（信号与信息处理专业论文）基于fpga电话终端的网络电话通信系统的研究.pdf

摘要 电话通信是目前国内外采用的主要通信方式，在现代信息社会中占有十分重 要的地位。随着市场经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们对电话的 需求量日益增高。目前各企业的电话通信一种是单独建立程控交换电话通信网 络，需要支付大量设备费、安装费、线路费、维护和维修费；另一种是利用电信 系统提供的电话通信网络，需要支付大量电话费，并且大量的布线给维修带来不 便，对环境也造成了影响。随着计算机的普及，计算机网络已经在各个行业中得 到了广泛的应用。尤其是企业内部的局域计算机网络，传输速率可达1 0 0 0m b p s 。 但是目前计算机网络主要应用于数据传输，其丰富的带宽资源没有得到充分利 用，造成了资源的浪费。 本文利用计算机网络研制了网络电话通信系统，提出一种基于f p g a 电话终 端的网络电话通信系统的设计方案；在分析了a r p 协议、i p 协议、i c m p 协议和 u d p 协议的基础上，采用a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 芯片 e p l c 3 t 1 4 4 c 8 设计了网络电话终端的硬件电路，包括电话机接口电路、f p g a 控制电路、以太网接口电路等电路，在f p g a 中嵌入了5 l i p 内核，将t c p i p 协 议移植到5 1 内核中，并编写了网络电话终端的软件，实现对网络电话终端的控 制；采用a d p c m 压缩算法实现了对语音信号3 2 k b i t s 速率的压缩；采用t c p i p 协议编写了电话终端与服务器的通信软件，实现语音信号数据的网络传输；在 v c + + 的平台上设计了网络电话通信系统的管理软件。 该系统能够利用计算机网络实现电话通信，具有安装方便，节省设备费、安 装工程费、线路费、维护维修费、电话费等优点，在企业、教育、科技、电业、 银行等行业中具有广泛的应用前景。 关键词：t c 朋p 协议；f p g a ：电话通信系统；以太网；网络电话 a b s t r a c t v o i c ec o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h em a i nm o d eo fc o m m u n i c a t i o n sn o w a d a y s ， a n di t i sv e r yi m p o r t a n ti n t h i si n f o r m a t i o ns o c i e t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e m a r k e te c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to ft h el i v i n gl e v e lo fp e o p l e ，t h ed e m a n do f t e l e p h o n ei si n c r e a s i n gf a s t a tp r e s e n t ，t h e r ea r et w om e t h o do fc o m m u n i c a t i o n si n e n t e r p r i s e ：t h ef i s t ，e s t a b l i s hp r o g r a mc o n t r o l l e ds w i t c h i n gc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sm e t h o dn e e d st op a ym a n yc o s t s ，s u c ha st h ec o s to fe q u i p m e n t ，t h ec o s to f i n s t a l l a t i o n ，t h ec o s to fc i r c u i t r y ，t h ec o s to fm a i n t e n a n c ea n ds oo n t h es e c o n du s e t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp r o v i d e db yc h i n at e l e c o m t h i sm e t h o dn e e d st o p a ye x p e n s i v ep h o n ec h a r g e ，a n dt o om u c hl i n e - a r r a n g i n ga l s od od e t r i m e n t a le f f e c t t ot h em a i n t e n a n c ea n de n v i r o n m e n t w i t ht h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i t yo fc o m p u t e r s ， n e t w o r ki su s e dw i d e l yi ne v e r yf i e l d , e s p e c i a l l yt h ee t h e r n e ti nt h ee n t e r p r i s e t h e e t h e r n e ts p e e dr a t eo f1 0 0 0m b p sc a nb er e a c h e d b u tt h e s er i c hb a n d w i d t h sa r en o t f u l lu s e d ，a n dr e s u l ti naw a s t e t h i sp a p e ru s ec o m p u t e rn e t w o r kr e s e a r c hai pn e tt e l e p h o n ys y s t e m ，p r o p o s ea d e s i g ns c h e m eo fi pn e tt e l e p h o n ys y s t e mw h i c hw a sb a s e do nf p g at e l e p h o n e t e r m i n a l ；o nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so ft h ep r o t o c o lo fa r p ，i p ，i c m pa n du d p ，u s e p t g ad e v i c ee p l c 3 t 1 4 4 c 8d e s i g n e di pt e l e p h o n et e r m i n a l sh a r d w a r ec i r c u i t ， i n c l u d i n gt e l e p h o n ei n t e r f a c ec i r c u i t ，f p g ac o n t r o lc i r c u i t ，e t h e r n e ti n t e r f a c ec i r c u i t a n ds oo n u s eaf p g ac h i pw i t ha5li pc o r ei n s i d et or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h e s y s t e mo fc o n t r o l ，p o r t i n gt c p 口p r o t o c o lt ot h i ss y s t e ma n dc o m p i l ec o n t r o l p r o t o c o lt o c o n t r o lt h ec o m m u n i c a t i o no ft h i ss y s t e m ；u s es p e e dc o m p r e s s i o n a l g o r i t h mo na d p c m t or e a l i z et h ec o m p r e s s i o no f1 6 k b p sv o i c es i g n a l ；u s et c p 仰 p r o t o c o lp r o g r a m m e dac o m m u n i c a t es o f t w a r eb e t w e e nt e l e p h o n et e r m i n a la n ds e r v e r ， r e a l i z et h et r a n s i t i o no fv o i c es i g n a lt h r o u g hn e t w o r k ；i nv c + + p l a t f o r mp r o g r a m m e d as o f t w a r ef o rt h em a n a g eo ft h ei pn e tt e l e p h o n ys y s t e m t h i ss y s t e mc a nr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g hc o m p u t e rn e t w o r k ，i th a sal o t o fa d v a n t a g e s ，f o re x a m p l ec o n v e n i e n tt oi n s t a l l ，s a v eal o to fc o s t ss u c ha st h ec o s to f e q u i p m e n t ，t h ec o s to fi n s t a l l a t i o n ，t h ec o s to fc i r c u i t r y ，t h ec o s to fm a i n t e n a n c ea n d s oo n t h i ss y s t e mh a sb e e nf o u n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nm a n yf i e l d s s u c ha se n t e r p r i s e ，e d u c a t i o n ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，e l e c t r i cu n d e r t a k i n g ，b a n ka n d s oo n k e y w o r d s ：t c p _ ，i pp r o t o c o l ；f p g a ；t e l e p h o n ys y s t e m ；e t h e m e t ；i pn e tt e l e p h o n e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼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了谢意。 学位论文作者签名： 力- 协勿、 签字日期：p7 年y 月哆同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：4 协勿。 签字同期： 。夕年y 月吗日 新躲砀五 签字嗍卅年月泖 学位论文主要创新点 一、本文提出一种基于f p g a 电话终端的网络电话通信系统的设计方案，采用 a it e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 芯片e p l c 3 t 1 4 4 c 8 设计了网络电话终端 的硬件电路，包括电话机接口电路、f p g a 控制电路、以太网接口电路等电路， 在f p g a 中嵌入了5 l i p 内核，将u d p i p 协议移植到5 1 内核中，并编写了网络 电话终端的软件，实现对网络电话终端的控制。 二、本文采用a d p c m 压缩算法实现了对语音信号3 2 k b i t s 速率的压缩，采用 u d p i p 协议编写了电话终端与服务器的通信软件，实现语音信号数据的网络传 输。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络电话通信系统的发展现状 电话通信是目前国内外采用的主要通信方式，在现代信息社会中占有十分重 要的地位。随着市场经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们对电话的 需求量日益增高，特别是在企业中。目前各企业的电话通信主要采用两种方式， 一种是单独建立程控交换电话通信网络，需要支付大量设备费、安装费、线路费、 维护和维修费；另一种是利用电信系统提供的电话通信网络，需要支付大量电话 费，并且大量的布线还会给维修带来不便，对环境也带来影响。要实现成本低、 效率高、便于控制和维护的新的组网形式唯一的方法就是实现多网合一。 随着计算机的普及，计算机网络已经在各个行业中得到了广泛的应用。尤其 是企业内部的局域计算机网络，传输速率可达1 0 0 0m b p s 。但是目前计算机网络 大部分都应用于网上数据传输方面，其丰富的带宽资源没有得到充分利用，造成 了资源的浪费。与此同时，随着数字信号处理技术的发展，各种高效率、高性能 的视频及音频压缩编解码的出现，使得语音和视频信号在以太网中的实时传输成 为可能。在现有的网络资源的基础上，提高计算机网络资源的利用率，适合我国 的国情。 目前，国内外也出现了许多将电话通信与以太网结合的技术和设备，其中l p 电话( v o i c eo v e ri p , 简写v o i p ) 就是其中之一。v o i p 主要是指在l p 网络中 实时传送语音的技术l 。近年来，随着v o i p 技术的不断成熟，使在口网络上 以共享网络带宽的方式提供语音业务成为可能。但v o i p 主要是针对i n t e r n e t ， 因此其硬件结构和软件协议比较复杂，成本较高。 1 2 课题研究目的及意义 本文针对企业内部的电话通信网设计了基于f p g a 电话终端的网络电话通 信系统，利用计算机网络实现电话通信，将企业电话通信网融入到局域以太网中， 使二网合一。安装方便，能够节省大量建设通信网络的设备费、安装工程费、线 路费、维护维修费、电话费等费用，缩短安装工程周期，提高计算机网络资源的 利用率，可取得显著的经济效益和社会效益，适合我国国情。本系统具有高度的 丌放性、集成性、安全性和灵活性，在企业、教育、科技、电业、银行等行业中 具有广泛的应用前景。 天津i ：业人学硕十学f ! 论文 1 3 课题的主要研究内容 本文主要以电话通信网与局域以太网的融合为研究对象，利用计算机网络研 制了网络电话通信系统，主要包含了以下方面的内容： 1 提出一种基于f p g a 电话终端的网络电话通信系统的设计方案； 2 在分析了a r p 协议、i p 协议、i c m p 协议和u d p 协议的基础上，采用 a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 芯片e p l c 3 t 1 4 4 c 8 设计了网络 电话终端的硬件电路，包括电话机接口电路、f p g a 控制电路、以太网 接口电路等电路； 3 在f p g a 中嵌入了5 1 1 p 内核，将u d p i p 协议移植到5 1 内核中，并编 写了网络电话终端的软件，实现对网络电话终端的控制； 4 采用a d p c m 压缩算法实现了对语音信号3 2 k b i t s 速率的压缩； 5 采用u d p i p 协议编写了电话终端与服务器的通信软件，实现语音信号 数据的网络传输； 6 在v c + + 的平台上设计了网络电话通信系统的管理软件。 第二章系统总体设计研究方案 第二章系统总体设计研究方案 基于f p g a 电话终端的网络电话通信系统主要由以太网、服务器、电话终端 和普通模拟电话机组成，其组成框图如图2 - 1 所示。 日 服务器 图2 1 网络电话通信系统结构图 终端 下面以终端a 与终端b 通信为例，简单介绍本通信系统的基本工作原理及 过程【2 】o 首先，电话a 摘机，网络电话终端a 识别到话机摘机后向电话a 送拨号音 并开始收号，终端a 接受完号码后将数据打包，发送给服务器。服务器接收到 数据包后，首先将a 的状态置为“忙”，然后将主叫和被叫的号码映射成l p 地 址，判断是否有效，如果有效，则判断被叫是否空闲。 如果被几l 忙，服务器给终端a 发送数据包通知a 终端b f 忙，终端a 收到 天津i ：业人学硕十学位论文 数据包后，给话机a 送忙音。 如果被叫空闲，服务器给终端b 发送数据包通知其有用户正在呼叫它，b 收 到数据包后，给话机b 送铃流，话机b 振铃。 当话机b 摘机后，首先网络电话终端b 会给服务器发送数据包，通知服务器 话机b 已经摘机，停止给话机b 送铃流。服务器将b 的状态也置为“忙”。 服务器给终端a 发送数据，通知终端a 话机b 已经摘机，并停止给a 送回 铃音。此时，终端a 及终端b 均将对方的i p 地址设为通信地址，直接向对方发 送和接收数据，通话开始。 当话机b 挂机后，终端b 会给服务器发送数据包，通知服务器话机b 已经 挂机，服务器收到此数据包后将b 的状态由“忙一改为“闲 ，并立即给终端a 发送数据包通知b 已经挂机。终端a 收到服务器发送的数据包后立即给话机送 通话结束音，话机a 挂机后，发送数据包给服务器通知a 已经挂机，服务器将 数据库中a 的状态也由“忙”改为“闲”，一次通话结束。 第三章网络通信协议 第三章网络通信协议 3 1t o p ip 协议族概述 t c p i p 是用于计算机通信的一组协议，我们通常称它为t c p i p 协议族。它 是7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域网开发的网络体系结构和协议标 准，以它为基础组建的i n t e r n e t 是目前国际上规模最大的计算机网络，正因 为i n t e r n e t 的广泛使用，使得t c p m 成了事实上的标准。t c w i p 协议族己 成为当今计算机间最常用的网络通信标准，是全球互联网( i n t e m e t ) 的基础。很多 不同的厂家生产各种型号的计算机，它们运行完全不同的操作系统，但t c p i p 协议组件允许它们互相进行通信1 3 j 。 3 2t c p i p 参考模型及各层功能 ( t r a n s f e rc o n t r o l n p r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) n q 做传输控制网际协议，又叫网 络通讯协议。以t c p i p 协议为基础组建的i n t e r n e t 是目前国际上觑模最大的计算 机网络，正因为i n t e r n e t 的广泛使用，使得t c p i p 成了网络体系的标准。它包括： t c p 传输控制协议，l p 互联网协议，u d p 用户数据报协议，i c m p 互联网控制信 息协议，s m t p 简单邮件传输协议，s n m p 简单网络管理协议，f 1 r p 文件传输协议， a r p 地址解析协议等许多协议。 t c p i p 协议是一个四层协议系统，从上到下依次为应用层，传输层，网络 层和网络接口层。t c p i p 分层模型如图3 1 所示。 应用层 传输层 网络层 网络接口层 幽3 - 1t c p i p 分层模璎 天津1 ：业人学硕十学位论文 第一层：网络接口层 这是t c p i p 协议软件的最底层，它负责接收i p 数据报并把数据报通过选定 的网络发送出去。它使用自己的数据链路协议，传送的是特定网络的帧。 第二层：网络层 该层用来处理机器之问的通信问题，传送i p 数据报。它接收运输层请求， 传输某个具有目的地址信息的分组，该层把分组封装到i p 数据报中，填入数据报 的首部( 报头) ，使用选路算法来确定是直接交付数据报，还是把它传递给路由 器，然后把数据报交给适当的网络接口进行传输。该层还要处理传入的数据报， 检验其有效性，使用选路算法来决定应该对数据报进行本地处理还是应该转发。 如果数据报的目的处于本机所在的网络，该层软件就会除去数据报的首部，再选 择适当的运输层协议来处理这个分组。最后，网络层还要根据需要发出和接收 i c m p 差错和控制报文。其主要的协议就是无连接的网际协议i p 。与网际协议i p 配合使用的还有三个协议，就是i n t e r a c t 控制报文协议i c m p ，地址解析协议a r p 和逆地址解析协议r a r p 。 第三层：运输层 运输层的基本任务是提供应用程序之间的通信服务。传送的是运输协议分 组。这种通信又叫端到端通信。运输层要系统地管理信息的流动，还要提供可靠 的传输服务，以确保数据到达无差错、无乱序。为了达到这个目的，运输层协议 软件要进行协商，让接收方回送确认信息以及让发送方重发丢失的分组。运输层 协议软件把要传输的数据流划分为小块( 分组) ，把每个分组连同目的地址交给下 一层去发送。运输层要从若干程序那罩接收数据并把它们送给下一分层。为此， 运输层还要对每一个分组附加信息，包括一些代码，标识该分组是由哪个应用程 序发送的、要送给哪个应用程序等，还包括一个校验和。接收到分组的机器使用 校验和来检验数据是否出错，并通过目的代码确定将分组发给哪个对应的应用程 序。这一层可以使用两种不同的传输协议。一种是面向连接的传输控制协议t c p ， 另一种是无连接的用户数据报协议u d p 。 第四层：应用层 在这个最高层中，用户调用应用程序通过t c p 仰互连网来访问可用的服务。 与各个运输层协议交互的应用程序负责接受和发送数据。每个应用程序选择适当 的传输服务类型。应用程序把数据按照运输层的格式要求组织好之后向下层传 输。 3 3t c p lp 的作用 国际互联网( i n t e m e t ) 是建在把全世界的计算机网络连接起来的基础之上 第三章网络通信协议 的。这些计算机网络中可能存在许多不同类型的计算机，因此，必须有个共同的 规则把所有这一切连接在一起，这个规则就是t c p i p 。它是一个计算机通信的 规范。 在国际互联网( i n t e r a c t ) 内部，从主机传送到主机的数据，不是所有数据 一起传送，而是把数据分解成小包( 称为：数据包) 进行传送。例如：传送一个 很长的电子邮件，t c p 就会把这个电子邮件分成很多个数据包( 每一个数据包用 一序号和一接收地址来标明) ，再加入一些纠错信息后，分别进行传送。数据包 在网络上传输，这是i p 的工作，它负责把数据包传输到数据包上规定的主机。 在接收端主机上的t c p 接收这些数据包、核查错误并把数据包拼接起来。如果 有错误发生，t c p 可以要求重发这个特定的数据包。只要所有的数据包都被正确 地接收到，t c p 将用序号来重构原始数据信息。换句话说，i p 的工作是把原始 数据( 数据包) 从一地传送到另一地；t c p 的工作是管理这种流动并确保其数据 是正确的。 把数据分解成数据包有很多的好处。首先，因为这些数据包不必一起输送， 所以允许网络上很多不同的用户可以在同一时间用同一通讯线路。当数据包传输 时，它们沿规定的路线( 即路由) 从一台主机到另一台主机，一直到达它们到达 最终目的地的主机。这就意味着i n t e r a c t 很具灵活性。即使一个特定的路由中断 了，控制数据包流动的计算机可以找到另一条路由，继续传输。而实际上，在单 一数据传输中，各个数据包完全可能沿不同的路由传输。这也意味着，网络可获 得当时最好的连接。例如，当网络的某一特定部分过载，数据包可以改变路线去 走那些比较空闲的线路。其次，当某个数据包出错时，只须重新传送单个数据包， 而不要整个信息。所以这种灵活性带来了很高的可靠性。不管怎样，t c p i p 都 保证数据到达目的地。虽然所有数据包都必须通过很多计算机，但它可用几秒钟 就把一个文件从一主机传输到另一主机，哪怕它们相距上千公里。所以t c p i p 协议是把计算机和通讯设备组织成网络通信规则的集合。 当应用程序用t c p 传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一 层，直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首 部信息( 有时还要增加尾部信息。t c p 传给i p 的数据单元称作t c p 报文段或简 称为t c p 段( t c ps e g m e n t ) 。i p 传给网络接i ：1 层的数据单元称作i p 数据报( i p d a t a g r a m ) 。通过e t h e l n e t 传输的比特流称作帧( f r a m e ) 。 e t h e m e t 数据帧的物理特性是其长度必须在4 6 1 5 0 0 字节之间。更准确地说， l p 和网络接口层之间传送的数据单元应该是分组( p a c k e t ) 。分组既可以是一个i p 数据报，也可以是i p 数据报的一个片( f r a g m e n t ) 。 u d p 数据与t c p 数据基本一致。唯一的不同是u d p 传给i p 的信息单元称 作u d p 数据报( u d pd a t a g r a m ) ，而且u d p 的首部长为8 字节。 天津：r ：业人学硕十学位论文 由于t c p , u d p , i c m p 和i g m p 都要向l p 传送数据，因此l p 必须在生成的 i p 首部中加入某种标识，以表明数据属于哪一层。为此，l p 在首部中存入一个 长度为8b i t 的数值，称作协议字段。 类似地，许多应用程序都可以使用t c p 或u d p 来传送数据。运输层协议在 生成报文首部时要存入一个应用程序的标识符。t c p 和u d p 都用一个1 6b j t 的端口号来表示不同的应用程序。t c p 和u d p 把源端口号和目的端口号分别存 入报文首部中。 网络接口分别要发送和接收i p , a r p 和r a r p 数据，因此也必须在e t h e m e t 的帧首部中加入某种形式的标识，以指明生成数据的网际层协议。为此，e t h e m e t 的帧首部也有一个1 6b i t 的帧类型字段吼 当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时 去掉各层协议加上的报文首部。每层都要去检查报文首部中的协议标识，以确定 接收数据的上层协议。 3 4t o p ip 协议分析 3 4 1a r p ( 地址解析协议) 当一台主机把e t h e r n e t 数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时， 是根据4 8b i t 的e t h c r n e t 地址来确定目的接口的，在硬件层次上进行的数据帧交 换必须有正确的接口地址。t c p 佃有自己的地址，即3 2b i t 的口地址。但是口 地址只是主机在网络层中的地址，是不能直接用来进行通信的，设备驱动程序从 不检查i p 数据报中的目的l p 地址。因此，知道主机的i p 地址并不能让内核发 送一帧数据给主机，内核( 如e t h e m e t 驱动程序) 必须知道目的端的硬件地址才能 发送数据。 a r p 数据报格式如表3 - 1 所示。 表3 1a r p 数据报格式 硬1 ：，l ：类型协议类弛 硬件k 度 协议长度操作 发送者硬什地址 发送者硬件地址 发送者i p 地址 发送者i p 地址目的硬件地址 目的硬f ，l ：地址 目的i p 地址 第二章网络通信协议 硬件类型：占1 6 比特，指定该请求用来获得回应的硬件接口。 协议类型：占1 6 比特，指定网络层协议类型。 硬件长度和协议长度：各占8 比特，分别指定硬件地址和协议地址的长度。 并以字节为单位。 操作：占1 6 比特，用于指定是a r p 请求或响应还是r a r p 请求或响应。 发送者硬件仰地址：标识发送方的硬件地址和逻辑地址。 目的硬件l p 地址：标识目的端的硬件地址和逻辑地址。 a r p 的功能是在3 2b i t 的i p 地址和采用不同网络技术的硬件地址( 不仅限于 m a c 地址，这里仅讨论m a c 地址。在局域网中，由于物理地址已经固化在网 卡上的r o m 中，因此常常将m a c 地址称为物理地址，硬件地址) 之间提供动态 映射，所谓的动态映射，是指映射表里的都是该主机目前知道的一些地址，随着 需要而更新。 在a r f 协议中的操作，对于连接在同一个e t h e r n e t 段上的所有主机来讲， 需要发送一个查询包。即a r p 请求包。对于指定i p 地址的接口而言，要求通知 其m a c 地址。在同一个e t h e m e t 段上的所有主机都可以收到该a r p 请求包， 并且，a r p 协议将接收端的i p 地址与接口的i p 地址作比较，若相同，则使用a r p 应答包来通知其m a c 地址。 假设主机b 要查询主机c ：1 9 2 1 6 8 0 3 的m a c 地址。首先主机b 组装 好一个 a r p 请求包”，然后向同一e t h c m e t 上面的所有主机发送该包( 并不是 发送多个e t h e r n e t 帧，而是以广播式通信发送一个帧，即将e t h e m e t 帧首部中接 收端的m a c 地址置为f f ：f f ：f f ：f f ：f f ：f f ) ，并且在发送端的n i c 中包 括自己的m a c 地址，在e t h e m e t 类型字段赋值0 x 0 8 0 6 在一个a r p 请求包里面，硬件地址类型字段赋值为1 ，表示以太网；协议 地址类型字段赋值为0 x 0 8 0 0 ，表示将发送方映射为硬件地址的网络层协议为i p ； 硬件地址长度域为6 ；协议地址长度为4 ，这罩都是以字节为单位；可选项为1 ， 表示a r p 请求。 在本例中，发送端硬件地址字段和发送端协议地址字段分别存储主机b 的 m a c 地址0 0 ：0 1 ：0 2 ：0 3 ：0 4 ：0 5 和口地址1 9 2 1 6 8 0 1 ，因为不知道接收端的硬件 地址，所以存储0 0 ：0 0 ：0 0 ：0 0 ：0 0 ：0 0 ，在接收端协议地址中存储要查询的m a c 地 址的主机的m 地址1 9 2 1 6 8 0 3 。 当主机c 收到该a r p 包后，即可知道主机b 想要知道自己的m a c 地址， 于是生成一个含有自己m a c 地址的a r p 应答包，在该包中，a r p 可选项赋值 为2 ，在a r p 包发送端硬件地址字段填入自己的m a c 地址 o o ：b o ：d o ：3 c ：b 1 ：6 8 ，发送端协议地址字段为自己的口地址1 9 2 1 6 8 0 3 ，接收 端的硬件地址字段和协议地址字段分别是主机b 的m a c 地址和l p 地址。显然 天津j 1 ：业人学硕十学位论文 a r p 请求包和应答包中，发送端地址和接收端地址是相反的。 通过上述方法即可检索对应于i p 地址的m a c 地址。使用a r p 协议检索 到的信息都记录在一个a r p 表中，a r p 表作为高速缓存器进行操作，在发送同 一个i p 地址的时候，从该表中可以检索到m a c 地址，值得注意的是，该条记 录的信息，在写入数分钟后就会被删除，这是因为同一n i c 可以设定任意的口 地址，在表中记录的信息删除后，同一口若要发送数据，则需再次执行a r p 协议的操作。 3 4 2i p ( 互联网协议) 口( 互联网协议) 完成了t c p p 协议栈中的大部分工作。t c p i p 协议中所 有协议和应用都运行于i p 之上，并且将它用于网络层的寻址和主机间数据报的 传送。i c m p ( f f _ 联网控制报文协议) 是i p 的一个主要部分并且采用i p 传输数据 报。 口提供了一种不可靠的、无连接的数据报传输服务，因此，i p 并不能保证 一个i p 报文可以成功地到达目的的主机。然而它提供了尽力传送，即它将数据 报发送出去并且希望它能到达目的主机。口只是将逻辑的网络层源和目的地址 加入并且传送该报文，而依靠其他层保证报文到达的主机。如果发生传输问题， 当口遇到一个错误时，就依赖于i c m p 发送消息。口遇到传输错误时，它只是 丢弃该数据报，产生一个i c m p 报文并发送到发送主机已告知传输错误的详细信 息。 表3 - 2i p 数据报完整格式表 版本首部长度服务类型总k 度 标识标志片偏移 生存时间协议 首部检验和 源地址 目的地址 可选自段( 长度可变)填充 数据部分 互联网协议的主要功能是主机的逻辑层的编址和以数据报的形式在主机间 传输信息。i p 也具有诸如分段和重组等其他重要功能，当数据报太大而不能被 源主机发送且要把它分成较小的数据报这是非常必要的。因为i p 是无连接的， 因此它并不要求主机之问的连接。它不需要给数据报编号、确认和控制主机问的 数据流。i p 把每一个数据报都视为分离的实体；它只是给数据报编址并且发送 出去，希望能到达目的主机。 1 0 第二章网络通信协议 i p 从u d p 或t c p 中接受数据流，并且将这些信息分成“块，为每块数据 编址，并打包成口数据报，然后通过网络将数据报发送给目的主机，由路由器 和路由选择协议决定源和目的之间的路由选择。 l p 数据报格式如表3 2 所示，各种数据格式都以3 2 b i t 为单位来描述。 3 4 3i o m p ( 因特网控制报文协议) i c m p 经常被认为是口层的一个组成部分。它传递差错报文以及其他需要 注意的信息。i c m p 报文通常被l p 层或更高层协议( t c p 或u d p ) 使用。一些 i c m p 报文把差错报文返回给用户进程。 i c m p 报文是在口数据报内部被传输的，被封装在i p 数据报内。所有报 文的前4 个字节都是一样的。但是剩下的其他字节则互不相同。类型字段可以有 1 5 个不同的值，以描述特定类型的i c m p 报文，某些i c m p 报文还使用代码字 段的值来进一步描述不同的条件。例如：报文“i c m p 不能到达目的地”为类型8 ， 又可分为“由于网络原因不能到达目的地”( 编码0 ) ，“由于主机原因无法到达目 的地”( 编码1 ) ，“由于协议原因无法到达目的地”( 编码2 ) ，等等。 3 。4 。4u o p ( 用户数据报协议) u d p 是m 顶层的两个主要的传输层协议之一，它是一种无连接的传输层协 议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。由于它是无连接协议，所以只是 发送数据而不检查接收方主机是否真正收到该数据。u d p 只在i p 的数据报服务之 上增加了很少一点的功能，这就是端口的功能。端口号表示发送进程和接收进程。 在多进程的操作系统中，可以通过端口号来区分不同的进程，以把数据报准确送 达相应的应用程序。一般服务器都是通过知名端口号来识别的。 u d p 依赖于其它协议来保证发送的数据到达接收方及恢复丢失的数据。它 没有面向连接的协议所具有的可靠性，但是u d p 以其快速和开销小的优势为应 用程序之间的通信提供简单的事物服务，它适用于自身可提供错误检测和故障恢 复系统或不需要这些服务的协议。包括网络文件系统( n f s ) 、简单网络管理协议 ( s n m p ) 、域名系统( d n s ) 以及简单文件传输系统( 1 f 1 1 p ) 。u d p 数据报格式如表 3 3 所示。 天津工业大学硕+ 学位论文 在u d p 数据报的首部中包含有2 字节的检验和字段，其检验方法有些特殊。 在计算检验和时在u d p 数据报之前要增加1 2 字节的伪首部。所谓的“伪首部” 是因为这种伪首部并不是u d p 数据报的真正首部。只是在计算检验和时，临时 和u d p 数据报连接在一起，得到一个过渡的数据报。检验和就是按照这个过渡 的u d p 数据报来计算的。伪首部包含口首部一些字段，其目的是让u d p 两次 检查数据是否已经正确到达目的地( 例如，i p 没有接收目的地址不是本主机的 数据报，以及口没有把应传给另一高层的数据报传给u d p ) 。伪首部既不向下 传送，也不向上递交。 u d p 使用端口与上层的应用进程进行通信。应用层的各种进程是通过相应 的端口与运输实体进行交互。因此在运输协议数据单元的首部中都要写入源端e 1 号和目的端口号。运输层收到m 层交上来的数据后，要根据其目的端口号决定 应当通过哪一个端口上交给目的应用进程。总之端口作用就是让应用层的各种应 用进程都能将其数据通过端口向下交付给运输层，以及让运输层知道应当将其报 文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。 3 4 5t o p ( 传输控制协议) t c p 协议与u d p 协议同属于运输层，是一种面向连接的传输层协议。它通过 序列号确认以及包重发机制，提供可靠的数据流发送和到应用程序的虚拟连接服 务。t c p 协议给远程主机间通信的进程和应用提供端到端的可靠服务，它采用了 许多机制来保证传输可靠性。它已变成为主机间提供有保证数据传输的网络协 议。 t c p 数据报格式如表3 4 所示。 不o t c p 消息在通过网络传送数据时，被封装在一条i p 数据报中，如图3 2 所 第三章网络通信协议 图3 2t c p 封装图 第四章硬件电路设计方案 4 1 硬件总体设计 第四章硬件电路设计方案 本网络电话通信系统的电话终端部分采用传统的模拟电话机，终端的硬件主 要由电话机接口电路、f p g a 控制电路和以太网接口电路等电路组成，终端硬件 原理框图如图4 1 所示。 图4 1 终端硬件原理框图 电话接口电路主要实现终端对模拟电话机的控制以及语音信号的a d 和 d a 转换。电话接口电路包含了用户电路、铃流电路、m t 8 8 7 0 收号电路、a d p c m 编译码电路等。 f p g a 控制电路以f p g a 为主芯片，并在f p g a 中嵌入了5 l i p 核。作为整 个系统的控制核心，在完成控制功能的同时还要为a d p c m 编解码器提供时钟信 号，并且为编解码器提供数据的串并和并串变换。语音数据经控制电路处理后 传送到以太网接口电路发送到局域网。f p g a 控制电路包含了f p g a 最小系统、 j t a g 接口、程序存储器、数据存储器、r s 2 3 2 串行接口、单片机复位电路、指 示灯及键盘电路、拨码开关电路、l c d 接口电路和2 4 c 5 1 2 接口电路等。 以太网接口电路的主要功能是将从局域网接收到的数据包传送给控制电路， 同时也将从控制电路接收的数据包发送到局域网中，实现终端与局域网之间的数 据交换。以太网接口电路包含了以太网接口芯片r t l 8 0 1 9 、网络指示灯、网络变 压器和l u 4 5 接口等i 引。 以终端a 与终端b 通信为例，本通信终端的基本工作过程如下： 天津1 ：业人学硕十学位论文 主叫用户a 摘机后，f p g a 控制模块检测到用户摘机信号，启动信号音电路 向主叫用户送拨号音，并通过d t m f 收号电路对用户所拨号码进行接收。f p g a 控制模块内嵌的5 1 核将用户1 拨出的号码根据t c p i p 协议打成以太网数据包后 控制以太网接口模块将数据包经r j 4 5 接口由以太网发送出去，寻找被叫用户b 。 电话号码是同用户的i p 地址一一对应的，通过a r p 协议实现查找。 找到用户b 后，如果用户b 忙，启动信号音电路对用户a 送忙音。如果用 户b 空闲，启动信号音电路对用户a 送回铃音，对用户b 振铃。f p g a 控制模 块检测到用户摘机后，控制振铃模块结束用户b 振铃。双方进入通话阶段。 f p g a 通过d o ed i e ( 解码器输入输出使能) ，e o ee i e ( 编码器输入输 出使能) 来控制a d p c m 模块对语音信号进行编解码，通过m h 8 8 6 1 2 的v x 和 v r 管脚收发语音数据，用户间通话。 4 2f p g a 控制电路 f p g a 控制电路包含了f p g a 最小系统( 含j t a g 和a s 接口) 、r o m 、r a m 、拨 码开关电路、屯平转换电路、单片机复位电路和2 4 c 5 1 2 接口电路。本系统的控 制部分使用了a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 芯片e p l c 3 t 1 4 4 c 8 。该芯片 采用0 1 3 u m 的工艺制造，其内部有锁相环、r a m 块，逻辑容量为2 9 1 0 个l e ，并 为用户提供了1 0 4 个l i o n l 5 1 。 除2 4 c 5 1 2 芯片外，其它所有外设均以总线形式连接到f p g a 内的5 1 i p 核上， 因此在f p g a 内部除了嵌入一个5 1 1 p 核外，还需要做总线逻辑和地址译码等逻辑 电路。 4 2 1f p 6 a 最小系统及接口电路 f p g a 最小系统主要实现对本通信系统中各电路的控制功能，是f p g a 控制 电路的核心，主要实现时钟变换，5 1 控制，地址锁存等功能。 f p g a 硬件电路中各i o 管脚提供的主要功能包括：p c m 编码帧同步时钟、 m c l 4 5 5 5 7 主时钟，a d p c m 编译码器输入输出使能及复位、d t m f 收号电路使 能及输出、摘挂机检测、振铃控制、拨码丌关控制、5 l i p 核的数据线及控制、 网卡电路数据线及控制、l c d 数据线及控制等，具体电路原理图如图4 2 所示。 c y c l o n e 系列f p g a 属于s r a m 型f p g a ，配置次