专用通信技术带来可观应用前景
——满足大规模网络解决方案的应用需求
何育麟 2003/05/22
摘要
可以独立运行在Intel®或Sun®主机通用处理器上的媒体服务器已开始推向市场。这些媒体服务器被宣称可以快速、简易地进行设计和配置，并且比运行在专用硬件平台的媒体服务器需要更少的投资。
本文分析了中、小型企业以及大型网络应用环境对媒体服务器的不同需求，并为不同的应用环境需求设计了最佳的系统体系结构。
通用与专用通信架构的比较
当前，媒体服务器的架构基本分为两类：一类基于Intel Windows®或Sun SPARC® Solaris™
服务器通用主机处理器；另一类基于开放的、专用通信硬件。
运行于使用通用CPU服务器上的媒体处理软件开发简便，能够较快投入市场，从而使用户以较低投入获得较高的运营利润。当根据应用环境进行合理配置时，例如部署在中小型企业IP语音解决方案中，将可以比专用硬件方案带来更多的优势。
然而，专用媒体处理硬件对于大规模部署的高可用性网络服务平台是非常重要的，这些平台包括公网、多方会议和代码传输等应用。NMS等供货商提供了开放的、专用硬件和软件，用于搭建软交换系统、应用服务器、媒体网关、以及其他下一代网元，以创造完整的服务运营平台。这些电信级应用使用专用的数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processing）或专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit)资源来处理高强度的媒体处理任务，例如：信息服务、视频数据处理、语音识别和回音消除等。这些应用也都可以提供高密度接口，并支持所有典型的分组通信协议，包括RTP/RTCP、SIP、H.323和Megaco(H.248)等。
应用实例：统一通信中的媒体服务器
在对通用或专用解决方案进行选择时，一个重要因素就是媒体服务器能否提供统一通信。统一通信媒体服务器既可以是应用于企业的低端设备，也可以是应用于高容量公网的服务器。
图1展示了一款统一通信媒体服务器。在这个基于PC的应用中，媒体服务器既可以是运行在主机处理器上的应用软件，也可以是专用的通信硬件。PC机作为会话发起协议（SIP，Session Initiation Protocol）的终端，可以录音、回放和监测音频，提供语音识别、文本朗读、媒体混合（Media
Mixing）和T.38传真功能。它采用实时传输协议（RTP，Real-time Transport Protocol）处理分组多媒体数据流。
采用通用处理器实施统一通信媒体服务器，它需要处理器分配MIPS给一般任务和其它实时任务，这些任务包括：语音编码、封包、呼叫控制、自动语音应答/文语转换等。这限制了通用解决方案的可扩展性，使它仅可支持数百路媒体流，这对于应用于企业环境的低端系统已经足够；然而，对于公网等网络部署，将专用硬件作为构建模块将有更多的优势。
专用通信解决方案的优势
功耗、占地面积及系统冷却性的需求更低
在许多应用环境，功耗、占地面积和冷却性方面要求更高。在供电、场地和冷却系统费用相对昂贵的中心局，这些因素显得尤为重要。在这些环境中使用专用硬件的最大优点是节约功耗。与PentiumTM解决方案相比，采用专用硬件的解决方案每路接口散热量比它低10倍以上。因此，在中心局使用低功耗的专用硬件是提供高可靠性，同时降低成本的最佳选择；而采用通用处理器则很容易受到单个主板可支持范围的限制。
密度和MIPS/每立方英寸(米)更高
采用专用硬件的一个最明显的优势就是密度高。当前市场上CPU的计算能力仅可以支持数百路接口，而专用电信系统则可以支持数万路接口。专用解决方案的这项优势使其成为公网和其它大型应用的最佳选择。
与高密度相关的一个指标是MIPS/立方英寸（米），即硬件结构每立方英寸或立方米可提供的每秒百万次指令运算数目。当前市面上最快的CPU也只能提供NMS CG 6500C通信开发平台所需要MIPS的一小部分。
满足特殊电信需求的能力
在考虑MIPS/每立方英寸(米)指标时，首先需要介绍一下1994年美国国会通过的《通信辅助法执行法案》（CALEA，Communication Assistance Law Enforcement Act）。该法案规定了美国电信运营商为扩充基于分组通信应用的合法截获标准而需要安装的设备，涉及到的相关通信应用包括电子邮件、短信、视频和分组语音会话等。自2001年11月开始，所有美国的固网、无线和宽带个人通信服务运营商必须严格遵守该法令，或者申报说明在指定时期其应用技术无法满足CALEA方案的要求，而获取一定时间的宽限。
遵循CALEA法案需要额外增加大量的系统处理，大多数通用解决方案将因此而损失一半的系统容量。NMS公司的CG(Convergence GenerationTM)等系列板卡专用硬件不仅可以为大规模应用提供更高的系统容量，而且可以提供TDM和分组模式的媒体数据传输。板卡对上述功能的支持意味着以更少的系统资源来进行媒体协议转换，并能满足美国法律对通信内容的要求。另外，由于专用硬件可以提供PSTN的接口，图1所示的媒体网关功能只要增加少量投资，就可在同一硬件上实现。而通用处理器方案则需要另外添加一个媒体网关来处理TDM媒体流。
实时处理的优化
大部分操作系统并不对当前市场的各种硬件提供实时运行优化处理，而这又是公网通信解决方案和其它大规模应用所迫切需要的。通用CPU一般只为实时性要求不太高的数据应用提供TCP/IP堆栈，而不是提供给语音处理，这样就限制了通用CPU满足媒体应用对低延迟的要求。尽管有些版本的UNIX系统近似于实时系统，但若将电信应用运行在基于通用处理器的Windows环境下，对于这些扩展性极高的应用来说，其所提供的性能仍是无法接受的，这种问题在互联网的应用环境中显得尤其严重。
高扩展性
尽管可扩展性通常被认为是通用处理器方案的一个优势，但是许多电信应用系统在扩展到其容量的上限后，整个系统变得非常不实用。例如，一个采用单台通用处理器的解决方案可以支持数十名用户的中型电话会议，但是，如果用户数超过了单台系统的容量，这就需要大大提高软件的复杂程度来实现两个应用系统之间的会议功能集成。对于每路接口相对独立的应用，如录音、回放等，在扩展性方面的问题要少一些。但是，会议应用也显示出，如果接口之间需要建立联系，并且在系统需要实时处理大量通话时，通用处理器方案的设计将会变得异常复杂。
电信级的可靠性及可维护性
对于公共电话交换网来说，运营商们总是要求至少达到 "5个9"的可靠性（可靠性达到99.999%，也就是每年的系统运营故障时间不能超过5分钟）。这项高可靠性的要求成为销售网络服务运行平台的供货商的一道障碍。为满足上述要求，厂商们致力于设备冷却和降低功耗。他们还在维护方面进行优化，从而使设备发生故障时，可以快速进行维修。基于网络的通信方案一般采用CompactPCI标准，它拥有工业化、热交换和机械稳固等结构特点。目前，所有的NMS产品均支持CompactPCI配置，其中许多产品还支持内置的板卡级和系统级冗余备份。
与此相反的是，大部分通用硬件和操作系统在设计时并没有以高可靠性为目标，也远远达不到"5个9"的高可靠性要求。这主要是因为它们在设计时没有考虑降低功耗，而高温是造成半导体元件出现故障的主要因素。另外，它们缺乏维护方面的简易性设计，如不能在系统运行时更换散热风扇。
总结
从上世纪90年代中期开始，通用处理器由于提高了处理能力，因而可以替代一部分高效率、专用硬件解决方案，例如，通用处理器方案适合于需要处理数百路媒体流的电信应用。摩尔定律将继续验证，每18个月芯片处理能力将翻一倍，该定律同样适应于专用媒体处理芯片。低功耗的专用硬件仍然是大规模电信解决方案的最佳选择。专用硬件可以更好的满足公网的相关需求：提供低功耗、很好的系统冷却性和系统高密度(MIPS/每立方英寸或立方米)、实时处理、以及与纯软件方案相比更高的可扩展性、可靠性和可维护性。
NMS公司供稿 CTI论坛编辑
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