（通信与信息系统专业论文）基于mpc8270的媒体网关处理程序设计.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着i p 技术的快速发展，人们提出在下一代网络中以工p 网络作为未来信息 网统一传送平台的设想，即要实现电信网、计算机网和有线电视网三大网络融合， 为此各种网络媒体间的格式转换需求增加并推动了媒体网关的快速发展。 本课题的设计目标是媒体网关处理器卡设计，卡上采用了飞思卡尔的著名通 信处理器芯片m p c 8 2 7 0 。课题分为硬件和软件两个部分。为了利用现有技术加快 研制进程，设计参考了深圳诚拓公司生产的c t d bm p 8 2 7 0 开发板及由它提供的 m n n u x 开发工具。 本文的工作任务是软件设计，主要实现在嵌入式l i n u x 平台下利用m p c 8 2 7 0 多信道控制器( m c c ) 与快速通信控制器( f c c ) 分别实现e 1 时分信号与i p 分组 信号的接收与发送，并编制应用程序实现e 1 电路信号与i p 分组信号间的双向转 换。， 文章首先阐述了媒体网关的构造与协议，接着介绍m p c 8 2 7 0 开发板和嵌入 式l i n u x 平台的开发环境，其次重点介绍t d m 接口驱动程序中m c c 的初始化过程， 包含了多信道的配置方法，然后介绍了各主要功能模块与实现流程，包括了t d m 端口e 1 信号的接收，发送，中断处理程序及分组包转换流程等，最后是总结与 鸣谢。 陈春光同学实现了该课题的硬件部分。 关键字：媒体网关( m g ) ，m p c 8 2 7 0 ，嵌入式l i n u x 操作系统，设备驱动程序 南京邮电人学硕 ：研究生学位论义a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi pt e c h n o l o g y , i ti ss u g g e s t e dt h a ti pn e t w o r kw i l l b e c o m et h eu n i t i v ep l a t f o r mf o ri n f o r m a t i o nt r a n s f e r i nt h ef u t u r et h a ts y n c r e t i z e s t e l e c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e ra n dc a t vn e t w o r k st o g e t h e r t h i sn e e do fm u l t i f o r m m e d i af o r m a tt r a n s f o r ma c c e l e r a t e st h ed e v e l o p m e n to fm e d i a g a t e w a y t h et o p i co ft h i sp a p e ri sam e d i ag a t e w a yp r o c e s s o rc a r dd e s i g nw h i c hu s e st h e f a m o u sm p c 8 2 7 0 p r o c e s s o rp r o d u c e db yf r e e s c a l ec o r p a n dw i d e l yu s e di nm o d e m c o m m u n i c a t i o nd e v i c e s t h et a s ki n c l u d e st w op a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n m yt a r g e ti st h es o f t w a r e t oa c c e l e r a t et h ed e s i g np r o c e s sa n du s et h ee x i s t i n g d e v e l o p m e n tt o o l s ，t h ed e s i g n h a dr e f e r r e dt ot h e d e v e l o p m e n t b o a r do f c t d b - m p c 8 2 7 0w h i c hi sac o m m e r c i a lp r o d u c tm a d eo ft h ec h e n t u os c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o r p t h i sa r t i c l ed e a l sw i t hs o f t w a r ed e s i g nw h i c hu s e sl i n u xp l a t f o r mt or e a l i z et h e e1t d m s i g n a la n di ps i g n a la c c e s st h r o u g hm u l t i - c h a n n e lc o n t r o l l e r ( m c c ) a n df a s t c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r ( f c c ) o nm p c 8 2 7 0r e s p e c t i v e l y i ti sa l s oo f f e r e dt h e t r a n s f e rm e t h o db e t w e e nt h e s et w of o r m a ts i g n a l s a tf i r s t ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h es t r u c t u r ea n dp r o t o c o l so fm e d i ag a t e w a y t h e m p c8 2 7 0 d e v e l o p m e n tb o a r d a n di t se m b e d d e dl i n u xp l a t f o r ma r et h e n i n t r o d u c e d s e c o n d l y , i tg i v e st h ee m p h a s i so nm c cd r i v e rp r o g r a md e s i g n ，i n c l u d i n g m c ci n i t i a l i z a t i o na n dm u l t i c h a n n e lc o n f i g u r a t i o n a n dt h e n ，i t g i v e st h em a i n f u n c t i o nm o d u l ef l o wa n dp r o g r a m m i n gi n c l u d i n gt d mi n t e r f a c ea c c e s s ，i n t e r r u p t p r o c e s s i n g a n dp a c k a g et r a n s l a t i o n a t l a s t ， i t g i v e s t h ec o n c l u s i o na n d a c k n o w l e d g e m e n t s t h eh a r d w a r ed e s i g no fm e d i ag a t e w a yi sf i n i s h e db ym yc l a s s m a t ec h u n g u a n g c h e n k e yw o r d s ：m e d i ag a t e w a y ( m g ) ；m p c 8 2 7 0 ，e m b e d d e dl i n u xo p e r a t es y s t e m ； d e v i c ed r i v e r 南京邮电大学硕士研究生学位论文略缩语 s g m g m c g r g a g t g i a d m t a n g n s i u m c c t d m c p c p m c p c r f c c s d r a m d p r a m b d s i p p a r p d i r p d o r p s o r c h a r m s c t s t - b u s m i i 略缩语 信令网关 媒体网关 媒体控制网关 用户驻地网关 接入网关 中继网关 综合接人设备 媒体终端适配器 下一代网络 系统接口单元 多信道控制器口 时分复用 通信处理器 通信处理模块 通信处理器命令寄存器 快速通信控制器 同步动态随机存取存储器 双端口甩蝴 缓冲区描述符 串行接口 端口引脚分配寄存器 端口数据方向寄存器 端口漏极开路寄存器 端口专用选项寄存器 信道模式寄存器 超级信道表 串行通信总线 媒体独立接口 南京邮电大学硕士研究生学位论文 略缩语 c m x g f m r f p s m r f d s r f c c e f c c m f c c s s c p r rh s c p r rl c p m 的复用逻辑器 通用f c c 扩展模式寄存器 f c c 协议专用模式寄存器 f c c 数据同步寄存器 f c c 事件寄存器 f c c 屏蔽寄存器 f c c 状态寄存器 c p m 高级中断优先级寄存器 c p m 低级中断优先级寄存器 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得南京邮电大学或者其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：踢，敬日期：初哆午哆 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或者 其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：苟，觚导师签夤：弋1 碌珐包日期：川，牛j 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 当前世界电信业正面临信息技术革命以来最严峻的挑战，城域宽带网络和接 入宽带网络的普遍应用对目前的电信网结构，尤其是固定交换网络提出了严峻的 挑战，随着数据业务的迅速发展，基础传输网络从传统的时分复用技术逐步转 向分组交换技术，特别是转向已经成为工业标准的i p 技术将是历史的必然。 2 0 世纪9 0 年代后期，随着i p 技术的迅速发展，人们开始研究i p 在通信领域 中的应用，提出了以i p 作为未来信息网统一传送平台的设想，并得到了广泛的 认同。i p 多媒体技术的突破口依然是语言通信，其标志性应用就是i p 电话，或 称为i p 上语音传送( v o i p ，v o i c eo v e ri p ) 技术。此技术推出后，尽管由于网 络结构和带宽所限，质量尚不能与传统电话相比拟，但是由于其低廉的成本和良 好的技术发展前景，很快在全球赢得了市场，受到业界的高度重视。i t u - t 在原 来局限于局域网无质量保证的可视电话h 3 2 3 第1 版本( v 1 ) 的基础上，制定 出了用于i p 网络多媒体通信的h 3 2 3v 2 标准，成为i p 电话最重要的国际标准 之一，有力地推动了i p 实时通信应用的进展。 通信网向i p 分组网融合的趋势要求通信设备的信息处理能力不断增强，高 速率，编码转换，不同方式通信接口，多媒体通信协议栈的适用，不同媒体间的 协议处理与转换，均对通信设备的智能，处理能力提出高要求。因此具有嵌入式 的实时操作系统便于协议栈的开发，具有完善的通信接口及通信处理器的高速处 理器内核成为多种通信设备的首选。 同时，在“后p c ”时代，由于集成电路技术的飞速发展，嵌入式系统的开 发从单片机时代进入到了一个“系统 开发的阶段，嵌入式操作系统也逐渐走上 了历史舞台。从国内和国外来看，嵌入式操作系统主要有w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、 p s o s 、p a l mo s 等。l i n u x 是一个成熟、稳定的操作系统，由于其在嵌入式开发 方面具有其它操作系统无可比拟的优势，经过这几年的发展，已迅速跻身主流嵌 入式开发平台，并以每年1 0 0 的用户递增数量显示了其强大的力量。l i n u x 作为 嵌入式操作系统的优势在于： 一，i n u x 是开放源代码的免费软件 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 l i n u x 具有完善的文档和广泛的技术支持。 l i n u x 内核功能强大，性能高效、稳定。 l i n u x 能够支持多种体系结构，是支持微处理器种类最多的操作系统。 如x 8 6 、a r m 、p p c 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 等，l i n u x 都支持。 l i n u x 拥有强大的网络功能。随着嵌入式系统的发展，嵌入式系统与 i n t e r n e t 结合得越来越紧密。与其它操作系统相比，l i n u x 在网络方面 有较大的优势，基本上所有的网络协议和网络接口都可以在l i n u x 上找 到。 l i n u x 大小和功能可定制。l i n u x 继承了u n i x 的优秀设计思想，用户界 面完全独立，各部分的可定制性很强，可以按照需求配置，这对于硬件 资源有限的嵌入式系统是一个理想的选择。 1 2 研究内容和任务 本课题的设计目标为基于m p c 8 2 7 0 的媒体网关处理器设计，分为硬件和软件 两个部分，分别由两人承担：硬件部分由作者的同学陈春光完成，任务是参考深 圳诚拓公司m p c 8 2 7 0 开发板构造，以m p c 8 2 7 0 芯片为核心，设计媒体网关处理器 卡原理图与板图，其可以加载l i n u x 嵌入式实时操作系统，具备e 1 与以太网接 口，可以完成e 1 信号与i p 信号之间的媒体流格式转换；软件部分由作者承担， 任务是充分利用购置的深圳诚拓公司m p c 8 2 7 0 开发板所提供的l i n u x 嵌入式实时 操作系统以及c 编译器等交叉编译工具，设计媒体网关处理器卡能够移植和使用 的程序，着重解决在l i n u x 平台下，实现基于m p c 8 2 7 0 开发板的媒体网关的功能， 具体来说是要实现以太网端口和时分端口之间的双向收发功能，可将工作分成两 部分：一是对f c c i ( 快速通信控制器) 端口编程实现i p 包的发送和接收，二是 在e l 时分端口( t d m ) 对m c c 2 ( 多信道通信控制器) 编程实现时分信号的发送 和接收，当然在收发过程中要实现两种信号格式的转换。 该课题虽然有诚拓开发板作参照，但颇具挑战性，因为诚拓的系统本身并非 为本目标而设计的，它只是一块中间开发商的商品开发板，仅提供了i p 接口及 一些m p c 8 2 7 0 常用的开发工具，板上并未开发m c c 应用与e 1 接口，设计资料与 使用说明也极为有限。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 论文的组织安排 根据内容，该文的章节安排如下： 第一章简要说明课题研究背景和研究内容 第二章介绍媒体网关的体系结构以及相关的协议 第三章详细描述该课题的总体设计框图，工作流程 第四章简要介绍软件开发所需要的平台 第五章详细描述软件开发的以太网端口( i p ) 部分 第六章详细描述软件开发的时分端口( t d m ) 部分 第七章结论：所做的工作总结与展望 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 第二章媒体网关的体系结构及相关协议 2 1 网关 随着网络技术的不断演进，使现存的相互独立的电信网、计算机网和有线电 视网有了三网合一的可能，其公共点为i p 网络。n 1 i p 网则通过网关( g a t e w a y ) 实现与各种不同网络的互通，完成网络中媒体 格式的转换和必要的控制功能。而集中型的网关结构在可扩展性、安全性以及组 网的灵活性方面越来越不能满足用户规模的扩大和用户对业务需求的增加，因此 将业务媒体流、业务控制和信令分离的概念被提了出来，即将i p 电话网关分离 成三部分：信令网关( s g ) 、媒体网关( m g ) 和媒体控制网关( m c g ) 。如图2 - 1 所示。 p s n 岍s d n 至g k 至h 3 2 3 终端 图2 1 网关的演化 s g 负责处理信令消息，将其终结、翻译或中继；m g 负责处理媒体流，将媒 体流从窄带网打包送到i p 网或者从i p 网接收后解包并送给窄带网；m g c 负责m g 资源的注册、管理以及呼叫控制。m g 和m g c 之间采用h 2 4 8 协议，s g 和m g c 之 间采用s i g t r a n 协议跚。见图2 - 2 。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 台式机 2 2 媒体网关口1 i n t e r n e t 图2 - 2 网关结构及相关协议 固定电话 媒体网关负责媒体格式的转换和传输，将电路交换的语音或数据信号转换为 分组交换包，反之亦然。媒体网关和处于汇聚层的路由器和交换机共同完成语音 信号在网络中的传输。媒体网关的主要传输协议为r t p u d p ，主要控制协议为m g c p 和h 2 4 8 m e g a c o 。 2 2 1 媒体网关的功能 媒体网关提供分组网络和p s t n 之间的音频、数据、传真和视频媒体流的相 互转换，按话音业务来说，包括通过数字信号处理器来完成诸如模拟到数字的转 化、话音音频码的压缩、回声消除、静音检测和抑制、话音及带外d t m f 信号的 分组封装及传输等功能。 一般而言，一个媒体网关应该支持以下功能： ( 1 ) 用户或网络堡功能 媒体网关负责各种用户或各种接入网络的综合接入，如普通电话用户、i s d n 用户、a d s l 接入、以太网用户接入或p s t n i s d n 网络接入、v 5 接入和3 g 网络接 入等。总之，媒体网关设备是用户或用户网络接入核心媒体层的“接口网关”。 ( 2 ) 接入核心媒体网络功能 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 媒体网关以宽带接入手段接入核心媒体网络。目前接入核心媒体网络主要通 过a t m 或i p 接入。a t m 是面向连接的第2 层技术，具有可靠的服务质量( o o s ) 保 证能力，i p 则是目前应用广泛的第3 层技术。 ( 3 ) 媒体流的璺魁功能 在n g n 中，任何业务数据都被抽象成媒体流，媒体流可以是话音、视频信息， 也可以是综合的数据信息。由于用户接入和核心媒体之间的网络传送机制的不一 致性，因而需要将一种媒体流映射成另一种网络要求的媒体流格式。但是由于业 务和网络的复杂性，媒体流映射并不是简单的映射，它涉及到媒体编码格式、数 据压缩算法、资源预约和分配、特殊资源的检测处理、媒体流的保密等多项与媒 体流属性相关的内容。此外，对不同的业务特性又有其特殊的要求，如话音业务 对回声抑制、静音压缩、舒适噪音插入等有其特别要求，传真业务对调制方式及 交互流程有特殊要求等。 ( 4 ) 受控操作功能 媒体网关受软交换的控制，它绝大部分的动作，特别是与业务相关的动作都 是在软交换的控制下完成的，如编码、压缩算法的选择，呼叫的建立、释放、中 断，资源的分配和释放，特殊信号的检测和处理等。 ( 5 ) 管理和统计功能 作为网络中的一员，媒体网关同样受到网管系统的统一管理，媒体网关也要 向软交换或网管系统报告相关的统计信息。 2 2 2 媒体网关的分类 从设备本身讲，媒体网关并没有一个明确的分类，因为媒体网关负责将各种 用户或网络综合接入到核心网络，但并不是说任何一个媒体网关设备都要支持所 有的接入功能。媒体网关要遵循开放性原则，未来n g n 中的媒体网关都要受到软 交换系统的统一控制。根据媒体网关设备在网络中的位置，可以将其分为如下几 类。 ( 1 ) 中继媒体网关 主要针对p s t n 或i s d n 的中继媒体网关，负责p s t n 或i s d n 的c 4 或c 5 的汇 蓝接z 将其接入到a t m 或i p 网络，主要实现v o a t m 靴q 工p 动能。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 ( 2 ) 综合接入媒体网关 综合接入媒体网关负责各种用户或接入网的综合接入，如直接将p s t n 或 i s d n 用户、e t h e r n e t 用户、a d s l 用户或v 5 用户接入。这类综合接入媒体网关 一般放置在靠近用户的端局，同时它还具有拨号m o d e m 数据业务分流的功能。 ( 3 ) 小区或企业用媒体网关 从目前的情况看，放置在用户住宅小区或企业的媒体网关主要解决用户话音 和数据( 主要指i n t e r n e t 数据) 的综合接入，未来可能会解决视频业务的接入。 2 2 3 媒体网关的发展趋势 为了实现现有各种网络向n g n 网络的平滑过渡，以h 3 2 3 协议为基础的v o i p 网络与软交换网络的融合成为v o i p 网络发展的趋势，并由此形成了新的软交换 体系。随着h 3 2 3 系统中的g k 功能的分离，它的控制功能将融合到m g c 中成为 m g c 中的一个模块，其它功能将融合到应用服务器中。 媒体网关作为软交换体系中的重要组成部分，也是随着软交换的发展不断发 展的。一方面它将融合现有的p s t n 网络的接入设备( 如e l 、v 5 a d s l 等) ，将这 些设备实现的功能以模块的形式成为组成部分，和现有设备兼容，并逐步取代现 有p s t n 网络设备，从而实现现有各种网络向n g n 网络的平滑过渡。另一方面， i p 侧的功能也会有进一步的提高，如支持防火墙穿透功能，将来媒体网关还可 以通过添加相应的模块和光纤进行连接，实现光纤到户。 总之，媒体网关的发展趋势就是满足用户的各种需要，为用户提供更为广泛 的业务。接入的多样化，使得软交换系统既可以兼容传统的网络接入，充分保证 了运营商原有设备的投资，又可以通过i p 网络提供新型的业务，从而平滑地向 n g n 网络过渡。 2 3 课题中用到的主要协议 该课题中的任务是实现基于m p c 8 2 7 0 的中继类媒体网关功能的设计，主要目 标是在p s t n 网络的e 1 信号和宽带网的i p 信号间实现相互转换和收发，下面对 这两种信号相关协议做介绍。 7 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 2 3 1e 1 协议 本系统中e 1 码流的构造可参照c c i t tg 7 0 3 i1 h 1 、g 7 0 4 1 2 朝或g 7 0 6 建 议 1 3 给出的p c m 基群3 0 3 2 路系统帧结构得到。 ( 1 ) 所谓的e l 标准，指的就是i t u - ta 律p c m 基群标准，早期由欧洲标准化 组织提出，也是我国采用的标准。与e 1 并存的还有北美与日本的t 1 标准，因未使 用暂不予讨论。 在a 律的p c m 基群中，一共有3 2 个时间间隔，称为时隙。各个时隙从o n 3 1 顷 序编号，分别记作t s 0 ，t s i ，t s 2 ，t s 3 1 ，其中t s i 至t s l 5 和t s l 7 至t s 3 1 这3 0 个 时隙用来传送3 0 路电话信号的8 位编码码组，t s 0 分配给帧同步，t s l 6 可用于传 送话路信令。每个路时隙包含8 位码，占时3 9 1 u s ，每位码占4 8 8 n s ，一帧共含2 5 6 个码元。 帧同步码组为x 0 0 1 1 0 1 1 ，它是每隔一帧插入t s 0 的固定码组，接收端识别出 帧同步码组后，即可建立正确的路序。其中，第一位码“x ”保留作国际电话间 通信用。在不传帧同步的奇数帧，t s 0 的第2 位固定为1 ，以避免接收端错误识别 为帧同步码组。在传送话路信令时，可以将t s l 6 所包含的总比特率6 4 k b s 集中起 来使用，成为共路信令( c c s ) 传送；也可按规定的时间顺序分配给本群3 0 个话 路，直接传送各话路所需的信令，称为随路信令( c a s ) 。 采用t s l 6 随路信令传送方式时，必须将1 6 个帧构成一个更大的帧，称为复 帧。复帧的重复频率为5 0 0 h z ，周期2 0 m s 。复帧中各帧顺次编号为f o ，f l ， f 1 5 。其中f 0 的t s l 6 前4 位码用来传送复帧同步码组0 0 0 0 ，f 1 至f 1 5 的t s l 6 用来传 送各话路的信令。每个信令用4 位码组来表示，因此，每个t s l 6 时隙可以传送两 路信令。这种帧结构中每帧共有3 2 路时隙，但真正能用于传送电话或数据的时隙 只有3 0 路，因此有时称为3 0 3 2 路基群。 e 1 有成帧，成复帧与不成帧三种方式。成帧的e 1 中第0 时隙用于传输帧同步 数据及其他开销，其余3 1 个时隙可以用于传输业务数据或码流；成复帧的e 1 中， 除了第0 时隙外，第1 6 时隙用于传输c a s 信令时，只有第1 到1 5 ，第1 7 n 第3 1 帧共 3 0 个时隙可用于传输有效数据；而不成帧的e 1 中，所有3 2 个时隙都可用于传输有 效数据。在e l 信道中，8 b i t 组成一个时隙( t s ) ，由3 2 个时隙组成了一个帧( f ) ， 1 6 个帧组成一个复帧( m f ) 。在一个帧中，t s 0 主要用于传送帧定位信号( f a s ) ， 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 堡争4 ( 循环冗余校验) 和对端告警指示，t s l 6 主要传送随路信令( 堂) 、复帧 定位信号和复帧对端告警指示，t s l 至t s l 5 和t s l 7 至t s 3 1 共3 0 个时隙传送话音或 数据等信息，我们称t s l 至t s l 5 和t s l 7 至t s 3 1 为净荷，t s o 和t s l 6 为开销。如果采 用带外公共信道信令( c c s ，优先采用t s l 6 ，但也可指定任意非o 时隙) ，多数t s l 6 就失去了传送信令的用途，该时隙也可用来传送信息信号，这时帧结构的净荷为 t s l 至t s 3 1 ，开销只有t s o 了。 ( 2 ) p c m 3 0 与s t b u s 的帧格式对比 这里给出p c m 3 0 帧格式的简要形式及s t - b u s 的帧格式图，如图2 3 。 偶帧 tso 奇i 馈 tso 一一7 i f 。if ，if zif 。i ，4i f s i f 6 if ，if 8i f 9 lf ，o lf ，if ，：if 1 3 if ，4 if ，5 i 3 2 1 l 咯时隙，2 5 6 b i t 1 2 5 u 8 ，l 0 i ，1 2 | 23 i 。i5 1 6 i ，1 8 i illili i1 6 iiililiiiliili l 3 1 嚣乙5 龋路6 - 窆- 一；i x l0 1 0 i ，l ，1 0 l ，i ，l 0 10oo 1a 2 1 11 8 k - 帧同步信刊 一 、 俦搐争茬毳 4 - 3 91u 9 h 毒卜 f 1 a ib ic l d la ib i c 川 x h a l l ，i ，i ，i ，i ，i 【e c h l 叫 k 保留给一 c h l 阖内通信用 f 2 a ib db d i 悟c p 2 叫c 1 1 一 i 。 f 15 a ib4d i abd 图2 3p c m 3 0 帧格式的简要形式及s t b u s 的帧格式图 时隙和通道的对应关系如表2 - 1 所示。 时隙中的基本帧分为帧定位信号( f a s ) 帧和非帧定位信号帧( n f a s ) 两种。其 中的区别就在时隙中的第二位上，是0 则是f a s 帧，是1 贝0 是n f a s 帧。f a s 帧是为了 实现基本帧对齐，只要识别出f a s 帧时隙0 的的末七位“0 0 1i 0 1l ，就表明找到 了f a s 帧。n f a s 帧的“a ”位是用来指示远端基本帧的告警标志，s a 4 - s a 8 国内应 用位则可以用来传递控制信息和性能监控信息，构成h d l c 数据链路应用。 在e 1 接口传送数据时，双方应检测信号丢失帧失步复帧失步滑码等告 警，并且在e 1 接口参数配置上保持一致( 某些功能可不一致，如c r c 帧与非c r c 帧间的自动识别与互操作) 因为某些参数的不一致，会造成数据通道的误码滑 码失步等情况。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 表2 1t i m es l o t 与c h a n n e l 的对应关系 p c m 3 0 时隙 o1 ，2 1 51 61 7 3 1 数据语音 xl ，2 1 5x1 5 3 0 通道 2 3 2t c p i p 5 1 不同的厂家生产各种型号的计算机，它们运行完全不同的操作系统，但 t c p i p 协议族允许它们互相进行通信。t c p i p 起源于6 0 年代末美国政府资助的一 个分组交换网络研究项目，到9 0 年代已发展成为计算机之间最常应用的组网形 式。它是一个真正的开放系统，因为协议族的定义及其多种实现可以不用花钱或 花很少的钱就可以公开地得到。它成为被称作“全球互联网 或“因特网 ( i n t e r n e t ) ”的基础，该广域网( w a n ) 已包含超过十亿台遍布世界各地的计算 机。其中中国互联网络信息中兴( c n n i c ) 发布的第2 3 次中国互联网络发展状 况统计报告显示，截至2 0 0 8 年我国网民数已达j ! l j 2 9 8 亿。 网络协议通常分为不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。一 个协议族，比如t c p i p ，是一组不同层次上的多个协议的组合。t c p i p 通常被认 为是一个四层协议系统，如图2 4 所示。 t e l n c 嘻, 翻印和e - m a i l 等 t c p 和u d p i p 、i c m i 稍i g m p 设备驱动程序及接口卡 图2 - 4t c p i p 分层协议图 每一层负责不同的功能： 1 ) 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的 设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理电缆( 或其他任何传 输媒介) 的物理接口细节。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 2 ) 网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的 选路。在t c p i p 协议族中，网络层协议包括工p 协议( 网际协议) ，i c m p 协议 ( i n t e r n e t 互联网控制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) 。 3 ) 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议 族中，有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协 议) 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序 交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认分组送达，执行超时或纠 错重发等。由于运输层提供了高可靠的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有 这些细节。而另一方面，u d p 贝i j 为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称 作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一 端。任何必需的可靠性由应用层来提供。这两种运输层协议分别在不同的应用程 序中有不同的用途，这一点将在后面看到。 4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节。提供一些应用层服务，女i t e l n e t 远程登录、f t p 文件传输协议、s m t p 简单邮件传送协议、s n m p 简单网络管理协议。 在t c p i p 协议族中，网络层i p 提供的是一种不可靠的服务。也就是说，它只 是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点，但是并不提供任何可靠性保证。而 另一方面，t c p 在不可靠的i p 层上提供了一个可靠的运输层。为了提供这种可靠 的服务，t c p 采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。由此可见， 运输层和网络层分别负责不同的功能。因此它们适用于不同的应用，t c p i p 协议 族中不同层次的协议见图2 5 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章媒体网关的体系结构及相关协议 媒体 图2 - 5t c p i p 协议族中不同层次的协议 t c p 和u d p 是两种最为著名的运输层协议，二者都使用i p 作为网络层协议。虽 然t c p 使用不可靠的i p j 艮务，但它却提供一种可靠的运输层服务。一些t c p 的应用， 女h t e l n e t 和r l o g i n 、f t p 以及s m t p 等。这些应用通常都是用户进程。u d p 为应用程 序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元 ( 例如，发送方指定的一定字节数的信息) 。但是与t c p 不同的是，u d p 是不可靠 的，它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的。s n m p 也使用了u d p 协议，i p 是网络层上的主要协议，同时被t c p 和u d p 使用。t c p 和u d p 的每组数据都通过端系 统和每个中间路由器中的i p 层在互联网中进行传输。 i c m p 是i p 协议的附属协议。i p 层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和 其他重要信息。a r p ( 地址解析协议) 和r a r p ( 逆地址解析协议) 是某些网络接 口( 如以太网和令牌环网) 使用的特殊协议，用来转换i p 层和网络接口层使用的 地址。 当应用程序用t c p 传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层 直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信 息( 有时还要增加尾部信息) ，该过程如图l 一7 所示。t c p 传给ip 的数据单元 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章媒体网关的体系结构及相关协议 称作t c p 报文段或简称为t c p 段( t c ps e g m e n t ) 。i p 传给网络接口层的数据单元 称作i p 数据报( i pd a t a g r a m ) 。通过以太网传输的比特流称作帧( f r a m e ) 。图2 5 中帧头和帧尾下面所标注的数字是典型以太网帧首部的字节长度。在后面的章节 中我们将详细讨论这些帧头的具体含义。以太网数据帧的物理特性是其长度必须 在4 6 1 5 0 0 字节之间。更准确地说，图2 - 5 中i p 和网络接口层之间传送的数据单 元应该是分组( p a c k e t ) 。分组既可以是一个i p 数据报，也可以是i p 数据报的一 个片( f r a g m e n t ) 。 以太网 图2 - 6 数据进入协议栈时的封装过程 u d p 数据与t c p 数据基本一致。唯一的不同是u d p 传给i p 的信息单元称作 u d p 数据报( u d pd a t a g r a m ) ，而且u d p 的首部长为8 字节。由于t c p 、u d p 、i c m p 和i g m p 都要向i p 传送数据，因此i p 必须在生成的i p 首部中加入某种标识，以 表明数据属于哪一层。为此，i p 在首部中存入一个长度为8 b i t 的数值，称作协 议域。1 表示为i c m p 协议，2 表示为i g m p 协议，6 表示为t c p 协议，1 7 表示为 u d p 协议。类似地，许多应用程序都可以使用t c p 或u d p 来传送数据。运输层协 议在生成报文首部时要存入一个应用程序的标识符。t c p 和u d p 都用一个1 6 b i t 的端口号来表示不同的应用程序。t c p 和u d p 把源端口号和目的端口号分别存入 报文首部中。网络接口分别要发送和接收i p 、a r p 和r a r p 数据，因此也必须在 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章媒体网关的体系结构及相关协议 以太网的帧首部中加入某种形式的标识，以指明生成数据的网络层协议。为此， 以太网的帧首部也有一个1 6 b i t 的帧类型域。 2 4 两种媒体格式的转换阳1 根据网关原理，i p 网络与p s t n ( 或i s d n 等e 1 时分信号网络，下同) 之间 的媒体流转换格式由网关实现，这是网关的重要功能。网关的硬件接口对应连接 着i p 网络和p s t n ，它们分别面向i p 网络和p s t n 媒体流；而网关软件则负责将 来自i p 网络的数据包重组成p s t n 的复用格式数据，反之亦然。 由于该课题中的时分口可用信道最多为1 2 8 个，在m c c 中将其配置为超级信 道表，在下面的媒体网关工作流程中仅设8 个信道配置作为示例，道理相同。 图2 - 7 非超级信道配置的媒体格式转换流程图 以上流程图画的是非超级信道的流程，超级信道的流程在后面说明。 图2 7 可分解成两部分，初始化后当收到正常中断信息，首先判断该数据包 是来自以太网的i p 包还是p s t n 时分网络的e 1 信号。 在以太网的部分得到的是i p 包。网关与工p 网络的连接建立在u d p 之上，i p 网络端采用r t p 传送，在网关上绑定八个u d p 的协议端口，与h 3 2 3 终端保持点 1 4 南京邮i 乜人学硕 ：研究生学位论义第一二章媒体网关的体系结构及相关协议 到点的数据传送，网关软件中简化了实际较为繁琐的r t p 头格式，仅保留其版本 信息v ( 4 字符) 和包体长度信息l ( 6 字符) 参与程序的运作。来自i p 网络的 数据，以包方式被传送到网关，网关将该包数据的净荷与包头分离，并将净荷放 入指定缓存。该缓存中的净荷的第一个字节与其他7 个缓存( 即来自其他7 个 h 3 2 3 终端) 中的第一个字节被定时取出，构成复用字被发往p s t n 。需要注意的 是，缓冲区中的净荷按照时分信号发送的时候要按照m c c 的配置顺序进行：如果 只是非超级信道的配置，那就是按照时钟周期定时取各个缓存的第一个字节组成 一路e 1 信号发往时分信号网络；如果配置了超级信道( 该课题中的具体配置见 第六章m c c 的初始化超级信道表部分) ，即将几个时隙( 单信道) 组合成一路超 级信道来发送同一数据，比如是总共8 个时隙，其超级信道配置为3 、1 、2 、2 ， 即前三个时隙为第一个超级信道，第四个时隙为第二个( 非) 超级信道，第五和第 六时隙为第三个超级信道，第七和第八时隙为第四个超级信道，那就是按照时 钟周期定时取第一个缓存的前三个字节，第二个缓存的第一个字节，第三个缓存 的前两个字节，第四个缓存的前两个字节构成一路时分信号，最后发往p s t n 等 的时分网络。 p s t n 端采用t c p 的服务器客户端的方法来虚拟环境。网关收到来自p s t n 的数据流时，先完成解复用的工作，将收到的数据按时间顺序分别存入8 个缓存 区，每路数据去不同的h 3 2 3 终端。各缓存内当收到尾信息后，则将该缓存内的 所有数据打包，发往i p 网络。同样的，如果配置了超级信道3 、1 、2 、2 ，就将 收到的数据按照时间顺序，将前三个时隙数据放入第一个缓冲区，第四个时隙放 入第二缓冲区，后面类推。 因此，根据以上例子的超级信道配置流程图经更改后如图2 8 ，其中的k ； 表示第i 个超级信道中包含了k ；个时隙( i = 1 ，2 ，3 ，4 ，) ，按照例子k 。= 3 ， k 产1 ，k 3 = 2 ，k 产2 ： 南京i l l l j t e 人学硕 ：研究生学位论文 第二章媒体网关的体系结构及相关协 义 图2 - 8 超级信道配置的媒体转换流程 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章系统的设计框架和相关芯片介绍 第三章系统模块设计和相关芯片介绍 本课题除选用高性能的通信处理器m p c 8 2 7 0 作为媒体网关处理器外还采用 a t m e g l 2 8 单片机实现对e 1 成帧器收发器m t 9 0 7 5 b 的控制，使m p c 8 2 7 0 专门处 理e l 数据同i p 数据收发与转换，减轻了m p c 8 2 7 0 的负担，提高了它的执行效率。 在参考诚拓公司m p c 8 2 7 0 开发板电路的基础上增加了e l 接口与检测模块， 时钟模块，保留了它的f c c l 作i p 接口，构成了了整个媒体网关的硬件实现电路， 该电路可以兼容相关公开源代码的嵌入式操作系统，并能使用开发板提供的程序 编译和调试系统软件。口 系统框架如图3 1 所示： 图3 1 媒体网关系统结构图 各个模块的功能如下： a ) 电源模块，负责给不同芯片提供符合其需求的电源。 b ) e l 接口模块，接收与发送e l 信号，并连接e 1 数据流到m p c 8 2 7 0 的t d m 接口。 c ) m p c 8 2 7 0 模块，负责e 1 数据同i p 数据的转换( 媒体规程转换) 。 d ) 以太网接口模块，负责以太网物理层数据的发送和接收。 e ) 存