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VoIP解決方案及雙處理器實(shí)現(xiàn)架構(gòu)分析

2006/12/04

　　業(yè)界對VoIP技術(shù)日益增長的興趣和投資正在改變VoIP的現(xiàn)有市場結(jié)構(gòu)。像Linksys和摩托羅拉等制造商已經(jīng)開發(fā)出了很多VoIP產(chǎn)品，并通過其強(qiáng)大的零售渠道出售，從而使這些產(chǎn)品得到了迅速普及，同時帶來的價格壓力迫使全球的服務(wù)提供商重新思考這樣的問題，即當(dāng)他們將建設(shè)重點(diǎn)從功能眾多和利潤可觀的企業(yè)級應(yīng)用轉(zhuǎn)向住宅市場時如何正確地對待VoIP。

　　為了保持競爭優(yōu)勢，許多制造商已經(jīng)認(rèn)識到他們的產(chǎn)品能夠支持的功能和特性將決定他們的成敗。當(dāng)然對更高語音質(zhì)量的追求永無止境，不僅要克服直接影響QoS和可感知質(zhì)量的WAN瓶頸，而且要提供比傳統(tǒng)PSTN更高的質(zhì)量。至少每個VoIP端口必須支持G.711 PCM語音編碼以及一般采用T.38協(xié)議實(shí)現(xiàn)的傳真服務(wù)。大多數(shù)寬帶服務(wù)提供商為了滿足那些使用較低帶寬連接(如DSL lite)的用戶需求，同樣需要通過支持G.729ab等低比特率聲碼器(vocoder)來節(jié)省有限的帶寬資源。然而，為了完成語音質(zhì)量平衡，每個VoIP通道必須有一個完整的、強(qiáng)大的語音處理系統(tǒng)，其中包含優(yōu)秀的回波抵消、語音活動檢測、自適應(yīng)抖動緩存/語音播放、音調(diào)檢測和產(chǎn)生、用于DTMF中繼的RFC2833、各種主叫號碼變量等功能，并支持呼叫轉(zhuǎn)送和呼叫轉(zhuǎn)移等附加服務(wù)。

　　但僅僅把重點(diǎn)放在核心語音功能上還不能形成具有競爭力的VoIP網(wǎng)絡(luò)。制造商已經(jīng)開始向同一產(chǎn)品中集成強(qiáng)大的語音網(wǎng)關(guān)和家庭路由器功能，從而形成了豐富多彩的各種最終產(chǎn)品配置。常用產(chǎn)品價格、一體化功能、先進(jìn)性能、服務(wù)質(zhì)量管理以及無經(jīng)驗(yàn)的零售渠道等，來自這些方面的壓力將使性能和成本期望值達(dá)到目前許多處理器無法承擔(dān)的水平。

　　VoIP解決方案處理負(fù)荷

　　VoIP開發(fā)人員要想開發(fā)出能夠保持最優(yōu)成本，同時又能提供必要性能和功能的高效架構(gòu)，必須充分理解提供合理語音質(zhì)量和服務(wù)所需的所有處理功能。然而，每種功能都會占用CPU運(yùn)算周期，如果不認(rèn)真地實(shí)現(xiàn)，將降低器件性能，從而潛在地影響VoIP質(zhì)量和總的數(shù)據(jù)吞吐量。

　　通常在寬帶調(diào)制解調(diào)器或光纖/以太網(wǎng)連接背后存在一個住宅語音網(wǎng)關(guān)。除了為每個支持的語音通道提供語音處理功能外，網(wǎng)關(guān)還必須提供各種WAN到LAN的數(shù)據(jù)路由功能，包括服務(wù)質(zhì)量(QoS)機(jī)制、防火墻保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)、可選的無線LAN連接、認(rèn)證和語音安全以及最近市場上出現(xiàn)的體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)。其中每個功能在保持和保護(hù)語音連接和質(zhì)量中都起著重要的作用，不能正確地滿足這些要求將直接導(dǎo)致可感知的語音質(zhì)量下降。

　　1.QoS機(jī)制

　　QoS一直是VoIP部署中的關(guān)鍵因素。雖然大多數(shù)QoS機(jī)制采用某種形式的服務(wù)標(biāo)簽或隊列來實(shí)現(xiàn)峰值業(yè)務(wù)條件下的數(shù)據(jù)包優(yōu)先等級傳輸，但事實(shí)上QoS機(jī)制有很多種。從VoIP來看，網(wǎng)關(guān)的主要任務(wù)是確保語音包有比數(shù)據(jù)包更高的優(yōu)先級，因?yàn)檎Z音包對延遲特別敏感，如果它們延遲到達(dá)，語音質(zhì)量將嚴(yán)重受損。另外，如果對延遲敏感的視頻業(yè)務(wù)也是語音-視頻-數(shù)據(jù)“三合一”家庭網(wǎng)絡(luò)中的一部分，那就必須認(rèn)真加以對待，確保視頻業(yè)務(wù)不完全占據(jù)最高的優(yōu)先級隊列而影響到語音業(yè)務(wù)。

　　2.防火墻保護(hù)

　　防火墻在保護(hù)VoIP設(shè)備免受未授權(quán)訪問中扮演非常重要的角色，它通過阻止未授權(quán)業(yè)務(wù)進(jìn)入LAN的機(jī)制來加強(qiáng)LAN和WAN之間的安全性。防火墻必須提供豐富的功能，包括防止未經(jīng)許可的遠(yuǎn)程登錄、SMTP會話劫持(session hijacking)、拒絕服務(wù)(DoS)攻擊、電子郵件炸彈、黑客設(shè)計的宏、病毒、垃圾過濾等。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)弱點(diǎn)，這些功能的部分覆蓋仍然會使設(shè)備存在暴露或?yàn)E用的風(fēng)險，因此任何不完全的功能覆蓋都是不能接受的。

　　3.NAT技術(shù)

　　NAT技術(shù)用于將私有IP網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成公用IP網(wǎng)絡(luò)地址，從而有效地克服IPv4地址的容量限制問題。NAT技術(shù)可以將家庭網(wǎng)絡(luò)中的多個設(shè)備(包括VoIP電話和PC)捆綁到單個地址，這些設(shè)備呈現(xiàn)給外部公用網(wǎng)絡(luò)的只是單個IP地址。這樣可以給VoIP網(wǎng)絡(luò)帶來更高的安全性，因?yàn)樗梢愿綦x私有的LAN地址，防止外部的非法訪問。NAT還能利用內(nèi)部尋址機(jī)制方便LAN的管理，并且不會與公共IP尋址模型發(fā)生沖突。

　　4.認(rèn)證和語音安全

　　當(dāng)VoIP通過WAN實(shí)現(xiàn)時，可靠的端到端語音連接可以不受網(wǎng)絡(luò)類型或物理位置的約束。不幸的是，這樣做同時會使LAN暴露在無數(shù)的安全威脅下，因?yàn)檫@是WAN固有的特性。例如在沒有防火墻的情況下，VoIP網(wǎng)絡(luò)上的一位用戶可能會劫持另一位用戶的接入服務(wù)，從而免費(fèi)地使用前一位用戶的語音網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。安全性對保護(hù)用戶和服務(wù)提供商來說都很重要，只有安全可靠才能保證用戶的隱私、呼叫的完整性，才能認(rèn)證用戶的真實(shí)身份，確保用戶不會否認(rèn)使用的服務(wù)或費(fèi)用準(zhǔn)確性，也才能保證語音連接的可靠性�；景踩匦杂杀姸嗷A(chǔ)組件組成，如密鑰生成、會話配置、密鑰交換、單向或雙向認(rèn)證和加密/解密。所有這些功能都需要耗費(fèi)大量處理器資源，因此用硬件實(shí)現(xiàn)比在CPU上用軟件實(shí)現(xiàn)更高效。

　　5.可選的無線LAN連接

　　假定語音網(wǎng)關(guān)直接連接LAN，那么實(shí)現(xiàn)無線LAN連接將是最便利的一種方式。隨著VoIP設(shè)備不斷向消費(fèi)類銷售渠道的滲透，這種無線連接顯得特別重要，因?yàn)閷o線接入和路由與語音處理功能集成在一起可以促使用戶購買單個設(shè)備中多個盒子的功能。然而，引入無線接入將增加處理器通過802.11堆棧在PC/筆記本電腦和寬帶調(diào)制解調(diào)器之間路由無線數(shù)據(jù)包的負(fù)擔(dān)，而且還要能夠支持多種無線安全標(biāo)準(zhǔn)。

　　6.體驗(yàn)質(zhì)量

　　最近的網(wǎng)絡(luò)測試和對VoIP服務(wù)的調(diào)查表明，多達(dá)20%的VoIP呼叫存在語音質(zhì)量差的問題。如果不能從用戶體驗(yàn)?zāi)抢锪私獍l(fā)生了什么事，那么也就無法確定導(dǎo)致質(zhì)量差的根本原因，即無法采取正確的糾正措施。由于網(wǎng)絡(luò)固有架構(gòu)的原因，收集和報告正在運(yùn)行的VoIP網(wǎng)絡(luò)上的信息是非常復(fù)雜的一項任務(wù)。與電路交換網(wǎng)絡(luò)不同的是，交換網(wǎng)絡(luò)的智能很好地集中在中心局交換設(shè)備上，而IP網(wǎng)絡(luò)的相當(dāng)一部分智能卻位于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端的用戶駐地設(shè)備(CPE)中。對于希望成功提供VoIP服務(wù)的服務(wù)提供商來說，豐富的用戶體驗(yàn)非常重要。這意味著每個住宅VoIP邊緣設(shè)備必須提供(處理和提供)重要的VoIP服務(wù)質(zhì)量度量、相應(yīng)的統(tǒng)計和診斷信息，以主動幫助服務(wù)提供商進(jìn)行故障根本原因分析和隨后的實(shí)時緩解或解決，必須保持用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。當(dāng)然這意味著VoIP解決方案要提供一定程度的額外智能和實(shí)時處理性能。

　　通過處理器架構(gòu)擴(kuò)展IP語音解決方案

　　所有這些解決方案功能都會額外增加處理器的負(fù)擔(dān)。為了成功實(shí)現(xiàn)提供可接受的語音質(zhì)量和性能的VoIP設(shè)備，開發(fā)人員必須使用能夠處理大量并發(fā)實(shí)時操作的架構(gòu)。這樣的系統(tǒng)至少需要處理4或5個并發(fā)數(shù)據(jù)流：WAN連接，一般是寬帶接口；LAN接口，如單個PC連接，或3到5個端口的以太網(wǎng)連接；至少2個語音通道；當(dāng)時可能在用也可能不在用的可選WLAN接口。

　　為了使單個芯片支持所有這些處理功能，開發(fā)人員往往采用以硬件形式集成了許多相關(guān)VoIP組件的系統(tǒng)級芯片(SoC)處理器。這種處理器通過合理組合集成組件來控制成本，包括以太網(wǎng)連接、TDM接口、存儲器和基于硬件的特殊任務(wù)加速器。這些處理器必須能夠正確處理數(shù)據(jù)路由和應(yīng)用層功能，并使數(shù)據(jù)移動不成為過重的負(fù)擔(dān)而導(dǎo)致瓶頸問題，從而影響對時間敏感的其它語音處理功能。

　　由于VoIP系統(tǒng)的分割處理特性，集成了RISC和DSP處理資源的雙處理器方案可以提供最優(yōu)的架構(gòu)，用來最有效地實(shí)現(xiàn)一個可靠的VoIP系統(tǒng)所要求的眾多組件。在專門設(shè)計處理這些任務(wù)的架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)每個任務(wù)可以降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并縮短開發(fā)時間。

　　一般來說，在RISC處理上執(zhí)行語音編碼器的內(nèi)核算法的指令數(shù)約是DSP上執(zhí)行指令數(shù)的3倍，保守地估計周期數(shù)大體上至少相當(dāng)于2倍。例如僅采用RISC架構(gòu)的SoC要求處理器能夠執(zhí)行所有的VoIP組件，包括通話、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和路由器功能以外的語音處理操作，還要處理來自執(zhí)行錯誤架構(gòu)上的某些組件導(dǎo)致的2倍以上的低效任務(wù)。這種處理器需要頻率非常高的工作時鐘，從而導(dǎo)致更高的成本和發(fā)熱量。另外，需要特別注意對整個系統(tǒng)功能的規(guī)模調(diào)整，因?yàn)轭~外的處理容量成本非高，而且如果是最新推出的處理器甚至不可能實(shí)現(xiàn)。即使?jié)M足了容量要求，也必定要犧牲一定的性能或語音質(zhì)量。

　　與只是RISC的架構(gòu)或雙RISC、多線程架構(gòu)相比，使用雙處理器架構(gòu)劃分跨越兩個處理器的系統(tǒng)后不僅可以均衡處理負(fù)載，還能顯著降低每個處理器需要的時鐘頻率。因?yàn)楣恼扔陬l率的平方，因此還能實(shí)質(zhì)性地減輕功耗和散熱問題。另外，由于雙處理器是獨(dú)立的，它們可以工作在不同的時鐘頻率，因此能夠以最低的成本最大化語音和數(shù)據(jù)處理性能。根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，雙處理器還可以在速度、性能和功能等方面做進(jìn)一步優(yōu)化，從而高效地實(shí)現(xiàn)從基本的網(wǎng)關(guān)到具有先進(jìn)安全性的完整防火墻和路由器等功能。

　　然而，時鐘頻率和周期效率只是其中的兩大關(guān)鍵性能指標(biāo)。如果沒有流經(jīng)處理器的高效數(shù)據(jù)，那么大量的數(shù)據(jù)移動將形成性能瓶頸，有可能將語音質(zhì)量劣化到不能接受的程度�？梢圆捎弥苯哟鎯ζ髟L問(DMA)機(jī)制，將處理器移出數(shù)據(jù)搬移的關(guān)鍵路徑，從而使數(shù)據(jù)到處理器之間的發(fā)送和存儲無需耗用CPU資源。例如，當(dāng)DSP完成數(shù)據(jù)塊的處理后，DMA就可以將數(shù)據(jù)移到存儲器等候其它設(shè)備的訪問，這一過程無需耗用一個DSP執(zhí)行周期。彌補(bǔ)DMA效率的是高速內(nèi)部交換、寬的總線帶寬、數(shù)據(jù)突發(fā)功能以及無需CPU持續(xù)監(jiān)視而實(shí)現(xiàn)直接數(shù)據(jù)移動和處理的智能外設(shè)，從而達(dá)到最大化整體系統(tǒng)性能、降低時延、減少抖動效應(yīng)，提高語音質(zhì)量的目的。利用這種方式，雙處理器中每個處理器都無需管理數(shù)據(jù)流，可以專注于執(zhí)行它們最擅長的處理、命令和控制功能。其它重要的數(shù)據(jù)移動技術(shù)包括：

　　1.內(nèi)部總線交換

　　縱橫交叉(Cross-bar)功能可以有效避免擁塞效應(yīng)，減少數(shù)據(jù)移動沖突，允許多個數(shù)據(jù)流同時流動，并允許并發(fā)的控制寄存器訪問。交換功能使任意兩個外設(shè)之間的數(shù)據(jù)移動無需RISC或DSP內(nèi)核的參與。

　　2.處理器緩存大小調(diào)整

　　指令和數(shù)據(jù)緩存可以根據(jù)特定的應(yīng)用處理和業(yè)務(wù)要求進(jìn)行優(yōu)化。緩存以與處理器相同的速度運(yùn)行可以有效減少引起處理器宕機(jī)的外部存儲器存取次數(shù)，從而提高系統(tǒng)總體性能。

　　3.外部存儲器接口

　　一個高效的處理器如果饋入數(shù)據(jù)的速度跟不上使用數(shù)據(jù)的速度就容易宕機(jī)。存儲器訪問效率取決于總線帶寬、時鐘速度和段交錯操作(bank-interleaving)。當(dāng)結(jié)合使用優(yōu)化的軟件時，性能效率最多時可以提高40%。

　　4.外設(shè)配置

　　專用外設(shè)經(jīng)過配置可以在初始化后無需直接的RISC或DSP支持。結(jié)合分布式DMA控制和數(shù)據(jù)突發(fā)操作，可以最大化外設(shè)效率，從而無需RISC或DSP的干預(yù)就能執(zhí)行特定的任務(wù)。

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