（通信与信息系统专业论文）基于p2psip的ip语音通信系统高可用性的研究与设计.pdf

基t - p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可用性的研究与设计 摘要 随着计算机网络技术和通信技术的飞速发展以及多媒体应用的深入和普 及，目前i p 语音通信系统已成为i n t e m e t 应用的一个热门研究课题。s i p ( s e s s i o n i n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 是由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 ) 组织提出的信令 控制协议。s i p 协议以开放性、可扩展性以及与i n t e m e t 结合紧密等优势，正 逐步成为n g n 软交换系统中的重要协议。 p 2 p ( p e e rt op e e r ，对等网络1 技术的出现打破了原有c s 架构业务模型，p 2 p 虽然网络没有中央服务器，但是能够进行自组织，同时p 2 p 系统具有高扩展性、 健壮性和容错性等特性，正越来越受到人们的广泛研究并得到规模使用。 如何针对s i p 与p 2 p 的优势，使这两种技术能有够有效地互补结合是当前 研究的一个热点。本文从分析研究s i p 协议和p 2 p 技术入手，设计出基于p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可用性的模型。本设计充分考虑到s i p 服务的商业化和电 信级运营，系统发挥了p 2 p 网络和s i p 协议两者的优点，对s i p 协议进行了支 持p 2 p 的扩展，采用c h o r d 节点搜索算法，增强了系统的可用性，并对其中的 关键的节点注册、资源定位等技术进行了详细的研究。 关键字：s i pp 2 pc h o r d 算法注册资源定位 基丁p 2 p s i p 的l p 语音通信系统高可州性的研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g n o fah i g ha a i l a b l ev o i c eo v e ri p s y s t e mb a s e d o np 2 p s i pt e c h n o l o g y a b s t r a c t a t p r e s e n t ，w i t ht h e t r e m e n d o u s d e v e l o p m e n t o ft h e c o m p u t e r n e t w o r k e c h n o l o g ya n dt h ec o m m u m c a t i o nt e c h n o l o g ya sw e l la st h o r o u g ha n dp o p u l a r a p p l i c a t i o no fm u l t i m e d i a ，v o i c eo v e ri ph a sb e c o m eap o p u l a rr e s e a r c ht o p i co f i n t e r n e ta p p l i c a t i o n t h es e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o li sas i g n a l i n gp r o t o c o ld e v e l o p e d b yi 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 ) i ti sn o wg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ec r i t i c a l p r o t o c o lo fs o f l s w i t c hb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g eo fd e g r e eo fo p e n ，e x t e n s i o na n d c o n n e c t i o nw i t hi n t e r n e t p 2 p ( p e e rt op e e r ) t e c h n o l o g yb r e a k st h ef o r m a lc sb a s e dm o d eo fb u s i n e s s ，i t a r o s ep e o p l e si n t e r e s ti nr e s e a r c h i n ga n du s i n gi nl a r g es c a l e ，b e c a u s ei ti n h e r e n t l y h a s h i g hs c a l a b i l i t y , r o b u s t n e s s ，f a u l tt o l e r a n c e ，n o n c e n t r a l i z e d s e r v e ra n d s e l f - o r g a n i z e d h o wt oc o m b i n et h e s et w ot e c h n o l i g i e s t o g e t h e r a n dm a k eu s eo ft h e i r a d v a n t a g e si sa ni m p o r t a n tg o a lf o rm a n yr e s e a r c hi n s t i t u t e s b ya n a l y z i n ga n d r e s e a r c h i n gt h ep 2 pt e c h n o l o g ya n ds i pp r o t o c o l ，i nt h i sp a p e r , am o d e lo fas i p - p 2 p v o i c eo v e ri ps y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d 。i te x t e n d st h es i pp r o t o c o li no r d e rt o s u p p o r tt h ep 2 p ，u s i n gt h ec h o r dn o d es e a r c h i n ga r i t h m e t i c a n dt h et h e s i sm a k e sa r e s e a r c ho nt h en o d er e g i s t e r , r e s o u r c el o c a t i o ni nd e t a i l k e yw o r d s ：s i pp 2 pc h o r d r e g i s t r a t i o n r e s o u r c el o c a t i o n 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 友1 缺 lf i 期：蹴t r a i n 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 引颀 日期：力萨明2 6 日 基于p 2 p s i p 的l p 语音通信系统高可h j 性的研究与设计 第1 章绪论 1 1 研究背景和研究意义 在信息网络发展的大潮流中，以软交换为核心的下一代网络技术和s i p 与p 2 p 技术的结 合成为大家关注的焦点，国内外通信领域均积极地投入精力来挖掘该技术的潜能。i p 语音 通信方案所引起的轰动，意味着它已成为语音通信的重要选择，也就是说，它是我们多年 熟知的电路交换电话技术的一个重要替代技术。i p 语音通信技术现在不仅能够提供直接的 电话服务，而且能以与我们熟知的传统电话相同的服务质量提供更多的附加服务。为了获 得一个具有高可靠性、可扩展性、负载均衡而且互通性能好的i p 语音系统，通过把p 2 p 技 术引入至i j s i p 中，提出了基于p 2 p s i p 的i p 语音系统。针对s i p 和p 2 p 优势互补与结合方面的 研究，有不少研究机构已经进行了很多有益的尝试，具有很高的学术价值。 本课题针对目前i p 语音通信系统健壮性和扩展性不高等问题进行的工作展开。在用户 定位、呼叫路由查找方面，s i p 服务器端需要维护大量的用户定位和状态信息，如果s i p j 艮 务器端发生故障，将导致服务的大规模瘫痪；由于系统的用户般不受地域性限制，一 旦应用具有某些极具吸引力的特点，从而导致用户在短期内快速膨胀，且用户量难以预测， 可能会导致系统难以前扩展且能力不足，难以平滑扩展，最终会影响服务质量和用户感受。 引入i r 2 p 与s i p 协议相结合的方式，使得系统的健壮性和扩展性都增强了，能更好的满 足实际需求。在客户量增加的情况下，能保持通话的质量。系统能良好地运行，满足在不 同网络环境下用户通信的需求，解决以往可能出现的某些网络坏境中通信质量差的问题。 而且在系统的实际研发中，系统设计中考虑到更多的实际问题，使得丌发出的产品具有更 高的应用价值。 1 2n g n 和软交换技术 1 2 1 n g n 简介 n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) ，即下一代通信网络，它是以软交换为核- t l , ，能够提供 包括语音、数据、视频和多媒体业务的基于分组技术的综合开放的网络架构，代表了通信 网络发展的方向。n g n 具有分组传送、控制功能从承载、会话、业务中分离、业务提供与 网络分离、提供开放接口、利用各基本的业务组成模块、提供广泛的业务和应用、端到端 q o s 和透明的传输能力通过开放的接口规范与传统网络实现互通、通用移动性、允许用户 1 基于p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可刚性的研究与设计 自由地接入不同业务提供商、支持多样标志体系，融合固定与移动业务等特征。 n g n 可以说是在网络业务量和电信外部环境几乎同时发生巨大变化的前提下，电信业 试图利用最新技术发展的最新成果，以适应技术和市场发展、变革、竞争需求而提出的下 一代网络发展的总体设想和思路，以及一系列的技术解决方案。n g n 的目标是消除现有电 信网络的弊端【1 i ，它的出现是电信史上的里程碑，标志着新一代电信网络的到来。 1 2 2 软交换技术 软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关( 传输层) 中分离出来，通过软件 实现基本呼叫控制功能，包括呼叫选路、管理控制、连接控制( 建立、拆除会话) 和信令 互通，从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的 平面。软交换主要提供连接控制、翻译和选路、网关管理、呼叫控制、带宽管理、信令、 安全性和呼叫详细记录等功能【2 1 。与此同时，软交换还将网络资源、网络能力封装起来， 通过标准开放的业务接口和业务应用层相连，从而可方便地在网络上快速提供新业务。 软交换是一个分布式的软件系统，可以在基于各种不同技术、协议和设备的网络之间 提供无缝的互操作性，其基本设计原理是设法创建一个具有很好的伸缩性、接口标准性、 业务开放性等特点的分布式软件系统，它独立于特定的底层硬件操作系统，并能够很好地 处理各种业务所需要的同步通信协议。并且它应该有能力支持下列基本要求： ( 1 ) 独立于协议和设备的呼叫处理和同步会晤管理应用的开发。 ( 2 ) 在其软交换网络中能够安全地执行多个第三方应用而不存在由恶意或错 误行为的应用所引起的任何有害影响。 ( 3 ) 第三方硬件销售商能增加支持新设备和协议的能力。 ( 4 ) 业务和应用提供者能增加支持全系统范围的策略能力而不会危害其性 能和安全。 ( 5 ) 有能力进行同步通信控制，以支持包括帐单、网络管理等。 ( 6 ) 支持运行时间捆绑或有助于结构改善的同步通信控制网络的动态拓扑。 ( 7 ) 从小到大的网络可伸缩性和支持彻底的故障恢复能力。 软交换的实现目标是在媒体设备和媒体网关的配合下，通过计算机软件编程的方式来 实现对各种媒体流进行协议转换，并基于分组网络的架构实现i p 网、a t m 网、p s t n 网等 的互连，以提供和电路交换机具有相同功能并便于业务增值和灵活伸缩的设备【3 1 。 2 基于p 2 p s i p 的l p 语音通信系统高可川性的研究与设计 1 3i p 语音通信简介 i p 语音通信( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l ，简称v o i p ) ，可以简单理解为一种用i p 网 络系统代替传统电话通讯系统进行语音通话的技术。 1 3 1 基本原理与实现形式 v o i p 是建立在i p 技术上的分组化、数字化传输技术，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i p 等相关协议进行打包，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串起来，经过解码解压处理后，恢复 成原来的语音信号，从而达到由i p 网络传送语音的目的。 i p 电话系统把普通电话的模拟信号转换成计算机可联入因特网传送的i p 数据包，同 时也将收到的i p 数据包转换成声音的模拟电信号。经过i p 电话系统的转换及压缩处理， 每个普通电话传输速率约占用8 - - 1 1 k b i t s 带宽，因此在与普通电信网同样使用传输速率为 6 4 k b i t s 的带宽时，i p 电话数是原来的5 倍。v o i p 的传输过程分为下列几个阶段1 4 】( 图1 ) ： 图1v o i p 传输的基本过程 ( 1 ) 语音数据转换 语音信号是模拟波形，通过i p 方式来传输语音。不管是实时应用业务还是非实时应用 业务，都首先要对语音信号进行模拟数据转换，也就是对模拟语音信号进行8 位或6 位的 量化，然后送入到缓冲存储区中，缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低 比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码，典型帧长为1 0 3 0 m s 。考虑传输过程中的代 价，语音包通常由6 0 、1 2 0 或2 4 0 m s 的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案 来实现，目前采用的语音编码标准有g 7 1 1 、g - 7 2 9 等。源和目的地的语音编码器必须实现 相同的算法，这样目的地的语音设备就可以还原模拟语音信号。 3 基丁p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可刚性的研究与设计 ( 2 ) 原数据到i p 转换 一旦语音信号进行数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部 份的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用1 5 m s 的帧，则把从6 0 m s 的包分成4 帧， 并按顺序进行编码。每个帧合1 2 0 个语音样点( 抽样率为8 k h z ) 。编码后，将4 个压缩的 帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息 后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接( 一条线路) ， 并在端点之间传输编码的信号。口网络与电路交换网络不同，它不形成连接，要求把数据 放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送， 一站一站地转发到目的地。 ( 3 ) 传送 在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间( t ) 内将 其传送到网络输出端。t 可以在某全范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的同 间节点检查每个l p 数据附带的寻址信息，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 数据流的任何拓结构或访问方法。 ( 4 ) i p 包数据的转换 目的地v o i p 设备接收这个i p 数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓冲器， 用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓冲器的大小。小 的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。解码器将经编码的语音包解压缩后产生新 的语音包，这个模块也可以按帧进行操作，长度完全和解码器的相同。若6 0 m s 的语音包 被分成4 帧，则帧长度为1 5 m s ，然后它们被解码还原成6 0 m s 的语音数据流送入解码缓冲 器。在数据报的处理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数 据提供给解码器。 ( 5 ) 数字语音转换为模拟语音 播放驱动器将缓冲器中的语音样点( 4 8 0 个) 取出送入声卡，通过扬声器按预定的频 率( 例如8 k h z ) 播出。简而言之，语音信号在i p 网络上的传送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、口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。 1 3 2 市场前景 i p 语音通信的产生是由于i n t e r n e t 的迅猛发展和普及。i p 电话利用语音数据集成与语 4 基于p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可用性的研究与设计 音分组技术相结合的优势，从而迎来了一个新的网络环境，这个新环境提供了低成本、高 灵活性、高成产率及效率的增强应用等特点。i p 电话的这些优点使企业、服务供应商和电 信运营商们看到了美好的前景。把语音和数据集成在一个分组交换网络中的契机是由以下 因素推动的： 通过统计上的多路复用而提高效率。 通过语音压缩和语音活动检测( 静音抑止) 等增强功能而提高效率。 通过联合基础设施组建降低管理成本。 通过计算机电话集成的新应用的可能性。 随着国家开始大力推进n g n 网络的建设与开发，开发与之相关的应用业务也成为了 网络建设的必然趋势。随着电信运营的发展，用户群体增加、用户对语音需求的及时性及 话音质量等等方面都有了越来越高的要求。作为n g n 网络服务的一个重要方向，i p 语音 通信业务也需要适应性的发展。通过对s i p 协议的研究，开发出基于这种新兴技术的相关 产品，符合当前我国建设信息社会，发展信息技术的时代大潮流。同时这也会成为推动整 个n gn 网络发展，建设信息高速化的重要技术力量。 1 4p 2 p 技术简介 p 2 p 即p e e rt op e e r ，称为点对点连接或对等网络，是一种独特的互联网络技术，它弱 化了服务器和客户机的概念。在p 2 p 网络中，每台节点计算机都拥有同等的能力，负有相 同的责任，节点之间可以直接交换资源和服务p 2 p 技术对交互式媒体应用的支持能够扩展 到大规模用户群，这为互联网以及一些电信级应用的大规模发展提供了充足的空间。在此 网络中的参与者既是资源( 服务和内容) 提供者( s e r v e r ) ，又是资源( 服务和内容) 获取 者( c l i e n t ) 。 1 4 1p 2 p 技术的特点 p 2 p 网络是在不断地适应网络变化的条件下成长起来的，因此与传统的分布式系统相 比，具有一些不可比拟的一些优点【5 j ： ( 1 ) p 2 p 模式最主要的优点就是资源的高度利用率。在p 2 p 网络上，闲散的资源有机会得到 利用，所有节点资源的总和构成了整个网络的资源，整个网络可以被用作具有海量存 储能力和巨大计算处理能力的超级计算机。而在c s 模式下，即使客户端有大量闲散 5 基1 - p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可用性的研究与设计 资源，也无法被利用。 ( 2 ) 随着节点数量的增加，c s 模式下，服务器的负载越来越重，成为整个系统的瓶颈。一 旦服务器崩溃，整个网络也随之瘫痪。而在p 2 p 网络中，每一个对等体都是活动的参 与者，每个对等点都向网络贡献一点资源，如存储空间、c p u 周期等。所以，对等点 越多，网络的性能越好，网络随着规模的增大而更加稳固。 ( 3 ) 基于内容的寻址方式处于一个更高的语义层次，因为用户在搜索时只须指定具有实际 意义的信息标示而不是物理地址，p 2 p 软件会把其翻译成包含此信息节点的实际地址， 而这个地址对于用户而言是透明的。这将创造一个更加精炼的信息仓库和一个更加统 一的资源表示方法。信息在网络设备之间直接流动，具有高速及时，降低中转服务成 本等优点。 ( 4 ) c s 模式下的互联网是完全依赖于中心服务器的，没有服务器，网络没有意义。而p 2 p 网络中，即使只有一个对等点存在，网络也是活动的，节点所有者可以随意的将自己 的信息发布到网络上。 但是p 2 p 也有不足之处。首先，p 2 p 不易于管理，而对c s 网络，只须在中心节点进 行管理。随着而来的是p 2 p 网络中的数据安全性难以保证。因此在安全策略、备份策略等 方面，p 2 p 的实现要复杂一些。另外，由于对等点可以随意进入或退出网络，会造成网络 带宽和信息存在的不稳定。 1 4 2p 2 p 技术的发展 p 2 p 技术正处在发展的春天，基于这项技术的高级应用将不断涌现，这些技术将极大 地改善整个网络通信世界的面貌，可以说是互联网技术的又一次新的革命。近年来，对等 网络的用户规模、应用类型和流量均呈爆发式增长。分析结果表明，基于p 2 p 的语音通信 软件s k y p e 在中国同时在线用户数高达9 0 0 万，p 2 p 互联网电视( 如p p l i v e 、p p s t r e a m 等) 的注册用户数己超过1 亿，在线收视者数达到1 0 0 - 5 0 0 万。p 2 p 应用类型也已经从文件共 享，扩展到语音、视频等应用领域。同样，中国互联网实际流量模式分析报告表明，p 2 p 流量已占整个互联网流量的6 0 。 p 2 p 技术从出现以来就因其高可伸缩性和高可靠性而受到广泛的关注。近年来，p 2 p 技 术更是发展迅速，尤其在资源共享、分布式计算等发面发挥着越来越重要的作用。p 2 p 是 一种开放与共享的思想，也是一种基于对等的计算模型和基于对等的应用层重叠网络架 6 基1 - p 2 p s i p 的l p 语音通信系统高可刚性的研究与设计 构。目前比较流行的语音通信软件是s k y p e ，它是2 0 0 3 年i 扫k a z a a l 6 】开发的。基于p 2 p 技术 的i p 语音产品s k y p e 的巨大成功给p 2 p 开辟了又一个新的领域。s k y p e 【7 】是一个基于p 2 p 技术 的客户端，它采用的是混合p 2 p 的模式。除了注册服务器，在s k y p e 网络中没有中心服务器。 在线和离线用户信息以分布方式存储和传播，用户的搜索请求也以同样的方式处理，使用 了g l o b a li ps o u n d 的编解码技术，提供了很好的语音质量；使用端对端的加密方式，具有 一定的安全性；而且简单易用，从而促使了其快速发展。但是它使用的是私有协议，具有 封闭性。 目前基于d h t 的代表性的研究项目主要包括麻省理工学院的c h o r d 、加州大 学伯克利分校的c a n 和t a p e s t r y 、以及微软研究院的p a s t r y 。 1 5 国内外技术研究现状 目前的网络电话系统一般采用基于h 3 2 3 协议或s i p 协议。国内现有的i p 语音网络 几乎全部是基于h 3 2 3 协议集构建的，h 3 2 3 在中国的v o i p 业务中得到了很好的应用。 国外对于v o i p 的应用研究比国内更加成熟一些，它们大多是基于s i p 协议的。自第二版 本发布以来，s i p 协议得到了更广泛的应用。基于该协议开发的系统，用户终端无论在何 处接入互联网，都可以通过域名找到其归属的服务器进行语音通信。随着i p 网络的日渐成 熟，s i p 协议成为了大家关注的热点。 但是h 3 2 3 协议或s i p 协议，都是客户服务器模式，服务器成为整个系统的瓶颈。基 于p 2 p 技术的v o i p 产品s k y p e 的巨大成功给p 2 p 开辟了又一个新的领域。在v o i p 中引 入p 2 p 技术，就可以有效解决网络配置管理复杂，网络带宽和服务器资源有限等难题，提 高可靠性和可伸缩性，在实现语音通话功能的同时，有效保证了网络顺畅和语音质量，因 此p 2 p 与s i p 相结刽8 】来实现高可用性的lp 语音通信将备受关注。 在i e t f 的曾经设想中，每个s i p 节点同时也是p 2 p 节点。节点间地位平等，没有普 通节点和超级节点的差别。但是这种设计要求现有s i p 设备做重大改动，而且无法将s i p 服务做商业化运营。 目前有不少研究机构己经在这方面上进行了很多有益的尝试和研究，并取得显著成 绩，如s i p p e e r i 们、s i p c 1 0 】和s o s i m p l e l l l l 、s i p p i n g p 2 p 1 2 】等。但是直到目前为止，在行业 界内还没有形成一个关于p 2 p 与s i p 结合的标准规范。 7 基于p 2 p s i p 的l p 语音通信系统高可川性的研究与设计 1 6 工作内容和论文结构 全文共有六个章节，具体内容如下： 第一章绪论。本章简要分析了本文的研究意义和目前国内外研究现状，主要介绍了 i p 语音通信系统和p 2 p 的技术背景，并提出了本文的主要工作内容及论文结构。 第二章系统涉及的关键技术研究。本章分析了v o i p 的关键技术，主要对s i p 协议的 详细研究，并对p s t n 网与口网的融合、媒体传输协议等内容进行了介绍。本章还研究了 p 2 p 网络模型分类、c h o r d 协议及其分布式查找系统研究。 第三章基于p 2 p s i p 高可用性系统模型。本章在前两章的基础上提出i p 语音通信系 统中基于c h o r d 的p 2 p 模型，介绍系统网络结构。 第四章系统设计与实现。本章是全文的核心内容所在。从架构设计、功能特点、具 体实现等方面对第三章中的系统模型进行详细设计，主要包括网络模型设计、节点操作的 实现及系统运营方案设计等。 第五章测试与性能分析。在工作条件允许的情况下对系统进行了定量的测试，并在 此基础上进行总结。 第六章存在问题和展望。本章对全文中存在问题做了总结，并对未来工作进行了展望。 8 基于p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可j j 性的研究与设计 第2 章系统涉及的关键技术研究 2 1v o i p 的相关协议和技术 2 1 1s i p 协议 i ) s i p 背景和功能 会话仞始协议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 ) 0 3 1 是m t f $ o 定的多媒体通信系统框架协 议之一，它是一个基于文本的应用层控制协议，独立于底层协议，是在基于i p 网络中用于 建立、修改和终止多媒体会话的应用层控制协议，是专门设计用于i p 网络的实时通信信令 协议。多媒体会话是指用户间的实时数据交换，每个会话可以是不同的数据，包括因特网 电话、多媒体会议、远程教学等，其应用具有很大的灵活性。 总体来说，s i p 协议支持多媒体通信中以下几个方面的功能： ( 1 ) 用户定位：确定通信中终端的位置。 ( 2 ) 用户可用性：确定被叫方是否愿意参与通信。 ( 3 ) 性能协商：确定通信中所用媒体及媒体参数。 ( 4 ) 会话建立：呼叫双方会话参数的建立。 ( 5 ) 会话管理：包括会话转移和中止、会话参数变更、调用新业务等内容。 2 ) s i p 中的网络元素 s i p q b 有两个要素：s i p 用户代理和s i p 网络服务器【1 3 】。用户代理是呼叫的终端系统元素， 而s i p 服务器是处理与多个呼叫相关联信令的网络设备。 ( 1 ) s i p 用户代理 用户代理存在于呼叫终端，本身具有一个客户机元素( 用户代理客户机u a c ) 和一个服 务器元素( 用户代理服务器u a s ) 。客户机元素发起呼叫而服务器元素应答呼叫。这允许点 到点的呼叫通过客户机一服务器协议来完成。 ( 2 ) s i p 网络服务器 s l p 网络服务器主要指以下三种服务器：代理服务器( p r o x y ) 、重定向服务器( l o c a t i o n s e r v i c e ) 、注册服务器( r e g i s t r a r ) 。 代理服务器是s i p 系统中最重要的网络功能实体，可视为应用层的路由器，负责将用户 的s i p 请求和响应转发到下一跳，最终到达目的地。对其它网络构件来说，消息好像是从代 理服务器而不是从起始端用户发出的。主、被叫用户之间可以有一个或多个代理服务器。 q 基j f - p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可_ f i 性的研究与设计 重定向服务器是实现呼叫重定向功能的逻辑实体。它接收u a c 的呼叫请求，通过服务 器中配置的策略和对定位服务器的查询指示u a c 将呼叫重定向到其他目的地，并把此消息 返回给起始客户端，以实现对呼叫的灵活控制。代理客户端往往须向它咨询域内客户端地 址。 注册服务器接收客户机的注册请求，完成用户地址的注册。代理服务器往往需要向它 咨询域内的客户端地址。 在实际应用中，这些服务器是可以选择的。图2 显示的是一个具有注册和代理服务器 环境中的用户注册和邀请流程。 1 1 麓嚣g t e e 蠢u ，e 玖 图2 具有服务器的u a 通讯示例 当一个用户希望呼叫另一用户时，呼叫者用i n v i t e 请求初始呼叫，请求包含足够的信 息用以被呼叫方参与会话。如果客户机知道另一方的位置，则客户机能够直接将请求发送 到另一方的i p 地址；如果不知道，客户机将请求发送到本地配置的s i p 网络服务器。如果服 务器是代理服务器它将解析被呼叫用户的位置并且将请求发送给重定向服务器，它可以返 回被呼叫用户的位置到呼叫客户机以用来直接与用户联系。 3 ) s i p 协议的实现机制 s i p 是一个分层结构的协议，使用层来组织它的结构，这意味着它的行为根据一组平等 独立的处理阶段来描述，每一阶段之间只是松偶合，每一层可以相对独立地进行处理。逻 辑层次结构【1 4 】如图3 1 0 基- j - p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可刚性的研究与设计 t r a n s a c t i o nu s 烈t u ) t r a n s a c t i o n t r a n s p o r tl a y e r s y n t a x e n c o d i n g 事务用户层 事务层 传输层 语法、句法层 图3s i p 的层次结构 最底层是语法和编码层，编码使用增强b a c k u s - n a y rf o r mg r a m m a r g 眵式语法( b n f ) 来规 定，这一层主要负责s i p 消息报文的组建和解析。 第二层是传输层，它定义一个客户端如何发现请求并接受响应，以及一个服务器如何 接受请求并发出响应。所有的s i p 实体都包含一个传输层。 第三层是事务层，这是s i p 的最基本的组成成分。事务层包括客户端事务以及服务器事 务两部分。一个事务包含一个客户事务向服务器事务发出的一个请求以及所有从服务器事 务发过来的响应。客户端事务和服务器端事务都是一种逻辑功能，都通过维护一个状态机 来实现相应的功能。事务层的动作最终都是和事件相关联。其中事件被划分为：定时器、 消息接收、消息发送、事务消亡及未知事件( 被初始化的类型) 。所以无论s i pc o r e 在接收 到消息、向外界发送消息或是事务的定时器的触发都是通过事件来完成，可认为其是个中 间载体。传输层负责接收和发送消息( 利用s o c k e t ) ，如果事务层会收到传输层递交过来的消 息，需要解析、匹配事务或创建新事务，将该消息事件插入所对应的事务后执行。 事务层的上一层称为事务用户( 1 u ) ，一个事务用户可以创建或取消一个客户事务。s i p 中的所有实体，通过事务用户来相互区分。当一个t u 希望发送请求，它生成一个客户机事 务实例并且向它传递请求和目的地的i p 地址，端口，以及用束发送请求的传输机制。当客 户机取消一个事务时，它请求服务停止进一步的处理，将状态恢复到事务初始化之前，并 且生成特定的错误响应到该事务。 4 ) s i p 消息组成 s i p 是一个基于文本的协议，使用u t f - 8 字符集。从s i p 消息的分类来看，主要分为两 类，一类是从客户端到服务器端的请求，一类是从服务器端到客户端的响应应答。一个基 基于p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可用性的研究与设计 本的s i p 消息包含起始行、一个或多个头字段、说明头字段结束的空行、和一个可选的消息 体。其组成如下： 消息=起始行( 起始行= 请求行状态行) 头字段 c r l f 【消息体】 o ) s w 请求消息 s i p 请求是客户端发往服务器端的消息，通过一个请求行作为起始行。请求行包含 了方法名、请求u r l 、协议版本号、中间的空格分开。 请求行- - m e t h o d ( 方法) r e q u e s t - - u r ls i p v e r s i o nc r l f s i p 定义了6 种s i p 请求，每一种都有不同的作用，分别介绍如下： r e g i s t e r ：用于登记联系信息。 i n v i t e ：用于邀请用户加入会话。 a c k ：用于对请求成功后作出的确认。 c a n c e l ：用于取消未完成的请求。 b y e ：会话结束。 o p t i o n s ：用于询问服务器的性能。 ( 2 ) s i p 应答消息 s i p 应答是指服务器收到请求时，发出的一个或多个应答。使用状态行作为应答的 起始行。状态行包括协议版本、状态码和相关的文本短语。状态行的格式如下所示 s t a t u s - l i n e = s i p v e r s i o n s t a t u s - c o d e r e a s o n - p h r a s ec r l f 每个应答都有一个代表事务状态的编码，响应消息按状态行( 起始行) 中的状态码( 3 位) ，可分为： 1 x x ：暂时响应。请求接受到了，正在处理。 2 x x ：成功响应。请求被成功的接受，并处理完毕。 3 x x ：重定向响应。需要另外发送请求来完成任务。 4 x x ：客户端出错。请求语法有错，或者无法被服务器端执行。 5 x x ：服务器出错。服务器无法完成一个合法的请求。 6 x x ：全局故障。请求在任何服务器都无法完成。 ( 3 ) 头字段 1 2 基丁ip 2 p s i p 的l p 语音通信系统高可川性的研究与设计 消息头字段用于描述消息的属性，类似于h t r p 消息头的语法和语义。在一个消 息中，可以有多行消息头。一个合法的s i p 请求必须至少包含如下头域：t o ，f r o m ， c s e q ，c a l l i d ，m a x f o r w a r d s ，v i a 。这6 个字段是s i p 消息的基本组成部分，它们提供 了用于路由的核心信息。 t o 头域 t o 是第一个并且也是最先指定请求的“逻辑”接收地，或者是这个请求的用户或者 资源的a d d r e s s o f - r e c o r d 。这个域内的地址可以是也可以不是请求的最终接收者。t o 头 域可以用s i p 或者s i p su r l ，也可以用其他方式的u r l ( 比如电话u r l ) 。所有的s i p 实 现必须支持s i pu r l 的实现。 f r o m 头域 f r o m 头域包含了请求发起者的逻辑标志，可能是用户的a d d r e s s o f - r e c o r d 。就像t o 头域一样，f r o m 头域也包含一个u r l 并且可以包含一个显示的姓名。s i p 可以用这个头 域来实现对请求的检查和选择一个规则进行对请求的处理( 比如，自动的呼叫拒绝， 对于某个人发过来的东西，一律拒绝) c a l l i d c a l l i d 是一个在一系列消息中，区分一组消息的唯一标志。在对话中的任一u a 的所有请求和所有应答的c a l l i d 必须一致。在u a 的每次注册中，都应该是一样的。 在会话外的时候，u a c 发起一个新的请求，这个c a l l i d 头域必须由u a c 产生一个全局 ( 在时间和空间上都是) 唯一的c a l l i d ，除非是请求头的方法( m e t h o d ) 指明了其他 的产生方式。c a l l i d 是大小写敏感的，并且通过字节来进行比较。采用密码乱序随机 串可以降低会话被窃听的机会，并且降低c a l l i d 重复的冲突。不规定或者要求使用用 户界面来选择输入c a l l i d 头域的值。 c s e q c s e q 头域是用来区分和做为事务的顺序使用的。他由一个方法( m e t h o d ) 和一 系列的顺序号码组成。方法( m e t h o d ) 必须和请求的方法一致。对于对话外的非 r e g i s t e r 请求来说，顺序号码可以是任意的。这个顺序号码必须可以由3 2 位的无符 号整数表达，必须小于2 3 1 。只要遵循了上述指导方针，客户端可以用任意的方法来产 生这个c s e q 头域。 m a x f o r w a r d s m a x f o r w a r d s 头域用来限制请求到它的目的地中间的跳转。它包含一个每隔一个 1 3 基于p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可川性的研究与设计 跳转就自动减一的数字。如果m a x f o r w a r d s 在到达目的之前就减n 0 ，它会报告一个 4 8 3 ( 太多的路由) 错误回应。 v i a v i a 头域是标志了用于事务传输的传输设备，并且也标志了应答送回的地址。只有 当需要通过选择传输设备到达下一个节点( h o p ) 的时候，才需要在头域中包含a 域。 当u a c 创建一个请求，它必须在头域中添加一个v i a 域。p r o t o c 0 1 名字和p r o t o c o l 版本 必须分别是s i p 和2 0 。v i a 头域必须包含一个分支( b r a n c h ) 参数。这个参数用于区分请求 创建的事务。 ( 4 ) 消息体 请求消息和应答消息都可能含有消息体，它与消息头之间用一个空行分开。消息 携带的消息体通常是s d p 会话描述符。 5 ) s i p 的p 2 p 属性 s i p 协议本身具有p 2 p 的属性，尽管在s i p 规范中定义了一些网络服务器，但s i p 仍然是 一个端到端的业务，其主要的业务处理是在用户代理实体中完成，s i p 的代理、重定向等服 务器只是完成消息的转发、消息的路由功能，并不对业务进行处理。并且这些服务器是可 以选择的，不同类型的s i p 服务器只是逻辑功能上的分类，而不是物理上的。服务器所提供 的功能可以完全或者部分集中到一个实体中。因此我们可以将服务器的功能进一步分化到 s i p 终端，增 j w s i p 终端的业务处理能力，弱化服务器的功能，请求和响应直接在两个s i p 以之间进行。 我们可以发现：s i p 规范中定义的消息属性以及其交互方式都适合p 2 p 的应用。针对s i p 的网络服务器，需要将它们的功能在p 2 p s i p 系统中实现。s i p 网络服务器中，最关键的是 代理服务器，因为如上所说，它提供对s i p 消息的路由转发功能。因此在p 2 p s i p 网络模型 【1 5 1 中，要解决的一个关键问题是：对等端如何实现路由转发功能，这包括了如何定位用户 等功能。 6 ) s i p 与h 3 2 3 的比较 h 3 2 3 1 6 】是国际电信联盟电信标准部( i t u t ) 制定的用于在i p 网络上进行实时多媒体 通信的协议簇，由呼叫控制、媒体编码、管理控制、网络安全和会议通信等一系列协议组 成，不但包括i p 电话应用，而且还包括i p 视频和数据应用( 可选) 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 1 4 基y - p 2 p s i p 的i p 语音通信系统高可川性的研究与设计 保证的( 如s c n a t m 等) ，也可以是没有q o s 保证的( 如l a n 等) 。 h 3 2 3 为基于l p 分组网的视频会议系统定义了四个主要的组件：终端、网关、关守、多 点控制单元( m c u ) 。其中最重要的两类网络部件是网关( g a t e w a y ) 和网守( g a t e k e e p e r ) 。 前者负责不同网络之间的信令和控制信息转换以及多媒体信息变换和复用，后者负责网络 管理、带宽管理、地址翻译和不同管理域之间的互操作。凡遵从h 3 2 3 标准的i p 终端称为 h 3 2 3 终端。 h 3 2 3 协议并不是为v o i p 专门提出的，它是一项复杂的协议，升级和扩展性不是很好。 在h 3 2 3 体系中，网关不仅要执行媒体格式转换，还要进行信令转换，在i n t e m e t 倾) 执行h 3 2 3 协议，在p s t n 侧执行i s d n 信令。并且网关还要控制其内部资源，为每个呼叫建立网关内 部的话音通信，网关结构过于复杂；而且，定义h 3 2 3 时，设计人员是从终端设备的角度入 手的，而非从现有p s t n 的内部设备入手，因此h 3 2 3 不能