（检测技术与自动化装置专业论文）面向远程监控的ip语音处理、传输研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 本文研究了i p 网络语音处理、传输的有关知识与技术。介绍了i p 网络在语音通信 方面的典型应用，探索了语音数据利用i p 网络传输涉及到的主要协议标准如t c p i p 、 r t p 等的内容，给出了语音压缩编码技术的基本指标及其不同分类，同时简要介绍了语 音压缩编码标准之一g 7 2 9 的相关知识。 在上述理论知识的基础上，作者依照某公司的需求以及课题的要求，分别研制了初 步的电话智能转拨控制器设备和i p 网络实时语音通信软件模块。 电话智能转拨控制器实现了外线转拨内线、通话计时显示和参数修改配置等功能， 同时提供了电话外线转接外线的新型功能，具有一定的实用性。在设备的设计开发上， 我们采用专用语音处理芯片组l e 7 8 d 1 l + l e 7 7 d 1 1 及p s i n 网络接口芯片c p c 5 6 2 1 来完成 模拟语音信号的接入、数字化处理及压缩编码工作。设备采用a t 8 9 c 5 5 w d 单片机作为控 制器控制设备的工作，设备的功能软件采用硬件编程语言c 5 1 编程实现。 i p 网络实时语音通信模块以计算机和因特网为物理平台，实现了语音的采集、压 缩编码、播放、网络中计算机间语音数据的实时交换及语音数据的文件存储等主要功 能。软件以面向对象的v c + + 6 0 作为开发环境。利用微软提供的底层音频服务a p i s 来 对声卡进行操作，实现语音采集和播放功能；数据的网络传输通过m f c 类库中的 c s g c k e t 类实现；通过把音频数据转换成w a v e 格式的音频文件，实现音频数据的存 储。软件提供两种压缩方式，一种是利用操作系统内白带的语音c o d e c 对语音数据进行 w a v e _ f o r m a t _ d s p g r o u p _ t r u e s p e e c h 压缩编码，另一种利用动态链接库 ( d l l ) 对语音数据进行基于0 7 2 9 a 标准的压缩编码。 关键词：语音系统，语音压缩编码，电话转拨，语音存储 北方工业大学硕士学位论文 s t u d yo f v o i c ec o d e c a n dt r a n s m i s s i o no v e ri pn e t w o r k f a c i n g r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m i nt h ea r t i c l e , k n o w l e d g ea n dt e c h n o l o g yo f v o i c ec o d e ca n dt r a n s m i s s i o no v e ri p n e t w o r ki ss t u d i e d k e ya p p l i c a t i o n sa b o u tv o i c ec o m m u n i c a t i o no v e ri pn e t w o r ka md e s c r i b e d n 托m a i np r o t o c o l sa b o u tv o i c e1 a n s n l i to v e ri pn e t w o r ka r ei n t r o d u c e d , s u c ha st c p 册、r t p b a s i ci n d e xa b o u tv o i c ec o d e ca n dc o d e ck i n d sa r ep r e s e n t e d a l s o , g 7 2 9 o n eo f t h e v o i c ec o d i n gp r o t o c o l s ，i si n t r o d u c e d b a s e do nt h ek n o w l e d g ea b o v e ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e da l li n t e l l i g e n tp h o n er e d i a l - c o n t r o l d e v i c ea n dt h es o n w 獬a b o u tv o i c er e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o no ni pn e t w o r k , a c c o r d i n gt ot h e d e m a n d so f c e r t a i ne n t e r p r i s e sa n dr e q u i r e m e n tf o rt h es u b j e c t t h e i n l e l l i g e n tp h o n er e d i a l - c o n l o ld e v i c ep r o v i d en o to n l yt h e f u n c t i o n so f o u t s i d e p h o n e r e d i a li n s i d ep h o n e , p h o n et i m er e c o r d i n ga n d d i s p l a y i n gb u ta l s ot h en e wf u n c t i o no f o u t s i d e p h o n e r e d i a l o u t s i d e p h o n e t h e s e m a k e i t h a dp r a c t i c a b i l i t y f o r t h e d e s i g n o f d e v i c e ， w eu u 玎8 d 1 1 + i 正7 7 i ) 11 ，t h ec h i p s e tl e a d i n gt h ef i e l di nv o i c ec o d l 狐，a n dc p c 5 6 2 1 ，t h e c h i pi n t e r f a c i n g t op s i nn e t w o r k , t od ot h ew o r ka b o u tv o i c es i g n a li n p u t , d i g i t a lp r o c e s sa n d c o d e c a l s o ，w e u s ea t 8 9 c 5 5 w da sm c uo f d e v i c ea n dc o n t r o lp r o i g a mo f d e v i c ei s w r i t t e nb yh a r d w a r ep r o g r a ml a n g u a g ec 5 1 n 蝣f t w a r eb a s eo nc o m p u t e ra n di n t e r a c ta s t h ep h y s i c a lp l a f f o m a , p r o v i d i n gt h em a i n f u n c t i o n ss u c ha sc o l l e c t i o no f v o i c ed a t a , c o d e ca n dp l a y i n go f v o i c e ，r e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o n o f v o i c e d a t a b e t w e e n t w o c o m p u t e r s o v e r t h e i n t e m e t a n d f i l e s t o r a g e o f v o i c e d a t a 1 1 豫s o 胁a l ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti so b j e c t - o r i e n t e dv c 卜6 0 n 屺f u n c t i o no f v o i c e d a t ac o l l e c t i o na n dp l a y i n ga t er e a l i z e db yu s i n ga u d i o , r v i c ea p i sp r o v i d i n gb ym i e r o s o rt o c o m m u n i c a t e sw i t ha u d i oc a r d t h ef u n c t i o no f c o m m u n i c a t i o no v e ri pn e t w o r ki sp e d b i m e d b yc l a s sc s o c k e t a n dw a v ef o r m a tf i l ei su s e df o rs t o r i n gt h ev o i c ed a m s t h es o 如n d l - e p r o v i d et w oc o d e cw a y s ，o n ei sw a v ef o r m a td s p g r o u p _ t r u e s p e e c h ，a n o t h e r i s g 7 2 9 k e yw o r d s ：v o l p ，v o i c ec o d e c ，p h o n er e d i a l , v o i c ed a t as t a r e 3 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j g 直王些太堂或其他教育机构 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。 学位论文作者签名：签字日期：州 数据接收端对音频数据进行存储及播放的技术。 为达到上述内容的研究目的，本文做了如下2 方面的工作： ( 1 ) 智能电话转拨控制器设备；该设备的研制侧重研究语音在硬件层的采集、 转换、压缩编码技术，作者负责该设备的软件部分。 ( 2 )i p 网络实时语音通信系统；该软件的编写侧重研究语音在口网络的实时 传输及语音数据在收发终端的采集，压缩编席f 码、存储、播放技术。 2 北方工业大学硕士学位论文 1 因特网语音通信综述 1 1 因特网棚 述 m 是网际互联网协议( m t e r i l 吐p r o t o c 0 1 ) 的简称，口网络就是以p 协议为网络层 协议的计算机网络如企业局域网、城域网等。其典型代表就是发展势头锐不可当的因特 网。 因特网是从英文i n t e r n e t 翻译过来的，又称为国际互联网，它是一个由分布在 世界各地的成千上万的计算机相互联结在一起形成的可以相互通信的计算机网络系 统，是当今最大、最著名的国际性资源网络。因特网就像是在计算机与计算机之间 架起的一条条高速公路，各种信息在上面快速传递，这种高速公路遍及世界各地， 形成了像蜘蛛网一样的网状结构，使得人们得以在全球范围内交换各种各样的信 息。 因特网起源于美国的a r p a 网。6 0 年代中期开始，一些专家在美国国防部的高 级研究计划局( 即a r p a ) 的资助下，主持研制的用于支持军事研究的计算机实验网 络( h r p h n e t ) 。建网的初旨是帮助美国军方利用计算机进行信息交换。a r p a n e t 设 计与实现的主导思想是：网络应能经受住故障的考验而维持正常工作，当网络的某 部分遭到敌方攻击，摧毁而失去作用时，也能保证网络的其他部分运行兵仍能维持 正常通信而不瘫痪。因此，a r p a n e t 采用分布式控制与处理，较好地满足了这方面 的要求，网络上的计算机处于平等地位，没有哪一个部分是特别重要、不可缺少 的。7 0 年代他们设计了新的在不同的计算机网络之间实现通信的协议( t c p i p 协 议组) ，并公开了所有的t c p i p 协议网络规范和有关的技术成果，这种公开，使 得t c p i p 协议得到了广泛的支持和迅速的推广。t c p i p 应用于a r p a 网标志着 真正意义上的i n t e r n e t 出现了，从1 9 8 3 年开始因特网的规模基本以逐年翻一番的 速度增长，从开始只有约2 0 0 台连接的计算机发展到目前全球已有几千万台计算机 与因特网相连，并从美国走向世界，逐步形成了一个真正覆盖全球的大网络。 因特网在中国的发展，大致可以分为两个阶段，第一个阶段是1 9 8 7 年1 9 9 3 年，一些科研机构通过x 2 5 实现了与i n t e r n e t 的电子邮件转发的联结；第二阶段 是从1 9 9 4 年开始，实现了和i n t e r n e t 的t c p i p 联结，从而开始了i n t e r n e t 全功 能服务。目前我国已拥有中国公用计算机互联网( c h i n a n e t ，1 6 3 ) 、中国教育和 科研计算机网( c e r n e t ) 、中国金桥信息网( c h i n a g b n ) 、中国公众多媒体通信网 ( c n i n f o ，1 6 9 ) 、中国科技网( c s t n e t ) 等骨干网，因特网用户已超过一千万。 一3 北方工业大学硕士学位论文 从功能上说，因特网的信息服务基本上可以归为三类：共享资源、交流信息、发布 和获取信息。在因特网上的任何活动都离不开这三个基本功能。 ( 1 ) 共享资源 因特网的共享资源功能在t c l n c t 服务及f t p 服务上体现的非常明显。t d n c l 使用户 可以通过网络来共享计算机资源，包括硬件及软件资源。比如用户可以通过t c l n c t 访问 计算中心或单位的各种服务器，使用合法帐号登陆到服务器上，执行各种命令，如同坐 在服务器的终端前操作一样。 与t e l n c t 不同，m 服务允许人们把远地资源取到本地计算机来使用。不管两台电 脑间相距多远，也不管电脑上运行的是什么操作系统，只要该系统支持f r p ，那么通过 f t p 它们间就可以传输文件等资源。 ( 2 ) 交流信息 因特网上交流的方式很多，最常见的应用有电子邮件( e m a i l ) 、即时通信系统 ( 最典型的如q q 、p o p o 等) 。与传统的交流方式打电话、发传真相比，电子邮件费 用更低廉，撰写发送封电子邮件的费用折算下来通常仅几分钱，而且，电子邮件可以 在瞬间发送到网络连接的任何一台电脑上。目前电子邮件已经成为企业、个人交流信息 的种非常重要而普遍的方式! 另一种非常流行的交流信息方式就是实时交流信息方 式，典型的代表就是q o 软件，只要在电脑上安装了该软件，那么人们就可以在连接在 网络上的两台电脑问通过文字进行实时的信息交换。非常的方便快捷。 ( 3 ) 发布和获取信息 因特网作为一种新的信息传播媒体，为人们提供了一个宣传自己的极佳平台。特别 是w w w 应用出现后，因特网真正变成了一个多媒体的信息发布海洋。现在，政府机 构、科研院所、企事业单位及许多的个人都在网上建立起了自己的网站，拥有了自己的 网上家园，利用这个网络窗口全面的宣传自己“。 1 2 因特网的特性 因特网上的数据传输机理可归为两点：第一点是采用自适应的路由和存储转发制； 第二点是传输的对象是采用以分组为单位的数据包。数据在网络中的传输钱根据网络状 况自主的选择不同的传输路由，这样，可能会导致接收端收到的数据包跟友鞠顷序不 符，数据到达接收端的速率也不尽相同。根据因特网的传输机理，可以知道因特网有如 下特性： ( 1 ) 因特网是一个无连接的计算机网络 正 北方工业大学硕士学位论文 因特网的无连接的概念主要是指因特网上的机器间在通信时无需事先建立连接， 因此因特网不保存用户数据传输过程中的信息，从源主机到目的主机之间也不需要建 立固定路径进行交换。实际上，i p 协议的寻路是就是一种无连接的过程。但在电话网 中，主叫和被叫之间在通信之前必须建立固定的通路，即其是面向连接的。电话网的 这种方法对支持语音实时、固定时延的要求是必需的。然而，因特网是一个数据网， 大多数数据业务并不要求实时传输。 ( 2 ) 因特网是一个“尽力而为”的传输网络 所谓“尽力而为”是指因特网会尽量去传送业务流量，但如果发生了问题或无法 找到目的主机，那么数据就会被丢弃。在大多数情况下，发送端主机e 的传输控制协 议( t c p ) 会重新发送己丢失或损坏的数据包。 ( 3 ) 传输时延和分组丢失的不确定性 由于传输路径的不确定性，存储及转发的时间也不能确定，从而造成数据包往返 时问( r t t ) 波动，r r r 时指发送一个分组到目的节点再从该节点收到响应所需要的时 间。在网络负荷很重时，r t r 的值可能超过3 0 0 m s ，大大超过g 1 1 4 所规定的典型值 7 0 - - 1 6 0 m s m 圃。 1 3 特网语音通信的典型应用 因特网的飞速发展，网络带宽和网络覆盖面积的迅速扩大，各种关于因特网的技术 的不断完善以及各种相关标准的制定，尤其是关于语音信号数字化、压缩编码方面的技 术不断发展提高，形成了一批相关的协议标准，极大的催生了因特网语音通信方面的应 用。自上世纪九十年代以来，各种基于因特网的语音通信应用层出不穷，很多应用以及 进入人们的日常工作和生活中，改变着人们传统的语音方面的通信方式。下面介绍几种 比较典型的因特网语音通信应用嘲“。 1 3 1 i p 电话 因特网语音通信应用最典型、也最成熟的应用莫过于m 电话了。1 9 9 5 年初， v o c a l t e c 公司推出一款叫做i n t e m e tp h o n e 的客户软件，虽然当时该公司还没有提出在 口网络上进行语音传输的概念，但这确实是p 电话第一次成功的商业化和市场化。从 1 9 9 5 年发展到现在，i p 电话经历了三个阶段：从最初的p c 到p c 的简单通信方式，到 基于插卡模式的网关出现；现在由于各个电信设备商的介入，p 电话已经走到了第三个 阶段，这就是电信级电话网络。目前，m 电话已经有成熟的产品出现，它和打普通 电话一样方便，但通话费用则只有普通电话的几分之一到几十分之一。m 电话拥有如下 的几个优点： 5 北方工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 更有效的利用宽带和设备 “m 电话并不是为每个呼叫都分配高达6 4 k b i t s 的一条通路，它可以在多个逻辑 连接中动态的共享带宽。同时，m 电话还可以承载现有电话交换的业务量。 ( z ) 降低电话网传送的费用 传统电话网要求大量的设备来建立和分离高带宽传送电路，这必须在6 4 k b i t s 的 级别上才能进行处理。口电话在最大限度上的可用传送链路上复用话音业务 量，这意味着可以极大的节省设备和运营费用， ( 3 ) 综合的话音和数据网络费用 因特网业务量每6 - - - 9 月翻一番，按照这个速度，目前重叠在话音网上的数据网 络将很快承载大量的业务，因此，话音网必须尽快向分组交换结构转变，创建 具有公共交换和传送系统的单一综合通信网络 ( 4 ) 来自新业务的收入不断增长 电话实现了新的综合业务一宽带质量的音频、统一消息、实时话音数据的 综合、视频电话可管理的数据席 音舰频业务。这些业务都会增值，它们是服 务提供商与众不同，同时也改变了其市场定位。 虽然参与i p 电话技术标准开发与推广的组织超过2 0 家，但最具影响力的主要有4 家：国际电信联盟标准化部门删t 、i n t e m e t 工程任务组i e t f 、多媒体远程会议集团 i m t c 和欧洲电信标准协会e s t i 。m m 侧重电信标准，i e t f 侧重i p 标准，i m t c 侧 重互操作性，而e s n 则侧重商业实现。由于母电话技术标准的开发涉及多个领域，这 几家开发组织相互间建立了比较良好的协作关系。而其他的机构主要发展、充实、实现 和推广这些标准。 1 3 2 基于w e b 网的呼叫中心 基于w e b 网的呼叫中心是因特网语音通信飞速发展的一个应用，呼叫中心和因特 网的结合，能实现因特网的语音技术、交互式的网页浏览技术的和现有呼叫中心的交换 机技术的有机结合，极大的丰富了呼叫中心的功能，而且使得因特网成为真正的呼叫中 心的扩展。 耳前，该类产品和解决方案有很多种，而且价格便宜。其中比较有影响的公司有朗 讯科技，n e t s l x m k 等。这些产品普遍采用的过程为：当用户需要检索信息的时候，可以 通过网页上的按钮采用因特网语音方式或基于文本聊天工具将用户与信息服务器联接起 来，然后按需要呼叫相关信息。例如，如果在网页设置一个所谓的因特网语音按钮，当 6 北方工业大学硕士学位论文 用户需要访问一个企业网站时，按一下该按钮，就能呼叫该企业下订单或是请求服务、 检索信息。客户不用拨号码，仅采用这个按钮就能实现，还不用花钱。 1 3 3 计算机电话集成 s o u n d w a r e 公司的电话操作系统( i d s ) 的产生标志着计算机电话集成产业的开 始，t o s 是与电话应用程序接口( t a p i ) 兼容的w i n d o w s 程序，它可以在x 8 6 或奔腾 处理器上运行，代替硬件来管理基于主机的信令处理和通信算法，使得高级的计算机电 话无需昂贵的硬件支持就能实现。t o s 还支持大多数音频芯片，它的广泛使用加快了语 音数字化的发展。另外，t o s 还用于管理呼叫处理的各个方面，为信令处理通道算法 的开发者提供了一个灵活开放的电话平台。 t a p i ( t e l e p h o n y a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t 咖a c e ) 是微软提供的计算机和电话网 相联系的编程接口，使程序员可以利用这个接口通过电话线完成许多计算机复杂的通信 工作。t a p i 能提供的功能主要有：自动拨号；以文件、传真、电子邮件的方式传送文 件；访问因特网或其他形式信息服务、组织会议呼叫、使用主叫识别处理接入呼叫、计 算机间通过电话线的互相协作等。而且t a p im n p 4 一一微软的t e l e p h o n ya p i 是被当 今的c t i ( 计算机电话系统集成) 应用广泛使用的标准。特别是微软在w i n d o w s2 0 0 0 中发布的t a p l 3 0 ，它能够支持传统的p s t n 电话和i p 电话两种电话，为用户提供一个 良好的开发环境。随着电话和呼叫控制在个人计算机中应用的越来越普通，需要一个通 用的电话接口来支持应用程序，使其能够访问任一计算机上的电话，通过一个统一的标 准，基于t a p l 3 0 所开发的c a l lc e n t e r 将以其优异的性价比和几乎无限的扩展空间，得 到越来越多用户的青睐。 1 4 因特网语音通信的特点与关键技术 1 4 1 因特网语音通信的特点 因特网作为一个覆盖全球的开放型计算机网络，在其中传输的都是数字化的信息， 要把模拟的语音信号以因特网作为网络平台进行通信，与传统的承载模拟语音的电话网 相比，它有如下主要特点： ( 1 ) 语音传输都是采用t c p 衄协议的分组交换 分组交换采用“存储一转发”的方式，把语音信息分成比较短的，格式化的分组 ( 包) 进行交换和传输。由于分组的长度较短，穿过交换机或网络的时间很短，这样， 既解决了电路交换不利于实现不同类型数据终端的互连问题，也克服了报文交换信息的 传输时延大，无法满足实时性的问题。分组交换有如下优点： 一7 - 北方工业大学硕士学位论文 为用户提供了不同速率、不同代码、不同同步方式和不同通信控制规程的 数据终端之间能够相互通信的灵活的通信环境。 由于数据包需要排队传输，因此会产生传输时延，分组由于长度短，：因此 传输的时延很小，而且变化范围不大，能够较好的满足会话型通信的实时 性要求。 ： 可靠性高，每个分组在网络传输时可以自动选择路由而避开故障点，增加 了传输的可靠性。 。 经济性好，信息以“分组”为单位在交换机中存储和处理，不要求交换机 有很大的存储容量，减少网内设备的费用。 实现线路的动态统计时分复用，通信线路的利用率高，在一条物理线路上 可以提供多条信息通道。 通信双方不需要进行链路建立的初始化，可以随时发送数据。 1 因特网内所有路由都是独享的，联入到因特网的计f f - t r l 均不独占路由。 ( 2 ) 传输的语音必须进行压缩编码处理 语音通信的数据量较大，并有实时性要求。但因特网不能像传统电话网那样，在源 端和目的端之间建立起一条保证带宽的物理通道。目前解决这个矛盾的主要途径就是采 用高效的压缩编码算法，将大数据量的语音信息压缩到较小的范围，然后利用因特网中 的较小带宽进行传输。传统的电话网资源利用率很低，连接建立后，要占用6 4 k b s 的带 宽，而采用压缩技术的因特网语音传输，只占8 k b ，s 的带宽，大大提高了资源的使用效+ 率。 ( 3 ) 语音信号的延时比较大，延时抖动也较大 对于因特网语音传输来说，传输时延是个比带宽更难解决的问题。产生时延的原因 是多方面的。例如，语音数据的压缩打包延迟、传输延迟、排队和同步延迟、解压缩和 解包延迟等。因特网中的语音传世延迟比电话网传输延迟要大的多，这是因为因特网中 信息的传输采用的是“存储一转发”的包交换方式，并且，从源端到目的端的传输路由 也是非确定的，由此带来了语音信号传输延迟波动比较大。实验证明，超过6 0 0 m s 的延 迟就会使两个人之间的正常对话很难维持，因此u 标准建议对于交互语音应用，最大 的端到端的延迟为2 5 0 m s 。 另外，随着因特网负载的不同，网络产生的延迟也会随着变化。在很高的业务负载 的情况下，如果又有数据用户发送超长数据帧，那么时延抖动会加剧。 8 一 北方工业大学硕士学位论文 1 4 2 因特网语音通信的关键技术 语音信号在因特网上进行传输涉及到的关键技术主要有先进的语音压缩技术、语音 服务质量控制技术和用户接入技术等。 ( 1 ) 语音压缩技术 语音压缩编码技术一直是因特网语音传输中的关键技术之一，它涉及到信息下压 缩、特征提取及合成等问题。并且与语音的播放音质、网络带宽、用户接入方式都有密 切的关系。压缩编码器有软件和硬件两种实现方式。软件编码器具有价格便宜、使用方 便等优点，但在编码质量、处理速度等方面不如硬件编码器。按照h 3 2 3 协议，在因特 网的语音传输中所采用的语音编码标准主要有g 7 1 l 、g 7 2 9 、g 7 2 9 a 和g 1 7 2 3 。l 等。 其中g 7 2 3 1 是h 3 2 3 首推的编码标准，因为它有语音质量好，编码速率低等优点。表 1 1 给出了h 3 2 3 中的常用编码算法的性能参数。 表1 1 几种压缩解码算法的性能比较 编码算法 g 7 2 3 1g 7 2 9o 7 2 9 a 比特率( 曲i 旧 5 引6 ，388 帧长度( m s ) 3 0l o 1 0 处理时延( m s ) 3 0l o 1 0 算法时延( m s ) 7 55 s 帧字节数2 0 ，2 4 1 01 0 r a m 2 2 3 0 0 02 0 0 0 ( 2 ) 因特网语音通信的用户接入方式 目前，在因特网语音通信方面，用户接入方式主要有三种：普通电话机接入、媒体 计算机接入和以太网电话机接入。计算机联网接入方式就是在网络中的计算机上配置了 声卡、话筒和扬声器及语音处理软件，这样就可以在因特网匕进行语音的通信、收发语 音数据。普通电话机接入方式需要在用户局端设立一个m 电话网关，用户的电话机连 接在这个电话网关上，通过这个网关与因特网连接。这样就可以进行语音的收发， 传输了。在这种方式下，会涉及到电话网关、关守、等网络设备的连接技术。以太网电 话机接入方式是将以太网电话机连接在局域网中，通过局域网来连接因特网。 ( 3 ) 语音服务质量控制技术 在当前的网络质量状况下，因特网语音传输的服务质量是阻碍其发展的主要因素之 一，如何改进服务质量是研究因特网的语音实时传输技术的重点。因特网语音质量的控 9 北方工业大学硕士学位论文 制技术主要包括三个方面，一是采用注册许可机制来限定网络登录的用户数，以防止产 生资源缺乏现象，导致语音质量进一步降低；二是采用交换优先机制，为语音数据优先 预留资源；三是在p 电话应用软件中引进自适应策略，通过监测网络资源的变化，再 根据变化情况来做相应的技术调整。例如可以通过监测网络带宽的变化来调整编码器的 编码速率，当网络出现拥堵时，采用低速率编码，反之，采用高编码速率，从而最大限 度的保证语音质量n m ”，。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 因特网传输语音的基本过程是：数字化的语音数据经过某种压缩编码算法压缩后形 成数据流，按照口协议，封装成p 数据报，通过存储转发技术、分段路由技术和多路 传送技术在网络间传输，最后在目的地重组恢复语音数据。数字化的语音数据在 网络的传输过程中，涉及到t c p i p 协议、差错控制协议等技术，如果传输过程中对实 时性要求高，还会涉及到实时传输协议、q o s 保障等技术。因此，语音数据在m 网络 中的传输是一个很复杂的过程，它与传统的电话语音通信有着本质的不同。传统电话网 的数据交换方式采用的是电路交换方式，通信双方在通信是要建立一条完全为通信双方 所占有的物理通道。交换过程包括电路建立、数据传输和电路拆除。远距离的通信双方 通过几级中间交换局，各级交换结点用链路互相连接起来。图2 1 给出一个两级交换结 构。该交换方式的优点是信号传输时延小，唯一的时延是电磁信号传送时间；连接可 靠，实时响应能力好。缺点是要在通信双方间实际建立一条物理通路，且该通道为双方 独占，资源利用率低；建立线路的时间也比较长。i p 网络上的数据交换方式则为基于 t c p i p 协议的分组交换方式，也即包交换。在发送端，把要发送的数据分成若干包， 每个数据包按照i p 协议的规定加上疋头信息并编排序号。然后以包为基本传输单元， 沿着网络中的不同路径进行并行传送，到达目的地后再组装成完整的信息送至接收用 户。分组交换方式由于可以多路“并行”传输，且包的信息长度短，可大大缩短信息通 过网络的时间和中间节点排队处理时间，为快速响应的通信创造了条件；一条通路在传 送完一个包，可以马上用来传送别的包，线路利用率高。本章下面主要介绍跟语音数据 在m 网络中传输相关的一些主要协议“牡“”。 2 1t c p i p 因特网的成功取决于t ( ：p 力咿协议。因特网基于t c p i p ，其许多概念都来自于 t c p 仰协议。开发t c p m 的初衷是解决不同种类网络间的网际互连问题，也就是通信 予网的互连问题。因特网是最早出现的系统化的网络体系结构之一，由于它顺应了发展 网络互连的应用需求，采用了开放策略，并与最流行的i n 操作系统相结合，因而获 得了巨大的成功。 t c p i p 的成功主要因为其开发性使得最广泛的厂商和研究者能不断的寻找和开发 满足市场需求的网络应用和业务。t c p i p 体系结构已经成为当今网络协议的主流和事 实上的标准，得到了广泛的响应和支持。 北方工业大学硕士学位论文 2 1 1t c p i p 协议栈体系结构 t c t t p 并不仅仅指联网际协议) 和t c p ( 传输控制协议) ，它还包括许多与之相关的 协议及应用程序，是个协议簇。图2 2 给出了t c p i p 的网络体系及各协议所处的位 置，作为比较，图中也给出了i s o o s i 的七层协议参考模型。 威m 甚 表示层 会话层 传输层 罔络层 鼓据健i 屠 物理层 应用层 f t ph 兀pt d m t $ m t pp o p 3s n m pd n s 传输层 t c pu d p 同络屡口i a r p l g m 同络接口层 e t h t r m af 1 mf rx 2 5i s d n l s 0 ，o s i 七层模型t c 斜嗍罔络体系结构 图2 1t c p i p 体系结构与o s i 七层模型 由上图可知，驯坤模型可分成四个层次，由上到下分别是应用层、传输层、网 络层和网络接入层 ( 1 ) 应用程序通过应用层访问网络，该层有许多标准的t c p i p 工具与服务，如一 兀p ( 文件传输) 、s n m p ( 简单网络管理) 、s m r p ( 简单报文传送) 等。 ( 2 ) 传输层在计算机间提供端到端的通信，它包含两个重要的协议：t c p ( 传输控 制协议) 及u d p ( 用户数据报协议) 。t c p 为应用程序提供可靠的通信连接，适 合于一次传输大批量数据的情况，并适用于要求得到响应的应用程序。u d p 提供了无连接通信，且不对传输包进行可靠保证，适合于一次传输少量数据 或实时性要求高的流媒体数据。 ( 3 ) 网络层协议负责系统之间的连接，它将两个终端系统经过网络中的节点用数 据链路连接起来，实现两个终端之间数据帧的透明传输。其主要功能是寻址 和路由选择功能。网络层的四个主要协议是：联网际协议) 、a r p 例擅懈析 协议 、i c m p ( f 固际控制报文协议) 、i g m p ( w 联网组播协议) 。 ( 4 ) 网络接入层是t c p i p 协议的最低层，负责接收伊数据报并通过网络发送 之，或者从网络上接收物理帧，抽出口数据报，交给i p 层。 t c p i p 模型除了简洁之外，它和o s i 模型的最大不同之处是t c p i p 模型的网络层 只提供无连接服务，传输层则提供面向连接及无连接两类协议，其思路是简化网络层协 1 2 蔻方王建大学疆士学燕论文 议，撬裔路崮貉薅弱络没各敌潞酌舀遥藏诵整畿秀；面o s i 模黧褥弼络簇支箨嚣类驻 务，传输层只支持面向连接服务，这导敬协议十分复杂。 2 2i p 傍议 谯t c p i p 协议栈中，网络屡的核心协议是i p 0 n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议，它也叫网际协 议或潮闯丽际协议。在计算梳黼络遥僖进程中，玲协议怒着棱心静律霜，它提供了种 在网络层上从源端尝试采用最健方法向目的端传输数据报的手段，不论源端和目的端是 否箍程嗣一霹络中。箕主要葫缱是瑶数据报传送及在两络闻酌貉由遥耩，酃p 鼹由选 择。 ( 1 臻羧据擐格式 t c p i p 网络传输的基本数据单位熙坤数据报。碍数据报格式如图2 2 所示。 啦 撤謦嚣l 位蠢务擞麓 1 5 位棼搬蜜( 字节i b l 簟搴筏盘删 l 黼辗 辙 l 榭羹善 掠纛 鼬曩m l l 黼4 m 像瓣彝擅i 翻帕触 3 2 侏瓤蟹雉簸 3 疆藉巍瞅 l !撼獭嘲豢棚j r r 簸；? 黼 i l 图2 2i p 数据报格式 由上图可知，i p 数据报由数据报汰部和数据两部分组成。数据报头部由2 0 字节的 霾定长度部分粕哥交妖凄瓣甚逡部分缀残。簧送疆彦是铁主裂下逐露发送，每嚣扶左裂 右逐位发送。数据报格式的各部分意义如下： 鹱本：给窭垒戏该数鬃掇静臻协议叛零号。璎块议存袭巍令叛零：i p v 4 及 i p v 6 。目前的版本是1 p v 4 。 头蘩长度：鲶蹬娃3 2 b i t 字长必单位鹣i p 数据撤貔头袁g 长度。 服务类型：说明所需黉的服务类型。该字段从获到右依次是一个3 比特的优先 溪枣譬段，3 令各占1 个毙特豹标恚像轻、t 帮r ，逐蠢嚣经寒雳。徽缀字 1 3 北方工业大学硕士学位论文 段表明数据报的优先级，从0 ( 一般优先权) 到7 ( 网络控制优先权) 。3 个标 志位( d 、t 、r ) 表示本数据报希望采用的传输类型，它们分别表示主机对时 延、吞吐量、可靠性的要求。 ，总长度：指出数据报的总长度，以字节为单位，数值上等于m 头部长度加数据 区长度。可表示的最大长度( 1 i pi p 数据报的最大长度) 为6 5 5 3 5 字节。 1 标识：用于数据报分片操作。每个网络都对允许传送的数据包最大长度有一定 的限制，称之为m t u 。传送过程中某个网络的m t u 小于p 数据报长度，就 要求路由器将数据报分片，为了使目的主机能正确的重装，要求每个片段具有 相同的标识值，以识别它是属于哪个数据报的。 3 位标志位：第个标志位未用。第二个标志位是d f ，置1 表示该数据报不能 分片；第三个标志位是m f ，该位置1 表示后面还有后续分片，仅最后一个片 段的m f = 0 。 片段偏移值：指示本片段数据部分的首字节在原始数据报数据部分中的位置。 偏移值的长度单位是8 个字节。 生存时间：用来防止i p r 数据报在网络中出现无限循环。数据报在产生时被设置 一个初值，每经过个路由器时该值都被减1 ，当减到0 时，该数据报将被丢 弃。 协议：指出数据区中承载的数据所采用的高层协议。协议类型的编码是预定义 的，如t c p - - 6 ，u d p = - 7 等。 头部校验和：用以检测头部差错。其计算方法是：以1 6 比特为计算单位，在 发送端取该字段初值为0 ，对头部各个半字( 1 6 b i t ) 依次进行逐位异或运算， 求得的值取反作为校验和发送。在接收端对备个半字，包括校验和，做同样的 运算，若无差错其结果应该为0 。 源地址和目的地址：指示源主机和目的主机的p 地址。 ( 2 ) t i p 地址 因特网中每个物理网络的物理地址是无法改变的，因特网通过i p 协议提供一种全 网通用的地址格式，并在统一管理下进行地址分配。这样不同性质物理网络的物理地址 差异在p 层被屏蔽，m 层所使用的通用地址就是i p 地址。 p 地址是一种层次性地址，分为3 个层次：网问网、网络和主机。网间网是唯一 的，没有分配地址的必要。i p 地址主要考虑的是网络的编号和主机的编号。目前采用的 1 4 北方工业大学硕士学位论文 p 地址长度是3 2 位，分成5 类，由n i c ( 网络信息中心) 统一分配管理。口地址格式 如图2 3 所示。 0b 1 6 2 4 3 i 图2 3i p 地址格式 a 类地址：适用于大型网络，网络号占7 位，主机号占2 4 位，可容纳的网络 数为1 2 7 个，g - + a 类网络拥有的主机数最多为垆台。 b 类地址：适用于中型网络，网络号占1 4 位，主机号占1 6 位，可容纳网络数 为2 1 4 个，每个b 类网络拥有主机数最多为2 1 6 台。 c 类地址：适用于小型网络，网络号占2 1 位，主机号占8 位，可容纳网络数为 2 2 1 ，g - + c 类网络拥有主机数最多为2 8 台。 d 类地址：组播地址，支持组播传输技术，即与网络中多台主机同时通信。 e 类地址：将来扩展用。 为了易于记忆，地址的表示采用点分十进制表示法，即每8 位二进制数值用十进 制数表示，且每个量之间用一个点分开。如2 0 2 11 4 2 0 8 2 4 0 表示一个c 类地址。 除了上述5 类地址外，i p 协议还定义了如下几类特殊的d 地址： 网络地址：i p 协议把主机号的所有位都为0 的地址保留给网络本身。 定向广播地址：i p 协议把主机号的所有位都为1 的地址指定为定向广播地址， 表示向某网络内的所有主机发送信息。 有限广播地址：由3 2 个1 组成，表示只向本地网络广播。 0 地址：i p 协议规定，网络号各位全为0 的口地址称为“0 ”地址，当需要向 本网内通信，但又不知网络号的情况下使用该地址。 1 5 a b c d e 北方工业大学硕士学位论文 回送地址：a 类网络地址1 2 7 是一个保留地址，用于网络软件测试及本地机内 各进程间通信，称为回送地址。 ( 3 ) i p 路由选择 船网络的路由选择是由路由器来完成的。路由器每收到一个m 数据报，就根据目 的口地址查询路由器上存储的路由表，找到匹配网络号及下一跳路由器，完成数据转 发。如果目的主机在本网络，则转换成该主机的物理地址，重新封装数据报后将其发送 给主机。如果路由表指定出到目的主机的下一跳路由器，则按照此路径转发，如果找不 到匹配网络，则发往默认路由器。p 路由选择的算法如图2 4 所示。 路由选择算法 从数据报中提取出目的i p 地址d ，并计算出网络前缀n ； i fn 与任何直接相连的网络的地址匹配 t h e n 通过该网络把数据报交付到目的地d ( 其中涉及把 d 转换成一个物理地址，然后重新封装发送) e l s ei f 表中包含特定于到具体主机的一个到d 的路由 t h e n 把数据报发送到表中指定的下一跳路由器 e l s ei f 表中包含到网络n 的一个路由 t h e n 把数据报发送到表中指定的下一跳路由器 e l s ei f 表中包含一个默认路由 t h e n 把数据报发送到表中指定的默认路由器 e l s e 宣布选路出错 图2 4i p 路由选择算法流程图 为了判断目的主机是否在某个直接连接的网络上，源主机检查目的主机坤地址的 网络标识。它将目的主机的网络号与它自己直接连接的网络的网络号相比较，如果网络 号相同，源主机就将数据包封装在目的地址为目标硬件地址的帧中直接发送给目标：如 果网络号不同，源主机必须将数据报发送给路由器来传输，即源主机将数据报封装在目 的地址为路由器的硬件地址的帧中。路由器收到帧后，抽出数据报然后进行处理。 通常，网络管理员会为网上的每一台主机配置一个默认路由器，b 隅认网关，默认 路由器提供到远端网络上所有主机的访问。 1 6 北方工业大学硕士学位论文 2 1 3t o p 协议及i j o p 协议 t c p 协议和u d p 协议是t c p i p 协议栈中传输层的核心协议。t c p 协议是面向连 接的，u d p 协议是无连接的。一般情况下，两者共存在一个网络中，前者提供高可靠 性的服务，后者提供高效率的服务。 ( 1 )