作者：張毓  葛寧  王一超

    摘要：在包交換網絡上仿真Ｅ１業務可以實現用戶交換機ＰＢＸ與包交換網絡的無縫連接，并能提供高質量的話音，是除ＶｏＩＰ之外的另一種分組語音技術。

    提出了在百兆以太網上傳輸Ｅ１的一種整體解決方案，介紹了適配電路的ＦＰＧＡ實現，并提供了一種網絡模型和仿真結果。

    要害詞：虛擬局域網ＶＬＡＮ服務質量ＱｏＳＩＰ電話ＶｏＩＰ現場可編程門陣列ＦＰＧＡ 用戶交換機ＰＢＸ

    更多更好的服務和更低的費用是促使電話網、計算機網、多媒體網相互融合趨向統一的深刻動因，而光纖的巨大帶寬和第三層交換的強大交換能力則為此提供了技術上的可能。從網絡結構的角度看，ＩＰｏｖｅｒＦｉｂｅｒ將是未來網絡的骨干；從提供業務的角度看，整合在統一網絡上的各種新舊業務將是人們能夠享受到的結果。

    目前，電話網和數據網正演變為一個語音與數據集成的網絡。其中，數據業務呈爆炸性增長，語音業務的增長相比之下并不明顯。可以想象，這種集成網絡中必然會以數據業務為主。可見，將電話網和數據網融合，把語音業務融入數據業務的洪流，已是大勢所趨。但是，占較小比重的語音業務卻要求有比數據業務更高的ＱｏＳ保證。如何高質量地傳送分組語音，是語音業務匯入數據業務過程中必須解決的問題。

    目前的ＶｏＩＰ是一種比較流行的解決方案，Ｅ１接入ＩＰ網需要經過ＩＰ電話網關。在網關處從電話交換機出來的Ｅ１數據被重新拆散，將其中的３０路電話數據分別取出、壓縮、打包送到ＩＰ網上。盡管ＶｏＩＰ已經得到大量推廣，但是在ＱｏＳ和信令方面仍有問題需要解決。而把Ｅ１數據直接封裝成ＩＰ包傳送，則是一種直觀而簡單的分組語音解決方案。其優點是：

    （１）省去ＩＰ電話網關，實現ＩＰ網絡與傳統ＰＢＸ的無縫連接；

    （２）提供Ｅ１在分組網上的透明傳輸，因此仍然支持傳統電話上的多種業務；

    （３）提供高質量的語音。

    達到上述目標需要網絡提供足夠的帶寬——Ｅ１速率為２Ｍｂｐｓ。這在當前的廣域ＩＰ網上是不可能實現的，下一代基于第三層交換的ＩＰ網將為此提供光明的前景。而當前，受現有硬件條件的限制，局限于在局域網中實現這種技術，希望能夠為該技術在未來新式ＩＰ網的推廣鋪路搭橋。

    本文提出了在百兆以太網上傳輸Ｅ１的一種方案，并對其延時、抖動等性能進行了分析。

    １  成幀方案

    以太網中將傳輸兩種數據：計算機數據和Ｅ１數據。Ｅ１數據采用與計算機數據類似的打包方式，即把Ｅ１數據放入以太網包數據區，數據區的第一個字節設為時戳，收端可根據時戳對Ｅ１包排序，判定是否丟包。包結構如表１所示。

    表1  包結構

    在包交換網絡上進行電路仿真，為減小延時必須對語音包采取優先轉發。而傳統的交換芯片對所有以太網包的轉發都是盡力而為，一視同仁。這種情況下Ｅ１包很有可能因為數據包的突發而造成很大延時，甚至因為緩存隊列已滿而遭丟棄，無法保證語音ＱｏＳ。ＩＥＥＥ的８０２．１Ｑ協議定義了ＶＬＡＮ和包轉發的優先級，可以為優先級高的包提供優先轉發以保證ＱｏＳ。鑒于支持８０２．１Ｑ標準的交換芯片已經出現，在以太網上仿真電路業務的ＱｏＳ是可以預見的并有一定保證的。本方案的基本思想就是用這樣的交換芯片搭建支持ＶＬＡＮ的以太網，為Ｅ１包設定高的轉發優先級，即優先轉發Ｅ１包以保證收端恢復出來的Ｅ１流的ＱｏＳ。其中Ｅ１包和數據包屬于不同的ＶＬＡＮ，前者優先級高。為適應這一要求，Ｅ１數據在被封裝成上述結構的以太網包后還要加入４字節的標簽，形成８０２．１Ｑ所定義的ＶＬＡＮ幀，如表２。

    表2  包結構

    采用定長發包的方式。以太網包中Ｅ１數據的長度定為Ｎ×３２ｂｙｔｅｓ，正好是Ｎ個Ｅ１幀。Ｎ值要適當選取，因為包太長則延時太大，太短則開銷所占比重太大。數據長度正好是Ｅ１幀的整數倍，這樣即使丟掉一個包，收端的Ｅ１幀定位也不會遭到破壞。Ｅ１經過ＨＤＢ３解碼、串并變換之后，緩存在ＦＩＦＯ中，存滿Ｎ×３２字節后就向交換芯片的ＭＩＩ接口發送一個Ｅ１包。

    ２ 適配電路

    適配電路的功能是實現ＰＢＸ與數據網絡連接：將Ｅ１封裝為以太網包送入交換芯片的ＭＩＩ接口；從ＭＩＩ接口接收Ｅ１包，取出Ｅ１數據，送到Ｅ１線路上。以上功能由ＦＰＧＡ完成，框圖如圖１。在封裝Ｅ１包時加入時戳（鑒于時戳的重要性，其自身帶有校驗比特），在接收Ｅ１包時根據時戳標記的順序存儲Ｅ１數據。

    這樣一個適配節點的系統框圖如圖２。

    ３ 交換與調度控制

    交換芯片可以有多種不同的設置。為實現上述的ＶＬＡＮ網絡，將交換芯片設定在如下模式：所有Ｅ１包端口與其它以太網接口屬于不同的ＶＬＡＮＥ１包端口優先級高；接Ｅ１包端口時，或者與非ＶＬＡＮ的傳統以太網相接時，入端口時加入標簽，出端口時去掉標簽；每個交換端口輸出隊列分為兩個，一個具有高的轉發優先級，另一個具有較低的優先級。只有當高優先級的隊列發送完后才發送低優先級的隊列，但是假如高優先級的包到達時低優先級的隊列中有一個包正在發送，則等正在發送的包發送完后再發送高優先級的包。

    這樣的網絡實現了Ｅ１與普通數據業務的集成傳輸。圖３是這種網絡的一個例子。

    ４ 網絡性能仿真與適配功能測試

    對于在包交換網絡上傳輸Ｅ１業務，減小延時和時鐘提取是主要問題。二者與收到Ｅ１包的延時抖動密切相關，而Ｅ１包抖動主要取決于在交換機中的存儲轉發所造成的延時。以下分析只考慮Ｅ１包的這種延時。

    在接收端，Ｅ１包經由交換芯片的ＭＩＩ接口輸出，在ＦＰＧＡ中將Ｅ１數據取出、緩存，再做并串變換、ＨＤＢ３編碼，送到變壓器輸出。緩存為吸收包抖動而設置，越大越能容納大的抖動。但是緩存的增大會線性地增大語音延時。所以應該在容納包抖動的情況下盡量減小緩存。假如是一個不具有優先級的網絡，那么在Ｅ１包到達交換機時，可能有多個數據包阻塞在Ｅ１包之前等待發送，這將使Ｅ１包的延時比沒有阻塞時增大了。

    Ｅ１包前面所有包總長度／１００Ｍｂｐｓ這個值是沒有上限的，在網絡負載較重時會使Ｅ１包產生很大的抖動甚至被丟棄。這種情況的后果，一是因為要加大收端緩沖區（假如緩沖區不夠大可能會因為長時間收不到數據而發生讀空導致錯誤）而導致Ｅ１端延時增大，二是給收端定時恢復造成了很大困難。而在優先發送Ｅ１包的網絡中，當Ｅ１包到達一個交換機時，延時是可以猜測的——由存儲－轉發導致的延時分為三部分：

    ①Ｅ１包自身的存儲導致的延時，約為３２ｂｙｔｅ×Ｎ×８ｂｉｔ／ｂｙｔｅ／１００Ｍｂｐｓ＝Ｎ×０．００２５６ｍｓ；

    ②低優先級隊列中當前正在發送的數據包造成的延時，最大為（以太網最大包長為１５１８字節）１５１８ｂｙｔｅ×８ｂｉｔ／ｂｙｔｅ／１００Ｍｂｐｓ０．１２ｍｓ；

    ③高優先級隊列中排在該Ｅ１包之前的來自其它端口的Ｅ１包導致的延時，設該網絡中共有Ｋ對端口發送Ｅ１。由于網絡中Ｅ１業務只占少數，所以Ｋ值一般較小。那么最多有（Ｋ－１）個Ｅ１包阻塞在該Ｅ１包之前，所以造成的最大延時為Ｋ－１×①＝Ｋ－１×Ｎ×０．００２５６ｍｓ。

    最壞的情況是，一個Ｅ１包每經過一個交換機就恰好有一個１５１８字節的數據包剛開始發送，并且在高優先級隊列中還有Ｋ－１個Ｅ１包在等待。于是該Ｅ１包經過Ｍ個交換機后總的存儲－轉發延時為：

    ｄｅｌａｙ＝Ｍ×（①＋②最大＋③最大）＝Ｍ×（Ｋ×Ｎ×０．００２５６ｍｓ＋０．１２ｍｓ）

    這就是收端Ｅ１包的最大延時。在Ｍ不太大的情況下，這樣的延時和抖動是可以接受的。圖４是對上述網絡的仿真結果，取Ｍ＝４，Ｋ＝１，Ｎ＝４，網絡背景流量５０Ｍｂｐｓ。根據上述估算，可知：

    ｄｅｌａｙ＝（４×０．００２５６ｍｓ＋０．１２ｍｓ）×４≈０．５２ｍｓ。

    從仿真結果看，在有ＶＬＡＮ的情況下結果與預先的估算吻合，而在沒有ＶＬＡＮ的情況下Ｅ１包的端延時顯著增大。

    為了保證實時Ｅ１業務的質量，除了要在網絡中盡可能減小Ｅ１包延時外，還要保證在網關處對串行Ｅ１碼流進行正確的封裝和復原。這部分功能由適配電路完成。為測試這一功能，采用百兆點對點傳輸一路Ｅ１，設定Ｅ１傳輸碼型為ＨＤＢ３碼，頻偏±５０ｐｐｍ，Ｎ取４即Ｅ１數據區為１２８字節。在這種情況下（氣溫、濕度、氣壓均為正常條件）測得：①發出的Ｅ１包全部通過交換機；②收端還原出的ＨＤＢ３Ｅ１數據７２ｈ無誤碼；③Ｅ１輸出抖動在Ｇ．８２３的抖動／漂移容限值模板之下。這表明適配電路正確完成了Ｅ１的發包、收包、定時恢復等功能。

    本文分析了分組語音的技術背景和在包網絡上仿真Ｅ１的應用前景，提出了一種在ＶＬＡＮ上分優先級傳送語音業務Ｅ１和數據業務的方案。網絡仿真結果顯示該方案可以利用現有硬件實現有ＱｏＳ保證的分組Ｅ１業務；相關產品的適配電路已完成設計和調試。