华为软交换SoftX3000体系结构分析
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摘要：本文对SoftX3000的系统结构、工作原理、单板功能、信令流程进行了全面阐述，对软交换与传统交换机的体系结构做了比较，并对各单板之间的通信机制，以及业务单板的信令处理路径进行了深入分析。
中图分类号：R85文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2011.11.004
文章编号：1672-0407(2011）11-012-03收稿日期：2011-09-29
本文对SoftX3000的系统结构、工作原理、单板功能、信令流程进行了全面阐述和深入分析，以期对从事软交换维护的同行有所帮助，起到抛砖引玉的作用。
一、 Softx3000系统结构
（一）硬件构成
SoftX3000硬件体系结构可分为业务处理子系统、维护管理子系统、环境监控子系统三个部分。
业务处理子系统（又称为“主机”或“前台”），是SoftX3000的核心部分，由OSTA机框和连接设备构成，主要完成业务处理、资源管理等功能。
维护管理子系统（又称为“后台”），由BAM、应急工作站、WS、iGWB和连接设备构成，主要完成操作维护、话单管理等功能。
环境监控子系统包括每个业务处理框的电源监控模块、风扇监控模块和每个机柜的配电框监控模块，主要用于保证SoftX3000正常的工作环境。
SoftX3000硬件平台由一个基本机柜和最多4个扩展机柜组成。最少配置时，为一个机柜，由BAM、IGWB和一个0号OSTA机框组成。最大配置时，为5个机柜，共有18个OSTA机框。
在实际应用中，系统的容量由OSTA机框的数量来决定，可根据需要在1到18框之间灵活配置，完全满足平滑扩容的需要。最小配置只需要一个OSTA机框，由FCCU、IFMI、CDBI和MSGI各一对单板构成。每对FCCU的处理能力是400K BHCA。最大配置时，可配置40对FCCU单板，系统的处理能力达16M BHCA。
SoftX3000的物理构成和连接关系结构如图1-1所示。
（二）逻辑结构
SoftX3000硬件逻辑结构由5个模块组成，即接口模块、系统支撑模块、信令底层处理模块、业务处理模块和操作维护模块。
接口模块提供各类物理接口以满足系统组网的需求，包括窄带接口单元E1、接口板EPII；宽带接口单元IP转发板IFMI、IFMI后插接口板BFII和时钟单元CKII。
系统支撑模块实现程序和数据的加载、设备管理和维护及板间通讯等功能，包括系统管理板SMUI、系统管理板后插接口板SIUI、热插拔控制单元HSCI等几个部分。
信令底层处理模块提供信令协议处理功能，包括FCSU的MTP2处理单元、宽带信令协议处理单元BSGI和多媒体信令处理单元MSGI板。
业务处理模块由呼叫控制单元FCCU、呼叫控制及信令处理单元FCSU和数据库单元CDBI构成。
操作维护模块由BAM、WS、iGWB计费网关、LAN Switch和应急工作站等设备构成，负责整个系统的管理、维护以及话单的处理。核心LAN Switch具有实现多框间设备互联的功能。
二、 软交换与传统交换机结构比较
传统交换机由处理机系统、交换网络、用户和中继线接口模块、信令处理模块、操作维护子系统等组成。整个交换机是一个有机的整体，各模块之间用复杂的、结构各异的内部总线连接，模块之间使用内部协议通信。交换机使用复杂的专用操作系统，除了具备呼叫处理功能，还要有强大的自维护功能。整个交换机是一个复杂的多处理机系统。
软交换是以承载网为核心，基于TCP/IP协议通信的分布式交换机。它把一个结构复杂的交换机分解为多个功能独立的部件，部件间以TCP/IP协议通信，简化了设备结构，是一个部件化的通信网络。软交换的基本功能是处理信令协议，强调的是部件间的标准化通信。
软交换的各个部件（如SoftX3000和UMG8900）可以部署在不同的机房或者不同的城市，只要IP网络是通达的。理论上，SoftX3000的两个OSTA机框都可以部署在两地，而不影响软交换的功能。SoftX3000以OSTA机框为基本的管理和运行单元，机框之间用网线连接，以TCP/IP协议通信。只要用PING命令就可检测出机框之间的通信是否正常。SG、SHLR、MRS、UMG等部件的连线也很简单。而传统交换机的机架之间连线很复杂，机架内部的机框之间连线则更复杂。
SoftX3000的所有单板中，除了接口板和ALUI、CKII等硬性单板外，所有的业务单板都配置IP地址，单板之间通过以太网总线进行TCP/IP通信。因此，完全可以用一台功能和性能相同的计算机或服务器代替一块单板、一个OSTA机框、甚至SoftX3000来完成等效的功能。软交换的各部件和SoftX3000各单板之间的通信相当于一个协同工作的计算机网络，每个部件或单板都可以视为一台计算机。事实上，软交换就是在INTERNET的VOIP基础上发展起来的。
三、 SoftX3000内部通信
（一）OSTA机框总线
SoftX3000由一个或多个OSTA机框组成，OSTA机框之间用LAN Switch互连，以TCP/IP协议通信。每个OSTA机框包括了共享资源总线、以太网总线、H.110总线和串口总线四种类型的系统总线，从而实现了单板通信、程序和数据加载、告警上报等SoftX3000的所有功能。如图3-1所示。
共享资源总线的速率是2G bit/s，每个OSTA机框有2条。共享资源总线是SMUI板用于对本框所有可加载单板（IFMI/BSGI/FCCU/FCSU/CDBI/MRCA/MSGI）进行加载、管理和维护的总线。
以太网总线是OSTA机框中的MRCA、FCSU、FCCU、BSGI、MSGI、IFMI、SMUI、CDBI单板之间的业务通信通道，也是与其他OSTA机框之间的业务通信通道。每个机框有2条以太网总线。
H.110总线提供4096时隙的交换能力。H.110总线主要用作框内基准时钟的传输通道，以及完成FCSU主、备板业务倒换的功能。每个机框包括一条H.110总线。
串口总线是SMUI用于对业务处理框内不挂在共享资源总线上的单板进行管理，此类单板包括CKII、EPII、ALUI。串口总线波特率为38.4Kbit/s。
四种总线中，仅以太网总线用于业务、信令数据的传送，其他三种总线用于管理、维护、加载、告警上报和计费数据传送等功能。
（二）单板间通信
每块可加载的单板都分配一个模块号。不同类型的单板，其模块号范围不同，如SMUI单板从2-21，FCCU单板从22-101。BAM的模块号固定为0，IGWB的模块号固定为1。每个模块都被分配两个平面的IP地址172.20.200.模块号、172.30.200.模块号。比如，模块号为22的FCCU的IP地址为172.20.200.22和172.30.200.22，BAM的IP地址为172.20.200.0和172.30.200.0。配置两个网段是为了增加通信的可靠性。单板的IP地址由SMUI根据单板的模块号设定，单板的MAC地址也由SMUI设定，如172.20.200.22的MAC地址为00e0fc:002016。备用侧单板没有IP地址。两机框的单板通信路径为：单板AHSCI板LAN SwitchHSCI板单板B。
各单板间的通信状态，可以用DSP COMM命令进行查询。如命令“DSP COMM: FN=2， SN=6， COMT=CPCI”。
四、SoftX3000的信令处理过程
（一）信令功能
SoftX3000的功能，就是处理各种信令协议。有软交换互通协议SIP、H.323，媒体控制协议H.248、MGCP，以及用SIGTRAN承载的传统信令ISUP、INAP、DSS1、V5等。
SoftX3000的硬件单板类型较少，其中业务单板有IFMI、FCCU/FCSU、CDBI、MSGI、MSGI、MCRA，其余的单板都是为了完成维护管理、加载、告警、接口、时钟、供电和环境监视等辅助功能。
IFMI单板完成一级IP包转发和负荷分担功能，将不同的协议信令转发给MSGI和MSGI单板处理；BSGI和MSGI完成二级信令处理和并分发给FCCU单板；CDBI存储配置数据，用于信令转发时的单板定位； FCCU完成呼叫处理功能，包括呼叫号码和路由分析、计费、信令处理等功能；MCRA是内语音板，独立完成放音功能。
SoftX3000单板协议栈如图4-1所示。
图4-1 SoftX3000单板协议栈
（二）信令处理路径
SoftX3000配置一对或多对IFMI板，每对IFMI配置一个IP地址，代表SoftX3000对外发送和接收信令。接收信令路径为上行路径，为BPII―>IFMI―>BSGI/MSGI―> FCCU/FCSU，发送信令路径为下行路径，为FCCU/FCSU―> BSGI/MSGI―>IFMI―>BPII。
1.M3UA承载的ISUP信令上行路径
（1）IFMI板处理MAC消息后，根据IP协议类型、本地IP地址、本地SCTP端口号、对端IP地址、对端SCTP端口号，通过以太网总线将消息分发到指定的BSGI进行处理。
（2）BSGI进行IP、SCTP和M3UA消息处理后，根据NI、OPC、DPC、CIC分发到负责处理该CIC的FCCU/FCSU板。
2.M3UA承载的ISUP信令下行路径
（1）FCCU/FCSU根据处理M3UA链路的BSGI模块号，通过以太网总线将消息发送到BSGI板进行处理。
（2）BSGI进行M3UA、SCTP消息处理后，根据IP报文的源IP地址确定IFMI板，并通过以太网总线将对应的消息包分发到指定的IFMI板进行处理。
3.H.248/MGCP信令上行路径
（1）IFMI板处理MAC消息后，根据BSGI功能配置和负荷分担的原则，通过以太网总线将消息分发到BSGI进行处理。
（2）BSGI按不同的消息类型，或者根据Transaction ID分发到所属的FCCU/FCSU，或者将消息转发给CDBI，CDBI查询终结点TID归属的FCCU/FCSU模块号并将消息转发给该模块。
4.H.248/MGCP信令下行路径
（1）对于同一个呼叫的第一个消息，FCCU/FCSU会按照负荷分担的原则选择一块BSGI，并会将同一呼叫的后续消息都分发到该BSGI板处理。
（2）BSGI板进行MGCP/H.248编解码和UDP消息处理后，根据UDP包中携带源IP地址与IFMI IP地址进行比较，选择IP地址系统的IFMI板进行分发。
5.SIP信令上行路径
（1） IFMI板处理MAC消息后，判断UDP消息的目的端口。如果目的端口是SIP本地端口，IFMI则根据SIP本地端口与MSGI模块号对应的关系进行消息一级分发。如果目的端口是SIP服务端口，IFMI则依据负荷分担的原将消息分发到任意一块可以处理SIP协议的MSGI。
（2）如果是SIP用户呼叫或非呼叫类型的消息，MSGI向CDBI查询SIP用户标识（用户名或E.164号码）与FCCU/FCSU对应关系，并分发到该FCCU/FCSU。如果是SIP中继呼叫，MSGI根据负荷分担的原则将消息分发到任意一块FCCU/FCSU板处理，并在本板数据库记录Call ID与FCCU/FCSU模块的对应关系，根据Call ID将同一呼叫的后续呼叫消息分发送同一块FCCU/FCSU板。
6.SIP信令下行路径
（1）FCCU/FCSU根据负荷分担的原则将消息分发到可以处理SIP协议的MSGI板，并在本板的数据库上记录对应的MSGI模块号，同一呼叫的其他下发消息将直接按照记录进行下发。
（2）MSGI进行SIP、UDP消息处理，根据需要分发的UDP包的本地IP地址选择适当的IFMI板。
通过分析各种配置数据在单板中的存储情况，可以更好地理解SoftX3000的信令传送路径和处理机制。如N7TG、SIPTG的配置数据存储在所有的FCCU、CDBI、IFMI、MSGI单板内，N7TKC的配置数据存储在所有的FCCU、CDBI、BSGI单板内，M3LNK的配置数据存储在所有的FCCU、BSGI和某一IFMI单板内，VSBR、MSBR、MMTE的配置数据存储在所有的CDBI和某一FCCU单板内。