企业内部IP语音系统的可靠性设计方法
龙夫军 2010/07/28
当企业的语音业务告别传统的电路交换网转向由IP网络承载，其可靠性如何保障？本文重点解析组网级和网络级的可靠性设计方法。
在企业内部IP网络上部署IP语音系统时，不仅需要考虑IP语音系统本身的可靠性，还需要考虑企业内部IP网络可靠性对语音业务可靠性的影响。其原因主要是由于企业内部IP网络的特点和IP语音系统的特点所决定。
1. 企业内部IP网络的特点
运营商级IP网络以及一些重要的行业网络由于业务特性要求本身具有较强的可靠性，例如采用双主控、双备、多链路备份等技术，网络结构呈现为多级网状结构。相反，一般普通的企业内部IP网络，可靠性往往有所不足，除了少量重要节点采用双链路，大多数节点只有单链路，甚至有些远程节点，只有VPN链路。而网络结构基本都是脆弱的树型结构，而非强壮的网状结构。
企业内部IP网络的这种特点，决定了在部署IP语音系统时，必须考虑到当IP网络中断时，IP语音业务如何继续，即需要采取网络级的可靠性措施。
图1. 企业内部IP网络的树形结构
2. IP语音系统的特点
传统语音系统，例如程控交换机，需要配置主控板、信令板、接口板、业务板等板卡，在一台设备上完成信令控制、终端接入等功能，并且信令控制、终端接入无法分开。而IP语音系统与传统语音系统最大的不同就是，能将信令控制、终端接入、智能业务等完全组件化，各组件在IP网络里分布式部署，各组件按照标准协议进行分工协作。
IP语音系统的这种特点，决定在部署IP语音系统时，必须考虑当位于网络核心位置的IP语音服务器出现故障时，如何避免全网的IP语音业务的继续，即需要采取组网级可靠性措施。
图2. SIP协议规定的组件架构
3. IP语音系统的可靠性设计原则
在企业内部IP网络中部署IP语音系统，整网可靠性设计需要符合下面三个原则：
1)设备级可靠性原则：IP语音系统本身是可靠的。
2) 组网级可靠性原则：如果IP语音系统出现故障，其业务能够得到备份。
3)网络级可靠性原则：IP语音系统的可靠性要求，比企业内部IP网络的可靠性要求高。
一、设备级可靠性设计方法
设备级可靠性，通常采用双电源、双主控、硬盘冗余、模块热插拔等技术。传统语音系统和IP语音系统都可以使用这些技术。在本文中不再进行详细阐述。
二、组网级可靠性设计方法
设备级的可靠，也不能避免万一的故障发生，因此，必须采用组网级可靠性技术来解决。主要包括：双机备份、1比N备份等。传统语音系统，由于信令控制和终端接入无法分离，无法使用这些技术。IP语音系统由于其分布式组网机制，先天具有使用组网级可靠性技术的优势。
双机备份：其中一台主用机，一台备用机，当主用机故障，业务自动切换到备用机，而当主用机恢复正常，业务将自动切回。在IP语音网络中，信令控制和智能业务设备都可采用这种技术。双机备份组网，主要用在一些中小型规模的网络，而对于一些大型网络，由于设备数量多，如果要对每台设备配一台备用机的话，将导致组网成本大幅上升。因此，往往推荐采用1比N备份组网。
图3. 双机备份
1比N备份组网：即用1台备用机，备份N台主用机的业务。这种组网，不仅成本低，而且可靠性也相当高。该组网对备用机也没有特别高的性能要求，原因是在N台主用机中，同时出现故障的设备可能只有1台或者几台，出现大面积故障的概率非常低，而N台服务器全部故障的概率几乎为0。
图4. 1比N备份
三、网络级可靠性设计方法
在信令控制设备和终端接入设备都能正常工作时，IP语音系统的可靠性可能遇到的最大的挑战就是当IP网络连接中断时，使得信令控制组件和终端接入组件之间失去联系，导致业务中断。这个问题由网络级可靠性技术来解决。
网络级可靠性技术，包括对网络状态的探测技术、以及根据探测结果，采用适当的可靠性措施，如：本地存活、远端逃生、备份路由等技术。
1. 网络状态探测
在IP语音协议中，采用定时器超时机制，来探测其它IP语音组件的状态。探测机制分为主动式探测和被动式探测两种。在SIP协议中，主动式探测可采用OPTION消息；而被动式探测主要用在REGISTER、INVITE等消息报文。在实际的IP语音网络中，往往是将主动式探测和被动式探测二者结合在一起使用。
图5. 网络状态探测机制
被动式探测效果不是很好。REGISTER周期，如果设置过短，将导致网内出现大量的注册报文，占用带宽，消耗服务器资源，而如果设置过长，将使得检测变得很迟钝，当IP网络出现中断后，较长时间无法发现。而INVITE检测周期，如果设置过短，当网络出现短暂波动，也会导致呼叫无法接通，而如果设置过长，将加大呼叫延迟，直接影响用户体验。
主动式探测在设计时，必须减少网络带宽占用和设备资源占用。OPTION消息报文小，报文交换次数少，设备不做复杂处理，因此是业界主要推荐使用的探测报文。
当然，IP网络设备本身也可以具备探测IP网络连接是否中断的能力。在此不做详述。
2. 企业总部和分支机构本地存活
在企业总部、大型分支机构一般都需要部署信令控制设备和智能业务设备，其本地业务都由本地提供，避免因为IP广域网连接中断后对本地业务的影响。这种组网必然意味着组网成本上升，特别是在分支机构比较多的情况时。为了降低成本，可将多个业务组件集成在一台设备上，如把信令控制、语音邮箱等业务集成在一台设备，对于一些中小型分支机构，甚至可以将信令控制、语音邮箱等组件与语音网关集成在一台设备上。
3. 远程站点逃生
对于远程站点，部署信令控制、语音邮箱等组件的成本相对太高，一般只部署终端接入设备，如IP电话或者IP语音网关。当这些站点的IP广域网连接中断时，其本地业务不可能完全保留，但是必须保证语音基本呼叫，也就是说需要具备话音业务的逃生机制。通常，在远程站点，选择与PSTN连接的中继语音网关，作为逃生网关，保证远程站点的IP电话、IP语音网关、逃生网关之间的语音基本呼叫能够保留。
图6. 远程站点逃生
4. 备份路由
而异地之间的业务，该如何保证？如果企业内部IP网络是其IP语音传输的唯一通道，那么在该网络连接中断期间，异地之间的IP语音业务确实被迫中断。要想解决这个问题，必须借助其它网络的帮助，例如PSTN、INTERNET、卫星网等的帮助。在网络连接中断期间，能够将IP语音业务切换到这些网络上进行承载。
如果各地都有与PSTN连接的语音网关，使用PSTN作为备份连接是一个自然选择。但是，这种备份，所产生的费用比较高。而且语音通过PSTN传输，保密性有所欠缺，对于一些特殊行业而言，更倾向租用卫星网来传输备份语音业务流。但是使用卫星网又存在成本高，语音质量低等问题，因此，使用INTERNET VPN是又一不错的选择。企业可只在当内部IP网络连接中断期间，建立VPN连接，而当网络恢复正常时，关闭VPN连接，以降低INTERNET VPN的使用费。
PSTN备份路由国内PSTN基本上还是电路交换网络，企业语音网与PSTN之间的连接主要是E1中继或者模拟中继，因此，为了满足业务切换需要，必须使用中继语音网关。在切换过程中，需要对媒体流和信令流进行转换。而且本地需要做一次转换，到了异地还需要做一次转换，两次转换，将增加延迟时间，影响语音质量。同时，在业务备份能力上，PSTN只能备份语音和传真业务，而对视频、数据、消息等业务无法做备份。
图7. PSTN备份路由
INTERNET VPN备份路由IP网络设备主动自动选择INTERNET VPN作为备份路由，而IP语音系统不必关心IP网络路径是否发生了切换。在备用通道上传输IP语音报文，不做任何转换，不会因为转换而导致语音质量下降。在业务备份能力上，INTERNET VPN能够备份语音、视频、数据、消息等业务，如果INTERNET VPN的服务器质量能够保证，例如延迟在IP传真许可范围内，那么INTERNET VPN还可备份IP传真业务。
图8. Internet VPN备份路由
卫星网备份路由企业租用卫星网络，其地面设备如果使用电话口（如E&M，FXS/FXO或者E1）与IP语音网关连接，那么这种情况与PSTN备份路由类似。而如果使用的是FE等宽带接口与IP网络连接，这种情况与INTERNET加密VPN备份路由类似。
相比传统的语音系统，IP语音系统，在设备级可靠性方面与前者相当；在组网级可靠性方面，比前者具备优势；而在实现网络级可靠性方面，通过选择较好的备份路由，例如选择INTERNET VPN作为备份路由，IP语音系统的可靠性趋于完美。
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