摘要：在包交換網(wǎng)絡(luò)上仿真Ｅ１業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)用戶交換機(jī)ＰＢＸ與包交換網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，并能提供高質(zhì)量的話音，是除ＶｏＩＰ之外的另一種分組語(yǔ)音技術(shù)。提出了在百兆以太網(wǎng)上傳輸Ｅ１的一種整體解決方案，介紹了適配電路的ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)，并提供了一種網(wǎng)絡(luò)模型和仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：虛擬局域網(wǎng)ＶＬＡＮ 服務(wù)質(zhì)量ＱｏＳ ＩＰ電話ＶｏＩＰ 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列ＦＰＧＡ 用戶交換機(jī)ＰＢＸ

更多更好的服務(wù)和更低的費(fèi)用是促使電話網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、多媒體網(wǎng)相互融合趨向統(tǒng)一的深刻動(dòng)因，而光纖的巨大帶寬和第三層交換的強(qiáng)大交換能力則為此提供了技術(shù)上的可能。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度看，ＩＰ ｏｖｅｒ Ｆｉｂｅｒ?qū)⑹俏磥?lái)網(wǎng)絡(luò)的骨干；從提供業(yè)務(wù)的角度看，整合在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)上的各種新舊業(yè)務(wù)將是人們能夠享受到的結(jié)果。

目前，電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)正演變?yōu)橐粋€(gè)語(yǔ)音與數(shù)據(jù)集成的網(wǎng)絡(luò)。其中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈爆炸性增長(zhǎng)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)相比之下并不明顯?？梢韵胂?，這種集成網(wǎng)絡(luò)中必然會(huì)以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主。可見(jiàn)，將電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)融合，把語(yǔ)音業(yè)務(wù)融入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的洪流，已是大勢(shì)所趨。但是，占較小比重的語(yǔ)音業(yè)務(wù)卻要求有比數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更高的ＱｏＳ保證。如何高質(zhì)量地傳送分組語(yǔ)音，是語(yǔ)音業(yè)務(wù)匯入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。
目前的ＶｏＩＰ是一種比較流行的解決方案，Ｅ１接入ＩＰ網(wǎng)需要經(jīng)過(guò)ＩＰ電話網(wǎng)關(guān)。在網(wǎng)關(guān)處從電話交換機(jī)出來(lái)的Ｅ１數(shù)據(jù)被重新拆散，將其中的３０路電話數(shù)據(jù)分別取出、壓縮、打包送到ＩＰ網(wǎng)上。盡管ＶｏＩＰ已經(jīng)得到大量推廣，但是在ＱｏＳ和信令方面仍有問(wèn)題需要解決。而把Ｅ１數(shù)據(jù)直接封裝成ＩＰ包傳送，則是一種直觀而簡(jiǎn)單的分組語(yǔ)音解決方案。其優(yōu)點(diǎn)是：

（１）省去ＩＰ電話網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)ＩＰ網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)ＰＢＸ的無(wú)縫連接；

（２）提供Ｅ１在分組網(wǎng)上的透明傳輸，因此仍舊支持傳統(tǒng)電話上的多種業(yè)務(wù)；

（３）提供高質(zhì)量的語(yǔ)音。

達(dá)到上述目標(biāo)需要網(wǎng)絡(luò)提供足夠的帶寬——Ｅ１速率為２Ｍｂｐｓ。這在當(dāng)前的廣域ＩＰ網(wǎng)上是不可能實(shí)現(xiàn)的，下一代基于第三層交換的ＩＰ網(wǎng)將為此提供光明的前景。而當(dāng)前，受現(xiàn)有硬件條件的限制，局限于在局域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)，希望能夠?yàn)樵摷夹g(shù)在未來(lái)新式ＩＰ網(wǎng)的推廣鋪路搭橋。

本文提出了在百兆以太網(wǎng)上傳輸Ｅ１的一種方案，并對(duì)其延時(shí)、抖動(dòng)等性能進(jìn)行了分析。
１ 成幀方案

以太網(wǎng)中將傳輸兩種數(shù)據(jù)：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和Ｅ１數(shù)據(jù)。Ｅ１數(shù)據(jù)采用與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)類似的打包方式，即把Ｅ１數(shù)據(jù)放入以太網(wǎng)包數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)的個(gè)字節(jié)設(shè)為時(shí)戳，收端可根據(jù)時(shí)戳對(duì)Ｅ１包排序，判斷是否丟包。包結(jié)構(gòu)如表１所示。
表1 包結(jié)構(gòu)

在包交換網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行電路仿真，為減小延時(shí)必須對(duì)語(yǔ)音包采取優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。而傳統(tǒng)的交換芯片對(duì)所有以太網(wǎng)包的轉(zhuǎn)發(fā)都是盡力而為，一視同仁。這種情況下Ｅ１包很有可能因?yàn)閿?shù)據(jù)包的突發(fā)而造成很大延時(shí)，甚至因?yàn)榫彺骊?duì)列已滿而遭丟棄，無(wú)法保證語(yǔ)音ＱｏＳ。ＩＥＥＥ的８０２．１Ｑ協(xié)議定義了ＶＬＡＮ和包轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先級(jí)，可以為優(yōu)先級(jí)高的包提供優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)以保證ＱｏＳ。鑒于支持８０２．１Ｑ標(biāo)準(zhǔn)的交換芯片已經(jīng)出現(xiàn)，在以太網(wǎng)上仿真電路業(yè)務(wù)的ＱｏＳ是可以預(yù)見(jiàn)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(wǎng)，為Ｅ１包設(shè)定高的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)，即優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)Ｅ１包以保證收端恢復(fù)出來(lái)的Ｅ１流的ＱｏＳ。其中Ｅ１包和數(shù)據(jù)包屬于不同的ＶＬＡＮ，前者優(yōu)先級(jí)高。為適應(yīng)這一要求，Ｅ１數(shù)據(jù)在被封裝成上述結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)包后還要加入４字節(jié)的標(biāo)簽，形成８０２．１Ｑ所定義的ＶＬＡＮ幀，如表２。
表2 包結(jié)構(gòu)

其中，２字節(jié)的ＶＬＡＮ標(biāo)簽的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下：

采用定長(zhǎng)發(fā)包的方式。以太網(wǎng)包中Ｅ１數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度定為Ｎ×３２ｂｙｔｅｓ，正好是Ｎ個(gè)Ｅ１幀。Ｎ值要適當(dāng)選取，因?yàn)榘L(zhǎng)則延時(shí)太大，太短則開(kāi)銷所占比重太大。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度正好是Ｅ１幀的整數(shù)倍，這樣即使丟掉一個(gè)包，收端的Ｅ１幀定位也不會(huì)遭到破壞。Ｅ１經(jīng)過(guò)ＨＤＢ３解碼、串并變換之后，緩存在ＦＩＦＯ中，存滿Ｎ×３２字節(jié)后就向交換芯片的ＭＩＩ接口發(fā)送一個(gè)Ｅ１包。

２ 適配電路

適配電路的功能是實(shí)現(xiàn)ＰＢＸ與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接：將Ｅ１封裝為以太網(wǎng)包送入交換芯片的ＭＩＩ接口；從ＭＩＩ接口接收Ｅ１包，取出Ｅ１數(shù)據(jù)，送到Ｅ１線路上。以上功能由ＦＰＧＡ完成，框圖如。在封裝Ｅ１包時(shí)加入時(shí)戳（鑒于時(shí)戳的重要性，其自身帶有校驗(yàn)比特），在接收Ｅ１包時(shí)根據(jù)時(shí)戳標(biāo)記的順序存儲(chǔ)Ｅ１數(shù)據(jù)。

這樣一個(gè)適配節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖如。

３ 交換與調(diào)度控制

交換芯片可以有多種不同的設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)上述的ＶＬＡＮ網(wǎng)絡(luò)，將交換芯片設(shè)定在如下模式：所有Ｅ１包端口與其它以太網(wǎng)接口屬于不同的ＶＬＡＮ Ｅ１包端口優(yōu)先級(jí)高；接Ｅ１包端口時(shí)，或者與非ＶＬＡＮ的傳統(tǒng)以太網(wǎng)相接時(shí)，入端口時(shí)加入標(biāo)簽，出端口時(shí)去掉標(biāo)簽；每個(gè)交換端口輸出隊(duì)列分為兩個(gè)，一個(gè)具有高的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)，另一個(gè)具有較低的優(yōu)先級(jí)。只有當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列發(fā)送完后才發(fā)送低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，但是如果高優(yōu)先級(jí)的包到達(dá)時(shí)低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列中有一個(gè)包正在發(fā)送，則等正在發(fā)送的包發(fā)送完后再發(fā)送高優(yōu)先級(jí)的包。

這樣的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了Ｅ１與普通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的集成傳輸。是這種網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子。
４ 網(wǎng)絡(luò)性能仿真與適配功能測(cè)試

對(duì)于在包交換網(wǎng)絡(luò)上傳輸Ｅ１業(yè)務(wù)，減小延時(shí)和時(shí)鐘提取是主要問(wèn)題。二者與收到Ｅ１包的延時(shí)抖動(dòng)密切相關(guān)，而Ｅ１包抖動(dòng)主要取決于在交換機(jī)中的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)所造成的延時(shí)。以下分析只考慮Ｅ１包的這種延時(shí)。

在接收端，Ｅ１包經(jīng)由交換芯片的ＭＩＩ接口輸出，在ＦＰＧＡ中將Ｅ１數(shù)據(jù)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(dòng)而設(shè)置，越大越能容納大的抖動(dòng)。但是緩存的增大會(huì)線性地增大語(yǔ)音延時(shí)。所以應(yīng)該在容納包抖動(dòng)的情況下盡量減小緩存。如果是一個(gè)不具有優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，那么在Ｅ１包到達(dá)交換機(jī)時(shí)，可能有多個(gè)數(shù)據(jù)包阻塞在Ｅ１包之前等待發(fā)送，這將使Ｅ１包的延時(shí)比沒(méi)有阻塞時(shí)增大了。

Ｅ１包前面所有包總長(zhǎng)度／１００Ｍｂｐｓ這個(gè)值是沒(méi)有上限的，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)會(huì)使Ｅ１包產(chǎn)生很大的抖動(dòng)甚至被丟棄。這種情況的后果，一是因?yàn)橐哟笫斩司彌_區(qū)（如果緩沖區(qū)不夠大可能會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間收不到數(shù)據(jù)而發(fā)生讀空導(dǎo)致錯(cuò)誤）而導(dǎo)致Ｅ１端延時(shí)增大，二是給收端定時(shí)恢復(fù)造成了很大困難。而在優(yōu)先發(fā)送Ｅ１包的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)Ｅ１包到達(dá)一個(gè)交換機(jī)時(shí)，延時(shí)是可以預(yù)測(cè)的——由存儲(chǔ)－轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致的延時(shí)分為三部分：

①Ｅ１包自身的存儲(chǔ)導(dǎo)致的延時(shí)，約為３２ｂｙｔｅ×Ｎ×８ｂｉｔ／ｂｙｔｅ／１００Ｍｂｐｓ＝Ｎ×０．００２５６ｍｓ；

②低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中當(dāng)前正在發(fā)送的數(shù)據(jù)包造成的延時(shí)，為（以太網(wǎng)包長(zhǎng)為１５１８字節(jié)）１５１８ｂｙｔｅ×８ ｂｉｔ／ｂｙｔｅ／１００Ｍｂｐｓ ０．１２ｍｓ；

③高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中排在該Ｅ１包之前的來(lái)自其它端口的Ｅ１包導(dǎo)致的延時(shí)，設(shè)該網(wǎng)絡(luò)中共有Ｋ對(duì)端口發(fā)送Ｅ１。由于網(wǎng)絡(luò)中Ｅ１業(yè)務(wù)只占少數(shù)，所以Ｋ值一般較小。那么多有（Ｋ－１）個(gè)Ｅ１包阻塞在該Ｅ１包之前，所以造成的延時(shí)為Ｋ－１×①＝Ｋ－１×Ｎ×０．００２５６ｍｓ。

壞的情況是，一個(gè)Ｅ１包每經(jīng)過(guò)一個(gè)交換機(jī)就恰好有一個(gè)１５１８字節(jié)的數(shù)據(jù)包剛開(kāi)始發(fā)送，并且在高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中還有Ｋ－１個(gè)Ｅ１包在等待。于是該Ｅ１包經(jīng)過(guò)Ｍ個(gè)交換機(jī)后總的存儲(chǔ)－轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)為：

ｄｅｌａｙ＝Ｍ×（①＋②＋③）＝Ｍ×（Ｋ×Ｎ× ０．００２５６ｍｓ＋０．１２ｍｓ）
這就是收端Ｅ１包的延時(shí)。在Ｍ不太大的情況下，這樣的延時(shí)和抖動(dòng)是可以接受的。是對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果，取Ｍ＝４，Ｋ＝１，Ｎ＝４，網(wǎng)絡(luò)背景流量５０Ｍｂｐｓ。根據(jù)上述估算，可知：

ｄｅｌａｙ＝（４×０．００２５６ｍｓ＋０．１２ｍｓ）×４≈０．５２ｍｓ。

從仿真結(jié)果看，在有ＶＬＡＮ的情況下結(jié)果與預(yù)先的估算吻合，而在沒(méi)有ＶＬＡＮ的情況下Ｅ１包的端延時(shí)顯著增大。

為了保證實(shí)時(shí)Ｅ１業(yè)務(wù)的質(zhì)量，除了要在網(wǎng)絡(luò)中盡可能減?。牛卑訒r(shí)外，還要保證在網(wǎng)關(guān)處對(duì)串行Ｅ１碼流進(jìn)行正確的封裝和復(fù)原。這部分功能由適配電路完成。為測(cè)試這一功能，采用百兆點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸一路Ｅ１，設(shè)定Ｅ１傳輸碼型為ＨＤＢ３碼，頻偏±５０ｐｐｍ，Ｎ?。醇矗牛睌?shù)據(jù)區(qū)為１２８字節(jié)。在這種情況下（氣溫、濕度、氣壓均為正常條件）測(cè)得：①發(fā)出的Ｅ１包全部通過(guò)交換機(jī)；②收端還原出的ＨＤＢ３ Ｅ１數(shù)據(jù)７２ｈ無(wú)誤碼；③Ｅ１輸出抖動(dòng)在Ｇ．８２３的抖動(dòng)／漂移容限值模板之下。這表明適配電路正確完成了Ｅ１的發(fā)包、收包、定時(shí)恢復(fù)等功能。

本文分析了分組語(yǔ)音的技術(shù)背景和在包網(wǎng)絡(luò)上仿真Ｅ１的應(yīng)用前景，提出了一種在ＶＬＡＮ上分優(yōu)先級(jí)傳送語(yǔ)音業(yè)務(wù)Ｅ１和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的方案。網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果顯示該方案可以利用現(xiàn)有硬件實(shí)現(xiàn)有ＱｏＳ保證的分組Ｅ１業(yè)務(wù)；相關(guān)產(chǎn)品的適配電路已完成設(shè)計(jì)和調(diào)試。