南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 賀 信

下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)是多網(wǎng)融合的產(chǎn)物，是可以提供多種包括媒體、音頻、數(shù)據(jù)等各種業(yè)務(wù)的開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)。PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)是開(kāi)放性通信平臺(tái)架構(gòu)規(guī)范的領(lǐng)導(dǎo)者，2005年P(guān)ICMG在ATCA[1](Advanced Telecom Computing Architecture)的基礎(chǔ)上提出的MTCA(Micro Telecom Computing Architecture)架構(gòu)規(guī)范[2]，從此MTCA成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。MTCA因其開(kāi)放性的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于多種不同網(wǎng)絡(luò)融合的小型化應(yīng)用。本文提出一種基于此架構(gòu)的ISDN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[3][4]，實(shí)現(xiàn)ISDN網(wǎng)絡(luò)在IP網(wǎng)絡(luò)中的接入。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是通過(guò)設(shè)計(jì)符合MTCA規(guī)范的AMC（Advanced Mezzanine Card：高級(jí)夾層卡）模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)ISDN接入網(wǎng)關(guān)的功能。1個(gè)典型的MTCA系統(tǒng)包括：12塊AMC模塊、1或2個(gè)MCH（MicroTCA Carrier Hub）、互連背板以及電源、散熱等模塊。MTCA系統(tǒng)支持AMC.0的所有4種規(guī)格的板卡，本系統(tǒng)采用AMC.2 Type E2(2個(gè)Gigabit Ethernet)。

圖1 AMC硬件組成

ISDN接入網(wǎng)關(guān)主要完成兩個(gè)功能：一是ISDN信令的與IP網(wǎng)絡(luò)中SIP(Session Initiation Protocol∶初始會(huì)話協(xié)議)[5]信令之間的轉(zhuǎn)換；二是媒體流之間的轉(zhuǎn)換。一個(gè)典型的通信流程如下：

(a)ISDN終端通過(guò)ISDN接入網(wǎng)關(guān)對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)中的PC軟電話發(fā)起呼叫。

(b)ISDN接入網(wǎng)關(guān)收到ISDN信令呼叫信號(hào)，轉(zhuǎn)換為IP網(wǎng)絡(luò)中的SIP信令呼叫信號(hào)，發(fā)送至軟電話。

(c)軟電話按照SIP信令流程反饋SIP信令至ISDN接入網(wǎng)關(guān)。

(d)ISDN接入網(wǎng)關(guān)將來(lái)自軟電話的SIP信令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)ISDN的信令，發(fā)送至ISDN終端。

(e)以上過(guò)程直至呼叫建立，ISDN接入網(wǎng)關(guān)將ISDN信道與IP網(wǎng)絡(luò)中的媒體流通道打開(kāi)，并進(jìn)行相應(yīng)的媒體流格式轉(zhuǎn)換。

2.ISDN接入網(wǎng)關(guān)AMC硬件設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)的AMC模塊硬件按照功能主要?jiǎng)澐譃閮刹糠郑阂皇呛诵目刂齐娐?，完成信令轉(zhuǎn)換的處理和媒體流協(xié)議的轉(zhuǎn)換，是電路的核心部分；二是接口電路，完成ISDN線路的接入和MTCA系統(tǒng)的接入及管理。AMC硬件組成如圖1。

2.1 核心控制電路設(shè)計(jì)

核心控制電路采用MindSpeed公司的VOIP處理器M82515作為主處理器，用于媒體流的協(xié)議的轉(zhuǎn)換并提供軟件運(yùn)行的硬件平臺(tái)；采用CPLD芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)之間的交換、映射等處理。

M82515是專(zhuān)業(yè)用于VOIP設(shè)計(jì)的32位處理器，內(nèi)部具有2個(gè)ARM920核和一個(gè)DSP核心，其中兩個(gè)ARM920核分別用于控制和媒體流處理，DSP核用于呼叫中各種鈴音的產(chǎn)生。

核心控制電路中的VOIP處理器最小系統(tǒng)，配備2片32M SDRAM芯片、1片用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序的8M Flash芯片以及1片用于存儲(chǔ)啟動(dòng)程序（bootloader）1M Flash芯片。

2.2 接口電路設(shè)計(jì)

接口電路的設(shè)計(jì)按照接口種類(lèi)分為3個(gè)部分：一是用于ISDN線路接入的U接口，采用motorola公司的U接口芯片MC145572來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；二是用于接入MTCA的GMII接口，采用REALTEK公司的以太網(wǎng)物理層芯片RT8201BL和Marvel公司的以太網(wǎng)交換芯片88E6045來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；三是用于MTCA管理的I2C接口，采用Atmel公司的單片機(jī)ATmega128L來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

3.網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

由于ISDN網(wǎng)關(guān)應(yīng)用在電信領(lǐng)域，因此需要保證其實(shí)時(shí)性要求。本網(wǎng)關(guān)軟件平臺(tái)采用的操作系統(tǒng)是WindRiver公司開(kāi)發(fā)的Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)由內(nèi)核、I/O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)支持幾部分組成，并且擁有功能強(qiáng)大，界面友好的開(kāi)發(fā)工具Tornado開(kāi)發(fā)平臺(tái)。網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)包括兩大方面：一是基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)，包括BSP（Board Support Package：板級(jí)支持包）的定制、操作系統(tǒng)的移植以及芯片驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)；二是應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)中應(yīng)用程序主要完成ISDN信令和SIP信令呼叫流程的控制與轉(zhuǎn)換、媒體流的控制、交換和管理，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)。在下文中著重對(duì)Vxworks移植和呼叫流程的控制與轉(zhuǎn)換進(jìn)行介紹[6][7]。

3.1 Vxworks移植

VxWorks的移植是通過(guò)BSP來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Wind River公司的Tornado開(kāi)發(fā)工具對(duì)應(yīng)于不同硬件平臺(tái)提供了相應(yīng)的BSP配置程序，功能十分強(qiáng)大。僅僅通過(guò)Tornado開(kāi)發(fā)工具我們就可以生成bootloader引導(dǎo)程序和VxWorks內(nèi)核映像。

BSP的配置文件一般在VxWorks編澤環(huán)境Tornado的目錄target/config/all和target/config/CPUxxx（CPU型號(hào)）中，前一個(gè)目錄中是通用的配置，一般不用修改，后一個(gè)目錄中包括了對(duì)應(yīng)的處理器的型號(hào)，如本系統(tǒng)BSP的配置是主要是在target/config/MindARM920（MindSpeed提供）中的config.h文件中進(jìn)行的。配置文件config.h主要定義了引導(dǎo)行，目標(biāo)機(jī)操作系統(tǒng)包含的主要成分，如軟驅(qū)、IDE硬盤(pán)、SCSI設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備驅(qū)動(dòng)，文件系統(tǒng)（DOSFS，TFFS，CDROMFS等），調(diào)試方式，內(nèi)存地址等及有關(guān)參數(shù)。引導(dǎo)行（boot line）定義了引導(dǎo)設(shè)備、引導(dǎo)路徑、操作系統(tǒng)文件名、主機(jī)/目標(biāo)機(jī)IP地址、子網(wǎng)掩碼、FTP用戶(hù)名和口令等參數(shù)。

修改config.h最重要的一步是修改引導(dǎo)行。引導(dǎo)文件bootrom.sys根據(jù)引導(dǎo)行來(lái)確定引導(dǎo)設(shè)備、引導(dǎo)路徑、操作系統(tǒng)文件，并且引導(dǎo)行存放在固定的位置。操作系統(tǒng)訪問(wèn)引導(dǎo)行來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的配置，系統(tǒng)reboot時(shí)也將訪問(wèn)引導(dǎo)行。bootrom.sys和VxWorks將它轉(zhuǎn)換為一個(gè)特定的引導(dǎo)參數(shù)結(jié)構(gòu)BOOT_PARAMS。在config.h中，引導(dǎo)行定義為有特定格式的字符串。BOOT_PARAMS定義在hootlib.h中。

BSP配置完成后，接下來(lái)就是生成bootloader文件bootrom_uncmp和內(nèi)核映像文件VxWorks。

在Tornado集成環(huán)境中執(zhí)行菜單命令Build-〉Build Boot ROM…，在彈出的對(duì)話框中，左邊框中選擇BSP，選中ARM920，右邊框中選擇要生成的影像文件，選擇bootrom_uncmp，然后點(diǎn)擊OK確認(rèn)。Tornado將生成bootrom_uncmp。VxWorks內(nèi)核映像文件的生成和bootrom_uncmp文件生成的操作基本一致。

3.2 呼叫流程控制與轉(zhuǎn)換軟件的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)呼叫流程控制與轉(zhuǎn)換軟件之前，先了解一下ISDN終端通過(guò)網(wǎng)關(guān)對(duì)SIP終端的呼叫模型，如圖2。

從模型中，我們知道ISDN信令與SIP信令之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在網(wǎng)關(guān)軟件中需要在實(shí)現(xiàn)ISDN協(xié)議（Q931、Q921）、SIP協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)綜合處理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換控制。在Vxworks軟件設(shè)計(jì)中，采用不同的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的各個(gè)功能。本軟件系統(tǒng)中定義的任務(wù)如下：

Q931Task()：ISDN信令中Q931協(xié)議任務(wù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的Q931協(xié)議。

Q921Task()：ISDN信令中Q921協(xié)議任務(wù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的Q921協(xié)議。

IHDLTask()：綜合處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)ISDN信令與SIP信令的轉(zhuǎn)換、控制。

圖2 ISDN終端呼叫SIP終端的基本呼叫模型

圖3 綜合處理任務(wù)主程序流程圖

eXosipTask()∶SIP協(xié)議處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的SIP協(xié)議，本系統(tǒng)中通過(guò)eXosip協(xié)議棧和Osip2協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)。

QmcSendTask()∶ISDN信令物理層協(xié)議實(shí)現(xiàn)，HDLC發(fā)送任務(wù)。

QmcRcvTask()∶ISDN信令物理層協(xié)議實(shí)現(xiàn)，HDLC接收任務(wù)。

在軟件中還定義了一些其它的任務(wù)，比如用于定時(shí)的任務(wù)等，各任務(wù)之間通過(guò)消息隊(duì)列進(jìn)行通信。其中ISDN信令Q931和Q921任務(wù)、SIP信令任務(wù)均按照協(xié)議定義的通信流程設(shè)計(jì)，物理層協(xié)議的兩個(gè)任務(wù)功能只是簡(jiǎn)單的接收和發(fā)送處理，因此在此不多做介紹。下面給出綜合處理任務(wù)的主處理流程如圖3所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于MTCA架構(gòu)的ISDN接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)軟硬件的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)利用MTCA這種小型化、開(kāi)放性的平臺(tái)架構(gòu)，可廣泛應(yīng)用在各種多業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)中。目前該網(wǎng)關(guān)已應(yīng)用于某單位的含Pstn、ISDN、E1等多種業(yè)務(wù)MTCA接入平臺(tái)中，與常見(jiàn)的電信平臺(tái)相比，其體積小、成本低，安裝使用方便。

[1]PICMG標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),Ethernet Advanced MezzanineCard Speci fi cation,AMC.2 R1.0,2007.

[2]PICMG標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),Micro Telecommunications Computing Architecture Base Specification,MTCA.0 R1.0,2006.

[3]中華人民共和國(guó)郵電部技術(shù)規(guī)定,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),YDN 034.3-1997,ISDN用戶(hù)-網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范第3部分:第三層基本呼叫控制技術(shù)規(guī)范,1997.

[4]中華人民共和國(guó)郵電部技術(shù)規(guī)定,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),YDN 034.2-1997,ISDN用戶(hù)-網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范第2部分:數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范,1997.

[5]IETF標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),RFC 3261 SIP:Session Initiation Protocol,2001.

[6]周啟平,張楊.VxWorks下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及BSP開(kāi)發(fā)指南[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.

[7]程敬原.VxWorks軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目實(shí)例完全解析[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.