（微电子学与固体电子学专业论文）voip终端的软硬件协同设计与实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期： 一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：筝辫日 期： 山东大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术的飞速发展，基于i n t c r n e t 的多媒体通信日益普及， v o i p ，即i p 网络电话，作为一种以i p 分组交换网络为传输平台，实现计 算机之间、计算机与普通电话之间，甚至普通电话之间的实时语音视频通 信，并提供相应的增值服务，以降低业务成本的技术，已成为全球范围内 发展最快，普及最快的熟点技术之一。 本文总结了作者自二零零四年六月参与中国科学院微电子研究所的 一个v o i p 终端的开发项目的研究成果该项目的目标是利用s i p 协议、 m p e g - 2 协议、g 7 2 6 协议，r t p 协议等，以控制器和中科院微电子研究 所集成电路与s o c 实验室自行设计的一款高性能、低功耗1 6 位定点嵌入 式数字信号处理器：c o s t a r 为硬件实现平台建立一个支持局域网内端到端 的多媒体通信的v o i p 终端系统该系统目前能够按照s i p 会话响应处理 流程接收特定格式的音频和视频并播放 本论文共分六章： 第一章简要介绍课题研究背景、意义和特色，并对v o i p 的发展历史， 现状与前景以及整个v o i p 协议栈体系结构做了详细介绍 第二章详细介绍v o i p 信令协议，重点介绍r f c 3 2 6 1 ：会话初始化协议 ( s i p ) 的内容，并将其与另一个信令协议h 3 2 3 进行对比，阐明我们选用 s i p 协议的理由 第三章分别对当前主流的音频和视频标准作了介绍并进行对比，详细 介绍了音视频编解码协议：g 7 2 3 和m p e g 2 的编解码的算法，对其中采用 的算法作了简要分析。 第四章主要介绍了c o s t a rd s p 的体系结构，分别对它的d s p 核中的 单元以及i o 处理器中的端口作了详细的说明 第五章具体介绍了整个v o i p 终端的实现。阐述了整个系统的组成框 架并对其中我重点参与的三个模块：s i p 信令协议模块、g 7 2 6 编解码 模块和m p e g 2 解码模块作了详细说明，对它们的软硬件划分，内部实现 的结构和算法流程及使用的一些策略进行了重点讲述。最后介绍了系统的 山东大学硕士学位论文 测试结果。 ， 第六章总结了我在项目中所完成的工作及心得体会，并对项目后续改 进提出了自己的意见和看法。 关键字：会话初始化协议、数字信号处理器、g 7 2 6 协议、m p e g 2 协议，软硬件协同设计 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n o l o g y ，i n t e m e t b a s e d m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ni sb e c o m i n gi n c r e a s i n gi m p o r t a n t b e c a u s ev o i p ， t h a ti si pn e t w o r kt e l e p h o n e ，t e c h n o l o g yu s e si pp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r ka s at r a n s p o r tp l a t f o r m ，c a ng e tt h eg o a lo fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i n gb yv o i c e a n dv i d e ob e t w e e nc o m p u t e ra n dc o m p u t e r ，t e l e p h o n ea n dc o m p u t e r ，o re v e n t e l e p h o n ea n dt e l e p h o n e ，p r o v i d er e l e v a n t v a l u e - a d d e ds e r v i c e s ，c u tt h e o p e r a t i n gc o s t ，i th a sb e c a m eo n eo f t h en o s tf a s t - d e v e l o p e d ，r a p i d p r e v a l e n t p o p u l a rh o tt e c h n o l o g i e s t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h er e s e a r c hg a i n sf r o map r o j e c to ft h e m i c r o e l e c t r o n i c si n s t i t u t eo fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e t h ew r i t e rh a s j o i n e dt h ep r o j e c ts i n c ej u n eo f2 0 0 4 t h eg o a lo ft h ep r o j e c ti st oi m p l e m e n t av o i pt e r m i n a ls y s t e mb a s e do nc o n t r o l l e ra n dc o s t a rb yu s i n gs i pp r o t o c o l ， m p e g - 2 p r o t o c o l ，o 7 2 6p r o t o c o l a n ds oo n t h ec o s t a ri s a h i g h p e r f o r m a n c e 1 0 wp o w e re m b e d e df i x e dp a r a l l e ld s pa n dt h ei n t e g r a t e c i r c u i ta n ds o cl a bo fm i c r o e l e c t r o n i c si n s t i t u t eh a si t sc o p y r i g h t a tp r e s e n t ， t h et e r m i n a ls y s t e me m lr e c e i v ea n dp l a yt h es p e c i f i cv o i c ea n dv i d e of o r m a t b yf o l l o w i n gt h es i pr e s p o n s eh a n d l ep r o c e s s t h et h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w ： 、 i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c ea n df e a t u r eo f t h ep r o j e c ta r er e f e r r e db r i e f l y m o r e o v e r , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y ，p r e s e n t s t a t u sa n df u t u r ea r ea l s oi n t r o d u c e db r i e f l y i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h es i g n a l l i n gp r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h ec o n t e n to f r f c3 2 6 1 ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ：s i p ) i se m p h a s i z e d t h e s i pp r o t o c o la n dh 3 2 3p r o t o c o la r ea l s oc o m p a r e dc o m p l e t e l yi nt h i sc h a p t e r i no r d e rt os h o wt h ea d v a n t a g eo ft h ef o r m e ro v e ri pn e t w o r k ， i nt h et h i r dc h a p t e r , t h em o s tp o p u l a rv o i c ea n dv i d e oc o m p r e s sc o d i n g s t a n d a r d sa r ed i s c u s s e d t h ep r o c e s sf l o w s o ft h eg 7 2 3a n dm p e g - 2 a l g o r i t h ma r ed e p i c t e di nd e t a i lr e s p e c t i v e l y ， 山东大学硕士学位论文 i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ec o s t a rd s pi sd e s c r i b e da n d t h eu n i ti nt h ed s pc o r ea n dt h ep o r ti nt h e1 0p r o c e s s o ra r ep r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y i nt h ef i f t hc h a p t e r ，t h ed e t a i l so ft h ew h o l ev o i pt e r m i n a la r es h o w e d a n dt h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e mi si l l u s t r a t e d t h ee m p h a s i so ft h i sc h a p t e r a r cf o l l o w i n gt h r e em o d u l e sw h i c hit a k ep a r ti n ：s i ps i g n a l l i n g p r o t o c o l m o d u l e g 7 2 6e n c o d i n g & d e c o d i n gm o d u l ea n dt h em e p g 2d e c o d i n g m o d u l e t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed i v i s i o n , t h es t r u c t u r e si nt h e s em o d u l e s 。 t h ef l o wo fa l g o r i t h ma n dt h es t r a t e g i e su s e da r en a r r a t e d i nt h ee n do ft h e c h a p t e rt h et e s tr e s u l t sa r em e n t i o n e d i nt h es i x t hc h a p t e r ，t h ew o r kif i n i s h e da n dt h ee x p e r i e n c ei g e ti s s u m m a r i z e d t h es u b s e q u e n ti m p r o v e m e n ts u g g e s t i o na b o u tt h i sp r o j e c ti s a l s op r o p o s e d 。 k e y w o r d ： s e s s i o ni n i t i a l p r o t o c o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , g 7 2 6p r o t o c o l ， m e p g 2p r o t o c o l ，h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g n i 山东大学硕士学位论文 1 1v o i p 综述 第一章课题背景 随着上世纪末开始的互联网商业化革命的兴起以及网络融合技术的 发展，电信市场的竞争日益加剧，为了降低成本和提高设备利用率，迫切 需要发展一种将语音、数据，图像传输综合在统一的平台上的技术。在这 种背景下，v o i p 技术孕育而生，它的出现极大的改进了网络带宽的利用 率，大大降低了通信的费用，它的广泛应用也促进了宽带多媒体应用的发 展 。 、 l v o i p ( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 技术，原是指在i p 网络上实现语音、 通信的一种全新的集成业务数据网络通信技术但在传统电话网络业务不 断发展的情况下，v o i p 的含义和设计目标已经远远超越了其字面的含义， 现在的v o i p 己不仅仅是指传统意义上的两方语音通信，而指的是语音、 视频、数据合一的支持各种智能业务的实时多媒体两方或多方通信，和负 责交换用以控制该通信所需信息的技术 v o i p 技术的主要优势在于它以报文的形式传递音视频或其他数据， 不占用固定信道，并且可以通过相应的音视频编解码技术来降低数据量， 从而有效地节省了带宽；同时，由于不需要单独建立通信网络，使得通信 费用大大降低 但v o i p 技术仍有需要完善的地方l ，由于存在着诸如时延、抖动和 丢包等问题，使得v o i p 通信的服务质量( q o s ) 较低：并且由于存在多套 信令标准，不仅标准之间互通困难，而且即便对于同一协议也不能有效保 证互通；另外，v o i p 在安全性，计费，增殖服务等方面进展也很缓慢。 1 2v o i p 的历史，现状与未来 v o i p 的最早可追溯到国外七十年代对计算机网络上话音通信的研 究，1 9 7 4 年8 月，美国南加州大学和林肯实验室之间，首次实现了a r p a n e t 山东大学硕士学位论文 网络上的话音通信进入8 0 年代以来，对于局域网上话音通信的研究逐 渐深入和广泛，在美国、英国、意大利等许多国家都进行了大量研究，国 内的一些高校和研究机构也在此时开展了对分组话音通信的研究，但由于 条件限制，当时的研究成果只停留在理论意义上 9 0 年代后期，随着i n t e r n e t 技术和语音编码技术的发展，v o i p 技术 终于取得了突破性进展，p ct op h o n e 和p h o n et op h o n e 技术也相继问世， 并逐渐走向市场【2 1 ，h 3 2 3 和s i p 这两个信令级协议，也正是在此时相继 发展起来的到2 0 0 1 年以后，伴随着信息化建设浪潮一浪高过一浪，国 内外许多传统电信设备供应商纷纷推出了自己的v o i p 电话产品，促进了 v o i p 技术的进一步发展，据i d c 统计，2 0 0 4 年底全球v o i p 市场值已达 到1 8 0 亿美元；与此同时，我国的宽带也取得了飞速发展，到2 0 0 2 年末， 中国视频通信市场已达4 0 亿中国电信、网通、联通、卫通、铁通等运 营商都相继推出了各自的v o i p 通信业务2 0 0 4 年国内i p 电话产品销售 量的年增长率已达到4 3 ，跟据艾瑞市场咨询公司的数据，2 0 0 4 年使用 p c t o p c 方式进行v o i p 应用的国内用户已经达到1 9 0 0 万而电信运营商 运营的p h o n e t o p h o n e 的i p 电话业务用户规模在去年已经达到了2 9 0 0 万， 收入则达到3 2 0 亿元人民币在p ct op h o n e 方面。2 0 0 5 年9 月信息产业 部也已经批准了中国电信集团在广东深圳和江西上饶，中国网通集团在吉 林长春和山东泰安总共四地的本地网范围内，试点性推广p ct op h o n e 方式的网络电话业务但总得来说，就国内而言，v o i p 业务还基本停留 在单区域、小规模的验证上，试验的业务主要还是语音业务，一些问题还 有待研究 。 虽然国内目前的v o i p 系统能够提供的主要还是语音业务，但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 潜力，而且由于i p 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未来v o i p 系统业务的发展可 以划分为基本业务和增值业务两大部分川： 基本业务包括： t ， t ， ( 1 ) 点到点或点到多点的i p 语音通信，如目前的i p 电话业务； ( 2 ) 点到点或点到多点的i p 传真业务，如目前的i p 传真业务； 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 点到点或到有限多点的动态图像传送业务，如可视电话业务； ( 4 ) 点到点或点到多点的静态图片的传送业务： ( 5 ) 多媒体短消息业务： ( 6 ) 数据传送业务 增值业务包括； ( 1 ) 传统电路交换网也可以实现的业务，如呼叫转接业务、呼叫保持 业务等。 ( 2 ) 传统电路交换网可以部分实现的业务，如通用个人通信业务 ( u p t ) 、短信业务等。 ( 3 ) 传统电路交换网无法实现的业务，如即时通信业务( i n s t a n t m e s s a g e ：i m ) 、i n t e r n e t 呼叫中心业务等 1 3v o i p 网络的协议体系 为了保证在i p 网络上音视频数据实时正确的传输，同时必须保证有 可以让用户满意的服务质t ( q o s ) ，v o i p 网络必须采用一系列协议协同工 作，为实时语音或者其它多媒体数据提供性能保障一个完整的v o i p 网 络体系结构如图1 1 所示； 图1 1v o i p 网络体系结构框图 由图1 1 可以看到，在v o i p 协议族中，按协议内容来分，可以分为 以下几类协议【2 1 7 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 信令控制协议，当前主要存在有( 国际电信联盟) i t u 提出的h 3 2 3 协议和网络工程任务组( i e t f ) 提出的s i p 协议，信令控制协议主要用来保 证电话呼叫的顺利和实现各种高级的电话业务 ( 2 ) 音视频编解码协议，如音频的g 7 2 6 ，g 7 2 9 和视频的m p e g 2 ，h 2 6 4 等编解码协议的主要作用是减少网络传输的数据量，降低所需的网络带 宽 ( 3 ) q o s 保证协议，包括实时传输协议，实时传输控制协议 ( r t p r t c p ) 、资源预留协议( r s v p ) 等，用于保证数据流实时可靠的传送 和实现互联网上的质量整合服务 一 ( 4 ) 媒体网关控制协议，包括i e t f 指定的m g c p 协议和i e t f 与i t u 共同研究的m e g a c o h 2 4 8 协议，它们主要用于实现媒体转换与信令转 换的分离 ( 5 ) 分组传输协议，主要包括面向连接的t c p 协议和面向流的u d p 协议。 ( 6 ) 数据链路层和物理层协议 1 4 选题意义 本课题是国家8 6 3 重点项目( 3 2 位高性能嵌入式数字信号处理器( d s p ) 芯片设计与实现 ( 项目号：2 0 0 2 a a i z l l 3 0 ) 的一个纵向课题，一方面可以 深入理解v o i p 协议族中相关协议的具体实现手段，为后继将所有软件代 码移植到一个整合的s o c 系统中打下良好基础，另一方面也是为了检测 c o s t a r 芯片在多媒体应用方面的处理能力，为后继对c o s t a r 的改进提供一 个较为可靠的参考，同时也可以积累c o s t a r + 协处理器设计模式及控制器 与c o s t a r 互联的宝贵经验 1 5 课题特色 本系统是一个集成了s i p 协议，g 7 2 6 协议、m p e g 2 协议的一个v o i p 终端，整个系统包括硬件部分和软件部分两部分组成，硬件部分由一个控 制器( 在目前情况下使用的是c p u ) 和一个c o s t a rd s p 和用于辅助m e p g - 2 0 山东大学硕士学位论文 解码的协处理器组成，软件部分包括运行于控制器上的实现s i p 协议的程 序、运行于d s p 上的g 7 2 6 音频编解码程序及用于m e p g 2 解码的程序。 整个系统采用模块化设计思想进行软硬件的划分，使得对应功能的模 块间都尽量相互独立，并且使得各个硬件模块之间的数据交换尽可能的简 单和易于实现。 为了提高效率，运行于d s p 上的程序全部使用汇编语言编写，实测较 之用高级语言编程，效率上有近百分之五十的提升。 为了降低开发难度和缩短开发时间，尽可能地复用了各个软件模块和 硬件模块，并为了后续可移植性的要求，对于网络传输等模块的编写均进 行了封装，保证了后续开发的顺利进行j 总之通过参与该系统的实现，我深入理解了v o i p 相关协议的内容和 技术，并积累了一定的软件和硬件设计经验，对敬硬件划分和整体体系结 构的确立有所了解，为未来进行大型系统的开发做了技术上和实践上的准 备 山东大学硕士学位论文 第二章会话初始化协议s i p 介绍 2 1s i p 协议概述和发展历程 s i p ( s e s s i o n i n i t i a t i o n p r o t o c 0 1 ) 最先由i e t f ( 国际工程任务组) 的 m m u s i c ( 多方多媒体会话控制) 工作组于1 9 9 9 年定义，它是基于文本编码 的，构建在u d p t c p 之上，用于创建、修改和终止会话连接的应用层控 制信令协议 s i p 协议的制定，借鉴了很多广泛存在的成熟的i m e m e t 协议的经验， 如h t t p ( 超文本传输协议) ，s m t p ( 简单邮件传输协议) 等，到目前为止， 它的发展经历了如下几个阶段1 4 l ： ( 1 ) 1 9 9 6 年2 月2 2 日，m a r kh a n d l y - 和e v es c h o o l e r 开发出了会话邀 请协议( s e s s i o ni n v i t a t i o np r o t o c 0 1 ) ，并作为一个草案提交给i e t f ，同时 h e n n i n gs c h u l z r i n n e 也将简单会议要求协议( s c i p ) 提交给i t e f ，这两个协 议是s i p 协议的前身。 ( 2 ) 1 9 9 6 年1 2 月在i e t f 第3 7 届大会上，一份合并了会话邀请协议和 简单会议要求协议的新协议草案( s i p v 2 ) 被提交了出来。并经过了两年多的 讨论和修改，于1 9 9 9 年2 月达到了提议标准水平并作为r f c 2 5 4 3 公开出 版 ( 3 ) 1 9 9 9 年9 月，由于s i p 在i e t f 中逐渐受到重视，导致了专c 丁成立 了一个单独的s i p 工作组，到2 0 0 2 年6 月，s i p 工作组发表了r f c 3 2 6 1 建议，用以取代原来的r f c 2 5 4 3 到目前为止，s i p 工作组仍在大踏步前进，以便在协议中添加更多的 特性，现在每年仍然举行3 次s i pb a k e - o f f 会议，用以寻找协议规范中的 疵点和寻找这些疵点的精细解决方案 2 2s i p 协议体系结构 s i p 是一个分为四层结构的通信协议，它的行为是用一组相对独立的 i o 山东大学硕士学位论文 处理阶段来描述的，并且各个阶段问仅仅存在松散的耦合。但应该注意的 是，行为的分层描述仅是为了表述的方便，使得共同的功能仅在一处描述， 所以并不指示任何具体的实现。 s i p 协议四层结构分别为【5 1 ： ( 1 ) 最底层的语法和编码层，用来指定每个s i p 消息所应遵循的语法， 编码的描述使用扩展的b a c k u s n a u rf o r mg r a m m a r ( b n f 范式) 来描述； ( 2 ) 第二层是传输层。它定义了一个客户端如何发送请求和接收应答， 以及一个服务器如何接收请求和发送应答。所有的s i p 实体都包含一个传 输层； ( 3 ) 、第三层是事务层事务是s i p 的基本组成部分一个事务是客户 端发送的一个请求( 通过通讯层) 发送到一个服务器端，连同服务器端的 所有的发送回客户端的对于该请求的应答的集合事务层处理应用服务层 的重发，匹配请求的应答，以及应用服务层的超时事务层具有客户机组 成部分( 称为客户机事务) 和服务器组成部分( 称为服务器事务) ，每个代表 有限的状态机，它被构造来处理特定的请求； ( 4 ) 在事务层之上是事务用户( t u ) 每一个s i p 实体，除了无状态 代理，都是一个事务用户当一个t u 发出一个请求，它首先创建一个客 户事务实例并且向它传递请求和目标i p 地址、端口号、以及发送请求的。 传输协议一个t u 可以生成客户机事务也能够取消它当客户机取消一 个事务时，它请求服务器停止进一步的处理，将状态恢复到事务初始化之 前，并且生成特定的错误应答到该事务这由c a n c e l 请求完成，它构 成自己的事务，但涉及要取消的事务 2 3s i p 消息格式 s i p 消息的语法嘲是基于文本的，它可以分为从客户端到服务器的请求 消息和从服务器到客户端的回应消息。一个s i p 消息的b n f 范式表示如 下： i g e n e r i c m e s s a g e = s t a r t l i n e 、 m e s s a g e - h e a d e r c r l f 山东大学硕士学位论文 【m e s s a g e - b o d y 】 ( 2 1 ) s t a r t - l i n e = r e q u e s t l i n e s t a t u s l i n e ( 2 2 ) 从上面两式可以看到，s i p 消息总是由一个起始行开始，其后跟零个 或多个消息头域，再其后跟着消息体，消息体不一定在每个s i p 消息中都 必须存在消息头域和消息体是用一个回车换行符分开的，即便消息体为 空，回车换行符仍旧存在 起始行根据是请求还是应答消息又可以分为请求行和应答行，请求行 的b n f 范式描述如下： r e q u e s t - l i n e ；m e t h o ds pr e q u e s t - u r is ps i p - v e r s i o nc r l f ( 2 3 ) 它是由空白符分隔开的请求方法类型、请求要发送的实体地址和s i p 协议版本号构成。 协议当前指定了六种请求，如表2 1 所示： 请求类型该请求的作用 r e g i s t e r 用于客户端向服务器端注册连接地址 i n v i t e 用于客户端发起一个呼叫请求 a c k 用于客户端确认收到服务器端对于上个请求的最终 应答 b y e 用于主叫或被叫用户代理终止一个会话 c a n c e l 用户客户端在收到应答前取消一个已发出的请求 o p t i o n 用于客户端询问服务器端的性能 表2 1s i p 请求消息类型 根据当前协议的发展，未来请求消息还可能会增加以下几种类型： i n f 0 、c o m e t 、p r a c k 、s u b s c 融b e 、n o t i f y 、r e f e r ，这里就不一 一再做介绍了 应答行的b n f 范式描述如下： s t a t u s - l i n e = s i p v e r s i o ns ps t a t u s c o d es pr e a s o n p h r a s ec r l f ( 2 4 ) ， 它是由空白符分隔开的s i p 协议版本号，应答状态码和一个对应于该 应答状态码的一个文本形式的简短说明构成 协议当前指定了六种级别的应答代码，如表2 2 所示： 7 f 应答代码级别i 该级别的说明 l 山东大学硕士学位论文 l x x 表示服务器端向客户端返回的临时应答 2 x x 表示服务器端成功接受客户端的请求 3 x x 表示请求中的地址不可用，需要重定向 4 x x表示客户端错误，如它无权发出这个请求 5 x x 表示服务器端错误，如不支持请求中的s i p 版本 6 x x 表示全局性错误，如被叫方用户不存在 表2 2s i p 响应状态码 i u f c 3 2 6 l 中定义了一系列的消息头域，这些头域如2 1 式所示被包含 在s i p 消息中以提供关于消息的更多的信息，使得消息接收端能够更合适 地对消息进行处理 。 消息头域的通用b n f 范式描述如下： 。 h e a d e r一。h e a d e r - n a m e 。h c o l o nh e a d e r - v a l u e ( c o m m a h e a d e r - v a l u e )( 2 5 ) 它是由一个冒号分隔的一个头域名和一个或多个头域值构成，如果存 在一个以上的头域值，它们之间是用逗号隔开的，在冒号前后可以有任意 多个的空白字符，但r f c 3 2 6 1 推荐的形式为在头域名和冒号间不存在空 格，而冒号和第一个头域值间有一个空格 头域值的b n f 范式描述根据不同的头域名而有不同，但基本形式可 以用下面的b n f 范式描述： ， h e a d e r - v a l u e t ( t o k e nis e p a r a t o r siq u o t e d - s t r i n g ) ( ；p a r a m e t e r - n a m e = p a r a m e t e r - v a l u e )( 2 6 ) 每个头域值都是由标识符、分隔符( 如 等) 和引用字符串等后跟零个 或多个参数构成的，每个参数之间用分号隔开，值得注意的是参数值可以 为空，这样参数名后的等号也随之省略掉 在s i p 消息中比较重要的消息头域主要有以下几个，如表2 。3 所示： 头域名作用 f r o m 用来指出请求消息的发送者 t o 用来指出请求的接收者 c o n t a c t 提供一个地址，为将来进行通信时使用 v i a存储所有处理请求的代理地址 山东大学硕士学位论文 c a l l i d标识一个特定的邀请和与之相关的事务 c s e q用于在同个会话中对不同请求进行排序 r e c o r d r o u t e这两个头域用于记录信令路径中必须经 r o u t e 过的代理 表2 3 常用头域及功能 2 4s i p 的网络实体 在s i p 中定义了两类基本网络实体：用户代理( u a ) 和s i p 服务器( s i p s e r v e r ) ，因此s i p 协议是一个客户服务器协议 用户代理是一个用于和用户交互的s i p 实体，它通常有一个与用户连 接的接口，但也可以不直接面对用户，如s i p 自动应答机用户代理可以 从执行的功能上分为两个逻辑实体；用于发起s i p 请求的u a c ( u s e r a g e n t c l i e n t ) 和用于接收请求并且做出响应的u a s ( u s e ra g e n ts e r v e r ) 。 s i p 服务器具体可以分为以下几类： ( 1 ) 重定向服务器，它的作用是接受s i p 请求，把目的地址映射到零 个或多个新的地址，然后把这些翻译过的地址返回给请求的发起者，最后 这个请求发起者就可以按照重定向服务器所返回的地址重新发出请求，而 重定向服务器本身并不发起任何s i p 请求 ( 2 ) 用户代理服务器，它的作用是作为用户的代理人，接受s i p 请求 并同用户联系，用户对用户代理服务器进行回应后，用户代理服务器进行 s i p 回应代理服务器又分为无状态的和有状态的两类，无状态服务器对 每个请求和应答的处理都是独立的；而有状态的代理服务器会记住到达的 请求和相应的转换后的请求，用它影响将来对请求的进一步处理。 ( 3 ) 注册服务器，它的作用是接受注册请求! 这样用户可以向网络指 出他在特定地址上是可用的 ( 4 ) 位置服务器，它的作用是保存终端设备的注册地址信息 2 5s i p 的会话建立终止过程示例 s i p 会话过程采用的是三次握手机制，如图2 1 所示： 1 山东大学硕士学位论文 ， 图2 1s i p 会话创建过程示例 上图中用户1 和用户2 问的会话建立过程如下； ( 1 ) 用户l 的用户代理构造一个i n v i t e 请求，将用户2 的公用地址 s i p ：m a t a o 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 放入t o 头域和请求u r i 中，根据请求u r i 的 域部分，这个请求将被发送到用户代理服务器 ( 2 ) 用户代理服务器收到i n v i t e 请求，并根据请求u k i 的主机部分 m a t a o ，找到实际地址s i p ：m a t a o 1 0 0 1 0 0 1 0 0 6 ，它再创建一个以该地址为请 求u r i 的新i n v i t e 请求发送到用户2 处 ( 3 ) 用户2 的用户代理收到i n v i t e 请求后，返回一个1 8 0 临时应答， 并在该消息中加入一个c o n t a c t 头域，将它的实际地址放入，宣布开始待 命，然后将该消息发送到用户代理服务器 ( 4 ) 用户代理服务器对收到的应答消息做必要的修改处理。然后转发 给用户l 的用户代理 ( 5 ) 当用户2 的用户代理最终接受这个请求后，他将重新发送一个2 0 0 t 的最终应答给用户代理服务器，该应答中将保存用于建立会话的一些必要 参数信息，如端口号等 一。 ( 6 ) 用户代理服务器会按照( 4 ) 中对临时应答的相同处理方法处理最 终应答，并将该最终应答发送到用户1 一 ： 山东大学硕士学位论文 ( 7 ) 用户i 府用户代理收到2 0 0 最终应答后，它发送一个a c k 请求， 并在该消息中加入二个c o n t a c t 头域，将用户l 的实际地址放入。根据前 面应答中c o n t a c t 头域中的地址，该请求直接发送到用户2 的用户代理 此时两个用户闻的媒体会话就建立起来了 ( 8 ) 当需要终止会话时，两个用户中的任意一个可以发出b y e 请求， 在上图中是用户2 发出的，使用前面a c k 请求中c o n t a c t 头域中的地址， 该请求直接发送到用户1 ( 9 ) 用户l 的用户代理收到了b y e 请求，终止媒体会话，并将一个 2 0 0 的应答直接返回给了用户2 ， 2 6s i p 协议与h 3 2 3 协议的比较及结论 v o i p 系统中的两个作为多媒体通信的应用层信令标准：s i p 和h 3 2 3 都对信令提出了完整的解决方案，能实现的信令功能也基本相同，也都是 利用r t p 作为媒体传输的协议，但两者的设计思想却有很大不同，h 3 2 3 协议其应用背景是通信网，协议设计在很大程度上继承了i s d n 协议机制； s i p 协议其应用背景是i n t e r n e t ，它充分利用了已有的其它i n t e r a c t 协议( 如 h t t p 协议) 两者的差别具体表现在如下几个方面 6 1 ： 。 ( 1 ) 编码机制：s i p 是基于文本的协议，语法和词法分析相对简单。； 而h 3 2 3 采用基于a s n i 和压缩编码规则的二进制方法表示其消息，需 要复杂的代码生成器和语法分析器 ， ( 2 ) 呼叫建立过程：s i p 会话请求过程和媒体协商过程等是一起进行 的，因此呼叫建立时间短：而在h 3 2 3 中呼叫建立过程和进行媒体参数等 协商的信令控制过程是分开的，涉及到三条信令控制信道：r a s 信令信道、 呼叫信令信道和h 2 4 5 控制信道，呼叫建立过程比较复杂，建立一个h 3 2 3 呼叫通常发送l o 多个包，消耗6 7 次往返时间，时延较大 ( 3 ) 寻址要求：s i p 协议可以定位多种格式的地址，如：邮箱地址、电 话号码、h 3 2 3 和h t t p 的u r l 等；而h 3 2 3 则只能定位主机地址( 无用户 名) 或通过能被网守识别的别名 。 “ ( 4 ) 扩展性：s i p 协议没有专门用于补充业务的协议，只要充分利用 已定义的头域，或对头域进行简单扩展就能方便地支持补充业务；而在 山东大学硕士学位论文 h 3 2 3 协议中为实现补充业务定义了专门的协议，如h 4 5 0 1 ，h 4 5 0 2 和 h 4 5 0 3 等，架构复杂，并且h 3 2 3 没有任何机制支持终端交换双方可支 持的扩展信息，在支持补充业务上存在互操作性问题。 ( 5 ) 多播支持：s i p 协议类似于其的i n t e r n e t 协议。采用分布式的呼叫 模型服务，具有分布式的组播功能，由于可以使用u d p ，s i p 请求也就自 然能直接用多播方式传送。其组播功能不仅便于会议控制，而且简化了用 户定位、群组邀请等，并能节约带宽；而h 3 2 3 协议多播是采用集中、层 次式控制，这样便于管理，但是用于大型会议控制时，多点控制单元很可 能成为瓶颈，并且h 3 2 3 不支持信令的组播功能 ( 6 ) 个人移动服务支持：s i p 协议对个人移动的服务有较强的支持， 主叫方的呼叫可以被导向到几个不同的通信位置，在每个位置描述中能够 包含一些附加信息供主叫用户选择；而h 3 2 3 协议对个人移动的支持有限， 在较大网络上寻址、用户定位和环路检测方面较欠缺。+ t ( 7 ) 版本兼容性：s i p 协议中，r f c 3 2 6 1 和r f c 2 5 4 3 之间不是向下兼， 容的，因此两个版本的s i p 协议连接有一定困难；而h 3 2 3 的各个版本都 是向下兼容的，所以使用不同版本h 3 2 3 终端可以无缝对接、 ( 8 ) 与p s t n 网的互联性：尽管已有相关草案地提出，s i p 协议目前尚 没有用于与s s 7 信令转换的标准，与p s t n 网互联较为困难；而h 3 2 3 协 议很大程度上继承了i s d n 协议机制，与p s t n 网互联较为容易。但也仅能 传输部分s s 7 消息 ( 9 ) 安全：和h r r p 协议类似，s i p 支持d i g e s t 认证、s s l t s l 的逐跳 认证和p g p 的端到端加密h 3 2 3 的安全是通过h 2 3 5 来实现 根据上述对比，我们最后选用s i p 协议作为该v o i p 终端所支持的信 令协议主要基于以下考虑： ( 1 ) 由于目前我们并不考虑该终端与p s t n 网络的互联，仅仅保证能 在i p 网中进行呼叫，而s i p 协议更加适合通过i p 网络传输 ( 2 ) s i p 协议简单可靠，不像h 3 2 3 那样复杂，整个协议内仅有两百 多页，考虑到人手和工作量对比，采用s i p 协议是个明智的选择 ( 3 ) 由于项目的后续开发需要进一步加入扩充服务，考虑到高年级学 生毕业后低年级学生再开发的熟悉时间和整个系统较易维护，采用了s i p 协议 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) s i p 协议支持q o s ，这是项目后续开发所要考虑的重要问题。 j ( 5 ) 考虑到要与c o s t a rd s p 进行互联，采用易读的s i p 协议，能够更 容易地发现软件和硬件设计中的故障 2 7 本章小结 本章从发展历史和现状、协议结构、消息语法，网络实体等多个方面 对s i p 协议作了较为详细的介绍，并且通过一个具体实例讲解了通过s i p 消息建立和终止一个会话的全过程，最后将s i p 协议与h 3 2 3 协议进行了 详细比较进而给出了我们选择s i p 协议作为项目使用的