同时打开在线通告消息。ATM1和ATM3, ATM2和ATM3之间通过ATM中继接口互连,正确配置交换机互连中继接口参数。在交换机间实现IP互通后,查看交换机人机界面菜单,ATM1、ATM2和ATM3三个交换机能相互识别,话机1、话机2和话机3相互拨打电话,均能正常呼叫通话,话音质量均为优。而且话机1和话机2的通话质量与话机1和话机3的通话质量没有明显区别。证明ATM交换机间以太网互连采用ATM中继仿真方式实现是合理,可行的。

图9 综合组网话音业务测试Fig.9 Voice test of integrated networking

5 结 语

本文提出了利用ATM交换机本身是分组交换,话音传输流程与通用VoIP基本一致的特点,设计了在ATM交换机以太网间,采用ATM中继仿真的方式来实现话音业务的互通,既满足了交换机间通过以太网互连话音业务的实现,又不改变ATM交换机原有的话音信令体系。既实现了ATM交换机功能的扩展,又保证了交换机的稳定性和可靠性。本文中以太网间话音的实现方法在ATM交换机中通过了工程实现,具有一定通用性,可以满足ATM交换机通过以太网互连的话音需求。

[1] 黄锡伟,朱秀昌.宽带通信网络[M].北京:人民邮电出版社,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,康宗绪,李文.ATM交换机IP业务优先级的设计与实现[J].通信技术,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] 陈德来.IP电话原理及相关技术标准[J].电信快报, 1999(08):22-26.

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

[4] 刘海鹏.SIP协议简介及其与H.323协议的比较[J].科技咨询导报,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] 张登银,孙精科.VolP技术分析与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,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,硕士,高级工程师,主要研究方向为计算机网络及通信技术;

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

康宗绪(1972—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为计算机网络及通信技术;

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

周天翠(1975—),女,硕士,高级工程师,主要研究方向为计算机网络及通信技术;

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

徐智敏(1980—),男,硕士,工程师,主要研究方向为计算机网络及通信技术。

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