网关实现技术

7.3.1企业级网关

所谓企业级网关指的是小容量网关，一般基于微机服务器，可以用于企业网，也可以用于ISP，提供除1P接入外的增值业务。

早期的简单网关采用软件完成话音编译码、回波抵销和呼叫处理等主要功能，计算机只要安装电话卡接入模拟用户线或ISDN适配卡接入数字用户线，并用网卡和数据网相连，就可构成系统。其扩容全依赖于主机CPU升级，实时性一般较差。

目前的企业级网关均采用专用的DSP芯片完成多路话音的编解码，包括回波抵销和DTMF信号检测。其典型结构如图7.8所示。它由PSTN接口、DSP语音信号处理模块、数据网接口和CPU四部分组成。

其中，PSTN接口可以是El/Tl 等数字中继接口，其上运行7号信令或R2信令；也可以是PRI或BRI数字用户线接口，其上运行Q.931信令；甚至可以是模拟用户线接口。上述接口分别和PSTN交换机的中继电路板、数字用户电路板和模拟用户电路板相连。采用何种接口决定于网关的容量。

PCM话路由PSTN接口模块接入后经由时分数字复用总线MVIP或SC总线连至DSP模块。这两种总线都是共用总线，MVIP-90可支持512个时隙复用连接，SC总线可支持2048个时隙。藉此，可大大加快话音处理速度，提高1P电话的实时性能。

图7.8 企业级网关典型结构

PSTN接口模块具有交换网络，并具复用和反复用功能。在CPU的控制下，信令信道的内容将送往中央处理器处理，话音信道将交换到空闲的DSP通道上，由DSP芯片完成话音压缩编码。编码后的话音数据送交主处理器打包后经数据网接口模块送出，后者就是一般的网卡。所有模块均通过计算机的ISA或PCI总线相连。

DSP实时处理语音模块是网关的关键部件，其典型结构框图如图7.9所示。来自PSTN侧的PCM话音信号经相应的编码器（如G.729、G.723.1等）编码后送至计算机总线。DTMF检测骈运行信号检测算法，监测到D1MF 信号将其组成特殊的信号帧直接送给主处理器。静音检测(VAD)单元测出输入话音为无声期，就指令编码器输出一个特殊的静音帧。Fax/Modem检测器用以识别传真信号，转换为传真数据格式。来自1P网络侧的话音数据经过解码器还原成话音，并根据静音帧生成舒适背景噪音(CNG)。DTMF信令帧则转换为DTMF信号。生成的信号合成后送往PSTN。

网关软件系统由操作系统、底层协议、应用层协议、呼叫处理和调度程序以及驱动程序组成。其中，操作系统应能支持TCP/IP协议，典型的操作系统有UNIX、WindowsNT、OpenServer等。底层协议指网络层和传送层协议，除IP/TCP/UDP外，主要是RTP和RTCP。

图7.9 DSP语音处理功能结构

应用层协议则为H.323协议簇的相关协议。呼叫处理应包含并发呼叫的有限状态机控制程序。驱动程序是网关的重要软件之一，主要是PSTN接口模块和DSP模块的硬件驱动，其功能包括系统初始化、算法和参数设置、话音和数据存取以及DTMF信号存取等。除此以外，网关还必须建立必要的内部数据库，完成鉴权、寻址、计费、配置、管理等功能。

7.3.2 企业级网关示例

今以爱立信公司设计的“电话倍增器”(phonedoubler)为例说明IP电话网关结构及系统应用。

该系统由电话网关、客户机和网闸三部分组成。电话网关的结构如图7.10所示。为了增强其应用功能，除了话音媒体网关后，还装备了Internet接入服务器。因此，电话倍增器网关既是IP电话网关，又是拨号上网的接入点。目录服务DNS、鉴权模块和路由器都是接入服务点的常规部件，由此构成一个增强的Internet服务提供者(ISP)。虽然接入服务器和话音网关都通过PRI或BRI和PSTN交换机相连，但是接入服务器接口上传送的是IP数据流，话音网关接口上传送的是普通的PCM话音信号，经网关后转换成1P话音数据包。

图7.I0 电话倍增器网关结构

该网关有两种型号。一种是为ISP和电话公司设计的，用以提供增值服务；另一种是为企业用户设计的，用以给员工拨号接入内部网，并使用IP电话进行内部通信。两种型号基本功能相同，主要差别在于容量，因而ISP型网关采用DSP进行话音编解码，企业型网关采用软件编解码。

话音网关在电信网侧装备ISDNPRI或BRI接口，在接入服务器侧装备l0BaseT以太网接口。ISP型网关采用工业级微机服务器，企业型网关采用高档微机。操作系统采用WindowsNT4.0。软件的主要功能包括：

• E.164电话号码／IP地址动态翻译；

• 支持动态IP地址分配(PPP,DHCP);

• SNMP网络管理；

• 支持终端移动性。

电话倍增器就是在用户计算机上运行的一个电话应用程序。用户界面模仿普通电话机型式，用户只要点击相应键就可发起呼叫。客户程序将此呼叫请求连同被叫号码送往网关，网关再通过PSTN信令接通被叫，完成“PC一电话“通信。

客户程序的主要功能为：

．提供电话倍增器服务用户界面；

．处理至话音网关的呼叫信令；

．传送用户E.164号码和IP地址至网闸；

．将收到的IP话音数据解码后输至声卡；

．将来自声卡的话音信号压缩编码后装配成UDP包。

网闸可对多个网关进行管理。管理功能分为两类：用户管理和网络管理。前者生成所有电话倍增器系统用户列表和目前正在上网的用户列表，并可允许管理员增添，删除和修改用户数据。后者用丁增添、删除、修改和配置话音网关模块，还能生成已安装网关列表。管理程序基于WWW原理设计，可用任何标准的Web浏览器访问。

系统计费可根据用户需要处理。常用方式有：

．内建方式：网闸生成本地文件系统的呼叫数据记录(CDR-CallDataRecord)，记录所有入呼叫和出呼叫的数据。计费系统可随时用FTP采集CDR。

．网络方式：由本地交换机处理计费。对所有出呼叫，网关向交换机发送用户提供的主叫标识，该标识必须包含于交换机生成的CDR中。

．RADIUS计帐方式：计费数据转换成RADIUS消息。RADIUS是拨号会话计费标准。

设计电话倍增器的基本出发点是为用户提供“虚拟双线”。即，在上网时可通过运行客户程序拨打电话，也可以照常接受来话，犹如安装了ISDN2B+D用户线，这就是倍增器的名词由来。

尤其是后一项功能特别有用，称为“Internet呼叫等待"(ICW-lntemetCallWaiting)或“Internet来电通知＂。该服务使拨号上网用户在上网期间被人呼叫时，可在其计算机上弹出窗口，通知有人呼叫到达，并可显示主叫号码或主叫名。上网用户可选择接受或拒绝该呼叫。其实现方法如图7.11所示。

图7.11 ICW实现示例

①用户B（电话倍增器客户）经本地交换机EXB拨号上网，由接入服务器端口B接入，并将其E.164号码和分配的IP地址送网闸登记。

②用户A呼叫用户B，呼叫连接抵达EXB。

③EXB发现用户B忙，且已登记遇忙转移，即将其转移至电话倍增器网关，由话音网关端口A接入。

④网关询问网闸，用户B是否在上网。

⑤收到网闸的肯定回答后，网关回送应答信号，并将端口A输入的话音信号经话音网关编码打包后送往端口B。于是，A-B间就可正常通话。

上述服务的关键是如何在本地交换机实现呼叫转移。本例采用普通的遇忙转移功能，实现简单。另一种方法是在用户上网后由网关远端启动尤条件转移，其实现较复杂，但对用户而言则更为方便。
由上述分析可知，在此ICW服务中，主被叫连接在网关内部联通，并未通过Internet，唯一的一段1P话音数据通路就是从用户B至网关的连接，且为固定的电路连接，因此其话音质星是有保证的。这是电话倍增楛将接人服务器和话音网关置于同一物理实体所带来的好处。

该系统的另一个重要功能是可支持终端移动性。设用户的倍增器客户程序装在便携式计算机上，可在任何地方拨号上网C 如离开原籍至访问地上网，则在向其原来的ISP接入点登记后，即可拨打IP电话，其费用仍记在其帐户上。同时，原籍网关可通过远端启动无条件转移，设置成无条件转移至访问网关，这样当有人呼叫该移动上网用户时，该呼叫就可通过访问网关与其计算机相连。

电话倍增器网关也可用于企业网。对于已建高质量内部网的企业，若其所有或大部分员工的计算机均与该网相连，就可考虑内部网支持电话业务的构想，使电话和数据业务由同一个网络提供，企业无需管理两个网。该内部网可以跨地域分布，不同地点的局域网经租用线相连以确保质量。图7.12给出基于IP的数据－电话综合企业

图7.12 基于1P的数据—电话综合企业网

按照图示布局，企业内部没有传统的电话机，计算机均配备电话应用客户程序以及声卡和送受话器，可以在数据通信的同时进行话音通信。为了方便，网内还可以安装单独的IP电话机，企业内部还可以部署移动电话，例如基于无绳技术的DECT或PHS网。不同类刮的数据流都在IP网上传送，由于该网是由同一个组织管理且用户是受限的，因此网络服务质量是可预测的，能确保1P电话具有满意的效果。

在内部交互式通信时，可直接用员工的姓名寻址。企业网有目录服务，通过登录机制可动态跟踪各个员工目前所在位置，以支持网内个人移动性。

为了实现与内部移动网的连通，网关还通过数字中继和基站相连。倍增器的语音网关支持GSM话音编码，可以直接将PCM话音转换为DECf网的话音信号，尤需二次转换。用户可以在DECT网内移动，也可以关掉手机移至局域网中，但仍使用同一号码，系统通过智能网的方法提供跨越移动网和计算机网的“通用个人通信”(UPf-UniversalPersonalTelecommunications)服务。

当然，公司员工还必须和外界取得联系，因此至少有一个网关需和PSTN相连，其连接接口可以是ISDNPRI或者PBX接口。该网关对于外界来说好像是一个用户交换机，可称为IP-PBX。此时，企业内部每个用户需分配一个电话号码，网内设置目录服务器提供E.164-IP地址翻译功能，该目录服务可设置在网关中，也可为一单独的实体。

上述网络构架可使企业员工自由选择其办公地点，实现居家办公。例如，员工可在家里通过拨号上网接入企业网，其工作环境和在企业中完全一样，同时通过登录告之其目前位置。使用电话服务时，入呼叫和出呼叫均使用其企业内部的分机号。当有外部电话呼叫该分机号时，网关将其转接至该员工拨号上网的端口。当有外部电话呼叫该员工家庭电话号码时，通过设置遇忙转移至企业倍增器网关，也可将该呼叫转接至该员工的计算机。

7.3..3 电信级网关

就功能原理而言，电信级网关和企业级网关并尤太大差异，其主要不同之处在于电信级网关的性能要求高，必须考虑在公众网运行环境下具有和电话网相当的服务水平。其主要特点表现在以下几个方面：

l. 容量大，具有良好的可计展性

通常企业级网关的基本单元只能支持儿十个用户线（如1~2个El)接入，虽然单元能够叠加，但是成本较高，扩展性能有限。电信级网关可以支持几于线甚至更多用户，可以处理大量的并发呼叫。正因为如此，前者一般采用计算机上插卡的系统集成方法实现，后者则为专用设备，电信设备制造商一般在原有交换机的基础上进行改造，并常将Internet接入服务器和IP电话网关综合在一个设备中，使其不但具有很大的容量，而且具有很强的组合功能。

2..可靠性

由于是在公网上运行的设备，因此必须有很高的无故障运行时间指标。其实现主要依赖于冗余技术，包括网络冗余和部件冗余。所谓网络冗余指的是关键网络设备必须有备份，例如应设置多个网关，按负荷分担方式工作，由网闸进行管理，网闸本身也必须有备份。所谓部件冗余指的是网关内部的重要部件应有备份，在发生故障时应能倒换。

3..支持7号信令

由于7号信令已在电信网上广泛部署，而且许多增值业务必须通过7号信令才能在全网范围内实现。因此，无论从当前容量的角度考虑，还是从未来业务拓展考虑，都要求网关能支持7号信令。具体来说，需支持ISDN的网络信令ISUP以及ISUP和H.225.0呼叫控制信令的互通。进一步还需考虑7号信令在TCP/IP上的传送。

4.网络管理

作为公众网中的一个网元，网关必须具有完善的维护和测量功能，支持网元管理和网络管理，能向网管中心提供统计数据，和网闸配合完成鉴权、带宽管理、计费等项功能。由于网关也是IP网络中的－个节点，因此一般应支持SNMP网管协议。

5.Q心保障

如前所述，IP话音的QoS主要体现在话音失真度和端到端时延曲个方面。它们取决于两个因素，一是端系统的语音处理技术，二是网络业务橇管理。对于网关来说，首先要有快速语音处理芯片，包括回波和丢包处理，这点和企业网的要求相同，其次需支持合适的资源预留、分类业务、拥塞控制等网络技术，确保1P电话数据流得到优先服务，这是电信级网关的特定要求。

6..安全性

由于IP网络的开放性，导致其易受攻击、隐私性易遭破坏，为此，ITU-T 专门制订了关于H.323 系统安全保护的H.235 协议。该协议定义了一些标准方法，用于保护H.323数据流和协议流，包括用户身份认证、媒体数据流完整性保护、数据加密和信令加密。作为一个功能完备的网关，应能根据用户和网络运营商的要求及法律规定支持相应的安全机制。

7..互操作性

由于在公网上会有不同厂商产品的互连，因此，电信级网关应能支持不同厂商、不同版本乃至不同协议之间的互操作。

8..性能扩充性

一个理想的网关应易于扩充，增加新的网络功能和业务特性，软件结构应模块化，具有良好的开放性和重用性。

7.3.4 电信级网关示例

今以普天通信开发的JZIOl-B型网关为例说明电信级网关的结构功能。其系统结构如图7.13 所示。在此结构中，网闸、网管中心和计费中心位于同－实体内，一般说来可以分开设置。

网关与PSTN的接口为El中继接口，可支待7号信令或中国1

图7.13 普天网关系统结构

号信令。IP处理单元完成语音编解码、封装及协议处理，并配备10/100Mbit/s以太网接口，经路由器和Internet连接。每个IP处理单元最多可处理120话路，整个网关的最大容最可接入2400路数字中继。需要注意的是：从PSTN接口至1P处理单元的传输通道不是小型网关的时分复用总线，而是程控交换机的数字交换网络，实际上该网关就是在交换机基础上设计的。

该网关在原有程控交换机的维护功能基础上，增加了如下的网关维护功能：

．完整的IP处理过程的信令跟踪和话音接续过程跟踪；

．数据生成、加载、更新和存档；

．网络调度和调配；

．网络工作状态实时监视和告警；

．支持系统升级、扩容和号码变更。

此外，还提供1P到电路部分和IP到IP的话路测量、IP终端测量及QoS测量功能，并有IP与交换机连接过程的观察功能。

在安全性能方面系统能提供对用户密码和计费信息传送的加密、数据备份和恢复以及网络节点和设备配置的安全。

计费结算模块根据网闸提供的呼叫记录进行处理，生成清单，并完成结算。可支持一次性预付卡、可反复充值预付卡和按月付费等多种付费方式，支持按秒计费和分时段计费等计费方式，网关间可按通信时长计费或按信息鼠计费，并可灵活设置用户和网关间的费率。

网闸与网关和计费结算服务器协同工作，实现系统的用户认证、漫游服务、地址翻译、带宽管理等功能。网闸可生成CDR日志，保证系统中所有呼叫信息集中存放在一个地方，以方便计费，并能较容易地与第三方计费系统和客户管理系统接口。通过网闸管理，可在各网关之间均匀分配呼叫，实现负荷均衡。网闸可双份配置，采用主备用方式工作，能手动或自动切换，切换时不影响正常业务。

系统网管系统运行SNMP协议，可对多个网关、网闸、路由器等设备进行配置管理、故障管理和安全管理。具体说来，可以控制网关的启动和停止；完成辖区内网关数据的生成、加载、更新和存档；观察网关的处理和话路接续过程；监视网关的CPU和内存使用情况；测试任意两个网关间的网络传输时延；统计话音传输质量和呼叫次数；并能支持系统扩容和升级。

网管服务器计费数据库计费服务器网闸

图7.14 IP电话运营系统组网结构

图7.14为采用上述设备构成lP电话运营系统的组网结构。

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