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VoIP解決方案及雙處理器實現架構分析

2006/12/04

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

　　為了保持競爭優(yōu)勢，許多制造商已經認識到他們的產品能夠支持的功能和特性將決定他們的成敗。當然對更高語音質量的追求永無止境，不僅要克服直接影響QoS和可感知質量的WAN瓶頸，而且要提供比傳統PSTN更高的質量。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協議實現的傳真服務。大多數寬帶服務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，為了完成語音質量平衡，每個VoIP通道必須有一個完整的、強大的語音處理系統，其中包含優(yōu)秀的回波抵消、語音活動檢測、自適應抖動緩存/語音播放、音調檢測和產生、用于DTMF中繼的RFC2833、各種主叫號碼變量等功能，并支持呼叫轉送和呼叫轉移等附加服務。

　　但僅僅把重點放在核心語音功能上還不能形成具有競爭力的VoIP網絡。制造商已經開始向同一產品中集成強大的語音網關和家庭路由器功能，從而形成了豐富多彩的各種最終產品配置。常用產品價格、一體化功能、先進性能、服務質量管理以及無經驗的零售渠道等，來自這些方面的壓力將使性能和成本期望值達到目前許多處理器無法承擔的水平。

　　VoIP解決方案處理負荷

　　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，必須充分理解提供合理語音質量和服務所需的所有處理功能。然而，每種功能都會占用CPU運算周期，如果不認真地實現，將降低器件性能，從而潛在地影響VoIP質量和總的數據吞吐量。

　　通常在寬帶調制解調器或光纖/以太網連接背后存在一個住宅語音網關。除了為每個支持的語音通道提供語音處理功能外，網關還必須提供各種WAN到LAN的數據路由功能，包括服務質量(QoS)機制、防火墻保護、網絡地址轉換(NAT)、可選的無線LAN連接、認證和語音安全以及最近市場上出現的體驗質量(QoE)。其中每個功能在保持和保護語音連接和質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致可感知的語音質量下降。

　　1.QoS機制

　　QoS一直是VoIP部署中的關鍵因素。雖然大多數QoS機制采用某種形式的服務標簽或隊列來實現峰值業(yè)務條件下的數據包優(yōu)先等級傳輸，但事實上QoS機制有很多種。從VoIP來看，網關的主要任務是確保語音包有比數據包更高的優(yōu)先級，因為語音包對延遲特別敏感，如果它們延遲到達，語音質量將嚴重受損。另外，如果對延遲敏感的視頻業(yè)務也是語音-視頻-數據“三合一”家庭網絡中的一部分，那就必須認真加以對待，確保視頻業(yè)務不完全占據最高的優(yōu)先級隊列而影響到語音業(yè)務。

　　2.防火墻保護

　　防火墻在保護VoIP設備免受未授權訪問中扮演非常重要的角色，它通過阻止未授權業(yè)務進入LAN的機制來加強LAN和WAN之間的安全性。防火墻必須提供豐富的功能，包括防止未經許可的遠程登錄、SMTP會話劫持(session hijacking)、拒絕服務(DoS)攻擊、電子郵件炸彈、黑客設計的宏、病毒、垃圾過濾等。根據不同的網絡弱點，這些功能的部分覆蓋仍然會使設備存在暴露或濫用的風險，因此任何不完全的功能覆蓋都是不能接受的。

　　3.NAT技術

　　NAT技術用于將私有IP網絡地址翻譯成公用IP網絡地址，從而有效地克服IPv4地址的容量限制問題。NAT技術可以將家庭網絡中的多個設備(包括VoIP電話和PC)捆綁到單個地址，這些設備呈現給外部公用網絡的只是單個IP地址。這樣可以給VoIP網絡帶來更高的安全性，因為它可以隔離私有的LAN地址，防止外部的非法訪問。NAT還能利用內部尋址機制方便LAN的管理，并且不會與公共IP尋址模型發(fā)生沖突。

　　4.認證和語音安全

　　當VoIP通過WAN實現時，可靠的端到端語音連接可以不受網絡類型或物理位置的約束。不幸的是，這樣做同時會使LAN暴露在無數的安全威脅下，因為這是WAN固有的特性。例如在沒有防火墻的情況下，VoIP網絡上的一位用戶可能會劫持另一位用戶的接入服務，從而免費地使用前一位用戶的語音網絡服務。安全性對保護用戶和服務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，才能認證用戶的真實身份，確保用戶不會否認使用的服務或費用準確性，也才能保證語音連接的可靠性�；景踩匦杂杀姸嗷A組件組成，如密鑰生成、會話配置、密鑰交換、單向或雙向認證和加密/解密。所有這些功能都需要耗費大量處理器資源，因此用硬件實現比在CPU上用軟件實現更高效。

　　5.可選的無線LAN連接

　　假定語音網關直接連接LAN，那么實現無線LAN連接將是最便利的一種方式。隨著VoIP設備不斷向消費類銷售渠道的滲透，這種無線連接顯得特別重要，因為將無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制解調器之間路由無線數據包的負擔，而且還要能夠支持多種無線安全標準。

　　6.體驗質量

　　最近的網絡測試和對VoIP服務的調查表明，多達20%的VoIP呼叫存在語音質量差的問題。如果不能從用戶體驗那里了解發(fā)生了什么事，那么也就無法確定導致質量差的根本原因，即無法采取正確的糾正措施。由于網絡固有架構的原因，收集和報告正在運行的VoIP網絡上的信息是非常復雜的一項任務。與電路交換網絡不同的是，交換網絡的智能很好地集中在中心局交換設備上，而IP網絡的相當一部分智能卻位于網絡遠端的用戶駐地設備(CPE)中。對于希望成功提供VoIP服務的服務提供商來說，豐富的用戶體驗非常重要。這意味著每個住宅VoIP邊緣設備必須提供(處理和提供)重要的VoIP服務質量度量、相應的統計和診斷信息，以主動幫助服務提供商進行故障根本原因分析和隨后的實時緩解或解決，必須保持用戶的體驗質量。當然這意味著VoIP解決方案要提供一定程度的額外智能和實時處理性能。

　　通過處理器架構擴展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擔。為了成功實現提供可接受的語音質量和性能的VoIP設備，開發(fā)人員必須使用能夠處理大量并發(fā)實時操作的架構。這樣的系統至少需要處理4或5個并發(fā)數據流：WAN連接，一般是寬帶接口；LAN接口，如單個PC連接，或3到5個端口的以太網連接；至少2個語音通道；當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VoIP組件的系統級芯片(SoC)處理器。這種處理器通過合理組合集成組件來控制成本，包括以太網連接、TDM接口、存儲器和基于硬件的特殊任務加速器。這些處理器必須能夠正確處理數據路由和應用層功能，并使數據移動不成為過重的負擔而導致瓶頸問題，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，用來最有效地實現一個可靠的VoIP系統所要求的眾多組件。在專門設計處理這些任務的架構上實現每個任務可以降低系統復雜性，并縮短開發(fā)時間。

　　一般來說，在RISC處理上執(zhí)行語音編碼器的內核算法的指令數約是DSP上執(zhí)行指令數的3倍，保守地估計周期數大體上至少相當于2倍。例如僅采用RISC架構的SoC要求處理器能夠執(zhí)行所有的VoIP組件，包括通話、網絡協議和路由器功能以外的語音處理操作，還要處理來自執(zhí)行錯誤架構上的某些組件導致的2倍以上的低效任務。這種處理器需要頻率非常高的工作時鐘，從而導致更高的成本和發(fā)熱量。另外，需要特別注意對整個系統功能的規(guī)模調整，因為額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現。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量。

　　與只是RISC的架構或雙RISC、多線程架構相比，使用雙處理器架構劃分跨越兩個處理器的系統后不僅可以均衡處理負載，還能顯著降低每個處理器需要的時鐘頻率。因為功耗正比于頻率的平方，因此還能實質性地減輕功耗和散熱問題。另外，由于雙處理器是獨立的，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據處理性能。根據發(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一步優(yōu)化，從而高效地實現從基本的網關到具有先進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鍵性能指標。如果沒有流經處理器的高效數據，那么大量的數據移動將形成性能瓶頸，有可能將語音質量劣化到不能接受的程度�？梢圆捎弥苯哟鎯ζ髟L問(DMA)機制，將處理器移出數據搬移的關鍵路徑，從而使數據到處理器之間的發(fā)送和存儲無需耗用CPU資源。例如，當DSP完成數據塊的處理后，DMA就可以將數據移到存儲器等候其它設備的訪問，這一過程無需耗用一個DSP執(zhí)行周期。彌補DMA效率的是高速內部交換、寬的總線帶寬、數據突發(fā)功能以及無需CPU持續(xù)監(jiān)視而實現直接數據移動和處理的智能外設，從而達到最大化整體系統性能、降低時延、減少抖動效應，提高語音質量的目的。利用這種方式，雙處理器中每個處理器都無需管理數據流，可以專注于執(zhí)行它們最擅長的處理、命令和控制功能。其它重要的數據移動技術包括：

　　1.內部總線交換

　　縱橫交叉(Cross-bar)功能可以有效避免擁塞效應，減少數據移動沖突，允許多個數據流同時流動，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之間的數據移動無需RISC或DSP內核的參與。

　　2.處理器緩存大小調整

　　指令和數據緩存可以根據特定的應用處理和業(yè)務要求進行優(yōu)化。緩存以與處理器相同的速度運行可以有效減少引起處理器宕機的外部存儲器存取次數，從而提高系統總體性能。

　　3.外部存儲器接口

　　一個高效的處理器如果饋入數據的速度跟不上使用數據的速度就容易宕機。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)。當結合使用優(yōu)化的軟件時，性能效率最多時可以提高40%。

　　4.外設配置

　　專用外設經過配置可以在初始化后無需直接的RISC或DSP支持。結合分布式DMA控制和數據突發(fā)操作，可以最大化外設效率，從而無需RISC或DSP的干預就能執(zhí)行特定的任務。

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