（计算机应用技术专业论文）ip电话终端系统的研究与设计.pdf

成都理工大学硕士学位论文 摘要 i p 是国际互联网协议( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的简称，i p 电话是指传输在i p 协议规定的网络上的电话业务，它是利用i p 网络为语音传输的媒介，从而实现 语音通信的一种全新的通信技术。它是建立在i n t e r n e t 基础上的新型数字化传 输技术，是i p 网上通过t c p i p 协议实现的一种电话应用。这种应用包括p c p c 、 p c p h o n e 和p h o n e p h o n e ，其业务主要有i n t e r n e t 或i n t r a n e t 上的语音业务、 传真业务( 实时和存储转发) 、w e b 上实现的i v r ( 交互式语音应答) 业务等，另外 还包括e m a i l 、视频会议、实时传真等多种通信业务。 本文从分组通信技术和语音信号处理技术、i p 电话的基本组成结构和工作 原理详述了i p 电话的技术基础，然后对u d p i p 协议中的a r p 协议、i p 协议、 i c m p 协议和u d p 协议做了详细的阐述。 结合以上的技术基础，本文设计并实现了一个基于菲利普l p c 2 1 3 8 芯片的 i p 电话终端。本文就终端的硬件设计和软件设计作了详细论述，特别是软件部 分的设计。在软件部分的论述中，详细就电话机控制模块、语音通信协议模块、 语音采集播放模块、以太网处理模块、f l a s h 固化模块、主控模块和精简的 u d p i p 协议模块等的设计与实现作了深入的论述。 本文在最后对该i p 电话终端作了测试以保证系统的正确性。 关键词：i p 电话终端u d p i p 协议l p c 2 1 3 8r t l 8 0 1 9 a s 盛墅望三奎堂堕主堂堡笙苎 一一 a b s t r a c t i pi st h eb r i e fn a m eo fi n t e m e tp r o t o c 0 1 i pp h o n ei st h et e l e p h o n eb u s i n e s st h a t i sd e l i v e r e d0 nt h en e t w o r kt h a ti sd e f i n e db yi pp r o t o c 0 1 i tm a k e su s eo fi pn e t w o r k f o rt h em e d i u mo fs p e e c hd e l i v e r yt or e a l i z ean e wc o m m u n i c a i o nt e c h n o l o g yf o r s p e e c hc o m m u n i c a t i o n i ti st h ean e wd i g i t a ld e l i v e r yt e c h n o l o g yo ni n e m e t i ti sa k i n do ft e l e p h o n ea p p l i c a t i o nt h a tu s e st h et c p i pp r o t o c o lo nt h ei pn e t w o r k t h i s k i n do fa p p l i c a t i o ni n c l u d e so ft h ep c p c t h ep c - p h o n ea n dt h ep h o n e p h o n e ，w h i c h h a sb u s i n e s s e sa b o u ts p e e c hb u s i n e s so ni n t e m e to ri n t r a n e t ，f a xb u s i n e s s ( r e a lt i m e a n ds t o r a g e t r a n s m i o ，i v ro nt h ew e b ( i n t e r a c t i v es p e e c hr e s p o n s e ) ，e t c m o r e o v e r , t h e a p p l i c a t i o ns t i l li n c l u d e se m a i l ，t h ev i d e om e e t i n g ，r e a it i m ef a x ，e t c f i r s t l y , t h et h e s i s i n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yf o u n d a t i o no ft h ei pp h o n ef r o m p a c k e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , s p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h eb a s i c c o n s t r u c t i o no fa n dt h ep r i n c i p l eo fi p p h o n e s e c o n d l y , t h e a r pp r o t o c o l ，i p p r o t o c o l ，i c m pp r o t o c o la n du d pp r o t o c o lo fu d p i pp r o t o c o l s ，a b o u tt h ew h o l ec o r e t e c h n o l o g i e so f l pp h o n et e r m i n a l ，a r ed o n ee x t e n s i v eb u ti n - d e p t ha n a l y s i s o nt h eb a s i so ft h ea b o v et e c h n o l o g yf o u n d a t i o n ，ai pp h o n et e r m i n a l ，o n p h i l i p h sl p c 2 1 3 8 ，i sd e s i g n e di nt h et h e s i s t h ed e s i g no f h a r d w a r ep a r ta n ds o f t w a r e p a r t ，e s p e c i a l l ya b o u tt h es o f t ：w a r ep a r t ，a r ed e t a l l e d l yd i s c u s s e d i nt h ed i c u s s i o na b o u t t h es o f t w a r ep a r t ，t h ed e s i g no ft h ep h o n ec o n t r o lm o d u l e ，t h es p e e c hc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，t h es p e e c hc o l l e c t i n g p l a y i n gm o d u l e ，t h ee t h e r n e tp r o c e s s i n gm o d u l e ，t h e f l a s hs o l i d f y i n gm o d u l e ，t h em a i nc o n t r o lm o d u l ea n dt h et i n yu d p f l pp r o t o c o l s m o d u l ea r ei n d e p t h l ym a d ed i s c u s s i o n s f i n a l l y , t h ei pp h o n et e r m i n a li sm a d ec o r r e l a t i v et e s t s f o rg u a r a n t e e i n gt h e a c c u r a c yo f t h es y s t e m k e y w o r d s ：i pp h o n et e r m i n a lu d p i pp r o t o c o l sl p c 2 1 3 8 r t l 8 0 1 9 a s 第l 章前言 1 1 研究背景 第1 章前言 早期的因特网主要是用于电子邮件、电子布告、远程登录和数据通信，但是 随着计算网络技术的飞速发展和多媒体技术应用的日益深入和普及，基于因特网 的多媒体通信已经成为当前因特网发展的趋势之一。随着因特网的多媒体通信技 术的发展，已经或将会产生许多类型的因特网多媒体通信业务，如：多媒体会议 型业务( 删c o n f e r e n c es e r v i c e ) 、多媒体会话型业务( m mc o n v e r s a t i o n s e r v i c e ) 、多媒体分配型业务( m md i s t r i b u t i o ns e r v i c e ) 、多媒体检索型业务 ( m mr e t r i e v a ls e r v i c e ) 、多媒体消息型业务( 埘m e s s a g es e r v i c e ) 和多媒 体采集型业务( m mc o l l e c t i o ns e r v i c e ) 。实现上述业务的核心技术是采用因特 网进行声、文、图等多媒体信息的传输技术，其中最关键的是音频和视频信号的 实时传输。 虽然目前受因特网带宽等因素限制，基于因特网的实时视频信号的传输的应 用还不是很普遍，但是在因特网上进行音频、特别是语音信号的实时传输已经相 当普遍，技术也相当成熟，其中最典型的应用就是i p 电话。 i p 电话是因特网多媒体通信的一个典型业务，成为当前计算机网络技术和 通信技术研究的热点，因此它也是因特网增长最快的业务。据国际数据公司统计， 因特网电话的市场业务量以从1 9 9 5 年的3 5 0 万元上升到1 9 9 9 年的5 6 0 0 0 万元， 2 0 0 0 年营业额为3 0 亿元，并且全球有1 5 的用户是用i p 电话，预计在2 0 0 5 年， 使用i p 电话的用户数将回增至3 4 。五年的增长率为1 4 9 ，而传统电话的增 长率为1 5 。人们之所以对i p 电话抱有如此大的兴趣和保持如此乐观的态度， 有三个主要原因： 1 i p 电话在很大程度上减少了长途( 国际、国内) 电话费用。 2 i p 电话的使用标志着一种全新的功能更强的通信方式的产生，从而可以 打破电话的垄断市场。与传统的传输媒体相比较，i p 电话不仅具有传统媒体所 具有的一切表现形式和特点，而且传播信息容量大、不受时空限制，形成以传输 信息为中心的跨国界、跨文化、跨语言的全新的传媒方式。因此，i p 电话作为 现有电话的竞争对手在将来的发展中会形成很大的市场。 3 符合未来“三网融一”( 电话网、有线电视网、数据网) 的发展方向。许 多网络专家都指出，网络的发展趋势是“i p 一统天下”，“e v e r yt h i n go v e ri p ” 是网络发展的目标。据报道，全球电信业巨头a t & t 的首席执行官m i c h a e l 成都理工大学硕士学位论文 a m s t r o n g 最近说“我们要在全球把电话变成最普通的i p 设备”，这或多或少地 代表了对今后网络发展的一种观点。 1 2 项目来源及应用价值 本项目来源于：四川木马科技有限公司为四川师范大学远程教育中心开发的 i p 电话系统中的一个子项目：基于a r m 7 的i p 电话终端的开发。 由于四川师范大学远程教育中心所有的电话联系都是使用中国电信的电话 网络，和各级机构之间没有建立其它电话支撑系统。随着远程教育中心业务的发 展，对外联系、网上答疑将会越来越多，面临通讯费用太高的问题，高额的话费 迫切希望能够通过远程教育中心现有的网络覆盖条件加上一定的技术手段解决。 而i p 电话技术的日趋成熟可以解决这一问题。通过对远程教育中心和各学校之 间现有的网络增设一个基于软件交换的服务器，提供i p 电话机，便能通过互联 网实现普通电话的功能，节省大量通信费用，同时可在此平台上提供一系列的增 值业务，为远程教育中心创收，是一件一举两得的好项目。 1 3 论文的研究内容 本文主要对i p 电话终端的软硬件的系统构成作了总体上的阐述和讨论，在 系统的实现部分重点偏向于软件部分实现的讨论，其中以电话机控制模块、语音 通信协议模块、语音采集播放模块、以太网处理模块、f l a s h 固化模块、主控 模块和精简的u d p i p 协议模块作为重点讨论。 具体来讲，本文的研究内容如下： 1 本文比较全面地讨论了i p 电话的技术基础，i p 电话的基本组成结构和工 作原理等相关方面的内容。 2 重点介绍了精简的u d p i p 协议，其中包括：a r p 协议、i c m p 协议、i p 协 议和u d p 协议。 3 基于上述理论知识，在本文中详细论述了本人所参与的i p 电话终端的总 体设计以及模块之间的相关工作流程。 4 基于上述对于项目的总体设计的介绍，本文对i p 电话终端的软件部分的 相关模块( 电话机控制模块、语音通信协议模块、语音采集播放模块、以太网 处理模块、f l a s h 固化模块、主控模块和精简的u d p i p 协议模) 的实现作了详 细论述。 5 为了使i p 电话终端能够更有效地工作，对该终端作了相应的测试工作。 6 最后对该项目作了总结，同时对该项目中存在的不足提出了改进和展望。 第2 章i p 电话技术 第2 章 fp 电话技术 2 1ip 电话的技术基础 21 1 分组通信技术 p s t n 的基础是时分电路交换技术，主要由时分程控交换机和p c m 数字链路 组成。通常也将基于电路交换技术的通信网称为电路交换网( s c n ) 。当用户拨打 电话时，p s t n 为通信双方建立了一条全双工的6 4 k b p s 通路。在通话的全部时间 内，用户始终占用端到端的固定传输带宽。正因为如此，p s t n 能够保证用户低 时延、低失真的通话质量。其缺点是网络带宽利用率不高。虽然技术上可把话音 速率降低到远远低于6 4 k b p s ，但由于传输系统没有改变，所以仍需占用一条 6 4 k b p s 的传输信道。传统电路交换网所采用的同步时分复用方式的传输效率已 越来越不适应当前和未来激增的非对称多变业务的要求。 然而这些限制，可通过i n t e r n e t 和采用非对称传输模式的分组网络得以解 决。分组交换与电路交换的最大不同之处是网络资源的统计复用，从而极大地提 高了网络带宽利用率。9 0 年代以来，以t c p i p 为核心协议的i n t e r n e t 在全球 范围内迅速发展。i n t e r n e t 是通过分组交换来实现的。长期以来，i n t e r n e t 主 要应用于数据通信领域，但近些年来，各国大力投资扩建i p 网络，i n t e r n e t 接 入网的带宽和骨干网的路由能力持续增长，有效地提高了i n t e r n e t 的传送质量。 i n t e r n e t 也从提供单纯的数据业务进入到提供包括声音和图像在内的多媒体通 信领域。自然，利用i n t e r n e t 传输话音成为了分组多媒体通信的第一步。 2 1 2 语音信号处理技术 语音处理技术的发展使得实时语音能在i p 网上得以传输。对于i p 电话主要 需解决两个问题：首先是在保证一定话音质量的前提下尽可能降低话音编码率， 从而提高网络利用率并减少分组丢失等传输差错，包括话音压缩技术和静噪抑制 技术；第二是保证一定的通话质量，主要涉及回波抵消、分组丢失补偿和抖动处 理等技术。 1 语音压缩技术 话音压缩技术是i p 电话的基础。目前在i p 电话中采用较多的为g 7 2 9 a 、 g 7 2 3 1 和g s m 这三种编码方案。 g 7 2 9 a 编码算法是一种“共轭结构代数码激励线性预测”的算法来对语音 成都理工大学硕士学位论文 信号进行编码，处理语音的单位是帧，1 帧为l o m s 语音，包括8 0 个声音样本( 采 样频率为8 0 0 0 h z ) 。编码器对每一帧语音信号进行分析，抽取出其中的c e l p 模 型的参数( 线性预测滤波器参数，自适应和固定码本索引和增益) ，并对这些参 数进行编码。所有参数最后封装为8 0 位的压缩数据帧，形成8 k b i t s 的编码速 率。 g 7 2 3 1 编码算法是以8 k h z 的1 6 位线性p c m 码为输入信号，每3 0 毫秒处 理一帧数据，每帧包含2 4 0 个样本点。定义了两种编码速率，分别为6 3 k b i t s 和5 3 k b i t s 。对于高速率6 3 k b i t s ，采用多脉冲最大似然量化激励( m p _ m l q ) ； 对于低速率5 3 k b i t s ，采用代数码本激励( a c e l p ) 。该编码算法因编码速率较 低，语音质量又较好，目前在语音传输中使用的特别普遍。 g s m 编码技术是采用r p e l t p l p c 算法，即长时线性预测规则脉冲激励算法， 它是m p e l p c 的改进算法。除了长时预测器以外，每个激励脉冲位置都有确定的 规则。r p e l t p l p c 的编码速率为1 3 k b i t s ，并被确定为用于数字移动电话的标 准。g s m 的全速率为2 2 8 k b i t s ，其中，一个附加9 8 k b i t s 的信道用于防止通 道编码位出错。 如果能使用更高的编码方案传送语音，那么语音所占的带宽将大幅度下降， 分组出现差错的几率也会大大降低，这对提高网络使用率，提高通话质量将是一 大飞跃。但是也应注意到，编码率提高会使差错的恢复变得困难，而且要想较高 地通过压缩提高网络利用率，从而降低费用，是要以牺牲时延为代价的。 2 语音活动检测技术 语音活动检测( v o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ，v a d ) 是数字信号处理器应用 的一个技术，它通过自动检测会话中的禁音时间段，并在这些时间段暂停数据流 的产生，来减少发送的语音数据量。由于语音通信是双工方式，因此大多数的对 话有大约5 0 6 0 的时间是无声的，这是由于在一方说话时，另一方通常在 安静地听着。使用v a d 技术，可以将由安静的一方的语音数据使用的宽带节省下 来，分配给其他数据流类型，如数据。v a d 通过监视语音信号的功率和功率的变 化，以及到达的语音信号的频率和该频率的变化情况来判断什么时间是禁音。v a d 的技术难点是如何正确标识讲话何时停止，又何时重新开始，因此，使用v a d 技术由于禁音判断的失误常会产生所谓的“切尾”现象。改进的措施是在检测到 讲话已经停止后，在离开分组处理后前，v a d 大约等待2 0 0 毫秒。这个暂停帮助 防止v a d 切去讲话的尾部部分，或者是讲话模式中的小停顿。 3 回声抵消技术 回声是语音网络中的电气反射引起的，这些反射通常是4 一线交换机连接和 2 一线本地环路之间的阻抗差异引起的。少量的回声总是存在的，但对于延迟小 d 第2 章i p 电话技术 于1 6 m s 的回声，称为回响，对于讲话的人通过话筒听到他的回响传回来，实际 上是很舒服的。但是，延时超过2 5 毫秒的回声对说话的人就有影响了。因为回 声通常是在线路的远端引起的，网络延时超过了2 5 毫秒就要求解决这个回声。 p s t n 以两种方式处理回声。一种方法是降低信号的功率，从而使回声的音量最 小；另一种方法是使用回声消除器。回声消除器放置在c o 交换机和连接到本地 环路的4 一线到2 一线转换器之间。在分组网络中，他们常常集成到用于分组a r m 处理器中。回声消除器通过把回声信号与它的反信号合并到达消除回声的目的。 因为回声消除器在信号源和它的反射点之间，它的工作就是记住流经它的语音模 式，等待它们作为回声返回，然后对返回的回声应用原始语音模式的反信号。分 组网络中的a r m 处理器现在提供集成化的回声取消。为了实现这个功能，a r m 处 理器保留内存空间记录处理的信号，并在等待返回回声过程中保存它们。a 蹦处 理器等待返回回声的延迟时间受处理器上内存分配的大小限制。 4 延时处理技术 延时是直接影响到电话的语音质量的主要因素。过长的延时会导致讲话人的 声音产生重叠和回声。更长延时甚至会使讲话者的交谈无法进行，因为延长了对 话应答之间的时间，难以保持对话同步。这就产生了与数据网络中阻塞条件类似 的情况，发送方等待应答的忍耐可能超过了限度，迫使它再次发问相同的问题( 重 新发送) ，尽管应答可能已经在回来的路上了。实验表明，当网络中的端到端延 时在2 5 3 5 毫秒以上时，就引起了讨厌的回声。这时，回声开始影响讲话者， 并开始降低对话的质量。在回声抵消技术中描述的回声取消是限制这个问题的一 个有效手段。 延时可以分为两个部分，即传播延时和处理延时。 ( 1 ) 传播延时( p r o p a g a t i o nd e l a g y ) 是电流或光子通过网络传送所发送的 报文速度，传播延时非常低，因为电子或者光子在传输介质中的传送速度为每秒 3 0 0 0 0 0 公里，对于跨国界的3 0 0 0 英里长的传输介质大约只需3 0 毫秒。 ( 2 ) 处理延时( h a n d l i n gd e l a y ) 是由语音传输过程中处理语音数据流的所 有组件引起的。i p 电话与传统语音网络在网络延迟方面的最大区别是处理延迟， 在传统语音网络中，语音信道是同步数据流，能够精确地保留所有语言元素地节 拍。在数据网络中，由于拥塞或处理过程可能会插入不同的延迟，从而导致通话 质量的下降。因此i p 电话协议几乎从不提供任何错误恢复处理，因为错误恢复 处理将增加延迟抖动从而导致影响语音质量。 5 延迟抖动处理技术 固定的延迟将干扰人们的谈话和回答的节奏，变动的延迟( 抖动) 将在发音 之间产生随机中断。抖动是指由于各种延时的变化导致网络中数据分组到达速率 成都理工大学硕士学位论文 的变化。i p 网络不提供一致的性能，常常引起分组到达速率产生很大的变化。 这是由于几个因素引起的，包括排队延时、可变的分组大小、中间链路和路由器 上的相对负载。为了补偿这个抖动，语音设备在接收设备上加入了缓冲区，该缓 冲区保存数据分组足够长的时间，使最慢的分组能够即时到达，顺序处理。对分 组处理之前缓冲的做法与使延时最小的目标相背，然而，这是必须的。因为抖动 不能被消除，所以必须小心调整抖动缓冲区，以提供最优的分组到达速率，同时 使延时最小。维护缓冲区的过程以一个最小和最大缓冲区大小开始。在操作过程 中，它不断地监视分组地到达速率，并动态的调整缓冲区大小，支持变化的网络 条件。在低延时的环境中，缓冲区被减小到最小值。在延时变化很大的环境中， 当延时减小使，缓冲区适应缓慢；当延时增大时，缓冲区适应迅速。这通过维持 个足够大的缓冲区保证分组的丢失最少，通过维持最大排队延时保证绝对延时 得到控制。 6 丢失分组处理技术 分组丢失对语音质量也有不良影响。由于数据网络是将丢失分组作为解决网 络拥塞的手段，因此当语音经过数据网络时，自然会产生许多问题。对于数据， 如需要恢复丢失的分组，端站只需简单地重新发送丢失的数据并降低他们的通信 率；而对于语音，由于实时性的要求，没有时间重新发送丢失的语音，所以只能 由语音软件来解决这一问题。除了由于中间网络部件引起的分组丢失外，语音网 络中由于超出抖动缓冲区的可忍耐的到达延时也引起分组丢失。在分组被丢失的 情况下，编码器通过参考前面的分组可以猜测丢失的信号是什么，即所谓的拆值 技术。在这个技术能在一定程度上掩盖一些分组的丢失，但不能用于多个丢失分 组。在多个连续丢失分组的情况下，编码器简单插入禁音时间段。 7 汇接交换技术 在i p 电话网络结构中，具有汇接交换的网络需要将语音数据流转发到一个 中心电话交换机，由这个交换机把语音转发到合适的目的地。这种结构类似于 h u b - - a n d - - s p o k ei p 网络，集中路由器负责在s p o k e 之间转发数据流。这种类 型的配置对语音质量造成两个方面的不良影响，即再压缩和增大延时。为了让带 语音功能的路由器能够把数据流转发到电话交换机，它必须处理i p 电话分组， 并对它们解码。因为压缩算法不是无损的，它们并不能再生与原始信号完全相同 的信号，这样电话交换机只能收到一定程度的降级语音信号，并把它交换到输出 断口。然后再由带语音功能的路由器又一次对语音进行压缩，结果会使路由器输 出的语音信号的质量进一步降低。根据上述分析，汇接交换技术的使用必须仔细 规划，最好是尽量避免使用，将分组直接送到它们的目的地，即使路由通过一个 集中站点。消除中间的压缩和解压缩环节将会产生好的多的语音质量并能够在一 第2 章j p 电话技术 定程度上减少延时。 8 v o i p 混合技术 在许多v o i p 的应用中( 如会议系统等) 都需要使用v o i p 混合技术。实现语 音混合的方法传统上是通过二次编码解码，首先将输入的各路语音解码，恢复到 压缩以前的状态，然后，进行线性叠加和自适应增益调整。叠加后的信号经过二 次编码后，再输出到麦克风。这样做的结果将使语音信号的单向系统延迟增加一 倍以上，降低了语音信号的实时性，音质也因此变差了。由于在v o i p 应用中传 输的是压缩率很高的语音信号，因而二次编码解码对实时性的影响更为明显。目 前有一种较好的解决技术，那就是采用“能量选大”的算法。如果以语音帧中增 益为比较对象，并配合以语音静默检测，实现语音混合。用它代替现有的所有二 次编码方案，可以大幅度降低算法复杂度和延迟，有效地提高混合后的语音质量。 2 2ip 电话基本组成结构 i p 电话的系统一般由三个部分组成：电话终端( p h o n et e r m i n a l ) 、网关 ( g a t e w a y ) 和用户管理系统和关守( g a t e k e e p e r ) 组成( 图2 1 所示) 。 图2 1i p 电话基本组成结构 1 电话终端( p h o n et e r m i n a l ) 终端是一个i p 电话客户终端，可以是软件( 如v o c a l t e c 公司的i pp h o n e 、 m i c r o s o f t 公司的n e t m e e t i n g ) 或者是硬件( 如专用的i n t e r n e tp h o n e ) ，可以 直接连接在i p 网上进行实时的语音或者多媒体通信。终端的功能主要完成：音 成都理工大学硕士学位论文 频解码器发送麦克风的音频信号编码，并将收到的信号解码输出到扬声器；系统 控制单元终端提供信令控制。它提供对呼叫控制、功能交换、传送指令、描述逻 辑通路等功能的支持，将音频、数据和控制信息流分组封装成消息输出到网络接 口，并将从网络接口收到的消息还原成音频、数据和控制信息流，实现逻辑帧、 顺序编号、检错和纠错功能。i p 电话终端也是本文将要实现的部分，将在后续 中加以详细论述。 2 网关( g a t e w a y ) 网关是通过i p 网络提供电话到电话，完成话音通信的关键设备，即 i n t e r n e t 网络与电话网、一线通( i s d n ) 网之间的接口设备。网关的一边连接到 传统的电路交换网，如p s t n ，可以与外部的任意一台电话机通信：当网关完成 当地电话网与i n t e r n e t 的接入与转换处理等。网关接收到标准电话信号以后， 经数字化、编码、压缩处理，按i p 打包到i n t e r n e t 上，根据传输路由，通过 i n t e r n e t 发送到接收端网关；反之，网关接收到i n t e r n e t 传送来的i p 包，经 解压缩处理后还原成模拟语音信号再转往电话网系统。网关可以同时接入和转出 电话语音信号，实现全双工通信。 网关的基本组成模块包括数据处理主机、语音模块、数据处理模块、数据接 续模块和管理软件模块等。网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号映射为 相应地区网关的i p 地址，这些信息存放在一个数据库中。数据接续模块完成呼 叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打长途电话时，网关根据电 话区号数据库资料，确定相应网关的i p 地址，并将此i p 地址加入i p 数据包中， 同时选择最佳路由以减少传输延迟，i p 数据包经i n t e r n e t 到达目的网关。在一 些i n t e r n e t 尚未延伸到或暂时未设立网关的地区，可设置路由，由距离最近的 网关通过长途电话网进行转接。 3 用户管理系统 用户管理系统是为网络管理员提供的一种管理工具，i p 电话网络管理员可 以通过它对各种组件进行管理，这些组件包括终端、网关、网守等。管理的功能 包括设备控制、参数配置、端口配置、状态监测、拨号方案设置、均衡、鉴权及 安全管理等。同时收集用户每一次呼叫产生的详细记录并上传到本地数据库，形 成计费信息。负担对通话费用进行记录和整理，自动生成计费清单并为用户提供 收费单据。 4 关守( g a t e k e e p e r ) 关守( g a t e k e e p e r ) 是一个任选部件，但是对于实际运行的公用网上的i p 电话系统来说，关守是一个不可缺少的重要部件。在逻辑上，关守是一个独立于 端点的功能单元，然而在物理实现时，它可以装备在终端、m c u 或网关中。关守 第2 章i p 电话技术 相当于是网络中的虚拟交换中心，其功能是向节点提供呼叫控制服务。当系统中 存在关守时，它必须提供以下6 项基本功能： ( 1 ) 地址翻译 把终端的别名地址( 如电话号码、用户名等) 转换成可寻址的i p 地址，也 就是名字空间功能。主要有两种实现方式，一种是采用静态解析，该方法是终端 的别名地址和i p 地址的映射被直接存在关守的转换表中，用户在注册时使用 个注册消息来检索该表实际名字的转换。另一种方法是采用动态拨号管理策略， 该方法是在关守中设立动态拨号代理( d d a ，d y a m i cd i a la g e n t ) 服务功能，每 次网关启动或i p 地址变化后，都自动向其注册，这样d d a 始终保持最新的电话 号码与i p 地址映射表。 ( 2 ) 呼叫接入控制 在p h o n et op h o n e 的连接中，主叫电话首先连接本地网关，输入用户的帐 号和密码，本地网关再将此呼叫发到关守，关守对用户的合法性进行检验，如果 验证通过，关守搜索合适的网关，并将该网关的i p 地址信息返回给本地网关， 然后本地网关根据所获得的i p 地址与远方的网关建立连接，最后由远方的网关 提供服务来连接远方的电话。于是通信就开始了。 ( 3 ) 带宽控制 关守可以使用消息来进行带宽控制，允许接受所有的带宽改变请求。关守可 以发送远程访问服务r a s 消息来支持对带宽的控制功能，有关的r a s 消息包括： 带宽请求( b r q ) 、带宽确认( b c f ) 和带宽丢失( b r j ) 等。例如，关守可以通过 注册许可机制来实现带宽最大值，当超过这个门限时，关守将拒绝新的连接请求。 通过规定门限值，可以限定网络可分配的最大带宽，这样就可以将剩下的带宽用 来传输一些特定的应用。 ( 4 ) 数据库管理功能 关守具有对i p 电话系统中的有关信息进行记录、处理和备份功能，也就是 说，关守必须具有很强的数据库管理功能。因为i p 电话系统的数据信息来源多 且杂，还呈现动态增加特性。主要信息来源有：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、用户属性信息和呼叫记录信息等。因此，面对如 此复杂的数据信息，只能有一个性能稳定、安全性好的大型数据库系统来进行管 理。另外，再多关守系统中，数据库管理还应提供各关守之间的备份和复制功能， 以此来增加系统的可靠性和容错功能。而且，关守在实现地址翻译功能时，也是 基于数据库的检索功能来完成的。 ( 5 ) 拨号计划管理 拨号计划管理功能在于，关守能够通过对拨号计划的管理，进而达到对呼叫 成都理工大学硕士学位论文 路由的全面维护和控制。对于i p 电话的运营者或者是管理者来讲，控制提供给 某个用户的权限和业务种类，即规定了用户可以使用何种业务类型以及业务所能 达到的地域，也是很重要的。只有实现了上述控制，运营商和网络管理者才可以 根据不同的需求，向用户提供种类更多的业务。 此外，在呼叫到来时，如何选择合适的网关来提供业务，也是很重要的，只 有充分利用每个可能到达的网关功能，才能够充分地发挥整个网络的效益。因此， 呼叫方到网关的路由选择方法要可以动态的确定和更改，这也是可以通过对拨号 计划的管理来实现的。 ( 6 ) 网络管理功能 关守是整个i p 电话网络的中心，也负担着网络管理的重任。 关守应该自动生成网络各个设备的连接和运行状态的报告，以及向网络维护 人员提供各种事件的日值，以便在出现问题时，有线索可以进行可以进行跟踪以 便于查找原因。并且，维护人员可以通过对事件日志的浏览和网络设备的实时监 测，及时发现问题，预防故障的发生。 关守还应该可以动态的分析整个网络的性能，以及进行流量控制和错误检 测。 当然，这仅仅是一个i p 电话系统最典型与基本需要的组成，也有些系统与 此不尽完全一致，实际系统的组成比这里讲的要复杂。 2 3ip 电话工作原理 本文主要分析针对语音信号的i p 电话的工作原理。 从技术的角度来看，i p 电话的工作过程包括5 个部分： 1 语音的数字化 这是i p 电话的第一步工作，如果用户使用的是计算机，那么数字化就在计 算机里进行了；如果用户使用的是模拟电话，那么通过接入网将语音传到交换设 备上，然后再利用p c m 之类的设备来对语音进行数字化。 2 数据压缩 数据压缩是用来排除没用的信号，并对数字化后的语音信号进行压缩( 如果 使用的是i s d n 终端，通过i s d n 作为接入，工作过程就从这一步开始) 。这一步 又分为两个阶段： ( 1 ) 系统分析数字化的信号，判断信号里包含的是语音、噪音还是语间空隙， 然后丢掉噪音和语间空隙信号，这要求系统具有判断语音、噪音和语间空隙，然 后去掉噪音和语间空隙信号的能力，并将嗓音和语间空隙信号丢掉而将语音发送 出去。 第2 章i p 电话技术 ( 2 ) 用复杂的算法将去掉没用的信号后的语音数字信号进行压缩，c o d e c ( 编 解码器) 是这一过程的关键部件。 3 数据打包 信号( 也可以称之为数据) 被压缩后，就需要对它进行打包，加进一些协议 信息。在收集语音数据的处理过程中需要一些存储时间( 也称为时间延迟) ，因 为在将语音数据发送到i p 网络之前必须先收到一定数量的语音数据。在对信号 进行编码及压缩过程中，也需要一定的时间来对数据进行存储，从而也产生了一 定的时间延迟。协议信息被加入包中是为了更好地保障完成数据的传输过程。例 如，每个包需要包含一个目的地址信息，一个以防止各个包不按照顺序到达目的 地址而加上的包的顺序号，以及数据效验信息。由于i p 协议是为各个不同的网 络互联而设计的，与专用网相比它含有许多复杂的处理过程，它要求将一个包封 装到另外一个包中，而且数据在传送的过程的还要经过再打包、重寻址和重新封 装等过程。 4 语音数据的传送 在语音信号传送的通道中，全部网络都被看作一个整体，持续不断地从输入 端接收语音数据包，然后在一定时间( t ) 内将其传送到网络输出端。t 可以在某 一范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的中间节点检查每个i p 数据 报附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。 网络链路可以是支持i p 数据流的任何拓扑结构或访问方法。 5 解包及解压缩 当每个包到达目的地主机( 网关、服务器或者终端) 时，要检查该数据包的 序号并将其放在正确的位置，然后用一个解压缩算法来尽量恢复原始信号数据， 这时通过利用时钟同步及时延处理技术来填充由发送端处理过程中而导致的空 缺。由于各个包在传输过程中经过了不同的路由，所以它们到达目的地的顺序要 与原始的顺序有很大差别，因此接收端要将先到达的包放到抖动存储器里一段时 间以等待后到达的包，等待时间的长短要根据网络的拥塞情况而定。 6 语音恢复 目前，i p 电话主要应用于i n t e r n e t 上，是i n t e r n e t 上的一个增值业务。 由于i n t e r n e t 是一个开放的网络，再者由于它的带宽还不够宽，尤其在网络恶 化的情况下，在传输过程中很大一部分包会被丢失或者被延迟传送，这些丢弃、 延迟和被破坏的包是导致语音质量下降的根本原因。按i n t e r n e t 传统纠错机制， 接收端如果收到错误的数据包就将其丢弃并请求重传，因此用户最终收到的数据 跟原始发送的数据是完全一样的。由于i p 电话业务是一种对时间敏感的业务， 即实时性业务，不能使用重传机制，需要专用的检错和纠错机制来再造声音和填 成都理工大学硕士学位论文 补空隙，这就需要接收端存储接收到的一定数量的语音数据，然后使用一种复杂 的算法来“猜测”丢失包的内容，产生新的语音信息，从而提高了通信的质量。 因此，接收端昕到的语音并不等于发送端讲的语音完全一样，其中一部分信息是 由i p 电话系统“再造”的。 简而言之，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、i p 分组的解包和数字语 音还原到模拟信号等过程。整个过程如图2 2 所示。 图2 2lp 电话系统的基本工作原理 第3 章u d p i p 协议 第3 章u d p ip 协议 3 1a r p 协议分析 3 1 1a r p 协议的工作原理 a r p 协议使用一种询问回答机制。以图3 一i 中的网络环境为例说明a r p 协 议工作原理。主机h 1 要发送一个i p 数据包给主机h 4 ，但它只知道h 4 的i p 地 址p 4 ，而不知道它的m a c 地址。整个i p 数据包的发送过程如下： h 1 构造好i p 数据包，但这时还不能将其交给网卡处理，因为它不知道该发 往哪个m a c 地址。这时h 1 先构造一个a r p 请求数据包，该数据包中包含了i p 地址h 4 ，并留下一个空位表示h 4 的m a c 地址。h 1 的a r p 协议将该a r p 数据包交 给网卡，让它将该a r p 数据包作为广播帧发送出去。这样h 1 所在以太网中的所 有网卡都会收到该数据帧并对其进行处理，因为它是一个广播帧。网络中的所有 网卡收到该广播帧后会将帧中的数据取出交给上层协议( a r p 协议) 处理。a r p 协议在收到这个请求数据包后将自己的i p 地址与数据包中包含的i p 进行比较， 如果相同就表示对方在询问自己的m a c 地址。如果发现不是在询问自己的m a c 地址，a r p 协议会简单丢弃该数据包。因此，只有h 4 会处理这个a r p 请求数据 包。这时，h 4 会将自己的m a c 地址添在m a c 地址空位上，并将该数据包改为a r p 响应数据包，然后让网卡将其发送给主机h l 。 图3 1a r p 询问回答机制 需要说明的是，h i 会在自己发送的a r p 数据包中包含自己的i p 地址和m a c 地址，这样h 4 在向p 1 发送a r p 响应数据包时就会知道让网卡将其发送给h l 。 对于不在同一以太网中的通信，该过程略有不同。如果h 1 要与h b 通信。因 为h i 能识别h b 不是同一个以太网中的i p 地址，h i 不会使用a r p 协议询问h b 毛 成都理工大学硕士学位论文 的m a c 地址。因为h b 和t t l 不在同一个网络中，h 1 将i p 数据包发送给路由器r t 。 如果h 1 不知道r t 的m a c 地址m r a ，它会使用a r p 协议询问r t 的m a c 地址。同 样，r t 在转发数据包给h b 时，如果它不知道h b 的m a c 地址，它也会使用a r p 协议进行询问。从该过程可以看出，a r p 协议只能在同一个物理网络中使用，不 属于同一个物理网络的主机永远不会知道对方的m a c 地址。 3 1 2a r p 缓存机制 为了使a r p 协议在进行i p 地址m a c 地址映射的时候做出更快的处理，通常 在内存中开辟一段区域，作为a r p 缓存。在a r p 缓存中，每条记录都有3 条选项： i p 地址、该i p 地址相对应的物理地址和该记录最后更新的时间。需要在a r p 缓 存中维护一个更新时间字段，是因为计算机的i p 地址或物理地址是可能会改变 的。这种变化可能需要一定的时间，因此每过一定时间，就应该将一直没有更新 的记录从缓存中删除。a r p 缓存机制的工作原理为：i p 协议要往某个i p 地址发 送数据包时，先从该缓存查找该i p 对应的物理地址。只有缓存中没有该i p 的对 应物理地址时才需要使用a r p 协议进行询问。当a r p 协议收到一个a r p 数据包时， 它可以从中提出一个i p 地址和物理地址的对应关系。如果这个对应关系已经在 缓存中，a r p 就将记录的最后更新时间更新为当前时间。如果该缓存中没有该i p 的记录，a r p 协议就添加一条该i p 协议的记录，并将时间设置为当前时间。 3 1 3a r p 数据包格式 a r p 协议的数据包格式由9 个字段构成，但它的长度是不定的。因为可以用 来实现任何上层协议地址到任何类型的物理地址的映射，而不同的地址类型其长 度是不同的，所以a r p 协议的长度是由其解析的地址的类型决定的。对于从i p 地址到以太网m a c 地址的映射，i p 地址的长度是