（交通信息工程及控制专业论文）基于Skype的VOIP网关研究与实现.pdf

摘要 随着宽带网络技术日新月异的发展，i p 网络中传输的信息已由单纯的文本数据演变 到多媒体信息( 如语音、视频等) ，v o i p 成为一种价格低廉的通信方式，凭借相对于传统 的电路交换网络的价格低廉独特优势，成为下一代网络( n g n ) 的发展目标之一。本文重 点研究基于s k y p e 的v o i p 网关设计与实现，基于对国内外v o i p 的发展动向的综合分 析和对s k y p e 软件的基本原理及性能的研究，提出了一种基于s k y p e 的v o i p 网关系统 设计方案，在保持原有电话系统布局不变的情况下降低了传统p s t n 电话系统费用特别 是国际长途费用资费问题和解决异地企业分支构建内部电话网络的复杂性。 论文首先分析了v o i p 的相关技术和s k y p e 网络电话软件的工作原理及性能以及电 话语音卡的基本原理，给出了对系统的整体设计方案。在此基础上通过分析系统各模块 的设计原理，给出了各模块的具体实现方法，设计和实现了交互模块、语音卡控制栈、 s k y p e 控制栈、语音流控制模块、以及系统的业务逻辑流程等模块，从而完成了基于s k y p e 的v o i p 网关系统设计。 实验和分析表明，设计完成的基于s k y p e 的v o i p 网关系统能较好的达到项目设计 要求。本研究成果已经在一些中小企业得到初步应用，具有一定的推广潜力。 关键词：v o i p ，s k y p e ，p s t n ，电话语音卡 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb r o a d b a n dn e t w o r k t e c h n o l o g y ； i pn e t w o r ki n f o n n a t i o n t r a n s m i s s i o nh a se v o l v e df r o mt h es i m p l et e x td a t at ot h em u l t i m e d i ai n f 0 珊a t i o n ( s u c ha s v o i c e ，v j d e o ，e t c ) ，v o i ph a sb e c o m eac h e a pm e a n so fc o m m u n i c a t i o n w i t ht h ea d v a n t a g e o f l o w c o s tc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lc i r c u i t - s w i t c h e dn e t w o r k ，v o i pw i l lb e c o m e0 n eo ft h e g o a l sf b rt h ed e v e l o p m e n to ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) t h et h e s i sf b c u s e so nt h e r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o nf b r t h e g a t e w a y o fv o i pb a s e do n s k y p e w i t ht h e c o m p r e h e n s i v et r e n da n a l y s i so ft h ev o i p sd e v e l o p m e n ta th o m ea i l da b r o a da 1 1 dt h er e s e a r c h o ft h es k y p e sb a s i cp “n c i p l e sa n dp r o p e n i e s ，as k y p e b a s e dv o i pg a t e w a ys y s t e mh a sb e e n p u tf b r 、a r d ，w h i c hh a sl o w e rc o s tt h a nt h et r a d i t i o n a lp s t nt e l e p h o n es y s t e m ，e s p e c i a l l yt h e c o s to fl o n gi n t e m a t i o n a ld i s t a n c e ，a n dh a ss o l v e dt h ec o m p l e x i t yo fi n t e m a lt e l e p h o n e n e m o r k sc o n s t n l c t i o n i nt h i sp a p e r ，t h er e l e v a n tt e c h n o l o g yo fv o i p ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs k y p ei n t e m e t t e l e p h o n ea n dt h eb a s i cp “n c i p l eo ft e l e p h o n ec a r d sa r ea n a l y z e df i r s t l y ；a n dt h e nt h eo v e r a u d e s i g no ft h i sp r o g r a mi sp r o p o s e d b a s e do nt h i s ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s0 ft h ed e s i g n i n g p r i n c i p l e so fe a c hm o d u l e ，w ec a nd e r i v eh o w e a c hm o d u l ei sr e a l i z e di nac o n c r e t em a n n e r a n dd e v i s es u c hm o d u l e sa st h em o d u l eo fu s e ri n t e r f a c e ，t h es t a c ko fc o n t r o l i n gt h et e l e p h o n y c a r d s ，t h es t a c ko fc o n t r o l j n gt h es k y p e ，t h em o d u l eo fv o i c es t r e a m sa n dt h em o d u l eo f b u i s s n e s sl o g i cp r o c e s s ，t h e r e b yt h ed e s i g no ft h eg a t e w a yb a s e do nt h es k y p ei sc o m p l e t e d f i n a u y ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h ed e s i g no ft h es k y p e - b a s e d1 v b i pg a t e w a y s y s t e mm e e tt h ep r o j e c t sr e q u i r e m e n t sb e t t e r t h er e s u l t sh a v eb e e ni n i t i a l l ya p p l i e di na n u m b e ro fs m a ua n dm e d i u me n t e 叩r i s e s ，w h i c hh a sg r e a tp o t e n t i a lp r o m o t i o n l 沁yw o r d s ：、内l p ，s k y p e ，p s t n ，1 e l e p h o n yc a r d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：吾答导辛 扣7 年6 局 b 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：敬等车 导师签名：易砺钐 少吵年6 月夕曰 1 祝，年6 其夕 长安大学硕卜学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论弗一早 三百比 随着因特网技术的发展和普及，v 0 i p ( v o i c eo v e rl p 即i p 电话) 技术日趋成熟，语音 质量达到传统通讯方法的效果。基于数据通信网，使用压缩技术，降低国际和国内长途 电话费用，实现点对点免费通话，沟通无限，已经是未来发展的一个方向。随着n g n 讨论和实践的深入以及我国3 g 牌照的发放，越来越多的电信运营商开始意识并逐步认 识到电信业长期以来对v o i p 技术的观念的完整性和革命性认识不够，对v o i p 向电信 转型的意义和战略重要性了解不够。同时，电信运营商内部也存在着各种如传统体制、 机制、观念、文化上等方面的巨大惰性。这些方面反映电信运营商对未来的危机意识和 忧患意识认识不够，对转型的战略重要性还没有深刻的体会。另一方面，也说明，我国 电信级市场的改革开放步伐还不够快，还未能充分利用新技术带来的不断增强的市场竞 争压力。这其中，包括我们长期以来对v o i p 应用在电信n g n 演进中的积极意义的重 视、认识和分析不足i 。 然而，v o i p 的本质是将实时的语音通信处理为分组数据网络上的一个应用，以i p 电话为主并推出相应的增值业务的技术，也就是将原为模拟的声音讯号以“数据封包”的 型式在i p 数据网络上做实时传趔2 1 。 v o i p 的广泛使用和发展进一步推动n g n 技术的全面进步和发展，只有v o i p 实现 应用大规模普及和商用成功，n g n 融合公共话音、视频和数据类应用的理想才有希望 真正达到。毫无疑问，v o i p 本身在满足电信n g n 的要求和愿望方面还面临许多方面的 挑战，我们只有在完整理解和全面探索v o i p 技术特征的基础上，采用新的观念来逐步 解决新的问题。 v o i p 网关是实现v o i p 的关键。网关是专门完成转换功能的产品，用来把话音信 号从分组( 或i p ) 形式转换成p s t n 使用的形式或进行相反的转换。在i p 通讯的定义中， 网关是一道连结传统电信路和数据的桥梁。简单来说，网关适配器把电话讯号数字话压 缩，再加以封包，然后透过i n t e m e tp r o t o c 0 1 ( i p ) 以不同路径送出。相反地，接收端的网 关适配器把各个包加以收集并解压缩，然后以模拟的形态送到电话机。由于i n t e m e t 网 络传输语音成本低，对于频繁使用长途电话的企业，不按时间或次数收费，每月只是固 定的1 1 1 t e m e t 使用费，可以为企业减少大量的固定i d d 长途电话费用，并且v o i p 网关 第一章绪论 适配器与普通电话相连，不会影响原有的电话系统。 正是由于v o i p 在电信n g n 演进中的积极意义，近年来，我们看到全球各地都很 重视v o i p ，无论是新型业务提供商还是传统电信运营商都在积极探索v o i p 所带来的 新的应用和新的业务形式。相比之下，我国除了在i p 电话方面有大规模的商用实践， 对新型的v o i p 技术发展和新型的宽带电话商用实践所采取的策略过于慎重和保守，因 此对于v o l p 网关技术的研究和应用对n g n 的演进有着十分重要的作用和意义。 1 2v o i p 发展现状 v o i p 技术，是一种基于口( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 协议，利用i i l t e m e t 来实现数据传输来 实现p c 机与p c 机之间、p s t n 电话与p s t n 电话、p c 机与p c 电话之间进行语音通信 的技术i3 1 。其基本原理是：首先把语音数据通过压缩算法对语音数据进行压缩编码处理， 然后把编码的语音数据打包成相应的网络数据包，经过i p 网络把封装好的数据包发至 远端的接收机，然后把收到的数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成发送时的语 音信号，从而达到由因特网传输语音的目的【4 1 。然而，v o 口技术又不仅仅在i p 电话业 务上有很广的应用，而且它能将基于、b 的新业务和传统电话智能网业务的优势结合 起来，提供许多创新的综合业务和功能，方便了人们的应用，开拓更为广阔的市场空间。 v o i p 可以用于许多领域，例如：电信级i n t e m e t 电话系统、i n t e m e t 传真业务、i n t e m e t 可视电话会议系统、i i l t e m e t 呼叫中心、内部网和企业网i p 电话等。随着v o i p 技术和 标准的不断成熟，它可望成为下一代电信基础设施结构的核心，使未来各电信业务统一 到i p 网络上。并且，i p 电话将逐步取代传统电话，最终完全i p 化，发展和完善v o i p 技术以全面取代p s t n 正成为当前的一个研究热点。 v o i p 技术的发展经历了三个阶段： 第一阶段：1 9 9 6 年到1 9 9 9 年。这一阶段v o i p 的主要特点为：在企业级网络和因 特网上小规模的提供不保证服务质量的语音通信；信令控制协议主要是h 3 2 3 ，m g c p ： 单g k ，单m g c p 等等的小业务系统；与电信网互不相同，当然介于用户电信网可以通 过企业小网关的方法和不具有电信运营的o s s ；还没有商业运营模式；主要是网络拨号 入方式接入，由于窄带带宽的条件限制了编码方式的应用，大都采用了q 7 2 9 和g 7 2 3 等带编码方式，所以语音质量不是很副5 1 。 第二阶段：1 9 9 9 年到现在。这一阶段的主要特点为：构建大规模商用的v o i p 长途 业务网，为公众提供具有一定语音服务质量保证的长途语音通信业务；业务技术体系主 2 长安大学硕七学位论文 要是2 3 + h 2 4 8 ，m g c p 或s i p ，对于比较小的运营商采用私有业务技术体系，传输协议 主要是采用私有协议；多组g k 多管理域组网解决了业务大网组网问题；特别建设的专 用虚拟网( 承载v p n ) 解决了v o i p 长途语音业务网的服务质量问题【6 】；较完善的o s s 保证了对长途电话语音基本业务和部分增值业务的运行；具有电信运营模式；宽带用户 是主要的网络运行环境，用户网络带宽大部分在6 4 kb i t s ，因此可采用多种选择的的语 音编码方式，质量最高的g 7 1 1 语音编码方式最多的选择，或是6 眦+ g 7 1 1 等相关技术 的宽带编码方式。这使得v o i p 的语音质量已经和普通的长途电话语音水平相近，已经 可以基本上满足普通用户的需求1 7 】i 引。 第三阶段：从现在开始是v o i p 发展的第三阶段，目标是向下一代网络n g n ( n e x t g e n e r a t i o nn e 似o r k ) 演进。其主要特点为：把v o i p 网关向末端延伸，l p 到末端提供有 q o s 保证的通信业务，丰富的语音增值业务得到广泛的应用；媒体传送方式已经发生了 很大的变化，多媒体通信发展将成为主要的发展方向；结合固定通信业务与移动通信业 务；结合电信业务和互联网业务；解决组建下一代网络中大网问题，解决各种网络间互 联互通互操作等问题；解决下一代网内媒体信号处理问题；新的业务网络具有强大的 o s s ：可监管，可合法监听，具有良好的商业运营模【引。 今年来，v o i p 技术的发展得到快速的发展，基于h 3 2 3 的v o i p 网络在亚洲得到 广泛的应用，而基于s i p 协议的v o i p 网络【1 0 】【1 l 】在北美使用非常广泛。但都还处在发展 的初期阶段，还需要技术的不断进步，并提供全方位、各层次、多种类的v o i p 产品，一， 就象无线通信一样。当前已经有很多厂家提供了v o i p 终端产品，有基于h 3 2 3 协议的， 有基于s i p 协议的，有p c 上的纯软件终端，有p c 上的u s b 接口的终端，有移动终端 等等【1 2 1 。 近年来，发展势头最为强劲的是s i p 协议，也获得了来自各方面的最多的支持。 m i c r o s o f t 已公开宣布将在w i n d o w s 操作系统中支持s i p 信令协议，从此给人计算机将 成为s i p 协议广阔的用武之地。s i p 协议在其他领域同样也得到广泛的应用。前不久， 为推广3 g 无线标准组建的3 g p p 组织( t h i r dg e n e r a t i o np a n n e r s h i pp r o j e c t ) 公布了把s i p 协议作为3 g 体系结构中的多媒体通信协议的计划，s 口协议被定义为第三代移动通信 系统的信令协议以i p 多媒体通信提供服务，它能将蜂窝系统和互联网应用领域融合在 一起，为人们提供了一条使得成功的基于因特网服务无所不在的途经。同时，通过支持 s i p 的i p p b x ，s i p 协议将广泛地应用于中小企业内部v o i p 解决方案。随着v o i p 的 推广，将会出现数以亿计的支持s i p 协议的终端，包括p c ，3 g 手机及p d a 等嵌入式 第一章绪论 终端设备【1 3 】【1 4 1 。同时由于v 0 i p 产品比传统通信方式的廉价优势，所以开发一种高性价 比的v 0 1 p 终端对推广v o i p 是很有必要的。 可以预见的是，随着v 0 i p 技术的不断发展，i p 电话将具有以下特点： 1 、技术成熟； 2 、统一标准 3 、全球网络实现互通； 4 、语音质量良好； 5 、大部分传统电信运营公司开始提供口电话业务； 6 、向i p 传输多媒体业务过渡。 v 0 i p 作为“下一代电话”i p 电话最主要的手段而倍受瞩目的原因，是与通信业务经 营者所传输的语音量和i p 信息量比率有关。随着企业沟通需求的增加以及电信成本的 降低，互联网以及电信公司提供的各种专线资源越来越受到企业的青睐，如果将少量的 语言信息量也搭载在i p 网上，这比起分别建立i p 网和语音网要经济得多。正因为如此， i p 电话技术已经成为很多企业在组建企业内部跨地域电话系统时的优先选择。 i p 电话是一种数字电话，它包括语音采样、压缩编码、打包分组、分配路由换、解 包解压等，其数据通过i p 网或互联网传输从而实现语音通信。在全球内得到了迅速的 发展，可以说是当今世界上发展最快、普及最快的一种应用服务技术之一，也是计算机 网络界关注的热点之一。 虽然v o i p 在国外发展也起步不久，但它正向着普及方向迈进。美国是世界上v o i p 电话市场份额最大的国家之一，目前美国预计拥有3 0 0 0 万的用户，另外亚洲的日本、 韩国、新加坡及中国香港这些国家和地区的普及速度也比较快，其中日本2 0 0 8 年1 2 低 统计的用户已达1 9 5 8 6 万户，韩国2 0 0 7 年有用户将达4 0 0 万户。 出自于安全隐患的考虑和对我国传统通信( 电信) 产业的保护，我国信息产业部明确 提出：2 0 0 8 年之前，中国不会让v o i p 业务面市，禁止任何企业和个人从事v o i p 业务。 但v o i p 的面市及普及是一种势不可当的趋势，它是一种更为先进、更为可靠的新兴通 信技术，取代传统通信是不可逆转的。中国信息产业部部长王旭东明确表示：中国通信 行业的下一阶段发展目标就是v o i p ( 网络电话) 和n g n ( 下一代网络) 目前国内已有的v o i p 技术有各种各样的实现方式，而且依据的通信协议基本 是一致的，如h 3 2 3 协议、s i p 协议等。但是都处于发展的初步阶段，较为成熟的有 u u c a l l 。如图1 1 所示，我国voip 有着基数大，发展空间广阔的特点。 4 长安大学顾学位论文 圈1 1 我国v o m 发展趋势 s k y p c 是v o i p 产品中的佼佼者，是装载于电脑或掌上电脑( p d a ) 的一种免费网络电 话软件，人们通过它可以在互联网上打电话，它的特点是话音清楚而且价格便宜。经过 几年的发展，s k y p e 已经成为当前全球最为流行的网络电话通信软件。截至2 0 0 6 年第 三季度，s k y p e 的注册用户已达到1 3 6 亿。s k y p e 的飞速发展给全球电信业带来了前所 未有的冲击。晟明显的冲击是s k y p c 以相当低廉的资费对传统话音用户造成的分流，特 别是国际长途业务方面。另外，随着越来越多的手机支持w i f i 等功能，v o 口技术在手 机上的应用将会越来越普遍，手机用户的语音通话量和费用也将大幅降低。如日本的 m d o c o m o 与v o d a f o n e 等移动运营商为了拓展市场，迫于竞争需要，已经开始为用户 提供包月使用的3 g 移动数据服务。如果用户在3 g 智能手机上安装了类似s k y p e 的网 络电话软件，就完全可以利用数据管道实现所有双向通信需求，而不必使用语音网络。显 然，不论对固网语音还是移动语音，s k y p c 都是杀手级的应用。 13 本文研究的主要内容 本论文研究的目的是在保留现有电话系统布局不变的的基础上，综合利用网络通讯 技术、c r r 技术、语音编码技术和计算机技术开发研制出解决现有p s t n 传统语音电话 系统国际长途电话费用昂贵和企业异地分支机构构建内部电话网复杂性的基于s k y p e 的 v o i p 网关设备。 本研究以基于s k v p e 的v o i p 网关项目为研究背景展开研究，论文主要研究内容包 括以下几个方面： 第一章绪论 1 、在对v o i p 基本原理和s k y p e 工作原理和性能详细分析的基础上，深入的探讨 了国内外i p 电话发展和使用情况，并结合我国目前p s t n 传统电话系统长途特 别是国际长途费用过高问题和异地分支机构构建内部电话网复杂的情况，提出 了开发和研制基于s k y p e 的v o i p 网关的构思和方案。 2 、分析和探讨了系统应满足的功能和性能指标，并结合这些功能和性能指标，在 研究s k y p e 开发方法和s y n w a y 语音卡基本原理和开发方法基础上，经过实验论 证确定了网关设备的总体设计方案和基本构架。 3 、围绕网关要实现的基本功能和性能指标，对软件系统的用户交互模块、语音卡 控制栈、s k y p e 控制栈、语音流控制模块以及业务逻辑流程等部分进行了深入的 研究，并给出了具体的设计方案和实现方法。 4 、通过系统功能和性能的测试实验，基本验证了设计提出的基本功能和达到指定 的技术指标，满足了项目的设计需求。 1 4 本文内容安排 第一章绪论。概括叙述了课题研究的背景、目的、意义以及国内外概况，给出了 本论文的主要研究内容。 第二章v o i p 关键技术及相关原理。首先简要地分析了v o i p 的基本原理和实现形 式以及信令技术、编码技术、实时传输技术、q o s 保障技术、网络传输技术等v o i p 关 键技术。然后从s k y p e 网络结构、s k y p e 的主要组成部分、s k y p e 主要功能等方面分析 了s k y p e 的基本原理和性能，同时重点研究了s k y p e 的优越性能。最后对电话语音卡的 基本原理和软件层次做了简单分析，并重点分析了s y n w a y 模拟卡中在本课题中使用到 的功能模块。 第三章系统方案设计。首先分析了课题提出的设计思路和需要实现功能的可行性， 并对系统运行的软件、硬件平台作出了选型，最后对系统设计的软件层次给出了总体方 案设计。 第四章系统软件设计。对系统软件用户交互模块、系统控制栈、语音流控制和业 务逻辑等系统逻辑模块的实现原理和实现方法作了详细的分析，并给出了具体的设计方 法。 第五章实验与分析。对系统实现的功能进行验证，并分析实验结果。验证了课题 设计的功能。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 v o i p 基本原理 第二章v 0 ip 关键技术及相关原理 2 1 1 v 0ip 基本原理与实现形式 由v o i p ( v o i c eo v e rl p ) 的字面意义，可以直译为透过i p 网络传输的语音讯号或影 像讯号，所以v o i p 就是一种可以在i p 网络上互传模拟音讯或视讯的一种技术。简单地 说，它是藉由一连串的转码、编码、压缩、打包等程序，好让该语音数据可以在i p 网 络上传输到目的端，然后再经由相反的程序，还原成原来的语音讯号以供接听者接收。 v o i p 大致透过5 道程序来互传语音讯号，首先是将发话端的模拟语音讯号进行编 码的动作，目前主要是采用i t u tg 7 1 1 语音编码标准来转换。第二道程序则是将语音 封包加以压缩，同时并添加址及控制信息，如此便可以在第三阶段中，也就是传输i p 封包阶段，在浩瀚的i p 网络中寻找到传送的目的端。到了目的端，i p 封包会进行译码 还原的作业，最后并转换成喇叭、听筒或耳机能播放的模拟音讯。 在一个基本的v o l p 架构之中，大致包含4 个基本元素： 1 、媒体网关器( m e d j ag a t e w a v ) ：主要扮演将语音讯号转换成为i p 封包的角色。 2 、媒体网关控制器( m e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e r ) ：又称为g a t ek e e p e r 或c a us e r v e r 。 主要负责管理讯号传输与转换的工作。 3 、语音服务器：主要提供电话不通、占线或忙线时的语音响应服务。 4 、信号网关器( s i g n a l j n gg a t e w a y ) ：主要工作是在交换过程中进行相关控制，以 决定通话建立与否，以及提供相关应用的增值服务。 虽然v o i p 拥有许多优点，但绝不可能在短期内完全取代已有悠久历史并发展成熟 的p s t n 电路交换网，所以现阶段两者势必会共存一段时间。为了要让两者间能相互沟 通，势必要建立一个互通的接口及管道，而媒体网关器与网关管理器即扮演了中介的色 角，因为他们具备将媒体数据流及i p 封包转译成不同网络所支持的各类协议。 其运作原理是，媒体网关器先将语音转换为i p 封包，然后交由媒体网关控制器加 以控制管理，并决定i p 封包在网络中的传送路径。至于信号网关器则负责将s s 7 信号 格式转换为i p 封包。 7 第二章v o i p 关键技术及相关原理 2 1 2v o i p 核心技术 传统的i p 网络主要是用来传输数据业务，采用的是尽力而为的、无连接的技术， 因此没有服务质量保证，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。数据业务对此要 求不高，但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。因此必须采取特殊措施 来保障定的业务质量。i p 电话的关键技术包括：信令技术、实时传输技术、编码技术、 服务质量保证技术、以及网络传输技术等【1 5 】【1 6 1 。 1 、信令技术 信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量关键技术，目前被广泛接受的v o i p 控制信令体系包括i t u t 的h 3 2 3 系列( 华为公司产品采用) 和正t f 的会话初始化协 议s i p 【1 7 1 。 h 3 2 3 是一个框架性建设，它涉及到终端设备、视频、音频和数据传输、通信控制、 网络接口方面的内容，还包括了组成多点会议的多点控制单元( m c u ) 、多点控制器 ( m c ) 、多点处理器( m p ) 、网关以及关守等设备。它的基本组成单元是”域”，在h 3 2 3 系统中，所谓域是指一个由关守管理的网关、多点控制单元( m c u ) 、多点控制器( m c ) 、 多点处理器( m p ) 和所有终端组成的集合。一个域最少包含一个终端，而且必须有且 只有一个关守。h 3 2 3 系统中各个逻辑组成部份称为h 3 2 3 的实体，其种类有：终端、 网关、多点控制单元( m c u ) 、多点控制器( m c ) 、多点处理器( m p ) 。其中终端、网 关、多点控制单元( m c u ) 是h 3 2 3 中的终端设备，是网络中的逻辑单元。终端设备是 可呼叫的和被呼叫的，而有些实体是不通被呼叫的，如关守。h - 3 2 3 包括了h 3 2 3 终端 与其它终端之间的、通过不同网络的、端到端的连接。 s i p 【1 8 1 【1 9 】是i e t f 标准进程的一部分，建立于简单邮件传送协议( s m t p 和超文本传 送协议( h t t p ) ) 的基础上。利用s i p 可实现会话的连接、建立和释放，并支持单播、 多播和可移动性。为了提供电话业务，它需要与其他标准和协议相结合，特别是应确保 实时传送协议( r t p ) 与当前公共交换电话网络( p s t n ) 的信令互连，能确保语音质量 ( 资源预留协议( r s v p ) ) ，能提供目录( 轻量目录访问协议( l d a p ) ) ，能鉴权用 户( 远程用户拨号认证系统( r a d i u s ) ) 等。此外，s i p 如果与会话描述协议( s d p ) 配合使用，可以动态调整和修改会话属性，如通话带宽、所传输的媒体类型及编解码格 式。 基于s i p 的v o i p 系统主要的功能部件如下： 1 ) 用户代理( u a ) ：它是v o i p 系统的终端，包括各种使用s i p 协议的软件或硬件， 长安大学硕士学位论文 例如一个i p 电话机或装有客户端软件的p c 机。每个u a 又包括用户代理客户 系统( u s e r a g e n t c l j e n t ) 和用户代理服务系统( u s e r a g e n ts e r v e r ) 。用户代理客 户系统用于向用户代理服务系统发出s i p 请求并与之建立连接。用户代理服务系 统接收用户代理客户系统的请求，并给予应答，内容包括接收、重定向或拒绝呼 叫请求。 2 ) s i p 网络服务器：它包括注册服务器、代理服务器和重定向服务器，它们可分布 在不同的物理实体中，也可以共存于一个设备。注册服务器从用户当前的地址中 接收更新信息，同时还负责维护数据库中所有用户的当前位置列表。代理服务器 负责接收u a 发来的呼叫请求消息，根据网络策略将请求发送给相应的服务器， 并根据收到的应答对用户做出响应。重定向服务器用于为代理服务器指出转发消 息下一次应该送达的代理服务器的地址。 3 1 会议服务器：负责提供多点通信支持。 2 、编码技术 。 i p 电话技术中的一个重要组成部分就是语音压缩编码技术1 2 0 1 。语音编码为信源编 码，其目的是为了把模拟语音转变为数字信号以便在信道中传输，语音编码技术在移动 通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。在移动通信中，节省频谱是至关 重要的，移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的话音质量的前提下，尽 可能地降低语音码的比特率。目前，主要的编码技术有r r u t 定义的g 7 2 9 【2 1 1 、g 7 2 3 【2 2 】 等。其中g 7 2 9 协议是由丌u t 的第1 5 研究小组提出的，并在1 9 9 6 年3 月通过的8 i b p s 的语音编码协议。g 7 2 9 协议使用的算法是共轭结构的算术码本激励线性预测 ( c s a c e l p ) ，它基于c e l p 编码模型。由于g 7 2 9 编解码器具有很高的语音质量和很 低的延时，被广泛地应用在数据通信的各个领域，如v o i p 和h 3 2 3 网上多媒体通信系 统等。g 7 2 3 是i t u t 在1 9 9 6 年制订成型的一种多媒体语音编解码标准。其典型应用包 括v o i p 服务、h 3 2 4 视频电话、无线电话、数字卫星系统、数电倍增设备( d c m e ) 、公 共交换电话网( p s t n ) 、i s d n 及各种多媒体语音信息产品。g 7 2 3 标准传输码率有5 3 k b s 和6 3 k b s 两种，在编程过程中可随时切换。该标准主要包含了编码算法和解码算法。 原理是：从采集的语音信号中解析出声道模型参数，构造一个合成滤波器，采用合适的 激励源激励，编码传输的参数主要是激励源与合成滤波器的参数。5 3 k b s 的编码器采用 代数码线预测激励( a c e l p ) ；6 3 k b s 的编码器则采用多脉冲最大似然量化( m p - m l q ) 激励。根据传输编码参数，可重构激励源与合成滤波器进行解码，还原出来的数字语音信 q 第二章v o i p 关键技术及相关原理 号经d a 转换器转换成模拟语音信号。g 7 2 3 算法对语音信号有很好的编解码效果，同 时也可处理音乐和其它声音信号，典型输入是6 4 k b s ( 8 k 8 ) 或1 2 8 k b s ( 8 k 1 6 ) 的a 律或 “律的p c m 采样语音信号。每次处理一帧语音信号，每帧2 4 0 个采样点( 3 0 m s ) 。在5 3 k b s 的码率下，每帧语音被压缩成2 0 个字节传输；在6 3 k b s 的码率下，每帧语音被压缩成 2 4 个字节传输。 3 、实时传输技术 t c p 协议能为应用程序提供可靠的通信连接，适合于一次有大批量数据传输的情况， 但t c p 协议是通过超时重传来保证数据传输的可靠性的，有较大的时延，不适合用来传 输实时性要求较高的语音信息。i p 电话的语音是基于u d p 协议传送的，但u d p 协议没有 考虑语音包顺序传送和提供时戳等实时业务传送需解决的一系列问题，因而无法保证语 音质量完整性和时序等问题。为此，i e t f 提出了用于实时传输业务的协议实时传输 协议( r e a l - t i m et r a n s p o np n o c o l ，r t p ) 【矧。 r t p ( r e a l t i m e t r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 是用于i i l t e m e t 上针对多媒体数据流的一种传输协 议。r 耶被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现 流同步。r t p 通常使用u d p 来传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议之上工 作。当应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个端口：一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制， 它依靠r t c p 提供这些服务。通常r t p 算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作 为应用程序代码的一部分。实时传输控制协议r t c p 。 r t c p ( r e a l t i m e t r a n s p o r t c o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务。在 r t p 会话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有已发送的数据包的数量、 丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率， 甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使 传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。 4 、q o s 保障技术 ， q o s 的英文全称为”q u a l i l yo fs e i c e ”，中文名为”服务质量”【2 4 】【2 5 1 。q o s 是网络的一 种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常情况下，如果网络只 用于特定的无时间限制的应用系统，并不需要q o s ，比如w e b 应用，或e m a i l 设置等。 但是对关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，q o s 能确保重要业务 量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。 1 0 长安a 学硕学也论文 5 、网络传输技术 i p 电话中网络的传输技术虽常用的是t c p 和u d p ，此外还包括网关互联技术、路由 选择技术、网络管理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议r t p 和实时传 输控制协议r 1 p 共同台作提供具有实时特征的、端到端的数据传输业务，所以在v ( ) 口 业务中基本都是用r t p ，r t c p 来传输语音数据的。r t p 提供端对端网络传输功能，适合 通过组播和点播传送实时数据，如视频、音频和仿真数据。r t p 没有涉及资源预订和质 量保证等实时服务，r t c p 扩充数据传输以允许监控数据传送，提供最小的控制和识别 功能。r 邛与脚设计成独立传输和网络层。i p 话音分组开销很大，采用r 协议的非 常大，i p 电话格式，在这种方式中将多路话音插入话音数据段中，这样提高了传输效率。 22 s k y p e 基本原理 s k y p e 客户端是由k a z a a 于2 0 0 3 年发明的基于p 2 p 技术的v o t p 客户端，用户可以 通过s k y p c 通过互联网进行语音和文本的传输。s k y p e 的通讯协议是不公开的，而且通 讯内容是加过密的，且客户端集合了i m 特性的独立能提供优质通话质量的运营网络， 如图2 1 所示。 s k y p c 客户端同时提供了很多平台的版本，在v o i p 领域有非常大的影响力，给电 信商基本语音业务的盈利模式造成很大的冲击。同时对s i p 和h 3 2 3 等标准协议也造成 很大的冲击。s k v d e 目前已经是全球家独大啪网络电话服务商。根据流量监测公司 的统计，全球网络电话流量中，9 5 的流量属于s k y p e 。虽然网络电话市场产品林立， 但是s k v 口e 依靠出众的通话音质，以及先进的加密技术，博得了全世界网民的欢迎。 叠秀 i 赢芦疆器一 羹| ! 闰2 is 畸p e 阿络拓扑圈 22 1s k y p e 基本原理 s k y p e 基本工作原理【州与其他v o i p 通信软件是一致的，实现了利用互联网打电话 第二章v o i p 关键技术及相关原理 的全过程：首先语音通过电话机变成模拟信号，其次模拟信号通过v o i p 终端计算机转 换为i p 数据包，再次i p 数据包通过因特网传送到远端一个v o i p 终端计算机，然后v o i p 终端计算机将i p 数据包转换为模拟信号，最后模拟信号通过电话机转换成语音。然而 s k y p e 并不是基于传统的h 3 2 3 、s i p 等流行的v o i p 等信令技术，其是一种私有的v o i p 协议。下面的内容将从s k y p e 网络结构、s k y p e 网络组成部分、s k y p e 主要功能等几个 方面来分析s k y p e 协议的特性【2 8 。3 1 】。 1 、s k y p e 网络结构 s k y p e 的节点有两种：客户端( o r d i n a u r yn o d e ) 和超级节点( s u p e rn o d e ，s n ) 。客 户端必须链接到超级节点，并且在s k y p e 的中央服务器登录。中央服务器保存用户的用 户名和密码，完成登录的认证工作。图2 2 中的小黑点是客户端，大黑点是超级节点( 用 于为其它客户端提供登录跳板及广播服务) ，灰色的点是s k y p e 的登录服务器。 s k y p e 可以看作是一个叠加在互联网之上的网络。与以往m s n 等i m 工具最大的不 同在于其除了用户登录，其余工作基本不依赖中央服务器。s k y p e 在穿透防火墙通讯时 完全使用了p e e rt op e e r ，而没用到中央服务器。每一个客户端都维护一个可以到达的主 机列表( h o s tc a c h e ，h c ) ，包括其i p 地址和端口号。 用户下载安装完s k y p e 后，s k y p e 客户端会发送一段h 1 曙1 1 的请求到中央服务器， 告诉它我装完了一个什么样的版本，服务器会返回一个2 0 0o k 的信，皂、。客户端会进行 登录初始化工作针对三种不同类型的网络情况有三种不同的登录方式： 1 ) 直接有公众网的i p 。 2 ) 在内部网，可以通过t c p 访问外部网络。 3 ) 在内部网，但只能通过有限的几个端口( 例如8 0 和4 4 3 ) 访问外部网络。 s k y p e 在登录的时候会先使用切) p 请求h c 中的i p ，如果不行，就用t c p 请求h c 中的i p 及端口，如果还不行，就用t c p 请求h c 中的i p 及8 0 端口，如果又不行，就 再请求h c 中的i p 及4 4 3 端口。如果这时候还不行那就登录不了了。整个过程中传输 的数据量大概在8 k 1 0 k ，持续的时间在3 至3 5 秒。 1 2 长安大学硕士学位论文 o 。普通客户端 。超级节点 一 相邻s k y p e 问的连接 图2 2s b p e 网络结构 3 、s k y p e 的主要组成部分 1 ) 主机列表：这里的主机指的是可以提供跳板及广播服务的s n 的i p 地址和端口 号，这是s k y p e 最重要的部分之一，h c 中至少要有一个可用的主机地址和端 口号。一般情况下，在s k y p e 运行两天后，h