（控制理论与控制工程专业论文）基于sip协议的voip语音网关的研究与设计.pdf

、 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c hdd e s i go f e s e a r c ha n de s i q no f v o l pg a t e w a yb a s e do ns i p m a s t e rc a n d i d a t e ：x i ey a g u o s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o r h u a n gy i n g m a y2 0 1 0 f a c u l t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 近年来，i n t e m e t 得到了飞速发展和普及应用，作为其核心技术的i p 协议体系在 数据网络架构中的统治地位已得到了广泛认同。同时，随着基于i p 技术上各种应用 技术的提出，尤其是v o l p 技术的提出，使得数据网络通信逐渐的融入了传统的话音 业务领域。v o i p 是利用i p 网络实现语音通信的一种先进通信手段，是一种完全基于 i p 网络的语音传输技术。它利用语音网关，软交换平台，网守等设备将模拟信号数字 化，然后将数据压缩成数据包，通过i p 网络传输到语音的目的地址。目的地址接收 到数据包后，将数据重组，解压缩后再还原成模拟信号。这样，一次完整的通话过程 就在i p 网络中实现了。 本文详细论述了如何设计和实现一个基于s i p 协议和a r m 平台的语音网关设备， 此设备用于连接普通电话机和i p 网络，一方面可以识别电话机的摘挂机过程、拨号内 容和语音采集，另一方面对模拟电话的媒体信息和信令信息进行压缩或转换，通过i p 网络中传到网络中的另一个终端中进行通讯，其中s i p 协议用来完成i p 网络中建立、 保持、拆除、重定向等会话过程。 在本文中我首先简要介绍了v o l p 语音网关产生的目的和意义及技术的国内外现 状与发展，同时阐述了v o l p 系统所用的基本原理和各种协议以及语音网关中所涉及的 关键技术。之后提出了基于专用语音处理器和专用网络处理器的语音网关的设计方 案，详细阐述了基于a r m 处理器s 3 c 2 4 4 0 的各个外围模块的具体实现方法。成功实现了 l i n u x 操作系统在此硬件平台上的移植，并在此基础上开发了基于优秀的开源s i p 协议 栈e x o s i p o s i p 的应用程序。最后对系统的软硬件进行了测试。事实证明，本文提出的 方案和实现具有很强的现实意义，同时具有进行后续研究的价值。 本文的主要成就在于：首先创新性的将e x o s i p o s i p 协议应用到s 3 c 2 4 4 0 + l i n u x 嵌 入式平台上，这种搭配简单，高效，具有实用价值。其次本文设计的语音网关可以根 据网络状况自动选择合适的编码解码协议，对网络流量状况具有高度的自适应性，即 在网络服务质量好的情况下，采用高速率的编码协议方案，而当网络服务质量下降到 某一阈值之下则通过操作系统通知语音模块采用低速率的编码方案，这种方案的语音 包传送效率更高，使话音更流畅。 广东工业大学硕士学位论文 关键字：v o i p ；语音网关；s i p 协议；l i n u x 操作系统 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i t yo ft h ei n t e r n e t ，t h ei p p r o t o c a la r c h i t e c t u r ew h i c hi st h eb a s i ct e c h n o l o g yo fd a t an e t w o r k sh a sb e e na c k w n o l e g e d b yl o t so fp e o p l e a tt h es a m et i m e ，av a r i e t yo fa p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ye s p a c i a l yt h ev o l p t h a tw a sb a s e do ni n t e r n e th a v es p r i n go u t t h i st r e n dm a k e st h ef u s i o no fd a t as e r v i c e t r a n s m i t i o na n dt h ev o i c es e r v i c et r a n s m i t i o n v o l pi sa na d v a n c e dv o i c ec o m m u n i c a t i o n m e t h o du s i n gt h ei pi n t e m e t i tm a k e su s eo fv o i c eg a t e w a y , s o f ts w i t c ha n ds oo nt o t r a n s m i tt r a d i t i o n a la n a l o gv o i c es i g n a lw h i c hh a sb e e nc o n v e r t e di n t o d i g i t a ls i g n a la n d p a c k e d v i ac u r r e n ti p c e n t r i cn e t w o r k st h ev o i c es i g n a lw i l la r r i v ea tt h et a r g e ta d d r e s s ， u n c o m p r e s s e da n dr e v e r t e db a c kt ov o i c ea n a l o gs i g n a l w ec a nr e a l i s eac o n v e r s a t i o ni n t h a tw a y t h r o u g ht h ei n t e r n e t i nt h i sa r t i c l eid e s c r i b e dh o wt od e s i g na n dr e a l i s eav o i c e g a t e w a yw h i c hc a r r i e di na s i pt a l k i n gp r o g r a mr u n n i n go nt h el i n u x + a r m p l a t f o r m t h eg a t e w a yi st oc o n n e c tt h e c o m m o n t e l e p h o n et ot h ei n t e r n e t i no n ea s p e c ti tc a ni d e n t i f yt e l e p h o n e ss t a t e ，t h ed i a l e d t e l e p h o n en u m b e ra n ds a m p l i n gt h ev o i c es i g n a l ，i nt h eo t h e ra s p e c ti tc a nc o n v e r tt h e m e d i ao rc o m m a n ds i g n a li n t od i g i ts i g a la n dc o m p r e s st h e m ，t h e nt r a n s m i tt h e s es i g n a l f r o mo n et e r m i n a lt oa n o t h e rt e r m i n a lt h r o u g hi n t e r n e t t h es i p p r o t o c o li su s e dt os e tu p ， h o l d ，s t o po rr e d i r e c tas e s s i o ni nt h ei n t e m e t f i r s t l yie l a b o r a t e dt h eu s ea n dm e a n n i n go fav o i c eg a t e w a yd e s i g nf o l l o w e db ya d i s c u s s i o no ft h er e c e n t l yp r o g r e s si nt h i st e c h n o l o g yf i e l d a tt h es a m e t i m eie l a b o r a t e d t h et h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dv a r i o u sp r o t o c a l so ft h ev o l ps y s t e ma n da l s ol i s t e do u tt h ek e y t e c h n o l o g i e so fav o i c eg a t e w a yd e s i g n s e c o n d l yii n t r o d u c e dap l a no fv o i c eg a t e w a y d e s i g nb a s e do nd e d i c a t e dv o i c ec h i pa n dn e tc h i p ，m a d ead e s c r i p t i o no ft h ei m p l e m e t a t i o n o fp e r i p h e r a lc o m p o n e n ta r o u n dt h es 3 c 2 4 4 0a r mc p u a tl a s tit r a n s p l a n t e dt h eu c l i n u x k e r n e lo n t ot h es 3 c 2 4 4 0a r mc p ua n dw r i t et h e a p p l i c a t i o np r o g r a mu s i n gt h e e x o s i p o s i pp r o c a ls t a c kw h i c hi sa no p e ns o u r c e id e s c r i b e dh o wt ot e s tt h ef u n c t i o no f t h eg a t e w a yi nt h ee n d t h ef a c t sp r o v et h a tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r e s e n t e di n t h i sa r t i c l eh a sap r a c t i c a lm e a n n i n ga n da d e e p p e rr e s e a r c hv a l u e h e r ea r et h ei n n o v a t i o n si nt h i sa r t i c l e ：f i s r t l y , ii n n o v a t i v e l ya p p l i e dt h ee x o s i p o s i p i i i 广东工业大学硕士学位论文 p r o t o c o lo n t ot h el i n u x - a r me m b e d d e ds y s t e m t h i sk i n do fc o m b i n a t i o ni ss i m p l e ， e f f e c t i v ea n dh a v i n gah i g hp e r f o r m a n c ep r i c er a t i o s e c o n d l y , t h eg a t e w a yc a n a u t o m a t i c a l l ya d a p tt h es u i t a b l ee n c o d i n go rd e c o d i n gp r o t o c o la c c o r d i n gt ot h ei n t e r n e t c o n d i t i o n ，h a v eah i g ha d a p t i v ep e r f o r m a n c e ，t h a ti st os a yw h e nt h ei n t e m e tb a n d w i d t hi s e n o u g ht h es y s t e mw i l la d o p tah i g hr a t ee c o d i n gp r o t o c o l ，b u tw h e nt h eb a n d w i d t hd r o p a n db e l o ws o m ev a l u et h es y s t e mw i l ln o t i f yt h ev o i c ep r o c e s s i o nm o d u l et oa d o p tal o w r a t ee c o d i n g p r o t o c 0 1 t h ef a c t sh a v ep r o v e nt h eg a t e w a yc o u l do b t a i nab e t t e rv o i c ee f f e c t b yt h i sm e t h o d k e y w o r d s ：v o i p , v o i c eg a t e w a y , s i pp r o t o c o ls t a c k ，l i n u xo s i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v c o n t e n t s v i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景与意义1 1 2v o l p 技术的国内外研究现状2 1 3 课题来源及研究内容4 1 4 论文结构一5 第二章v o l p 技术研究6 2 1v o l p 的原理及系统组成6 2 1 1v o l p 的通信原理6 2 1 2v o l p 的系统组成7 2 2v o l p 的协议体系8 2 3 影响i p 电话服务质量的因素一9 2 4i p 电话的服务质量控制1 3 2 5 话音传输的自适应控制15 2 5 1 应用层服务质量的自适应控制1 5 2 5 2 基于r t c p 的服务质量控制1 5 2 5 3 基于r t c p 服务质量监测的话音传输控制1 8 第三章s i p 协议研究2 0 3 1s i p 协议的定义。一2 0 3 2s i p 协议网络体系2 0 3 3s i p 消息2 2 3 3 1s i p 消息结构2 2 3 3 2s i p 消息类型2 3 3 4s i p 操作2 6 v 广东工业大学硕士学位论文 3 5 三种s i p 呼叫模式2 7 3 6s i p 会话呼叫编程举例2 8 第四章v o l p 语音网关架构设计3 2 4 1 语音网关简介3 2 4 2 语音网关的主要功能和设计准则3 2 4 2 1 语音网关的主要功能3 3 4 2 2 语音网关的设计准则3 3 4 3 语音网关的总体设计3 4 4 3 1 系统的硬件体系结构3 4 4 3 2 系统的软件体系结构3 5 第五章语音网关系统平台的实现3 7 5 1 系统硬件平台设计3 7 5 1 1 系统主控模块的结构设计3 7 5 1 2 语音处理模块的设计4 4 5 2 系统软件平台的搭建4 6 5 2 1b o o t l o a d e r 的设计。4 6 5 2 2l i n u x 2 6 2 9 内核的移植4 8 5 2 3 系统语音模块驱动程序编写5 0 5 2 4 根文件系统的制作5 2 第六章语音网关系统的应用软件实现5 6 6 1 系统初始化模块5 6 6 2 用户代理模块5 7 6 3 语音数据传输模块6 1 6 4s i p s d p 协议栈模块6 3 6 4 1o s i p 和e x o s i p 协议栈的简析6 4 6 4 2 将e x o s i p o s i p 协议栈移植到l i n u x 6 6 6 5r t p r t c p 实时传输模块6 7 6 5 1 功能结构6 7 6 5 2 接口定义6 7 6 5 3r t p 瓜t c p 的数据表定义6 9 v i 目录 6 5 4r t p 的协议处理6 9 6 5 5r t c p 的协议处理7 0 第七章系统调试和测试7 3 7 1 操作系统的调试7 3 7 2 系统平台的测试7 4 7 3 应用程序测试7 5 7 3 1s i p 协议模块测试7 6 7 3 2r t p r t c p 实时传输模块测试7 7 结论7 9 参考文献8 0 攻读硕士学位期间发表论文8 3 独创性声明8 4 蜀【谢。8 5 v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) 。v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n dm e a n i n g 1 1 2r e s e a r c ha c t u a l i t yo f v o i p 2 1 3s u b j u e c td e r i a v a t i o na n dr e s e a r c hc o n t e n t 4 1 4s t r u c t u r e 5 c h a p t e r2t e c h n o l o g yo f v o l p 6 2 1p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fv o l p 6 2 1 1c o r r e s p o n d e n c ep r i n c i p l eo fv o l p 6 2 1 2s y s t e ms t r u c t u r eo fv o l p 7 2 2p r o t o c 0 1a r c h i t e t u r eo f 、，o i p 8 2 3f a c t o r so fd i s t u r b i n gi pt e l e p h o n es e r v i c e 9 2 4c o n t r o lo fi pt e l e p h o n es e r v i c e 13 2 5a d a p t a b l ec o n t r o lo fv o i c et r a n s m i s s i o n 15 2 5 1a d a p t a b l ec o n t r o lo fa p p l i c a t i o ns e r v i c e 15 2 5 2s e r v i c ec o n t r o lb a s e do nr t c p 1 5 2 5 3v o i c et r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1b a s e do l li 汀c ps e r v i c em e a s u r e 。18 c h a p t e r 3r e s e a r c ho ns i p 2 0 3 1d e f i n i t i o no fs i p 2 0 3 2n e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fs i p 2 0 3 3s i pm e s s a g e s 2 2 3 3 1s i pm e s s a g e ss t r u c t u r e 2 2 3 3 2s i pm e s s a g e sc a t e g o r y 2 3 3 4s i po p e r m i o n 2 6 3 51 1 1 r e es i pc a l lm o d e s 2 7 3 6p r o g r a me x a m p l e so fs i ps e s s i o ni n t i a l i z t i o n 2 8 v l i t c h a p t e r 4s t r u c t u r eo fv o l pv o i c eg a t e w a y 3 2 4 1b r i e f i n t r o d u c t i o no f v o i c eg a t e w a y 3 2 4 2t h eb a s i cf u n c t i o n sa n dd e s i g np r i n c i p l e so fg a t e w a y 3 2 4 2 1t h eb a s i cf u n c t i o n so fg a t e w a y 3 3 4 2 2t h ed e s i g np r i n c i p l e so fg a t e w a y 3 3 4 3t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no fg m e w a y 3 4 4 3 1a r c h i t e c t u r ed e s i g no f s y s t e mh a r d w a r e 3 4 4 3 2a r c h i t e c t u r ed e s i g no f s y s t e ms o f t w a r e 3 5 c h a p t e r5i m p l e m e n t a t i o no f v o i c eg a t e w a y ss y s t e mp l a t f o r m 3 7 5 1s y s t e md e s i g no fh a i d w a 】_ ep l a t f o r m 3 7 5 1 1s t r u c t u r ed e s i g no fs y s t e mm a i nc o n t r o lm o d u l e ：3 7 5 1 2d e s i g no f v o i c ep r o c e d i n gm o d u l e 4 4 5 2c o n s t r u c t i o no fs o f t w a r es y s t e mp l a t f o r m 4 6 5 2 1d e s i g no fb o o t l o a d e r ”4 6 5 2 2t r a n s p l a n to fl i n u x 2 6 2 9k e m e l 4 8 5 2 3p r o g r a mt h ev o i c em o d u l e sd r i v e r 5 0 5 2 4m a k er o o ts y s t e m 5 2 c h a p t e r6s o f t w a r ed e s i g no f v o i c eg a t e w a yd e s i g n 5 6 6 1s y s t e mi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e 5 6 6 2u am o d d e 5 7 6 3t e l e p h o n el i s t e n i n gm o d u l e 6 1 6 4s i p s d pp r o t o c o ls t a c km o d u l e 6 3 6 4 1b r i e fa n a l y s i so fo s i p 2a n de x o s i pp r o t o c o ls t a c k 6 4 6 4 2t r a n s p l a n te x o s i p o s i pp r o t o c o ls t a c kt ol i n u x 6 6 6 5r t p r t c pr e a l t i r n et r a n s p o r tm o d u l e 6 7 6 5 1f u n c t i o ns t r u c t u r e 6 7 6 5 2i n t e r f a c ed e f i n i t i o n 6 7 6 5 3d a t at a b l ed e s i g no f r t p r t c p 6 9 6 5 4p r o c e s s i o no f r t pp r o t o c o l 6 9 6 5 5p r o c e s s i o no f r t c pp r o t o c o l 7 0 c h a p t e r7s y s t e md e b u g a n dt e s t i n g - ，j 7 1o st r a n p l a n t a t i 。nd e b u g 7 3 7 2s y s t e mp l a t f o r mt e s t i n g 7 4 7 3a p p l i c a t i o np r o g r a mt e s t i n g 7 5 7 3 1s i pp r o t o c 0 1m o d u l et e s t i n g 7 6 7 3 。2r t p r t c pt r a n s p o r tm o d u l et e s t i n g 7 7 c o n c l u s i o n 7 9 r e f e r e n c e s ”8 0 p u b n s h e dt h e s i sd u r i n gm a s t e rs t u d y ”8 3 o r i g i n a ls t a t e m e n t 8 4 t h a n l 谌8 5 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着计算机网络与通信技术的迅猛发展，基于互联网的实时多媒体业务正日益受 到人们的重视。现在v o i p 己经在全球范围内得到了迅速的发展，可以说是当今世界上 发展最快、普及最快的一门应用服务技术之一，也是计算机网络界关注的热点之一， 究其原因，主要有以下三点： ( 1 ) 符合三网合一发展方向。i p 技术是通信领域的新潮流，它符合未来三网合一 ( 电话网，广播电视网，数据网) 的发展方向，因而其市场潜力十分可观。 ( 2 ) 网络资源的充分利用。它采用了先进的数字信号处理技术，可以将原6 4 k b s 的话音信号压缩成8 k b s 或更低码速率的数据流，能够在同一条线路上传输比采用模 拟技术时更多的呼叫，大大提高了效率。并且采用的是分组交换技术，可以实现信道 的统计复用，使得网络资源的利用率更好，大大降低运营商的投入成本口1 。 ( 3 ) 价格低廉。v o i p 的最大优势就是价廉，通过i n t e r n e t 打长途电话的成本仅相 当于传统电话的i 5 ，最多不到5 0 。v o i p 以i p 电话为主，还可以推出相应增值业务， 提供比传统业务更多、更好的服务。 v o i p 作为一种i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 语音技术，其基本思想是通过i p 包的传送 来实现语音业务。在发送端对语音数据进行编码压缩，然后将数据封装在i p 包内，通 过i p 网或互联网发送到接收端，并进行解包解压缩，还原数据，实现语音通信。i p 电 话与传统电话的主要区别在于使用的传输媒介和交换方式不同。i p 电话使用的传输媒 介为i n t e r n e t ，使用分组交换技术，而传统电话使用的为p s t n ( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ) 网，使用电路交换技术。分组交换技术的使用，使得i p 电话有信 息时才传送数据，无信息时不需要传送数据。使用压缩技术后，i p 电话所需的网络带 宽远低于传统电话所需的网络带宽。v o i p 技术的出现，使语音业务在数据网上连续而 高效的传输成为可能，它提供了一种强大，经济，有效的新的通信手段。它能够促进网 络资源的充分利用，降低语音业务成本。 伴随着v o i p 在全球电信市场的不断普及，对服务供应商、设备制造商以及最终用 户而言，性能改善、成本低廉以及多功能的支持使v o i p 成为一件极富吸引力的事物。 广东工业大学硕士学位论文 探讨v o l p 语音处理终端以及其关键技术的设计和实现方法有着较强的实际意义和工 程价值刳。 1 2v 6 ip 技术的国内外研究现状 近几年在硬件，软件，协议和标准方面的快速发展和技术突破，使得v o l p 的广泛 应用逐渐变成现实。这些领域中的技术进步和发展为创建一个更有效，功能和互操作 性更强的v o i p 网络起着积极的推进作用。到现在，v o i p 技术的发展可经历了以下三个 阶段： 第一阶段是从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：在企业网，互联网 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 ( m e d i a g a t e w a yc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ；不与电信网互通，或通过企业小网关作为用户介入电 信网；不具有电信运营的o s s ( o p e r a t i o ns u r p o r t i n gs y s t e m ) ；不具有商业运营模式； 网络环境主要是拨号介入方式，低带宽的条件限制了编码方式的应用，大都采用了 g 7 2 9 和g 7 2 3 等窄带编码方式，因此语音质量不高。 第二阶段是从1 9 9 9 年至u 2 0 0 3 年。这一阶段的主要特点为：组建大规模商用的v o i p 长途业务网，为公众提供有服务质量保证的长途语音通信；业务技术体系主要是 h 3 2 3 + h 2 4 8 ，m g c p ( m e d i ag a t e w a yc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 或s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o n p r o t o c 0 1 ) ，对于小运营商采用私有业务技术体系，传输协议也是采用私有协议；特 别建设的承载网( 承载v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) ) 解决了v o i p 长途语音业务网的 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 问题；较完善的o s s 提供了对长途电话语音基本业务和部分 增值业务的支持；具有电信运营模式；现在的网络环境己经主要是宽带用户，用户网 络带宽大部分在6 4 kb i t s ，因此采用的编码方式可选余地比较大，大部分选用了语音 质量最高的g 7 1 1 ( a 律或u 律) ，或是a l c + g 7 1 1 等相关技术的宽带编码方式。这使得 v o i p 的语音质量达到一般长途电话语音水平，已经可以基本上满足用户的需求n 1 。 从2 0 0 3 年开始是v o l p 发展的第三阶段，目标是向n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 演进。其主要特点为：把网关向末端延伸，i p 至i j 末端提供有服务质量保证的通信业务； 向公众提供更丰富的语音增值业务；从单一媒体通信向多媒体通信发展；融合固定通 信业务与移动通信业务；融合电信业务和互联网业务；解决组建n g n 大网问题，解决 网间互联互通互操作问题；解决n g n 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式。 2 第一章绪论 当前v o l p 的发展已处于第三阶段，各种商业模式和产品都已推出。例如有s k y p e ， m s n ，y a h o om e s s e n g e r 等桌面平台应用软件，这些产品都得到了广泛的应用。但是桌 面软件具有自身的弱点，例如移动性比较差，不灵活，系统资源要求较高等。而嵌入 式v o l p 产品就可以弥补桌面软件的这些弱点。嵌入式产品具有以下优点： ( 1 ) 移动性强，嵌入式产品体积小，功率消耗低，不需要有大功率电源供电。可 以随身携带。 ( 2 ) 对资源要求较少，嵌入式v o l p 产品不需要具有类p c 的高频率处理器和超大的 内存和磁盘空间。 ( 3 ) 应用范围较大，嵌入式v o l p 产品可集