基于ATCA和MicroTCA的獨立信令網(wǎng)關設計

信令網(wǎng)關用于橋接下一代IP網(wǎng)絡和傳統(tǒng)的包交換電話網(wǎng)絡(PSTN)，處理的主要是呼叫建立、控制和計費等信號。網(wǎng)關設計要求融合IP協(xié)議、傳統(tǒng)的交換電路協(xié)議、操作系統(tǒng)、管理以及高可靠性的硬件系統(tǒng)設計。MicroTCA、AdvancedMC硬件和現(xiàn)成軟件可以提供構(gòu)建模塊用于開發(fā)獨立的信令網(wǎng)關設計，這樣設計出來的網(wǎng)關很容易隨著IP電話需求的增加而進一步擴展。

電話需要兩種類型的網(wǎng)關：一種是用來處理話音、視頻和數(shù)據(jù)的媒體網(wǎng)關；另一種是用來處理呼叫控制的信令網(wǎng)關。一些歐洲的電話系統(tǒng)使用相同的物理鏈路同時傳送這兩種信號，因此媒體和信令網(wǎng)關可以是同一設備。但包括北美地區(qū)的網(wǎng)絡在內(nèi)的其它系統(tǒng)是在不同的物理鏈路上傳送信令和媒體這兩種信號的，因此開發(fā)人員可以將媒體和信令網(wǎng)關分割成獨立的單元。

同時滿足上述兩種部署方案的方法之一是創(chuàng)建以模塊形式存在的獨立信令網(wǎng)關。這種網(wǎng)關可以用作兩種系統(tǒng)中的組件或構(gòu)建模塊。這樣的模塊可以插入可用的AMC站點，從而創(chuàng)建出作為一個系統(tǒng)單元的組合式網(wǎng)關設計。這種模塊也可以用作純信令網(wǎng)關的基礎，只需簡單地增加更多的網(wǎng)關模塊就能滿足不斷增長的呼叫量需求。

網(wǎng)關模塊的硬件設計必須提供PSTN接口，這些端口通常要處理每個SS7鏈路上64kbps數(shù)據(jù)速率的E1/T1/J1 PSTN信號，或者成組使用時的高速鏈路(透明和ATM鏈路)。網(wǎng)關還內(nèi)置能夠運行PSTN與IP網(wǎng)絡堆棧的處理器和至少兩個IP端口，如千兆以太網(wǎng)連接，因此它們有冗余鏈路連接到IP網(wǎng)絡。雖然這看起來簡單，但獨立網(wǎng)關模塊的設計可能是一個很大的挑戰(zhàn)。

為滿足電信需要，網(wǎng)關必須被設計成在99.999%時間里都能可靠工作。這要求網(wǎng)關能理軟硬件故障，同時保持連續(xù)的服務。升級和/或替換硬件和軟件的能力是支持99.999%的另一項重要措施，要求網(wǎng)關具備負載均衡和故障轉(zhuǎn)移的軟件冗余能力。此外，支撐這些軟件的硬件，包括模塊、機架、電源模塊、風扇和互連，必須檢測和響應系統(tǒng)故障(使用冗余硬件)，提供熱插拔功能，并支持軟件/固件升級機制。

系統(tǒng)管理支持也是必需的，因為網(wǎng)關一般在“黑盒”似的網(wǎng)絡中運行，在工作過程中沒有操作人員介入。因此它需要具有硬件及協(xié)議棧操作的自我管理功能，包括故障檢測和響應等。此外，當在網(wǎng)絡中第一次安裝網(wǎng)關時，設計需要支持網(wǎng)關操作的設置和控制。

滿足網(wǎng)關需要的xTCA規(guī)范

減少挑戰(zhàn)難度的方法之一是使用基礎架構(gòu)，這種基礎架構(gòu)能夠提供模塊/刀片要求的功能，從而讓設計師集中精力做好網(wǎng)關功能的設計。高級電信計算架構(gòu)(ATCA)和MicroTCA(一起被稱為xTCA)都是能夠滿足這些系統(tǒng)需求的開放規(guī)范。許多供應商已經(jīng)成功開發(fā)出基于這些規(guī)范的系統(tǒng)構(gòu)建模塊。

這樣，在開始時設計基于ATCA或MicroTCA規(guī)范的信令網(wǎng)關之前，很多工作都已完成，它們就是來自不同提供商的現(xiàn)成硬件和軟件。這些規(guī)范的控制機構(gòu)PICMG(PCI工業(yè)計算機制造商組織)啟動了一個互操作性程序來提升互操作性能，從而讓設計師有更多時間完成組件的混合和匹配。

ATCA和MicroTCA都使用模塊化設計方法在其組件中創(chuàng)建了系統(tǒng)管理和熱插拔功能。作為這種方法的一部分，高級夾層卡(AMC)最初就是針對ATCA靈活性的擴展而開發(fā)的(通過為I/O等目標提供可熱插拔的夾層卡)，后來經(jīng)過擴展變成了MicroTCA的基礎部分。

在ATCA中，AMC安裝在較大的系統(tǒng)卡或刀片之上，然后一起插入系統(tǒng)背板。在MicroTCA中，相同的AMC卡直接插在背板上。這樣，一個通用的AMC設計不加修改就可以在系統(tǒng)中使用，因此具有很大的可擴展性。

ATCA和MicroTCA架構(gòu)為高可用性系統(tǒng)提供內(nèi)在的支持。每個AMC模塊都有一個模塊管理控制器(MMC)，可以用來實現(xiàn)模塊電源、操作和背板連接的遠程控制。

對于MicroTCA來說，機箱內(nèi)的MCH(MicroTCA carrier hub)提供系統(tǒng)管理以及與每個模塊的MMC的交互功能(圖1)。在ATCA系統(tǒng)中，這些功能由子架管理控制器和支持AMC的ATCA卡上的IPMC共同完成。MCH和MMC之間的交互能使MCH打開或關閉AMC，詢問AMC，甚至取消它們的背板訪問功能，因此MCH能夠提供模塊級的電子鍵控、故障檢測和故障隔離等服務。



MicroTCA架構(gòu)內(nèi)還可選支持使用冗余電源、冷卻風扇和MCH控制模塊，因此很容易使用運行高可用性系統(tǒng)軟件的完整硬件冗余進行系統(tǒng)設計，而這些軟件大部分是現(xiàn)成的。

例如，愛默生的Centellis 1000 MicroTCA機箱就提供了冗余電源和單個MCH模塊。它能容納多達10個新增的全尺寸AMC，能支持各種應用。Centellis 500 MicroTCA機箱是一種低成本的入門級解決方案，采用一個標準的MicroTCA MCH和電源模塊，支持4個中等尺寸的AMC。這兩種解決方案在網(wǎng)關尺寸和特別應用架構(gòu)方面為設計師提供了很大的靈活性。

獨立信令網(wǎng)關設計師可以從針對MicroTCA系統(tǒng)的AMC設計開始，并根據(jù)需要利用不同的MicroTCA機箱類型進行擴展，以滿足不同的電話系統(tǒng)需要。AMC的尺寸足以容納多通道網(wǎng)關所需的所有硬件，并有足夠的空間提供到PSTN的多個前面板連接，因此在一塊卡上可以實現(xiàn)所有的功能。

在MicroTCA架構(gòu)中，這些AMC模塊可以插入與協(xié)議無關的交換式串行背板。這種背板將千兆以太網(wǎng)作為其基本結(jié)構(gòu)，允許AMC模塊直接連接到IP網(wǎng)絡，無需額外的轉(zhuǎn)換。

網(wǎng)關軟件要求

針對信令網(wǎng)關設計的軟件比較復雜。雖然硬件包含了大部分通用網(wǎng)絡接口、處理器和存儲器，但軟件必須完成各種不同協(xié)議之間的信號轉(zhuǎn)換，同時實現(xiàn)高可靠行為。在PSTN側(cè)是時間復用的SS7呼叫控制協(xié)議，另一側(cè)是以數(shù)據(jù)包為基礎的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)。

信令網(wǎng)關的任務是確保在一個網(wǎng)絡上產(chǎn)生的信令能夠到達另一個網(wǎng)絡上的目的地。另外，兩個PSTN網(wǎng)絡可以通過中間的IP網(wǎng)絡實現(xiàn)連接。媒體網(wǎng)關 (MG)將語音、視頻和數(shù)據(jù)從IP網(wǎng)絡傳送/轉(zhuǎn)換到另一個MG或IP端點。信令網(wǎng)關(SG)用于封裝SS7控制信令并將它們發(fā)送到媒體網(wǎng)關控制器 (MGC，也稱為軟交換)。MGC需要管理這些信令進入和離開IP網(wǎng)絡時的連接，并需要處理IP網(wǎng)絡中發(fā)起的連接。當IP網(wǎng)絡鏈接著兩個PSTN網(wǎng)絡時，SG也能封裝SS7信令，并通過IP網(wǎng)絡傳送到另外一個SG，因此一個具有完整橋接功能的網(wǎng)絡具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)。