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北京邮电大学硕士研究生毕业论文摘要 i p 网上多媒体流性能测量的研究和硬件实现 摘要 本文首先研究了目前流量测量领域中较为成熟的5 种网络测量 技术和相关网络测量组织，以及7 种流量测量标准，并对各种流量测 量标准作出分析比较，同时按照流量测量技术较为通用的流的定义方 法，提出了流的定义；其次对目前i p 网络中发展最为迅速的多媒体 业务流一一多媒体通信数据流使用的通信协议：h 3 2 3 协议和s i p 协 议做了研究，并深入探讨了两种多媒体通信协议的呼叫流程，并对i p 网上多媒体业务流的识别提出实现的方案；第三在上述研究的基础 上，结合流量监控设备的硬件设计实现，保留原有流量监控设备的体 系结构，对硬件设计代码部分进行相应的修改，提出了对于多媒体通 信数据流性能测量的硬件实现方案；最后结合硬件实现设计中使用的 f p g a 设计技术，针对设计中出现的问题，提出解决思路以及设计过 程中总结得出的经验。 关键词：网络测量h 3 2 3s i pf p g a 设计 北京邮电大学硕士研究生毕业论文摘要 t h er e s e a r c ha n dh a r d a r ei m p l e m e n t o fm u it i m e d i as t r e a m sq o sm e a s u r e m e n tr ni p n e t w o r k a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , f i r s t l y5m a t u r en e t w o r km e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , 2 n e t w o r km e a s u r e m e n ts t a n d a r do r g a n i z a t i o n si nt h ei n d u s t r ya n d7 n e t w o r km e a s u r e m e n ts t a n d a r d sw e r es t u d i e d t h e nt h e s es t a n d a r d sw e r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d f u r t h e rm o r e ，t h ed e f i n i t i o no ff l o wi nt h el i g h t o ft h em o s t w i d e l ye m p l o y e dd e f i n i t i o nm e t h o d sw a si n t r o d u c e d s e c o n d l yt h em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nd a t as t r e a m - h 3 2 3p r o t o c o l a n ds i pp r o t o c o l ，t h a tg r o wf a s t e s ta m o n gt h em u l t i m e d i as e r v i c e s ，w a s p r e s e n t e da n dt h ec a l l i n gp r o c e d u r ew h i c he m p l o yt h et w op r o t o c o l s ，a n d p r o p o s a lt h ep r o j e c tt oi d e n t i f yt h em u l t i m e d i as e r v i c ef l o wi ni pn e t w o r k d i s c u s s e di nd e t a i la sw e l l t h j r d l y , b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h w e m a i n t a i nt h ep r e v i o u st r a 伍cm o n i t o r & a d m i n i s t r a t o ra r c h i t e c t u r ew h i l e w e1 1 1 0 d l f yt h ev h d lc o d et ob es u i t a b l ef o rt h ep r o i e c t ah a r d w a r e i m p l e m e n ti sb r o u g h tf o r w a r dt oi n s p e c tt h eq o so ft h em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o nd a t af l o w ；a tl a s ti n t e g r a t i n gt h ef p g ad e s i g n w eb r i n g f o r w a r dt h em e a n st os o l v et h em a t t e r sw h i c hc o u l da p p e a ri nt h e h a r d w a r ei m p l e m e n t k e yw o r d ： n e t w o r km e a s u r e m e n th 3 2 3s i pf p g a 北京邮电大学硕士研究生毕业论文声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 蔓鱼； 日期：2 q q 垒至2 日21 旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：蔓盥。日期：2 q q 垒生2 旦2 1 旦 导师签名 日期：旁积- _ 卜 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第一章 1 1 论文背景 第一章绪论 进入2 0 世纪9 0 年代以来，i n t e m e t 技术得到了快速的发展。这些发展包括： 一方面是网络设备的增多，使得网络中的设备不仅包含了许多低速设备，也新增 了很多高速设备：另一方面是用户对网络上的业务需求日益多样，人们不再满足 于原先单一的文本信息，而是对于信息的需求多样化、丰富化，于是在目前的p 网络中增加了各种各样的数据流分布于网络中，例如图片、视频和音频等多媒体 数据流。直到今天，这种复杂的局面仍在不断的变化中，在这种复杂的情况下， 以前的经典网络分析方法已经不能做到有效地分析网络状况，例如排队论和 p o s s i o n 理论等，因此网络流量测量技术是目前唯一能用于分析网络状况、掌握 流量特性的有效方法。流量测量主要是对网络中的“流”进行测量和分析，以掌 握网络的流量特性，比如协议的使用情况、业务的分布情况、用户的行为特征等。 随着网络应用业务增长，用户对于信息的交流需求多样化，音频和视频与时 间相关的多媒体业务成为了网络运营商新的经济增长点。多媒体业务的服务质量 对网络性能要求较高，例如低延迟，高吞吐率和低差错率等要求，为了做到及时 了解网络的运行状况以及网络的性能，需要使用流量测量技术和工具，帮助网络 运营商方便地实现网络资源分析和网络管理，实现网络的优化以及网络故障的分 析，应对激烈市场竞争。 目前p 网上的多媒体应用主要有：v o i p 、v o d 、远程医疗和远程教育等。 在上述多媒体应用中v o i p 目前的业务较多，发展较快，也是网络运营商较为看 好的经济增长点。本论文中将会重点对多媒体会话使用的协议h 3 2 3 和s i p 做出 研究，在北京邮电大学宽广电信研究中心研发的流量监控芯片的基础上，提出使 用f p g a 硬件平台实现，对于口网上多媒体会话数据流的识别并进行监测的设 计方案。 1 2 论文结构 本论文的结构安排如下： 第一章是绪论，简要介绍课题的研究背景以及论文的结构安排： 第二章介绍网络测量技术的发展和现状，以及目前业界的网络测量工作组同 时将会对定义“流”的概念： 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第一章 第三章介绍对于多媒体通信协议，重点在于h 3 2 3 协议、s i p 协议和r t p 协议 的研究，以及识别目前沪网上多媒体会话数据流的行为特征以及相关眭能参数； 第四章基于北京邮电大学宽广电信研究中心研发的i p 网络流量澳q 量监控芯片， 介绍流量监控项目的实现方案，以及流量监控项目硬件平台的基础上提出多媒体业 务流测量的硬件实现方案； 第五章中介绍硬件设计实现中使用的f p g a 技术，以及本人在硬件项目设计中 所总结得出的部分设计经验。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章 第二章网络流量测量技术 随着口网络技术的飞速发展，网络设备的数量及新业务也在不断增多的同 时，网络运营商必须尽力提供最好的服务给用户，以适应激烈的市场竞争环境。 现代坤网络中业务流的行为特征日渐复杂，已不能使用以前经典的网络分析理 论进行分析，在这样的背景下，网络性能测量的研究越来越成为人们关注的焦点， 同时作为进行网络流量数据采集和分析的技术，也成为一项网络管理的核心技 术。 流量测量是网络管理系统中的一个重要组成部分，它主要是通过采集网络数 据，分析得出网络中硬件和传输媒质的性能，为网络管理者提供决策信息，以保 证网络运行效率和改善网络服务质量。在实际中，网络运行效率和服务质量有着 相互制约的关系。网络运行效率的提高有可能导致服务质量的下降，面为特定用 户保障较高的服务质量将导致网络运行效率的下降。因此，性能测量的主要目的 就是获取这两方面的性能数据，从而在提高网络运行效率和保障服务质量之间找 到一个最佳的平衡点，实现网络资源的有效利用，以及网络容量的合理规划。 流量测量包括以下三个部分：数据采集、数据分析和数据显示。流量测量的 目标是帮助网络管理员获得以下信息： 一 网络中存在数据流的业务分布情况 _ 网络带宽的利用率 _网络设备的运行性能以及资源利用率 一 网络拓扑能否满足数据传输的需要 网络中有哪些消耗资源较大的用户和应用类型 一是否有用户需要更多的带宽以保障服务质量 2 1 测量技术分类 网络测量技术按照不同的标准可以划分为以下几类： 1 主动测量与被动测量：按照是否向网络中注入数据报文进行划分，分为 主动测量和被动测量。被动测量只记录观察点收集的数据，目前较为常 用的t c p d u m p 和s n i f f e r 软件均为被动测量：主动测量需要发送数据报文 至网络中，通过测试数据包在网络中处理和响应结果获知网络流量的状 态信息，目前较为常用的工具为p i n g 和t r a c e r o u t e ，主动测量响应速度 快，适应性强，但是会增加网络负载甚至会给网络带来灾害性的破坏： 2 罄点测量和多点测量：裉据涟量点的多少分为巴点测量和多点测量_ i ! = e 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章 网络测量初期，是以单点测量为主，由于收集的数据信息不全面，测量 能力有限等因素，分布式多点测量应运而生。 3 在线测量和离线测量：按照测量工具对测量结果分析的方式进行划分， 分为在线测量和离线测量。在线测量对采集数据进行实时分析，并实时 输出分析结果，对网络测量设备的性能有较高要求。 4 协议测量：按照测量采用的协议不同，可以划分为基于b g p 协议的测量， t c p i p 扔议的测量和s n m p 协议的测量等。 5 ，拓扑测量和性能测量：按照测量的内容的不同，可以划分为拓扑测量和 性能测量。拓扑测量获得网络终端的分布状况，了解特定区域网络资源 的配置状况，从而管理网络；性能测量涉及的参数有：r t t ，带宽，吞 吐率，带宽利用率，丢包率等一些参数，监控网络运行状况从而管理网 络。 2 2 流量测量标准 2 2 1n e t 聊o w n c t f l o w 是c i s c o 公司开发的用于进行流量测量的功能，该功能内置于几乎 所有的c i s c o 路由器和交换机中。n e t f l o w 交换在网络设备网络层实现高性能的交 换，它提供一个高效的机制，可以用来处理安全访问列表，从而不必像其他交换方 式那样，为完成同样的任务而付出很高的性能代价。 n e t f l o w 交换识别主机之间的网络流量，并在提供相关服务的同时，对网络流 量中的分组进行交换。在传统的网络交换中，每一个输入分组是单独处理的，路由 器为每个分组进行一系列独立的查询，利用系列函数去检查访问列表、获取记账 数据、交换该分组。然后将它发送( 即交换) 到目的地。这些查询包括确定是否采 用安全访问过滤，以及更新网络统计计账记录。而在n e t f l o w 交换中，查询过程仅 对分组流中的第一个分组进行，当一个网络流被识别并确定了与其相关的服务后， 那么后面所有的分组都作为该信息流的一部分，在面向连接的基础上进行处理，这 样就绕过了访问列表的检查，进而依次对分组进行交换和获取统计信息。n c t f l o w 交换中要创建一个信息流高速缓存，里面包含对所有活动信息流进行交换和访问列 表检查所需要的信息，利用标准的快速交换路径先处理信息流中的第一个分组，这 样就生成了n e t f l o w 高速缓存，这样每个信息流都与一个即将到来的接口端口号和 要发出的接口端口号相关联，并且有一个特定的安全访问权限和加密策略。高速缓 存中还包含用于数据流统计的条目，随着后面分组的交换，这些条目也不断地更新。 n e ：f l o w 高速缓存顿刨建后耶些被标识书i 磷于现有的一个信誉流的分组即可咀藏 篓j 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章 据高速缓存信息被交换，从而绕过了安全访问列表检查。对于所有活动信息流，在 n e 匹l o w 高速缓存中保留相应的信息。 随着c i s c o 设备在网络雾的广泛应用，n e 崾l o w 也成为业界的一个标准。利 用n e t f l o w 功能可以进行流量数据采集，并进行数据汇集，然后将数据传输到其 他设备进行分析，并可以进行数据显示。统计信息包括用户、协议、端口和服务 类型，设备的输入逻辑端口等。n e t f l o w 具有比较强大的流量测量能力，但是由 于它是c i s c o 厂商私有协议，因此应用范围也受到局限，只能用于部署了c i s c o 设备的网络中，可扩展性不强。 2 2 2d i a m e ! t e r d i a m e t e r 协议首先由s u n 公司提出，2 0 0 1 年6 月i e t f 已同意作为标准化的协 议。d i a m e t e r 的主要目的是提供认证、授权、计费( a a a ) 能力，其中包含了流量 测量的功能。出于安全的考虑，d i a m e t e r 设计了非常完善的消息流程，并定义了协 议使用的数据包格式。因此，利用d i a m e t e r 进行流量测量具有非常高的可靠性，并 且有较高的灵活性。但是也正由于d i a m e t e r 主要关注的是a 功能，设计流程非 常完善，因此测量过程复杂，并且需要额外的协议交换过程，增加了网络负载，效 率不高。 2 2 3l f a p l f a p 的全称是l i g h t w e i g h tf l o wa c c o u n t i n gp r o t o c o l ，即轻载流量计费协议。顾 名思义，l f a p 是要提供一种效率更高的流量计费功能。l f a p 最早在1 9 9 7 年3 月 由r f c 2 1 2 4 定义，在经过多次修改后，目前已改进到版本5 。l f a p 协议提供记录 通过一个网络节点的m 数据包详细信息的能力，它可以实现于以太网网桥、路由器 或网络探针设备中。l f a p 的主要功能是从经过网络节点的大量数据包头中提取流 量信息。l f a p 采用t c p 作为传输协议，并定义了自己的帧格式。与d i a m e t e r 相比， i _ y a p 的协议包增加的数据量很小，因此效率更高。 2 2 4c r a n e c r a n e 的全称是c o m m o nr e l i a b l ea c c o u n t i n gf o rn e t w o r ke l e m e n tp r o t o c o l 。它 的主要目的是为业务支撑系统( b s s ) 提供流量测量功能。c r a n e 协议模型采用客 户机服务器结构，由客户机收集流量数据并发送计费信息至服务器。为传递流量信 是。在客户机和服务器之刚也定义了消息流程和消息格式。由于c r a n e 只关注流 量信电圈t i t n 息格式与d i a m e l e r 相比也比较篱量效率较高， 第5 受 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章 2 2 5s f l o w s f l o w 是一种在基于交换机和路由器构建的网络中进行流量监测的技术。s f l o w 的基本结构如下：设备中的s f l o w 代理通过数据采样监测流量，然后通过一定的格 式将采样数据传送到中央数据采集器，并且可以通过s f l o w 管理信息库控制代理。 s f l o w 的目标是为了实现高速网络中站点范围和网络范围内流量测量问题，因此采 用了采样机制，以适应吉比特以上的传输速率，并且可以管理大量的s f l o w 代理， 同时减少在设备中实现s f l o w 代理的复杂性。 2 , 2 6 测量标准对比 以上5 种标准是目前存在的主要流量测量标准，在简要介绍了它们的主要内容 之后，我们将这5 种标准的主要特点概括如下表所示： 表2 1 测量标准对比表 。| 。蕊懿煞：；蠹，“。漕蓿穆丝耋孝；准确性 j 一- 效率黟# 琴罐蒋删滞爝厮舞蹭f + 。 礅t + ， n e t f i o w c j s c o 标准较高较高c i s c 0 公司设备 d i a m e t e rl e t f 标准 最高较低采用认证技术的网络 l f a p i e t f 标准较高较高流量计费网络 c r a n el e t f 标准 较高较高业务支撵网络 l s f l o w i e t f 标准较低最高高速网络 2 3 测量工作组 2 3 1r t f m r t r v 的全称是r e a lt i m et r a f f i cf l o wm e a s u r e m e n t ，即实时流量测量。r t f m 是i e t f 建立的一个工作组，该工作组建立的目标有以下三个： 1 ) 总结已有的流量测量工作，包括r m o n 、因特网计费工作组以及其他研究 者发表的研究成果； 2 ) 提出一种改进的流量模型，该模型应当满足以下要求：可以用硬件实现； 可用于1 p v 6 流量测量：扩展原有的计费模型以扩大计量范围；实现简单； 具有数据压缩的特性； 3 ) 建立流量计量管理信息库。 该工作组在1 9 9 9 年l o 月向i e t f 提交了5 个r f c 文档后完成了它的历史使命， 这5 个r f c 文档为r f c 2 7 2 0 至2 7 2 4 。该工作组目前处于关闭状态，但是仍有少量 的研究者在睦工作组的基础上进行研究。并提出了四个相关草案作为写i 有内容的补 t ，在r 一一! _ 、中定义了r t f b ) 冀薹茧、互- 该；两韵基本构件是计量器t e n 毒止 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章 计量阅读器( m e t e x r e a d e r ) 和管理器( m a n a g e r ) 。采集的数据由数据分析应用程序 进行处理。r t f m 结构如图2 一l 所示： 图2 - 1r t f m 结构图 图中四个模块的含义分别是： 一管理器：管理器是配置计量器及控制计量阅读器实体的应用程序。管理器向 计量器发送配置命令，并监视计量器和计量阅读器的操作是否正确。 一计量器：计量器是根据网络管理需要放置在特点位置的测量应用。每个测量 器可以根据配置采集不同的网络数据，并可以在存储数据之前进行汇集、转换及其 他操作。采集到的网络数据在进行处理并存储后称为“可用数据”。 一计量阅读器：计量阅读器的功能是将“可用数据”从计量器中传输到数据分 析应用中。比较常用的实现方法是将计量器和计量阅读器在一起实现。 一数据分析应用：数据分析应用对“可用数据”进行进一步分析，并汇报分析 结果以利于网络管理。 计量器是整个r t f m 结构的核心部件，因此在r f c 2 7 2 0 中定义了计量器的管理 信息库( m e t e r m i b ) ，该信息库可作为s n m p 管理的标准部件集成在设备中。采用 r t f m 的结构及m e t e r m i b 可以提供较完备的流量测量功能，但是由于这种结构采 用的是查询方式，效率不高，并且操作比较复杂，因此在管理大型网络方面有较大 的局限性。 2 3 2i p n x 目前有许多厂商提供流量测量工具，这些工具都有各自不同的流量信息输出方 式和格式，因此很难开发出一个方便用户使用的通用流量信息分析工具。为了消除 这种厂商各自为政的局面，制定一个统一的口设备输出流量信息的工业标准，i e t f 于2 0 0 1 年l o 月成立了i p f l x 工作组。i p f i x 全称是i n t e m e tp r o t o c o lf l o wi n f o r m a t i o n e x p o r t 即糟1 毫量言息输出。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章 该工作组的任务包括三个方面： 1 ) 定义一个信息输出协议，确定将流量数据从测量设备中输出到数据采集点 的标准方式。 2 1 确定p 流的标准定义，该定义应当是可实现的，并能适应目前己使用的流 量信息输出协议。 3 ) 选择一种可以承载p 流量信息的协议，该协议应当可方便地在设备中实现 并部署应用，并且具有拥塞控制功能。可以选择的协议包括t c p 和s c t p 等。 目前该工作组已向i e t f 提交了两个草案，其中的草案i p f i x 定义了i p f i x 的参 考模型，该模型如图2 - 2 所示。 【p f fx 蹬器m ) 瑟 鹱测t i! j ：燃驻过难一 ：住i h 过疆， 图2 - 2i f p i x 参考模型 图中各部分的含义如下： 一p f 设备：i p f i x 设备是指至少具有观测点、测量功能和输出功能三者中 的任何一种的设备硎如一个具有测量和输出功能的路由器。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第二章 一采集器：采集器接收来自一个或多个输出者的流量数据，采集器可以处理和 存储这些数据。 一观测点：观测点是指网络中任何可以观测到数据包的位置，例如以太网 交换机中的一个端口。 一测量过程：测量过程是产生流量记录的过程。测量过程的输入是在观测点观 察到的m 数据包。测量过程包括一系列功能：数据包头采集、定时采样、分类和保 留流量记录。 一输出过程：输出过程是指将流量记录发送到一个或多个采集器的过程。 利用i p f i x 结构，掘们就可以设计标准的流量数据分析应用，通过标准接口从 采集器中获取流量信息，然后进行分析和处理。 2 4 网络流的定义 在网络流量测量工程中，“流”的是网络测量和网络分析的一个重要概念，在交 换技术中，“流”被看作交换的一个基本单元。做为流量工程中的“流”，需要具备 以下要素： 一方向性：“流”可以分为双向流或是单向流。在p 网络中，t c p 数据流为 双向流，有源端发送至目的端的数据流，同时存在目的端至源端的确认流， 而u d p 数据流为单向流。单向流数据的测量有利于分析路由问题和网络流 量特征，双向数据流的测量有利于分析协议和业务的使用状况。 _ 端点特性：定义一个流，重要的是需要标明“流”的起点和终点，m 网络 中定义流的特征值有：源p 地址、目的口地址、源端口、目的端口、协议 类型、起始时间和结束时间。通过源口地址和目的p 地址定义流，可以确 定主机在网络中的物理位置；通过端口和协议配合来定义流，可以做到业 务的区分；通过起始时间和结束时间定义流，可以获得全网的网络质量。 _ 活跃时间：活跃时间为将适当网络流聚合于定义的流中，在活跃时间内， 统计数据在更新，说明流是活跃的。如果在活跃时间内，统计时间未更新， 说明流不活跃，或已经结束，可以释放测量工具中的部分资源。活跃时间 的设置，为了测量工具中资源得到最大限度的利用。 综上所述，网络流量测量中，可以通过对流要素不同的组合，而定义不同的流， 完成不同目的的网络测量。 2 5 小结 随着网络技术的发展，研烹者完善原有技术和工具的同时，也在不断地推出新 睁觅量i 州童工具和袋木其甲。：鳖成果硪i f l e e 景；! 为技术标住。；关魄茌网络发 第9 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章 各中，我们不断地了解和掌握这些标准和技术，有益于我们更好地改进已有的测量 工具和技术，更方便地实现网络管理和分析。 ，o 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章 第三章多媒体通信协议 多媒体信息有四种：音频、视频。图形和文本。在多媒体业务中的图片和文本 与时间无关的媒体称为静态媒体，而将视频和音频与时间有关的媒体称为动态媒体 或流媒体。在本文中所指多媒体业务流是在口网中进行多媒体通信的动态媒体数据 流。 国际电联0 t u ) 和互联网工程任务组0 e t f ) 从不同的角度出发，针对多媒体会话 业务提出了两种不同协议族h 3 2 3 协议和s i p 协议。这两种协议都是通过一系列标 准和协议，形成一个完整统一的系统，支持包括视频、音频和数据会议的多媒体通 信，h 3 2 3 是在p s t n 基础上提出的，而s i p 协议是在p 网络的基础上提出的。在 这两种协议族中多媒体数据流传输使用的协议是相同的，都为r t p 协议；两种协议 族的区别主要体现在多媒体会话呼叫的信令协议和控制功能协商的协议上。在本章 中将针对这两种协议做研究，并对使用这两种协议的多媒体会话数据流分析，得出 在p 网中识别多媒体业务流的方法。 3 1h 3 2 3 协议 3 1 1h 3 2 3 协议简介 国际电联( i t u ) 建议的h 3 2 3 是基于分组交换的多媒体通信系统，也是多 媒体通信最为成熟的标准，是由一系列协议组成的协议族。1 9 9 6 年通过了 h 3 2 3 v 1 ，标题是基于局域网的视频会议系统；1 9 9 8 年2 月完成了h 3 2 3 v 2 ，标 题变成了基于包交换网络的多媒体通信系统。h 3 2 3 协议族主要包括下列协议： - h 2 2 5 ；定义了注册、接入、状态的信令控制和q 9 3 l 媒体流打包和同 步： 一h 2 4 5 ：多媒体通信控制协议，定义了媒体流端点能力交互、终端主从 判断、逻辑信道控制和命令的发送： 一h 4 5 0 ： l 3 2 3 增补协议，适用于各种补充业务； 一t 1 2 0 ：多媒体会议数据协议； - h 2 3 5 ：定义了系统的认证、加密与完整性安全框架； _ g 系列：定义语音压缩和解压缩的标准。 由于上述各种协议的作用不同所使用的承载 办议也不相同，h 3 2 3 多媒体会 话数据流通过u d p 协议承载的r 耶，捌设传递而会话建立阶段的信令协议和能力 切- 商仂珏：是通) - c p 西议承载的，弧i 在c ) s i 层分布虹j ：囤所示： j；， 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章 囤3 - 1h 3 2 3o s i 层分布示意图 h 3 2 3 协议在下列的系统组件间进行通信，这些系统组件在一些情况下是单 独的物理设备，在有些情况下是驻留在同一平台中的软件组件： 一h 3 2 3 终端：类似于电话的设备，支持多媒体数据流的编解码以及呼叫 控制信令的发送和接收； 一 多点控制单元( m c u ) ：支持多点通信，由多点控制器( m c ) 和多点 处理器( m p ) 组成，提供对媒体通路的控制，接收和发送来自与会者 的多媒体流，并可以在不同媒体格式之间进行转换； _ 网关( g a t e w a y ) ：完成呼叫信令的转换、媒体信令的转换，以及不同网 络间的多媒体业务流的格式转换： 网守( g a t e k e e p ) ：负责控制h 3 2 3 的一个区域，为终瑞提供地址转换、 接入和带宽管理。 放。 3 1 2h 3 2 3 呼叫流程 h 3 2 3 协议呼叫过程主要包括：呼叫建立、参数协商、媒体流传输和呼叫释 肖l ： 议的由图171932中黧黧、警兰望在会话过程中作为ras作用时，使用udp协端h 勰铺信二：嬲耋霉竺协溉使用t “c p 溉5 7 f 1 9 怍1 刚7 2 嚣芸 僦鬟?三黧篓婴一q。“9“3asn - 毗懒焉髫5 。0 1 语法) 呼叫流程解释如下： ”“川刖曙法为 u 嚣会话后网关a 向网守发出a r q ( 许可请求埔息，尝试发起一个呼口q 7 o o 矾仅嬉 2 雯萎黧罂谢黼，肼发却蛔网翩p 龇然胱 入会话信令阶段： 。“滁后进 鳓喜呈黧兰慧? 皇黧要t 。通道，传送s e 聊消息，在娆m 消 著言黧鬻，4 澜酥靴在嘲动摸虾“磊嵩翥溉 f 吏目的瑞口号) 、”。“。巾f jklr 洲i 饵i j “ 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章 5 ) 网关b 向网守发出a r q ( 许可请求) 消息，尝试接纳入局会话； 6 ) 网守向端b 回应a c f 确认消息，允许接入会话； 7 ) 在终端b 空闲状态时，由端b 发送a c m ( 地址全) 消息至网关b 8 ) 网关b 将信令转化为a l e r t 消息，发送至网关a ： 9 ) 网关a 将a l e r t 消息转变为回铃音至端b ； l o ) 端b 接受会话后，发送应答信号a n m 至网关b ； 1 1 ) 网关b 发送c n 吨c t 汽息至网关a ，其中包含有被叫方的h 2 4 5 通道标 识。 至此多媒体会话信令阶段结束，进入多媒体会话参数协商阶段，以便进行多媒 体数据流的传输。 3 12 2 参数协商 网关a网关b 主从决定 主从决定确认 传输参数协商 一 传输参数协商确认 打开逻辑通道 一 一打开逻辑通道确认 图3 - 3h 2 4 5 协酉流程 媒体流数据传输协议一r t p 协议的会话标识通过 l 2 4 5 协议协商，c o n n e c t 消息 在h 2 4 5 协议参数协商成功后才会由网关a 发出至主叫端a 。参数协商在h ，2 4 5 媒 体控制的逻辑信道建立阶段就开始了，并且在每个方向上进行独立的连接，h 2 4 5 协议将按照上图的次序进行能力协商：主从决定，传输参数协商和打开逻辑信道。 一个h 2 4 5 协议的打开逻辑信道确认消息的成功将激活媒体会话，即发送 c o n n e c t 消息至主叫端。打开逻辑信道消息：海协商以下参数： 暇r t p 和r t c p 会话s e s s i o n 蔓问的i j d p 端口号 碍 点滓- - g 式一、喜磐：t 1 颤或一12 。r 譬：式) 以及编码；式 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章 _ q o s 机制( r s v p 信息) _ 是否支持d t m f 的延迟 注：h 2 4 5 协议所使用t c p 协议端口在s e t u p 消息中协商。在h 3 2 3v 2 中增 加的快速启动中规定h 2 2 5 0 的s e t u p 消息中可以携带r t p 的端口号，而在主叫网 关收到c o n n e c t 消息后即可开始进行多媒体业务流的传递，为了降低了会话建立 的延迟，在快速启动单元中语法格式和h 2 4 5 协议中的打开逻辑信道( o p 饥l o g i c a l c h a r m e l ) 消息语法结构相同。 3 1 2 3 媒体流传输 多媒体数据流的传输通过r t p 协议进行传递，使用u d p 协议承载，端口号在 h 2 4 5 协议中打开逻辑信道消息中协商获得，或是在s e t u p 消息中的快速启动单元 中获得。r t p 协议具体参见3 3 节介绍。 3 1 2 4 呼叫释放 多媒体会话中，网络设备在接到会话一方释放信令后，并通过h 2 4 5 协议通知 传输路径相关设备，会先关闭h 2 4 5 协议通道，再发送消息r e l e a s ec o m p l e t e 后，对网络资源释放。 3 2 s i p 协议 3 2 1 s i p 协议介绍 s i p 协议是由i e t f 制定的多媒体业务会话协议，制定此协议的目的在于使用现 有的m 网络进行音频和视频等多媒体业务流的传递。s i p 协议秉承了口协议的开放 性以及可拓展性等一些优点，同时具备了对移动性的支持和灵活性的优势，目前的 发展趋势大有赶超h 3 2 3 的趋势。与s i p 相关的协议还有r s v p 、r t p 、r t c p 、r t s p 、 s a p 和s d p 等一系列协议。网中支持s i p 协议的系统构件为以下一些： - 用户代理( u a ) ：一个代替终端发送和接收s i p 请求的终端应用； - 代理服务器：接收来自客户的s i p 请求应用，并代替客户向目的地用户代 理初始化的一条新请求； - 注册器：接收来自客户的注册； - 网关：用柬与其他网络用户通话： _定位服务器：用来存皓用户端的相关信息。 s ) 系统构件组戎示意图如下： 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章 p s t n 图3 - 4s i p 实体构成示意图 多媒体会话时，客户发送s i p 请求和服务器通信，在s i p 协议中规定了六种会 话请求类型： 表3 1s i p 消息表 麓! 棼茂”三! 群点燃潍鼠酋露mr 盏凇渤溪i ；当 替麟嚣曩醚瀚舔磊巍繁摇羲疆强 驻皇搿z 善_ 鼍j r e g i s t e r服务登记消息 i n v i t e 初始化呼叫消息启动一个呼叫 a c k 确认一个s i p 响应消息 c a n c e i 取消会话的消息 b y e结束会话的消息 o p t i o n s会话能力协商的消息 3 2 2s i p 协议呼口q 流程 s i p 的呼叫过程主要包括：呼叫建立、参数协商、媒体流传输和呼叫撤除。 3 2 2 1 呼叫建立 在多媒体会话信令建立阶段使用t c p 协议承载s m 信令消息，使用默认端 口值5 0 6 0 。呼叫建立阶段包括注册、通过代理模式建立连接、通过重定向模式 建立连接和呼叫复制。 - 注册过程包括以下步骤：用户启动后，通过组播包向注册服务器发送注 册请求；由注册服务器决定注册超时期限；注册服务器向定位服务器发 送当前注册表：注册服务器支持代理服务以保障用户的移动性。 裔i 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章 s i p 终端 注册服务器 图3 - 5s i p 终端注册示意图 一代理模式：建立连接时，包括以下步骤 1 ) 代理服务器首先接收用户端发送的i n v i t e 消息包。 2 1 代理服务器通过定位服务器来确定被叫方的位置。 3 ) 代理服务器将i n v i t e 消息包发送给被叫方，i n v i t e 消息包中包含 由r t p 协议所使用的s e s s i o ni d 值，通被叫方进行协商。 4 ) 被叫方的应用程序通知用户接收来电并向代理服务器发送成功信息 包，并包含对肌砸e 消息中所协商的r t p 协议的s e s s i o nd 的 确认。该消息包通过相同的路由发送给代理服务器。 5 ) 代理服务器向呼叫发起方转发呼叫成功信息。 6 ) 主叫方和被叫方进入多媒体会话阶段。 呼叫发起方接收到成功建立连接的消息，并直接向被叫方发送a c k 消息包。 不再通过代理服务器。如图3 - 6 所示： s i p 终端代理服务器 定位服务器s i p 终端 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章 重定向模式：建立连接中不对请求消息包进行处理，直接将代理服务器 地址发送至呼叫发起方，如下图所示： s i p 终端a 重定位服务器代理服务器s i p 终端b 图3 7 重定向模式会话示意图 - 呼叫复制即将呼叫发起方的消息复制到多个被叫方终端。 3 2 2 2 参数协商 在多媒体会话参数协商过程中，使用o p t i o n 消息进行协商，和 l 3 2 3 协议族 中的h 2 4 5 功能相同，和h2 4 5 协议不同的是s i p 协议的参数协商是和呼叫建立阶 段是同时进行的。 3 , 223 媒体流传输 s i p 协议在媒体流传输中，同样是使用r t p 协议进行传输，r t p 协议介绍具体 参见3 3 节。 3 2 2 。4 呼叫释放 使用s i p 协议的多媒体会话中，网络设备在接到释放信令消息b y e 后，通知传 输路径相关设备列旧关网络资源释放； 北京邮电大学硕士研究生毕业论文第三章 3 3 媒体传输协议r t p r t p ( r e a l - t i m e t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 是由i e t f 开发的一种实时传输协议， 可以在面向连接或无连接的下层协议上工作，通常是通过u d p 协议承载使用。 r t p 协议中定义了两种报文：r t p 报文和r t c p 报文，r t p 报文用于传输媒体 流数据，由r t p 报文头和净荷组成。r t c p 报文用于传输控制信息，由固定的报文 头和结构化的元素构成，以实现协议控制功能。在使用u d p 协议时，r t p 报文和 r t c p 报文分别使用两个相邻的u d p 端口，r t p 报文使用偶数位端口，而r t c p 使 用下一个奇数位端口。( 若是传输层协议为其他协议时，r t p 报文和r t c p 报文可以 合并，放在同一个报文中发送，控制信息在前，媒体流数据在后，此种庸况本文未 儆研究) 。 3 3 1r t p 报文 r t p 报文由两部分组成，报文头和有效净荷组成，r t p 报文头格式如下： 01 51 63 1 v pxc cmp t序列号 时戳 同步信源( s s r c ) 标识符 特约倌源( c s r c ) 标识符 图3 8r t p 报头格式 v ( 2b i t ) ：协议版本号； p ( 1b i t ) ：填充标志，标志报文尾部是否有填充； x ( 1b i t ) ：扩展标志，标志报文头后是否有扩展报文头； c c ( 4b i t ) ：c s r c 计数器，指示c s r c 标识符个数； m ( 1b i t ) ：净荷为视频时，1 标志一帧的结束。净荷为音频时，l 标 志会话的开始； p t ( 7b i t ) ：指示报文中净荷的类型； 序列号( 1 6b i t ) ：r t p 报文序列号，用于报文排序和恢复数据； 时戳( 3 2 b i t ) ：源端发送第一个r t p 报文的八位组的采样时刻，用于计算 延迟和抖动，荨进行同步控制： 同步信源( s s ； c ) 际识符【3 2b i t ) ：。r 于表示同步信源： 一 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第三章 一特约信源( c s r c ) 标识符( 3 2b i t ) ：可以有o 1 5 个，用于标识r t p 报文 巾有效净荷中的所有特约信源。 r t p 报文提供具有实时特征的、端到端的数据传送服务，可用来传送声音和运 动图像数据。通常r 1 p 的协议是用u d p 叻、议来承载的，并利用u d p 的复用和校验 和c r c 来实现r t p 的复用。r t p 报文没有提供任何确保按时传送数据的机制，也 没有提供任何质量保证的机制，因而要实现服务质量需要由底层网络来提供保证。 3 3 2r t c p 报文 r t c p 报文通过周期性发送实施协议控制功能，r t c p 报文是一种短报文，由固 定的r t c p 报头和结构化组件组成，r t c p 报文可以堆叠，多个r t c p 报文可以连接 起来而无需插入任何分隔符。r t c p 报文定义了以下四种报文类型： _s r ：发送者报告报文 _ r r ：接收者报告报文 一s d e s ：信源描述报文 b y e ：结束报文 其中，s r 报文和r r 报文称为接收报文，r t p 的接收者使用接收报文向发送者 反馈有关接收质量的信息。s r 和r r 的差别在于s r 中含有2 0 字节的发送者信息。 接收报文是周期性发送，如果一个节点自上次发送接收报文以来的时间间隔内发送 过r t p 报文，则本次应发送s r 报文，否则发送r r 报文。 3 3 2 1 s r 报文 s r 报文由三部分组成：r t c p 报头，发送者信息和接收者报告，如图3 - 9 所示 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第蔓章 o1 51 63 l vpr c p t ( s r = 2 0 0 )报文长度 s s r c 标识符 n t p 时戳 n t p 时戳 r t p 时戳 发送者报文计数 发送者有效净荷计数 s s r c _ i 标识符 报文丢失率报文丢失累计 接收报文的最高序列号 平均延迟抖动 最近发送s r 的时间( l s r ) l s r 的时间差( d l s r ) s s