（电路与系统专业论文）局域网电话网关的研究与实现.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 如何实现现有语音业务在i p 网络上的传送，成为企业进行网络建设或改造时 的一个重要问题。智能化数字终端使企业很好的解决了这个问题。智能化数字终 端一局域网电话系统由局域网电话终端、网关组成。本网关是局域网电话和公共 电话网互通的关键设备，它直接影响到整个系统的运行和性能。因此，局域网电 话网关的开发具有较大的实用价值。 局域网电话网关的设计分为硬件和软件两部分。本文介绍了网关的总体结构 的设计与实现，其中重点介绍了硬件各个模块的设计、实现和调试过程。本文详 细分析了各个模块的设计和实现方案，重点剖析了p c m 接口的设计过程和仿真 过程，在最后介绍了调试和测试的结果。 本论文的主要贡献： 1 用可编程逻辑器件( c p l d ) 和计算机i s a 总线接口。在本论文中用一片 m a x 7 0 0 0 系列中的e p m 7 1 2 8 s 来实现，用来完成电路与计算机之间的数据传输。 2 p c m 接口用可编程逻辑器件实现时隙逻辑的转换。对于电路所需的时隙， 用c p l d 的分频结构可以很方便得到并加以仿真验证。 3 应用通用逻辑阵y 0 ( g a l ) 器件对通路控制进行设计。在本论文中应用逻辑 编程对g a l 进行设计，管脚可灵活定义，使电路结构紧凑，连线简单。 4 提出了识别d t m f 的设计方法。针对d t m f 信号的特点，这个算法是在 离散傅立叶变换的基础上根据能量值的比较进而得到d t m f 信号的。 本文所设计和实现的终端成功运行，证明这个设计是合理的，实现是成功的。 关键词：局域网电话，网关，i p 语音通信( v o i p ) ，复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) ，通用逻辑阵y ! j ( g a l ) ，双音多频( d t m f ) ，脉冲编码调制( p c m ) 西北工业大幸硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t h o wt or e a l i z et r a n s m i tv o i c e ，d a t aa n di m a g eb e c o m e sa ni m p o r t a n ta n di nd i r e n e e do fs o l v i n g i s s u e i n t e l l i g e n t i z ed i g i t a l t e r m i n a lc o ns o l v ei tf u r e n t e r p r i s e s i n t e l l i g e n t i z ed i g i t a l t e r m i n a l - - l a nt e l e p h o n es y s t e mi sm a k eo fl a n t e l e p h o n e t e r m i n a la n d g a t e w a y ，g a t e w a yi st h ek e ye q u i p m e n t f u rl a n t e l e p h o n ec o m m u n i c a t e w i t bt h ep u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k i ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m d i r e c t l y s o ，d e v e l o po f t h e l a n t e l e p h o n eg a t e w a y h a sa p p l i c a t i o nv a l u e t h ed e s i g no fl a n t e l e p h o n eg a t e w a yi n c l u d e st w op a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e ma r ep r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , o f w h i c h h a r d w a r ed e s i g n , i m p l e m e n t a t i o na n d d e b u g g i n g a r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e d e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo f e a c hs e c t i o nw a s a n a l y s i si nd e t a i li nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n d d i s c u s s e dt h e d e s i g na n de m u l a t ep r o c e s s o fp c mi n t e r f a c e a tt h ee n do ft h i s d i s s e r t a t i o ng i v et h er e s u l to f d e b u g g i n g a n d t e s t i n g 耵1 ec o n t r i b u t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o n ： f i r s t l y ，u s ec o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) c o n n e c t w i t hi s ab u s o f c o m p u t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h i sf u n c t i o nw a sp e r f o r m e db yap i e c eo f e p m 7 1 2 8 s c h i p i ns e r i e sm a x 7 0 0 0 ，t oi m p l e m e n tt h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nc i r c u i ta n d c o m p u t e r s e c o n d l y ，t h ep c m i n t e r f a c ew a st r a n s f o r m e db yc p l d l o g i c a l l y u s ec p l d ，w e c a n g e tt i m es h a r i n g w h a tn e e df u rc i r c u i tc o n v e n i e n c y ，s i m u l a t ea n dv a l i d a t ei t t h i r d l y ，t od e s i g ng a t e w a yc o n t r o lb yg a la p p a r a t u s iu s el o g i c a lp r o g r a m t o d e s i g ng a l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep i nc a nd e f i n e da g i l i t y ，t h i sm a d et h es t r u c t u r eo f c i r c u i tc o m p a c t l ya n dc o n n e c ts i m p l y f i n a l l y a na p p r o a c ht or e c o g n i z ed t m f i sp r o p o s e d a i m e da tt h ec h a r a c t e ro f d t m f s i g n a l ，t h i sa l g o r i t h mi st og e tt h ed t m f s i g n a la c c o r d i n g t oc o m p a r et h ev a l u e o f e n e r g y b a s e do nd f t t h es u c c e s s f u le x e c u t i o no ft h et e r m i n a ld e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o np r o v e dt h i s d e s i g n i sl o g i c a la n dt h ei m p l e m e n t a t i o ni ss u c c e s s f u l k e y w o r d s ：l a nt e l e p h o n e ，g a t e w a y ，v o i c eo v e ri p ( v o l p ) ，c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ( c p l d ) ，g e n e r a la r r a yl o g i c ( g a l ) ，d o u b l et o n em u l i t f r e q u e n e y ( d t m f ) ，p u l s ec o d em o d u l a t i o n ( p c m ) i i 西北3 - 业大举硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 早期的i n t e m e t 主要是用于电子邮件、电子布告、远程登陆、全球浏览、数 据通信和文件传输，但是随着计算机网络技术的飞速发展和多媒体技术应用的 曰益深入和普及，基于i n t e r n e t 的多媒体通信已成为当前i n t e m e t 发展的趋势之 一。随着i n t e r n e t 的多媒体通信技术的发展，已经或将会产生许多类型的i n t e r n e t 多媒体通信业务，如多媒体会议型业务，多媒体会话型业务，多媒体分配型业 务，多媒体检索型业务，多媒体消息型业务和多媒体采集型业务。实现上述业 务的核心技术是采用i n t e m e t 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i n t e m e t 受带宽等因素的制约，基于i n t e r n e t 的实时视频信号的传 输的应用还不是很普遍，但是在i n t e r n e t 上进行音频、特别是语音信号的实时传 输已相当普遍，技术也相当成熟，其中最为普遍的应用是因特网电话。 因特网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，因此它也是因特网业务增长最快的业务。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 的用户使用i p ( i n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 电话，预计在2 0 0 5 年，使用i p 电话的用户会增至3 4 ，五年的增长 率为1 4 9 ，而传统电话的增长率为1 5 。人们之所以对因特网电话抱着如此大 的兴趣和保持如此乐观的态度，有三个主要原因：( 1 ) 因特网电话在很大程度上 减少了长途电话费用。( 2 ) 因特网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，从而打破了电话的垄断市场。因为与传统的传输媒体相比较，因 特网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，突破了传统地域政治和经济的概念，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，因特网电话作为现有 电话的竞争对手在将来的发展中会形成很大的市场。( 3 ) 符合未来三网融合( 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 西北工业大擘硕士论文第一章绪论 趋势是“i p 一统天下”，“e v e r y t h i n go v e r i p ”是网络的发展目标。【2 l 总之，发展基于因特网的实时语音通信，无论是从技术发展趋势，还是从 市场前景和投资回报束分析，都是完全正确的。另外，促进因特网语音通信发 展的更多因素是：不断增加的语音业务和数据业务的综合，这是因特网语音通 信发展的动力。i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议目前已成为事实上的公用协议，这是 因特网语音通信发展的基础。先进的分组语音压缩技术所产生的良好的成本效 益，这是因特网语音通信发展的前提。企业内部网和企业外部网快速增长，这 是因特网语音通信发展的平台。 1 2v o i p ( v o i e eo v e ri v ) 推动数据语音融合 v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 一般称作i p 电话或网络电话，在狭义上是指在i p 网上 承载语音业务，而在广义上则是指在各种数据网上承载数据、语音、传真和视 频等多媒体业务。 3 9 1 数据语音融合是大趋势。i p 网络电话将语音、数字、图像技术合而为一， 为未来的电话网、广播电视网、数据网三网合一提供了技术手段。它在通信领 域的应用，使通话费用大幅度下降。 a t & t 首席执行官m i c h a e la r m s t r o n g 说：“我们要在全球把电话变成最普 遍的i p 设备”，这句话代表了i p 网络的发展方向。 1 数据和语音的融合可以降低和节省费用。利用i p 网络可以跳过长途电 信线路，电信和数据网络可以统一地运营和管理：无论是交换机、路由设备还 是集线设备，不必为电信网和数据网分别建设，从而降低了通信平台的成本。 2 电信革新者已经开始接受i p 网络电话，它的质量足以满足大多数人的要 求。把i p 语音运行在一个可靠的i p 网络上，使得语音和数据变得无法区分， 从而减少了对单个类型网络基础的需求。 3 在现有的电话网络中，数据业务正以惊人的成长速度侵占5 0 的网络带 宽从而吞噬近2 0 的商业利润。一旦电话网络演化为数据通信的承载平台， 它的原有根基和商业模式将彻底动摇，并极有可能引发新一轮的世纪竞争。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 4 在这个数据语音融合网络之上，服务运营商可咀推出各种新的应用服 务，满足未来人类相互沟通的需求。1 4 美国的电信运营商m c i ( w o r l d c o m ) 预计，到2 0 0 0 年，m c i 网络上的数据 流量将超过语音流量。已经有激进的运营商开始行动了。美国最大的i n t e m e t 接 入运营商之一p r i n t 公司已经宣向了自己两年来一直在幕后运作的“f a s t b r e a k ” 计划：从头建设一个新的网络，它使用一条链路，可同时传输数据、语音和影 像，而带宽将是现有公共电话网络( ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，p s t n ) 的1 0 0 倍。 1 3v o i p 的原理及技术 通过因特网进行语音通信是一个非常复杂的系统工程，其应用面很广，因 此涉及的技术也特别多，其中最根本的技术是v o l p 技术，可以说，因特网语音 通信是v o l p 技术的一个最典型的、也是最有前景的应用领域。因此在讨论用因 特网进行语音通信之前，有必要首先分析v o l p 的基本原理，以及v o l p 中的相 关技术问题。 1 3 1v o i p 的原理及技术 为了在一个i p 网络上传输语音信号，要求几个元素和功能。最简单形式的 网络由两个或多个具有v o l p 功能的设备组成，这设备通过一个i p 网络连接。 v o l p 设备把语音信号转换为i p 数据流，并把这些数据流转发到i p 目的地，i p 目的地又把它们转换回到语音信号。两者之间的网络必须支持1 p 传输，且可以 是i p 路由器和网络链路的任意组合。因此可以简单地将v o l p 的传输过程分为 下列几个阶段。 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，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，语间包通常由6 0 、1 2 0 或2 4 0 m s 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 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 编码标准主要有i t u 。t ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) g 7 11 。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帮可以还原模拟 语音信号。 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l5 m s 的帧，则把从 第一个来的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。i p 网络不像电路交换网络，它不形成连接，它要求把数据 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i 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 l 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。其次， 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，完全和解码器的长度相同。若帧长度为1 5 m s ，是6 0 m s 的语音包被分成 4 帧，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 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 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、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。 1 3 2v o l p 的硬件系统构成 ( 1 ) 网关( g a t e w a y ) ：是一个能够提供在局域网上的h 3 2 3 终端之间或广域 网上的i t u 终端之间实现实时、双向通信的h 3 2 3 的实体。它起到连接i p 网络 与p s t n 网络的作用。它将p s t n 来的话音信号经数字化和压缩处理后转化成 i p 网络上传送的i p 包，并将它传送到i p 网上。 ( 2 ) 关守( g a t e k e e p e r ) ( 或称网守、网闸) ：是一个能够对局域网或广域网的 h 3 2 3 终端、网关或一些多点控制单元提供地址解析、访问控制、身份验证、 安全检查、域管理、呼叫控制信令以及呼叫管理等的h 3 2 3 实体，有时它也具 有带宽控制和管理、路由控制和计费等功能。 ( 3 ) 管理系统：指由一个外部服务器和用户及系统数据库组成的，包括计费 管理、认证计费数据库、集线器、网关工作站和监视器等构件组成的系统。 上述的h 3 2 3 实体，是指遵从h 3 2 3 协议的构件，包括终端、网关、关守、 多点处理机和多点控制单元等。1 6 1 1 7 1 1 4 选题意义 1 4 1p b x 系统和局域网i p 电话系统 p b x 系统被广泛用作公司、企业或机关部门等的内部电话系统。p b x 系 统的主控部分是小型的电路交换机，它通过一条或多条t 1 ( 或e 1 ) 中继线或 i s d n 一次速率群中继线接入本地交换中心；对来话可采用自动转接方式或人工 转接的方式转接到被叫分机。p b x 系统可提供比直接使用p s t n 系统更多的服 西北工业大学硕士论文第一章绪论 务，这些服务包括呼叫等待、呼叫转移、振铃转移等。 局域网i p 电话系统以以太网技术为基础。目前，大部分公司、企业或机关 部门等都把以太网技术作为内部局域网的组网技术。局域网i p 电话系统可利用 现有的以太网来传输话音，并能提供与p b x 相同的或更好的服务。公司、企业 或机关部门等通过使用局域网i p 电话系统不仅可以使内部的数据网和话音网合 而为一，而且可以使电话系统的使用费大幅降低。 局域网电话以开放的局域网包交换技术实现专用分组交换机( p r i v a t e b r a n c he x h a n g e ，p b x ) 语音服务的功能，与现有的局域网无缝集成。它不仅可以 使内部的数据网和话音网合一，还可以满足保持企业持续运作和蓬勃发展的全 方位需求。从复杂的呼叫控制和呼叫中心能力，到集成的语音邮件和计算机 电话集成；从呼叫者身份识别到多重、多级自动值机员，到终端话机的轻松添 加、移动和改变；从局域网和广域1 习( l a n w a n ) ，到i n t e r n e t 的连接能力，并 可同时降低相关的整体费用，使企业能够以经济、易管理的方式获得所有功能。 局域网电话作为企业内部电话系统的解决方案越来越受到人们重视。典型 的局域网电话系统内部组成结构如图1 1 ： 图1 1 局域网电话系统内部组成 局域网话机与常见p b x 话机在外观和感觉方面十分相似，唯一的例外是这 些话机直接插入数据网络，并不使用传统的电话配线。应用网关在一些方案中 称为网关，是局域网电话系统中的关键设备。它主要完成地址翻译、呼叫连接 的建立和拆除等控制功能，另外它还能完成局域网电话系统内呼叫管理功能如 多重及多级自动应答服务功能、呼叫中心、呼叫转移以及计算机电话集成功能， 此外它控制所有的计算机电话功能，如话音邮件、统一消息、桌面呼叫控制、 自动话务员、交互话音响应和自动呼叫分配等。 6 西北x - 业大学硕士论丈 1 4 2 局域网i p 电话系统的组成 局域网电话产品一也可以称之为v o i c e o v e ri p 或网络电话一真正地摆脱了原 有p b x 系统那种为实现每一新特性都必须增加开支的问题；与此同时，它带来 了简化通信管理的新方法。局域网电话对于添加新特性几乎没有任何限制且具 有完全免费的良好扩展能力，使得p b x 系统逐步地被人们所忽视，转而关注以 数据为核心业务的局域网电话系统这样的后来者。局域网电话系统的一个最成 功最显著的优点是将电话系统与典型的公司以太网网络融合在了一起。 局域网i p 电话系统为了提供与传统的p b x 系统功能相当或者更为完善的 服务，必须配备各种基于局域网的组件，每个组件部有自己特定的功能。 ( 1 ) 网络：用于连接以太网设备的双绞线的质量得到提高，有的以太网还选 用光纤来连接设备，这使得以太网的传输带宽大大增加，以太网变成一种性能 良好的网络。 ( 2 ) 话机一智能化数字终端：用户使用直接连接到i p 网上的智能化数字终 端，则无需改变拨号习惯即可以直接拨打企业内部其他分机号码，或者通过出 局号连接到企业外部公共电话网。从功能的角度来说，现有的智能化终端主要 用于语音和数字类业务，因此这类设备通常又称作网络电话机，它需要有通信 用的i p 地址，同时又支持简单的i p 电话标准。f ” ( 3 ) 关守：局域网i p 电话系统中关守的一个主要功能就是呼叫的建立。作为 局域网i p 电话系统的智能部分，局域网i p 电话系统的关守负责提供传统的p b x 交换机所能提供的服务。 ( 4 ) p s t n 接入设备：在局域网i p 电话系统中，p s t n 接入网关将根据关守 的命令把呼叫转接到p s t n 网。p s t n 接入网关除了具有接通被叫的功能外，还 具有把来自p s t n 的呼叫接续到在局域网i p 电话系统的功能。 p s t n 接入网关在整个在局域网i p 电话系统中起着非常关键的作用。它不 仅使局域网i p 电话系统能够连接还没有连接至i p 网络的用户，而且能够增加 整个在局域网i p 电话系统的可靠性，使得在局域网i p 电话系统具有处理紧急 呼叫的能力。1 3 7 1 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 本系统是在基于局域网网络电话原理的基础上丌发出的一种小型的网关系 统，服务对象是拥有内部局域网的公司、高等院校等其他组织机构。采用本系 统的用户不但可以取代传统的个人小交换系统( p b x ) ，而且可以得到l l , j , 交换机 更为完善的服务。 3 0 l 1 5 本文的主要研究任务 局域网网络电话网关是一台专门的机器，其上运行的编码软件用于控制语 音呼叫的打包、压缩和解压缩。它具备与p s t n 或p b x 相连的电路接口，以及 配有与c a n 相连的网络接口卡，此外还有专门的软件负责进程管理等。网关通 过模拟一个典型的电话来欺骗p b x 。 局域网电话系统由局域网电话终端、网关组成。其中网关己包括了网守的 功能，取代了网守。网关是局域网电话和p s t n 网互通的关键设备，它直接影 响到整个系统的运行和性能。因此，局域网电话网关的开发具有较大的实用价 值，是整个局域网电话系统开发的必要组成部分。我主要承担局域网电话网关 硬件结构的研究和实现，同时进行调试和测试。把网关的按功能进行模块划分， 便于实现和调试。 1 6 本文的主要组织结构 本文的主要工作是根据现有的局域网电话产品的条件，开发出一种适合局 域网电话的网关，从而实现局域网和公共电话网的互通，考虑到以后的升级和 要求，语音压缩系统终端模块未作为本文的研究内容。 第一章：绪论。介绍了语音通信发展的背景、v o i p 技术的发展现状和基本原理， 根据局域网电话的要求提出了本文的问题。 第二章：系统的功能和总体描述。首先介绍局域网电话的原理，在分析总结各 种方案的设计基础之上，提出了系统的设计思想，描述了设计方案、开发平台 和各模块功能。 第三章：硬件的设计与实现。针对系统模块化的设计思想，详细的对网关硬件 的各个模块的设计和实现进行了介绍。 r 西北工业走学硕士论丈 第一章结论 第四章：软件的设计与实现。在硬件的设计基础之上，对网关的软件功能进行 了具体的分析。 第五章：调试和测试。对实现系统功能的过程中出现的问题进行解决。 第六章：总结。总结了本论文的主要工作，并对不足之处提出了今后的研究工 作。 9 西北工业走荦硕士论文第二章系统的功能和总体实现 第二章系统的功能和总体实现 对于两网互通的实现，v o i p 技术是项非常关键的技术。v o i p 指的是在 i p 网络上实现话音及传真数据传输的一门全新的网络技术。通常，我们也将其 称为i p 电话( i pt e l e p h o n e ) 技术。其特点在于可以通过任何i p 网络提供无缝 的话音、传真集成，此集成业务使人们能够建立起一种经济可行的跨地域、跨 国界的通信方式。 网关不能完全归为一种网络硬件。用概括性的术语来讲，它们应该是能够 连接不同网络的软件和硬件的结合产品。特别地，它们可以使用不同的格式、 通信协议或结构连接起两个系统。 2 1 局域网电话的基本原理 2 1 1 网络协议简介及分层 1 i s o 模型 计算机网络不仅仅是指由物理设备互联组成的硬件网络，它还包括通讯中 所涉及的所有部分都必须接受的一套用于信息交换的规则。这套规则就规定了 消息的格式及每条消息所需要的适当动作，我们称之为网络协议( n e t w o r k p r o t o c 0 1 ) 或者计算机通讯协议( c o m p m e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ) ，将这些协议 以软件的形式加以实现就得到我们在不知不觉中使用的协议软件。 在网络历史的早期，国际标准化组织i s o ( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n ) 就定义了一个七层参考模型( 7 - l a y e rr e f e r e n c em o d e l ) ，如图2 1 所 不； 虽然自从提出七层模型已经二十几年，有关协议的设计思想已经发生变化， 许多现在的协议并不符合旧的模型，但许多术语仍然保持下来。分层是一种结 构技术，它可以把网络在逻辑上看成由若于相邻的层组成。在计算机通信网络 中每一层都向它的上一层提供一定的服务，至于实现的细节则对上一层屏蔽 起来。结构中每一层都完成某些特定的功能，这些功能有些是新增加的，有些 西北x - 业大学硕士论文 第二章系统的功能和总体实见 则为增强底层的功能。七层模型为网络中复杂的硬件和协 议部分的关系提供了一个简单的解释。 第一层物理层对应于基本网络部件，它详细规定了硬件的 电气参数、编码规则等。 第二层数据链路层协议规定了怎样把数据组成帧以及怎 样在网络上传输数据帧。 第三层网络层协议规定了怎样分配地址，如何把包 从网络的端转发到另一端。 第四层传输层规定了怎样处理可靠的传输，是最复杂的 协议之一。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 【物理层 图2 1o s l 的网络 七层模型 第五层会话层协议规定了怎样用远程系统建立一个通讯会话的过程，安全细节 的规范也属于这一层。 第六层表示层协议规定数据怎样表示数据。 第七层应用层协议规定了一个特定的应用程序如何使用。 从图2 1 我们可以看出网络协议栈的设计和实现是靠分层来实现的，目标 协议栈按层组织。每个网络设备上的协议软件都被分解成许多模块，每个模块 对应一层。理论上当协议软件发送或接收数据时，每个模块只同它相邻的上层 模块和下层模块通信。应用软件所要求发送的数据向下经过每一层协议软件的 处理，最终形成网络数据帧经物理网络层承载传输，应用层程序需要接收的数 据以相反方向一层一层被处理后向上传递。 2 t c p i p 模型 按照t c p i p 协议的规定，将网络分成四层结构 ( 1 ) 网络接口物理层：负责接收i p 数据报并 通过物理帧格式发送i p 数据报到指定网络上，或 者从网络上接收物理帧，抽出数据送到i p 层上。 一个网络接口有两种类型，一种是设备驱动程序 ( 如局域网的网络接口) ；另一种是使用链路协议 的子系统( 如x 。2 5 公用数据网接口) 。 如图2 2 应用层 传输层 网络i p 层 网络接口物理层 图2 2t c p 1 p 模型 西北工业大学硕士论文第二章系统的功能和总体宴现 ( 2 ) 互联网层( i p 层) ：解决计算机到计算机( 点到点) 的通信问题，主要 包括无连接数据传送、数据报寻径及差错处理三部分。1 p 层使用高级地址- - i p 地址，而下一层的网络接口层使用物理地址。在i p 层中将完成不同网络物理帧 格式的统，向上面t c p 层提供标准的i p 数据报。 ( 3 ) 传输层：传输层位于t c p 层，提供一个应用程序到另一个应用程序问( 端 到端) 的通信。实际上传输层为了保证可靠传输，往往要提供发送确认与错误 重发功能。提供端到端进程通信。 ( 4 ) 应用层：是最上层，与o s i 模型上三层相似。它向用户提供常用应用程 序，如f t p 、e m a i l 、t e l e n t 等。 a l 2 1 21 0 m 双绞线以太网概述 8 0 2 。3 媒体规范中包括的1 0 b a s e 5 和1 0 b a s e 2 均是网络拓扑结构为总线型 ( b u s ) 的以太网，采用5 0 欧的同轴电缆和曼彻斯特编码，其数据速率为1 0 m b p s 主要的区别是1 0 b a s e 5 采用粗缆而1 0 b a s e 2 采用细缆。 双绞线以太网( t w i s t e dp a i r e t h e m e t ) 采用1 0 b a s e t 方案，它不使用粗缆或 者细缆作为传输介质，而是扩展了使用连接多路复用的思想：用一个电子设备 ( h u b ) 作为网络中心，将所有的网络设备连接起来。1 0 b a s e t 要求每个接入的 网络设备有一个网络接口单元，使用双绞线和r j 4 5 连接器节点集线器上。集 线器中的电子部件模拟物理电缆，使整个系统像一个传统以太网一样运行。这 样使得双绞线以太网在物理上呈现星型结构，逻辑上呈现总线型结构。连接到 集线器上的网络设备必须有一个物理地址用以表明自己的身份，必须采用载波 侦听多路存取冲突检测( ( c s m a c d ) 来取得网络控制和使用权，所发送的物理 帧格式都必须符合i t u 8 0 2 r 3 规范。 双绞线以太网呈星型网络拓扑结构，如图2 3 所示： 西北工业大聋硕士论文第二章系统的功能和总体实现 图2 3 简单的1 0 b a s e - t 配置 每一个接入网络的设备称其为一个站点。所有的站点通过媒体访问单元 ( m e d i a a c c e s s i n gu n i t ，m a u ) 连接到转发器单元。一个输入端上出现的有效信号 被转发到所有其他链路上：如果出现两个输入发生冲突，一个冲突强化信号被 发送到各个链路上；如果在任一输入端测得冲突强化信号，则将其发送到其他 所有链路。”】 通常情况下，站点就是一台计算机，它通过网络适配器( 网卡) 接入到集 线器( h u b ) 上，由于网卡本身已经实现了网络协议栈的第一层和第二层的媒体访 问控制子层，当计算机通过网卡、双绞线接入到集线器上时最基本的网络就形 成了。根本不需要t c p i p 、i p x s p x 、n e t b e u i 等更高层协议就可以进行数据 传输和信息交换。以上协议的实现目的是更大范围内的网络互联以及使用网络 的便利。 从以上的叙述中可 以看出，通过以太网 方案就很容易将各个 网络设备在局部范围 内连接起来，进而实 现资源的共享。假设 也有一种硬件设备， 它具备接入以太网的 媒体规范要求，能够 图2 4 语音系统的总体结构 跟普通计算机一样方便的接入网中，而且具有话音的采集和播放功能，那么这 样的硬件设备接入网中后就可以利用以太网的高传输带宽为用户提供局部范围 亩南霉 _ 二一 蓬园孟t 习 西北工业犬晕硕士论支第二章系统的功能和总体实现 内的语音服务。再加上其他设备和软件就是一个局域网电话系统。 2 1 3 系统的工作原理 由图2 4 为该语音系统的总体结构，从图中可以看出该结构中局域网电话 完全承载于双绞线以太网之上，由网络话机终端，硬件网关以及监控、管理和 记时软件组成。 网络话机终端( n p 话机) 总体上来说采用微控制器单元和网络接口单元结 构( m c u + n i c ) ，完成接入网络的功能。在进行语音通信的过程中终端话机上的 语音单元将模拟话音信号采样量化形成p c m 码流，再将该码流以字节为单位打 包，形成标准的8 0 2 3 帧格式，通过网络接口单元发送到网络上去，该语音数 据报经过网络转发到目的话机后通过目的话机上的网络接口单元接收，再经过 语音单元经接收到的p c m 码流转换为模拟语音信号后驱动扬声器播放，这样就 完成了语音的数字化传输。语音数据流动如图2 5 ： 图2 5 简单的示意出数据的流动方向 图2 5 局域网内部两部网络话机通话时语音数据的流动图，数据在传输的 过程中都是以数据包的形式进行的，我们称之为包交换，也是该网络话机系统 有别于现有共用电话交换网中的电路交换之处。 在系统中若有一部话机想呼叫p s t n 网中的用户话机。则需硬件网关设备 来支持，呼叫时主叫网络话机首先和硬件网关通讯，提出外线请求。硬件网关 4 西北工业太学硕士论走第二章系统的功能和总体寰现 检测到外线空闲时则告知主叫话机，自身以双音频拨号方式向p s t n 网中程控 交换机发送拨号信息，待话路接通后硬 件网关接通网络话机到普通话机之间 的语音通道，充当数据转发的角色， 如图2 6 。 从以上的叙述中可以看出，局 域网电话的实现只是涉及到了网络 图2 - 6 出入局呼叫 的物理层和数据链路层，在专有的语音通信设备( 网络数字话机) 上不必去实 现更高层的协议，而这样恰恰可以使系统简洁明了、效率高且易于维护。利用 该系统在局域网内部传输语音就可以摆脱计算机而独立进行，摆脱常规的方法 ( 在计算机上安装全双工声卡，配备麦克风和扬声器，利用多媒体计算机硬件 资源加上软件实现语音通信) 。 以太网是一个对等的网络，所有接入网中的设备拥有平等的权利，他们之 间没有主站点和从站点之分，所以我们也就没有办法靠一个优先级比较高的站 点去维护和管理该网络，但是从上面对以太网工作原理和方式描述中可知，接 入共享式以太网中的各站点所发送的网络数据帧，被集线器发到所有站点，这 样就为我们实时检测网络中各设备状态提供了思路。一般情况下当有数据帧到 达网络设备的网络接口单元后，n i c ( 网络接口控制器) 就会检测数据帧中的 目的地址是否和自己的物理地址相一致，若一致就将数据接收存入缓存中，否 则放弃接收。当我们设置n i c 的工作模式，使其能够接收所有的有效网络数据 帧( 所谓有效，就是指数据帧符合8 0 2 3 格式且帧长度在规定长度内) 时，我 们就能够实时拦截到所有设备发送出去的数据帧，进而达到对系统实施实时管 理的目的。 2 2e t s i 的网关模型 在组成p h o n et op h o n e 的i p 电话系统中，i p 电话网关是一个非常关键的设 备，它的主要功能是连接p s t n 和因特网的网络协议转换器，它转换两个网络 信令和媒体格式，实现p s t n 网与因特网的互通，如图2 7 所示。 西北工业太掌硕士论文 第二章系统的功能和总体实现 叶 江叵垤p叶电叫! 里鲞垤? 矽 幽27 电话网关的连接功能 目前还没有一个全球公认的标准来定义i p 电话网关设备的功能和接口特 性，而且对于连接p s t n 和因特网的网关设备的描述也是h 3 2 3 的一个薄弱环 节。这不仅使得语音在经过这些网关时质量受到限制和损坏，而且使网络运营 商选择和配置这些设备的工作变得更复杂。 2 2 1i p 电话网关标准 但是，值得庆幸的是随着人们对i p 电话网关重要性认识的加深，国际上 已有一些组织在着手制定有关的i p 电话网关的标准和协议，如：i t u ts g l 6 正在制定的h g c p ( g a t e w a yc o n t r o lp r o t o c o l ，g c p ) 标准、i e t f 制定的i p 电话 网关控制协议( m e d i ag a t e w a y c o n t r o lp r o t o c o l ，m g c p ) 等。其中e t s it i p h o n e ( 欧洲电信标准化组织的电信和因特网协议协调工作组) 正在制定的网关模型 m g c p 则从一个比较全面的角度描述了i p 电话网关的功能和系统构成。该网关 模型是基于网关分解( d e c o m p o s i t i o n ) 或网关功能分离( f u n c t i o ns e p e r a t i o n ) 的概 念，将网关的功能分离为呼叫控制( 高层) 和资源管理介质处理( 底层) 两部 分。高层对呼叫作智能管理并指示底层操作，需要时，还完成信令转换的功能。 底层主要完成媒体消息的转换和桥接。i p 电话网关按其功能可分为三部分。 信令网关( s i n g n a l i n gg a t e w a y ) 提供i p 域与p s t n 域之间的信令交换。如支 持i p 域上的h 3 2 3 信令，支持p s t n 域上的随路信令或非随路信令，如n o 7 。 其功能包括：p s t n 信令接口、信令保密、使用情况记录和报告等。 媒体网关( m e d i ag a t e w a y ) 提供媒体介质流的映象或转换。如将i p 域上的 r t p u d p i p 流转换成p s t n 域上的模拟语音、p c m 语音、g s m 语音等。其功 能包括：信道地址分解、信道编码转换、回声消除、因特网接口、p s t n 接口、 服务电路功能( 如d t m f ) 等。 网关控s t i r ( m e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e r ) 位于媒体网关、信令网关和关守之 间。它提供网关的呼叫控制命令，并从信令网关接收p s t n 信令，从关守接收 6 西北工业太学硕士论文第二章 系统的功能和总体实现 i p 域的信令，以此控制媒体网关的运行。其功能包括：接收和发送h 2 2 5 h