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论文题目：一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 专业：计算机应用技术 姓名：王紫聪 导师：陈有青副教授 中文摘要 随着计算机技术和网络技术的发展，多媒体通信成为了业界关注的焦点。 v o i p 作为多媒体通信中的一种，以其价格低廉，灵活提供多种增值业务等众多 优势，成为下一代网络( n g n ) 的发展目标之一。由于目前i p 网络设计的初衷只是 处理非实时数据，采用的是“尽力而为”服务，尽最大努力把i p 包传送到目的地， 对于i p 包的时延，丢包，抖动等不提供任何保证。相对于对时延，丢包和抖动等有 特殊要求的v o p 来说，“尽力而为”服务显然是不够的。如何确保语音传输的网 络服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，提高实时陛也就成为v 0 p 系统实现中 的一项关键技术。 本文通过对v o i p 中的关键技术进行了系统的研究，在此基础上参与实现了 由广东东莞波讯电子有限公司和中山大学合作的“中大波讯v o i p 系统”项目， 并独立承担其中的中心服务器模块的分析，设计与实现和最后的测试工作。另外 本文还对v o i p 中q o s 问题中的区分服务模型进行系统的研究，并通过仿真和比较 获得数据证实了区分服务模型的优越性。 在介绍课题背景的基础上，本文首先介绍了v o i p 的基本原理，v o i p 中的信 令，语音编码，实时传输，q o s 保障等关键技术；并对目前v o i p 系统中两种协 议h 3 2 3 和s i p 进行了较为深入的分析比较。 接着，对于本人所参与实现的项目的设计思想，总体结构，各个模块功能以 及开发环境进行描述，并着重地对本人所负责的中心服务器模块的呼叫流程和中 心服务器管理平台，以及中心服务器模块中所涉及的数据结构，整个模块的程序 实现进行了详细的分析。 在对v o i p 关键技术和参与项目介绍之后，本文对v o i p 中的另一关键技术 t q o s 问题进行研究，并着重对于q o s 中区分服务模型进行研究。分别从标记策略， 队列管理，队列调度三个方面对区分服务模型工作原理做了详细研究，并利用 n s 工具进行仿真，对语音业务在区分服务模型和尽力服务模型下产生的时延， 抖动，丢包等影响语音质量因素进行比较分析，并根据仿真结果证明了区分服务 模提供较好的q o s 保障。 关键词：v o i p ，h 3 2 3 ，s i p ，q o s ，区分服务，仿真，n s t i t l e ：i m p l e m e n t a t i o no fo n ev o i ps y s t e ma n dt h er e s e a r c h o fq o si nv o i p m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n n a m e ：w a n gz i c o n g t u t o r ：c h e ny o u q i n g ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n i q u e ，m u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o nh a sb e e no n eo ff o c u si nt h et e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y v o i pa so n eo fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nh a sb e e no n eo ft a r g e to fn e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) ，j u s tb e c a u s eo f i t si n e x p e n s i v e ，h i g h f l e x i b i l i t yi nt h ei n c r e m e n t t h ep r i m et a r g e to fi p i sf o rt r a n s f e r r i n g n o n r e a l 一t i m ed a t a s ot h et r a n s f e rt e c h n i q u ei sb e s te f f o r t o b v i o u s l y ， t h i st r a n s f e rt e c h n i q u ec a n n o ts a t i s f yt h em u t t i m e d ac o m m u n i c a t i o n ， w h i c hh a sas t r i c tr e q u e s to fd e l a y ，j i t t e ra n dl o s sr a t e h o wt oe n h a n c e t h et r a n s f e rq u a l i t ya n di n c r e a s et h er e a lt i m ei st h e nb e c o m et h ev i t a l t e c h n i q u ei nt h ev o i p b a s e do nr e s e a r c ho ft h ek e yt e c h n i q u e si nv o i p ，ip a r t i c i p a t e di n t h ep r o j e c to f “v o i ps y s t e mo fz h o n g d ab o x u n ”，w h i c hi sr i m eo fg u a n g d o n g d o n g g u a nb o x u ne l e c t r o n i cl i m i ta n dz h o n g s h a nu n i v e r s i t ya n di m p l e m e n t e d t h ec e n t e rs e r v e rm o d u l eo ft h ep r o j e c ti n d e p e n d e n t l y f u r t h e r m o r e ，ia l s o m a d eas v s t e mr e s e a r c hi nt h ed i f f e r e n ts e r v i c em o d e la n dv a l i d a t e di t s a d v a n t a g e st h r o u g hn e t w o r ks i m u l a t n g f i r s t l y ，im a d ear e s e a r c hi nt h eb a s ep r i n c i p l eo fv o pi n c l u d i n g t h ep r o t o c o l ，d e c o d i n go fv o i c e ，r e a lt i m et r a n s f e rt e c h n i q u ea n dt h e q u a lit yo fs e r v i c e s e c o n d l y ，1w i l li n t r o d u c eh o l i s t i cs t r u c t u r eo ft h ep r o j e c t “v o i p s y s t e mr e s e a r c ha n di m p l e m e n t ”a n d t h e nw illf o c u so nt h em o d u l eo f rtt c e n t e r s e r v e rt h a tii m p l e m e n t e d f i n a l l y ，im a d ead e e ps t u d yo ft h ed i f f e r e n ts e r v i c em o d e lf r o mt h e m a r k i n gs t r a t e g i c ，q u e u em a n a g e m e n ta n dq u e u ea t t e m p t e r a n dia l s o v a l i d a t et h ed i f f e r e n ts e r v i c ep r o v i d eh i g h e rq u a l i t ys e r v i c et h a nb e s t e f f o r tm o d e lc o m p a r i n gd e l a y ，j i t t e ra n dl o s sr a t e ，w h i c ha r eg e n e r a t e d i nt w om o d e l s k e y w o r d s ：v o i p ，h 3 2 3 ，s i p ，q o s ，d i f f e r e n ts e r v i c e ，s i m u l a t e ，n s 中山大学硕士学位论文 一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 1 1 v o i p 概述 1 1 1v o i p 概念 第1 章绪论 v o i p ( v o i c eo v e ri p ) ，也叫i p 电话( i pp h o n e ) ，是随着i n t e r n e t 的迅速 发展而出现的一门新兴的通信技术，是指将语音进行编码和打包等处理，通过 i p 网络进行传输，然后在接收端还原出语音的一种语音传输方式，即就是通过 i n t e r n e t 传送声音信号，从广义上讲是通过i n t e r n e t 传送多媒体信息，i p 电话 是以i p 为标志的分组网络和以多媒体为目标的综合业务网络两大主流技术融合 的结果1 2 7 。 1 1 2v o i p 应用特点 与传统电话相比，v o i p 在应用方面具有很多优势，主要表现在以下几方面： 1 价格低廉 价格低廉，这是v o i p 进入市场的首要因素，尤其是国际长途呼叫和传真具 有明显的价格优势。而引起价格低廉的根本原因有两方面：一是i p 电话均采用压 缩语音编码和分组统计复用，带宽利用率高；二是i p 运营商采用租线方式运行， 其成本核算和计算方法与传统电信运营商不同。对于包月计费方式，采用i p 电 话终端直接在i p 网上通话费用更加低廉。 2 可以灵活提供多种增殖业务 可以灵活地提供多种增值服务，价格优势是i p 电话进入市场的原始动力，而 增值业务是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：运用v o i p 技术， 人们可以通过电话接听e m a i l 邮件信息，或者将他们的邮件传送到远程地点， 如旅馆客房。还有交互式w e b 商务，呼叫中心，l a np b x ，协同计算和企业传真 等业务。 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 3 有利于企业建立高效综合服务内部网 i p 电话引入企业网络后，可以将数据网和电话网合而为一，可以很方便地 在己有数据网的平台上加入语音信箱、交互式语音提示、自动话务员等功能，构 建计算机电话集成( c t i ) 系统，完成这些功能无需另外增添设备，只需要加入相 应的应用软件即可。另外企业采用i p 电话还可以取代传统的p b x ( p r i r a t e b r a n c h e x c h a n g e ) ，降低设备运行维护成本。 由于v o i p 具有上述优点，越来越多的企业正以更多的投入进入该领域。其 中，著名的公司有：a v a y a ，c i s c o ，3 c o m ，l u c e n t ，n o r t e l ，n e t r u e ，a u d i o c o d e c ， d i a l o g i c ，e r i c i s s o n 和国内的华为，中兴，上海贝尔等。目前市场上己经出现 了多种v o i p 产品，其应用逐步进入商用领域，正向家用领域发展。 i 2 课题背景 2 0 0 5 年9 月，本人参加了由导师亲自指导的“中大波讯v o i p 系统”项目的 研发工作。该项目由广东东莞波讯电子有限公司投资与中山大学合作项目，于 2 0 0 5 年1 0 月份正式开始启动，至今已经完成了第一版本的发布。 在开发和研究过程中，本人与小组成员认真钻研所研究的方向，参考资料， 把v o i p 的基本原理和v o i p 系统实现的关键技术结合到实际项目中。在完成系统 的第一版本的基础上，本人逐步认识到本研究方向的深入之一在于网络服务质量 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 问题上的研究 2 9 1 。 1 3 所做的工作以及论文组织结构 1 3 1所做工作 在论文期间，本人参与了广东东莞波讯电子有限公司与中山大学合作的“中 大波讯v o i p 系统”项目，并独立承担其中的中心服务器模块的分析，设计与实 现工作，中心服务器模块做为本系统的核心模块主要完成与终端，代理服务器之 间的信令交互；完成终端用户的注册管理，呼叫管理，代理请求等功能。本人在 参考学习了大量的v o i p 技术内容的基础上，结合本项目的实际要求，完成了中 2 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其o o s 研究 心服务器模块的分析，设计，实现和最终的测试工作。 在完成本项目的基础上，本人还通过对v o i p 的q o s 关键技术进行研究，对 于v o i p 中的语音质量的各种保障技术进行分析比较，着重对区分服务模型进行 研究。并通过借助n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 工具模拟网络环境，对语音业务在 区分服务模型和尽力服务模型两种不同情况的语音质量进行了比较分析，从时 延，抖动和丢包率三个方面证明了区分服务模型的优越性。 1 3 2论文组织结构 本论文总共六章，分为两部分：第一部分( 第l 章一第3 章) 在结合实际项目 背景分析了实现v o i p 的基本原理，信令技术，语音编码技术和实时传输技术； 第二部分( 第4 章一第6 章) 主要对v o i p 服务质量中区分服务模型进行研究。 第1 章绪论。本章介绍了课题的来源背景，v o i p 的研究现状，列出了本人 在此课题中所做的工作以及论文组织结构。 第2 章v o i p 原理及其关键技术。本章介绍了v o i p 的基本原理以及关键技 术。主要对v o i p 系统中信令技术，语音编码技术，实时传输技术和q o s 保障技 术进行分析讨论。 第3 章v o i p 系统的设计与实现。本章主要介绍本人参与的课题项目。对于 整个系统的总体结构，开发环境以及本人实现的中心服务器模块进行了详细的分 析与介绍。 第4 章区分服务体系结构介绍。本章主要对区分服务体系结构进行介绍。 主要从区分服务模型中标记策略，队列管理策略和队列调度三个方面进行了介 绍。 第5 章基于区分服务v o i p 语音质量仿真分析。本章主要在对区分服务模型 进行研究之后，借助与n s 工具对网络环境进行模拟，对于在区分服务模型和尽 力而为模型中的v o i p 语音质量进行分析比较。 第6 章结束语。在本章中主要对本论文进行回顾总结。 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 第2 章v o i p 原理及其关键技术 2 1v o i p 基本原理 v o i p 即i p 上传送语音，简单地说，就是实现了语音在i p 网络上的实时传送， 为了有效地利用i p 带宽资源，通常在传送之前先要对语音数据进行压缩处理。 v o i p 的基本原理是 2 5 1 ：通过语音的压缩算法对原始的语音数据进行压缩处理，然 后把这些压缩过的语音数据按实时传输的要求进行打包，经过i p 网络把数据包 送至接收地，再把这些语音数据包按原来的时间次序进行串行化处理，并将数据 包中的语音数据进行解压缩处理，恢复出原始的语音信号，从而实现在i p 上实时 传送语音的目的。 目前，i p 电话可以有三种实现方式，即p c p c ，p c 一电话，电话一电话；如所 图2 一l 示2 4 】 2 2v o i p 关键技术 2 2 1 信令技术 图2 - 1i p 电话的实现方式 信令技术用于控制电话呼叫的顺利实现和质量保证，在传统的电话系统中， 一次通话的建立和拆除都需要一定的信令技术来控制，同样在i p 电话中如何寻 找被叫方，如何建立链接，发送数据拆除链接同样需要相应的信令技术，一般 称为协议。目前被广泛接受的v 0 i p 控制信令体系包括i t u t 的h 3 2 3 系列和 中山大学硕士学位论文 一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 i e t f 的会话初始化协议s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 h 3 2 3 8 1 协议包括一系列的协议，如呼叫控制协议，媒体控制协议和音频，视 频编码协议等，这些协议规定了详细的技术内容和控制过程，它们共同组合起来 构成了分组网多媒体通信的技术标准。h 3 2 3 标准协议簇是国际电信联盟( t u ) 的一个标准协议栈，提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性。它 不依赖于网络结构，独立于操作系统和硬件平台，支持多点功能、组播和带宽管 理。h 3 2 3 具备相当的灵活性，支持包含不同功能的节之间的会议和不同网络之 间的会议。h 3 2 3 建议的多媒体会议系统中的信息流包括音频、视频、数据和控 制等各种信息。 s i p 2 1 是一种比较简单的会话初始化协议。由i e t f 提出并主持研究的一个 应用层控制信令协议。它被用来创建、修改以及终止一个或多个参与者参加的会 话进程，可在会话中邀请其它参与者加入。这些会话包括所有i n t e r n e t 上交互式 两方或多方多媒体通信活动。参与会话的成员可以通过组播方式，单播连网方式 或两者结合来进行通信。 2 2 1 1h 3 2 3 协议 为了使不同厂商的i n t e r n e t 电话之间有良好的互连性，i t u t 于1 9 9 6 年1 1 月通过了h 3 2 3 标准。该标准定义了在无o o s 保证的分组网络中进行多媒体通信 所需的技术要求，这些分组网络包括局域网、广域网、城域网、i n t r a n e t ， i n t e r n e t 以及使用p p p 等分组协议通过p s t n 或i s d n 的拨号连接或点对点连接 的网络。 h 3 2 3 是i t u 多媒体通信系列标准h 3 2 x 的一部份，其中，h 3 2 0 是在n - i s d n 上进行多媒体通信的标准：h 3 2 1 是在bi s d n 上进行多媒体通信的标准；h 3 2 2 是在有服务质量保证的l a n 上进行多媒体通信的标准；h 3 2 4 足在g s t n 和无线 网络上进行多媒体通信的标准。h 3 2 3 为现有的分组网络p b n ( 如i p 网络) 提供多 媒体通信标准。 h 3 2 3 为基于网络的通信系统定义了4 个主要的组件：终端( t e r m i n a l ) ，网关 ( g a t e w a y ) ，关守( g a t ek e e p e r ) 及多点控制单元( m c u ) 。 j 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 2 2 1 1 1 h 3 2 3 体系结构 从整体上来说，h 3 2 3 是一个框架性建设，它涉及到终端设备、视频、音频 和数据传输、通信控制、网络接口方面的内容，还包括了组成多点会议的多点控 制单元( m c u ) ，多点控制器( m c ) ，多点处理器( m p ) ，网关以及网守等设备。它的 基本组成单元是“域”，在h 3 2 3 系统中，所谓域是指一个由网守管理的网关、 多点控制单元( m c u ) 、多点控制器( m c ) ，多点处理器( m p ) 和所有终端组成的集合。 一个域最少包含一个终端，而且必须有且只有一个网守。 网关是h 3 2 3 系统中的可选部件，其最通用的功能是在h 3 2 3 终端和其它类 型终端的交互过程中执行转换功能，转换的内容不仅包括媒体信息编码，还包括 通信协议信令。 关守同样是h 3 2 3 系统中的一个可选件，其功能是向h 3 2 3 节点提供呼叫控 制服务。在系统中，关守必须提供4 种服务：地址解析，带宽控制，许可控制与 区管理功能等。 多点控制单元支持三个以上节点设备的会议。在h 3 2 3 系统中，一个m c u 可 以由一个多点控制器m c 及多个多点处理器m p 组成。 无服务 图2 - 2h 3 2 3 体系结构 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 2 2 1 1 1 1终端 h 3 2 3 终端是网络端点，它可以提供与其它终端、网关或多点控制单元之间 的实时双向通信，从而完成两个终端之间的控制、指示、音频、动态视频图像或 数据信息的交换的通信过程。终端可支持语音、语音和数据、语音和图像，或者 语音、数据和图像等应用，其功能如图2 - 3 所示。 i 黼o n n 卜_ l 语音编解码器1 1 ( g 7 1 i , g 7 2 3 ，g 7 2 9 ) l 接受路径时延 ( r ：n 饥n p ) l 蝴设备卜_ l 视频编解码器 ( l 2 6 1 ，i - l 2 6 3 ) i - 2 5 5 0 l a n j 数据设备p 一黼t 1 2 0j 接口 1 - 2 4 5 系统控制 i 系袈舻卜 jh 2 2 5 舢乎日q 控制j 接口 r a s 控制 图2 3h 3 2 3 终端功能框架 在一个h 3 2 3 终端中，必须具有系统控制单元、h 2 2 5 0 层、网络接口和音 频编解码单元，视频编解码单元和数据接口单元是可选的。音频、视频编解码单 元根据g 7 1 1 ，t t 2 6 1 “，h 2 6 3 t 7 1 等标准分别对音频、视频信号进行编码和解码： 系统控制单元为h 3 2 3 终端的操作提供相应信令，包括呼叫控制、能力交换、命 令和指示信令，以及用于打开和描述逻辑信道内容的消息等：h 2 5 5 0 层将音频、 视频、数据和控制信息流打包后送往网络接口：网络接口为 f 2 4 5 控制信道、数 据信道和呼叫信令信道提供可靠的端到端服务( 如t c p ) ，为音频、视频和r a $ 信 道提供非可靠的端到端服务( 如u d p ) ：r t ? 是端到端的实时数据传输协议：r t c p 是监控传输质量和提供q o s 信息的实时控制协议。h 3 2 3 终端的系统控制包括 h 2 4 5 控制、h 2 2 5 0 呼叫控制和r a $ 控制。 h 2 4 5 控制信令用于传输端到端控制信息，控制h 3 2 3 实体的操作，包括 能力交换、打开和关闭逻辑信道、模式选择请求、流量控制消息、命令与指示等。 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 h 2 4 5 控制信令信道可以在两个端点之间或端点与关守之间建立，每个控制信令 信道处理一个呼叫，因此可以同时有多个h 2 4 5 控制信道。 r a s 信令用于在端点与关守之间实现登记、管理、带宽改变、状态查询等功 能。在无关守的网络环境中没有r a s 信令信道：当网络中包含关守时，r a s 信令 信道在端点与关守之间建立：当有关守时，其建立先于h 3 2 3 端点之间其它信道。 h 2 2 5 0 呼叫信令用于在两个端点之间建立连接。在没有关守的系统中，呼 叫信令信道在两个端点之间建立：当有关守时，由关守确定呼叫信令信道在端点 与关守之间或是在端点之间建立。 音频、视频、数据、控制信息以及呼叫控制信令和r a s 信令均以h 2 2 5 0 协 议格式化，每个逻辑信道以逻辑信道号( l c n ) 来区分，其范围是o - 6 5 5 3 5 。逻辑 信道号由发送端指定，逻辑信道0 固定分配给h 2 4 5 控制信令信道。 2 2 1 1 2h 3 2 3 协议栈 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 。协议栈的下面三层为p b n 的底层协议。涉及的传 输层协议有两类：u d p ，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 用于传送呼叫控制和媒体信道控制信令以及数据信号。 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 音频视频应用终端控制与管理数据应用 音频编码 视频编码 标准标准 h 2 2 5 0 控帝】 h 2 2 5 0 控箭 h 2 4 5 媒体 ( g 7 )( h 2 6 )t 1 2 0 系列 r a s j 空制呼叫控制通信控制 r 1 p 爪t c p u d p t c p 网绍层 链路层 物理层 图2 4h 3 2 3 协议栈 音频编码标准主要采用g 系列进行编码，视频编码标准主要采用h 2 6 系列 进行编码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问 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 ? 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 系统中的控制点一一网守上，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j 息、和数据信号用t c p 封装。 9 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 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。当h 3 2 3 终端支持数据会议t 1 2 0 标准时，h 3 2 3 终端就可以实现协同工作，如白板、应 用共享、文件传输、静态图象传输、数据库访问和音频图象会议等。 2 2 1 2s i p 会话初始化协议s i p ( s e s s i o ni n i t i a lp r o t o c 0 1 ) 是由i e t f 提出并主持研究 的一个在i p 网络上进行多媒体通信的应用层控制协议，它被用来创建、修改和 终止一个或多个参加者参加的会话进程。这些会话包括i n t e r n e t 多媒体会议、 i n t e r n e t 电话、远程教育以及远程医疗等。即所有的因特网上交互式两方或多 方多媒体通信活动，统称为多媒体会话。参加会话的成员可以通过组播方式，单 播联网方式或两者结合的方式进行通信。 2 2 1 2 1 功能描述 s i p 协议可用于发起会话，也可以用于邀请成员加入已经用其它方式建立的 会话。s i p 协议透明地支持名字映射和重定向服务，便于实现i s d n ，智能网以及 个人移动业务。这里所说的个人移动是指，当个人拥有一个s i p 电话的号码时， 他可以在任意一个可以连接到分配其号码的系统的网络里的任意位置( 通常是同 一网内的i p 地址) 使用任何一种支持s i p 协议的终端进行通信。智能网业务的规 范对个人移动业务是如下定义的：“个人移动是允许用户在任何地点任何一台终 端上发起和接收呼叫、访问预订通信业务，并且在移动过程中可以被网络识别的 能力。个人移动是以唯一个人身份( 即：个人序列号) 的使用为基础的。个人移动 是设备移动( 即终端设备在子网之间移动时保持通信的能力) 的补充。 s i p 主要支持以下5 个方面的功能： 用户定位：确定通信所用的端系统的位置； 用户可用性：确定被叫用户是否愿意参与通信： 用户能力：确定所用的媒体类型和媒体参数； 会话建立：振铃，以及在主被叫之间建立会话参数； 会话管理：包括转移和终止会话，修改会话参数以及调用服务。 1 0 中山大学硕士学位论文 一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 2 2 1 2 2s i p 体系结构 s i p 协议虽然主要为i p 网络设计的，但它并不关心承载网络，业可以在a t m ， 帧中继等承载网上工作，它是应用层协议，可以运行与t c p ，u d p ，s c t p 等各种 传输层协议之上。 s i p 是通过类似于e m a i l 地址的u r l 标尺，例如：s i p ：m y n a m e m y c o m p a n y e o m 通过这种方式可以用一个统一名字标识不同的终端和通信方式，为网络服务和用 户使用提供充分的灵活性。 按逻辑功能区分，s i p 系统有4 种元素组成：用户代理、代理服务器、重定向 服务器以及注册服务器。 s i p 系统采用的客户机服务器工作方式，其结构如图2 5 所示 图2 5s i p 系统结构 s i p 网络系统包括用户端( u s e ra g e n t ) 和s i p 服务器 用户端的主要功能是一个发起和终止会话的实体，包含两部分：用户代理客 户端和用户代理服务器。其中用户代理客户端( u s e ra g e n tc 1 i e n t s ，u a c ) ，是 发起呼叫的功能实体：用户代理服务器( u s e ra g e n ts e r v e r ，u a s ) ，是接受呼叫 的功能实体。 s i p 服务器包括代理服务器( p r o x ys e r v e r ) 、重定向服务器( r e d i r e c t s e r v e r ) 、注册服务器( r e g i s t r a rs e r v e r ) 和定位服务器( l o c a t i o ns e r v e r ) 代理服务器，s i p 请求可经由多个代理服务器，每个服务器接收请求后将其 转发给下一跳服务器。下一跳可能是另一个代理服务器，也可能是最终的用户代 理服务器。 1 i 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 重定向服务器的主要功能是接受s i p 请求消息，进行地址映射，将映射后的 地址返回给客户机；与代理服务器不同的是重定向服务器不会自己发起呼叫，与 用户代理服务器不同的是重定向服务器不接受和主动终止呼叫。 注册服务器的主要功能是接受注册请求；鉴权；与代理服务器或重定向服务 器一起提供用户定位服务。 定位服务器的主要功能是为s i p 重定向服务器和代理服务器提供被叫用户可 能的位置信息。该服务器存放客户端的相关信息。 2 2 1 2 3s i p 协议栈 基于s i p 的电话系统汾议栈结构如图2 - 6 s 皂阜甲ir t i c p r t p 1 i i ，+ t c pu d p i ， i v 4 ，i p v 6 t | p p pi 囱固 p p p j r7 、r+ s 。h i 同e h t e m e t ”v 埘l 图2 6s i p 协议栈 基于s i p 的i p 电话系统的媒体传输协议和h 3 2 3 系统相同，采用p c m 编码 或各种压缩编码的话音信号经实时传输协议r r p 封装后在i p 网上传输，并通过 实时传输控制协议r t c p 检测q o s 。任选协议r s v p 用于资源预留，保证传输的q o s 1 2 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其o o s 研究 特性。实时流传输协议r t s p 用于控制媒体的实时操作，如播放、快进、快退和 暂停等动作，在i p 电话中主要用于话音信箱的控制。传输层可用t c p 或u d p ， 首选u d p ，因为采用u d p 后，可由应用层控制消息的定时和重发，并可方便地利 用多播机制并行搜索目的用户，无需为每一个搜索建立t c p 连接 2 2 1 3h 3 2 3 和s i p 比较1 2 2 h 3 2 3 和s i p 作为i p 电话的信令协议，分别是通信领域与i n t e r n e t 领域两 大阵营推出的建议，在此就上面所说的各点，我们将它们作一下比较。 2 2 1 3 1 出发点 两种信令协议的出发点不一样，h 3 2 3 企图把i p 电话当作是众所周知的传统 电话，只是传输方式发生了改变，由电路交换变成了分组交换。而s i p 协议侧重 于将i p 电话作为i n t e r n e t 上的一个应用，较其他应用h t t p ，s m t p 增加了信令和 q o s 要求。它们支持的业务集基本相同，也都利用r t p 作为媒体传输的协议。 2 2 1 3 2 复杂性 与s i p 相比，h 3 2 3 是一种十分复杂的协议标准。从篇幅上看，h 3 2 3 超 过7 0 0 页，而最新的s i p 标准r f c 3 2 6 1 只有3 0 0 多页。从内容上看，h 3 2 3 定 义了几百个元素，而s i p 仅包含6 种请求方法，6 类回应码以及3 7 种消息部首， 通过与其它协议( 通常是会话描述协议( s d p ) ) 结合使用，s i p 可以提供丰富 的应用业务。从编码方式上看，h 3 2 3 采用二进制格式，需要专门的代码解释器 解释，而s i p 协议采用文本格式，简单直接，便于调试，开发人员可以直接修 改文本消息，跟踪和分析消息的传递。h 3 2 3 的复杂性还在于它本身包含多个协 议，协议的功能划分并不明确，以至实现一个功能需要多个信令协议的配合使用。 例如，呼叫转移服务就需要h 4 5 0 ( h 3 2 3 补充协议) ，h 2 2 5 和h 2 4 5 协同完 成。相比之下，s i p 一个请求就包含了所有的必要信息。 i3 2 3 在功能上重叠， 增加了其复杂性。h 3 2 3 使用r t p 作为媒体传送协议，同时实时传输控制协议 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 ( r t c p ) 提供两方和多方的通信控制。而h 2 4 5 本身也提供自己的反馈和会议 控制，不但功能冗余，而且只能用于中小型会议规模。 2 2 1 3 3 扩展性 v o i p 是一种传统业务与新兴技术相结合的产物，本身也在不断发展和完善。 i n t e r n e t 的优势在于底层承载网络的简单和终端的智能。这种结构使i n t e r n e t 能够提供丰富的业务，而不仅仅是电话业务。所以，在i n t e r n e t 的开放环境下， 信令也会不断补充和完善，以支持新的应用，由此产生了复杂的兼容性问题。s i p 借鉴了超文本传输协议( h t t p ) 和简单邮件传输协议( s m t p ) ，经过长时间的完 善，进行了一系列兼顾扩展性和兼容性的改进。例如，i n v i t e 不但可以发起语 音呼叫，还可以发送短消息。不同的应用开发者可以引入新的特性或方法注册到 i a n a ，这称为s i p 的扩展机制，这种扩展机制更适宜于新方法和新特性的推广。 h 3 2 3 也提供相应的扩展机制。例如，在a s n 1 定义的消息中有非标准参数 字段，这些非标准参数字段包括一个提供商的代码，后面加入使用的值。实现 h 3 2 3 应用的开发商可以添加各自的扩展功能。但这种扩展限制在非标准参数字 段中，开发人员无法将已经存在的标准字段添加新的取值。h 3 2 3 没有提供应用 之间交换各自支持的协议特性的机制，并且因为开发者各自添加的非标准参数并 不具备推广性，也限制了扩展的推广和应用的互操作性。 作为i t u t 的h 系列标准之一，h 3 2 3 要求标准版本更新必须完全向前兼 容。随着应用的发展，在新特性不断出现的同时，有些旧标准也会失去价值，但 是h 3 2 3 标准只会不断积累，失去价值的旧标准却仍然保留在标准中。而s i p 的 形式灵活自由，因为它支持方法的协商，被淘汰的旧部首和取值将逐渐消失，从 而保证了协议的简洁。s i p 将支持的编码格式完全交给s o p 。相关的编码格式可 以从 a n a 处得到，而h 3 2 3 支持的编码格式必须都是i t u 标准化的，这也是 h 3 2 3 进一步发展的障碍。 2 2 2 语音编码技术 话音压缩编码技术是i p 电话技术的一个重要组成部分。目前，主要的技术 1 4 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 有i t u t 定义的g 7 2 9 ，g 7 2 3e 5 1 等。其中g 7 2 9 可将经过采样的6 4 k b i t s 话 音以几乎不失真的质量压缩至8 k b i t s 。由于在分组交换网络中，业务质量不能 得到很好保证，因而需要话音的编码具有一定的灵活性，即编码速率、编码尺度 的可变可适应性。g 7 2 9 原来是8 k b i t s 的话音编码标准，现在的工作范围扩展 至6 4 1 1 8 k b i t s ，话音质量也在此范围内有一定的变化，但即使6 4 k b i t s ， 话音质量也还不错，因而很适合在v o i p 系统中使用。6 7 2 3 1 采用5 3 6 3 kb i t s 双速率话音编码，其话音质量好，但是处理时延较大，它是目前己标准化的最低 速率的话音编码算法。 2 2 3实时传输技术 多媒体网络通信具有实时性、连续性、集成性、交互性及大数据量的特点。 在目前的多媒体网络通信应用中，传统协议已经不能满足多媒体网络中的实时通 信要求。为了解决i n t e r n e t 上多媒体通信所面临的问题， e t ff n t e r n e t 工程 任务组( 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 ) 制定了实时传输协议( r t p ) 。 实时传输协议r t p t 3 1 ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 提供了端到端实时 媒体( 如交互式音频和视频) 的传输服务。这些服务包括负荷类型标识、序列编 号、时戳和传输监控等。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。对于i p 网络应用，它通 常要和u d p 协议一起使用，当然也可以运行在面向连接的绑议( 如t c p ) 之上。 开发r t p 的目的就是为了满足用于音频和视频这类连续媒体数据的实时通 信的要求，在会话中提供协同工作和控制的能力，为具有实时特性的数据传送提 供服务。r t p 可以支持各种实时通信的应用，比如同步的恢复、信号丢失的监测、 安全保密和内容的识别等。r t p 具备一种时问戳与控制机制，可以实现带有定时 特性的不同信息流之间的同步，r t p 采用基于速率的流量控制机制，使得发送方 与接收方之间协同工作。 中山大学硕士学位论文一个v o i p 系统的实现及其q o s 研究 2 2 4q o s 保障技术 由于实时业务对网络传输时延，抖动，丢包等特性较为敏感，当网络上有突 发性高的f t p 或者含有图像文件的h t t p 等业务时，实时业务就会受到很大影响； 另一方面，多媒体业务占去了大量的带宽，这样，现有网络要保证的关键业务就 难以得到可靠的传输。解决这些问题的最简单的办法当然是增大带宽，但是，由 于这种方法代价高昂，所以并不十分可行。于是各种q o s 技术应运而生。 最简单地说，q o s 能够对数据包进行合理的排队，对含有内容标识的数据包 进行优化，并对其中特定的数据包赋以较高的优先级，从而加速传输的进程，并 实现实时交互。由于每种应用系统对网络的要求有所不同，这使得带宽本身并不 能解决网络拥塞的问题。q o s 所追求的传输质量在于：数据包不仅要到达其欲传 输的目的地址，而且要保证数据包的顺序性，完整性和实时性。通过q o s ，网络 可以按照业务量的类型或级别加以区分，并能够依次对各级别进行处理。 2 2 4 1 现有i p 网络传输多媒体存在的问题 现有的互联网所提供的是“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务，在这种服务 模型下，所有的业务流被“一视同仁”地公平地竞争网络资源，路由器对所有的 i p 包都采用先来先处理的工作方式，它尽最大努力将i p 包送达目的地。但对i p 包传递地可靠性、延迟等不能提供任何保证。这很适合e m a n ，f t p ，w w w 等业务，