（计算机应用技术专业论文）ip电话的设计与实现.pdf

西南交通大学研究生学位论文 y 3 9 5 8 2 捅姜 随着计算机和宽带网络技术日新月异的发展，以多媒体通信为主体的信息 网络已成为世界关注的热点。尤其是因特网( 】n t e r n e t ) 的巨大成功，已使i p 成为未来信息网络的支柱技术。基于t c p i p 的网络技术不但无可争辩地成为数 据领域的主导技术，而且己开始进入电信领域，其突破口就是电话业务。l p 电 话的成功开发和应用预示了以i p 为基础的新一代信息网络的出现。卜一 尽管目前i p 网络电话的质量还不尽人意，但是作为一个重要的技术发展方 向已受到业界高度重视，国际上许多标准化组织积极制订系统标准，其着眼点 不仅在于i p 电话本身，更重要的是未来i p 多媒体多点通信和i p 电话的各种增 值业务的应用。正是以此为背景，j 本人丌发了计算机到计算机结构的i p 电话软 件比较深入地探讨了i p 电话中的一些关键技术。 本文第一章简要叙述了课题背景和开发过程。第二章较为详尽地讨论了i p 电话的发展、实现原理、分类、协议标准和关键技术。第三章介绍了p ct op c 的l p 电话的设计。第四、五、六、七、八章则分别介绍了p ct op c 的i p 电话 的具体实现过程及方法：第四壹介绍了呼叫处理以及数据报的发送和接收的过 程和具体实现；第五章介绍了音频的录制和播放的过程及具体实现：第六章介 绍了视频的录制和播放的过程及具体实现；第七章首先介绍了特别适合于多媒 体通信的实时传输协议和实时传输控制协议，接着结合笔者开发的i p 电话软 件，说明了r t p 在音视频传输及传输控制中的具体应用：第八章介绍了音频的 编码和解码。最后结束语中介绍了i p 电话的发展前景并介绍了本软件的可扩展 性。 i p 电话依然面临着声音质量、延时、包的丢失和呼叫控制等方面的许多挑 战，需要人们继续探索研究。? 关键词：i p 电话：多媒体：音频：视频：实时传输协议锕p 西南交通大学硕士研究生学位论文 a b s tr a c t w i t ht h ec o n s t a n ti n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n db r o a d b a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，m u l t i m e d i ac o m m u n l c a t i o na st h ep r i n c i p a lp a r t o ft h ei n f o r m a t i o nn e t w o r kh a sa t t r a c t e dt h ew o f i d w i d ei n t e r e s ta n d c o n c e r n g e s i d e s ，w i t ht h eg r e a ts u c c e s so fi n t e r n e t ，i pw i l lb e c o m et h e f o u n d a t i o no fi n f o r m a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e t h en e t w o r k t e c h n o o g yb a s e do nt c p i pb e c o m e sd o m i n a n t int h ed a t ac o m m u n i c a t i o n f i e l d ，a n d t h ep h o n eb u s i n e s sa si t sb r e a k t h r o u g hb e g j n st oe n t e rt h e f i e l do ft e l e c o m j n u n i c a t i o n t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fi pp h o n ef o r e t e l l st h ea p p e a r a n c eo fan e wg e n e r a ti o no fi n f o r m a t i o n n e t w o r ko nt h eh a s i s0 fi p a 1 t h o u g ht h es e r v i c eq u a l i t i e so fi pp h o n ea r en o ts a t js f a c t o r y i pp h o n eb u s i n e s sa sa ni m p o r t a n tp a r to ft e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e nlh a s b e e nh i g h l yv a l u e di nt h ei tc i r c l e m a n yi n t e r n a t i o n a lo r g a a r ee n g a g e din s e t t i n gd o w ns y s t e ms t a n d a r d sf o ri pp h o n e t n o to n l yo nt h ei pp h o n ei t s e l fb u ta l s oo nt h ei pm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n sa n do nt h ea p p l ic a t i o no fv a r i o u sp r o f i t a b l eb b a s e do ni p a g a i n s tt h eb a c k g r o u n d ，t h ep ct op ci pp h o n ei s a n dc e r t a i nk e yt e c h n i q u e so fi pp h o n ea r ed i s c u s s e d n h m a t l o n s 【o c u s t 1 c a s t u s l n e s s e s d e v e l o p e d c h a p t e rl isac o n c i s ed e s c r i p t i o no ft h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n t o ft h isp r o j e c t c h a p t e r2e l a b o r a t e st h ep r o g r e s s ，w o r k i n gp r i n c i p l e s ， c l a s s i f i e a t i o n s p r o t o c o ls t a n d a r d sa n dk e y t e c h n i q u e so fi i p h o n e c h a p t e f3p r e s e n t st h ed e s i g no fp ct op ci pp h o n e t h ef e n tp a r te x p o u n d s t h er e a li z a t i o no fp ct op ci pp h o n e i nc h a p t e r4 ，c a ll p r o c e s s i n g ， s e n d i n ga n df e t e i v i n go fd a t a g r a ma r ed is c u s s e d c h a p t e r5d e s c r i b e st h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 r e c o r d i n ga n dp l a y i n go fa u d i ow h il et h er e c o r d i n ga n dp l a y i n go fv i d e o i sd i s c u s s e di nc h a p t e r6 c h a p t e r7i n t r o d u c e sr e a lt i m ep r o t o c o l ( r t p ) a n dr e a l r i m ec o n t r 0 1p r o t o c o l ，w h i c ha r ep a r t i c u i a r i ya p p r o p r i a t et o m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o d s m o r e o v e r ，t h i sp a p e ri1 l u s t r a t e st h ea c t u a l a p p l i c a t f o no fr t pi nt h ea u d i 0a n dv i d e ot r a n s m is s i o na n dc o n t r 0 1 a s s o c i a t e dw i t ht h e1 pp h o n es y s t e md e v e l o p e db yt h ea u t h o r c h a p t e r8 p r e s e n t se n c o d i n ga n dd e c o d i n go fa u d i o i nt h ec o n e l u s i o n ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ep r o s p e c to fi pp h o n ea n dt h ee x p a n s i b i i t yo ft h iss o f t w a r e n e v e r t h e l e s s ，t h e r es t i l lr e m a i nm a n yc h a l l e n g e sf o ri p p h o n e d e v e l o p e r ss u c ha sv o i c eq u a li t y ，l a t e n c ya n dp a c k e tl o s s ，c a l1c o n t r o l a n ds oo n ，w h ic hn e e do u rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw or d s ：i pp h o n e ：m u l t i m e d i a ：a u d i 0 ：v i d e o ：r e a l t i m ep r o t o c 0 1 西- i 交通大学硬士研究生拳位论文l 页 1 1 概述 第1 章绪论 近年来，随着电信技术的飞速发展和管理条例不断放宽，电信行业发 生了巨大变化。然而电信网络的基础技术和结构却始终没有改变，电信网 络仍然由专用电路交换器构成。实际上，自贝尔建立第一个电话网络以来， 电话并没有获得太大的发展。通信技术综合化、数字化、智能化、个人化 的发展，人们在单一网络平台上实现语音、数据、图像等多种综合业务已经 成为电信网络发展的目标和必然趋势。而i n t e r n e t 中i p 电话的出现，使 语音业务在数据网上高效传送成为可能这种强大、经济、有效且崭新的通 信手段，使得传统的电话网络和数据网络正在逐渐融为一体。i n t e r n e t 是 一个覆盖全球的网络，一改传统的使用专用信道的传输方式，通过同时与 数以百万计节点连接的共享网络结构传送数据包。i n t e r n e t 的发展规模和 速度都是空前的，现在，i n t e r n e t 网络上的计算机有5 0 0 0 万台，上网人 数达到了1 5 亿。在人类历史上涉及普通大众的电子技术装置中，i n t e r n e t 的发展速度是最快的。i n t e r n e t 从商业化达到5 0 0 0 万户仅用了4 年时间 i n t e r n e t 正在以超过摩尔定律的速度发展。随着科技进步，飞鸽传书的时 代成为人类美好而远去的回忆。电话、传真的出现使信息的传递几乎实现 同步。而电脑网络的出现，更揭开了人类信息传递的新篇章。电脑网络提供 了e m a i l ，b b s ( 电子公告板) i c q ( 网络寻呼机) ，i r c ( 网络实时交 谈) ，n e t m e e t i n g ( 网络会议) ，i p 电话等多项交流工具。 i p 电话泛指在以i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 为网络层协议的计算机网络 中进行话音通信的系统，它采用的技术统称为v o i p ( v o i c eo v e ri p ) ，即 i p 上传送语音。从技术上说，i p 网络电话是以i p 为标志的网络分组化和以 多媒体为目标的网络业务综合化两大主流技术融合的结果。 1 2 课题背景 i p 电话技术是i n t e r n e t 的一个重要应用领域，主要是指在i n t e r n e t 中实时传送语音。与传统的电话业务相比，它具有很大的优势和广阔的市场 前景。i p 电话以超出人们想象的速度在全球迅猛发展，开发和应用i p 电话 已成为当前一个热门课题。 现在，i p 电话不仅可以提供p c 到p c 的实时语音通信，而且可以提供 p c 到电话、电话到p c 、电话到电话的实时语音通信并在此基础上可以实 现语音、视频、数据合一的实时多媒体通信。现在p ct op c 的i p 电话软件 比较多，比如：n e t m e e t i n g 、i p h o n e 等而在l i n u x 下的i p 电话软件则基 本没有。l i n u x 与其它u n i x 相比具有价格低的优势而与m i c r o s o f t 公司 的w i n d o w 相比，l i n u x 相对稳定，不会轻易崩溃。 西- i 交叠大拳焉士研究生学位论文2 页 来i p 多媒体多点通信应用ji p 电话的应用领域十分广阔，它还可提供多媒 体功能和呼叫管理功能，如交互式w e b 商务、呼叫中心、协同计算、企业传 真等。最终可提供一体化信息处理，在高速线路上提供多条虚拟线路，并提 供多媒体会议、智能代理( n t e l l i g e n ta g e n t ) 及信息业务等。由于l i n u x 下i p 电话软件的缺乏和l 1 n u x 的高可靠性开放性等优点，所在有在l i n u x 下开发i p 电话软件的打算。而且i p 电话技术包含了许多重要的技术而这 些技术对于i p 电话业务的扩展起着极其重要的作用，所以决定研究i p 电话 基本技术并在l i n u x 操作系统下利用这些基本技术开发p ct op c 的i p 电话 软件。 1 3 开发过程概述 开发程序以前先进行了资料的收集和整理，接着进行了总体设计。把程 序分为几个模块，并开始了l i n u x 下语音的录制和播放的编程。当测试程序 编制完成后，才发觉实验室里的计算机的声卡是集成声卡，而且这种型号的 声卡不被l i n u x 所支持，而且这种计算机没有多余的插槽插入另外的声卡 所以不能在l i n u x 下继续开发。而i p 电话与操作系统有关的部分基本上只 有这部分，其它的技术，比如网络的通信、音频的编码与解码、实时传输协 议等部分都与操作系统无关。所以由于实验条件的限制，只能转到w i n d o w s 下做剩下部分的工作。 接着就开始了w i n d o w s 下i p 电话软件的编制。完成了网络通信模块、 实时传输协议模块和音频标准g 7 2 3 1 ( 编解码算法) 模块的编制后，由于 时间还比较宽裕，所有又完成了视频的采集和播放，使此软件加入了可视的 功能。 西南交叠大学焉士研究生拳位论文簟3 页 2 1 i p 电话发展 第2 章lp 电话技术介绍 近年来，一种新兴的廉价电话服务方式一i p 电话逐渐走入人们的生活。 i p 电话通常被称为i n t e r n e t 电话或网络电话，是指利用i n t e r n e t 作为传 输载体进行话音通信的技术。从广义上说，它可被称为i n t e r n e t 电信，包 括语音、传真和视频传输等多种电信业务。 i p 电话最早出现于1 9 9 5 年初，当时以色列v o c a l t e c 公司开发出打长 途电话的软件产品”i n t e r n e tp h o n e ”，可以通过i n t e r n e t 进行语音通信。 经过五年来的发展，i p 电话已作为一项新型电话业务在全世界开展。i p 电 话最吸引人的地方在于其低廉的费用。而且由于i p 电话采用分组传输与交 换技术，传输与交换的资源利用率至少比传统电话方式高四倍，所用的硬件、 软件成本也有较大幅度的降低，因此i p 电话可降低全社会使用电信业务的 平均成本，有利于提高我国整体信息化的水平，发展前景看好。 2 1 1l p 电话产生的历史条件 随着i n t e r n e t 在全世界的发展，t c p i p 遍及世界的每个角落，成为使 用最普遍的网络协议集，i p 网络逐步成为世界上使用最多的网络。音频和 视频压缩技术、实时数据传输技术和网络技术的成熟使在i p 弼络 ( i n t e r n e t 、i n t r a n e t 、l a n ) 上开展多媒体业务为可能。y o i p f o i p ( v o i c e o v e ri e f a xo v e ri p ) 技术可以在i p 网络上以共享网络带宽的方式提供语 音、传真，从而拉开与传统语音业务竞争的序幕。 驱使i n t e r n e t 语音业务飞速发展的主要因素是价格。由于价格差异很 大，i p 电话的发展速度也就飞速增长。语音业务飞速发展的另一个因素是 技术。以往i p 电话的语音质量低、延迟长、断话频繁等缺点将不复存在。 一方面，由于i t uh 3 2 3 一系列协议的推出，使得i p 电话的规范逐步完善， 各厂商的设备逐步可以互通：另一方面i n t e r n e t 网络的大力兴建及硬件 设备性能的提高为i p 电话的发展提供了保证；另外，语音压缩技术的发展 也为i p 电话的发展铺平了道路。 2 1 2i p 电话的发展现状 自从i p 电话出现至今，已经有了比较大的发展。目前v o i p 的发展正处 于一个多样化的阶段，i p 电话的产品多种多样，有p ct op c 、p h o n et op c 、 p h o n et op h o n e 等。从i p 电话产品的多样性：网络结构组成的复杂性以及 协议的制定和发展趋势来看，仍有许多问题亟待解决。现在国际上关于i p 西膏变置大学焉士研究生学位论文簟4 页 。丽丽两两而丽；蓰砸酾嚣函唾菊函瓦贾甄再两霞f 瓣 话音质量、完善网络管理、解决不同运营商之间的互操作性及向i p 网络上 的多媒体演进。 2 2 i p 电话的应用特点 i p 电话之所以能赢得市场，是因为它有许多独特的应用优势。与传统 电话比较其主要优点有： ( 1 ) 节省带宽 i p 电话的原理与传统电话迥然不同其最大区别在于i p 电话的语音以 分组的形式在数据网中传输，而传统电话采用电路交换技术在公用电话交 换网上传送。传统电话的模拟语音信息是通过双绞线接入程控交换机，进入 公共信息网( 长途电话网) ，传至受话方的交换机，进入对方的电话机，即 采用电路交换的方式直接传输语音。两者采用不同的方式实现相同的功能。 但由于传统电话采用电路交换，消耗的带宽为6 4 k b p s ，而i p 电话只需6 到 8 k b p s ，从而节省了带宽，降低了成本。 ( 2 ) 通话费用低 成本的降低，使通话费用随之下降，尤其是长距离通信。现在已经有一 些i s p 开始提供i p 电话服务并且价格低廉，可以比传统的电话低4 0 7 0 。 ( 3 ) 可以灵活地提供各种增值服务 价格优势是i p 电话进入市场的原始推动力。而增值业务才是i p 电话得 以发展的真正动力。现在i p 电话技术的应用很广泛，特别是与电话网、多 媒体技术的结合，扩展出了许多业务。例如：点击拨号( c l i c kt od a i l ) ： 当用户在因特网上浏览时，如果对某一个i p 电话热点感兴趣，只要点击一 下屏幕上该电话热点的图标，就能通过电话网关，将i p 地址转变为电话网 的电话号码，送入电话网，与该公司的电话接通。音视频会议( a u d i o v i d e o c o n f e r e n c e ) ：i p 电话网关提供了与传统电话网的接口。通过i p 网和传统电 话网的相互结合，可以方便地提供p h o n et op h o n e 、p ct op h o n e 、p ct op c 的视频电话会议。i p 电话技术的应用十分灵活，使用此技术可以很容易地 开拓出许多商业应用价值的新业务。 ( 4 ) 有利于运营商开拓新的市场 随着i n t e r n e t 的大力发展，许多i n t e r n e t 服务提供商应运而生，但是 大多数i s p 只提供i n t e r n e t 接入，并未提供实质性的业务，因此多处于亏 损状态。i p 电话推出后，i s p 可以根方便地把i p 电话业务与接入服务结合 起来，增加运营收入。 目前，i p 电话正处于发展时期，仍有一些问题有待完善，具体表现在 以下几个方面： ( 1 ) 话音质量得不到保证 西南变置大学磺士研究生学位论文簟5 页 由于现在的1p 网络从本质上来讲是一个无连接的、没有q0s 保证的 网络，在网络拥塞时，延迟过大，话音不清楚。 ( 2 ) 通性较差 由于目前关于ipph0ne 的国际标准还不完善，不同厂家的产品 不能互通。 ( 3 ) 网络容量小 目前提供ip 电话的网关大部分是以30 话路，即一条e1 为单位， 通过叠加也很少超过1000 线。相信随着支持q0s 的1pv6 、帧中继、 a t m 网络的普及以及国际标准的制定，这一问题会逐步得到解决。 i p 电话与现有电话的具体比较见表2 一l ： 表2 - 1i p 电话与现有电话的比较 项目i p 电话现有电话 p s t n ( 公共电话 承载网络i p 网 交换网) 交换方式分组交换电路交换 每个呼叫所1 0 k b i t s 以 6 4 k b i t s 带宽 需带宽 下 网络利用率 高低 语音质量低高 费用低高 提供的功能多少 2 3 有关i p 电话技术的协议和标准 2 3 1l p 电话技术的相关标准组织 目前，参与i p 电话技术标准开发和推广的组织超过2 0 家，其中最具影 响力的有四家：国际电信联盟标准化部门( i t u t ) 、欧洲电信标准协会 ( e t s i ) 、i n t e r n e t 工程任务组( i e t f ) 和多媒体远程会议集团( i h t c ) 。 ( 1 ) l t u - ts g l 6 国际电信联盟i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 是联合 国的一个分支机构。s g l 6 研究组主要从事多媒体终端和安全问题的研究， 最主要的工作就是制定h 3 2 3 系列建议。 ( 2 )i e t f i n t e r n e t 工程任务委员会i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 制订新的信令协议，包括会话初始协议( s i p ) i n t e r n e t 和p s t n 的网络互 通。i e t f 与1 刊_ t 相比较而言反应速度快、组织豹开放性好。 ( 3 ) i m t o 西- i 交叠大学焉士研究生学位论文一6 页 t e l e c o n f e r e n c i n gc o n s o r t i u m ) 是由来自世界各她的1 5 0 多个公司组成的 一个非赢利性社团。其宗旨是建立开放的国际标准，推动交互式多媒体远程 会议的解决方案的发展和实行。i m t c 的v o i p 论坛( v o i c eo v e ri pf o r u m ) 不定期地进行一些活动来制订标准，促进i p 电话业务。 ( 4 ) e t s it i p h o n 工程组 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 s i n s t i t u t e ) 是一个非赢利性组织，主要任务是确定和产生可以用于未来几 十年的电信标准。e t s it i p h o n e 工程组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参数及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问题。t i p h o n 工程组希望向各类网络运营者都 提供面向业务的解决方案，其工作主要基于h 3 2 3 系列建议和现有的电路交 换网标准。 2 3 2ip 电话相关协议标准 由于i n t e r n e t 的飞速发展，以及分组话音业务的巨大前景，在各厂商 的积极推动下，上述组织积极推进了i p 电话的标准化进程。标准是任何一 项新技术与新业务的广泛推广与使用的重要基础。i p 电话的标准亟待制订 与完善。国际电信联盟已经在制定i p 电话的相应标准，包括压缩、解压缩 等标准并且在分批、分步地公布。i p 电话是一个世界领域的电信革命， 如果没有相应的国际标准来约束，互连、互通目标将成为空谈。根据目前制 定的协议情况和各标准组织的工作重点，与i p 电话相关的协议主要可分为 两大类：h 3 2 3 协议和s i p 协议。 ( 1 ) h 3 2 3 协议 为了使不同厂商的i n t e r n e t 电话之问有良好的互连性，i t u t 于 1 9 9 6 年1 1 月通过了h 3 2 3 标准。l9 9 8 年1 月批准的第二个版本消除了第 一个版本的某些缺陷。新版本包括了一些安全增强型特点、更快的呼叫建 立以及像呼叫转接和电话会议这样的先进服务。但它还没有在商业产品上被 广泛实施。h 323 标准主要定义了终端、网关、网关管理器及多点控制 单元( m c u ) 等建议，与i p 电话业务有关的协议主要有系统控制、分组与同 步、音频编解码器等标准，该标准还定义了i n t e r n e t 电话系统的基本构成 和各个部分的功能描述。现在越来越多的厂商已支持或即将支持h 323 标准。 h 3 2 3 是i t u 的多媒体通信协议系列h 3 2 x 中的一个标准，它是一个 总标准它提供基于分组交换网络的话音、视频、数据和控制等协议。支持 点对点通信或多点通信协议。其协议组包括以下子协议：图像编码 ( h 2 6 1 ，h 2 6 3 ) 。话音编码( g 7 1 1 g 7 2 2 g 7 2 3 1 ，g 7 2 8 ，g 7 2 9 ) ， 数据通信( t 120 ) ，呼叫控制( h 2 2 5 ，包括信令、注册、媒体同步、分 西南交通大学硕士研究生学位论文筹7 页 组打包等) ，系统控制( h 2 4 5 ，包括打开或关闭一个呼叫、功能协商等) 实时传送协议( r t p ，r t c p ) 。h 3 2 3 协议经过多年发展，功能不断增强受 到广大厂商的支持。 ( 2 ) s i p 协议( 会话起始协议) s i p 是由i e t f 推出的会话初始化协议，是一种基于文本的协议，采用 s i p 规则资源定位语言描述。它只提供了用于i p 电话的呼叫的建立与控制 功能，与h 3 2 3 建议相比，具有简单、灵活的特点并且易于实现。s i p 协议 目前还处于i e t f 的标准化阶段，支持的厂家很少。 2 4ip 电话分类 i p 电话按实现方式大致可分为以下三类： ( 1 ) p c 到p c 结构 它是i n t e r n e t 电话最早的形式。p c 用户为通信终端以i n t e r n e t 为 传输网络。这种结构中对语音信号的取样、压缩、封装打包都由发端的p c 机完成。在接收端，p c 机上通过声卡把收到的信号播放出来，用户发话则 要指明接收端p c 机的i p 地址。 ( 2 ) 嗣关结构( 网关到网关或电话到电话) 使用常规电话作为终端用户在i n t e r n e t 上发送和接收电话，电话用户 就要在p s t n ( 公众电话交换网) 中呼叫一个i n t e r n e t 电话网关，将从 p s t n 传来的语音信号转变成可以适台在i n t e r n e t 上传输的数据包，并为 语音包选择适当的路由。这种方式首先要识别主叫者( 发送者) 的身份检 查权限和计费等信息，然后请求输入被叫( 接收者) 的电话号码。发送端的 网关去查询并引入h 323 协议，找到接收端i p 地址对应的网关。接收 端的嚼关连接p s t n ，将呼叫送到被叫用户。在两个网关之间以i p 包的形式 传送语音。在发送端网关中进行压缩、编码和打包等处理，而在接收端网关 中进行译码、拆装。发送端的p s t n 则在语音进入网关前将语音信号数字化。 网关可用d s p ( 数字信号处理器) 和专用集成芯片设计完成，它可以同时处 理许多呼叫。这种形式的i p 电话联接结构见图2 一l 。 图2 - 1网关结构的i p 电话基本结构 西i 交叠大掌覃士研究生掌位论文簟8 页 图2 - 1 中网关完成电路交换和分组交换之间的协议转换，用户的话音经 过p s t n 传送到网关，网关对它进行压缩、分组和一些保证质量的处理，将 i p 话音分组发送到i p 网上传送，到达对方所在地的网关后，对话音分组进 行相反的处理，形成话音信号后经过p s t n 传输到对方的电话机。其主要功 能包括： 传输格式的转换( 如h 2 2 5 0 到h 2 2 1 ) 通信过程的转换( 如h 2 4 5 到h 2 4 2 ) 音频格式的转换( 例如从p c m 到g 7 2 3 1 ) 呼叫建立和拆除 为电话用户提供交互式语音应答i v r ( i n t e r a c t i v ev o i c e r e s p o n d i n g ) 与g k 、计费系统配合完成计费 如果要建立异种网络间的通话( 如p s t n 到i n t e r n e t ) ，网关是必需的， 否则网关可以省略。 关守是网关的管理者控制网关完成呼叫接续过程。关守是i p 电话通 信系统中的重要组件，可以为i p 网络的管理者提供强有力的维护和监控功 能。关守可与多点控制单元( m c u ) 、网关( g a t e w a y ) 和网络管理工作站共 存于一个单元。关守完成用户信息和网关信息的收集和管理、网关路由策略 的构造与实施、网关状态管理等内容的域管理；与认证中心配合进行用户认 证和授权控制；在总体上进行服务质量的管理。主要功能包括： 地址映射：为了加快呼叫建立时间，网关上可具备地址转换缓存功 能 呼叫认证和管理 呼叫记录 区域管理 带宽控制和管理 数据库管理：关守提供的一大功能就是数据库管理。i p 电话系统的 数据来源有：系统初始化信息、网络结构信息、网关配置信息、网 络连接信息、用户详细信息以及呼叫记录信息等。在具有多关守的 系统中，数据库管理要提供在各个关守服务器之间的复制和备份功 能，以保证在出现系统故障的意外情况下，不发生数据丢失的现象， 并且，各服务器的数据要保持同步更新。 多点控制单元的功能是实现多点通信。使得i n t e r n e t 能够支持诸如网 络会议这样的一些多点应用。h 3 2 3 多媒体会议可以有点一点和多点两种模 式。当有3 个以上的终端设备参加会议时即为多点模式，这时需要有一个 多点控制设备对数据流进行处理，包括音频的混音、视频豹交换等。 网络管理工作站是为网络管理人员提供的管理工具，可以实现对i p 电 话网络体系中各种组件的管理工作。网管服务器提供良好的用户界面，使网 管人员可以方便地控制所有的系统组件包括网关、关守等。网管服务器的 功能包括： 西南交墨大学焉士研究生学位论文簟9 页 设备的控制及配置：网络管理工作站可以远程启动或者关闭网关、关 守等i p 电话网组件并改变它们的操作方式。 拨号方案管理及负载的均衡 数据配给：系统管理员利用一个集中式的数据配给接口可以将新用 户加入数据库、定义新的用户服务组、将用户服务组分配给不同的 用户、查找用户记录、按照一种选定的规则将用户进行分类等。 远程监控：可以利用事件日志和统计数据监控网关和关守的工作状 态。 鉴权及安全：口令控制和鉴权保证了被授权的用户才能进入系统。 ( 3 ) 混合结构( 网关到p c p c 到网关或电话到p c p c 到电话) 由网关一方的电话用户可以向p c 用户发出呼叫，或由p c 用户发出呼 叫，电话用户接收，但这种情况必须在i p 地址和电话号码之间有映像或 翻译服务功能。在上述结构路径中。p c 到p c 、网关到网关、p c 到网关和网 关到p c ，需要进行通信的两端必须使用相同的语音编码方案。 2 5i p 电话开发中涉及的关键技术 由于传统互联网i p 业务对所有报文统一排队，对特殊数据不具备有限 传输能力，因而对这种实时性要求很高的话音业务难以提供良好的通话质 量保证。为此，人们一直在积极探索各种技术以改善v o i p 的通话质量。欧 洲电信标准委员会( e t s i ) 提出了关于i p 电话q o s 的分级要求，如表2 2 所示。表中，m o s 为话音质量的主观评测分，最高分为5 分。i p 电话是一个 复杂的系统工程，涉及到的技术也很繁杂，其中以下几种技术的发展最为关 键，下面结合i p 电话的原理分别介绍。其中时延是主要的，时延过大会使 听话者有不连续的感觉，而时延抖动是次要的，听话的人对此感觉不是很灵 敏。 表2 - 2i p 电话q o s 分级要求 q o s 等级最佳高中等尽力而 为 m o s 质量 4 0 ,-503 8 - 4 ，2 2 9 - 3 ：82 0 - 2 9 话音传输全程时延 o - 1 5 01 5 0 - 2 5 02 5 0 4 5 04 5 0 以 ( m s ) 呼叫建立时间( s ) 0 - il 一33 - 55 以上 2 5 1 语音压缩技术 i p 电话的基础是语音压缩技术。这是因为i n t e r n e t 不能对传输带宽提 供保证，必须采用低速率的语音压缩算法来处理语音。话音压缩算法需要考 虑三个方面的问题：编码比特率、话音质量和算法复杂度一般说来这些指 标是有矛盾的。压缩的比特率越低，占用的带宽越少，但还原后的语音质量 西膏交簟大学琢士研究生学位论文筻1o 页 则越差；在同样比特率情况下，算法设计越复杂，话音质量会有所提高，但 处理时延将增加。因此，制订一个编码标准，首先必须确定其应用环境，据 此给出其性能要求，然后才能设计出编码方案和算法，实际上就是在上述指 标中取得某种折衷。 2 5 2 语音抖动处理 i p 网络的一个特征就是网络延时和抖动，为了防止网络抖动造成失真， 就要在接收端设置缓冲区，对缓冲区中的语音包进行处理，使得这些包经过 处理后得到的波形和发送端一样。具体做法是语音包到达时首先进入缓冲区 暂存，系统以稳定平滑的速率将语音包从缓冲区取出、解压并播放。而且缓 冲队列的设计是要考虑的重要因素。过低的缓冲区将导致溢出和数据丢失， 从而影响语音质量；过高的缓冲区将增加语音的延时。在实现时要考虑当时 网络传输的情况，对缓冲队列进行动态的调整，以取得最优的性能。 2 5 3 静音压缩技术 静音检测又称话音活动性检测( v a d v o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ) ，它 是一种静音压缩技术。在电话通信中，通常两个人进行会话是半双工的，一 方讲话时一方在听，并且讲话过程中有大量明显的停顿。平均说来一方说 话的时间和听对方说话的时间大体上各占一半，即使在说话时也还有停顿间 隙，因此任一方对线路的占用率，也就是话音活动度大约只有4 0 左右。在 电路交换中即使通话者不说话，也要占用6 4 k b p s 的信道；在分组交换中， 利用静音压缩技术可以检测出双方通话过程中的空闲时段，并在该时段不 发送i p 数据包或只发送较短的数据包，将部分带宽收回可以提高带宽利 用率。这一技术的关键就是如何检测不发声状态，即v a d 。检测的基本原理 是判断话音信号能量，当低于一定门限值就认为是静音状态。 2 5 4 回波消除 影响语音在i p 上传输的回波有以下两种：一种是通常的远端回波，是 由远端交换局内的四线二线混合转换电路产生的，这种回声在电话网中 还可以容忍，因为其往返时延小于5 0 ms ，而在ip 网络中的往返时延一 般大予5 0 ms 。因此应使用回声消除技术。【tu g 165 标准定义了 回声消除的性能要求，it u g iec 中定义了更加严格的性能需求。消 除办法是在长途输出中继线上四线侧消除回波。如果混合转换是在网关中实 现的，则必须在网关中消除回波这种回波在p c 到p c 结构的i p 电话中不 存在。另一种回波产生在p ct op c 的i p 电话中。由于使用了话筒和音箱， 远端用户的声音由扬声器发出，又由话筒抬取，对远端用户来说就产生了 2 6 小结 支 i p 电 讨 鹏瞅蛐纳黼赚洲慨郸市躺利 ，的孰瓤i舌!=：!一玑 一一一 介席“ 一一一 利管掣，蝌络剧现卧网吼实 多、电句 一一一一 肪组影一：耋一蝴 一一一一 冲术时誊 西- i 交通大学爵士研究生学位论文，12 页 第3 章p ct op c 结构ip 电话的设计 由于条件的限制，笔者只能实现p c 到p c 结构的i p 电话。在开始做论 文时准备在l i n u x 平台下实现i p 电话，但由于l i n u x 对实验室计算机的声 卡不支持。并且这些声卡都是集成声卡，没有办法替换，有些试验没办法做， 所以只在l i f l u x 平台上实现了语音的采集、播放和传输的测试。在w i n d o w s 平台上真正实现了i p 电话，包括音视频的采集、播放和传输，音频标准 g 7 2 3 1 的编解码，实时传输协议r t p 及实时传输控制协议r t c p 的实现。 本章介绍笔者的p c 到p c 结构i p 电话的设计。 3 1p c 到p c 结构ip 电话的通信过程 i p 电话的通信方式有两种。第一种方式是发起语音通信的一方知道被 呼叫方的i p 地址，则直接通过i p 地址与被呼叫方通信。第二种方式是发起 语音通信的一方不知道被呼叫方的i p 地址，首先与服务器进行连接，通过 服务器知道对方的i p 地址，然后再与被呼叫方进行通信。 在i n t e r n e t 上实现语音通信时呼叫方首先向被呼叫方发起呼叫连接 请求，被呼叫方接受连接请求后，双方就可以进行语音通信了。建立连接后， 发送端通过语音输入设备( 如麦克风、摄像头等) 将音频、视频信号传送到 计算机内，经计算机处理形成i p 包，然后发送到i n t e r n e t 上接收方收到 i p 数据包后经处理还原成音频和视频信息，然后语音信号由语音输出设备 ( 如音箱) 发出，视频信号在屏幕上显示出来。 笔者的i p 电话结构见图3 - 1 ： 图3 - 1p ct op c 结构的i p 电话连接示意图 西- i 交叠大学硕士研究生学位论文第l3 页 3 2 协议分层结构和实时性 i p 电话要求实时传送语音数据。通常使用r t p 协议来实现此功能。r t p 是一个面向应用的协议，提供端到端的实时媒体传输服务。这些服务包括负 荷类型标识、顺序编号、时间戳和传输监控等。实际上r t p 本身并不具有 独立传输数据的能力，它必须和低层的网络协议结合起来才能完成数据传输 服务。在i p 电话中通常要和u d p 协议一起使用。r t p 协议包括实时传输 协议( r t p ) 和实时传输控制协议( r t c p ) 两个组成部分。在i p 电话中r t p 在u d p 上层提供同步和排序服务，传送语音数据。r t c p 用于管理质量控制 信息，例如监视延时和带宽。 i p 电话的处理流程为首先采集语音和视频数据，然后压缩、加密( 可 选) ，再用r t p 协议封装然后装入u d p 包，经由网络传到接收端，接收端 进行与发送端相反的处理并播放。i p 电话的协议分层结构如表3 一l 所示： 表3 - 1i p 电话的协议分层结构 音视频数据终端控制和管 理 音视频编解码( 音 r t c p 频标准g s m 、g 7 1 1 、 g 7 2 3 、g 7 2 9 ，视频标 准h 2 6 3 、h 2 6 1 等) 加密( d e s 等) r t p u d p 网络层( i p ) 数据链路层 物理层 3 3 影响lp 电话服务质量的因素 影响i n t e r n e t 电话服务质量的因素主要是： ( 1 ) 时延。指从说话人开始说话到受话人听到话音的时间一般人们能 忍受的时延小于2 5 0m s ，太长的时延会使通话双方都不舒服。此外时延还 会造成回波。时延越长，消除回波所用的时间也越长。i p 电话的时延通常 由编解码时延、数据包传送时延和缓存时延组成。传送时延由i n t e r n e t 的路由情况决定，如果在低速信道或信道太拥挤，则会导致长时延或丢失 数据包的情况。 时延由以下几部