（信号与信息处理专业论文）局域网ip电话机主芯片的eda设计与fpga实现（接收部分）.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：逖鉴日期：2 驴哆年多月西日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：谗建墀导师签名：，挡至堡： 日期：z 口。年弓月z 日 摘要 本项目完成的是局域网i p 电话机的设计与f p g a 实现。系统以a l t e r a 公司 的a c e x1 k 系列的f p g a 和快速以太网控制器r t l 8 2 0 1 l 和语音编解码芯片 m s m 7 7 0 2 ，3 为核心构建了数据处理主板和以单片机为控制器的拨号显示子板组 成。数据处理丰板的核心任务，包括语音数据处理、以太网帧处理、协议处理、 呼叫处理等。拨号显示子板则完成通话前的显示用j 。所拨过的i p 地址，通话期 间网络状态的显示等等。本文首先介绍了局域网f p 电话系统和t c p i p 协议等相 关原理，然后着重介绍了f p g a 的相关知识。在第四章，仔细d l ：述了基于f p g a 的系统硬件总体方案，紧接着在第五章详细阐述了系统中f p g a 的具体实现。我 在项目中完成的工作：与项目组成员合作制定系统方案及根据要求选择芯片，设 订数据处理主板，制作p c b 板并加以调试；数据处理主板中的局域网i p 电话机 主芯片中接收部分的f p g a 设计、仿真和调试。经过仿真凋试证明，局域i 叫i p 电话机达到了设计要求的性能指标。 关键词：以太网、f p g a 、i p 电话、t c p p 协议、r t p 协议 a b s t r a c t t h ed e s i g na n df p g ai m p l e m e n t a t i o no fl a ni pt e l e p h o n eh a sb e e n c o m p l e t e di n t h i sp r o j e c t t h es y s t e mi sc o n s i s to ft h em a i nd a t ap r o c e s s i n g b o a r dw h i c hi sb a s e do n t h ef p g ad e v i c ea n df a s te t h e r n e tp h y c e i v e rr t l 8 2 0 1 l a n da - l a wp c md a t ae n c o d e ra n dd e e o r d e rc h i pm s m 7 7 0 2 3 ，a n dt h ed i a b u p a n dd i s p l a yb o a r d w h i c hi sb a s e do nm c u t h em a i nb o a r dw o u l dc a r r yo u tt h e c o r et a s ko fd a t ap r o c e s s i n g ，s u c ha sv o i c ed a t ap a c k i n ga n du n p a c k i n g ，t h e e t h e r n e tf r a m ep r o c e s s i n g ，p r o t o c o lp r o c e s s i n g ，c a l lp r o c e s s i n g ，e t c t h ed i a l u pa n d d i s p l a yb o a r dw o u l dc a r r yo u tt h et a s ko fd i s p l a yt h ei pa d d r e s sw h i c h i s i n p u t b yc o n s u m e ra n ds t a t u so fn e t w o r kd u r i n gt a l kp e r i o df r o mt h em a i nb o a r d ，a n d s oo n i nt h ep a p e rt h es y s t e mo fl a ni pt e l e p h o n ea n dt h et c p i pp r o t o c o li s i n t r o d u c e df i r s t l y , t h e nt h ef p g ad e v i c ei ss t a t e d a f t e rt h a tt h ef p g a b a s e d h a r d w a r es c h e m ei si n t r o d u c e di nd e t a i li n c h a p t e rf o u r i nt h ef i f t hc h a p t e rt h e i m p l e m e n t a t i o no ff p g ai si n t r o d u c e di n d e t a i l i nt h ed e s i g no fl a ni p t e l e p h o n e ，t h ea u t h o rh a sp a r t i e i p a t e di nt h ef o l l o ww o r k s ：t h es y s t e m d e s i g n ； s e l e c t c h i p s ，m a k et h es c h e m a t i cc i r c u i ta n dp c bb o a r do ft h em a i nd a t a p r o c e s s i n gb o a r da n dd e b u gi t t h ef p g ad e s i g n ，s i m u l a t i o na n dd e b u g g i n go f r e c e i v i n gp a r to fl a n i pm a i nc h i p t h i ss y s t e m h a sb e e nt e s t e da n dv e r i f i e da n d m e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：e t h e r n e t ，f p g a ，i pt e l e p h o n e ，t c p i p , r e a lt i m ep r o t o c 0 1 i i 电f 科技大学颂士沦文局域l 州i p 电话机士片的e 【) a 吐训。if p g , 、实眦( 接受部分) 第一章引言 随着计算机和宽带网络技术f 异月新的发展，以多媒体通信为主体的信息网 络以成为世界关注的热点。尤其是因特网( i n t e r n e t ) 的巨大成功，已使i p 成为 未来信息网络的支柱技术。i p 技术的浪潮消了信息产业和电信行业的传统界限， 加快了计算机网络、电信网络和有线电视网络走向融合的速度，使“三网合一” 成为热点。i p 电话是一种利用i n t e r n e t 或者其它基于i p 的网络( 如i n t r a n e t 、 帧中继、或a t m ) 作为传输载体实现普通电话与普通电话、p c 与p c 、p c 与普通 电话之间语音通信的技术。凼此l p 电话又称为网络电话( i n t ef n el 电话) ，采 用v o i p ( v o i c eo v e fi p ) 技术。i p 电话不同于传统电话，它采用的是分组交换 技术，在网络上传送的是数据包，而不是语音信号，所以，要把语音信号量化后 编码、压缩、打包( 分组) 变为数据流，传送到对方后又进行反变换，最终还原 为语音信号。由于i p 电话采用了分组交换和统计复用技术，实现了浯音、数据 的综合传输，使整个网络的运营成本大幅度降低，从而使得用广承受的通信费用 大大减少。 1 1i p 电话的发展过程和现状 自从i p 电话出现至今，它已经经历了几代演变。i p 电话发展的几个阶段和 几种形式： ( 1 ) 最初i p 电话的应用研究是基于i n t e r n e t 网上p c 到p c 的通话。主要 采用语音压缩、打包传送的方案，解决了通过i n t e r n e t 的p c 机之间的实时数据 传送问题。但是这种通信应用和公用电话通信有很大的差异，并且限定在 i n t e r n e t 网内，所以有很大的局限性。 ( 2 ) 采用在普通电话机端加装ip 电话呼叫盒的方式。通话时，首先利用公 用电话网连通到对端的呼叫盒，在敬得到对端的经inc e f 1 t 所需的地址等信启， 后，呼叫盒自动拆线。然后再经i n t e r n e t 完成两端呼叫盒的连接，至此，通证 双方开始通话。此种方式虽然说完成了电话到电话的通信，但由于没有标准，通 话双方需要用同一个厂家的产品，这样，用户既要增加终端的投资，又受到厂不 同型号呼叫盒的限制。并且，每次通话仍然需要占用电话网。 ( 3 ) i p 电话发展过程中的一个重大突破是1 9 9 6 年v o c a l t e e 公司推出了i p 电话“网关”服务器。i p 电话网关实现p s t n 和i n t e r n e t 的互通，进而实现电 电子科技大学硕士论文局域网i p 电话机主芯片的e d a 设计与f p g a 实现( 接受部分) 话到电话、p c 机到电话的实时通信。其费用仅为本地的电话费上加上很少的服 务费采用i p 电话网关实现p s t n 和i n t e r n e t 的互通。 第三代i p 电话系统一推出，受到市场欢迎，全球i p 电话业务逐年增加，。 目前公众网采用的是p s t n - i p 主干网络- - p s t n 这种第三代的i p 电话系统。随着 i n t e r n e t 和企业内部互联网在全球范围内的快速发展，越来越多的组织和公司 注重到了在i p 网络上传输话音可以减少电话和传真等传统电信费用，并开展先 进的多媒体应用。随着i p 电话质量的不断提高，功能的不断完善，将对未来的 通信方式产生巨大的影响，必将代替今天的公众电话交换网。 1 2l p 电话系统的关键技术 i p 电话在解决语音数据在i p 网络中传输质量的问题，和解决与现有的公众 电话网( p s t n ) 互通问题，采用了许多技术。这些技术概括为以下几个方面：话 音处理技术，i p 话音通信协议，网络管理和安全技术，终端技术。 1 语音处理技术： 话音处理技术主要解决两个问题：一是在保证一定话音质量的前提下尽可能 降低编码比特率，二是在i p 网络环境下保证一定的通话质量。前者主要是低比 特话音编码技术包括静音检测；后者包括分组丢失补偿技术和回波抵消技术。 其中低比特话音编码技术有：波形编码和参数编码两类。波形编码的基本思路是 忠实的再现话音的时域波形，利用相邻采样点之间的信息冗余性，对差分信号进 行编码。其代表性的有g 7 2 6 标准话音编码。参数编码是根据对声音形成机理分 析，构造话音生成模型，该模型以一定的精度模拟发话者的发声声道，接收端根 据该模型还原生成话音。其代表性编码的有g 7 2 8 ，g 7 2 9 ，g 7 2 3 1 等。 2 i p 话音通信协议 统一的协议是i p 电话实现全网互通、走向商用的关键。i p 话音通信协议包 括以下几个部分： 话音通信控制协议：该协议主要是解决电信网中的呼叫控制信令在i p 网络 中封装、传输的协议。 话音信息传送协议：解决i p 电话系统话音分组应如何封装、复用和传送的 问题。 会议电话控制协议：用于会议电话系统中的控制。 实时控制协议：解决实时话音通信中的一些问题的协议。 2 一 电了科技大学硕j _ 论文局域网i p 电晤机土占片的e i ) a 设汁与f p g a 实现( 接受部分j 3 网络管理和安全技术 i p 网络是一个开放式的网络，必须防止网络受到恶意的攻击、网络资源被 无偿的欺骗使用以及用户信息被泄露。i p 网络电话的安全性包括鉴权，权限验 证，加密，不可抵赖性保护，数据完整性等。i p 电话系统除了一般的网络管理 外，还要有完善的汁费功能和运营商互操作管理功能。 4 终端技术 随着宽带接入网的发展和住宅局域网的普及，信息将町开设和p s t n 并行的 i p 公众电话网，为此有必要开发直接接介入以太网的专用t p 电话机。目前已有 公司推出类似的话机。其外形和普通电话类似，但具有许多p c 机的特性。典型 的性能有：r j 一4 5 插r 线接入1 0 1 0 0 b a s et 以太网。具有自己的i p 地址，并 可利用小键盘，通过i p 网络商的动态主机配置协议( d t t c p ) 指配地址。内置多 种话音压缩编码，在呼叫中町以变换等。开发低成本、高性能、易于使用的终端 是未来i p 网络电话发展的重要技术之一。 1 3 ip 电话的互通性与标准化 为了解决不同厂商生产的i p 电话产品所构成的系统间的丌通问题，电信业 和计算机业许多组织正在积极从事该技术标准化工作。目前在世界上有套l p 电话的体系结构 一套是 t ut 提出的，它是以h 3 2 3 、 | 2 4 8 、h 2 2 5 和 i 2 4 5 等建议为基础 的，这套建议己获得国际上很大一批设备制造商的认可。这是一项关于在包( 分 组) 传送网络上实现多媒体通信的系列标准，它涵盖厂一系列的标准，涉及的内 容甚广。正由于此，它在不少方面的规定尚存在久缺之处，给实现卜带来了不 致性。 另一套标准是以u f 提出来的，它是以s i p 、m g c p 等为拱础的，s i p 提出 了一套呼叫信令，m g c p 提出了网关分解后媒体网关和媒体网关控制器之间的协 议，但它没有提i p 电话网的体系结构，这二套建议中相对成熟的是i t 卜t 提出 的以h 3 2 3 为基础协议集，但是它住体系结构，特别是网、) 二之川切、议也不完善 这就是为什么国际上绝大部分产品，i ：发商都支持h 3 2 3 但其产品不能互通的缘 故。随着标准化工作的不断进展，互通性问题最终将得到解决。 电子科技大学硕士论文局域网i p 电话机主芯片的e d a 设计与f p g a 实现( 接受部分) 1 4 课题选题背景和组织结构 个人分支交换( p b x ) 系统被广泛用作公司、企业、学校和机关部门的内部 电话系统。p b x 系统可以提供比直接使用p s t n 系统更多的服务，这些服务包括 会议电话、呼叫等待、呼叫转移等。局域网i p 电话系统是一种基于以太网技术 的i p 电话系统。目前，大部分公司、企业、学校和机关部门都把以太网技术作 为内部局域网的组网技术。局域网i p 电话系统可利用现有的以太网来传输话音， 并能提供与p b x 相同的服务或更好的服务。局域网i p 电话系统采用分组交换技 术，在建网、管理和配置等方面都比? b x 系统所使用的电路交换技术具有更多的 优越性。公司或企业等通过局域网i p 电话系统不仅可以使内部的数据网和话音 网合一，而且可以使电话系统的使用费用大幅度降低。 本文介绍了基于f p g a 实现的局域网i p 电话机的设计。系统核心部分采用 f p g a 处理协议部分，拨号和显示采用单片机实现。论文开始介绍了局域网i p 电 话系统的原理和系统中用的t c p i p 、r t p 协议等，然后介绍了我采用a 1 t e r a 的 a c e x1 k 系列的f p g a 体系结构、工作方式等作了详细的介绍，并介绍了f p g a 可 编程逻辑器件设计的一些技术。在第四章介绍系统硬件实现方案。在第五章介绍 了系统主芯片的内部结构，然后详细介绍我所作的接收部分的f p g a 设计。第六 章作了一个简要的总结。通过本课题组的同学努力，完成该局域网i p 电话机的 设计与调试，达到了设计目标。 屯f 科技大学顺士论文 局域网i p 也话机主，匕j 的e d a 设汁与i ；l ，g a 实现( 接受部分) 第二章局域网lp 电话系统相关原理 2 1 局域网jp 电话系统 局域网i p 电话系统是在基于以太网技术的局域网上传输i p 话音的系统。局 域网i p 电话系统不仅能传输话音，而且能提供多种智能服务，完全可以取代传 统的专用小交换机( p b x ) 系统。如果把l i p 电话在骨干网( 如i n t e r n e t ) 卜的 应用和t p 电话在局域网上的应用结合起来，将会使i p 电话的应用更为完善，并 能在骨干网和局域网卜同时体现i p 电话的优点。 2 1 1p b x 系统和局域网i p 电话系统 p b x 系统被广泛用做公司、企业或机关部fj 等的内部电话系统。p b x 系统 的主控部分是小型的电路交换机，它通过一条或多条t i ( 或e 1 ) 中继线或1 s d n 一次群速率中继线接入本地交换中心；对来话可采用自动转接方式或人工转接 的方式转接到被叫方。p b x 系统呵以提供比直接使用p s t n 系统更多的服务 这些服务包括会议电话、呼叫等待、呼叫转移等。 局域网i p 电话系统以以太网技术为基础。目前，大部分公司、企业或机关 部i 等都把以太网技术作为内部局域网的组网技术。局域网1 p 电话系统可利用 现有的以太网来传输话音，并能提供与p b x 相同的或更好的服务。公司、企、f k 或机关部门等通过使用局域网i p 电话系统不仅可以使内部的数据网和话膏通信 网合二为一，而且可以使电话系统的使用费大幅度降低。 2 1 2 局域网i p 电话系统的组成 局域网i p 电话系统为了提供与传统的p b x 系统功能相当或者更为完善的服 务，必须配备各种基于局域网的组件，每个组件都有各自特定的功能。下面介绍 系统中各个组件所使用的技术及其功能。 1 网络 以太网技术是一种面向无连接的技术，实践证明这项技术对数据传输所采取 的“尽力而为”方式是适合传输话音等实时业务的。认为以太网肯定不如p b x 网 络安全可靠的观点是不正确的。在过去的二十多年中，以太网在提高它的可靠性 方面取得了很大的进展。在以往的使用物理总线的以太网中，某 台计算机或系 电子科技大学硕士论文局域网i p 电话机主芯片的e d a 设计与f p g a 实现( 接受部分) 统的某一部分发生故障往往会影响到整个网络的运行；现在的以太网由于对物理 层标准作了改进，已不会出现这种情况。同样，用于连接以太网设备的双绞线的 质量也得到了很大的提高，有的以太网还选用光纤来连接设备，这使得以太网的 传输带宽大大增加，以太网已变成一种性能良好的网络。 为了减少网络拥塞和使网络能够支持实时业务的传输，使用了以太网交换 机。以太网交换机是连接各段以太网的设备，并具有一定的流量交换功能。流量 交换的最终结果是使得每个设备都可享有专用的带宽。近来，随着以太网交换机 价格的不断降低，部分中小型网络已逐步开始使用这一设备。在使用了以太网交 换机的网络里，每个设备都能取得恒定的带宽资源，并且不需要通过接入竞争即 可随时发送数据。 以太网交换机的最新发展是增加了连接虚拟局域网的功能，为了增加这一功 能，以太网把设备分成若干个组，每个组之间都有连接，但各自的流量在通过骨 干网、远端交换机和共享集线器时不会发生混合。大量这样的组可以和虚拟局域 网共存于同一个网络体系。这一功能对于实现局域网i p 电话系统具有重要意义， 在建造局域网i p 电话系统时，可通过把电话设备和数据传输设备分别安放在不 同的虚拟局域网来实现话音流量和数据流量的分离。 使用以太网交换机还可以实现全双工通信。以太网交换机可以把以太网的通 信链路分段，每一段通信链路只包含两种设备：两台交换机或一台交换机和一个 终端( 如话机或p c 机) 。由于每一段通信链路的传输媒体是双向的( 一对电缆 或一对光纤) 所以在每一段通信链路的两个方向上都可以随意发送数据而不发 生冲突。以太网设备之间的这种全双工连接方式类似于电路交换，所以能够更好 地支持实时业务的传输。 2 话机 局域网i p 电话系统的第二个重要组成部分是话机。可以使用p c 机来作为局 域网i p 电话系统的“虚拟话机”；也可以使用普通的模拟电话来作为局域网系统 的话机，但必须通过一个转换网关把模拟电话接入到局域网i p 电话系统；还可 以使用外型几乎和模拟话机一模一样的以太网话机来作为局域网i p 电话系统的 话机。下面主要讨论一下以太网话机。 标准的p b x 电话的电源是由p b x 交换机提供的，p b x 交换机配有备用电池， 以保证电源突然中断或出现其他紧急情况时系统能继续正常工作。在以太网电话 系统中，由于系统内部没有恒定的供电设备，所以话机必须通过外部电源供电。 一6 - 电子科技人学硕士论文局域网【p 电活机主出片的e l m 设计与即g a 实现( 接受部分) 以太网话机所使用的供电方式叫做第四根双绞线电源。这种方式使用了在典型以 太网中未被使用的第四根双绞线来连接共享电源系统，从而为系统提供4 8 v 的 电源( 典型的以太网为了预防意外事件的发生，配备了四根双绞线，其中只有两 根用于传送以太网数据) 。 为以太网话机配备了电源以后，要想让以太网话机成为网络中的合法节点， 还必须为它配置i p 地址。要想免去人工配置每个节点的i p 地址的繁琐，可以使 用动态主机配置协议( d h c p ) 。几乎所有的以太网电话设备厂商都支持d h c p 标准，因此，如果为网络配备一台d h c p 服务器的话，那么为一部新的以太网 话机配置i p 地址就会变得非常容易。 另外，话机还需要对话音信息进行编码。某些话机还能根据被叫号码来选择 对话音信息的编码方式。例如，当被叫位于局域网内时，可采用6 4k b i t s 的g 7 l i p c m 编码方式来对话音信息进行编码，而当必须通过i n t e m e t 才能接通被叫时， 则采用6k b i t s 的g 7 2 3 编码方式来对话音信息进行编码。 3 关守 局域网i p 电话系统中关守的一个主要功能就是呼叫建立。完成呼叫建立的 第一步是地址解释。当主叫拿起以太网话机话筒拨打被叫号时，被叫号码就传 到关守，关守通过这个被叫号码去查询号码地址数据库，从而决定如何建立这 个呼叫。如果被叫位于本局域网内，查囱将回送本局域网内的i p 地址；如果被 叫位于通过“l 域网或i n t e m e t 才能到达的异地城市，查询就回送那个城市的网 关的i p 地址；如果找不到与被叫号码相关的网关或电话，查询则不回送任何结 果，在这种情况下可能需要利用p s t n 网进行呼叫转接。 作为局域网i p 电话系统的智能部分，局域网i p 电话系统的关守负责提供传 统的p b x 交换机所能提供各种服务。因为所有的呼叫建立和呼叫管理都要经过 关守的控制，所以关守能轻易地提供大部分基本服务，如呼叫保持、呼叫转移和 呼叫等待等。 4 p s t n 接入设备 在局域网i p 电话系统中，p s t n 接入网关将根据关守的命令把呼叫转接到 p s t n 网，这种转接发生在以下几种情况下：关守数据库查询不到与被叫号码 相关的远端网关；与被叫号码相关的远端网关由于端口忙或维修、关机等原因 不能处理呼叫；由于网络连接故障、路由协议错误或网络节点( 如路由器) 发 生故障等原因，不能连通到达远端网关的i p 路由。p s t n 接入网关除了具有接通 电子科技大学硕士论文局域网i p 电话机主芯片的e d a 设计与f p g a 实现( 接受部分) 被叫的功能外，还具有把来自p s t n 的呼叫接续到局域网i p 电话系统的功能。 p s t n 接入网关在整个局域网i p 电话系统中起着非常关键的作用。它不仅使 局域网i p 电话系统能够连接还没有连接至i p 网络的用户，而且能够增加整个局 域网i p 电话系统的可靠性，使得局域网i p 电话系统具有处理紧急呼叫的能力。 2 1 3 局域网l p 电话系统的优点 许多网络技术权威都认为用局域网i p 电话系统去替代传统的p b x 电话系统 不仅能节省费用，而且能支持更多新的应用。另外，局域网i p 电话系统所使用 的分组交换技术在建网、管理和配置等方面都比p b x 系统所使用的电路交换技 术具有更大的优越性。下面分别介绍局域网i p 电话系统的几个主要优势。 1 可方便地移动和增加终端设备 关守和它所管理的以太网话机或其他终端设备之间的连接是基于逻辑的网 络结构，而不是基于物理的网络结构。传统的p b x 交换机必须使每一部特定的 分机和交换机的某一个特定的物理端口相关联，当分机的位置发生变化时，电缆 的物理配置也要跟着发生变化。在局域网i p 电话系统里，由于设备都是以i p 地 址这一逻辑信息进行标识的，而且可以通过中心管理服务器更改设备的i p 地址， 所以不需要对系统里的交换机进行物理配置。实际上，在许多局域网i p 电话系 统里，用户可随意地把话机插入任一可用的以太网端口中，网络只根据话机的i p 地址来识别该话机，而不需要知道话机的具体物理位置。 局域网口电话系统基于逻辑结构的连接决定了该系统所使用的交换机不需 要设置特定的物理端口，因此可轻易地在网络中增加话机或其他终端设备。对于 传统的p b x 交换机，增加它的交换能力的唯一方法就是增加额外的端口模块， 如果只是为了增加一两个终端，这种做法显然非常浪费。而对于关守设备，虽然 规定了最大的终端连接数，但只要不超过这一数目，就可方便地为系统增加终端 设备。 2 支持多媒体终端 局域网i p 电话系统所使用的h 3 2 3 协议指出：遵循h 3 2 3 协议的系统不仅 能传输传统电话所使用的音频信号，而且能在两个或多个终端之间传输各种多媒 体信息流。在局域网i p 电话系统看来，增加桌面视频会议的应用只是在原有的 多媒体信息流中再额外增加一种多媒体信息流。局域网i p 电话系统由于使用开 放式的体系结构，所以它能够轻易地通过对某些功能模块的重新组合去支持新的 8 电子科技大学硕十论文局域刚i p 电话机主芯片的e d a 致；fi f p g a 实现( 接跫部分 应用，如远程教育、广播电视或闭路电视等。 为了充分利用局域网i p 电话系统支持多媒体终端的功能，需要把话机更换 为多媒体终端。目前，许多局域网i p 电话系统都使用具有多媒体功能的p c 机米 作为用户终端。 3 有利于发展计算机电话集成( c t i ) 技术 在传统的p b x 系统里，因为使用c t i 技术较困难目造价太高，所以只有 小部分应用使用了c t i 技术。而在局域网i p 电话系统里，因为整个网络是基于 i p 协议的，呼叫控制信息和话音信息与数据样足以i p 数据包的形式进行传递， 所以它们很容易被计算机所接收从而实现计算机与电话的集成。町以预言，局 域网i p 电话系统的普及将会使c t i 技术的应用市场迅速扩大。 2 2 以太网简介 本文所述的局域网i p 电话机终端，是基于现有的计算机网络系统。利片j 现 存的局域网( 以太网) 的设备，实现在局域网内的语音通话，是类似p c p c 的 i p 电话终端。 以太网是一种流行的分组交换局域网技术，由x e r o x 公刮的p a r c ( 即 p a l o a t o ) 在一十世纪7 0 年代早期发明的。许多中、人公司都使用以太网来组建 企业内部网。以太网有同轴电缆、细缆以太网和双绞线以太网，目前用的最多的 是双绞线以太网，常用的以太网其容量有t o m ，i o o m 。以太网是一种具有尽最大 努力投递含义、分布式接入控制的广播式总线技术。以太网之所以采用尽最大努 力投递( b e s t e f f o r td e l i v e r y ) 的机制，是因为硬件没有向发送者提供任何信息 来判断所要发送的分组是否被发送。例如，如果目的主机偶尔掉电，那么发送给 它的分组将丢失，而发送者不会得到通知。以太例的接入方式叫做具有冲突检测 的载波监听多点接入c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em l i it i d lea c c e s sw il hc 0 1 i 【s i o n d e e e c t ) 。以太网不象某些网络技术，它没有任何中央权利来授权接入，连在以 太网上的多台机器可同时接入以太网，并且各个机器探洲是否存在载波来决定以 太网是否空闲。当某个主机接l 二| 要发送一个分组是，它首先监听以太网，肴是甭 有报文正在发送( 即执行载波监听) ，如以太网空闲，主机接口开始发送，否则不 发送，直至网络空闲。由于以太网上可能有两个主机同时检测到网络空闲，并同 时发送分组，当这两个分组信号交汇时，它们汇混杂在一起，使得每个信号都失 去意义，而发生冲突。以太网用- - , l p q 冲突检测c d 的方式处理冲突，每个发送 电子科技大学硕士论文 局域网i p 电话机主芯片的e d a 设计与f p g a 实现( 接受部分) 方在发送时监测电缆，看是否有外来信号干扰其发送，当检测到冲突时，发送方 放弃本次发送，等待活动停止，再次试发送。以太网还采用一种二进制指数退避 策略来避免发生网络拥塞。发送这在第一次冲突后延迟一个随机时间，再发送， 如果第二次发送也产生冲突的话，则延迟第一次时延的两倍；若第三次发送还冲 突的话，就延迟四倍等，依次类推。 以太网定义了一个4 8 位比特寻址方式，每台连到以太网上的机器都分配一 个4 8 比特的以太网地址。通常以太网地址是以机器可读形式固定在主机接口硬 件上的，所以它们有时也叫硬件地址或物理地址。以太网地址有如下重要性质： 物理地址与以太网接口相联系；把硬件接口移到新机器上或替换失效的硬件接口 将改变机器的物理地址。以太网地址可分为三种形式：( 1 ) 个网络接口的物理 地址( 单播地址) ( 2 ) 网络广播地址( 3 ) 组播地址。其中广播地址为全l ，保留用来 指同时发送到所有的站点。组播地址是一种有限的广播形式，其中网上计算机的 某个子集同意收听一给定组播地址。参与收听的计算机子集叫做组播群。 以太网是机器之间的链路级连接，在以太网上是以帧为单元来传输数据的。 以太网帧是可变长的，但帧的长度不能小于6 4 个八位组( o c t e t ) 或大于1 5 1 8 个八 位组。 前同步码 目的地址源地址帧类型帧长度帧数据 c r c 8 个八位组6 个八位组 6 个八位组 2 个八位组6 4 1 5 0 0 个八位组 4 1 八位组 图2 1 以太网帧格式 在图2 1 中各字段定义如下： 前同步字段( p r e a m b l e ) ：由连续7 个b y t e 的1 0 1 0 1 0 1 0 和一个b y t e 的s f d ( i 0 1 0 1 0 1 1 ) 共占8 b y t e ，该字段的功能是使接收端的时钟能与帧包的时钟同步。 目的地址字段( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) ：占6 个b y t e s ，记录该帧包的目的 m a c 地址。如果该地址为“o x f f f f f f f f f f f f ，j ( 全部b i t 都是1 ) 这个地址特别称 为“广播地址”，代表所有的接收端都必须处理该帧数据。 源地址字段( s o u r c ea d d r e s s ) ：占6 个b y t e s ，记录此帧的源m a c 地址。 帧类型长度字段：占2 b y t e s ，若为帧类型用来识别此帧上所载数据的类型。 例如：o x 0 8 0 0 代表i p ，0 x 8 1 3 7 代表i p x 、o x 0 6 0 0 代表x n s 等。因为网络层可能 同时安装了t c p i p 、i p x 、n e t b e u i 等多种协议。所以此字段便明确指出，应该 将p a y l o a d 传给上层那一种协议处理。若为帧长度字段：则表示该帧数据字段的 1 0 电了科技大学顺士论文局域洲t p 电话机主芯片的e 姒蹬汁l jf p g a 实心( 接受部分) 大小，其大小为4 6 1 5 0 0 。 帧数据( p a y l o a d ) ：数据部分字段，长度为4 6 b y t e s 到1 5 0 0 b yl e s 。因为8 0 2 3 规定有效帧中从目的地址到校验和字的最短距离为6 字节，所以如果帧的数据 部分少于6 4 1 8 = 4 6 字节，则要使用填充字段以达到要求的最短距离。 循环冗余校验码( c y c li cr e d u n d a n c yc h e e k ) ：占4 b y t e s ，采用c r c 一3 2 校验。 校验范围从目的地址字段到最后一个数据( 包括p a d 字段) 。用来帮助接口检测 发送错误：接收端收到帧数据时，也会，“生一个c r c 值，并- q 陔c r c 值比较是否 相等，来判断该帧数据的是否正确接收。 2 3 t c p ip 协议简介 通常按网络规模的大d q g _ c = t - 算机网络分为：局域网，城域网，广域网和互联 网。互联网是由一绳不同类型、通常是不兼容的计算机网络互联起来的网络，其 目的是使连接于不同网络的主机能互相通信。目前最成功的互联网就是全球，一泛 使用的基于t c p i p 的因特网。t c p p 协议是采用分层协议结构的，t c p i p 参考 模型如下图： o s t t c p i p 应用层 表示崖 会话联 运输层 洲络层 数据链路层 物四层 图2 2t c p i p 参考模型 该模型分为4 层： ( 1 ) 网络接入层：解决主机如何接a m 络。此层协议取决于所使用的 网络类型，例如x 2 5 、f r 、l a n 等。 ( 2 ) 网际层：定义网际统一的网络层协议，解决分组穿越多个网络路 由问题。在i n t e r n e t 中使用的是著名的i p 协议。 ( 3 ) 运输层：支持源端主机和目的主机之间的端到端剥话。i n t e r n c l 电子科技大学硕士论文 局域网i p 电话机主芯片的e d a 墩计与f p g a 实现( 接受部分) 定义了两个协议。一个是传输控制协议( t c p ) ，这是一个支持可 靠传送的面向连接协议，在会话之前首先要建立t c p 连接，并具 有检错和重发功能，主要用于数据、信令等要求高可靠性的应用。 另一个是用户数据报协议( u d p ) ，这是一个不可靠的无连接协议， 主要用于语音、视频等实时通信。 ( 4 ) 应用层：即进程层。i n t e r n e t 定义的主要应用由：远程终端 ( t e l n e t ) 、文件传输( f t p ) 、电子邮件( s m t p ) 、域名服务( d n s ) 、 简单网络管理( s n m p ) 和万维网( w w w ) 等。 这种分层结构的优点在于：它的灵活性和可扩充性。由于各层协议完成各自 的功能分工，并互相协同工作。 2 3 1i p 协议 i p 协议是一种具有不可靠、无连接投递机制的协议。i p 提供了三个重要的 定义。第一，i p 协议定义了在整个t c p i p 互联网上数据传输所用的分组格式； 第二，i p 软件完成路由选择功能，选择一个数据发送的路径；第三，i p 包括一 组嵌入了不可靠分组投递思想的规则。这些规则指明了主机和路由器应该如何处 理分组、何时及如何发出错误信息以及在什么情况下可以放弃分组。i p 协议是 t c p i p 互联网设计中最基本的部分。 1 i p 数据报头部格式如图 o4 81 61 9 3 l 版本号j 首部长度服务类型总长度 标识符标志分片偏移量 生命期协议 首部校验和 源站i p 地址 目的i p 地址 i p 选项( 若有)填充 数据 图2 - 3i p 数据报格式 在图2 3 中各字段含义如下： 版本号：指明i p 数据报文的版本号。取o x 4 h 表示为i p v 4 。 1 2 局域嘲ip 电薛机土芯片的e d a 吐讨5 17 实现( 接受部分) 首部长度：指明首部氏度，其计算单位以3 2 位( 4 字节) 长度为一个单位。 当没有可选项时，取值5 。 服务类型：该字段包含一个3 仲优先顺序字段，3 个标志位d ，t 和r 由 于现在的路由器都忽略服务质量字段，所以该字段设为0 。 总长：包括数据报的头部和数据，最大长度时6 55 3 5 字节。埘于语音数据， 如果采用每2 0 m s ( 速率为6 4 k b p s ) 为每一组，语音数据为1 6 0 字节，加卜r i p 首部，u d p 茸部，该字段应该为1 6 0 + 1 2 + 8 + 2 0 = 2 0 0 字节( 0 0 0 00 0 0 01 1 0 0 1 0 0 0 ) 。 标识符：用来让目的主机判断新来的分段属r 哪个分组，所有属于同一分 组的分段包含同样的标识值。 标志：共两位，从左到右，第一位无用第二位标识是否分段，置1 是命 令路由器不要将数据报分段，第三位标识是否有进一步的分段，除了最后个分 段的所有分段都设置了这一位，它是用来标志是否所有分段都已到达。 分片偏移量：说明分段在当前数据报中的位置。除了数据报中的最后一个 分段外，所有分段都要乘以8 享饥 生命期：用于限制分组生命周期的计数器。 协议：指明数据报中的数据区中的数据是哪一种高层| 力- 议6 生的。i p 上层 若是u d p ，该字段应为17 ，若是t c p ，则为6 。 首部校验和：仅用于校验i p 头部。用于检测头部差错，其计算方法是： 以1 6 比特为计算单位。在发送端敬该字段初值为零，对头部各个1 6 比特数据依 次进行逐位异或运算，求得的值取反作为校验和发送。在接收端对各个1 6 比特 数据，包括校验和，进行同样的运算，若无差错其结果为零。 源站和目的站地址：主叫方和被叫方的i p 地址。 i p 选项：不用。 2 i p 地址 i n t e r n e t 上每一点都有一个唯哼自定的i p 地址，任何两台机器的i p 地址 都不允许相同。i p 地址长度为3 2 比特( 是指i p v 4 ，i p v 6 的地址长度为1 2 8 位) 。 i p 地址可分为4 类： a 类地址：其杯以为最高比特是o 。刚络号占7 位，主机号占2 4 位。冈此a 类地址可以定义1 2 6 个网络( 0 利1 2 7 作它用) ，每个网络可包含2 “个主机。a 类地址对应的是大型网络。 电子科技大学硕士论文局域网i p 电话机主= ! ；片的e d a 设计与f p g a 实现( 接受部分) b 类地址：其标识为最高2 个比特为1 0 。网络号占1 4 位，主机号占1 6 位。 因此b 类地址可定义1 6 3 8 2 个网络，每个网络可包含2 ”个主机。b 类地址对应的 是中型网络。 c 类地址：其标识为最高3 个比特为l l o 。网络号占2 1 位，主机号占8 位。 因此c 类地址可定义2 “个网络，每个网络可包含2 5 4 个主机。c 类地址对应的是 小型网络。 多播地址：其标识位最高4 个比特为1 1 1 0 。其余2 8 比特规定一个群组，不 再分网络号和组号。 另外i p 协议还规定了一些特殊意义的地址： 网络号全零：表示为“本网络”。 网络号和主机号全为零：表示“本主机：。 主机号全1 ：表示在网络号指定的网络中进行广播。 网络号和主机号全为1 ：表示在本地网络中广播，主要用于主机还不知道本 地网络号的情况。 2 3 2 传输控制协议( t o p ) 由于i n t e r n e t 在网络层只提供简单的无连接服务，将保证可靠传送的任务 交给了运输层的t c p 。t c p 采用带重传的肯定确认的技术来作为提供可靠性的基 础。这项技术要求接收方收到数据之后向源站回送确认信息a c k 。发送方对发出 的每个分组都保存一份记录，在发送下一个分组之前等待确认信息。发送方还在 送出的每个分组时启动一个定时器，并在定时器的定时期满而确认信息还每到的 情况下重发刚才的分组。t c p 的设计目的就是动态适配互联网络的变化特性，在 不可靠的网络上提供一条可靠的端到端的传输通道。这个通道就是t c p 连接。 1 t c p 首部格式 1 4 电子科技大学硕上论文局域刚【p 电话机主芯片的e d a 设计与f p g a 实现( 接受部分) 041 0 1 62 43l 源端口目的端口 序号 确认序号 l 首部长度保留码元比特窗口 校验和紧急指针 任选项( 如果有)填充 数据 圈2 4t c p 数据报格式 各字段的意义如下： 源端口和目的端口：和i p 报头中的源和目的i p 地址一起，构成连接标识。 序号和确认号：序号表示本段数据在t c p 发送流中的位置，即是从流中第 几个字节开始的数据段。确认号是告诉对方下一期望收到的字节的序号。 t c p 头部长度：长度单位为4 个字节。该字段占4 个比特。实际上指示的 就是数据部分在段中的起始位置。 码元比特：共定义了6 个标识比特。 u r g ：紧急比特。置l 表示头部的紧急指针启用。 a c k ：确认比特。置1 表示头部的确认号有效；置0 表示本段没有捎带 确认信息，因此接收方应忽略段中的确认号字段。 p s h ：退出比特。置1 表示请求接收方收到本段数据后立即递交应用进 程，不要缓存。 r s t ：复位比特。置1 表示连接复位，接收方收到此指示后立即退出连 接，停止传输，释放缓冲区等资源。它用于