（信号与信息处理专业论文）个人网关的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 利肛。 f 我国目前臼勺l p 电话都是采用的混合式i p 电话网络，即从主叫p s t n 网经过主叫 网关到达i p 网络然后再经过被叫网关到达被叫p s t n 网。网关在其中起到了连接 p s t n 网与i p 网的作用。基于这种网关的i p 电话运营商目前只能给用户提供电话到 电话( p h o n et op h o n e ) 的服务方式。而且目前大多数家庭都采取拨号上网方式，上 网和电话不能同时进行，而i p 电话可以解决这一矛盾本文中，我们提出了个人网 关( p e r s o n a lg a t e w a y ：简称p g ) 这一新概念，它不仅能够解决电话与上网之间的矛 盾，而且能够为用户提供现有i p 电话运营商所不能提供的服务方式：p ct op c ，p ct o p h o n e 以及p h o n e t op c 。而且随着宽带网的普及，通过个人网关，能完全旁路p s t n ， 而达到真正意义上的i p 电话。 个人网关实际上是把网关的部分功能从p s t n 网转移到了个人电脑上，在个人 电脑上实现i p 电话。我们通过灵活的设计，使用户的电话机可以接到个人网关上。 用户在上网的时候可以随时拨打和接听电话，就跟拨打和接听普通电话一样，同时 丝毫不影响上阳。而且个人刚灭c ，j l 以与耽自的i p u i j 运营商的剐天、m 。j ：接，凼 此支持i p 电话的所有类型。 个人网关的设计分为硬件和软件两部分。本文介绍了个人网关的总体系统的设 计与实现，其中重点介绍了硬件的设计、实现与调试。本文首先从现有i p 电话的发 展及其局限性入手，介绍了个人网关这一课题的的背景并分析得出个人网关的丌发 目标。然后分析了个人网关实现过程中的主要困难并提出了相应的解决办法，最后 给出了详细完整的解决方案。本文最后介绍了个人网关的调试过程和测试结果，并 从理论上分析了基于个人网关的i p 电话性能。 f 本人在个人网关项目中参与设计系统总体方案，并负责硬件方案的制定，硬件 电路的设计和调试以及驱动程序的编写和调试，最终配合应用软件部分调试成功。卢 r 关键词：爵关，个人网关，d s p ，g7 2 3 1 ，h 3 2 3 协议栈 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h ei pp h o n ei no u rc o u n t r ym a i n l y e x i s t si nt h eh y b r i di pp h o n en e t w o r k s ， t h a ti s f r o mp s t nt oi pn e t w o r k st h r o u g ht h eg a t e w a yc o n n e c t i n gp s t na n di p n e t w o r k s ，t h e nr e a c h i n gd e s t i n a t i o np s t nt h r o u g ha n o t h e rg a t e w a y i nt h i sw a y , t h ei p p h o n es e r v i c ep r o v i d e rc a no n l yp r o v i d et h es e r v i c eo f ”p h o n et op h o n e ”f o ru s e r s a n o t h e ri m p o r t a n tf a c ti st h a t m o s tf a m i l yn e t w o r ku s e r st a k et h e ”d i a l - u p c o n n e c t i o nt o t h ei n t e r n e t s ot h eu s e r sc a n n o tp h o n ea n ds u r ft h ei n t e r n e ts i m u l t a n e o u s l y t h u s ，an e w c o n c e p t i o no f ”p e r s o n a lg a t e w a y ”i sp r o p o s e di nt h i st h e s i s ，w h i c h c a nn o to n l ys o l v et h e c o n t r a d i c t i o no f p h o n ea n dd i a l u pc o n n e c t i o n ，b u ta l s op r o v i d et h r e ek i n d so f n e ws e r v i c e ： p ct op c ，p ct op h o n ea n dp h o n et op c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb r o a d b a n da c c e s s n e t w o r k t h et r u ei pp h o n ec a nb ea c h i e v e dw i t h o u tp s t n t h em a i ni d e ao fp e r s o n a lg a t e w a yi st h a tb yt r a n s f e r r i n gt h em a i nf u n c t i o n so f o r d i n a r yg a t e w a yf r o m t h ep s n t ot h ep e r s o n a l c o m p u t e r , t h et e l e p h o n e g a l lb e c o n n e c t e dt ot h ep e r s o n a lg a t e w a yd i r e c t l yw h i c hf u n c t i o n sa sa ni p p h o n eg a t e w a y w h e n d i a l - u pc o n n e c t i o ni ss e tu p ，t h ec u s t o m e r c a ns t i l lm a k eo rt a k ea p h o r i ea tt h es a m e t i m e m o r e o v e r , p gc a nb ec o m p a t i b l ew i t hp r e s e n tg a t e w a ya n dg a t e k e e p e rp r o v i d e db y i pp h o n es e r v i c ep r o v i d e r t h e r e f o r e ，p e r s o n a lg a t e w a ys u p p o r t sa l lk i n d so fi pp h o n e s s e r v i c e t h ed e s i g no fp e r s o n a lg a t e w a yi n c l u d e st w op a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ew h o l es y s t e ma r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，o fw h i c ht h e h a r d w a r ed e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n dd e b u g g i n ga r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h i st h e s i s ，t h e s t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fp r e s e n ti pp h o n ea n di t si i m i t a t i o n sa r ei n v e s t i g a t e da tt h e b e g i n n i n g t h ef o l l o w i n gc h a p t e r i n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n d o ft h i s p r o j e c t a n d s u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n tg o a lo fp e r o n a lg a t e w a y a f t e rt h a t t h ed i f f i c u l t i e si nt h e i m p l e m e n t a t i o no fp e r s o a n lg a t e w a ya r ea n a l y z e da n dc o r r e s p o n d i n g r e s o l u t i o n sa r e p r o p o s e d a n dt h ec o m p l e t ea n dd e t a i l e ds c h e m ei sd e s c r i b e da c c o r d i n g l y a tt h ee n do f 。 t h i st h e s i s ，t h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n gr e s u l to fp e r s o n a lg a t e w a yi sd e s c r i b e d ，a n dt h e p e r f o r m a n c e o fl pp h o n eb a s e do ni ti sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h ea u t h o r se n d e a v o ri nt h i s p r o j e c t i n c l u d e s ：s c h e m e d e s i g no fh a r d w a r e a n d p a r t i c i p a t i o n i nt h ew h o l es y s t e ms c h e m ed e s i g n ；d e t a i l e d d e s i g n a n d d e b u g g i n g o f h a r d w a r ea n dd r i v e r ；c o o p e r a t i o nw i t ht h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e b u g g i n g k e yw o r d s ：g a t e w a y , p e r s o n a lg a t e w a y , d s p , g 7 2 3 i ，h 3 2 3p r o t o c o ls t a c k 华中科技大学硕士学位论文 1 综述 当今互联网的发展正不断的从单一的数据业务向多媒体业务演变，各种i p 相 关技术也随之迅猛发展，i p 电话就是其中之一。 1 1ip 电话的发展现状 l p 电话技术的发展归功于技术推动和市场驱动。i p 电话从9 0 年代初发展至今， 己由初期的i p 电话软件时期进入到i p 电话网关时期。网络设备及通信设备厂商竞 相在这个市场中取得立足之地，将v o l p 功能尽可能地内置到每个网络设备中，各 种产品纷纷抢占市场，各家运营商也纷纷丌展这方面的业务i p 电话早已走出实验 室，进入网络，进入市场。 自1 9 9 9 年4 月开始，我国丌始进行i p 电话试验，最先丌通i p 电话试验的包括 中国电信、中国联通和中国吉通，中国网通从1 9 9 9 年8 月成立后，并于同年1 0 月 丌通了j p 电话试验刚。2 0 0 0 年4 月1h 中幽厄) ：通i pj 乜舌业务，现在f 中心电 信、中国联通、吉通、网通、中国移动和铁通六家i p 电话运营商。 自2 0 0 0 年4 月f 式丌通以来，我国i p 电话发展保持较高的发展速度。根据统 计，2 0 0 1 年上半年我国i p 电话业务总量超过了8 0 亿分钟，是2 0 0 0 年全年业务量 的2 倍多。 电信资费进行了结构性调整后，i p 电话也相应地进行了价格调整，虽然减少了 与普通固定电话的价格优势，但其价格优势仍然较为明显。2 0 0 1 年上半年以柬，我 国i p 电话仍然保持了较为快速的增长势头。一方面是人们丌始习惯使用i p 电话方 式进行沟通，另一方面是国内长途在电信业务重仍然是最主要的业务。【2 1 2ip 电话技术优势 i p 电话的迅猛发展得益于i p 电话的技术优势。与传统的电话比较，i p 电话具 有如下优点： ( 1 ) 节省带宽。电路交换电话消耗的带宽为6 4 k b i t s ，而i p 电话一般只需 1 0 - 2 0 k b i t s ，从而节省了带宽，降低了成本。 ( 2 ) 通话费用低。成本的降低，使通话费用随之下降，尤其是长距离通信。 ( 3 ) 可以方便的集成智能。i p 电话网继承了计算机网的智能模块，可以灵活的 华中科技大学硕士学位论文 控制信令和连接有利于各种增值业务的丌发。 ( 4 ) 丌放的体系结构。i p 电话的协议体系是j f ：放式的，有利于各个r 商产品的 标准化和之1 8 j 的互相连通。 ( 5 ) 多种业务的集成。i p 电话网络同时支持语音、数据、图象的传输，为将来 提供多媒体业务打下了基础。 1 3 lp 电话的发展前景 f 1 ) 新的市场机会和运营方式 i p 电话的出现预示着传统的电信业正面临挑战。i p 电话要和普通电话竞争，成 为未来语音通信的一种手段必须解决以下3 个问题：是语音质量应与普通电话相 当：二是呼叫和建立连接的方法要简单、方便；三是要有统一的标准，世界各地各 厂家的产品能互相通话，并且还应建立相应的计费方法和利润分配机制。由于i p 电话具备一定的技术优势和时代特征，一旦上述问题能较好地解决，i p 电话会对传 统电话产生巨大冲击，在市场方面占据一席之地。 i p 电话由于其技术特征，只要具备网关等设备并和i p 网络和电话网络瓦连 后即可提供业务，业务发展的速度非传统电话可比，而且，只要市场条件许可，其 运营方式亦十分灵活，大量的i s p 均可迅速提供业务。 ( 2 ) i p 电话相关设备市场前景看好【2 1 由于网关设备是i p 电话网络中的关键设备，所以i p 电话业务的迅速发展将大 大推动网关设备的市场，到2 0 0 2 年i p 电话网关市场的价值约为2 5 亿美元，网关 设备制造商将是市场激增的最大收益者。预计到2 0 0 5 年，中国i n t e m e t 国际出口将 达到1 0 0 0 m b p s ，可容许4 万用户同时进行国际长途通话，每年可节约话费3 0 0 亿 人民币。用于i p 电话服务器的直接业务投资约1 5 亿元人民币，i p 电话设备市场规 模将为3 0 亿元左右。 f 3 ) 基于i p 电话的增值服务 i p 电话的价格优势会因管理的规范化及市场竞争的加剧而减弱，而其通话质量 则会因技术的进步而改善。因此，如何发挥i p 电话固有的优势就显得非常重要， 而发展增值服务将是i p 电话生存和发展的关键之一。用户对i p 电话的认识将不应 再局限于它的价格，而更应趋向于基于v o i p 的更多增值服务，如i p 传真，w e b 呼 叫，语音转e m a i l ，e m a i l 转语音等等。 对于新兴的运营商来说，丌发增值服务给了i p 电话一个新的定位。而对于传 统电信运营商来说，开发这种增值的i p 电话服务既可以发挥原来电话网的优势， 又可以发挥i p 电话通话方式多种多样的优势。增值服务讵成为i p 电话的新卖点。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 p 电话将带动网络的多种业务融合 i p 电话的生命力不仅是带给人们便宜的价格，而是这种传输方式更符合技术的 发展潮流，它是数据通信网( 俗称数据网、计算机网) 、电信网、电视网( 合有线 电视网) 三网合一的起始点。节省费用只是i p 电话众多优点中的一小部分，但在 目前i p 网络基础设施建设阶段，设备成本和基本电话功能的可用性促成了i p 电话 的最初应用。i p 电话的应用领域十分广阔，它还可提供多媒体功能和呼叫管理功 能，如交互式w e b 商务、呼叫中心、l a n p b x 、协同计算、企业传真等。最终可提 供一体化信息处理，在高速线路上提供多条虚拟线路，并提供多媒体会议、智能代 理( i n t e l l i g e n ta g e n t ) 及信息业务等。 i p 电话从廉价呼叫起步，然而其真正意义在于逐步与视频及数据通信技术的结 合，向多媒体应用方向发展，从而带动网络融合。可以想象，未来的数字信息时代， 互联网将解除人们目前受到的各种通讯限制，实现真正意义上的自由移动。今后不 论被叫方身在何处，通信网络将会自动把打给他( 她) 的电话或其他方式的通信转 接到他( 她) 所使用的通信设备上，而不论这种设备是电脑还是其他通信工具。 1 4p g ( p e r s o n a l g a t e w a y ) 个人网关的课题背景、来源和意义 目前我国各主要i p 电话运营商提供的都是基于混合式i p 电话网的i p 电话。混 合式i p 电话网络结构如下图所示： 图1 1 混合式i p 电话网结构图【。0 1 采用混合式i p 电话网络的主要原因是为了能够使广大用户通过传统电话网络 接入到i p 网络中。而连接传统电话网与i p 电话网的的重要设备就是网关，它是实 现i p 电话的关键。它一边连接着传统p s t n 网络，一边连接着i n t e r n e t ，用户的话 华中科技大学硕士学位论文 音通过p s t n 传送到网关，网关对它进行压缩、分组和一些保证质量的处理，将i p 话音分组发送到i p 网上传送，到达对方所在地的网关后，对话音分组进行相反的 处理，形成话音信号经过p s t n 传输到对方的电话机。 网关正是由于它把p s t n 网与i n t e m e t 网相连接这一特点，给用户带来了极大 的方便，但也正是因为这一特点而造成了混合式i p 电话网络的局限性。首先，它 提供的i p 电话业务类型有限，一般只有p h o n e p h o n e ( 电话到电话) 和p c p h o n e ( 计算机到电话) 两种；其次，随着计算机和i n t e m e t 进入了越来越多的家庭，现 在大多数用户都是通过家中的电话连入i n t e m e t ，但现在上网简直就意味着与电话隔 绝。如果在上网的同时又能通过话机拨打或接听i p 电话，那不是两全其美吗? 第 三，宽带网的发展将是大势所趋，目前的网关设备在宽带网中将不能充分发挥它的 作用。因此，我们想设计出一种设备，可以与现有i p 电话系统相配合，既能实现 普通1 p 电话网关的功能，同时又使用户在上网的同时能拨打接听电话。而且，我 们希望这一设备不仅仅能适用于当前窄带网和宽带网并存的情况，随着宽带网的真 正到来，这一设备能作为用户的一个专用i p 电话机终端，能够取代现在普通电话 的功能，并彻底旁路p s t n 。这也就是p g ( p e r s o n a lg a t e w a y ) 个人网关这一课题 的产生背景。 我们采用p e r s o n a lg a t e w a y ( 个人网关j 这。名称，也是借鉴了删关( g a t e w a y ) 的思路。因为它必须要完成某些类似网关的功能，如语音处理以及呼叫处理等，但 它不等同于网关，它只连接单个( 或多个) 用户，而不是连接传统的p s t n 网络， 因此也无需完成信令翻译等功能。因此个人网关并不等同于网关。 p g ( 个人网关) 是由深圳三九电脑公司出资，由华中科技大学承接的项目。2 0 0 1 年初，深圳三九电脑公司与华中科技大学达成合作开发意向。2 0 0 1 年3 月，由深圳 三九电脑公司出资，华中科技大学合作丌发p g ( 个人网关) 的项目正式启动。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 p 电话的体系结构 由于p g ( p e r s o n a lg a t e w a y ) 是基于现有i p 电话体系上的一个新型终端设备， 并能与现有i p 电话体系兼容。为了更好的了解p g 这一课题的目的与意义，先让我 们了解一下现有i p 电话的组成。 2 1 i p 电话协议 根据目前制定的协议情况和各标准组织的工作重点，与i p 电话相关的协议主 要可分为两大类：h 3 2 3 协议和s i p 协议。目前各组织对在i p 网络上承载实时业务 ( 话音，视频等) 的方式大致相同，均是利用了源自i e t f 的r t p 协议，但是在呼 叫建立和控制方面有不同的方案。根据中国信息产业部制定的 i p 电话传真业务 总体技术要求和l i p 电话网关设备互通技术规范，我国的i p 电话采用h 3 2 3 协 议什l ”。t o t3 2 3 协议制定了无q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证的分组网络上的多媒 体通信标准。因此，h 3 2 3 协议为l a n 、w a n 、i n t r a n e t 、i n t e r n e t 上的多媒体通信 应用提供了技术基础和保障。h 3 2 3 协议目前是i p 电话市场上的主流，因为它具有 下列优点： ( 1 ) h 3 2 3 为现有的分组网络( 如i p 网络) 提供多媒体通信标准。若和其他 的i p 技术如i e t f 的资源预留协议r s v p 相结合，就可实现i p 网络的多媒体通信。 ( 2 ) 基于i p 的l a n 正变得越来越强大，i po v e rs d h s o n e t 、i po v e ra t m 技术e 快速发展，l a n 带宽j 下在不断提高。 ( 3 ) h 3 2 3 提供了分组网络与别的网络如p s t n 网络之间进行多媒体通信的互 联互通标准。 s i p 协议是一种基于文本的协议，它的出发点是想借鉴w e b 业务成功的经验， 以现有的i n t e m e t 为基础来构架i p 电话业务网。它不像h 3 2 3 协议那样提供所有的 通信协议，而是提供呼叫的建立控制功能相关的协议。s i p 协议具有简单、灵活、 扩展性强都优点，但对i p 网与p s t n 网之间的接口支持得不是很好。 2 1 1 h 3 2 3 通信协议栈 h 3 2 3 属于i t u 多媒体通信协议系列h 3 2 x 的一种，提供基于分组网络的话音， 塑塑：塑堡塑揎型簦迹这! 旦：2 翅苤笪垃这鱼堑h ：2 鱼：h ：2 ! 扭题编强拯蕉： 5 华中科技大学硕士学位论文 g 7 1 1 、g 7 2 3 、g 7 2 2 、g7 2 8 等音频编码标准，t 1 2 0 多点数据会议系列标准，h 2 2 5 0 分组和同步标准，h 2 4 5 系统控制标准等。h3 2 3 系统中的通信可以看成是视频、 音频、控制信息的混合，其协议栈如下图所示 会议拄制和 h2 4 5 +g7 1 l + 丁】2 6丁1 2 7g7 2 2h2 6 1 h2 5 50 +g7 2 8h2 6 3 t 3 2 4g7 2 3 1 t l2 4 t 1 2 5r a s +g7 2 9 a 下1 2 3r t p + r t c p + t c pu d p 网络层( i p ) 链路崖 物理层 j 坍议拽叫以作如f 分类： a视频编码：h2 6 1h2 6 3 b话音编码：g7 1 lg7 2 2 g 7 2 8 g7 2 9 g7 2 3 c数据通信：t 1 2 0 d呼叫挖制：h2 2 5 ( 包括竹令、注册、分组人包等) c 系统控制：h2 4 5 ( 包括呼叫、功能协商等) f实时传送协泌：r t p r t c p 图2 1h 3 2 3 协议栈 系统控制：整个系统控制由h 2 4 5 控制信道，h 2 2 5 0 呼叫信令信道以及r a s 信道提供。 分组与同步：h 2 2 5 0 对传输的视频、音频、数掘与控制流进行格式化，以便 输出到网络接口，另外还完成逻辑帧、顺序编号、纠错与检错功能。 音频编解码器标准：h 3 2 3 必须支持g 7 11 语音标准，其他压缩标准如g 7 2 3 、 g 7 2 9 等可选。编码器使用的算法必须由h 2 4 5 来确定。 视频编解码器标准：h 3 2 3 必须支持h 2 6 1q c i f 格式，可选择支持h 2 6 1 的其 他格式以及h 2 6 3 标准。 数据会议标准：数据会议t 1 2 0 是可选功能。 i p 网络种的多媒体通信协议：在h 3 2 3 多媒体通信系统中，控制信令和数据流 的传送利用了面向连接的传输机制。在i p 协议栈中，i p 与t c p 协作，共同完成面 向连接的传输。可靠的传输保证了数据包传输时的流量控制、连续性以及正确性， 华中科技大学硕士学位论文 但也可能因此造成传输时延以及占用网络带宽。 h 3 2 3 将可靠的t c p 用于h2 4 5 控制信道、t1 2 0 数掘信道、呼叫信令信道。 而视频和音频信息采用不可靠的、面向非连接的传输方式，即利用用户数据包协议 u d p ( u s e rd a t ag r a mp r o t o c 0 1 ) 。u d p 无法提供很好的q o s ，只提供最少的控制信 息，因此传输时延较t c p 小。 话音在i p 网络上的传输主要由u d p 包完成，它虽然高效、简单、延时小、实 时性强、但它无法控制输出定时的时间标记，而且较小的延时会干扰话音，因此它 不可能提供可靠的传输。为了解决这一问题，人们提出了r t p 和r t c p 。r t p 协议 是在u d p 上实现的，它在u d p 包上再进行r t p 的封包，以保证数据传输的时序关 系。每个u d p 包均加上一个包含时标和序号的包头。若接收端配以适当的缓冲， 那么它就可以利用时标和序号信息“复原、再生”数据包、记录失序包、同步语音、 图像和数据以及改善连接重放效果。r 1 p 把封包进行排序，并检查包的丢失情况， 从而降低了网络引起的时延和抖动。但是，r t p 本身并不提供任何机制去减少延时 或确保数据的准确传输及其他服务质量( q o s ) 要求。 实时控制协议r t c p 用于对r t p 的控制，监视q o s 如时延和带宽等，并把网 上传送的包含q o s 的控制信息包定期分发给所有通信信点。如果可用带宽降低， r i - c p 会立即把带宽变窄的信息通知源端，源端将掘此信息进行必要的调整后发送。 由于h 3 2 3 基于r t p r t c p ，因此它可在i n t e r n e t 多点广播骨干网i m b 或具有 多点广播能力的i n t e r n e t 虚拟网上运行，并支持音频、视频和数据多媒体通信。 2 1 2h 3 2 3 协议和ip 电话 h 3 2 3 系列标准中有关i p 电话系统的最为重要的标准有：h 3 2 3 、h 2 2 5 0 、t 3 8 、 h g c p 、h 2 4 5 、h 4 5 0 x 、h 2 3 5 、g 系列( g 7 1 1 、g7 2 3 1 、g7 2 9 a 、g 7 2 8 等) 。 各标准内容如下： h3 2 3 ：定义全局操作和过程 h 2 2 5 o ： 定义注册、入场、状态( r a s ) 信令控制和q 9 3 1 媒体流打包与同 步 t 3 8 ：定义实时传真协议 h g c p ：定义媒体网关控制协议( 也就是m g c p ) h 2 4 5 ： 定义媒体通道打丌、关闭以及其他命令、请求与指示 h 4 5 0 x 定义补充服务 g 系列：定义语音压缩和解压标准 h 2 3 5 ： 定义系统认证、加密与完整性安全框架 华中科技大学硕士学位论文 2 2ip 电话的体系结构以及功能特点 目前最常见的i p 电话网络是混合式i p 电话网络，也就是将p s t n 和i p 网结合 起来，充分利用p s t n 的现有资源，减少投资成本，也是目前运营商提供i p 电话业 务的主要方式。在混合式i p 电话网下，一个典型的i p 电话系统出网关( g a t e w a y ) 、 网守( g a t e k e e p e r ) 、网管( n m ) 和支持系统四个部分组成。各部分功能如下： 22 1 网关 在i p 电话网络体系中，网关( g a t e w a y ) 是重要的组成部分之一，是实现i p 电话的关键。i p 电话网关设备是传统的电话网p s t n 与i p 网之间的分界，承担着 两者问的互通功能。这样，本地的话音走本地电话网，而长途的话音经过i p 网来 传输，或者浣通过i p 网旁路掉电话网的长途线路，从而大大节省了费用。 网关是专门完成转换功能的产品，用户的话音经过p s t n 传送到网关，网关对 它进行压缩、分组和一些保证质量的处理，完成电路交换与分组交换之间的协议转 换，对小川语音传送格式和通信规程进行刮泽，将i p 话占分组发送到i p 网上传送， 到达对方所在地的网关后，对话音分组进行相反的处理，形成话音信号经过p s t n 传输到对方的电话机。网关的主要功能如下【5 l ： 完成p s t n 侧的呼叫建立和释放，完成i p 网络侧的呼叫建立和释放 完成语音编码和打包、回声消除、静音检测，并提供收端缓存功能 完成语音编码方式的转换和信令协议的转换 能够在通话开始时采集计费信息，并在通话结束时或定期向计费认证中 心传送计费信息 能够自动识别语音、传真业务 实现t 3 0 和t 3 8 通信规程 实现h 3 2 3 、 l 2 2 5 、h2 4 5 、r t p 、r t c p 、中国一号等协议 至少支持g 7 1 1 、g 7 2 3 、g 7 2 9 三种语音编码格式 提供用户交互信息和查询 网关设备的接口，完成配置、统计、故障查询、告警等功能 网络的q o s 测试 通常的i p 电话网关包括：语音接口卡以及一套功能齐备的呼叫管理软件。语 音接口卡支持多个e 1 接口以及以太网接口。呼叫管理软件安装在现有网络的一台 服务器上。每个i p 网关被赋予一个i p 地址，陔i p 地址在网守的地址映射表中注册。 壅全壅互塾丝竖豳羞主塑鱼适呈型堕塾盛盟查盟垫丝：堡唑! ! 鳖垄鏊堡丛些筐鱼堑 华中科技大学硕士学位论文 系统配置、呼叫管理、呼叫建立和终止、话音支持、路由器广域网优先权协议以及 内嵌的s n m p 网络管理。 2 2 2 网守 网守( g a t e k e e p e r ) 是i p 电话通信网络中的重要组件，可以为i p 网络的管理者 提供强有力的维护和监控功能。在整个通信过程中，网守提供呼叫方面的控制服务， 可与终端、网关和网管中心共存于一个设备：此外，网守还提供地址转换功能、通 话许可控制和网络带宽控制等服务。 网守就相当于网络中的智能集线器，把各个网关智能地集合在一起，进行统一 管理、维护、配置和开发。一般来讲，网守都具有以下几个共同的功能。 呼叫控制功能 网守提供p c 到p c 、p c 到i p 网关以及i p 网关到i p 网关等三种终端业务的支 持。当呼叫来到时，网守对呼叫终端进行验证，符合业务要求的呼叫才被许可通过， 并给予一个可连接的网关的地址。也就是说，在一个i p 电话的通信建市过程中， 网守负责对呼叫进行身份和密码验证，并完成呼叫的初始化功能。 地址翻译 对于来自i p 网络外的呼叫，例如p s t n ，当呼叫到达网关时，网关会收到一个 符合e 1 6 4 标准的号码地址( 如0 0 8 6 一0 2 7 8 7 5 4 1 6 0 2 ) ，来表示目标终端的地址。 网关的地址翻译功能就是把这个e 1 6 4 地址转换成i p 网络可以识别的方式，也就是 常见的i p 地址( 如：1 9 2 1 6 8 0 1 ) ，而在i p 网络内就是靠i p 地址来进行寻址和路 由选择的。如果目的网关不在本区域中，本级网守向上级网守或邻近网守请求在别 的区域中查找。找到目的网关后在认证通过消息( a c f ) 中返回其i p 地址，未找到 返回认证拒绝消息( a r j ) 。 带宽管理 网守可以通过发送远程访问服务( r a s ) 消息来支持对带宽的控制功能。例如， 网络管理人员可以规定一个门限，定义可以同时连接i p 电话网的最大值，当超过 这个门限时，网守将拒绝新的连接请求。通过规定门限值，可以限制网络可分配的 最大带宽，这样就可以把剩余的带宽用来传输一些特定的应用了，如语音等。 拨号计划管理 对于i p 电话的运营者或者是管理者来说，控制提供给某个用户的权限和业务 种类，即规定用户可以使用何种业务类型以及业务所能达到的地域，是很重要的。 只有实现上述控制，运营商和网络管理者才可以根据不同的需求，向用户提供更加 华中科技大学硕士学位论文 多样的业务。 网管代理 网守具有网管设备的接口，以利于网管完成对网守的配置、统计、故障查询、 告警等功能 2 2 3 网管 网络管理负责网络设备的数据配置、状态监控和故障处理等工作，主要功能为： 配置管理：管理设备的配黄文件，配置网络节点设备部件、端口，配置网 络节点的设备系统软件和初始数据，配置网络业务，并对配置操作过程的 记录进行统计。 性能管理：自动获取网络拓扑结构及网络的配置，实时监控设备状态；通 过对被管对象的监控和轮询，获取网络的运行信息及统计数掘并进行网络 的性能统计，并对历史统计数据进行分析；优化网络性能实现网络流量均 匀分布：提供手工设置性能的功能。 故障管理：生成错误日志，对日志进行维护并形成故障统计；针对错误检 测报告作出反应；跟踪、辨认错误；执行诊断测试；手动或自动纠正错误、 排除故障。 安全管理：网管系统应提供严格的操作控制和存耿控制，采取高级别、多 层次的安全防护措施，自动记录非法信息和系统的状态，以便系统出现安 全问题时能容易的找到原因；网络管理系统对各种配置数据、统计数据采 取备份、保护措施，采用多级别的方法，备份用户数据：当网络系统出现 故障时，能自动和人工恢复证常工作，不影响网络的f 常运行。 2 2 4 支持系统 支持系统由计费、认证和受理终端三部分组成，主要功能如下： 计费数据生成 利用网守提供的标准、丌放的数据接口，将每一次呼叫产生的详细记录上传到 本地数据库，形成计费数据，并根据费率生成帐单。 鉴权及安全管理 接受由网守发起的用户接入认证请求。其口令控制和鉴权保证了只有被授权的 用户爿能进入系统。有关呼叫的统计数据保证了对不规则呼叫的监控以及对系统安 o 华中科技大学硕士学位论文 全性的跟踪。支持卡号用户的漫游认证。 用户帐号管理 可以进行用户帐号登记和注销的管理，完成网关设备的登记和注销等功能。 2 3 i p 电话的业务类型及流程 一般的，常用i p 电话系统提供两种基本业务，电话到电话( p h o n et op h o n e ) 和计算机到电话( p ct op h o n e ) 。我们以电话到电话为例介绍一下混合i p 网中电话 的流程。 其流程图如图2 3 所示： 整个拨打过程大致分为三个阶段，即呼叫建立，通话和呼叫拆除。各个步骤解 释如下： f 1 ) 主叫用户拨打i p 电话接入号码( 如1 7 9 x x ) ，根据主叫网关的i v r ( i n t e r a c t i v e v o i c er e s p o n s e ) 输入卡号、密码和被叫号。主叫网关根据所搜集到的信息， 利用h 2 2 5r a s 的消息a r q a c f a r j 与网守通信，进行身份认证、地址解 析。 ( 2 ) 若认证未获通过，主叫网关向p s t n 侧发送拒绝消息。若认证通过，则主叫 网关获取被叫网关的解析地址。通过h 2 2 5c a l ls i g n a l i n g 信道( q 9 3 1 ) 与 被叫网关通信，进行呼叫连接。使用“呼叫建立”( s e t u p ) 命令向被叫网关 发起一次呼叫。 ( 1 ) 若认证未获通过，被叫网关收到a r j ，向主叫网关发送释放完成r e l e a s e c o m p l e t e 消息。若认证通过，被叫网关向p s t n 发送呼叫建立请求，请求 接续被叫。若被叫振铃，被叫网关向主叫网关发送提醒a l e r t i n g 消息。主叫 网关收到该消息后向主叫发回铃音。 ( 2 ) 若被叫摘机，被叫网关向主叫网关发送“连接”( c o n n e c t ) 消息，接通主叫。 当h 2 4 5 逻辑通道建立成功后，启动计费计数器计数，进入通话阶段。若 “c o n n e c t ”后，在h 2 4 5 打开逻辑通道期间，网关与网守进入脱离呼叫处 理，网关要在上传到d r q 消息中的t e r m i n a l c a u s e 置为e s t a b l i s h e d f a i l e d ， 网守可以根据它不对用户进行计费。 ( 3 ) 当通话结束时，进入呼叫拆除阶段。呼叫的释放采用互不控方式，分主叫用 户先挂机和被叫用户先挂机两种情况。以主叫用户先挂机为例，当主叫网关 收到p s l n 送来的主叫挂机消息后，主叫网关开始停止计费，关闭逻辑通道， 终止会话，向被叫网关发送释放完毕r e l e a s ec o m p l e t e 消息，被叫网关在 收到该消息后向p s t n 侧送主叫挂机消息，并利用“脱离呼叫”( d r q ) 消息 l l 华中科技大学硕士学位论文 将计费信息发送到网守( 若由被叫发起挂机，则在关闭逻辑信道、结束会话 完成后，由被叫发送“释放完成”引起主叫网关停止计费，并通过d r q 消 息上传计费信息) 。网守收到d r q 消息，释放相应的呼叫控制信息，进行 计费处理。根据处理结果向主叫网关回送“脱离呼叫确认”( d c f ) 。 ( 4 ) 收到p s t n 发来的挂机消息后，立即停止计费，关闭h 2 4 5 逻辑通道信息， 向被叫网关发送“结束会话命令”( e n ds e s s i o nc o m m a n d ) i f i 息。被叫网关 拆除h 2 4 5 通道信息，向主叫网关回送“结束会话命令”f e n ds e s s i o n c o m m a n d ) 消息。然后主叫网关向被叫网关发送“释放完成”( r e l e a s e c o m p l e t e ) 消息。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 上叫用 i 呼叫建矗 hz 撕0 逋晡 i 一 一 霎拳 j 1 i 图2 2“电话一电话”式i p 电话通信流程 叫身价验证 地址解忻 逻辑竹道 t 点7 华中科技大学硕士学位论文 2 4 现有ip 电话实现方案的不足 除了i p 电话运营商提供的上述两种业务类型即电话到电话( p h o n e - - p h o n e ) ， 计算机到电话( p c p h o n e ) ，还有许多软件厂商提供计算机到计算机( p c p c ) 这一业务类型。这3 种业务类型虽然能够满足用户的不同需要，但还存在许多不足 之处： 1 p c p c ：该方案是在通信双方用户联网的p c 机上配置一个声卡、话筒、 扬声器和i p 电话软件( 如n e t m e e t i n g ) 就可通话。这种类型的i p 电话有 定的局限性，首先，从p c p c 这一拨打方式比较复杂；其次，它要求主口q 方和被叫方同时与i n t e r n e t 相连，且同时运行这一相应软件时方可通话，这 意味着这项应用必须要提前预约：第三，它不支持h 3 2 3 协议，因此不能与 现有网关结合使用：最后，不同公司开发的软件之间不兼容，双方必须使用 同样的软件，且一般通话双方都要有全双工或半双工的声卡和话筒才可正常 通话。因此产生了p h o n et op h o n e 的方案。 2 p h o n e p h o n e ：这是现在最常见的i p 电话形式，通过p s t n 和网关设备拨 打i p 电话。网关设备通常比较复杂，般支持多个e l 接 1 ，要完成p s t n 侧和i p 网络侧呼叫建立和释放，要进行p s t n 信令与 l 3 2 3 之间信令的转 换。这一方案使得拨打i p 电话变得容易得多，只要有电话的家庭都可以拨 打l p 电话，但由于现在网络已开始走迸越来越多的家庭，单纯这一方案显 然不能满足即想上网又想拨打或接听电话的用户的需要。 3 p c p h o n e ：这种类型的i p 电话主叫方的计算机与i n t e m e t 相连，主叫方需 要在自己的计算机上安装相应的软件，购买账号并注册为合法用户，运行后 即可与任意一台电话通话。这种方案是上两种方案的混合方式，即通信双方 一方采用p c 机方式，另一方采用网关方式。这一方式也具有明显的局限性， 即主叫方只能在p c 机方。 对以上各种方案的缺点，我们希望新的p e r s o n a lg a t e w a y 方案能够克服以 上方案的缺点，即它应在支持以上三种方案的同时还能支持p h o n e p c 。 综上所述，p g ( p e r s o n a lg a t e w a y ) 不仅是针对目前混合式i p 电话网的局 限性，而且是针对目胁所有i p 电话实现方案的不足提出的种新方案。 华中科技大学硕士学位论文 3 p g