（通信与信息系统专业论文）高速局域网视频通信平台研究与实现.pdf

摘要 论文对新兴v o i p 协议i a x 做了深入的研究和学习，并在掌握其工作原理、工 作过程的基础上，对协议进行了扩展，使原协议支持多方视频通信的功能，对多 方视频通信的呼叫流程、会话控制进行了详细的设计。对l a x 协议源代码进行了 系统的整理、优化，并且开发了多方视频通信模块。 论文对v o i p 系统中的关键技术进行了研究和分析，为了解决视频会议中多路 视频数据占用带宽量大的问题，提出了个人视角视频会议的概念，结合静音检测 技术，实现视频会议中语音数据和视频数据的同步传输，并在实验室环境中成功 实现了个人视角视频会议系统，测得了大量有效数据。 在研究v o i p 系统的基础上，提出了高速局域网视频通信平台解决方案；对视 频会议的系统结构、应用模式、功能模块等进行了系统研究和架构。局域网视频 通信平台以v o m 技术为基础，以主席控制模式的视频会议为主要功能，并且与数 据通信、程序共享、电子白板等辅助功能相融合，最终初步构建了一个软件视频 通信平台。 关键词：v o i pl a x 协议视频会议个人视角 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sat h o r o u g ha n a n l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h en e wv 0 i pp r o t o c 0 1 1 a x 1 a x p r o t o c o li se x p a n d e dp a r t l ya c c o r d i n gt oi t sb a s i cp r i n c i p l ea n dp r o c e e d i n g an e w f u n c t i o nm u l t i p l ev i d e oc o m m u n i c a t i o n si sa d d e di n t ot h i sp r o t o c 0 1 s o u r c ec o d eo fl a x p r o t o c o li sp r o g r a m m e d , o p t i m i z e da n de n c a p s u l a t e dt os u p p l ya p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) f o rf u r t h e rp r o j e c td e v e l o p m e n ta n dt h em u l t i p l ev i d e o c o m m u n i c a t i o i l sm o d u l ei sc a r r i e do u t k e yt e c h n o l o g i e so fv o l ps y s t e ma r es t u d i e di nt h i sp a p e r an e wc o n c e p to f p e r s o n a lv i e wv i d e oc o n f e r e n c ei sp u tf o r w a r dt or e s o l v et h ep r o b l e mo ft o om u c h b a n d w i d t hu s e di nt h ev i d e oc o n f e r e n c es y s t e m v a d ( v o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ) t e c h n o l o g yi su s e dt oc a r r yo u tt h es y n c h r o n i z e dt r a n s f e ro fv o i c ed a t aa n dv i d e od a t a a tl a s t ，as u c c e s s f u lp e r s o n a lv i e wv i d e oc o n f e r e n c es y s t e mi sc o n s t r u c t e di nt h el a b a n dm u c hu s e f u lt e s t i n gd a t ai so b t a i n e d a s y s t e mo fv i d e oc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi nh i 曲s p e e dl a n i sb r o u g h to u to n t h eb a s e o fv o l ps y s t e m at h o r o u g hr e s e a r c hi sm a d eo nt h e s y s t e ms t r u c t u r e ， a p p l i c a t i n gm o d e sa n df u n c t i o nm o d u l e so fv i d e oc o n f e r e n c es y s t e m as o f t w a r ev i d e o c o m m u n i a c t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e di nt h ef o r mo fc h a i r m a nc o n t r o l l i n gm u l t i - p a r t s v i d e oc o n f e r e n c e s y s t e ms u p p l y i n gm a n y a s s i s t a n tf u n c t i o n ss u c ha sd a t a c o m m u n i c a t i o n ，p r o g r a ms h a r i n g ，w h i t eb o a r da n ds oo n k e y w o r d s ：v o l p i a x p r o t o c o l v i d e oc o n f e r e n c ep e r s o n a lv i e w 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做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：至立通奁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名：三妇盘 导师签名： 日期：鲨垒盏! 璺三日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景分析 v o i p ( v o i c eo v e rr e ) 是一种通过i p 网络来传输语音数据的技术【l 】。这项伴随着 i n t e r n e t 商业化产生的新技术对以下三个方面产生了直接影响：削减运营成本、减 少资本开支和提供一个支持多种服务形式的平台。任何技术得以商用化的真正驱 动力来源于用户的需求。v o i p 不仅能够削减语音通信的成本，而且能够提供切合 用户需求的口技术的广域性、移动的便捷性及服务形式的灵活多样性1 2 】。 v o i p 能够提供比电路交换更能吸引用户的新业务，并满足电信运营的基本需 求，这是v o i p 发展的关键。通过v o i p 系统最有可能首先实现的新业务包括视频 通信、数据和多媒体文本传送等电路交换技术不能支持或只能部分支持的业务。 传统的电路交换网络主要是针对语音业务设计的，无法完全满足其它通信形 式的需求，这是由于数据业务和语音业务对网络特性的要求存在巨大的差异。过 去，只能针对不同的业务建设相对独立的网络，彼此间无法有效利用对方的网络 资源，也不可能将多种业务结合起来产生新的业务形式。随着技术的不断发展， 人们一直探索在单一网络上提供语音、图像、文本和数据等多种业务的可能性， i s d n ( i n t e g r a t c ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) 、a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 等技术 都是这种努力的结果。然而这些技术由于成本过高，始终没有在市场上得到推广。 i p 技术能够得到广泛关注是由于其既能够满足建设多业务融合网络的要求( 可 以将t c p i p 协议作为统一的传输协议来跨越不同形式的物理网络，同时传输不同 的媒体流) ，又具有廉价和简便的特点。因此，近年来m 技术被广泛引入到电信网 络中，产生了i p 电话和m 视讯等新形式的电信业务。 目前的v o l p 系统能够提供的主要业务还是语音业务。但是v o i p 系统实际上 具有同时传送包括语音、图像、数据、消息等多种媒体形式的能力，而且由于m 终端设备具有较高的智能性，除了实现基本的点到点媒体流传送外，还可以灵活 的将基本业务进行组合以提供新的业务形式，这一点是传统的电路交换技术无法 实现的。v o i p 系统有了许多成功的范例。但是就其技术本身来说，仍然有一些问 题未能得到很好的解决，包括q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 、系统安全等【3 j i 习题。 1 2v o l p 技术研究现状 v o 口电话作为一种新兴的网络业务得到了广泛的应用。当前对v o m 的研究热 点主要集中在服务质量( q o s ) ，系统安全，多业务扩展等方面。 目前v o i p 中主要采用两类方法来保证q o s ，一是在i p 网络层上的控匍j t 4 1 t 5 】； 2 高速局域网视频通信平台研究与实现 二是终端上的控制【引。 网络层控制q o s 机制包括资源预备，流量工程，接入控制，资源预留和连接 管理等。这些机制一般从两个方面入手：( 1 ) 通过预测网络流量来管理网络，把 违反q o s 设置的情况出现机率降到最低，资源预备和流量工程属于此种机制；( 2 ) 通过限制争用同一网络资源的业务总流量来保证q o s ，资源预留和接入控制等就 属于此类【_ 7 1 。此外，互联网工程任务组( i e t f ) 在i p 网络的q o s 方面建议了一些 服务模型和机制，其中最基本的是综合业务资源预留协议( i n t e r s e r v r s v p ) 模型 和区分业务模型( d i 髓e r v ) 。其它的研究热点还有多协议标记交换( m p l s ) ，i p v 6 q o s 控制策略，通过信道编码提高服务质量【8 】等等。 i n t e m e t 是一种无连接的，尽力而为的网络，所以v o i p 的q o s 在网络层不能 得到有效保证，终端控制是提高v o l p 系统整体服务质量的有效手段。在终端消除 延时抖动的缓冲算法基本上可以分成三大类：固定缓冲算法；基于静音区修正技 术的会话峰整体缓冲算法；基于单包调整的会话峰内缓冲算法【9 】。此外，提高终端 之间的p 2 p 连接成功率成为客户端提高q o s 的有效手段之一。 v o i p 技术包括信令会话协议( 如s i p 协议) 和数据传输协议( 如 t c p , r t p , u d p , i p ) ，语音包在经过公网和私网传输后在接收端被解码和重排顺序后 播放。安全因素成为阻碍v o i p 技术大规模商用的障碍1 1 0 1 。v o i p 技术继承了i p 网 络已知和未知的安全漏洞，与传统的p s t n 电话系统相比，v o i p 系统存在更多的 安全隐患。所以必须以一种安全的方式来设计、实现、操作v o i p 网络，才能提供 安全的端到端的v o i p 应用。当前多采用对语音数据进行加密的方法提高v o i p 系 统的安全性。一些研究组织提出用s r t p ( 安全实时传输协议) 和i p s e c 协议来解决 v o i p 系统的安全问题【1 1 】。 v o i p 的多业务扩展应用研究，在现有的v o i p 技术基础上，提供实时的视频和 数据传输等应用形式。研究的热点集中在视频编解码( 如h 2 6 4 ) 和区分业务服务等 级模型。 1 3 论文的主要工作 论文的研究背景是普罗公司v o i p 项目，论文的研究工作在课题组已有v o i p 技术积累基础上进行，工作的重点是分析扩展v o i p 协议i a x ，在此基础上设计高速 局域网环境中视频通信平台的系统架构，功能服务规划，各功能模块的组织协调， 并对其中的关键技术进行了分析和研究。 本文详细讨论了v o l p 系统的系统结构，工作原理，工作流程；并对当前应用 比较广泛的v o i p 协议h 3 2 3 、s i p 、i a x 进行了仔细分析，对v o i p 中的关键技术 进行了介绍。 第一章绪论 3 本文对i a x 协议进行了深入分析和研究，扩展了i a x 协议实现多方视频通信 功能；对i a x 协议的源代码进行了整理和优化，在功能上将其划分为相对独立的 几大模块，开发实现多方视频通信功能模块，由这些功能模块构成视频通信平台 的传输层。 研究了v o i p 系统中的关键技术，为了解决视频会议中多路视频数据带宽占用 量大的问题，提出了个人视角视频会议的概念，尝试结合静音检测技术，利用与 会者的声音来控制与会者的视频传输，并在实验室环境中搭建系统模拟成功，测 得大量有效数据。 在研究v o i p 系统的基础上，本文提出了局域网视频通信平台的解决方案一以 v o i p 技术为基础，以主席控制视频会议为主要应用形式，并且与数据通信、程序 共享、电子白板等功能相融合，最终实现一个功能完善的软件综合视频通信平台。 1 4 论文内容安排 论文共包括六章内容。 第一章介绍了论文研究的背景和相关领域的研究现状，概括介绍了论文的主 要研究思路，所做的工作以及取得的成果，最后给出了论文的组织安排。 第二章分析了v o i p 系统的系统架构，工作过程；介绍了重要的相关标准组织； 分析介绍了当前的主要v o i p 协议。 第三章提出了整个视频通信平台的系统结构，功能模块，工作原理。 第四章仔细分析和研究了i a x 协议源代码，并将其划分为相对独立的功能模 块；详细地介绍了各个模块的工作原理，具体实现，以及各模块间的相互协调。 第五章提出了个人视角视频会议的概念，并详细介绍了个人视角视频会议系 统的整体架构，工作原理，搭建测试系统并取得了大量有效的测试数据。 第六章对全文进行总结，概括文中介绍的关键技术和研究工作，并指出了系 统的不足和需要进一步完成的工作。 第二章v o l p 概论 5 第二章v o i p 概论 自1 9 9 5 年以色列v o c a l t e c 公司推出口电话软件“i n t e m e tp h o n e 以来，v o i p 技术得到了研究机构、商业团体的广泛关注。传统的语音技术采用的是电路交换 技术，通话双方通过p s t n 网建立一条固定带宽( 6 4 k b p s ) 的电路，虽然保证了其低 时延、低失真的实时通信服务质量，但这种方式网络带宽的利用率低，通信成本 高，而且增值业务的推广比较困难。随着i n t e m e t 的发展和计算机处理能力的不断 提升，以及各种语音编解码技术的发展成熟，v o i p 取代传统电话的趋势越来越明 显。这是由于v o i p 自身的技术特点决定的：v o i p 网络利用率高、通信成本低；而 且p 网络自身是一个开放的网络，容易推广新的应用服务。经过十多年的发展， 现在的v o i p 技术已经不仅仅局限于网络电话，它已经成为一个融合了语音、图像、 即时消息、数据等综合业务的复杂系统f 1 2 】。 2 1v o i p 的基本工作原理 传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输带宽是6 4 k b i t s 。而 v o i p 是以i p 分组交换网为传输平台，对模拟的语音信号进行抽样、量化、编码、 分组、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的u d p 协议进行传输。 在i p 网络上传输语音信号，必须具备几个功能元素。最简单形式的v o i p 系统 包括两个或多个具有v o i p 功能的设备，并通过i p 分组网连接。v o i p 模型的基本 结构如图2 1 所示。 图2 1v o i p 模型 从图中可以发现v o i p 设备把模拟语音信号转换为口数据流，并把这些数据流 通过p 分组网络转发到目的设备；目的设备再把m 数据流还原为模拟语音信号。 发送设备和目的设备之间的网络必须支持i p 传输，可以是m 路由器和网络链路的 任意组合。可以将v o i p 的传输过程分为下列几个阶段。 6 高速局域网视频通信平台研究与实现 ( 1 ) 模拟语音转换为数字语音 语音信号是模拟波形，要通过i p 方式来传输语音，无论是实时应用业务还是 非实时应用业务，首先要对模拟的语音进行转换，具体过程是对模拟语音信号进 行8 位或1 6 位的量化，然后送入到缓冲存储区，缓冲器的大小可以根据延迟和编 码的要求选择。许多低比特率的编码器采取以帧为单位进行编码，典型帧长为1 0 - - 3 0 m s 。考虑传输过程中的成本，语音包通常由6 0 ，1 2 0 或2 4 0 m s 的语音数据组成。 数字化可以用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主要有 i t u t g 7 1 1 。源和目的地的语音编码器必须实现相同的算法，这样目的地的语音设 备才可以还原模拟语音信号。 ( 2 ) 数字语音到i p 包的转换 语音信号进行完数字编码，下一步就是对语音包按特定的帧长进行压缩编码。 大部分的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用15 m s 的帧，首先把6 0 m s 的 包分成4 帧，并按顺序进行编码，每个帧有1 2 0 个语音样点( 抽样率为8 k h z ) 。编 码后，将4 个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语 音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。传统的电路交换语音 网络将简单地建立通信端点之间的物理连接( 一条线路) ，并在端点之间传输编码的 信号。口网络不像电路交换网络，它不形成连接，而是把数据放在可变长的数据 包或分组中，然后给每个数据包附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一 站地转发到目的地。 ( 3 ) 传送 在i p 网络通道中，全部网络被看成是从输入端接收语音包，然后在一定时间 内将其传送到网络输出端。这段时间可以在某个范围内变化，这反映了网络传输 中的抖动。网络中的节点检查每个口数据包附带的寻址信息，并使用这个信息把 该数据包转发到目的地路径的下一站。网络链路可以支持p 数据流的任何拓扑结 构。 ( 4 ) i p 包到数字语音的转换 目的地v o l p 设备接收这个i p 数据包并开始处理。接收设备提供一个可变长度 的缓冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选 择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其次，解码 器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，解码器也按帧进行操作，完全和 编码器的长度相同。若帧长度为1 5 m s ，是6 0 m s 的语音包被分成的4 帧，它们被 解码还原成6 0 m s 的语音数据流送入解码缓冲器。在数据包的处理过程中，去掉寻 址和控制信息，保留原始的数据，然后将这个原数据解码。 ( 5 ) 数字语音转换为模拟语音 播放驱动器将缓冲器中的语音样点( 4 8 0 个) 取出送入声卡，通过扬声器按预定 第二章v o i p 概论 7 的频率( 例如8 k h z ) 播出。 总之，语音信号在i p 网络上的传输要经过从模拟信号到数字信号的转换，数 字语音封装成i p 分组，i p 分组通过网络的传送，p 分组的解包和数字语音信号还 原为模拟语音信号等过程。 2 2 相关标准组织 由于i p 电话技术标准开发设计的领域较多，从而参与和制定标准的组织和厂 家也较多。但目前国际上影响较大的国际化标准组织主要有如下四家： 1 国际电信联盟标准化组织( i t u t ) i ，r u 是电信界最权威的标准制订机构，成立于1 8 6 5 年5 月1 7 日，1 9 4 7 年1 0 月1 5 日成为联合国的一个专门机构，总部设在瑞士日内瓦。经过1 0 0 多年的变迁， 1 9 9 2 年1 2 月，为适应不断变化的国际电信环境，保证i t u 在世界电信标准领域的 地位，i t u 下设理事会、电信标准部门、无线电通信部门和电信发展部门。电信标 准部、无线电通信部和电信发展部承担着实质性标准制订工作。目前电信标准部 设有1 4 个研究组，分别从事：1 网络和业务运营；2 电信经济和政策在内的资费 和结算原则；3 电信管理网和网络维护；4 对电磁环境影响的保护；5 外部设备、 数据网和开放系统通信；6 远程信息处理系统的特性；7 电视和声音传输；8 电信 系统的语言和一般的软件问题；9 信令要求和规约；1 0 网络和终端的端对端传输 特性；1 1 网络总体方面；1 2 传送网络；1 3 系统和设备；1 4 多媒体业务和系统等 方面的研究。 电信标准部在v o l p 的发展中起了举足轻重的作用。i t u t 主要侧重于电信 标准的制定，尤其是公共网络应用方面的标准。其制定的m 电话协议主要包括 h 3 2 3 、h 2 4 5 等。另外，在多媒体业务上，也制定了很多重要的标准，视频信号 编解码标准：i t u th 2 6 1 、i t u th 2 6 3 、i t u th 2 6 3 + 、i t u th 2 6 3 + + 、h 2 6 4 1 语音信号编解码标准：i t u tq 7 1 1 、i t u tg 7 2 2 、i t u t ( 2 7 2 8 、i t u tg 7 2 2 1 。 2 i n t e r n e t 工程任务组( i e t f ) i e t f 是i n t e m e t 工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 的简写，始于 1 9 8 6 年的i e t f 是推动i n t e m e t 标准规范制定的最主要的组织。对于虚拟网络世界 的形成，i e t f 起到了重要的作用。除t c p i p 外，所有互联网的基本技术都是由 i e t f 开发或改进的，i e t f 工作组创建了网络路由、管理、传输标准，这些正是互 联网赖以生存的基础。i e t f 工作组定义了有助于保卫互联网安全的安全标准，使 互联网成为更为稳定环境的服务质量标准以及下一代互联网协议标准。i e t f 标准 是在一种开放的过程中开发出来的，所有i e t f 文档都可在互联网上随意取阅，并 可免费复制。i e t f 是一个开放性的国际组织，由网络设计师、运营者、服务提供 8 高速局域网视频通信平台研究与实现 商和研究人员组成，致力于i n t e r a c t 架构的发展和顺利操作。大多数i e t f 的实际 工作是在其工作组( w o r k i n gg r o u p ) 中完成的，这些工作组又根据主题的不同划 分到若干个领域( a r e a ) ，如路由、传输、网络安全等。 s i p 协议是i e t f 制定的v o l p 协议，由于其简单灵活的特性得到了世界运营商 的普遍支持，成为一种主流的v o l p 协议i l3 1 。 3 欧洲电信标准协会 欧洲电信标准协会e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ) 创 始于1 9 8 8 年，涉足移动网的g s m ( 全球移动通信系统) 、d e c t ( 欧洲数字无绳 电话通信) 、t e t r a ( t r a n s e u r o p e a nt r u n k e dr a d i os y s t e m ) 以及固定网的i s d n ， b i s d n ，a t m ，s d h 和t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o n sm a n a g e m e n tn e t w o r k ) 等标准 化领域。随着数据业务的发展，v o l p 技术逐渐成为人们关注的焦点，而在话音应 用中采用i p 技术存在着与电路交换网s c n ( s w i t c h e dc i r c u i tn e t w o r k ) 之间的互操作 性问提，并且在分组网上传送话音的技术本身也尚未成熟。1 9 9 7 年3 月1 4 日，e t s i 开始研究v o l p 与现有电信网的互操作性问提，并于1 9 9 7 年4 月1 7 日e t s i 第6 次公告会议上创建了t i p h o n ( t e l e c o m m u n i c a t i o n sa n d i n t e m e tp r o t o c o l h a r m o n i z a t i o no v e rn e t w o r k s ) t _ 程。 e t s it i p h o n 工程的主要宗旨是综合电信和i n t e r n e t 两大技术，实现v o l p 网 与电路交换网的互连。它着眼于业务和规范两个方面存在的问提，并致力于获得 全球范围内的认可。t i p h o e 工程希望向各类网络运营者都能提供面向业务的解决 方案，它不考虑重新制定新的标准，而是使用e t s i 和i t u 已有的方案，其工作主 要是基于h 3 2 3 系列建议和现有的电路交换网标准。 在技术层面，e t s it i p h o n 工程的主要目标是规定一套业务互操作性要求， 确定接口和功能方面的体系结构，对呼叫控制程序、信息流和协议进行规定，研 究端到端服务质量( q o s ) 参数，e 1 6 4 地址与i p 地址之间的转换，同时规定计费和 安全方面的技术问提。它下设6 个工作组( w o r kg r o u p ) 和一个专家任务组 ( s p e c i a l i s tt a s kf o r c e ) ，即总体要求组( w g l ) ，体系结构组( w g 2 ) ，协议组 ( w g 3 ) ，命名、编号和寻址组( w g 4 ) ，端到端的服务质量组( w g 5 ) ，证实和 展示组( w g 6 ) 以及专家任务组( s t f l l 4 ) 。 4 国际多媒体远程会议集团 国际多媒体远程会议集团( i m t ci n t e m e tm u l t i m e d i at e l e c o n f e r e n c i n g c o n s o r t i u m ) 是一个非盈利的、致力于发展和制定电视电话标准的组织。它的宗旨 是建立开放的国际标准，推动和促进交互式多媒体远程会议解决方案的应用和实 现。它的基本目标是组织渗入提供多媒体远程会议产品和业务的各种组织，从而 帮助创建和采纳所需标准。 第二章v o l p 概论 9 2 3v o l p 相关协议 互联网的高速发展和v o i p 广阔、诱人的应用前景，在上述组织的推动下，v o m 协议的标准化进程获得了长足的进步【1 4 】。目前v o l p 技术涉及到的协议如图2 2 所 2 3 1r t p 协议 图2 2 涉及v o i p 技术的协议 r t p 分组由分组帧头和净载荷两部分组成，净载荷通常是数字化的媒体数据。 它通过对媒体信号采样、量化，并对量化后的数据进行编码得到。r t p 帧头如图 2 3 所示。经过编码后的数字化语音数据加上r t p 首部后，发送给u d p 层。 v pxc cmp t 序号 时间戳 同步源标识符 提供同步源标识符列表( 0 1 5 项) 图2 3r t p 首部帧结构 下面介绍几个重要参数的含义： ( 1 ) v ：版本号，占2 个比特位，标识r t p 版本。 ( 2 ) p - 填充标志，占1 个比特位，如设置填充位，在包尾将包含附加填充字， 它不属于有效载荷。某些加密算法需要固定大小的填充字。 l o 高速局域网视频通信平台研究与实现 ( 3 ) x ：扩展标志，占1 个比特位，如设置扩展标志位，固定头后跟一个头扩展。 ( 4 ) p t ：载荷类型，占7 个比特位，记录后面媒体数据使用哪种c o d c ，r e c e i v e r 端将用相应的d e c o d e r 进行解码。 ( 5 ) 序号：占1 6 个比特位，序号随每个r t p 数据包增加而增加1 ，由接收者用 来探测包损失。序号初值是随机的，使对加密文本的攻击更加困难。 ( 6 ) 时间戳：占3 2 个比特位，时间戳标识r t p 数据包相对于第一个数据包的 采样时间，时间戳是单调、线性增加的，以允许同步与抖动计算。时间戳可以保 证r e c e i v e r 端在正确的时间将媒体数据播放出来 2 3 2r t c p 协议 实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ：负责管理传输 质量，在当前应用进程之间交换控制信息。在r t p 会话期间，各参与者周期性地 传送r t c p 包，包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计信 息，可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型来保证传输 质量。r t p 和r t c p 配合使用，能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化， 故特别适合传送网上的实时数据。 r t p r t c p 工作过程： 工作时，r t p 协议从上层接收流媒体信息码流( 如h 2 6 3 ) ，装配成r t p 数据 包发送给下层，下层协议提供r t p 和r t c p 的分流。如在u d p 中，r t p 使用一个 偶数号端口，则相应的r t c p 使用其后的奇数号端口。r t p 数据包没有长度限制， 它的最大包长只受下层协议的限制。 r t c p 协议将控制包周期发送给所有连接者，应用与数据包相同的分布机制。 低层协议提供数据与控制包的复用，如使用单独的u d p 端口号。r t c p 执行下列 三大功能： ( 1 ) 控制传送数据的质量：进行流量的拥塞控制，监视网络，诊断网络中的问 题。 ( 2 ) 为r t p 源提供一个永久性的传送层标志，在发现冲突或者程序重启后，这 个传输层标志可以用来进行数据的同步；在一组相关的会话中，接收方可以通过 这个标志从一个指定的发送方得到相应的媒体数据流。 ( 3 ) 协调与会者的数量和r t c p 包的发送速率； 2 3 3h 3 2 3 协议 h 3 2 3 协议由国际电信联盟( i t u ) 制定，目标是为分组交换网上的多媒体通信 系统提供标准。因此，它的设计思想包括： 第二章v o i p 概论 适用的网络类型是分组交换网络( p b n - - p a c k e db a s e dn e t w o r k ) 。 适用的通信内容涵盖语音、视频和数据及其它们的组合。 目标系统应该支持p b n 与其它类型网络的互通，包括p s t n ，i s d n ，b i s d n 和有q o s 保证的l a n 。 目标业务包括电话会议，因此需要考虑多点通信的控制。 描述的技术内容主要是p b n 上实现多媒体通信的系统定义和一般控制过程。 h 3 2 3 协议是一个框架性协议，旨在定义多媒体通信系统的整体结构和主要工 作过程，它需要一组协议的支持，包括音视频编码协议、呼叫控制协议、媒体流 传输协议等等。这些协议与h 3 2 3 协议一起构成了分组多媒体通信系统的技术标 准【2 1 。 1 h 3 2 3 协议的特点 h 3 2 3 协议的推出符合在开放式网络平台和应用平台上进行互连互通的通信 发展趋势。它具有以下几个特点： ( 1 ) 编码标准统一：h 3 2 3 为音频和视频数据流的压缩和解压缩提供了统一的标 准，保证来自不同厂商的设备具备相同的支持能力。 ( 2 ) 采用了协商机制：用户希望在与其它用户进行通信时无需考虑兼容性问题。 h 3 2 3 协议在保证接收者可以解压缩信息以外，还规范了接收端和发送端之间在交 换媒体流之前的控制过程，借以通告彼此的处理能力从而协商媒体通信的方式。 ( 3 ) 网络独立性：h 3 2 3 基于底层网络结构之上。随着包括带宽管理技术在内的 各种网络技术的不断发展，基于h 3 2 3 的解决方案可以无需修改直接利用这些增 强的特性。 ( 4 ) 平台独立性：h 3 2 3 不依赖于任何硬件和操作系统，遵循h 3 2 3 的平台包括 个人电脑、专用平台、有i p 功能的电话等。 ( 5 ) 多点支持：h 3 2 3 中的m c u ( 多点控制单元) 提供了一个强大而灵活的结构， 可以支持三点和更多点的会议。 ( 6 ) 带宽管理：由于音频和视频通信传送的数据量大，不仅本身对网络带宽的 需求高，而且很容易引起网络拥塞。h 3 2 3 的带宽管理功能，可以限制同时发生在 网络中的h 3 2 3 连接数目或h 3 2 3 可使用的总带宽，从而保证关键的通信不受影 响。 2 h 3 2 3 协议栈构架 在o s i 七层参考模型的分层结构中，h 3 2 3 协议属于应用层的控制协议。h 3 2 3 协议栈的结构如图2 4 所示： 1 2 高速局域网视频通信平台研究与实现 a v ( 音频、视频) 应用 终端控制和管理数据应用 音频编码视频编码 h 2 2 5 0h 2 2 5 0 h 2 4 5 媒体t 1 2 0 系列 标准标准 r a s 控制 呼叫控制 信道控制 g 7 x xh 2 6 x r t p r t c p u d pt c p 网络层 链路层 物理层 图2 4h 3 2 3 标准协议栈 协议栈的下面三层为p s n 的底层协议。涉及的传输层协议有两类：u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，用于传送实时媒体流以及传送终端与网守间交互的信令；t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，用于传送呼叫控制和媒体信道控制信令以及数据信 号。 协议栈中的语音编码协议采用g 系列标准，其中g 7 i1 为必选编码方式，其 余任选。目前在i p 电话中最常用的是g 7 2 3 1 和g 7 2 9 a 。视频编码采用h 2 6 0 系 列标准，如h 2 6 1 ，h 2 6 3 等。经过编码的语音视频信号封装在r t p 协议分组中发 送到网络上，同时由r t c p 提供q o s 监测控制。 数据通信采用t 1 2 0 系列协议，它是用于多媒体会议的数据协议。t 1 2 0 系列 协议规定了如何在一次多媒体多点会议的过程中有效、可靠且实时地分配应用数 据，以确保不相似端点之间透明的互操作性。其中t 1 2 2 t 1 2 5 协议定义了多点通 信层的功能、结构。t 1 2 3 协议定义了底层的网络传输协议，在不同的网络上向上 层提供共公接口。 h 2 2 5 0 和h 2 4 5 是协议栈中的核心协议。前者主要用于端点与网守间的通信 以及呼叫的控制，后者建立媒体信道，控制媒体流的传输。在h 3 2 3 中，呼叫指 的是两个端点之间的一种点到点的联系。而呼叫建立后，端点之间的通信可能包 含多种媒体，每种媒体信息在一个逻辑信道上传送。逻辑信道可以是面向连接的 t c p 通道，也可以是无连接的u d p 通道。每个通道的打开、关闭、参数设定、收 发双方的能力协商等控制功能由h 2 4 5 协议完成。h 2 4 5 的控制信号在一条专门的 可靠信道上传送，称为h 2 4 5 控制信道，控制信道必须先于传送媒体流的逻辑信 道建立，并在通信结束后释放。 在呼叫开始之前，端点一般需要遵循h 2 2 5 0 中的r a s 协议，注册在h 3 2 3 系统中的控制点网守上，以便接受网守的呼叫认证管理和地址解析服务。之 后由h 2 2 5 0 中的呼叫控制协议规范端点之间建立呼叫联系的交互过程，同时建立 第二章v o i p 概论 1 3 h 2 4 5 控制信道。当控制功能移交给h 2 4 5 以后，原则上呼叫联系即可释放，但也 可以到整个通信过程结束后才释放呼叫，呼叫的释放也遵循h 2 2 5 0 协议的规定。 h 2 2 5 0 协议还规定了在发送前如何对数据进行封装。从栈结构中可以看出音频 视频信息是用r t p 协议封装的，r a s 协议消息在传输层上用u d p 协议封装，呼 叫控制消息、h 2 4 5 消息和数据信号用t c p 封装。 3 h 3 2 3 呼叫的建立 建立一个h 3 2 3 的点对点呼叫，需要在两个口终端之间使用两个t c p 建立连 接，一个由用户呼叫建立，另一个用于呼叫控制和性能交换。t c p 的连接是主叫 方对应于被叫方上已知端口所建立的，这个连接承载的是h 2 5 5 0 所定义的呼叫建 立消息，通常叫做q 9 3 1 通道或者呼叫信令通道。呼叫控制消息使用第二个t c p 连接。在收到呼入的同时，被叫方也在一个动态端口上监听t c p 连接。于是，它 在这个端口上应答呼叫消息。然后，主叫方会在这个端口上建立第二个t c p 连接。 第二个t c p 连接承载h 2 4 5 中所定义的呼叫控制消息。一旦h 2 4 5 通道建立成功， 第一个连接就不需要了。完成一次通话一般需要如下过程：第一个阶段为呼叫初 始化，第二阶段是建立控制信道，第三阶段是呼叫开始，第四阶段是通话，最后 一个阶段结束。其中第二个阶段主要完成性能协商和主从确定。 4 r a s 协议 r a s 全称为r e g i s t r a t i o n a d m i s s i o ns t a t u s ，是端点和网守之间的通信协议，它 包含的过程有网守搜寻、端点注册、端点定位、呼叫认证、呼叫退出、带宽管理 和状态查询等。 在r a s 过程所用到的消息中，a r q a c f 和d r q d c f 是整个呼叫控制过程的 第一对和最后一对消息，分别标志呼叫的开始和结束。在a r q 消息中，端点给出 目的端的标识，网守如果接纳呼叫，则把目的端或自己的呼叫控制信道传输层地 址在a c f 中返回。不但主叫发起呼叫前要发送a r q 请求，被叫在收到对端的s e t u p 消息时也要向所属网守发送a r q 请求，在a r q 消息中有参数区分是哪一种情况。 在a r q 消息中还有3 个关于呼叫的标识参数： 呼叫引用值c r v ( c a l lr e f e r e n c ev a l u e ) ：该参数用于标识呼叫，仅在呼叫段上 局部有效。例如呼叫采用网守路由模式，在主叫端网守和网守被叫端两 个呼叫段上的c r v 一般不同。 呼叫标识c a l l l d ：也用于标识呼叫，但它是一个全局有效参数。也就是说即使 呼叫被分为若干段，属于同一呼叫的r a s 消息和呼叫信令消息中的此标识都相同。 会议标识c i d ( c o n f e r e n c ei d ) ：用于会议的唯一标识，由主叫端建立。c i d 由 端点网络地址、会议呼叫发起的绝对时间和所用版本三部分组成。 5 呼叫控制协议 h 2 2 5 0 的呼叫控制协议消息主要取自q 9 3 1 和q 9 3 2 协议。q 9 3 1 和q 9 3 2 1 4 高速局域网视频通信平台研究与实现 是i s d n 的标准，之所以被直接借用，是为了加快h 2 2 5 0 协议制定的速度，保证 可靠性且便于与s c n 的互通，但并不是所有内容都可以拿来套用。h 2 2 5 0 的呼叫 控制协议按h 3 2 3 协议的要求，在q 9 3 1 和q 9 3 2 协议的基础上对信令过程作了筛 选，增补了信令消息中用户用户信息单元的内容，并对消息中其它某些信息 单元的个别字段作了编码和定义上的扩充和界定。h 2 2 5 0 的呼叫信令消息主要有 s e t u p ( 发起呼n q ) 、a l e r t i n g ( 振铃) 、c o n n e c t ( 呼叫建立) 、r e l e a s e c o m p l e t e ( 拆除呼叫) 脑 号手o 6 h 2 4 5 协议 h 2 4 5 协议是通用的多媒体通信控制协议，主要针对会议通信设计。h 3 2 3 系 统采用h 2 4 5 协议作为控制协议，控制媒体通信信道的建立、维护和释放。在h 2 4 5 协议中定义了两种信道：控制信道用来在不同h 3 2 3 实体间传送h 3 2 3 消息以控 制媒体信道的建立和释放；媒体信道又称为逻辑信道，用来传送用户的媒体信息。 逻辑信道可以是单向信道，也可以为双向信道，t 1 2 0 数据通信协议和语音通信都 要求建立双向逻辑信道。可以认为h 2 4 5 控制信道是一种特殊的逻辑信道，它在 整个呼叫期间始终存在，信道号为o 。 h 2 4 5 定义的主要控制过程包