（通信与信息系统专业论文）基于网守阶层的ip电话系统的设计与实现.pdf

摘要 九十年代以来，互联网以惊人的速度发展，其影响已遍及各个行业领域。随 着技术的进步，i p 网络向实时通信领域拓展已成为可能。通过i p 网络传送语音 业务( v o i c eo v e fi pn e t w o r k ) ，即i p 电话技术与传统电话相比，以其网络带 宽利用率高、通话成本低、灵活地提供丰富的增值功能而备受市场的青睐，近年 来得到迅速的发展，己经在全球投入大规模的商用，对传统的语音通信造成了很 大的冲击。语音技术的一场革命正在进行，他预示着在电信骨干网络上包交换取 代电路交换时代的到来。 随着i p 电话应用的逐步推广，传统的i p 电话系统的一些不足也不断的显现 出来了。其中之一就是在不同的网守上注册的i p 电话终端无法相互通信。而这 一点对于进一步扩大i p 电话系统的通信容量使其像p s t n 系统一样成为一个大容 量的广域系统是非常不利的。本论文所要讨论的正是如何通过构建网守阶层体系 结构来解决属于不同网守的i p 电话终端的相互通信的问题。 本论文首先讨论了i p 电话系统的基本理论，然后分析了h 3 2 3 系统的构成， 最后介绍了h 3 2 3 系统网守阶层体系结构的设计与实现。论文的构成分为四个部 分：( 1 ) 引言：即第一章，介绍了i p 电话系统发展的背景，前景和本论文所要解 决的问题。( 2 ) 基本理论知识介绍：包含第二章和第三章，第二二章介绍了i p 电 话的典型应用、通话原理、关键技术、i p 电话的应用优势和i p 电话面临的问题； 第三章介绍了h 3 2 3i p 电话系统的组件、r a s 信令过程、h 2 2 5 0 呼叫控制协议。 ( 3 ) 设计实现部分：包含第四章，介绍了网守阶层的体系结构，给出了各个模 块的信令过程，流程图、和重要的数据结构。( 4 ) 第五章，介绍了在网守阶层体 系结构下的一种增值功能即接入控制功能的实现。 本文涉及的软件代码是用c + + 程序设计语言编写的，并在l i n u x 操作系统环 境下进行了编译和测试。 关键字：i p 电话，h 3 2 3 ，r a s ，网守阶层，按入控制。 i i a b s t r a c t s i n c e19 9 0 si n t e r n e th a sd e v e l o p e da ti n c r e d i b l es p e e d ，a n dn o wi ti sp l a y i n gi m p o r t a n tr o l e i nm a n yf i e l d s i tb e c o m e sp o s s i b l et h a ti pn e t w o r kd e v e l o p e st o w a r d sr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n f i e l dw i t ht h ep r o g r e s so f t e c h n o l o g y v o i c eo v e ri pn e t w o r k ，n a m e l yi pt e l e p h o n et e c h n o l o g y , i s v e r yw e l c o m e db yt h em a r k e tc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e l e p h o n eb e c a u s eo f i t sh i g he f f i c i e n c yi n u s i n gn e t w o r k i o wc o s tj nc o m m u n i c a t i o n p o s s i b i l i t yf o rv a r i o u sv a l u ea d d e df u n c t i o n s t h e t e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dr a p i d l yr e c e n ty e a r s ，a n dh a sb e e nl a r g e l yu s e df o rt h ec o m m e r c i a l p m p o s ei nt h ew o r l d ，h a v i n gav e r ys t r o n gi m p a c to nt h et r a d i t i o n a lv o i c ec o m m u n i c a t i o n t h e r e v o l u t i o na b o u tv o i c et e c h n o l o g yi sg o i n g ，a n di tp r e d i c t san e we r at h a tp a c k a g ee x c h a n g ew i l l t a k et h ep l a c eo f c i r c u i te x c h a n g ei nt e l e c o m m u n i c a t i o n s w i t ht h ea p p l i c a t i o no fi pt e l e p h o n eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e ，s o m es h o r t a g e s a b o u tt h et r a d i t i o n a li pt e l e p h o n es y s t e mb e g a nt o a p p e a r o n eo ft h e mi s t h a tt h ei pp h o n e s r e g i s t r a t e di nd i f i e r e n tg a t e k e e p e rc a nn o tc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r a sf a ra se n l a r g i n gt h e c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yo fi pp h o n es y s t e mi nt h ef u t u r et om a k ei tb e c o m eaw i d ea r e as y s t e m w i t hb i gc a p a c i t ya sp s t n s y s t e m ，t h i ss h o r t a g ei sv e r yh a r m f u l s ot h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do n h o wt or e s o l v et h ec o m m u n i c a t i o n p r o b l e m b e t w e e nt h ei p p h o n e sb e l o n g e d t od i f f e r e n t g a t e k e e p e r sb yc o n s t r u c t i n gag a t e k e e p e rh i e r a r c h i e s t h i s p a p e rf i r s t l y d i s c u s s e st h er a t i o n a l ea b o u tt h e1 pp h o n es y s t e m ，t h e n a n a l y z e s t h e s t r u c t u r eo fh 3 2 3 s y s t e m f i n a l l y i n t r o d u c e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n to ft h eg a t e k e e p e r h i e r a r c h i e si nh 3 2 3s y s t e m t h ew h o l ep a p e rc o u l db ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ：( 1 ) i n t r o d u c t i o n ： c h a p t e r1 ，i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d a n dp r o s p e c to fi pp h o n es y s t e md e v e l o p m e n t ，a sw e l la st h e m a i ni s s u eo ft h i sp a p e r ( 2 ) i n t r o d u c t i o no fb a s i ct h e o r y ：c h a p t e r2a n d3 ，i nc h a p t e r2t h et y p i c a l a p p l i c a t i o n ，c o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e ，c r u c i a lt e c l m o l o g y , a p p l i c a t i o na d v a n t a d g e a n ds o m e p r o b l e m sa b o u ti pt e l e p h o n ea r ed i s c u s s e d ；i nc h a p t e r3t h ec o m p o n e n t s o f h 3 2 3i pp h o n e s y s t e m ， r a s ，h 2 2 5 0c a l l c o n t r o l l i n gp r o t o c a la r ei n t r o d u c e d ( 3 ) t h ep a r ta b o u tt h ei m p l e m e n to ft h e d e s i g n ：c h a p t e r4 ，m i k e sa b o u tt h eg a t e k e e p e rh i e r a r c h i e s ，p r e s e n t i n ge v e r ys i g n a l - c o n t r o l l i n g p r o c e d u r eo fe v e r ym o d u l e ，f l o wc h a aa n di m p o r t a n td a t as t r u c t u r e ( 4 ) c h a p t e r5 ，i n t r o d u c e st h e i m p l e m e n tp r o c e d u r eo f av a l u ea d d e df u n c t i o n s ，n a m e l yc o n n e c t - c o n t r o l l i n gf u n c t i o n ，u n d e rt h e g a t e k e e p e rh i e r a r c h i e s s t r u c t u r e ， t h es o f tw a r ec o d ei n v o l v e di nt h i sa r t i c l ew a sd e v e l o p e db yc + + p r o g r a ml a n g u a g e a n dh a s b e e nt e s t e du n d e rl i n u x s y s t e m k e y w o r d s ：i pp h o n e ，h 3 2 3 ，r a s ，g a t e k e e p e rh i e r a r c h i e s ，c o n n e c t - c o n t r o l l i n g i l l 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列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：堇旦塑垒日期：，。嘶年；月二日 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：垄旦型垄导师签名 日期： 。之磁 焉爹誓钼 第一章引言 第一章引言 i p 电话作为“下一代电话”而倍受瞩目的原因是与通信业务经营者所传输的 语音信息量和i p 信息量的比率有关的。以因特网为代表的i p 通信的信息量，现 在以指数函数的方式增加。由于在全部信息传输量中，i p 信息量占极高比例， 因此整个网络应适应于i p 信息量，少量的语音信息量也应搭载在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 电话技术将成为未来的 电话技术。 i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 电话是一种数字电话，是技术创新的一种通信服 务业务。它应用了语音、压缩编码、打包分组、存储交换、解包解压等变换处理 技术，在i p 网或互联网上实现了语音通信。它促进了网络资源的利用，降低了 语音业务成本。因此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。 1 i p 电话产生的背景 ( 1 ) i p 电话的产生i n t e r n e t 商业化以后，在全世界，特别是发达国家 迅速发展起来。在一些国家本地电话和i n t e r n e t 接入采用包月制，不限时不限 量，因此i n t e r n e t 是近乎免费的，人们都希望能通过这近乎免费的网络进行传 统的电话和传真服务。1 9 9 5 年2 月以色列v o c a l t e c 公司研制出可以通过 i n t e r n e t 网打长途电话的软件产品“i n t e r n e tp h o n e ”。用户只要在多媒体p c 机上安装该软件，就可以通过i n t e r n e t 网和任何地方安装同样软件的联机用户 进行通话。这项技术上的突破引起全世界的瞩目，其背后的无限商机也使许多公 司进行此项技术的研究，从而使i p 电话技术得到迅速发展。人们把这种在 i n t e r n e t 上实现的电话业务称为i n t e r n e t 电话，他就是i p 电话的雏形。经过 五年的发展，i p 电话成为信息技术进步带来的一项新型电话业务在全世界开展， 并对传统电话业务形成越来越大的威胁。i p 电话从当初的p c 到p c 发展到今天 的p c 到p c 、p c 到电话、电话到电话等多种业务形式，但不论是在现在还是将来， 电话到电话的应用将拥有最大的市场。i p 电话承载网络可以是i n t e r n e t ，更多 的是遵循t c p i p 协议的专用网或i n t r a n e t 。因此我们说，i p 电话传真就是通 过i p 网传送电话传真业务。i p 网泛指基于t c p i p 协议的网络，包括因特网 i n t e r n e t 和企业网i n t r a n e t 。 ( 2 ) i p 电话迅速发展的背景从最初的i n t e r n e t 连机应用到可以利用普 通电话机实现通话，i p 电话在短短几年时间得到了非常迅速的发展。i p 电话为什 么会在这样短的时间里引起全球电信界的关注，并且正在或将要对传统的通信方 第一章引言 式产生巨大的冲击呢? 这除了i p 电话采用语音压缩和统计复用技术节约带宽从 而造成运营成本降低外，还有另一个原因： 电话业务历来都是各国管制最为严格的业务，但对于i p 电话各国大多采取 宽容甚至是扶植的态度，如美国将i p 电话归类为增值业务，从而不必承担长途 电话公司所受的管制规定，这样i p 电话提供长途电话业务时，不必向本地电话 公司交纳占长途电话费4 0 左右的接入费。这样庞大的通信市场潜力，必然吸 引众多传统和新型的电信公司加入到i p 电话的研究、开发和经营队伍中。 2 i p 电话的发展阶段 i p 电话在技术上大致经历了这样几个阶段： ( 1 ) 技术突破期( 1 9 9 5 1 9 9 6 )i p 电话最早是作为i n t e r n e t 上的联机 应用出现的，那时只要通话双方拥有同样的客户端应用软件就可以在i n t e r n e t 上进行实时通话了，当然语音质量存在很多问题。最早推出这种客户端软件的是 以色列的v o c a l t e c 公司，他们在1 9 9 5 年2 月宣布推出“i n t e r n e tp h o n e ”，可 以况是现在i p 电话的雏形。 自从v o c a l t e c 推出了软件“i n t e r n e tp h o n e ”后，不少软件公司，包括很 多大公司，都相继推出了类似的软件，比如微软的n e t m e e t i n g 、i d t 的n e t 2 p h o n e 、 n e t s p e a k 的w e b p h o n e 、英特尔的i n t e r n e tv i d e ep h o n e 等，用户只需在p c 机 上安装客户端软件，并配备麦克风、声卡、音响等设备，就可以在i p 网上与同 样安装了这些软硬件的用户通话了。由于当时这种应用只限于在i n t e r n e t 上使 用，因此那时人们通常将这种应用称为“i n t e r n e t 电话”。 这一时期，使用者大多数是i n t e r n e t 上的网迷，语音质量基本没有保证， 技术还不完全成熟，人们对它的认识也比较稚嫩，我们也可以把这一时期称为 i p 电话发展的萌芽期。 ( 2 ) 发展期( 1 9 9 6 1 9 9 9 )逐渐地，电信公司开始认识到利用i n t e r n e t 实现语音业务的巨大潜在市场，他们开始考虑如何将i n t e r n e t 和已有的p s t n 结 合起来，从而向更加广泛的普通电话用户提供业务。于是，用以连接i n t e r n e t 和p s t n 的网关设备出现了。由于利用i n t e r n e t 代替传统的长途电话线路可以大 大降低成本，许多产品制造商和业务商纷纷看好这一市场并开始研制设备和提供 服务。可以说，这时i p 电话进入了快速的发展阶段。 由于利用公用的i n t e r n e t 传输实时的语音存在很多不足，难以保证用户可 接受的语音质量，这对一项业务来说显然是不行的。因此很多业务商建立了专用 的i p 网或在i n t e r n e t 上构建v p n 来提供语音业务，从而实现较好的语音质量。 这时的i p 电话也可以真正的称为i p 电话了。 ( 3 ) 成熟期( 2 0 0 0 一)届时i p 电话将具有以下特点： 第一章引言 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i p 电话业务。 6 ) 向i p 传输多媒体业务过渡。 目前，i p 电话正处于发展期，各个设备制造商纷纷推出i p 电话网关产品， 众多电信运营公司开始经营i p 电话业务，i p 电话正以强大的吸引力吸引着传统 和新型的电信公司。 3 i p 电话的发展方向 i p 网络电话技术的进一步发展方向主要体现在以下三个方面：支持大容量广 域通信能力，提供丰富的基于网络的增值业务以及和未来网络演进的融合。 大容量广域系统要求像p s t n 一样，能支持几百万至几千万用户，为此必须 采用多区制网络结构。要使系统中任意两个用户都能互相通信，一个重要的问题 就是要解决网守间的通信问题，以提供全局寻址能力。本论文所要讨论的主要问 题就是如何通过构建网守阶层体系结构来解决网守间的通信问题，进而解决不同 网守下的i p 电话终端相互呼叫的问题。 第二章i p 电话技术简介 第二章ip 电话技术简介 2 1 i p 电话实现系统 1 系统简介 l p 电话系统把来自普通电话的模拟信号转换成计算机可联入i n t e r n e t 传送 的数据包，同时也将收到的数据包转换成声音的模拟电信号。经过i p 电话系统 的转换及压缩处理，每个普通电话传输速率约占用8 1 l k b i t s ，因此在与普通 电信网同样使用传输速率为6 4 k b i t s 的路由时，i p 电话数是原来的5 8 倍。 在图示2 1 中，i n t e r n e t 网关提供i n t e r n e t 网和电话网之间的接口，用户 通过p s t n 本地环路连接到i n t e r n e t 的网关，网关负责把模拟信号转换为数字信 号并压缩打包，成为可以在i n t e r n e t 上传输的分组语言信号，然后通过i n t e r n e t 传送到被叫用户的网关端，由被叫端的网关进行分组数据的解包、解压和解码， 还原为可被识别的模拟语音信号，再通过p s t n 传到被叫方的终端。这样，就完 成了一个完整的电话到电话的i p 电话通信过程。 电话 电话 图2 一li p 电话通信基本模型 2 i p 电话的几种连接方式 ( 1 ) p c p c 通信：经由i n t e r n e t 或i n t r a n e t 。 网络结构如图2 2 所示。这里的p c 泛指装有i p 电话软件的计算机或者i p 电话终端，由于通信双方在n - - + 网络中，所以就不需要网关。 i 嚏话 一，_ 、 i p 电话 终端7 、 7 、 ，、 强滞 眇c o - ( 竺地 图2 2p c p c 通信 第二章i p 电话技术简介 ( 2 ) 电话一电话通信：经由i p 网络。 其网络结构如图2 3 所示。和上述第一种情况相比，由于涉及不同网络( 电 话网络和i n t e r n e t ) ，因此需要增设互通功能，即网关设备。这就是目前公众网 正在推行的i p 电话。 图2 3 电话一电话通信 ( 3 ) p c 一电话通信 其网络结构如图2 4 所示，亦包含互通功能。这是i p 电话进一一步发展后需 要支持的应用。 i p 电话 终端 圈 - 一 点撕蠢_ 图2 4p c 一电话通信 ( 4 ) i p 用户控制的电话一电话通信 其网络结构如图2 5 所示。图中通信双方a 和b 都是p s t n 用户( 如电话或 传真机) ，话路连接也由p s t n 全程提供，和普通电话呼叫不同的是，此呼叫是由 i n t e r n e t 用户c 控制发起的。其应用背景是，w e b 用户上网浏览时需要和网站单 位人员通话获取进一步的信息，此时可点击发出命令，建立a 和b 之间的呼叫连 接。此应用需要智能网的支撑。 图2 5i p 用户控制的电话一电话通信 第二二章i p 电话技术简介 2 2 i p 电话的工作过程 从技术角度看，i p 电话的工作过程包括5 个步骤： ( 1 ) 语音的数字化这是i p 电话的第一步工作，如果用户使用的是计算 机，那么数字化就在计算机里进行了；如果用户使用的是模拟电话，那么通过接 入网将语音传到交换设备上，然后再利用p c m 之类的设备来对语音进行数字化。 ( 2 ) 数据压缩数据压缩是用来排除没用的信号，并对数字化后的语音信 号进行压缩。这一步又分为两个阶段：第一，系统分析数字化后的信号，判断信 号里包含的是语音、噪音还是语间空隙，然后丢掉噪音和语间空隙信号，这要求 系统具有判断语音、噪音和语间空隙信号的能力，并将噪音和语间空隙信号丢掉 而将语音发送出去。第二，用复杂的算法将去掉没有用的信号后的语音数字信号 进行压缩，c o d e c ( 编解码器) 是这一过程的关键部件。 ( 3 ) 数据打包信号( 也可称之为数据) 被压缩后，就需要对它进行打包， 加进些协议信息。在收集语音数据的处理过程中需要一些存储时间( 也称时间 延迟) ，因为在将语音数据发送到i p 网络之前必须先收到一定数量的语音数据。 在对信号进行编码及压缩的过程中，也需要一定的时间来对数据进行存储，从而 也产生了一定的时问延迟。协议信息被加入包中是为了更好的保障完成数据的传 输过程。例如，每个包需要包含一个目的地的地址信息，一个以防各个包不按序 到达目的地而加上的包的顺序号，以及数据校验信息。由于i p 协议是为各种不 同网络的互联而设计的，与专用网相比它含有许多复杂的处理过程，它要求将一 个包封装到另外一个包中，而且数据在传送的过程中还要经过再打包、重寻址和 重新封装等过程。 ( 4 ) 解包及解压缩当每个包到达目的地主机( 网关、服务器或用户计算 机终端) 时，要检查该包的序号并将其放到正确的位置，然后用一个解压缩算法 来尽量恢复原始信号数据，这时通过利用时钟同步及时延处理技术来填充由发送 端处理过程中而导致的空缺。由于各个包在传输过程中经过了不同的路由，所以 它们到达目的地的顺序要与原始的顺序有很大的差别，因此接受端要将先到达的 包放到抖动存储器里一段时间以等待后到达的包，等待时间的长短要根据网络的 拥塞情况而定。 ( 5 ) 语音恢复目前，i p 电话主要应用于i n t e r n e t 上，是i n t e r n e t 上的 一个增值业务。由于i n t e r n e t 是一个开放的网络，再者由于它的带宽还不够宽， 尤其在网络恶化的情况下，在传输过程中很大一部分包会被丢失或被延迟传送， 这些被丢弃、延迟和被破坏的包是导致语音质量下降的根本原因。按i n t e r n e t 传统纠错机制，接收端如果收到错误的数据包就将其丢弃并请求重传，因此用户 最终收到的数据跟原始发送的数据是完全一样的。由于i p 电话业务是一种对时 6 第二章i p 邀话技术篱夯 阃敏感的业务，即实时性业务，不能使用重传机制，需疆专用的检错和纠错机制 采再造声音帮蠛脊空陈，这就需要接收灞存诸接收至i 的定数蟹的语音数据，然 后使用一种复杂的算法来“猜测”丢失包的内容，产生新的语谱信息，从而提高 了遥信瓣质量。困诧，接收端瞬到酶语音并不与发送鞴讲的语瞽完全祥，萁中 部分信息是由i p 电话系统“再造”的。 2 3 l p 网络电话的关键技术 i p 网络电话是一个复杂的系统工程，涉及剥的技术阮较前沿也很繁杂，它的 发展尤以下面几种技术的发展最为关键，包括分组语音技术、谬音编码芹口压缩技 术、i v r 技术等。 2 3 分维语密技术 传绕蟾电话涮是以泡路交换的方式传竣语毒，这静技术是瑟超连接嚣旦是可 靠的；而基于i p 的分组交换投术是面向无连接的，而衄是以数据报为单位进行 传输，所以要在基于i p 的网终上传输语音，就必须对模拟的语音信号进行特殊 的处理，使处理后的信芍可以适合在面向无连接的分组网络上传输，这项技术称 为分组潺音技术。它是种将语音信号转换为一定长度的数字化语音包，采用存 储转发的方法，戳包的形式进行交换和传输的技术。魄话技术通常需裂6 4 k b s 阻上的带宽，丽分组语啻需要的带宽不到l o k b s 。 所有分组语皆系统郡遵循一个共同的模式，在分组掰络的周边是被称为“添 音代理”的设备成部件。这些设备或部件的任务是将语鹰信息从传统的电话格式 转换为适用予分组传输的格式。然后通邋网络将分组数据发送到目标的语音代理 然后再把分组还原为语啻信号。 无论对予安对酶应糯( 露l p 毫话) 逐是菲嶷时的照鬻( 魏语音部佟) ，发邀 端语音都要经过模拟信号一数字信号一语音包的处理过程，并在接收端对语音觎 迸幸亍裾葳静处瓒，觚丽褥爨与输入端稳阕豹语裔信号。 2 3 。 。 分维谖音传捻系统枣的关键技寒 在分组语音网络传输系统中需要解决以下几个技术问题才能使分组语音服 务满足质量上的需要。 ( 1 ) 语音编码 即如何将语音信患转换为分组信怠强及如何将分组信息重新转换为语音。其 中包括优化编码方案、寻找最传算法、对语音进行高效、优质的编解码以及语音 第二章i p 电话技术简介 恢复等等，这些都已形成了一个学科分支，并受到人们应有的重视。 ( 2 ) 信令 用于鉴别呼叫方所需要呼叫的对象以及呼叫方在网络中的位置。在许多情况 下，如何实现语音编码、如何保证语音质量并不是分组语音技术的难点，关键是 可行的分组语音应用要求某地的呼叫者连接至使用其标准拨号机制的语音代理， 并将呼叫发送至可以访问其他语音代理的用户组。 ( 3 ) 语音压缩算法 语音压缩是分组语音系统中的重要组成部分。目前，通过凋制解调器接入网 络的最大速率为5 6 k b i t s ，远远不能适应多媒体通信的要求，而且因特网不能 对传输带宽提供保证，因此必须采用低速率的语音压缩算法来处理语音，这对实 时语音应用尤为重要。 ( 4 ) 音频回声消除技术 在i p 电话的应用中，人们若使用扬声器和麦克风就可能出现回声现象。本 地扬声器输出的模拟语音信号可能又被话筒接收，当信号被传回到源端时，就会 产生不必要的回声。在因特网中，呼叫必须经过多个路由器和网关，其相当长的 延迟又会造成回声问题的进一步恶化，在系统中使用回声消除技术可以解决这个 问题。目前，回声消除技术主要有回声抑制和回声抵消两种。 2 3 2 语音的编码及压缩技术 模拟语音信号必须经过处理，转换成适合在i p 网络上传输的i p 数据包。这 个过程需要先进行数字编码，转换为p c m 码，然后经过专门的d s p 芯片进行数据 压缩，最后再打上i p 包的标记，形成i p 数据包的形式，以适合i p 网络上的传 输带宽，其中涉及到了p c m 、d s p 、编码、压缩等内容。 p c m 技术即脉冲编码调制( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ，是指把模拟信号转化 为数字信号的过程，是目前世界各国主要采用的方式。p c m 包括抽样、量化和编 码三个过程。 d s p 是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的缩写，属于m p u ( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ) 的一种，它主要应用于声音压缩、图像压缩等数字压 缩技术领域，能将声音、图像、温度压力等种种模拟信号高速转变成数字信号。 例如，发展极为迅速的手提电话中，d s p 将话音模拟信号高速数字化，并通过代 码压缩而发送，接收端再经由d s p 把压缩了的数字信号复原、扩展成模拟信号。 通过i n t e r n e t 传输实时的语音或图像与传输普通数据是不一样的，应用网 络的组成必须符合这种实时传输的需要。对于越来越多的语音服务商们来说，能 支持高品质的v o l p 应用是走向成功的一个关键因素。话音的分组传送通常要求 第二章i p 电话技术简介 网络提供充足的带宽，所以对现有的多数i p 网络而言，话音压缩技术是实旌i p 话音通信的关键所在。 编码压缩方法由i t u 统一制定，并标准化。它的压缩能力由i ) s p 的处理能力 决定，通常d s p 的处理能力用m i p s ( m i l l i o n so fi n t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 来度量。 编码压缩仅负责对实际传输的i p 分组数据进行压缩，它不负责对i p 头压缩。 一般，i p u d p 头( 包括地址信息和控制信息) 要耗去7 k b s 左右的带宽，如 果有些i p 路由器支持i p 包头的压缩，那么带宽损耗可以降低到2 3 k b s 左右。 在实际选择语音压缩的算法时，要综合考虑各种因素。例如，高比特率可以 保证良好的话音品质，但要占用大量存储空间，耗费更多的系统资源；而过低的 比特率又会影响话音的品质和增加延迟。所以在较低比特率的前提下保持较好的 话音质量，是选择压缩算法的原则。目前h 3 2 3v 2 选择g 7 2 3 1 作为缺省的话 音编码标准。 2 3 3 i p 话音通信协议 统一的通信协议是i p 电话实现全网互通走向商用的关键，它包含下面几个 方面： ( 1 ) 通信控制协议：是电信网中的呼i u 控制信令，包含地址信息、用户状 态信息、音信号、d t m f 信号等。他们以控制分组的格式发送，由于比较重要， 一般采取t c p 可靠传输协议来传输。 ( 2 ) 话音通信传送协议：规定了话音分组如何封装、复用和传送。包括具 有静音监测功能的话音编码分组如何组装和标识。由于一般需要实时传送，一般 采取u d p 作为它的传输层协议。 ( 3 ) 实时控制协议：可以传送分组的时间戳、分组序号等信息，支持q o s 监视和多数据流合并。i p 网络电话使用r t p ( r e a l t i m ep r o t o c 0 1 ) 适配分组话音 数据，用r t c p ( r e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 来监视q o s ，另外为了保证话音分 组的实时性，利用r s v p ( r e s o u c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议为呼叫保留网络 资源。 ( 4 ) 会议电话控制协议：i p 网络电话用于电话会议特别有利，能充分提高 资源的利用率。会议电话应用一般用到一个称为多点控制单元( m c u - - m u l t i p o i n t c o n t r o lu n i t ) 的部件。会议电话控制协议规定了如何建立各个与会者到m c u 的 话音通道、协商会议的规模和能力、确定会议管理方式等过程。 第二章i p 电话技术简介 2 3 4 网络管理和安全技术 由于i p 网络是一个开放式的网络，因此必须十分注意网络安全，以防止网 络遭到恶意攻击。 系统的安全性包括下面几个方面： 鉴权：主要是用户的身份验证。 权限验证：即接入控制功能。验证用户能否使用某项业务，包括i n t e r n e t 中必备的防火墙功能。 加密：主要是重要信令消息如鉴权、权限验证和计费等信息的加密。 数据完整性：确保数据不被未授权的他人修改。 网络管理技术除了i p 网络的一般管理以外，还包含具有完善的计费功能和 运行商间互操作管理功能。 计费功能：系统必须具有业务的详细记录，包括付费方表示、业务类型、时 间、呼叫时间、呼叫源和目的点、o o s 等级。 运行商间互操作管理：不同的运行商之间应该能够交换如下信息：域间管理 信息、权限验证信息、业务、用户管理规则、记账信息等。 2 35 i v r 技术 i v r ( i n t e r a c t i r ev o i c er e s p o n s e ) 即交互式语音应答，可以提高呼叫服 务的质量并节省费用。随着技术的进步，i v r 也有了一定的发展，可以根据用户 输入的内容放送有关的信息，可以是操作提示也可以是具体的信息内容。 在i p 电话中使用的i v r 经历了从集中到分布的过程，分布式i v r 采用加入 智能网关的功能，使得原本远程发送的语音提示信息现在只需要在本地发送，从 而既减少了开销又提高了服务质量。下面将分别介绍集中式i v r 和分布式i v r 。 ( 1 ) 集中式i v r 系统 i p 电话在提供国际电话卡长途服务时，由于大部分传递节点不是在每个国家 都有物理上存在的，而有的是在逻辑上存在的，因此必须从国外的传递节点租用 带宽。目前的电话，所有计费功能、主叫识别以及与电话卡相关的用户提示信息 都必须集中处理，这是由于网关缺乏像集中电话网中提供的i v r 和计费功能之类 的智能特性。在集中式的结构下，国际电话呼叫从“请输入电话卡号和p i n 号” 和“输入要呼叫的号码”开始，直到接通电话为止，每处理一个国际电话卡业务 至少要三次访问中央数据库系统，每个用户的提示信息必需从中央i v r 系统发 出，并且每次用户响应也要送回i v r 系统。i p 电话的开办是为了节省费用，但 在网络上往返式地传送提示信息造成了大量的开销。传递节点的租用带宽，主要 1 0 第= 章i p 电话技术蔺奔 是为了传递语音而用的，但同时也必须为传送语音提示信息丽提供相当大的开 链，丽簸语音鼹示信惠还会捐褰网络，为了僳诞语音矮豢，就褥提供更多静荣宽。 在实际应用中，看似很少的语音提示开销能导致很大的损失，遮就是集中式i v r 懿缺点。有一牵| l 方法可以避荛遮一闫题，繇把传统语音摄示浆功姥葺蠹褥缝分布到 基于i p 的网络中去，邀就是分布式的i v r 体系。 ( 2 分蠢式i v r 系绞 为了节省提供语音提示而导数的往返传送开销，传递节点把i v r 的中央控制 功毙分数裂吾令节点。在分毒式鹣薅系结稳下，通过把i v r 功能集残到i p 电话 网关，强求输入用户电话卡号之类的语音提示就可以实现本地处理。配置网关傥 它具有发出语音提示、邂话卡核实和拨号处理等功能。这样，只有远鼯藉的长逡 语音信息以语膏的方式在i p 网络上传送。在集中式i v r 系统中，像“请输入卡 号”这榉的提示信息都内中央i v r 系统控制，因1 掰它们都必须以实际的语音传送。 而把i v r 功能集成到i p 电话网关实行分散控制之后，中央控制部分把i p 信息发 送给局域网列关，局域网网关的i v r 根据中央控制部分i p 信息所表示的指令发 送给用户语音掇示信息。因为添音提示信息都傈留在本地，因丽不需要在广域网 甚至国际网上传输。广域网上需要传送的只是很小的用于告诉周域网网关该发什 么提示信息的i p 包，这样节省了大量静带宽资源。 把功能分布到网关上会有额外的电话网关和中央i v r 控制器之间交互的开 链，翟熊豢来受大熬收藏。分毒式i v r 其舂班下镌点：羝找徐、较裹麓谣音矮量、 整个网络的可靠性提高。 2 ，4l p 电诿等传统邀话麓比较 一耱耨鳃照务，慧怒骞着鑫身靛特点戮及转统业务无法跣数熬长处。通过理 在网络技术的发展趋势，可以预见，无论时间长短，未来i p 电话将会逐渐取代 传绞的p s t n 逛矮。 和传统的电话网络样，i p 电话网中主要的技术问题仍然魑信令、寻址和路 出，此铃还有延迟还题。下露分别进行讨论，势昶传统电话网技术，即p s t n 避 行对比。 1 。信令比较 在p s t n 和i p 网络中，信令的任务郡是建立种连绥。信令出现于网络入口 处，它选择线路，建立嗣络通邋，丽且( 在远程站点) 通知呼叫到达信息。 ( 1 ) p s t n 的信令 在p s t n 中，完成一次电话的通话潞要建立多神形式的信令，首先，提起电 话时，系统向交换桃发送一个“摘机”信号，交换杌就会发拨号音进行响应：然 后电话向交换机传送拨号数字，即被叫号码或者相关的数字信息，交换机和电话 第二章i p 电话技术简介 之问的这种信号交换方式称为站点环绕信令；交换机收到来自电话的拨号数字 后，丌始进行相应的处理，例如转接等。在转接过程中，又要用到多种信令，如 信道辅助信令( c a s ) 、通用信道信令( c c s ) 等，最终完成电话的接续。 ( 2 ) i p 电话信令 在i p 电话网络中，信令的种类比较复杂，分为外部信令和内部信令两种。 外部信令用于i p 网络和p s t n 之间的互联，所以基本遵循p s t n 电话网的信令标 准。内部信令用于i p 网络内部之间的连接控制和呼叫处理，可以由i p 电话相关 组织制定或遵循i p 电话承载网络自身的规定。 外部信令 考虑到和传统电话的互操作问题，i p 电话网的外部信令和普通p s t n 的信令 是一致的。 内部信令 内部信令必须提供两种功能：连接控制和呼叫处理。连接控制信令用于网关 之间的联系或通道以传输分组语音：呼叫处理是在网关之间发送呼叫状态，如振 铃、忙音等。 内部信令的规定依赖于承载传输网络的协议标准，例如a t m 采用的标准为 q 9 3 7 ，帧中继分组语音信令的标准为f r f 儿，而面向无连接的i p 分组语音采用 h 3 2 3 标准。 在l p 网络中，信令是这样工作的：网关把从交换机接收的拨号数字映射为 i p 地址，并向该i p 地址的站点发送q 9 3 1 通知建立请求信号。同时，系统使用 控制信道建立实时协议语音流，并使用r s v p 协议( 资源预留协议) 请求服务质 量。 2 寻址比较 任何电话网络要实现其通信功能，必须有一套完善的寻址体系，并且，其中 的每部电话都必须有一个单独的地址( 号码) 。 传统的电话网络的寻址是依靠国际、国内标准以及本地电话公司与内部用户 之间规定的特定代码技术相结合来完成的，简单的说，就是依靠电话号码来进行 地址的寻找的。国际电信联盟i t u t 推荐的e 1 6 4 标准定义了传统p s t n 网络上 的国际编号规则。按照国际电话服务编号规则，每个国家的国家编号规则必须符 合e 1 6 4 标准，并同国际编号规则联合使用。p s t n 电话服务商必须确保其编号 规则兼容e 1 6 4 标准，而且其用户网络也要遵循这一标准。 i p 电话网络的寻址和传统电话网络差别很大，原因在于，它是一个面向无连 接的网络，并且要考虑和p s t n 之间的互联问题。因此，在i p 网络中，要把目的 地的地址信息封装进i p 数据包内，i p 网络根据该地址信息进行寻址。 第二章i p 屯话技术简介 在i p 网络中，采用t c p i p 的寻址规则和协议，而后者主要包括以下两个方 面： ( 1 ) 地址解析 所谓地址解析，是指在特定的设备处( 例如路由器、网关、d n s 服务器等) ， 将i p 数据包内的地址信息解释成可以识别和处理的地址，然后交由寻址设备进 行路由寻找。 地址解析的方法共有三种： 广播