软交换可以是一个同时包含呼叫控制和交换机制的单个设备。大多数公司将软交换分成两类或更多类设备，称为呼叫代理(CA)、信令网关(SG)和媒体网关(MGW)。全球著名的软交换设备生产商有思科、华为、中兴通讯、阿尔卡特、UT斯达康、朗讯、摩托罗拉、北电、马可尼、西门子和圣思。

软交换的架构

    本文对软交换架构的定义包含呼叫代理(CA)、媒体网关(MGW)和信令网关(SG)，其中SG的功能性可能与一个或多个MGW共存。这种软交换架构类型将逻辑和物理交换功能分离开来，从而使这些功能能够存在于分离的设备中。到LAN或WAN的物理连接由传输平面(transport plane)内的MGW建立。如果连接到PSTN，逻辑功能将由呼叫代理负责管理，而信令功能则由信令网关(SG)来管理。

    MGW将不同类型的数字媒体流连接在一起，为呼叫中的语音和数据创建一条端到端的路径。MGW可能具有连接到PSTN网络的接口(如DS1/DS3或E1/STM1端口)，以及连接到ATM和IP网络的接口。在现代系统中，MGW具有连接VoIP呼叫的以太网接口。CA控制MGW在这些接口之间连接媒体流，以便在不中断最终用户的情况下连接呼叫。

    MGW可以通过消除线路回声和管理抖动缓冲器帮助保持业务质量(QoS)，并使基于分组的媒体优先在分组网络上传输。如果集成了SG功能性，MGW还将通过向网络提供SS7和MF信令的物理接口，管理从PSTN到IP网络的信令。

    呼叫代理执行呼叫路由、计费、信令、呼叫服务等功能，并提供系统智能。一个呼叫代理可以控制分散地理区域内一条TCP/IP链路上的多个不同MGW。

    大多数在其网络中部署了软交换的网络运营商选择了集成设备。调查数据显示，未来两年将出现向分布式软交换迁移的趋势。接入MGW是目前部署最广的VoIP网络设备。

    在软交换架构中，有四个被称为功能平面的主要功能区域，分别是传输、呼叫控制与信令、服务与应用、以及管理。功能平面规定了一个VoIP网络及其关联软交换的主要功能。这四个平面再细分为域。在本文中，我们将着重讨论传输平面。

图2：媒体网关系统图 

    传输平面定义为在VoIP网络上传输媒体、呼叫建立和呼叫信令消息。其底层物理技术随所传送的媒体要求不同而各异。传输平面定义了3个域：

    1. IP传输域负责在VoIP网络上传输分组，包括路由器和交换机等设备。

    2. 互通域(Interworking Domain)负责与VoIP网络外部的网络交互，它包括SG、MGW和互通网关。

    3. 非IP接入域允许非IP终端如ISDN电话和移动电话等通过接入网关或住宅网关连接到VoIP网络。

    本文集中讨论软交换架构中的电信级MGW，并描述以太网交换如何提高性能和降低实现成本。不过，下面几节中讨论的许多功能同时也是企业级MGW功能所要求的，包括企业接入设备和IP PBX。

面临的技术挑战

    由于IP并不是为实时业务而设计的，因此要使IP网络适用于语音通信，必须提高QoS、可用性和安全性。

    语音和数据的通信特性非常不同。实时、准实时和尽力服务(best-effort)通信要求必须在不同业务条件下共存。当业务组合变得更复杂时，运营商将面临更多的技术挑战。例如，语音传输对IP网络设计提出了严格要求。特别地，低延迟、低抖动(延迟变化)、分组丢失和对拒绝服务(DoS)攻击的防护，是最重要的要求。

    满足这些要求的设计特性和架构选择在不同网络环境中可能是不同的，这取决于现有网络的扩展要求、物理和路由拓朴，以及与传统业务的关系。

    需要考虑以下基础性网络设计原则：

    1. 平均抖动

    2. 节点可用性

    3. 端到端语音延迟

    4. 语音/传真分组丢失

    5. 干线中的保护切换时间

    6. 传送多业务和专门语音通信的能力

    7. 高安全性和对网络攻击的防护

    显然，构建用于语音通信业务的IP网络还存在其他要求。这包括采用开放和基于标准的架构以具备多厂商采购能力，以及拥有处理数百个节点的充分的伸缩能力。这种伸缩性对大型网络运营商来说至关重要，他们希望通过合并和简化的运营与维护来实现成本节省。

    位于运营商网络边缘上的高容量MGW将在媒体(例如：分组到TDM、TDM到TDM和分组到分组)和信令类型(例如：SS7、ISDN、CAS、SIP、H.323等)之间进行交换。这些高伸缩性设备可提供电信级服务，并支持全套的世界性PSTN协议。

图3：目前的媒体网关语音转换卡 

    电信级设备安装在机柜上，机架含有多个插槽，最常用的是12到16个插槽。其中，保留一或两个插槽用于冗余管理网络服务器功能。剩余的插槽可插入任意组合的分组网络服务器或电路网络服务器接口模块。对于用户数据，通信将在任意接口间交换。

    与TDM电路交换相比，现代MGW设计在空间要求方面提供了极大的缩减，有时改善达10:1，从而降低了冷却、功耗和设施方面的运营成本。

    结果，可以很容易地创建拥有几十万个语音端口的大型中心局配置。最常用的架构支持高密度电路接口，包括DS1、DS3、E1、OC3/STM-1和OC12/STM-4。

    为实现成本有效性，MGW可增量扩展，允许服务提供商使业务容量与用户需求保持一致。一块底板开始可以只有一个接口模块，然后通过快速以太网或千兆位以太网逐步扩充以支持大量底板。这使MGW能够支持最大的网络配置，而不对网络中任何一点构成压力。

    为实现长话级品质(toll-quality)的语音，MGW可设计为提供IP和ATM网络所需的QoS。对于IP，这些系统支持服务类型(TOS)位，这些位允许运营商按每个呼叫提供优先级，另外还支持多协议标签交换(MPLS)标准。在ATM网络中，这些系统使用恒定位速率(CBR)服务来确保得到ATM网络的正常处理。

    根据使用的网络，网关将执行以下功能：

    1. 将时分复用(TDM)系统使用的时隙信息转换为分组；

    2. 进行语音压缩，以节省带宽；

    3. 执行媒体处理功能，如消除线路回声、管理抖动缓冲器以及进行分组丢失补偿等，以达到连接QoS；

    4. 向媒体中插入适当信号，如拨号和呼叫进行音等，以及舒适(背景)噪声；

    5. 包含检测特定呼叫事件的能力，如摘机/挂机状态和语音活动等。

    为实现安全和冗余，一些网关实施提供光接口模块，支持“自动保护切换”功能以快速切换到冗余光设备。

    在信令侧，集成了SA的MGW负责发出和终止所有用于在电路和分组网络上平滑网络集成的关键信令类型。这些设备支持ISDN PRI、随路信令(CAS)和世界范围内不同的SS7/C7等电路协议，同时还支持H.323、SIP、SIP-T和MGCP等标准分组信令协议。

以太网交换机在软交换和媒体网关中的部署

    过去几年以来，半导体公司一直在向以太网交换机和DSP适应调整，以推动产品在软交换和媒体网关中的使用。

    DSP在可执行的MIPS(每秒百万指令)数、峰值MMAC/s(每秒百万乘加次数)容量、更快的运行时钟速率和提高板载内存集成方面取得了进步。随着价格下降，DSP现在有各种尺寸可供使用，可用在各种语音和视频应用中。

图4：下一代媒体网关语音转换卡 

    以太网交换机每端口价格一直在持续下降，同时从企业到城域网边缘和核心的整个网络的以太网端口速度在不断提高。以太网是一种标准、可靠的技术，得到广泛部署，并为大部分网络工程师接受。与DSP相似，以太网交换机的集成度不断提高，可支持极高的端口数量、极大的内存和附加功能。

    目前市场上销售的大多数小型快速以太网交换机，均把PHY和媒体接入控制(MAC)功能合并到一个设备中。虽然PHY和MAC集成对某些应用有利，但PHY集成对于那些需要连接到MGW架构中的DSP时却并不是最优的。因为DSP有自己的MAC接口，它们需要一个外部PHY设备，以便正常终止这些具有嵌入式PHY的以太网交换机。这种为每个DSP配备一个外部PHY的需求将占用电路板空间，增加BOM成本，增大功耗。

    在这方面，卓联半导体公司采用了另外一种方法。卓联的以太网交换机产品通过支持直接的MAC到MAC连接，提供了到DSP的直接连接。卓联交换机产品具有先进的QoS和流分类器功能，可不必使用FPGA和CPLD，而通常的方案需要使用这些器件以支持通用以太网交换机中缺少的功能。

    在下面两节中，我们将通过具有嵌入式PHY的通用以太网交换机产品，深入考察目前的MGW架构解决方法。然后通过卓联的以太网交换机产品展示下一代MGW解决方案。

目前的媒体网关解决方案

    目前，大多数媒体网关语音转换(MGVC)卡是由DSP构成的，用于执行TDM到分组的桥接功能。这些卡还包含以下内容：

    1. 以太网交换功能，用以多路复用DSP池；

    2. 管理用CPU或CPLD，用以发送带外信令和/或管理卡；

    3. 可选FPGA，执行通信映射，将VoIP通信转发到特定DSP；

    4. 可选TDM交换机，以转发TDM通信。

    具有嵌入式PHY的通用以太网交换机需要额外的外部PHY来实现与DSP池的接口，从而消耗了不必要的空间和功率。因为嵌入式PHY并不是所有DSP线路卡设计所必需的，但不管使用与否，它们都将占用系统资源，并将设计者锁定在特定逻辑。由于目前以太网交换机缺乏执行到DSP的语音通信映射能力，因此有些MGW将使用FPGA来管理这一映射。

下一代媒体网关解决方案

    下一代MGVC卡将减少每个卡上物理组件的数量从而提高DSP处理能力。卓联拥有许多专为支持基于分组应用的下一代MGW设备设计的全业务以太网交换机产品。

    卓联以太网交换机产品基于DSP的设计可最大程度地减小空间和功耗，同时保持了卓越的QoS。与大多数低密度交换机产品不同，卓联以太网芯片提供了完整的高级功能性，如分类和过滤，以及到DSP的直接连接。卓联采用流行的以太网接口实现多个DSP的多路转换和互连。这允许在DSP和卓联交换机产品之间进行直接MAC到MAC连接，消除了使用附加电路和PHY进行接口转换的需要。卓联支持多种接口选项，包括IEEE 802.3标准接口，如MII和GMII，以及工业标准接口，如RMII和SS-SMII。所有这些接口都是DSP芯片组的流行接口，可以灵活匹配目前使用的许多DSP以太网接口。

    对于MII接口，IEEE 802.3标准描述PHY用于向MAC提供TX和RX时钟。在MAC到MAC应用中，这将意味着需要使用外部电路来产生这些时钟，因为双方MAC都将把这些时钟作为输入。卓联通过使交换机的MAC产生这些时钟，解决了这一问题，消除了对附加电路的需要。该接口称为Reverse MII(RvMII)，也称为PHY模式。

    对于更高密度的DSP群，MAC到MAC连线设计将更加繁琐。这通常意味着要使用减少信号数量的接口，如RMII或SS-SMII。卓联支持这些以太网接口，并理解设计这些通用时钟接口时的复杂性。

    卓联交换机产品提供灵活的模板识别和基于流的先进引擎，支持对采用标准、未来或专有帧格式的进入流进行L2-7分类与交换。卓联交换机产品消除了对板载FPGA或CPLD的需要，同时还可减轻网络处理器的部分功能，降低BOM成本并缩短上市时间。这允许实现更大的管理DSP池的灵活性，以及支持专有分组类型的能力，这些分组类型中可能包含带内信令或控制信息和灵活交换决策。

    为支持标准、专有或未来的帧类型，除了识别一些通用以太网帧类型的硬编码模板之外，卓联还提供了一个可编程模板识别引擎，称为Sequencer(定序器)。Sequencer是一种正在申请专利的微型定序器，可以对以太网头部进行if-then-else解析，支持多达15个决策节点，可解析多达96字节的分组头部，每端口进入点编入决策树。

    卓联基于流的引擎采用单字段或多字段规则进行分类和交换决策。对于MGVC应用，这可能意味着识别语音流并转发到DSP，或识别带内信令或线路卡控制分组并转发到一个本地端口。

    使用L4逻辑端口将流转发到DSP，是MGVC应用中采用的一种交换机制。通常，这需要在交换机之前放置一个FPGA，来执行L4到L2的映射。而卓联的方案可支持UDP/TCP逻辑端口交换，因而可以取消FPGA。卓联还支持目标MAC地址重映射，这意味着不管池中有多少DSP，MGVC卡都可以看上去像一个单一的MAC地址。卓联能够为MGW语音处理卡提供端到端支持。

    随着下一代媒体网关的演进，以太网交换机将继续在网关架构中扮演至关重要的角色，减少系统组件的数量，提供可靠且成本有效的传输接口。目前，全球众多领先的软交换与媒体网关厂商都在积极开发下一代媒体网关，冀望来年在市场上击败竞争对手，掌控日益凸显的VoIP创收潜力。