基于ATCA和MicroTCA的独立信令网关设计

基于ATCA和MicroTCA的独立信令网关设计

信令网关用于桥接下一代IP网络和传统的包交换电话网络(PSTN)，处理的主要是呼叫建立、控制和计费等信号。网关设计要求融合IP协议、传统的交换电路协议、操作系统、管理以及高可靠性的硬件系统设计。MicroTCA、AdvancedMC硬件和现成软件可以提供构建模块用于开发独立的信令网关设计，这样设计出来的网关很容易随着IP电话需求的增加而进一步扩展。

电话需要两种类型的网关：一种是用来处理话音、视频和数据的媒体网关；另一种是用来处理呼叫控制的信令网关。一些欧洲的电话系统使用相同的物理链路同时传送这两种信号，因此媒体和信令网关可以是同一设备。但包括北美地区的网络在内的其它系统是在不同的物理链路上传送信令和媒体这两种信号的，因此开发人员可以将媒体和信令网关分割成独立的单元。

同时满足上述两种部署方案的方法之一是创建以模块形式存在的独立信令网关。这种网关可以用作两种系统中的组件或构建模块。这样的模块可以插入可用的AMC站点，从而创建出作为一个系统单元的组合式网关设计。这种模块也可以用作纯信令网关的基础，只需简单地增加更多的网关模块就能满足不断增长的呼叫量需求。

网关模块的硬件设计必须提供PSTN接口，这些端口通常要处理每个SS7链路上64kbps数据速率的E1/T1/J1 PSTN信号，或者成组使用时的高速链路(透明和ATM链路)。网关还内置能够运行PSTN与IP网络堆栈的处理器和至少两个IP端口，如千兆以太网连接，因此它们有冗余链路连接到IP网络。虽然这看起来简单，但独立网关模块的设计可能是一个很大的挑战。

为满足电信需要，网关必须被设计成在99.999%时间里都能可靠工作。这要求网关能理软硬件故障，同时保持连续的服务。升级和/或替换硬件和软件的能力是支持99.999%的另一项重要措施，要求网关具备负载均衡和故障转移的软件冗余能力。此外，支撑这些软件的硬件，包括模块、机架、电源模块、风扇和互连，必须检测和响应系统故障(使用冗余硬件)，提供热插拔功能，并支持软件/固件升级机制。

系统管理支持也是必需的，因为网关一般在“黑盒”似的网络中运行，在工作过程中没有操作人员介入。因此它需要具有硬件及协议栈操作的自我管理功能，包括故障检测和响应等。此外，当在网络中第一次安装网关时，设计需要支持网关操作的设置和控制。

满足网关需要的xTCA规范

减少挑战难度的方法之一是使用基础架构，这种基础架构能够提供模块/刀片要求的功能，从而让设计师集中精力做好网关功能的设计。高级电信计算架构(ATCA)和MicroTCA(一起被称为xTCA)都是能够满足这些系统需求的开放规范。许多供应商已经成功开发出基于这些规范的系统构建模块。

这样，在开始时设计基于ATCA或MicroTCA规范的信令网关之前，很多工作都已完成，它们就是来自不同提供商的现成硬件和软件。这些规范的控制机构PICMG(PCI工业计算机制造商组织)启动了一个互操作性程序来提升互操作性能，从而让设计师有更多时间完成组件的混合和匹配。

ATCA和MicroTCA都使用模块化设计方法在其组件中创建了系统管理和热插拔功能。作为这种方法的一部分，高级夹层卡(AMC)最初就是针对ATCA灵活性的扩展而开发的(通过为I/O等目标提供可热插拔的夹层卡)，后来经过扩展变成了MicroTCA的基础部分。

在ATCA中，AMC安装在较大的系统卡或刀片之上，然后一起插入系统背板。在MicroTCA中，相同的AMC卡直接插在背板上。这样，一个通用的AMC设计不加修改就可以在系统中使用，因此具有很大的可扩展性。

ATCA和MicroTCA架构为高可用性系统提供内在的支持。每个AMC模块都有一个模块管理控制器(MMC)，可以用来实现模块电源、操作和背板连接的远程控制。

对于MicroTCA来说，机箱内的MCH(MicroTCA carrier hub)提供系统管理以及与每个模块的MMC的交互功能(图1)。在ATCA系统中，这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之间的交互能使MCH打开或关闭AMC，询问AMC，甚至取消它们的背板访问功能，因此MCH能够提供模块级的电子键控、故障检测和故障隔离等服务。



MicroTCA架构内还可选支持使用冗余电源、冷却风扇和MCH控制模块，因此很容易使用运行高可用性系统软件的完整硬件冗余进行系统设计，而这些软件大部分是现成的。

例如，爱默生的Centellis 1000 MicroTCA机箱就提供了冗余电源和单个MCH模块。它能容纳多达10个新增的全尺寸AMC，能支持各种应用。Centellis 500 MicroTCA机箱是一种低成本的入门级解决方案，采用一个标准的MicroTCA MCH和电源模块，支持4个中等尺寸的AMC。这两种解决方案在网关尺寸和特别应用架构方面为设计师提供了很大的灵活性。

独立信令网关设计师可以从针对MicroTCA系统的AMC设计开始，并根据需要利用不同的MicroTCA机箱类型进行扩展，以满足不同的电话系统需要。AMC的尺寸足以容纳多通道网关所需的所有硬件，并有足够的空间提供到PSTN的多个前面板连接，因此在一块卡上可以实现所有的功能。

在MicroTCA架构中，这些AMC模块可以插入与协议无关的交换式串行背板。这种背板将千兆以太网作为其基本结构，允许AMC模块直接连接到IP网络，无需额外的转换。

网关软件要求

针对信令网关设计的软件比较复杂。虽然硬件包含了大部分通用网络接口、处理器和存储器，但软件必须完成各种不同协议之间的信号转换，同时实现高可靠行为。在PSTN侧是时间复用的SS7呼叫控制协议，另一侧是以数据包为基础的互联网协议(IP)。

信令网关的任务是确保在一个网络上产生的信令能够到达另一个网络上的目的地。另外，两个PSTN网络可以通过中间的IP网络实现连接。媒体网关 (MG)将语音、视频和数据从IP网络传送/转换到另一个MG或IP端点。信令网关(SG)用于封装SS7控制信令并将它们发送到媒体网关控制器 (MGC，也称为软交换)。MGC需要管理这些信令进入和离开IP网络时的连接，并需要处理IP网络中发起的连接。当IP网络链接着两个PSTN网络时，SG也能封装SS7信令，并通过IP网络传送到另外一个SG，因此一个具有完整桥接功能的网络具有如图2所示的结构。



幸运的是，就象硬件一样，现成标准的构建模块大大地简化了独立型信令网关的软件设计。其中一个重要的组件是SIGTRAN协议栈，它能支持在 IP网络上传送SS7消息(图3)。这种协议栈用一种流式控制传送协议(SCTP)替换了SS7的MTP层，以便在IP网络上传送控制信号。



SIGTRAN适配层则针对SS7的上层协议模拟出缺少的MTP层协议，从而保持了高层消息结构的完整性。这种结构允许信令网关终结MTP层。当IP链接到PSTN电话时，SIGTRAN适配层将信令从上层传送到软交换进行处理；或者简单地将本质上完整的消息传送给另一SG，然后再沿途送达另一个PSTN。

系统设计决策

AMC模块的具体设计取决于开发人员如何决定将模块组合成高可用性系统。xTCA架构提供了各个部件，但如何组装这些部件有多种方法。

创建网关的一种方法是使用两个不同的AMC模块：一个处理SS7接口，一个处理IP接口。这些模块将分割SIGTRAN堆栈，并通过高速背板链路(如PCI Express)进行通信。以这种方式划分SG功能可以让硬件高效地处理大量信令。

另外一种方法是将SIGTRAN、SCTP和SS7接口放在单个AMC模块上。这种方法具有多个显著的优势，这些优势可以弥补许多部署条件下减少了的呼叫处理密度。第一个优势是单模块设计可以简化故障转移。两个模块可以分担SS7信令处理负载，每个模块运行在40%的容量。这样当发生故障时，系统可以简单地将所有业务切换到余下的模块上进行处理，直到故障模块通过热插拔替换掉。由于所有功能都在单个模块设计中实现，热插拔仍很简单，因为不需要重新初始化合作模块。

单模块设计方法的另一个优势是它能提供更精细的颗粒用于系统扩展。SS7信令较低的带宽意味着单模块设计可以处理数量众多的SS7链路。这也意味着开发人员可以在小型MicroTCA机箱(如Centellis 500)中只使用少量模块就能创建成本最低的产品，这种产品正好满足目前市场上最流行的小型网关的需求。如果容量要求提高，系统能以适度的成本得到逐步扩展，不用象双模块方法中那样高成本和大幅度。

单模块设计提供了最低成本的信令网关市场准入。由于设计专注于一个AMC，因此该设计无疑是系统中最基础的部分，具有可能最低的成本。

另外一个额外的好处是应用的灵活性。AMC可以当作具有完整功能的SG黑盒，因此为MicroTCA系统创建的单卡SG还可以插入ATCA MG卡设计中，形成统一的网关设计。SG AMC还能简单地占用ATCA系统中另外未用的夹层卡槽，从而以最低的成本向中心局提供这种额外的功能。

总之，在针对xTCA的AMC上实现独立的信令网关，可以让设计师开发出具有完整冗余性和扩展能力、从小尺寸到中等尺寸的各种产品。此外，通过集成进ATCA卡，AMC设计还能为更大的系统提供信令网关功能。因此，随着通信领域从PSTN向IP网络的持续过渡，这种设计完全可以满足当前和未来的通信产业需求。