处理器推动小区 VoIP 发展

作者：Debbie Greenstreet 与 Fred Zimmerman，德州仪器 DSP 系统小组

VoIP 不负众望正在降低小区用户的语音服务费用。早期的部署已经为实现网络语音通信提供了必要的基本模拟到 IP 转换功能。然而，大家对 VoIP 技术的追捧与投资热情已经改变了 VoIP 的基本市场结构。Linksys 和 Motorola 等制造商已开发并通过强大的零售渠道推出了丰富的 VoIP 产品，在推动产品商品化的同时也带来了价格压力，迫使全球的服务供应商不得不重新思考在将目光从功能丰富且利润可观的企业部署转向小区市场时如何实现 VoIP。

为了保持产品竞争力并掌控收入来源，制造商已认识到自己的成败关键在于产品的功能与特性。当然提高语音质量也是势在必行，这不仅能够克服直接影响 QoS与感知质量的 WAN 瓶颈，而且还可提供比通过传统 PSTN 实现的语音服务具有更高通话质量。至少，每个 VoIP 端口都必须支持 G.711 PCM 语音编码以及通常采用 T.38 协议实现的传真业务。为了满足使用 DSL 等低带宽连接的用户的各种需求，大多数宽带服务供应商还需对 G.729ab 等低比特率声码器提供支持，以便节省有限的带宽资源。不过，为了满足语音质量需求，每条 VoIP 通道都必须配备完整、可靠的语音处理系统，其中包含性能卓越的回波消除、语音活动检测、自适应抖动缓冲器／语音播放、音频检测与生成、 用于 DTMF 中继的 RFC 2833、各种主叫号码变更、以及对呼叫前转与呼叫转接等后续业务的支持等。

但是，将注意力全部集中在核心语音功能上并不足以打造具有竞争力的VoIP 网络。制造商已开始在单个产品中集成大量语音网关与家庭路由器功能，从而带来了令人眼花缭乱的多种不同成品配置。商品价格、集成功能性、高级功能、服务质量管理以及不成熟零售渠道等产生的综合压力可能使得性能与成本预期达到当今许多处理器都不堪重负的水平。

VoIP 解决方案处理重担

VoIP 开发商必须开发一个不仅能够保持较佳成本，同时又具备必要的性能与特性的高效架构，为解决这一难题，关键是理解提供合理语音质量与业务所需要的全部处理功能。但是，每种功能都会占用 CPU 周期，如果实施不当，还会降低设备性能，从而有可能影响 VoIP 质量以及整体数据吞吐能力。

小区语音网关一般位于宽带调制解调器或光纤／以太网连接背后。除了为每条支持的语音信道提供完整的语音处理功能之外，网关还必须提供各种 WAN 到LAN 数据路由性能，其中包括服务质量 (QoS) 机制、防火墙保护、网络地址转换 (NAT)、可选无线 LAN 连接、认证与语音安全以及市场中新出现的用户体验质量，这些要素在保持语音连接以及保证语音质量方面都具有举足轻重的作用。对上述任何要求处理不当都会直接降低感知语音质量。

服务质量 (QoS) 机制： QoS 一直是 VoIP 部署的关键要素。虽然大部分在流量高峰期采用业务标识或排序形式来执行数据包优先级排序，不过 QoS 机制各不相同。从 VoIP 角度来看，网关的主要任务是保证语音分组的优先级高于数据分组，这是因为语音分组对时延极其敏感，其延迟会严重影响语音质量。此外，如果对时延敏感的视频流如在语音／视频／数据“三重业务整合”网络中那样也属于家庭网络的组成部分，则必须慎重保证高优先级队列不出现过多视频流，以至于影响语音流。

防火墙保护：由于可以采用封锁未经认证流量进入 LAN 的机制来加强 LAN与 WAN 之间的安全性，因此防火墙在保护 VoIP 设备免遭未经授权访问方面扮演关键角色。防火墙必须提供各种功能，其中包括对非法远程登录、SMTP 会话攻击(SMTP session hijacking)、允许远程访问的操作系统漏洞、拒绝服务 (DoS) 攻击、电子邮件炸弹、黑客宏病毒、其他病毒、垃圾邮件以及可疑来源路由的防护。根据网络漏洞情况，上述功能的不完全保护仍然会使设备遭受攻击或盗用风险，因此应当杜绝任何不完全的保护。

网络地址转换 (NAT) ： NAT 技术通过将私有 IP 网络地址转换成公共 IP 网络地址能够完美解决 IPv4 地址不足的问题。IPv4 是当今较常用的互联网协议，但由于其地址空间相对较小，因此地址的分配基本留作专用，很少供私人使用。利用NAT 技术将多个设备合并到单个地址中，家庭网络上包括 VoIP手机 和 PC在内的多种设备可以在公共网络中使用同一个 IP 地址。由于能够将私有 LAN 地址与公共接入隔离，因此上述设备整合还可提高 VoIP 网络的安全性。NAT 还允许采用内部寻址方案简化 LAN 管理，而不会造成与公共 IP 寻址模型的冲突。

认证与语音安全：通过 WAN 实施 VoIP 时，可以在不受网络类型或物理位置限制情况下实现可靠的端到端语音连接。不幸的是，与此同时这也会使 LAN 面临与 WAN 伴随而来的各种安全威胁。例如，如果不安装防火墙，VoIP 网络的用户就有可能试图盗用其他用户的接入地址，以期免费使用网络服务。安全性是同时保护用户与服务供应商的关键，不仅对用户的隐私进行保密，保证呼叫完整性，实现对用户身份的验证，确保不可否认性以致于用户无法否认接受过服务或计费的准确性，而且还提供稳定、可靠的语音连接。基本安全性由密钥生成、会话配置、密钥交换、单向或双向认证、加密／解密等基本组成部分构成。这些机制都需要大量处理器资源，且部署在硬件中通常比利用软件部署在 CPU 上更有效。

可选无线 LAN 连接：由于语音网关是直接连接至 LAN 上，因此在语音网关上可以较方便地进行无线 LAN 连接。VoIP 设备不断渗透用户分布式信道，这也是至关重要，因为无线接入、路由及语音处理功能集成在一起使用户能够在单个设备中获得多设备功能。不过，引入无线接入功能会增加 802.11 协议栈及 PC/笔记本电脑与宽带调制解调器之间无线分组路由处理负荷，同时还需要支持各种无线安全标准。

体验质量：较近对 VoIP 业务的网络测试与调查表明，20％ 的 VoIP 呼叫具有较差的语音质量。如果不了解用户体验情况，就无法确定损害的根本原因，而且也无法采取纠正措施。由于网络内在架构原因，收集并报告有关 VoIP 网络运行情况的信息成为艰难的任务。与电路交换网不同（其网络运行信息储存在精心定义的局端交换机中），而 IP 网络的大部分信息则出现在网络遥不可及的客户端 (CPE) 。小区网关、智能家庭电话系统、DSL 与线缆调制解调器及其他新型 CPE系统等新兴系统将满足那些希望接入新型IP业务的小区用户以及小企业／家庭商务用户的需求。对于渴望提供成功 VoIP 业务的服务供应商来说，关键是带来精彩的用户体验。也就是说，每个小区 VoIP 边缘设备都必须提供（处理并提供）重要的 VoIP 服务质量标准、相应的统计信息和诊断功能，以便预先协助服务供应商分析损害的根本原因，然后进行实时的控制或处理。必须保证用户体验质量。当然，要求VoIP 解决方案更智能并具有一定的实时处理能力。

利用处理器架构扩展 IP 语音解决方案

由于处理负担的加重，因此所有这些解决方案容量会影响其性能。为了成功推出可提供理想语音质量与性能的 VoIP 设备，开发人员必须采用一种能够处理简单 VoIP 部署所要求的大量同步实时操作的架构。此类系统至少需要处理 4或 5 个同步数据流：

• WAN 连接，一般是宽带接口；
• LAN 接口，如：单个 PC 连接或 3 至 5 端口以太网连接；
• 较低2条语音信道；
• 当时使用或不使用的可选 WLAN 接口。

要想利用单个芯片支持所有上述处理，开发人员通常借助在硬件中集成了众多 VoIP 组件的片上系统 (SoC) 处理器。此类处理器通过提供合理的集成组件组合（其中包括以太网连接、TDM 接口、存储器以及用于执行特定任务的硬件加速器）可以实现成本控制。此外，该处理器还必须处理数据路由与应用级功能，且不存在过高的数据传输负担。过高负担会产生瓶颈效应，影响其他时间敏感型语音处理功能。

理想情况下应当在较适合 VoIP 处理类型的处理器架构中执行此类处理。例如，语音处理的特点是采用固定算法处理大型数据块，因此在基于 DSP 的架构上执行时效率较高。另一方面，尽管网络路由和语音协议处理具有相当高的灵活性，但由于存在众多例外情况，因此较好采用灵活的可编程 RISC 架构处理，而综合设备管理同样如此。

由于 VoIP 系统具有分割处理特性，集成RISC 与 DSP 处理资源的双处理器具有较佳的架构，从而能够较有效地部署可靠的 VoIP 系统所需要的各种组件。在能够处理众多特定任务的架构上执行相应的任务不仅可以降低系统复杂性，而且还可缩短开发时间。

另外，还可以较大程度提高性能。值得注意的是，一般情况下在 RISC 处理器上执行语音声码器的核心算法需要的指令是在 DSP 上执行所需要指令的 3 倍。 如果换算成周期，在 RISC 处理器上执行，声码器所需时间至少是在 DSP 上执行所需时间的 2 倍。例如，只建立在RISC 架构基础之上的 SoC 需要一个能够执行所有 VoIP 组件的处理器（除电话、网络协议和路由器功能之外还需要执行语音处理操作），并能处理由于在错误架构上执行某些组件造成的低效问题（低2倍以上）。此类处理器需要高频时钟，从而增加成本和散热。另外，在规划整体系统功能容量时需要慎之又慎，因为如果处该理器是其产品系列中技术较先进的一款，增加处理容量要么需要高昂的成本，要么无法实现。如果容量不足，则必须放弃功能或者牺牲语音质量。

与纯 RISC 架构或双 RISC 多线程架构相比，采用双架构可以将系统划分到两个 2 处理器，从而平分处理任务，并显著降低每个处理器所需的时钟频率。由于功率与频率成平方关系，因此还可以显著降低功耗与散热。另外，由于双处理器是相互独立的，因此其时钟可以采用不同频率，从而能够估算出在确保成本较低、语音与数据路由性能较高的情况下架构的处理容量。在整个发展规划中可以针对各种速度、性能与功能级（从基本网关功能到具备高级安全性的完整防火墙与路由器功能）优化双处理器。

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