基于ATCA和MicroTCA的獨立信令網關設計

信令網關用于橋接下一代IP網絡和傳統的包交換電話網絡(PSTN)，處理的主要是呼叫建立、控制和計費等信號。網關設計要求融合IP協議、傳統的交換電路協議、操作系統、管理以及高可靠性的硬件系統設計。MicroTCA、AdvancedMC硬件和現成軟件可以提供構建模塊用于開發獨立的信令網關設計，這樣設計出來的網關很容易隨著IP電話需求的增加而進一步擴展。

電話需要兩種類型的網關：一種是用來處理話音、視頻和數據的媒體網關；另一種是用來處理呼叫控制的信令網關。一些歐洲的電話系統使用相同的物理鏈路同時傳送這兩種信號，因此媒體和信令網關可以是同一設備。但包括北美地區的網絡在內的其它系統是在不同的物理鏈路上傳送信令和媒體這兩種信號的，因此開發人員可以將媒體和信令網關分割成獨立的單元。

同時滿足上述兩種部署方案的方法之一是創建以模塊形式存在的獨立信令網關。這種網關可以用作兩種系統中的組件或構建模塊。這樣的模塊可以插入可用的AMC站點，從而創建出作為一個系統單元的組合式網關設計。這種模塊也可以用作純信令網關的基礎，只需簡單地增加更多的網關模塊就能滿足不斷增長的呼叫量需求。

網關模塊的硬件設計必須提供PSTN接口，這些端口通常要處理每個SS7鏈路上64kbps數據速率的E1/T1/J1 PSTN信號，或者成組使用時的高速鏈路(透明和ATM鏈路)。網關還內置能夠運行PSTN與IP網絡堆棧的處理器和至少兩個IP端口，如千兆以太網連接，因此它們有冗余鏈路連接到IP網絡。雖然這看起來簡單，但獨立網關模塊的設計可能是一個很大的挑戰。

為滿足電信需要，網關必須被設計成在99.999%時間里都能可靠工作。這要求網關能理軟硬件故障，同時保持連續的服務。升級和/或替換硬件和軟件的能力是支持99.999%的另一項重要措施，要求網關具備負載均衡和故障轉移的軟件冗余能力。此外，支撐這些軟件的硬件，包括模塊、機架、電源模塊、風扇和互連，必須檢測和響應系統故障(使用冗余硬件)，提供熱插拔功能，并支持軟件/固件升級機制。

系統管理支持也是必需的，因為網關一般在“黑盒”似的網絡中運行，在工作過程中沒有操作人員介入。因此它需要具有硬件及協議棧操作的自我管理功能，包括故障檢測和響應等。此外，當在網絡中第一次安裝網關時，設計需要支持網關操作的設置和控制。

滿足網關需要的xTCA規范

減少挑戰難度的方法之一是使用基礎架構，這種基礎架構能夠提供模塊/刀片要求的功能，從而讓設計師集中精力做好網關功能的設計。高級電信計算架構(ATCA)和MicroTCA(一起被稱為xTCA)都是能夠滿足這些系統需求的開放規范。許多供應商已經成功開發出基于這些規范的系統構建模塊。

這樣，在開始時設計基于ATCA或MicroTCA規范的信令網關之前，很多工作都已完成，它們就是來自不同提供商的現成硬件和軟件。這些規范的控制機構PICMG(PCI工業計算機制造商組織)啟動了一個互操作性程序來提升互操作性能，從而讓設計師有更多時間完成組件的混合和匹配。

ATCA和MicroTCA都使用模塊化設計方法在其組件中創建了系統管理和熱插拔功能。作為這種方法的一部分，高級夾層卡(AMC)最初就是針對ATCA靈活性的擴展而開發的(通過為I/O等目標提供可熱插拔的夾層卡)，后來經過擴展變成了MicroTCA的基礎部分。

在ATCA中，AMC安裝在較大的系統卡或刀片之上，然后一起插入系統背板。在MicroTCA中，相同的AMC卡直接插在背板上。這樣，一個通用的AMC設計不加修改就可以在系統中使用，因此具有很大的可擴展性。

ATCA和MicroTCA架構為高可用性系統提供內在的支持。每個AMC模塊都有一個模塊管理控制器(MMC)，可以用來實現模塊電源、操作和背板連接的遠程控制。

對于MicroTCA來說，機箱內的MCH(MicroTCA carrier hub)提供系統管理以及與每個模塊的MMC的交互功能(圖1)。在ATCA系統中，這些功能由子架管理控制器和支持AMC的ATCA卡上的IPMC共同完成。MCH和MMC之間的交互能使MCH打開或關閉AMC，詢問AMC，甚至取消它們的背板訪問功能，因此MCH能夠提供模塊級的電子鍵控、故障檢測和故障隔離等服務。



MicroTCA架構內還可選支持使用冗余電源、冷卻風扇和MCH控制模塊，因此很容易使用運行高可用性系統軟件的完整硬件冗余進行系統設計，而這些軟件大部分是現成的。

例如，愛默生的Centellis 1000 MicroTCA機箱就提供了冗余電源和單個MCH模塊。它能容納多達10個新增的全尺寸AMC，能支持各種應用。Centellis 500 MicroTCA機箱是一種低成本的入門級解決方案，采用一個標準的MicroTCA MCH和電源模塊，支持4個中等尺寸的AMC。這兩種解決方案在網關尺寸和特別應用架構方面為設計師提供了很大的靈活性。

獨立信令網關設計師可以從針對MicroTCA系統的AMC設計開始，并根據需要利用不同的MicroTCA機箱類型進行擴展，以滿足不同的電話系統需要。AMC的尺寸足以容納多通道網關所需的所有硬件，并有足夠的空間提供到PSTN的多個前面板連接，因此在一塊卡上可以實現所有的功能。

在MicroTCA架構中，這些AMC模塊可以插入與協議無關的交換式串行背板。這種背板將千兆以太網作為其基本結構，允許AMC模塊直接連接到IP網絡，無需額外的轉換。

網關軟件要求

針對信令網關設計的軟件比較復雜。雖然硬件包含了大部分通用網絡接口、處理器和存儲器，但軟件必須完成各種不同協議之間的信號轉換，同時實現高可靠行為。在PSTN側是時間復用的SS7呼叫控制協議，另一側是以數據包為基礎的互聯網協議(IP)。

信令網關的任務是確保在一個網絡上產生的信令能夠到達另一個網絡上的目的地。另外，兩個PSTN網絡可以通過中間的IP網絡實現連接。媒體網關 (MG)將語音、視頻和數據從IP網絡傳送/轉換到另一個MG或IP端點。信令網關(SG)用于封裝SS7控制信令并將它們發送到媒體網關控制器 (MGC，也稱為軟交換)。MGC需要管理這些信令進入和離開IP網絡時的連接，并需要處理IP網絡中發起的連接。當IP網絡鏈接著兩個PSTN網絡時，SG也能封裝SS7信令，并通過IP網絡傳送到另外一個SG，因此一個具有完整橋接功能的網絡具有如圖2所示的結構。



幸運的是，就象硬件一樣，現成標準的構建模塊大大地簡化了獨立型信令網關的軟件設計。其中一個重要的組件是SIGTRAN協議棧，它能支持在 IP網絡上傳送SS7消息(圖3)。這種協議棧用一種流式控制傳送協議(SCTP)替換了SS7的MTP層，以便在IP網絡上傳送控制信號。



SIGTRAN適配層則針對SS7的上層協議模擬出缺少的MTP層協議，從而保持了高層消息結構的完整性。這種結構允許信令網關終結MTP層。當IP鏈接到PSTN電話時，SIGTRAN適配層將信令從上層傳送到軟交換進行處理；或者簡單地將本質上完整的消息傳送給另一SG，然后再沿途送達另一個PSTN。

系統設計決策

AMC模塊的具體設計取決于開發人員如何決定將模塊組合成高可用性系統。xTCA架構提供了各個部件，但如何組裝這些部件有多種方法。

創建網關的一種方法是使用兩個不同的AMC模塊：一個處理SS7接口，一個處理IP接口。這些模塊將分割SIGTRAN堆棧，并通過高速背板鏈路(如PCI Express)進行通信。以這種方式劃分SG功能可以讓硬件高效地處理大量信令。

另外一種方法是將SIGTRAN、SCTP和SS7接口放在單個AMC模塊上。這種方法具有多個顯著的優勢，這些優勢可以彌補許多部署條件下減少了的呼叫處理密度。第一個優勢是單模塊設計可以簡化故障轉移。兩個模塊可以分擔SS7信令處理負載，每個模塊運行在40%的容量。這樣當發生故障時，系統可以簡單地將所有業務切換到余下的模塊上進行處理，直到故障模塊通過熱插拔替換掉。由于所有功能都在單個模塊設計中實現，熱插拔仍很簡單，因為不需要重新初始化合作模塊。

單模塊設計方法的另一個優勢是它能提供更精細的顆粒用于系統擴展。SS7信令較低的帶寬意味著單模塊設計可以處理數量眾多的SS7鏈路。這也意味著開發人員可以在小型MicroTCA機箱(如Centellis 500)中只使用少量模塊就能創建成本最低的產品，這種產品正好滿足目前市場上最流行的小型網關的需求。如果容量要求提高，系統能以適度的成本得到逐步擴展，不用象雙模塊方法中那樣高成本和大幅度。

單模塊設計提供了最低成本的信令網關市場準入。由于設計專注于一個AMC，因此該設計無疑是系統中最基礎的部分，具有可能最低的成本。

另外一個額外的好處是應用的靈活性。AMC可以當作具有完整功能的SG黑盒，因此為MicroTCA系統創建的單卡SG還可以插入ATCA MG卡設計中，形成統一的網關設計。SG AMC還能簡單地占用ATCA系統中另外未用的夾層卡槽，從而以最低的成本向中心局提供這種額外的功能。

總之，在針對xTCA的AMC上實現獨立的信令網關，可以讓設計師開發出具有完整冗余性和擴展能力、從小尺寸到中等尺寸的各種產品。此外，通過集成進ATCA卡，AMC設計還能為更大的系統提供信令網關功能。因此，隨著通信領域從PSTN向IP網絡的持續過渡，這種設計完全可以滿足當前和未來的通信產業需求。