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關(guān)閉窗口 業(yè)界對VoIP技術(shù)日益增長的興趣和投資正在改變VoIP的現(xiàn)有市場結(jié)構(gòu)。像Linksys和摩托羅拉等制造商已經(jīng)開發(fā)出了很多VoIP產(chǎn)品，并通過其強大的零售渠道出售，從而使這些產(chǎn)品得到了迅速普及，同時帶來的價格壓力迫使全球的服務(wù)提供商重新思考這樣的問題，即當(dāng)他們將建設(shè)重點從功能眾多和利潤可觀的企業(yè)級應(yīng)用轉(zhuǎn)向住宅市場時如何正確地對待VoIP。
為了保持競爭優(yōu)勢，許多制造商已經(jīng)認(rèn)識到他們的產(chǎn)品能夠支持的功能和特性將決定他們的成敗。當(dāng)然對更高語音質(zhì)量的追求永無止境，不僅要克服直接影響QoS和可感知質(zhì)量的WAN瓶頸，而且要提供比傳統(tǒng)PSTN更高的質(zhì)量。至少每個VoIP端口必須支持G.711 PCM語音編碼以及一般采用T.38協(xié)議實現(xiàn)的傳真服務(wù)。大多數(shù)寬帶服務(wù)提供商為了滿足那些使用較低帶寬連接(如DSL lite)的用戶需求，同樣需要通過支持G.729ab等低比特率聲碼器(vocoder)來節(jié)省有限的帶寬資源。然而，為了完成語音質(zhì)量平衡，每個 VoIP通道必須有一個完整的、強大的語音處理系統(tǒng)，其中包含優(yōu)秀的回波抵消、語音活動檢測、自適應(yīng)抖動緩存/語音播放、音調(diào)檢測和產(chǎn)生、用于DTMF中繼的RFC2833、各種主叫號碼變量等功能，并支持呼叫轉(zhuǎn)送和呼叫轉(zhuǎn)移等附加服務(wù)。
但僅僅把重點放在核心語音功能上還不能形成具有競爭力的VoIP網(wǎng)絡(luò)。制造商已經(jīng)開始向同一產(chǎn)品中集成強大的語音網(wǎng)關(guān)和家庭路由器功能，從而形成了豐富多彩的各種最終產(chǎn)品配置。常用產(chǎn)品價格、一體化功能、先進(jìn)性能、服務(wù)質(zhì)量管理以及無經(jīng)驗的零售渠道等，來自這些方面的壓力將使性能和成本期望值達(dá)到目前許多處理器無法承擔(dān)的水平。
VoIP解決方案處理負(fù)荷
VoIP開發(fā)人員要想開發(fā)出能夠保持最優(yōu)成本，同時又能提供必要性能和功能的高效架構(gòu)，必須充分理解提供合理語音質(zhì)量和服務(wù)所需的所有處理功能。然而，每種功能都會占用CPU運算周期，如果不認(rèn)真地實現(xiàn)，將降低器件性能，從而潛在地影響VoIP質(zhì)量和總的數(shù)據(jù)吞吐量。
通常在寬帶調(diào)制解調(diào)器或光纖/以太網(wǎng)連接背后存在一個住宅語音網(wǎng)關(guān)。除了為每個支持的語音通道提供語音處理功能外，網(wǎng)關(guān)還必須提供各種WAN到LAN的數(shù)據(jù)路由功能，包括服務(wù)質(zhì)量(QoS)機制、防火墻保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)、可選的無線LAN連接、認(rèn)證和語音安全以及最近市場上出現(xiàn)的體驗質(zhì)量(QoE)。其中每個功能在保持和保護(hù)語音連接和質(zhì)量中都起著重要的作用，不能正確地滿足這些要求將直接導(dǎo)致可感知的語音質(zhì)量下降。
1. QoS機制
QoS一直是VoIP部署中的關(guān)鍵因素。雖然大多數(shù)QoS機制采用某種形式的服務(wù)標(biāo)簽或隊列來實現(xiàn)峰值業(yè)務(wù)條件下的數(shù)據(jù)包優(yōu)先等級傳輸，但事實上QoS機制有很多種。從VoIP來看，網(wǎng)關(guān)的主要任務(wù)是確保語音包有比數(shù)據(jù)包更高的優(yōu)先級，因為語音包對延遲特別敏感，如果它們延遲到達(dá)，語音質(zhì)量將嚴(yán)重受損。另外，如果對延遲敏感的視頻業(yè)務(wù)也是語音-視頻-數(shù)據(jù)“三合一”家庭網(wǎng)絡(luò)中的一部分，那就必須認(rèn)真加以對待，確保視頻業(yè)務(wù)不完全占據(jù)最高的優(yōu)先級隊列而影響到語音業(yè)務(wù)。
2. 防火墻保護(hù)
防火墻在保護(hù)VoIP設(shè)備免受未授權(quán)訪問中扮演非常重要的角色，它通過阻止未授權(quán)業(yè)務(wù)進(jìn)入LAN的機制來加強LAN和WAN之間的安全性。防火墻必須提供豐富的功能，包括防止未經(jīng)許可的遠(yuǎn)程登錄、SMTP會話劫持(session hijacking)、拒絕服務(wù)(DoS)攻擊、電子郵件炸彈、黑客設(shè)計的宏、病毒、垃圾過濾等。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)弱點，這些功能的部分覆蓋仍然會使設(shè)備存在暴露或濫用的風(fēng)險，因此任何不完全的功能覆蓋都是不能接受的。
3. NAT技術(shù)
NAT技術(shù)用于將私有IP網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成公用IP網(wǎng)絡(luò)地址，從而有效地克服IPv4地址的容量限制問題。NAT技術(shù)可以將家庭網(wǎng)絡(luò)中的多個設(shè)備(包括VoIP電話和PC)捆綁到單個地址，這些設(shè)備呈現(xiàn)給外部公用網(wǎng)絡(luò)的只是單個IP地址。這樣可以給VoIP網(wǎng)絡(luò)帶來更高的安全性，因為它可以隔離私有的LAN地址，防止外部的非法訪問。NAT還能利用內(nèi)部尋址機制方便LAN的管理，并且不會與公共IP尋址模型發(fā)生沖突。
4. 認(rèn)證和語音安全
當(dāng)VoIP通過WAN實現(xiàn)時，可靠的端到端語音連接可以不受網(wǎng)絡(luò)類型或物理位置的約束。不幸的是，這樣做同時會使LAN暴露在無數(shù)的安全威脅下，因為這是WAN固有的特性。例如在沒有防火墻的情況下，VoIP網(wǎng)絡(luò)上的一位用戶可能會劫持另一位用戶的接入服務(wù)，從而免費地使用前一位用戶的語音網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。安全性對保護(hù)用戶和服務(wù)提供商來說都很重要，只有安全可靠才能保證用戶的隱私、呼叫的完整性，才能認(rèn)證用戶的真實身份，確保用戶不會否認(rèn)使用的服務(wù)或費用準(zhǔn)確性，也才能保證語音連接的可靠性。基本安全特性由眾多基礎(chǔ)組件組成，如密鑰生成、會話配置、密鑰交換、單向或雙向認(rèn)證和加密/解密。所有這些功能都需要耗費大量處理器資源，因此用硬件實現(xiàn)比在CPU上用軟件實現(xiàn)更高效。
5. 可選的無線LAN連接
假定語音網(wǎng)關(guān)直接連接LAN，那么實現(xiàn)無線LAN連接將是最便利的一種方式。隨著VoIP設(shè)備不斷向消費類銷售渠道的滲透，這種無線連接顯得特別重要，因為將無線接入和路由與語音處理功能集成在一起可以促使用戶購買單個設(shè)備中多個盒子的功能。然而，引入無線接入將增加處理器通過802.11 堆棧在PC/筆記本電腦和寬帶調(diào)制解調(diào)器之間路由無線數(shù)據(jù)包的負(fù)擔(dān)，而且還要能夠支持多種無線安全標(biāo)準(zhǔn)。
6. 體驗質(zhì)量
最近的網(wǎng)絡(luò)測試和對VoIP服務(wù)的調(diào)查表明，多達(dá)20%的VoIP呼叫存在語音質(zhì)量差的問題。如果不能從用戶體驗?zāi)抢锪私獍l(fā)生了什么事，那么也就無法確定導(dǎo)致質(zhì)量差的根本原因，即無法采取正確的糾正措施。由于網(wǎng)絡(luò)固有架構(gòu)的原因，收集和報告正在運行的VoIP網(wǎng)絡(luò)上的信息是非常復(fù)雜的一項任務(wù)。與電路交換網(wǎng)絡(luò)不同的是，交換網(wǎng)絡(luò)的智能很好地集中在中心局交換設(shè)備上，而IP網(wǎng)絡(luò)的相當(dāng)一部分智能卻位于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端的用戶駐地設(shè)備(CPE)中。對于希望成功提供VoIP服務(wù)的服務(wù)提供商來說，豐富的用戶體驗非常重要。這意味著每個住宅VoIP邊緣設(shè)備必須提供(處理和提供)重要的VoIP服務(wù)質(zhì)量度量、相應(yīng)的統(tǒng)計和診斷信息，以主動幫助服務(wù)提供商進(jìn)行故障根本原因分析和隨后的實時緩解或解決，必須保持用戶的體驗質(zhì)量。當(dāng)然這意味著VoIP解決方案要提供一定程度的額外智能和實時處理性能。
通過處理器架構(gòu)擴(kuò)展IP語音解決方案
所有這些解決方案功能都會額外增加處理器的負(fù)擔(dān)。為了成功實現(xiàn)提供可接受的語音質(zhì)量和性能的VoIP設(shè)備，開發(fā)人員必須使用能夠處理大量并發(fā)實時操作的架構(gòu)。這樣的系統(tǒng)至少需要處理4或5個并發(fā)數(shù)據(jù)流：WAN連接，一般是寬帶接口；LAN接口，如單個PC連接，或3到5個端口的以太網(wǎng)連接；至少2個語音通道；當(dāng)時可能在用也可能不在用的可選WLAN接口。
為了使單個芯片支持所有這些處理功能，開發(fā)人員往往采用以硬件形式集成了許多相關(guān)VoIP組件的系統(tǒng)級芯片(SoC)處理器。這種處理器通過合理組合集成組件來控制成本，包括以太網(wǎng)連接、TDM接口、存儲器和基于硬件的特殊任務(wù)加速器。這些處理器必須能夠正確處理數(shù)據(jù)路由和應(yīng)用層功能，并使數(shù)據(jù)移動不成為過重的負(fù)擔(dān)而導(dǎo)致瓶頸問題，從而影響對時間敏感的其它語音處理功能。
由于VoIP系統(tǒng)的分割處理特性，集成了RISC和DSP處理資源的雙處理器方案可以提供最優(yōu)的架構(gòu)，用來最有效地實現(xiàn)一個可靠的VoIP系統(tǒng)所要求的眾多組件。在專門設(shè)計處理這些任務(wù)的架構(gòu)上實現(xiàn)每個任務(wù)可以降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并縮短開發(fā)時間。
一般來說，在RISC處理上執(zhí)行語音編碼器的內(nèi)核算法的指令數(shù)約是DSP上執(zhí)行指令數(shù)的3倍，保守地估計周期數(shù)大體上至少相當(dāng)于2倍。例如僅采用RISC架構(gòu)的SoC要求處理器能夠執(zhí)行所有的VoIP組件，包括通話、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和路由器功能以外的語音處理操作，還要處理來自執(zhí)行錯誤架構(gòu)上的某些組件導(dǎo)致的2倍以上的低效任務(wù)。這種處理器需要頻率非常高的工作時鐘，從而導(dǎo)致更高的成本和發(fā)熱量。另外，需要特別注意對整個系統(tǒng)功能的規(guī)模調(diào)整，因為額外的處理容量成本非高，而且如果是最新推出的處理器甚至不可能實現(xiàn)。即使?jié)M足了容量要求，也必定要犧牲一定的性能或語音質(zhì)量。
與只是RISC的架構(gòu)或雙RISC、多線程架構(gòu)相比，使用雙處理器架構(gòu)劃分跨越兩個處理器的系統(tǒng)后不僅可以均衡處理負(fù)載，還能顯著降低每個處理器需要的時鐘頻率。因為功耗正比于頻率的平方，因此還能實質(zhì)性地減輕功耗和散熱問題。另外，由于雙處理器是獨立的，它們可以工作在不同的時鐘頻率，因此能夠以最低的成本最大化語音和數(shù)據(jù)處理性能。根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，雙處理器還可以在速度、性能和功能等方面做進(jìn)一步優(yōu)化，從而高效地實現(xiàn)從基本的網(wǎng)關(guān)到具有先進(jìn)安全性的完整防火墻和路由器等功能。
然而，時鐘頻率和周期效率只是其中的兩大關(guān)鍵性能指標(biāo)。如果沒有流經(jīng)處理器的高效數(shù)據(jù)，那么大量的數(shù)據(jù)移動將形成性能瓶頸，有可能將語音質(zhì)量劣化到不能接受的程度。可以采用直接存儲器訪問(DMA)機制，將處理器移出數(shù)據(jù)搬移的關(guān)鍵路徑，從而使數(shù)據(jù)到處理器之間的發(fā)送和存儲無需耗用CPU 資源。例如，當(dāng)DSP完成數(shù)據(jù)塊的處理后，DMA就可以將數(shù)據(jù)移到存儲器等候其它設(shè)備的訪問，這一過程無需耗用一個DSP執(zhí)行周期。彌補DMA效率的是高速內(nèi)部交換、寬的總線帶寬、數(shù)據(jù)突發(fā)功能以及無需CPU持續(xù)監(jiān)視而實現(xiàn)直接數(shù)據(jù)移動和處理的智能外設(shè)，從而達(dá)到最大化整體系統(tǒng)性能、降低時延、減少抖動效應(yīng)，提高語音質(zhì)量的目的。利用這種方式，雙處理器中每個處理器都無需管理數(shù)據(jù)流，可以專注于執(zhí)行它們最擅長的處理、命令和控制功能。其它重要的數(shù)據(jù)移動技術(shù)包括：
- 內(nèi)部總線交換
縱橫交叉(Cross-bar)功能可以有效避免擁塞效應(yīng)，減少數(shù)據(jù)移動沖突，允許多個數(shù)據(jù)流同時流動，并允許并發(fā)的控制寄存器訪問。交換功能使任意兩個外設(shè)之間的數(shù)據(jù)移動無需RISC或DSP內(nèi)核的參與。 - 處理器緩存大小調(diào)整
指令和數(shù)據(jù)緩存可以根據(jù)特定的應(yīng)用處理和業(yè)務(wù)要求進(jìn)行優(yōu)化。緩存以與處理器相同的速度運行可以有效減少引起處理器宕機的外部存儲器存取次數(shù)，從而提高系統(tǒng)總體性能。 - 外部存儲器接口
一個高效的處理器如果饋入數(shù)據(jù)的速度跟不上使用數(shù)據(jù)的速度就容易宕機。存儲器訪問效率取決于總線帶寬、時鐘速度和段交錯操作(bank-interleaving)。當(dāng)結(jié)合使用優(yōu)化的軟件時，性能效率最多時可以提高40%。 - 外設(shè)配置
專用外設(shè)經(jīng)過配置可以在初始化后無需直接的RISC或DSP支持。結(jié)合分布式DMA控制和數(shù)據(jù)突發(fā)操作，可以最大化外設(shè)效率，從而無需RISC或DSP的干預(yù)就能執(zhí)行特定的任務(wù)。
作者：
Debbie Greenstreet/Fred Zimmerman
DSP系統(tǒng)組/德州儀器
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