可同时处理实时和非实时两种数据的汇聚处理器结构

随着高速路由、交换以及光传输网络的发展,网络的性能瓶颈已经转移到城域网和边缘网。边缘网设备要具备处理多种协议以及话音和视频等实时信息的能力。将话音网和数据网汇聚成一个网络,就需要在一个处理器平台同时处理实时和非实时两种数据。目前,在汇聚网应用中可以采用以软件为中心的通用处理器、硬件处理器以及用软/硬件混合方法设计的汇聚处理器。本文介绍汇聚型处理器在解决多协议通信问题中的应用。

随着网络的发展,采用两个并行的网络---分组交换网和电路交换网---来传送数据和实时信息已经不再是一种有效的方法。多协议标记交换(MPLS)可以使网络具备处理实时信息所需的QoS功能,但就像推广ATM一样,推广MPLS也需要时间。分组交换网的基础是一种分布式网络管理和控制模型,这种模型通过一系列的软交换得以实现。最初,采用软交换会增大传统电信控制协议的使用量(比如传统电信网上运行的7号信令系统),但最终软交换会代替这些传统的控制协议。因此,要实现从前者到后者的过渡,就需要汇聚技术。

此外,还有一个因素也使网络汇聚势在必行,那就是公司网络和住宅网络对带宽的需求均呈稳定增长的趋势。一方面,企业内部的有线以太网从10/100Mbps演变到1 Gbps甚至10Gbps,同时配以IEEE 802.11b无线本地局域以太网。这就刺激了用户,使他们对带宽提出了更高的要求。

另一方面,由于网络中不但存在非实时应用,还将存在实时应用,所以存在采用802.11b甚至更高速的IEEE 802.11a的要求,并最终与无源光网络和其他高速传输技术汇合在一起应用,从而造成边缘网终端应用设备的带宽和功能更加紧张。

迄今为止,业界已经用高速铜缆传输技术解决了网络中的最后一公里瓶颈问题,这些铜缆传输技术包括企业网中采用的T1和T3同步数字用户环路(SDSL)技术以及综合业务数字网(ISDN)和住宅环境中采用的异步DSL技术。但铜缆传输技术一定会退出潮流,取而代之的是离用户住宅越来越近的光接口技术。种种迹象表明,网络首先将会呈现出一种由各种技术组合起来的汇聚网形式,根据终端设备所采用的协议不同,这些技术可能包括时分复用(TDM)、ATM和基于IP的技术,然后网络会变成以分组交换为主的形式。

实时应用带来的挑战

集成接入设备(IAD)就是一个汇聚型设备的很好的例子,它将位于企业环境中或住宅环境中的那些采用不同协议的终端设备汇聚起来,用于传送实时和非实时数据(见图1)。在IAD中,如果一个传统的电话机需要进行基于TDM的话音通信,那么用户线路接口卡(SLIC)和用户线路接入卡(SLAC)会将其连接到一个数字信号处理器的TDM接口上。接着DSP会对原始的TDM信息进行μ率和A律模数转换、回波抵消以及话音压缩和解压(如果必要的话)。实时话音信息对响应时间非常敏感,因为响应时间会影响话音质量,所以通常会在ATM第二适配层(AAL2)单元中用一个中心分组处理器将实时话音分组封包起来。通常,针对不同的话音通道数,我们会选用运行速度为100MHz到200MHz的微处理器来进行这一封包操作。

此外,来自本地数据网的双向数据信息通常会通过一个以太网接口送到主处理器,然后在AAL5单元中进行封包。而广域网连接则不同,它属于基于TDM的T1/T3帧或DSL物理层(PHY),通过一个理想接口实现。

在TDM应用中,AAL2话音信元和AAL5数据信元被放到TDM时隙中,并通过边缘网和核心网中的传统TDM线路传输。而在DSL应用中,话音和数据分组则被封包成ATM信元,然后再由ATM信元组成DSL帧。具体来说,首先,本地的PPP/IP数据分组必须封包成ATM信元,这样,在网络连接的另一端上的DSL接入复用器(DSLAM)处,数据和话音信息才能进行优先级排列,并被分离,最后通过分开的数据网和话音网进行传输。然后,ATM信元被封包成DSL帧,以便在铜线上进行高速传输(因为信息在汇聚后带宽会变大)。

研究多层协议时会发现,信息首先以PPP帧的形式存在,然后被封包成IP分组,接着被封包成ATM信源,最后又被封包成DSL帧。

在此要记住:不同类型的实时和非实时信息,不论是以汇聚型话音和数据流(就像IAD中一样)形式或是以分离的话音流和数据流形式出现,在网络端都必须进行聚合和解聚。另外,如果基于分组的技术要用于实时应用,就必须保留实时通信的质量和优先级信息。

经验表明,话音分组在网络中的端到端时延决不能超过150ms,否则话音质量会变差,交谈将很难进行。如果这些实时话音分组没有正确地进行优先级排序,或者因为设备响应过慢或网络响应过慢(跳数太多)造成响应时间过长,那么通信质量都会受到损害。

同时,实时信息也不像数据分组一样可以重发,因此,对实时信息而言,最关键的就是要在分组网络上获得和在PSTN网上一样的通信质量和可靠度。

如今,诸如联网游戏和远程会议之类的多媒体应用越来越流行,在提供视频、话音和数据的混合信息流服务时,其响应时间、优先级和通信质量必须和过去单独提供话音信息服务时相同。能否快速传送大量的非专用格式的信息流,是衡量一种已经成熟的技术到底是否成功的尺度。

当前的网络需要多协议回旋层(multi-protocol gyrations)来使其良好运行,例如IAD中就需要多协议回旋层,但如果建立了一个基于IP/MPLS的全分组网络,那么具备权限的分组数据从用户住宅送出来后,就可以直接流向那些位于世界各地的路由器和交换机。在网络中可能用到的各种技术中,TDM和ATM是基于连接的技术,IP技术则采用无连接的协议,因此相对于TDM和ATM,IP技术具备很多额外的优势。一旦IP应用得到普及,那么终端用户将能够轻而易举地实现广播和多点广播功能,并能在任何时候运用基于IP的指令。

网络方面的技术正在不断进步,这一天很快就会到来。但即便到了那时,网络产业界仍然必须继续关注如何实现一个多协议、多网络的结构,尤其是因为网络运营商紧紧地控制着资本和运营成本,而这些技术对今天的电信环境而言又不可或缺。

汇聚处理的工作原理

在今天的网络中存在着边缘网设备过剩的情况。图2给出了一些设备的关键部分,他们不但在PSTN网中存在,在面向数据的分组网中也存在。在PSTN端,第五级交换和DSLAM对那些来自用户住宅设备的基于TDM的话音和数据信息进行端接,然后第五级信息就在TDM交换层汇聚。此处所说的用户住宅设备包括电话、拨号调制解调器、IAD、私人网络支路的交换机,以及其他类似的设备。实际上,这些设备处理的信息中多数都是实时信息。

大部分数据信息都是由远程接入服务器路由到基于分组的IP网或ATM网中,但仍然有一小部分由DSLAM发送到一个话音网关,并在网关处将信息转换成IP分组,或者是将该信息发送到ATM,然后再由ATM连接到SONET上的光网络。我们可以把这些边缘网设备看作一道桥梁,它们连接了PSTN网和分组网,使这两者能够实现汇聚。前面已经提到,为汇聚设备提供网络控制信息的是一系列软交换机。

面向数据的分组网包含一系列路由器和交换机,它们构成了一系列设备,用以汇聚、交换和路由那些非实时的数据流。在面向数据的分组网中,专用数据网通常都由帧中继设备与T1/T3线路连接来构成,或者由帧中继和ATM组合而成。PSTN网中可能会有一些实时信息流入分组网,这些信息通常是从对响应时间很敏感的网关送来的话音数据流。在处理这些信息时,我们要对其进行优先级排列。前几节已经讲过,这样做是为了减小响应时间。因为分组信息流经一台设备时会产生时延,降低网络的响应速度,同时,该分组在网络中传输时所经历的时延也会降低网络的响应速度。

基于分组的边缘网设备要想高效工作,必须满足以下三个基本要求:1. 当输入信息的协议封包形式不同时也能够处理；2. 能够有效地汇聚高密度的多协议数据流,并将它们发送给相应的网络,不论这些信息流是IP信息、TDM信息或是ATM信息；3. 能够以很快的响应时间处理实时信息,并保证通信质量。

汇聚型网络最终会慢慢转换为基于分组的网络,因此,当前网络发展的趋势就是要在用户住宅线路卡上的边缘网路由器和交换机内直接实现上述功能。

网络汇聚所面临的挑战

众所周知,在现实生活中,要得到令人满意的通话质量,总响应时间不能大于150ms。也就是说,话音分组的构成速度(通常为10到30ms)加上PPP和IP帧开销不能大于150ms。一般而言,在构成话音分组时,首先要用DSP进行μ律和A律转换、回波抵消、话音激活检测,以及背景噪音生成,必要时还要进行话音压缩；然后将DSP的输出送入一个分组处理器,不论送来的数据是ATM信元、IP分组或是高级数据链路控制(HDLC)帧,都在分组处理器处形成话音分组的剩余部分。

其实,最大响应开销中几乎有一半都用于在DSP和分组处理器这一级,目的是为网络连接的两端加载有效载荷,而在设备盒内或者网络中并没有其他因素会造成延时。这就强调了在处理实时信息时,必须尽量减少所有可能增大响应时间的因素。

在衡量话音质量时,通常采用平均评定得分(mean opinion score)作为业界的一个标准。话音压缩会影响话音质量,因为话音数据在经过压缩处理之后,不可能再像原始数据那样完好。但设计者在进行话音压缩时有三种选择:一是选择较大的压缩比,以更好地在带宽利用率和话音质量间进行平衡和折衷；二是选择较小的压缩比,使话音质量不至于被损害得过于严重；三是完全不压缩,以得到最好的分组话音通信质量。

显然,如果网络中有足够的带宽可供使用--至少今天的核心网就满足这个条件--那么我们就可以以一种完全不压缩的格式传送实时信息,从而完好地保留话音质量。通过一个能够灵活高效地处理多种压缩比的分组处理器,设备设计者和网络运营商均可提供各种压缩比的电话拨号服务。

在实时汇聚型处理器的设计中,人们采用了三种基本结构。一是以软件为中心的结构,它采用通用型处理器；二是硬件结构；第三种,也是一种新结构,是混合结构,它采用软、硬件混合的处理器。这三种方法都能满足网络汇聚的要求,但它们在灵活性、可升级性、可扩展性、信道容量、响应时间和处理多协议的能力上均有差异。

图3给出了一系列典型的软件,它们均运行在一个由DSP、分组处理器(用于数据路径操作)和控制处理器(用于控制路径操作)组合而成的处理核上。

图中还给出了用来运行这些软件的常用硬件模块,其中包括DSP模块、分组模块和控制处理模块。DSP模块用于处理所有基本话音,分组模块用于完成大部分分组处理,而控制处理模块则用于运行信令软件和控制平台软件。

我们选择的边缘网设备的结构应该支持所有的流行数据通路接口,包括用来端接TDM信息的TDM接口、用来处理IP信息的以太网接口、用来处理SONET网络标准信息的理想ATM接口和理想SONET分组接口。因为如果设计者的网络结构中具备了针对各种协议的接口,那么它们就可以灵活地级联多个处理器来处理更多的信道。通信中需要处理的信道数越来越多,这时,网络的处理能力也必须随之增大,尤其是当需要进行数据通路处理时。信道增加也是造成网络响应时间变大的一个很重要的因素。

因此就需要这样一种边缘网结构,它必须能够减小网络的响应时间,并能灵活地对实时信息进行分组处理。本地控制平台接口不必支持很高的数据率,所以我们通常采用PCI总线或16位并行总线作为本地控制平台接口,与分组处理器连接。控制信息和信令信息在经过控制处理器处理之后,通常和数据信息一样通过同一个WAN接口发送出去。

大多数设计最初采用的汇聚处理方法都是一种以软件为主的方法,在这种方法中,用一系列DSP来处理话音数据,用一个通用处理器运行分组软件,并用一个单独的控制处理器来处理控制平台信息。这种方法对于第一代设计来说已经绰绰有余,但设计的可扩展性、容量和响应速度都不高,因为许多关键的数据功能都是通过软件实现的。

而随着通信中的信道数越来越多,就算是处理功能相对强大的处理器也会出现处理能力不足的问题。有时,同一个通用型处理器既用于处理数据信息,又用于处理控制信息,这就更降低了这种软件型结构的容量,所以,现代的网络处理器结构为了优化处理性能,通常采取将数据和控制信息分别处理的策略。

新型网络处理器结构

第二代前沿网络处理器结构在设计时主要采用一种硬件方法,该方法通过ASIC来实现其功能,以此解决一部分响应时间问题,并获得优化的分组处理结构。这种方法的缺点是处理结构的灵活度不够,不能升级,并且除了设计ASIC时所针对的协议以外,不能处理新的协议。

新的网络/分组处理器结构采用汇聚处理器结构,它的主要优点是同时具备软件方法和硬件方法的优势。这种结构目前已日趋成熟,并能在一个SoC中实现(图4)。它采用一个硬件引擎来实现IP分组和ATM分组的数据包处理功能(完成这种功能的处理器叫做分组层处理器)。处理器芯片上还有一个用于高速查找的CAM,它可以进一步加速IP处理过程。这一系列通用型并行处理器核增强了该结构的处理能力。它们的结构看起来很像一个标准网络处理器结构。

将上述这两种处理器结构结合起来,就有可能达到硬件方案的处理速度,并实现较低的响应时间。同时,如果采用可编程处理器核,还能获得可编程方案所特有的灵活性。TDM模块还包含一个板上的四路无阻塞时隙交换器(TSI),可用来在外部DSP资源和分组子系统间交换TDM信息。

此外,如果板上有TSI,那么还可以同时进行TDM操作和分组操作。例如,当有一个TDM数据流输入时,这个数据流不但可以在本地进行交换,还同时被送给DSP或层处理器进行处理。这种功能对汇聚型应用非常有用。

作者:Roland K. Soohoo

技术和产品市场副总裁

EmpowerTel Networks公司

Email: roland@