（计算机软件与理论专业论文）sip协议在ip电话中的应用研究和实现.pdf

s l p 协泌在i p 屯话中的应用研究和实现 摘要 s i p ( s e s s i o nl n i t i a t i o np r o t o c o l ，会话初始化协议) 是由1 e t f ( i n t e m e t 工程 任务组) 提出的i p 电话信令协议。它的主要目的是为了解决i p 网中的信令控 制，以及同s o f l s w i t c h 的通信。针对这两项应用，本文进行了全面深入的分析， 重点描述了s i pi p 电话的呼叫管理系统的总体设计和关键元素的实现。 本文包括五章。第一章概括介绍s i p 协议和i p 电话系统，并且详细比较了 s i p 和h ，3 2 3 在i p 电话中的应用，突出了s i p 的优势。第二章介绍了s i p i p 电话 的呼叫管理系统的总体结构和设计原则，深入分析了呼叫管理系统对i p 电话服 务质量( q o s ) 和安全的支持策略。该系统分为两个部分：通用模块和功能实体， 两部分的具体实现分别在第三章和第四章做出详细说明。同时，第四章阐述了 s i p 与p s t n 互通网关的设计方案。第五章总结了s i p 协议的优缺点和发展前景。 关键字 s i ph 3 2 3i p 电话软交换p s t n a b s t r a c t 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 ) i sas i g n a l i n gp r o t o c o lf o r i p t e l e p h o n e ， p r o v i d e db y i e t f i ti s d e s i g n e d f o rt h ec a l lc o n t r o li ni pn e t w o r ka n dt h e c o m m u n i c a t i o nw i t hs o f l s w i t c h i n g t h et h e s i sp r o v i d e sa c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho n t h ea b o v et w o a p p l i c a t i o n s ，a n d ad e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f d e s i g n a n d p a r t i a l i m p l e m e n t a t i o no f c a l lm a n a g e m e n t s y s t e mi ns i p b a s e di pt e l e p h o n e s t h et h e s i sc o m p r i s e so ff i v ec h a p t e r s c h a p t e r1 i n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o n so f s i pa n di p t e l ，w i t had e t a i l e d c o m p a r i s o no fs i p a n dh 3 2 3f o ri p t e l ，w h i c h e m p h a s i z e st h ea d v a n t a g e so fs i p c h a p t e r2d e s c r i b e st h ea r c h i t e c t u r ea n dd e s i g n p r i n c i p l e so f c a l lm a n a g e m e n t s y s t e mi nt h es i p b a s e di p t e l ，w i t ha ni n d e p t ha n a l y s i s o f s u p p o r tf o rq o sa n ds a f e t yi ni p t e l ，t h ec a l lm a n a g e m e n ts y s t e mi sc o m p o s e do f t w o p a r t s ：c o m m o nm o d u l e s a n d e n t i t i e s ，w h o s ei m p l e m e n t a t i o n i s e x p l a i n e d r e s p e c t i v e l yi nc h a p t e r 3a n dc h a p t e r4 b e s i d e s ，c h a p t e r4p r o v i d e st h ed e s i g no f a g a t e w a yc o n n e c t i n gp s t na n ds i p - b a s e di p n e t w o r k c h a p t e r 5s u m m a r i z e s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f s l pa n d s p e c u l a t e si t sf u t u r ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s s i ph 3 2 3i p t e l e p h o n es o f f s w i t c h i n g p s t n s i p 悱议矶：i p 电话中的应用研究和实现 第一章综述 1 1s i p 简介 会话初始化协议，或称s i p ，是一个通讯协议，它使用户的通讯系统更为开 放、更好地连接、更方便使用、更多选择和更为个性化。它是正在由互联网协议 ( i p ) 和h t t p 背后的全球非赢利机构一国际互联网标准制定组织( i e t f ) 进 行升级的标准。i e t f 从1 9 9 6 年开始对s i p 进行标准化，以支持多点传送的应用。 因为s i p 使用简便，功能强大，分布广泛，它在整个i e f t 内的使用者中迅速得 到了认同。 s i p 是文本格式的客户一服务器协议，客户机发起请求，服务器进行响应， 它非常类似于s m t p 和h t t p 协议。s i p 沿用了一些h t t p 的语法规则和定义， 其中包括响应编码结构，一些消息头和它的整个运作机制，与h t t p 或s m t p 不同的是，s i p 既可用t c p 也可以u d p 来传送。 1 1 1s i p 系统组成 图1 1s i p 系统的组成 个s i p 系统( 图1 1 ) 主要由两部分组成：用户代理和网络服务器。用户代 理有用户代理客户机( u a c ) 和用户代理服务器( u a s ) ，其中用户代理客户 机用于发起呼叫，而用户代理服务器则用于响应呼叫。用户代理客户机和用户代 理服务器构成了用户端必备的应用程序，由这两个应用程序完成呼叫的发起和接 收。网络服务器也有两类，它们是代理服务器( p r o x y ) 和重定位服务器( r e d i r e c t ) 。 代理服务器类似于h t t p 的p r o x y 和s m t p 的m t a ( m e s s a g et r a n s f e ra g e n t ) ， 它本身并不对用户请求进行响应，只是转发用户请求的中继器，然后将自身地址 s i p 协议在i p 电话中的应用研究和实现 加八该消息的路径头部分，以保证将响应按原路返回并防止环路的发生。重定位 服务器非常类似于d n s ，它收到用户的请求后，若判定自身不是目的地址，则 向用户响应下一个应访问服务器的地址，而不是转发请求报文。另外，还经常用 到注册服务器，它是和代理服务器或重定向服务器绑定在一起的，用来接收客户 的注册请求，并完成用户地址的注册。定位服务器( l o c a t i o n ) 本身不属于si p 实 体，它位于被叫域中，是i n t e m e t 中的公共服务器，可以是l d a p ( 轻型目录访问 朗议) 服务器、专用企业网数据库、本地文件或通过i n t e m e t 目录查询f i n g e r 命 令得到的结果，具体形式取决于本地配置，代理服务器和重定向服务器在确定下 跳服务器时都可能向它发出查询请求。 si p 主要支持以下五个方面的功能： 用户定位，确定通信所用的端系统位置； 用户能力交换，确定所用媒体类型和媒体参数； 用户可用性判定，确定被叫方是否空闲和是否愿意加入通信： 呼叫建立，邀请和提示被叫，在主被叫之间传递参数； 呼叫处理，包括呼叫终结和呼叫转移等。 1 1 2s i p 消息机制 i 1 2 1s i pu r l 结构 s i pu r l s 使用于s i p 消息的头部，表示发起者( f r o m ) ，当前地址 ( r e q u e s t u r i ) ，重定向地址( c o n t a c t ) ，请求的最终接受者( t o ) 。s i p 协议采 用的u r i 的一般结构是： s i p ：用户名：口令 主机：端口；传送参数；用户参数；方法参数；生存期 参数：服务器地址参数? 头部名= 头部值 这罩未采用严格的b n f 形式化表示形式。其中“s i p ”表示需采用s i p 协议和 所指示的端系统通信。用户名可由任意字符组成，一般可取类似于e m a i l 用户名 的形式。s i pu r l 的一个特定功能是允许主机类型为i p 电话网关，此时的用户名 可为一般的电话号码。由于b n f 语法表示不能区分电话号码和一般的用户名，因 此在域名后面增加了“用户参数”字段，该字段有两个可选值：i p 和p h o n e ，当其 设定为“p h o n e ”时，表示用户名为电话号码，对应的端系统为i p 电话网关。“主 机”可为主机域名或i p v 4 地址。“端口”表示请求消息送往的端口号，其缺省值 为5 0 6 0 ，即公开s i p 端口号。口令可以置于s i pu r l 中，但一般不这样做，因为其 安全性是值得考虑的。“传送参数”指示采用t c p 还是u d p 传送，缺省值为u d p 。 “服务器地址参数”指示和该用户通信的服务器地址，通常为多播地址。“生存 期参数”指示u d p 多播数据包的寿命，仅当传送参数为u d p 且服务器地址参数 为多播地址时刁能使用。“方法参数”指明所用的方法( 操作) ，详细介绍见下文。 s i p 阱议在i p 电话中的应用研究和实现 u r l 最后还可附加若干个头部字段值，指明和该用户通信的相关参数。s i p 面对 的对象是由s i pu r l 确定的主机用户。u r l 用户部分为用户名或电话号码，主机 部分为域名或i p 地址。 1 1 2 2s i p 消息结构 s i p 消息的一般格式，用a b n f 范式形式化表示： s i p - m e s s a g e 2 r e q u e s t i r e s p o n s e g e n e r i c m e s s a g e 2 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 【m e s s a g e - b o a y 】 r e q u e s t l i n e s t a t u s 1 i n e m e s s a g e - h e a d e r = ( g e n e r a l h e a d e r l r e q u e s t h e a d e r i r e s p o n s e h e a d e r i e n t i t y - h e a d e r ) r e q u e s t l i n e 2 m e t h o ds p r e q u e s t - u r i s ps i p v e r s i o nc r l f 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 s i p v e r s i o n =“s i p 2 0 ( 1 ) 请求方法： i n v i t e ：邀请用户加入某会话，会话包含于消息体中。 a c k ：对于i n v i t e 请求的最终响应的证实。成功的响应由发出i n v i t e 请 求的u a c 给予响应，不成功的响应可以由收到此响应的第一个有状态代理服务 器给予响应，也可以由u a c 给予响应。 o p t i o n s ：询问服务器的能力 b y e ：u a c 指示释放已经建立的呼叫。b y e 请求按i n v i t e 请求同样的方 式前转，可以由主叫方或者被叫方发出。收到b y e 请求后，应该停止向发出请 求的一方发送媒体流。 r e g i s t e r ：在s i p 服务器上注册t o 字段地址。 c a n c e l ：取消一个尚未完成的请求。对于已经完成的请求，则没有影响。 ( 2 ) 响应消息 响应状态码：第一位指示响应类别，后两位数字表示该类中的具体响应。 6 s i p 协议在i p 电话中的应用研究和实现 1 x x ：表示呼叫进展。 2 x x ：表示请求已经成功接收，完全理解并被接受。 3 x x ：重定向响应，表示需采取进一步动作，完成该请求。 4 x x ：客户出错。 5 x x ：服务器出错，表示服务器不能完成合法的请求。 6 x x ：全局故障。表示任何服务器都不能完成该请求。 i n v i t e 是s i p 协议的核一心机制。发出邀请请求后，终端用户或者网络应该 回送响应。在s i p 中，响应分成两大类。一类是中间响应，报告呼叫进展情况， 另一类是最终n 向应，包括成功响应和失败响应。客户和服务器之间的操作从第一 个请求到最终请求的所有消息构成一个s i p 事务。一个正常成功的呼叫包含三个 事务：邀请请求发起的事务到成功最终响应。对这个响应的a c k 请求。呼叫终 结请求b y e 发起的事务。注意对不成功邀请的响应的应答不构成一个单独的事 务。 s i p 协议定义的是呼叫建立、终结和修改的信怠，并不涉及媒体控制。媒体 类型，编码格式和收发地址等信息由s d p 传送。s i p 可以采用不同的应用层控制 协议。如果采用u d p 传送，要求响应消息沿着请求消息发送的同样路径传送， 以支持中间服务器对呼叫的监视和状态控制。对于经多播u d p 传送的请求，其 响应应送往同一个多播地址和目的端口。如果采用t c p 传送，则同一事务的请 求和响应应该在同一t c p 连接上发送。同一客户到同一服务器的若干事务请求 可以用同一t c p 连接，也可以用不同的t c p 连接。 1 1 3 s i p 呼叫控制过程和示例 呼叫是由一个会议的所有参与者组成的，在s i p 系统中，呼叫由c a l i i d 唯一 标识。一个端到端的i p 会话与一个si p 呼叫相对应，而在基于多点控制单元 ( m c u ) 的会议中，每一个参与者通过单独的呼叫将自己引荐给m c u ，完成多点 会议的初始化。s i p 协议支持三种呼叫模式：由用户代理客户机( u a c ) 向用户代 理服务器( u a s ) 直接呼叫，由u a c 在重定向服务器的辅助下进行重定向呼叫和 由代理服务器代表u a c 向被叫发起呼叫。我们以重定向服务器信令过程为例，来 说明呼叫建立过程f 见图1 2 ) 。 主叫方u a c 向被叫域服务器发送请求i n v i t e ； 该服务器配置成重定向服务器，向定位服务器发出查询请求； 定位服务器返回被叫当前地址： 重定向服务器向主n q u a c 回送3 0 2 响应“m o v e d t e m p o r a r i l y ”，c o n t a c t 字 段置入被叫当前地址； 主口q u a c 回送证实消息a c k ； 主n q u a c 向被叫用户当前地址重新发送i n v i t e 消息： 7 s i p 协议在l p 电话中的应用研究和实现 被叫用户u a s 回送2 0 0 1 l 自应消息； 主叫用户u a c t i j 被叫用户u a s 回送证实消息a c k 。 图12 重定向信模式 注册服务器经常用作启动后的注册，由于在r e g i s t e r 消息中使用了s i p u r l 地址的缘故，因此，当i n v i t e 请求到达时，代理服务器或者重定向服务器 可以直接正确地转发请求信息。这一基于注册服务器的转发特性形成了网络对支 持真正的号码移动性服务的基础。在此，我们需要注意的是，通常一个s i p 网络服 务器能够实现对不同种类服务器的组合。 1 1 4s i p 特点 s i p 协议具有简单、扩展性好以及和现有的i n t e r n e t 应用紧密的特点。简单是 指仪用三条消息i n v i t e 、b y e 和a c k 与四个头( t o ，f o r m ，c a l l i d ，c s e q ) 就能实现简单的i n t e r n e t 电话。扩展性是指网络服务器具有s t a t e f u l 和s t a t e l e s s 相结合的特点。与现有i n t e m e t 应用紧密结合的特点主要是指s i p 协议可以和 w e b 以及e m a i l 业务紧密结合，目前i e t f 的p i n t 工作组正在制定的点击拨号 ( c l i c k t o d i a l ) 和点击传真( c l i c k - t o f a x ) 协议就是以s i p 为基础的。 1 2 i p 电话简介 i p 电话是v o l p 的一个应用。v o i p 全称是v o i c eo v e ri p ，是建立在i p 技术上 的分组化、数字化传输技术，简单的说是指用i p 传送语音。其基本原理是：通 过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按相关协议 进行打包，经过i p 网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包组合起来， 经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由ip 网络传送语音的 目的。v o i p 属于分组语音通信，和广泛应用于公众电话网( p s t n ) 的电路交换 s i p 协议在i p 也活中的成用剥f 究和实现 技术相比，分组交换的最大特点：一是通过网络资源的统计复用，可以极大地提 高网络带宽利用率；二是借助灵活的动态路由选择机制，可以有效地保证通信的 可靠性。 1 2 1i p 电话中的关键技术 1 话音处理投术 主要解决两个问题。一是在保证一定话音质量的前提下，尽可能降低编码比 特率，以提高网络带宽利用率，充分发挥分组通信的优越性。二是在i p 网络环 境下保证一定的通话质量。前者主要是低比特率编码技术，包括静音检测；后者 包括丢包补偿和回波抵消技术。 话音编码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。一个有效的编码算法，实际上是在给定的应用 环境下，针对性能要求确定上述指标的某种折衷组合。p s t n 中广泛应用的是波 形编码类型的p c m 话音编码，i p 电话采用的主要是参数编码，称作声码器技术。 这种技术虽然早就提出，但是由于其算法复杂，直至9 0 年代微电子业推出d s p 专用芯片后才得以实用。目前，i p 电话推荐使用的二种i t u t 定义的低比特率 编码标准是：8 k b s 的g 7 2 9 a 和5 - 3 6 3 k b s 的g 7 2 3 1 编码。它们都是中低复杂 度编码算法，话音分组长度在3 0 m s 以下，话音质量较好。高性能的d s p 芯片和 高速时分总线是实现高密度大容量i p 电话网关设备的关键。 在i p 网络中，由于线路误码、路由故障和网络拥塞等原因造成分组丢失是 不可避免的。在基于线路预测编码原理的声码器中，一般采用内插的方法导出并 插入丢失分组的近似估计值，以提高通话的可懂度。在i p 电话涉及i p 网络和 p s t n 互通的情况下，回波抵消技术至关重要特别在长途通信时，由于固有的 参数编码算法时延再加上路由器的转发时延，单向时延一般可达1 5 0 m s 以上， 高性能的网关应具有此功能。 2 网络通信协议 统一的协议是i p 电话实现全网互通、走向商用的关键。从功能上划分，应 定义如下四类协议。 ( 1 ) 呼叫控制协议，相当于电信网中的信令，其目的是控制呼叫的建立和释 放，用于传送地址信息、用户状态信息和d t m f 信号等，这些信号以控制分组 形式发送，要求采用可靠的传送方式传递，如果发生差错可通过重发机制校正。 ( 2 ) 媒体控制协议，其目的是控制话音承载通道的建立和释放。对于无连接 的i p 网络来说，呼叫方之间并无物理连接存在，通道建立实际上就是交换端口 号码、端口类型、话音编码和速率等媒体传送信息。 ( 3 ) 语音传输协议，语音信息传送协议。语音信息传送协议规定了语音分组 9 s i p 协议在i p 电话中的应用研究和实王见 如何封装、复用和传送，包括具有静音检测功能的各种语音编码分组如何组装和 标识。由于语音分组需要实时传送，不允许有大的时延，因此无法使用重发纠错 机制。语音的传输对时延远远比对错误敏感，因此使用不可靠无连接协议来传送。 ( 4 ) 实时控制协议。一些协议提供q o s 监视的手段，如r t c p 协议，但是， 要确保通信的实时性还需要i p 网络有这方面的增强能力。目前有两大技术：一 个是资源预留技术，根据用户需要和网络资源可用性为每个呼叫保留所需的带 宽，籍此保证服务质量。二是业务区分技术，网络根据类别对业务流提供不同等 级的服务。 3 网络管理和安全技术 i p 网络一般只提供基于s n m p 的简单管理，当i p 电话用于公众网络服务时， 则必须根掘网络运营的要求提供完善的管理功能。首先是赢接和呼叫相关的管理 功能，包括带宽管理、用户登记和状态管理以及互通环境下的地址翻译功能。其 次是网络运营管理，包括灵活的计费功能、话务统计功能、故障管理功能和运营 商之问互操作功能。这些功能实现应充分借鉴已有的通信网管理技术。 安全管理是i p 电话有别于传统电话的一项重要功能，由于i p 网是一个开放 式网络，因此必须防止网络资源被无偿地欺骗使用、网络受到恶意攻击以及用户 业务信息被泄漏等情况，其功能包括用户鉴权、授权、信息加密和不可抵赖性保 护等。 4 业务提供技术。从长远来说，i p 电话的竞争力在于其增值业务的多样性 和灵活性，尤其是这些新业务应与w e b 应用相结合。作为第一步，首先应积极 部署为i p 用户提供服务的新一代智能网，提供p s t n i n t e m e t 互通( p i n t ) 业务， 实现i p 电话和智能网互通；其次可研究i p 网中的c p 控制结构，有文献称之为 w e b i n ；同时应积极关注i e t f 基于s i p 和c p l ( 呼叫处理语言) 的业务控制策 略。 1 2 2 i p 电话的应用方式 图1 3 t p 电话廊用模式 图1 3 示出话音通信的5 种基本情况。除了为普通电话呼叫外，其余4 种 0 s i p 协泌在i p 电话中的应用研究和实现 均属于i p 电话范畴。其中。方式为经由i n t e r n e t 或i n t r a n e t 的p c - p c 通信。这 里，p c 泛指装有i p 电话软件的计算机或i p 电话终端。早期这类通信完全由终 端实现，只要在终端上安装相应的软件并进行适当的配置后就可以支持二方或多 方通信。这种简单的方式还不能支持i p 电话的公众应用。9 0 年代后期推出的标 准则包含一系列网络结构和协议，支持包括寻址、呼叫控制和网络管理在内的完 善的p c p c 通信，它们构成了i p 电话的技术基础。 方式为经由1 p 网络的电话一电话通信。由于涉及不同网络，因此需要设置 互通功能( i w f ) ，即网关设备，其功能为媒体交换、信令适配和媒体在线控制。 这是应用最广泛电话组网方式。 方式为p c 一电话通信，亦包含互通功能。这是i p 电话进一步发展后需要 支持的应用。它要解决的技术问题包括电话至p c 的寻址、e 1 6 4 地址至i p 地址 的变换、漫游i p 电话用户的处理以及经不同网络后的q o s 保证等。 方式为经p s t n 的p c p c 通信，此类情况尚未见实际应用背景。 各国电信运营商和新兴网络公司提供的i p 电话服务均属于方式。该方式 用i p 网取代长途电信网，从而获得低廉的成本。 另一种值得重视的应用是，i p 电话的大用户服务，也就是利用i p 网络完成 p b x 的外线呼叫。其结构如图1 4 所示。其中，p b x 通过p r i 和网关相连，网 关通过d d n 专线与i p 网络相连。p b x 用户和外界通信有p s t n 和i p 两条通路。 p b x 可以设置灵活的选路方式，如规定市话选择p s t n ，长话选择i p ；或者由 用户加拨指定接入码，选定i p 电话系统；也可以设定传真机终端一律使用i p 系 统，话音通信可以选用p s t n 或i p 。再进一步，当i p 网络服务质量低于预定门 限值时，还可以自动返回p s t n 。上述过程对于p b x 用户来说均是透明的。 图1 4 i p p b x 应用 1 2 3i p 电话的优点 i p 电话比传统电话有如下优点： ( 1 ) 节省带宽。电路交换电话消耗的带宽为6 4 k b i t s ，而i p 电话只需6 - 8 k b i t s ( 甚至低于2 4 k b i t 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。 s i p 协议在i p 电话中的应用研究和实现 ( 3 ) 可以方便地集成智能。i p 电话网继承了计算机网的智能模块，可以灵活 地控制信令和连接，有利于各种增殖业务的开发。 ( 4 ) 丌放的体系结构。i p 电话的协议体系是开放式的，有利于各个厂商产品 的标准化和之阳j 的互相连通。 ( 5 ) 媒体业务的集成。i p 电话网络同时支持语音、数据、图像的传输，为将 来全面提供多媒体业务打下了基础。 1 2 4 i p 电话国内外的发展 1 p 电话的问世最早可追溯到7 0 年代，当时美国已丌始基于a r p a n e t 网络 平台进行计算机网络上的话音通信研究，并于1 9 7 4 年首次在东海岸和西海岸之 间开通i p 实验电话。1 9 7 7 年，i e t f 据此发布了最早的i p 电话通信协议讨论文 稿r f c 7 4 1 。尽管由于网络带宽所限，话音质量不能令人满意，但实验至少表明， 在基于t c p i p 的计算机网络上进行话音通信是可行的。 其后二十余年，主要是在局域网范围进行相关的理论研究。直至9 0 年代后 期，由于i n t e m e t 在全球范围内的兴起和话音编码技术的完善，i p 电话技术获得 了突破性的进展和实际应用。其先驱者当属以色列的v o c a l t e c 公司，它是最早 推出电信级i p 电话网关设备的厂商。与此同时，以d i a l o g i c 公司为代表的电路 制造商推出了p s t n 中继电路板、信令链路板、支持各种话音编码的数字信号处 理板，这些专用电路板的问世，推动了网关产品的集成开发。1 9 9 6 年，i t u t s g l 6 不失时机地制订了著名的h 3 2 3 协议第1 版本，极大地推动了i p 电话的发 展，使之进入公众服务。 信息产业部组织中国电信、中国联通、吉通公司和中国网通四个经营性互联 网骨干网络经营单位开展了9 个月的i p 电话试验；制定了我国的i p 电话传真 业务总体技术要求和i p 电话网关设备互通技术规范及管理1 p 电话业务的 有关规定；对国内、外设备厂家研制生产的i p 网关等设备进行了入网认证和相 关技术检测。信息产业部已对中国电信、中国联能、吉通公司、中国网通4 个经 营性互联网骨干网络经营单位按规定颁发了i p 电话业务经营许可证，允许其在 全国范围内经营i p 电话业务。我国i p 电话业务定于2 0 0 0 年4 月1 日起正式开 放，正式运营后取得了良好的市场业绩。 目前i p 电话的优势只是停留在低廉的价格，从长远来说，i p 电话的竞争力 在于其增值业务的多样性和灵活性，尤其是这些新业务应与w e b 应用相结合。 作为第一步，首先应积极部署为i p 用户提供服务的新一代智能网，提供 p s t n i n t e r n e t 互通( p i n t ) 业务，实现i p 电话和智能网互通；其次可研究i p 网中的分布式s c p 控制结构，有文献称之为w e b i n ；同时应积极关注i e t f 基 于s i p 和c p l ( 呼叫处理语言) 的业务控制策略。 1 2 s i p 掷议和i p 电话中的7 赶用研究和实现 未来的i p 电话应该采用宽带i p 网络技术，提高业务的q o s 。这是i p 电话 成为公众网络普遍服务的必要条件。除了在i p 电话骨干网上配备足够的带宽和 引入区分服务技术外，还必须建立完备的接纳控制机制和基于服务等级合约 ( s l a ) 的计费策略。 1 3s i p 和t t 3 2 3 在i p 电话中的比较 1 9 9 6 年，l t u ts g l 6 不失时机地制订了著名的h 3 2 3 协议第1 版本，极 大地推动了i p 电话的发展，使之进入公众服务。但是，h 3 2 3 协议任选参数太 多，不同厂商的设备往往很难互通，为此，i t x c 、朗讯和v o c a l t e c 公司于1 9 9 8 年发起制订基于h 3 2 3 的i p 电话工业标准，旨在解决互通问题，称作i n o w ! ， 现已得到国际标准化组织的重视。同时h 3 2 3 协议源于电信网，带有明显的电路 交换信令的痕迹，用于i p 网显得过于复杂。 i e t f 定义了基于s i p 协议的i p 电话体系，从技术上来说更适合于i p 网络。 这个体系结构最大限度的重用已有的协议，其使用的s i p ，s d p , r t s p 都是现成 的通用协议，用于i p 电话只需少量的功能扩展和应用环境适配。s i p 借用了h t t p 和s m t p 的成功方法，可以比较容易的引入扩充性能。s i p 协议当老的头部字段 不需要时就去除，使得协议及其编码简洁清晰。多域搜索的支持，中间服务器可 以无状态工作，使得s i p 对大型网络的支持优于h 3 2 3 。并且s i p 协议简单，易 于实现。 综上所述，i p 电话有两大体系结构：i t u t 的h 3 2 3 系统和i e t f 的s i p 系 统。 1 3 1i p 电话的h 。3 2 3 系统 著名的i p 电话网络协议就是i t u ts g l 6 研究开发的h 3 2 3 协议族。它由呼 口q 控制、媒体控制、端点管理、会议通信和网络安全等一系列协议组成，不但支 持i p 电话应用，而且支持i p 视频和数据应用以及多媒体会议应用，其主要目的 是实现位于不同网络中的终端之间的音视交互通信。这些网络可以是具有q o s 保证的( 如p s t n ，i n t r a n e t ) 也可以是没有q o s 保证的( 如l a n ，i n t e m e t ) 。 1 h 3 2 3 系统的组成 h 3 2 3 定义的网络结构主要包括终端、网关( g w ) 和网闸( g k ) 三类实体， 前二类又通称为端点。h 3 2 3 终端是在分组网中遵从h 3 2 3 标准进行实时通信的 端点设备，它可以集成在p c 中，也可以是一个独立的设备。网闸又称为网守或 关守，为h 3 2 3 端点提供地址翻译和接入控制服务，还可以提供带宽管理和网关 定位等服务。网闸是网络的管理点，一个网闸管理的所有终端和网关的集合，称 为一个管理区( z o n e ) 。通常又将属于同一个运营机构管辖的h 3 2 3 实体的集合 s i p 掷议在i p 电话中的应用研究和实现 称为一个管理域( d o m a i n ) 。在一个管理域中可含有多个网闸。不同管理区的终 端通过各自所属网闸问的配合，实现相互间通信；不同管理域之间通过代理网闸 实现业务互通。网关是h ，3 2 3 终端和非i p 网络中的音视终端通信时的互通设备， 其作用就是完成二种转换功能：媒体信息编码转换和信令转换。后者视网关的应 用环境和容量的不同，可以是用户信令或7 号信令至h 3 2 3 控制协议的转换。 2 h 3 2 3 系统的协议 h 3 2 3 的协议结构由一系列协议组成( 如表1 1 ) ，最主要的是h 2 2 5 0 和 h 2 4 5 协议。其中，h 2 2 5 0 呼口q 控制协议用于在端点( 终端或网关) 之间建立 呼叫，协议沿用了i s d n 的q 9 3 l 建议的消息定义和信令过程。h 2 4 5 协议用于 在i p 网中建立端到端的i p 承载，称之为逻辑信道。协议支持逻辑信道的打开和 关闭、能力协商( 如所支持的编解码器) 和流量控制等。上述二类控制消息都采 用t c p i p 可靠信道传递。为了加快呼叫建立的速度，目前正在考虑采用u d p i p 方式传递。 h 2 2 5 0r a s 协议定义的是h 3 2 3 端点和网闸之间的接入信令。其最基本的 功能是端点登记。所有处于工作状态的端点应向网闸登记其别名地址和呼叫控制 信道运输层地址，网闸借此更新其地址翻译表。当其他端点发起呼叫时，通过网 闸就能获知目的端点的运输层地址，从而启动呼叫建立信令过程。对于网关来说， 登汜的别名地址就是其负责接入的p s t n 号码范围。r a s 协议的其它功能还包 括呼叫接纳、带宽管理、状态查询等。 h 3 2 3 规定话音编码采用i t u t 相应的g 系列建议，其中g 7 1 l ( p c m ) 为 必备编码方式。实时音频编码信号封装在i 汀p 协议分组中，以提高定时信息和 分组序号，封装后的报文经u d p 层传送。r t p 协议中另有一部分功能称为r t c p 协议，提供q o s 监视能力。i p 网络中的传真传送协议则为t 3 8 声像虑用 终端应用控制数据应用 q 7 x xh 2 6 xr t c ph2 2 5 0h 2 2 5 ，0 蜉h 2 4 5 媒体信t 1 2 0 系列 加密终端到叫信令道控制 i n p 删闸信 不可靠j 专送协议可靠传送协议 翻络层 链路层 物理层 表1 1h 3 2 3 协议栈 s i p 腓议在i p 电话中的应用研究和实现 1 3 2s i p 电话协议栈 基于s i p 的i p 电话系统所用的协议栈结构如图1 5 所示。 r t s pr r e a l t i m es t r e a m i n g p r o t o c 0 1 ) 控制发送“一点到多点”文本格式的多 媒体数掘流。 r s v p ( r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，资源预留协议) 用于主机为特定应用数据流请求 特定的q o s 以及端点应用程序发送q o s 请求为数据传送的各个节点保留网络 资源( 如带宽，缓冲区大小等) ，大大增强了现有i n t e m e t 网络的q o s 控制。 r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ，实时传送协议) 用于a m r ( a d a p t i v em u l t i - r a t e ) 和a m r 2 w b ( a d a p t i v em u l t i r a t ew i d e b a n d ) 编码的语音信号的实时传送， 并提供q o s 反馈。 r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，实时控制协议) 用于传递实时信号 的质量参数，提供q o s 监视机制，同时还可用于传送用户的信息，建立呼叫控 甫0 村l 伟0 。 媒体传送层和h 3 2 3 系统相同，采用p c m 编码和各种压缩编码的语音信号 通过r t p 协议封装后在i p 网络上传送，并用r t c p 监测传送的q o s 。 幽15s i p 系统的协议栈 从s i p 电话协议结构可以看出，s i p 基本的呼叫信令，用户的定位注册与整 个i p 电话系统的服务质量，业务派生，任务内容描述和会议控制都是相互独立 的。从这种模块化的协议结构来看，基于s i p 的v oi p 得到了端到端的q o s 支持， 使用u d p 无连接协议，在网络负荷较重时又避免了在超时证实中导致的呼叫建 立时延的增加。同时，s i p 这种分布式的控制方式和t c p 或u d p 支持本地多播信 令，对于扩展多媒体会议规模非常有益。在n g n 中，采用s i p 把呼叫传输和呼 叫控制分开，实现了媒体与业务的分离，媒体和控制的分离，这样用户可以通过 第三方控制机制定义新的业务而不必关心承载业务的网络形式和终端类型，使 网络具备了可扩展性和快速部署新业务的能力，使网络运营者更有竞争力。 s i p 协议在f p 电话中的应用研究和实现 1 3 3s i p 和h 3 2 3 的比较 h 3 2 3 协议建立在i t u 的多媒体协议基础之上，沿用了i s d n 的q 9 3 1 建议 的消息定义和信令过程。而s i p 的设计思想完全不同。它重用了h t t p 的消息结 构和操作，如：消息头部、编码规则、错误代码和认证机制。两个协议的相同点 在于它们都采用r t p 控制媒体的传输，因此二者在i p 电话的q o s 方面区别不大。 下面，我们从复杂性、可扩展性、业务规模和补充业务能力这四个方面，详细比 较这两个协议。 1 复杂性 h 3 2 3 是一个非常复杂的协议，它的规范说明书长达7 3 6 页。s i p 只有1 2 8 页。h 3 2 3 定义了上百种组件，s i p 只有3 7 种头部，其中的每一个只配有少量参 数却表达了丰富的信息。而且，s i p 的一次呼叫从建立到结束最少只需要三条消 息：i n v i t e 、a c k 和b y e 。 h 3 2 3 采用a s n 1 编码，这通常需要特殊的解码器。s i p 采用文本格式的消 息，因此编码简单。尤其是在处理文本过程语言( 如p e r l ) 的时候，可以借助现 成的解码工具。而且，工程师可以轻松的阅读文本编码，从而简化了调试工作。 既然s i p 类似于h t t p ，它的解码器也可以借鉴h t t p 。 h 3 2 3 定义了许多协议组件。各个组件的功能没有明确的规定，很多业务需 要多个组件的共同参与。这种情况使得h 。3 2 3 消息很难穿越防火墙。因为防火墙 是应用层代理，它会解析消息的某些字段。如果一次呼叫的建立过程含有多条消 息，那么防火墙必须保存消息的状态。而对于s i p ，呼叫的建立只需要一条请求 消息，复杂度大大降低。 在h 3 2 3 体系中，功能重复增加了它的复杂性。比如，它采用r t c p 的控制 功能来检测会议和广播会话。但同时，h 2 4 5 又采用自己的方法来实现会议控制。 显然，h ，2 4 5 的控制机制是冗余的。 2 可扩展性 可扩展性是评价i p 电话信令协议的一个重要指标。i p 电话发展如此之快， 大有耿代传统电话的势头。对于任何一种广泛使用的业务，它的特点和性质必然 随着新兴应用的发展而产生变化。因此，不同时期的业务流程很难融合在一起。 由于i n t e r n e t 是一个开发的、分布的并且时刻在发展的环境，所以我们要求i p 电 话协议具有很强扩展性。 s i p 借鉴了h t t p 和s m t p 的成功经验，建立了一系列具有高扩展性和兼容 性的功能。用户代理可以利用r e q u i r e 头部明确指出所需的状态集合。当这样的 请求到达服务器时，服务器将检查是否支持r e q u i r e 里的状态。如果有一个或几 个是不能支持，服务器将返回状态消息，说明它不能支持的那些状态。根据反馈， 用户代理将简化操作要求。而且通过l a n a ，可以注册新状态。因此，任何开发 s i p 协议在 p 电话中的应用研究和实现 商都能创建自己所需的新状态。可以看出，这种机制保证了不同业务流之恻的良 好兼容性。 为了更好的支持扩展性，s i p 的数字错误代码采用了梯度空间的组织形式。 协议规定了6 个基本类型，用代码的百位数字表示。错误类型决定了协议栈要执 行的操作，终端只需了解错误类型，而不必知晓具体的错误原因。因此，通过添 加新的错误代码的语法定义就能够获得新的属性，而且不影响系统的兼容性。 由于s i p 沿用了h t t p 的体系结构，所以许多开发h t t p 的扩展性的机制页 同样适用于s i p 。p e p ( p r o t o c o l e x t e n s i o n sp r o t o c 0 1 ) 就是一个例子。 相比之下，h ，3 2 3 的可扩展性就显得十分有限。h 3 2 3 不允许端系统之问交 流各自支持的扩展业务。而且，h ，3 2 3 要求新的体系结构完全支持旧的体系。那 些已经不再使用的功能继续保存下来，使得体系结构越来越复杂。而s i p 可以取 消已经被废弃的属性和方法，从而简化协议规模。 视频和音频编码是衡量协议可扩展性的一个重要方面。目前已经开发的上百 种编码中，大多数都是不公开的。s i p 采用s d p ( s e s s i o n