电话技术与软交换课件_1

IP电话技术与软交换 目录 第一章 IP电话概述 第二章 IP电话技术基础 第三章 语音处理技术 第四章 基于H.323协议的IP电话技术 第五章 基于SIP的IP电话技术 第六章 IP电话的服务质量 第七章 ATM语音技术 第八章 采用分离网关的IP电话系统和软交换体系结构 第九章 媒体网关控制协议H.248 第十章 信令传输协议(SIGTRAN) 第一章 IP电话概述 本章主要介绍了IP电话的定义和IP电话业务 的几种类型，IP电话网的结构，IP电话通信 的一般过程，IP电话的关键技术。对IP电话 与传统电话的特性进行了比较，说明了选 择因特网传送语音业务的原因。最后介绍 了ITU T和IETF关于IP电话的相关协议和 我国国内标准化组织关于IP电话的标准。 1.1 IP电话网的结构和处理过程 1.1.1 IP电话的定义： IP电话是在IP网上传送的具有一定质量的语音业务。它 采用的技术统称VolP(Voice over IP)，即在IP网上传送语 音。由于计算机网络采用的是分组交换技术，其传送的数 据单元都是由控制部分和数据部分封装而成的独立的数据 包，通常称之为“分组” (Packet) ，因此从更一般的意义 上来说，IP电话是采用分组技术传送的语音业务。用分组 网络传输语音主要有三种方式：帧中继语音技术、ATM语 音技术和IP语音技术，其中IP语音技术应用得最为广泛。 1.1.2 IP电话的业务类型 1. PC到PC PC到PC是指利用PC机到PC机在IP网上通话，它是IP 电话的最初模型。其实现方式是用户首先与IP网实现连接 ，打开IP电话客户端应用软件，然后按照提示选择被叫用 户或被叫用户的IP地址，接通后，双方开始通话。语音信 号在发话端的PC机上进行压缩后经IP网络传送到被叫方的 PC机上，被叫方PC机对语音包进行解压缩，完成语音信 号的恢复。如图1.1.1所示。 图1.1.1 PC到PC 2. PC到电话 PC到电话实现的基本原理为：用户首先打开客户端软 件，输入被叫号码，客户端软件根据号码查找相应的网关 ，然后再由网关向被叫用户发起呼叫，被叫摘机后双方进 入通话状态。如图1.1.2所示。 图1.1.2 PC到电话 3. 电话到电话 电话到电话是指电话网中的一台普通电话机经过IP网与 电话网中另一台普通电话机通话。由于电话机是直接与电 话网连接的，要将语音信号转移到IP网上进行传输，必须 在两种机制的网络之间安装转换设备，这种设备即为IP电 话网关，如图1.1.3所示。这种通过Internet网从普通电话到 普通电话的通话方式就是人们通常讲的IP电话，也是目前 发展得最快而且最有商用化前途的电话 图1.1.3 电话到电话 4. 电话到PC 电话到PC是指电话用户拨网关的号码，接入到网关设备 ，经过网关接入被叫PC，这时需要解决PC的E.164电话号 码的分配。从目前的使用情况看，电话到电话和PC到电话 的应用比较多。 1.1.3 IP电话网的结构 IP电话网的基本组成框图如图1.1.4所示。由图可见， IP电话网由网关、网守等设备组成。 网关是IP电话网的接入设备，位于电话交换网与IP网之 间，是电话交换网的终结点，也是IP（分组）交换网的起 始点，为用户提供IP电话业务，完成信令转换及媒体转换 。 网守是IP电话网的管理设备，它提供地址解析、接入认 证、带宽管理和资源管理等功能。 图1.1.4 IP电话网的结构 1.1.4 IP电话通信的一般过程 1. 用户使用IP电话通信的过程 2. IP电话通信的呼叫建立的一般处理过程 3. IP语音分组的基本处理过程 图1.1.5 IP语音分组的基本处理过程 1.2 IP电话的关键技术 1.2.1 语音处理技术 低比特率语音编码 静音检测 分组丢失补偿 回波抵消 处理语音时延抖动的技术 图1.2.1 回波产生机理 1.2.2 IP语音通信协议 语音通信控制协议（H.323 、SIP） 语音信息传送协议 实时控制协议 1.2.3 安全技术 IP电话系统的安全性包括以下几个方面：身份认证 (Authentication)，授权(Authorization)，加密，不可抵赖 性保护核数据完整性。 1.2.4 服务质量保障技术 采用RSVP，DiffServ，MPLS，RTCP等技术 1.3 IP电话与传统电话的比较 1.3.1 传统电话 历史最为悠久、目前得到广泛应用的固定电话网和移 动电话网采用的是电路交换技术。电路交换方式的基本特 征是将电路作为传输、复用和交换的基本单位。所谓电路 ，在采用同步时分复用方式的线路上指的是具有固定比特 率的一个时隙。 在基于电路交换方式的通信网中采用同步时分复用方式。 在这种方式下，首先将时间划分为等长的基本时间单位， 一般称之为帧。每个帧再细分为时隙，时隙一般是等长的 。时隙可以依其在帧中的不同位置予以编号。 这些数字子信道是靠其在时间轴上的时间位置来识别的。 图1.3.1示意性地表示了同步时分复用中的帧和隙。 图1.3.1 同步时分复用 中的帧和时隙 在传统的电话通信中，一次通信包括三个过程：建立电路、通话 和释放电路，其中电路的建立和释放需要信令的支持。它的基本特点 是为通话双方固定地分配一条具有固定带宽的通信子信道，在数字电 话网中通信子信道的带宽为64kbit/s。在采用电路交换方式时，一旦建 立连接，在整个通信期间，该连接始终占用某一时隙，即使用户没有 信息要传递，该时隙也不能用于其他的通信。 1.3.2 IP电话 IP电话是在因特网上采用以IP包（分组）为单位的包交换方式传送 的语音业务，采用分组交换技术。 1.分组交换（Packet Switching）是利用存储转发的方式进行交 换的。分组交换机首先将从终端设备送来的数据报文接收、存储，而 后将报文划分为一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。 在每个分组中都有一个310个字节的分组头，在分组头中包含有分 组的地址和控制信息，以控制分组信息的传输和交换。 分组交换有虚电路（面向连接）和数据报（无连接）两种方式。 2. 因特网的数据传输特性 无连接的计算机网络 Best Effort 传输迟延的不确定性 l 3 选择因特网传输语音的原因 l 多媒体业务的集成 l 信道利用率 l 有利于NGN的发展 l 智能的集成 l 新的市场 l 语音通信的容错能力 1.4 国际和国内IP电话的标准 1.4.1 国际标准化 组织及标准的发 展 ITU-T(国际电信 联盟电信标准局) 协议 协议 名 H.323v1用于Qos无保证的LAN上的可视电话 系统和设备 H.323v2基于分组的多媒体通信系统 H.323v3基于分组的多媒体通信系统 H.323v4基于分组的多媒体通信系统 H.225.0分组多媒体通信系统的呼叫信令协议 和媒体流分组化 H.245多媒体通信的控制协议 H.235H系列（H.323和其他基于H.245的）多媒体终端的安全和保密 H.450.1支持H.323补充业务 的通用功能协议 H.450.2-XH.323各类补 充业务 H.332关于松弛耦合会议的H.323扩展 H.248媒体网关（MG）和媒体网关控制器（MGC）之间的通信协议 G.711语音频率的脉冲编码调 制 G.723.1多媒体通信5.3/6.3?kbit/s双速率语音编码 器 G.728采用低时延码激励线性预测 的16?kbit/s语音编码 G.729采用共轭结 构代数码激励的8?kbit/s语音编码 G.729.Annex A低复杂CSACELP?8?kbit/s语音编码 T.37IP网络端点间存储转发 方式的传真通信 T.38IP网络端点间实时 三类传 真通信过程 表1.4.1 ITUT关于IP电话的协议 IETF(Internet工程任务组) 协议 协议 文件 协议 名 SIPRFC2543会话初始协议 SDPRFC2327会话描述协议 RTPRFC1889实时传 送协议 RTSPRFC2326实时流协议 PINT Internet draft RINT服务协议 RADIU S RFC2138/RFC2 139 拨号用户远程权服务协议 /RADIUS 计费协议 MGCP Internet draft 媒体网关控制协议 SCTPRFC2960流控制传输协议 表1.4.2 IETF开发的主要协议 1.4.2 国内标准化组织关于IP电话的标准 IP电话在我国已经取得了迅速的发展。为了适应我国IP电话的迅 速发展，在国内主要IP业务设备制造商和科研部门的提议下，信息产 业部IP标准研究组作为国内第一家协调和制定IP技术相关标准的标准 化组织于1999年成立。IP标准研究组制定了一整套完整的IP电话标准 。它们包括：“IP电话传真业务总体技术要求”，“IP电话网关设备技 术规范”，“IP电话网关设备测试方法”，“IP电话网关设备互通技术规范 ”，“IP电话网守设备技术要求和测试方法”，“IP电话/传真业务总体技 术要求（第二阶段）”，“No.7信令与IP的信令网关设备技术规范”，“ 流控制传送协议（SCTP）”，“No.7信令与IP互通适配层技术规范 消息传递部分（MTP）第三级用户适配层（M3UA）”，“No.7信令 与IP互通适配层技术规范消息传递部分（MTP）第二级对等适配 层（M2PA）”等。另外还有一些配套的标准正在制定中。 在本书的第2章将介绍RTP协议；在第3章将介绍有关语音编码标 准，在第4章将介绍H.225.0协议和H.245协议；在第5章将介绍SIP协 议和SDP协议；在第9章将介绍H.248协议。在第10章将介绍SCTP协 议和M3UA协议。 第2章 IP电话技术基础 本章首先介绍了计算机网络协议的概念 及开放系统相互通信的过程，然后介绍 TCP/IP协议栈的结构，详细说明了IP协议 的功能和IP路由选择过程，Internet传输层 的几个协议，TCP协议和UDP协议的功能 ，以及TCP连接建立和释放的过程。最后 介绍了实时传输协议RTP。 2.1 计算机网络协议结构 2.1.1 分层协议概念 计算机网络是一种非常复杂的系统，其中既涉及通信技术又涉及 计算机技术；在通信技术中涉及不同的分组交换技术，在计算机技术 中涉及异种机器、异种操作系统。计算机网络既要保证不同通信技术 和不同计算机系统之间的互通，又要保证这种互通的可靠性和效率。 总之，计算机网络要解决的问题纷繁复杂。为了对问题进行简化，人 们利用“分而治之”的思想，对计算机网络进行模块划分，保证一次只 处理一个模块。这就为网络协议的设计和实现提供了极大的方便。按 照层次结构思想，对计算机网络的模块化结果是一组从上到下单向依 赖的协议族，又叫协议栈(Potocol Stack)。协议栈这一术语非常准确 地表达了各层协议之间的关系。 2.1.2 协议包含的主要内容 消息类型和格式、编码； 各种操作对应的消息收发顺序； 收到消息后节点应采取的动作； 相邻层之间的层间原语类型和参数。 2.1.3 OSI参考模型简介 图2.1.1 OSI参考模型 OSI中各层的基本功能 (1) 物理层 物理层是最低的一层，它和物理传输媒介有直接的关系，它定义了设 备之间的物理接口，为它的上一层(数据链路层)提供一个物理连接， 以便透明地传送比特流。在物理层上传送数据的单位是比特(bit)。 (2) 数据链路层 数据链路层的功能是负责在两个相邻节点的线路上以帧为单位的可靠 传输。数据链路层将物理层上透明传送的比特流划分为数据帧，并对 每个数据帧进行差错检测及差错校正，并提供流量控制功能。 (3) 网络层 网络层提供系统之间的连接，它负责将两个终端系统经过网络中的节 点用数据链路连接起来，实现两个终端系统之间数据帧的透明传输。 网络层的主要功能是寻址和路由选择。 (4) 传输层 传输层可以看作是用户和网络之间的接口，它利用低三层提供的网络 服务并向高层提供端到端的透明数据传送，它根据发端和终端的地址 定义一个跨过网络的逻辑连接，定义主机中的端口地址，并完成端到 端(而不是第二层处理的一段数据链路)的差错控制和流量控制功能。 (5) 会话层 会话层的作用是协调两端用户(通信进程)之间的对话过程。例如，确 定数据交换操作方式(全双工、半双工或单工)，确定会话连接故障中 断后对话从何处开始恢复等。 (6) 表示层 表示层负责定义信息的表示方法。表示层将欲交换的数据从适合于某 一用户的抽象语法变换为适合于OSI系统内部使用的传送语言。表示 层的典型服务有：数据翻译(信息编码、加密和解密)、格式化(数据格 式的修改及文本压缩)和语法选择(语法的定义及不同语言之间的翻译 )等。 (7) 应用层 应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要，负责用户信息的 语义表示，并在两个通信进程之间进行语义匹配。 以上7层功能按其特点又可分为低层功能和高层功能，低层包括1 3层的全部功能，其目的是保证系统之间跨过网络的可靠信息传送 ；高层包括47层的功能，是面向应用的信息处理和通信功能。 2.1.4 开放系统相互通信的过程 图2.1.2 开放系统互连环境中的通信过程 当发送进程有一组数据要送给接收进程时，它将这组数据送给应 用层实体；应用层在数据上加上一个控制头7H，7H中包括应用层的 同层协议所需的控制信息，然后应用层将7H和数据一起送往表示层； 表示层将7H和数据一起看作是上一层的数据单元，然后加上本层的控 制信息，交给会话层；依此类推。不过数据到了第二层(数据链 路层)后，控制信息分成两部分，分别加到上层数据单元的头部和尾 部形成本层的数据单元送往物理层，由于物理层是比特流的传送，所 以不再加上控制信息。 当这一串比特流经网络的物理媒体传送到目的站时，就从物理层 依次上升到应用层。每一层根据本层的控制信息进行必要的操作，然 后将控制信息剥去，将剩下的数据部分上交给更高的一层。最后，把 发送进程发送的数据交给目的站的接收进程。 在协议术语中，从上层接收到的数据体称为服务数据单元(SDU： Service Data Unit)，加上本层头部后成为本层的协议数据单元 (PDU:Protocol Data Unit)。在不同的协议栈和不同协议层中，协议数 据单元可有不同的名称，如帧、分组、段、报文等，数据体也可称为 净荷(Payload)或用户数据。有时，两个终端系统之间的通信可能经过 一个或多个中间节点转接，这些中间节点叫作中继系统，它具有13 层的功能。每当数据传送到中继节点时，就从该节点的物理层上升到 网络层，完成路由选择后，再回到物理层传送到下一个节点，最后传 到终端系统，从物理层上升到应用层后到达应用进程。经过一个或多 个中间节点转接的过程如图2.1.3所示。 图2.1.3 经过一个或多个中间节点转接的过程 说明一点，在分层协议结构中，相邻层间的接口点称为服务接入 点(SAP：Service Aceess Point)。一般说来，每层协议可为上一 层多个协议实体提供服务，每个协议实体代表一类协议功能，例 如在应用层可对应为多种不同的应用。因此，每层可有多个SAP ，每个SAP有其对应的地址。这样从协议的角度看，每个物理节 点可视作多个逻辑节点，至该节点的连接实际上可为一个多重连 接。SAP的概念示于图2.1.4。 图2.1.4 SAP的概念 2.2 因特网协议结构 2.2.1 TCPIP的技术思想 2.2.2 TCPIP协议栈结构 图2.2.1 TCPIP的网络体系结构 TCPIP模型由四个层次组成： 1. 应用层 2. 传输层 3.网络层 4.网络嵌入层 5 应 用 层 4 传 输 层 3 网 络 层 2 数 据 链 路 层 1 物 理 层 图2.2.2 计算机网络的5层模型 2.3 IP协议 TCPIP网络层协议的核心是IP(Internet Protocol)协议，又叫网间网协议或网际协议。在 计算机网络通信过程中，IP层协议起着核心的作 用：其一，提供无连接的数据报传输机制，虽然 不能保证传输的可靠性却简单有效；其二，利用 IP地址和IP数据报将各种物理网络技术统一起来 ，达到屏蔽低层细节，向上提供一致性的目的。 IP层协议的主要功能是IP数据报传送及在网间的 路由选择，即IP路由选择。另外，与IP相关的协 议和内容有IP地址、地址解析、差错控制协议和 路由选择协议等。 2.3.1 IP数据报头部的格式 图2.3.1 IP数据报的格式 图2.3.2 服务类型字段格式 2.3.2 IP地址 1. IP地址的概念 从概念上来说，地址是系统中某个对象的标识符。在物理网络 中，各站点都有一个机器可以识别的地址，该地址称为物理地址（ 也叫硬件地址或MAC地址）。在互联网中，统一通过上层软件（ IP层）提供一种通用的地址格式，在统一管理下进行分配，确保一 个地址对应一台主机；这样，全网的物理地址差异就被IP层屏蔽， 一般将IP层所用的地址称为互联网地址，或IP地址。它包含在IP数 据报的头部。 IP地址指定的不是一台计算机，而是该计算机到IP 网络的一条连接。 2. IP地址的格式 图2.3.3 IP地址的格式 3. 子网（Subnet）编码 分类地址存在缺陷。 子网划分技术：是指将较大的分类地址（A/B 类）空间划分成多 个小的子网。 子网掩码（32 位）定义地址中网络前缀所占的比特数，高位对 应于网络号的比特为1，对应于主机号的比特为0。例如：任意B类网 络189.23.0.0，其掩码为：0xFFFF0000（可表示为255.255.0.0）。 在网络地址后给出子网掩码中1的位数，如网络189.23.0.0可表示为 ：189.23.0.0/16。 4. 超网 图2.3.4 包含2048个地址的地址范围 2.3.3 域名系统 在采用TCP/IP协议的 因特网中，所实现的层次 型名字管理机制叫做域名 系统。 为保证域名系统在全 球的通用性，国际因特网 规定了一组正式的通用标 准标号，作为第一级域的 域名，如表2.3.1所示。 域名 域 COM 商业组织 EDU教育机构 GOV政府部门 MIL军事部门 NET 主要网络支 持中心 ORG其他组织 ARPA 临时的 ARPANET 域 INT国际组织 Country code 国家(地理 模式) 表2.3.1 第一级域的域名 2.3.4 逻辑地址和物理地址 每个节点的IP地址是该节点的逻辑地址，IP地址是由IP网络层处 理的地址。而物理地址是每个节点硬件编码到网卡里的唯一标识，通 常叫MAC地址。 2.3.5 地址解析协议(ARP) 如果同一网络上的两台主机想要通信，它们还必须知道对方的硬 件地址(MAC或网卡地址)，这样才能使用数据链路层协议将数据包放 到帧里，在局部的物理介质上传输。但是，TCPIP应用程序在指定 目的主机时通常使用逻辑的IP地址，而不是物理的硬件地址。这样， 为了让TCP/IP应用可以使用下层的数据链路层协议，必须有一个过程 让发送主机能够获得与目的主机的IP地址相对应的硬件地址。 地址解析协议(ARP)使主机能够动态地获得远端主机硬件地址与IP 地址的映射。ARP假设每台主机知道它自己的硬件地址和IP地址。这 样，如果一台主机需要知道另一台主机的硬件地址，它简单地向网络 上的所有主机广播一帧包含目的主机IP地址的ARP请求。目的主机接 收到广播后，识别自己的IP地址，并且向源主机单点发送一帧ARP响 应，将目的主机的硬件地址告诉源主机。当发出请求的主机收到目的 主机的ARP响应后，它在自己的ARP缓存中存储这个硬件地址到IP地 址的映射。ARP缓存的使用避免了主机将来与该目的主机通信时另外 的ARP请求。 2.3.6 IP路由选择 1. IP路由选择算法 算法： RouteDatagram(Datagram，RoutingTable) 从数据报中提取目的IP地址D，并计算网络前缀N； if N与任何直接相连的网络的地址匹配 then通过该 网络把数据报交付到目的地D(其中涉及到把D转换 成一个物理地址，封装数据报并发送该帧 ) else if表中包含特定于具体主机的一个到D的路由 then把数据报发 送到表中指定的下一跳 else if表中包含到网络N的一个路由 then把数据报发 送到表中指定的下一跳 else if表中包含一个默认路由 then把数据报发 送到表中指定的默认路由器 else宣布选路出错； 图2.3.5 IP路由选择的算法 2路由表 - - - - - IP Routing Table- - - - - Total Routes9，Total Direct Networks2 Destination Next Router Hops Time Source 128.2.0.0 Conneccted 0 128.3.0.0 Conneccted 0 129.1.0.0 128.2.0.2 1 160 RIP 129.2.0.0 128.2.0.2 3 160 RIP 140.2.0.0 128.2.0.2 2 160 RIP 152.6.0.0 128.3.0.2 4 145 RIP 161.7.0.0 128.3.0.2 1 145 RIP 164.1.0.0 128.3.0.2 3 145 RIP 190.1.0.0 128.3.0.2 2 145 RIP 图2.3.6 一个典型的用RIP创建的路由表 3. IP路由选择示例 图2.3.7 数据报转发示例的拓扑结构 2.4 TCP协议和UDP协议 2.3.7 IP路由协议 1. 路由选择协议的基本概念 2. 开放式最短路径优先协议(OSPF) 3. 边界网关协议(BGP.4) 2.4.1 传输层地址 传输协议在计算机之间提供端到端的通信。Internet传输层有三个 传输协议，分别是传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP和流控制 传送协议SCTP。 在IP网络中，一个完整的进程通信地址由以下几个部分组成：协 议、本机地址、本地端口、远端地址、远地端口。 在TCP/UDP中，端口号用16位二进制数表示。TCP和UDP均允许 长达16比特的端口值，TCP和UDP分别可以提供2 16 个不同的端 口。 TCP/IP将端口分为保留端口和自由端口两部分，每1个标准的服 务器都有一个全局公认的保留端口号，自由端口号动态分配。 2.4.2 传输控制协议(TCP) 1. TCP的主要功能： 传输控制协议(TCP)可以向其上各层提供可靠的、基于流的连接。 TCP协议承载于IP协议之上，是TCPIP协议的重要组成部分。下面 简要说明TCP协议的主要特点： 流：TCP数据组织成字节流，操作流如同操作一个文件。 可靠分发：在收发数据时TCP为数据流提供序列号。这样TCP可以根 据序列号的连续性确定数据包是否丢失。另外TCP提供重传机制，保 证数据流的可靠传送。 动态适应网络：TCP动态学习网络时延特性，随时调整发送速率，以 保证吞吐量最大并且网络不过载。 流量控制：TCP管理数据缓存及相关流量，使数据缓