（计算机科学与技术专业论文）中继网关的驱动程序的扩展与完善.pdf

北京邮电人学硕士学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 中继网关的驱动程序的扩展与完善 摘要 论文首先简要介绍了p s t n 和i p 网络 论述了p s t n 网络与i p 网 络的互联互通在下一代网络发展过程当中扮演的重要角色 并给出了 解决方案 引出了本文论述的主要对象中继网关 中继网关首先可以 作为信令网关 完成p s t n 网络的呼叫信令s s 7 p r i 和中国1 号与 i p 网络的呼叫协议s i p 和h 3 2 3 之间的转换 也可以作为信令转换 服务器 完成i p 网络中呼叫控制协议s i p 和h 3 2 3 之间的信令协议转 换 另外 这里的中继网关兼备媒体网关的功能 可以实现p s t n 网 络p c m 码流与i p 网络中r t p 媒体流之间的转换 论文的第二章分析了中继网关的体系结构 并阐述了中继网关的 工作原理和具体实现方案 论文的第三章详细描述了中继网关底层驱动软件的设计方案与 实现细节 驱动软件主要包括两大部分 即e i t i 链路上的信令收发 和不同网络间的媒体转换 论文在这一部分中详细介绍了其中一些重 要的处理流程 论文的第四章详细描述了中继网关上的传真功能和定制彩铃功 能 论文的第五章介绍了几种中继网关的测试方案 并依据测试方案 为测试工作制定了详细的测试计划 论文的最后一章给出了中继网关的在实际应用中的部署方案 关键词中继网关e lt 1h 3 2 3s i ps s 7 传真 北京邮电人学硕士学位论文中继刚关的驱动程序的扩展与完善 e x p a n s i o na n dc o n s u m m l a t i o no ft h e d i u v eo ft h et r u n kg a t e w a y a b s t r a c t f i r s t t h ep a p e ri n t r o d u c e sp s t nn e t w o r k sa n di pn e t w o r k s c o n c i s e l ya n dd i s c u s s e s t h ei m p o r t a n tr o l eo ft h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ep s t nn e t w o r k sa n dt h ei pn e t w o r k si nt h ed e v e l o p m e n t o ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s t h e nt h ep a p e rg i v e sa ns o l u t i o no f t h i s p r o b l e ma n d d r a w so u tt h em a i no b je c tw h i c ht h e p a p e r e l a b o r a t e s t h et r u n kg a t e w a y t h et r u n kg a t e w a yc a na c ta st h e s i g n a l i n gg a t e w a yb e t w e e nt h ep s t nn e t w o r k sa n dt h ei pn e t w o r k s t ot r a n s l a t et h es s 7 p r u n o 1s i g n a l i n gt ot h es i p h 3 2 3p r o t o c o lo r r e v e r s e d i r e c t i o n s e c o n d l y t h e t r u n kg a t e w a yc a na c ta st h e s i g n a l i n g t r a n s l a t i o ns e r v e rb e t w e e ns i pa n dh 3 2 3 p r o t o c 0 1 t h i r d l y t h et r u n kg a t e w a yc a na l s ob eu s e da st h em e d i ag a t e w a yt o i m p l e m e n t t h ec o n v e r tb e t w e e np c ma n dr t p p a c k e t s t h es e c o n dp a r a g r a p ho ft h ep a p e ra n a l y z e st h ea r c h i t e c t u r eo f 北京邮i 乜大学硕士学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 t h et r u n kg a t e w a ya n de x p o u n d e dt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no ft h e p r i n c i p l ea n dt h et r u n kg a t e w a yp r o g r a m t h et h i r dp a r a g r a p ho ft h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n dt h e i m p l e m e n t a t i o no fd r i v e r s o f t w a r eo ft h et r u n ks e r v e ri nd e t a i l d r i v e rs o f t w a r em a i n l yi n c l u d e st w op a r t s t h es i g n a l i n gt r a n s c e i v e r s o fel t 1l i n k sa n dm e d i at r a n s f o r m a t i o n i nt h i sp a r tt h ep a p e r i n t r o d u c e ss o m ei m p o r t a n tp r o c e s sf l o w s t h ef o r t hp a r a g r a p ho f t h ep a p e rd e s c r i b e st h ef a xf u n c t i o na n d t h ec o l o rb e l lf u n t i o no nt h et r u n kg a t e w a y t h ef i f t hp a r a g r a p ho ft h ep a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a ls o l u t i o n so f t h et e s to ft h et r u n kg a t e w a ya n dm a k e sd e t a i l e dt e s t i n gp l a n s i nt h el a s tp a r t t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m ea p p l i c a t i o ns o l u t i o n s o f t h et r u n kg a t e w a y k e yw o r d s t r u n kg a t e w a ye lt lh 3 2 3s i ps s 7f a x 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 二细 丕垒日期 碹皇笙 兰 主j 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许学位论文被查阅和借 阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它 复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后遵守此规定 保密论文注释 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书 非保密论文注释 本 学位论文不属于 本人签名 导师签名 书 日期 狸里墨 i 日期 担盆 2 21 北京邮电人学硕士学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 1 1课题背景 第一章绪论 随着近年来国内外电信市场开放 竞争引入的步伐不断加快 人们对电信业 务的需求呈现出宽带化 多样化和个性化的局面 从而导致了以语音 多媒体网 络与数据通信网络融合 分层控制及统一i p 承载为代表特征的下一代网络的必 然产生 从长远看 作为新生事物的下一代网络当然是目前所有现存各类网络的最终 演进目标 然而由于市场管制政策 网络运营状况等方面的差异性 使得这个演 进和替代过程必将是漫长和渐进的 在这个漫长的过程中 必然伴随着各类网络 互通问题的产生和解决 其中尤其以p s t n 网络与i p 网络的互联互通为代表 本 文将针对这两种网络的互通性问题 提出中继网关的解决方案 1 1 1 p s t n 网络 1 基本概念 p s t n 网络是以电路交换为基础 电话业务为主体的电话通信网络 要保证 电信网的正常运行 就必须保证网络中各节点之间信息的正确传输和交换 这就 要求电信网必须提供完善的信令系统 1 信令是各交换局在完成呼叫接续中使用的一种通信语言 它是控制交换 机产生动作的命令 2 信令方式是信令在传送过程中所要遵守的规约和规定 它包括信令的结 构形式 信令在多段路由上的传送方式及控制方式 3 信令系统是指为完成特定的信令方式所使用的通信设备的全体 2 信令分类 p s t n 网络中运行着不同的信令系统 这些信令按照信令的工作区域分 北京邮电大学硕士学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 1 用户信令 是用户和交换机之间的信令 在用户线上传送 主要包括用户向交换机发送 的监视信令和选路信令 交换机向用户发送的铃流和各种音信号 2 局间信令 是交换机和交换机之间的信令 在局间中继线上传送 用于控制局间呼叫的 建立和拆除 以及管理和维护交换局之间的话路和信令链路 如果按照信令的传输信道分 1 随路信令 c a s c h a n n e la s s o c i a t e ds i g n a l i n g 是信令和话音在同一条话路中传送的信令方式 2 公共信道信令 c c s c o m m o nc h a n n e ls i g n a li n g 是以时分方式在一条高速数据链路上传送一群话路的信令的信令方式 3 局间信令 中继网关作为i p 网络和p s t n 网络的边界设备 依靠局间中继线与p s t n 网 络中的交换机互连 所以 实现i p 网络与p s t n 网络互联互通的关键就是中继网 关必须支持各种局间信令 目前在国内电话网上使用的局间信令主要有中国l 号信令 中国7 号信令和中国7 号信令的i s d n p r i 接口 1 中国l 号信令 中国1 号信令是随路信令 它由局间数字型线路信令和多频记发器信令构 成 局间数字型线路信令是在p c m 的t s l 6 上传送的 p c m 系统的1 复帧 1 6 帧 f o f 1 5 1 帧有3 2 个t s f 1 f 1 5 的每个t s l 6 负责传送两个话路的线路信 令 一共传送3 0 个话路的线路信令 多频记发器信令采用全互控方式 故也被 称为多频互控信令 m f c m f c 分为主叫送往被叫的前向信令和被叫送往主叫 的后向信令两种 前向信令采用6 中取2 方式 频率为1 3 8 0h z 1 5 0 0h z 1 6 2 0 h z 1 7 4 0h z 1 8 6 0h z 1 9 8 0 h z 频差为1 2 0 h z 后向信令采用4 中取2 方 式 频率为7 8 0 h z 9 0 0h z 1 0 2 0h z 1 1 4 0 h z 频差1 2 0 h z 故前向信令有 1 5 种 后向信令有6 种 2 中国7 号信令 s s 7 s s 7 是共路信道信令 它由消息传递部分 m t p 和用户部分 u p 组成 m t p 的主要功能是在信令网中提供可靠的信令消息传递 并在系统和信令网故障 情况下 具有为保证可靠的信息传送而作出响应并采取必要措施的能力 u p 的 北京邮电大学硕士学位论文中继嘲关的驱动程序的扩展与完善 主要功能是控制各种基本呼叫的建立和释放 可分为电话用户部分 t u p 数 据用户部分 d u p 和i s d n 用户部分 i s u p 大致的功能结构图如图i i 所示 d u pi s u pt u p lj l 一 mtp3 信令网功能 包括信令消息处理和信令管理功能 信令链路功能 对应o s i 数据链路层功能 m t p l 信令数据链路功能 对应o s i 物理层功能 一 j 图1 1s s 7 功能结构图 s s 7 在应用上由于需要目的地编码等信息 作为局间传输时使用广泛 但作 为用户端局接入使用时由于目的地编码资源问题存在 应用上没有p r i 信令使用 灵活 广泛 3 p r i 信令 又称i s d n 用户一网络信令 d s s l 信令 p r a 信令 在美国 加拿大和日本 i s d n p r i 接口采用2 3 b d 的t 1 结构 速率是1 5 4 4 m b p s 而在欧洲 澳大利亚 和中国 i s d n p r i 接口采用3 0 b d 的e 1 结构 速率是2 0 4 8 m b p s 大致的功能 结构图如图1 2 所示 端到端用户信令 1 4 5 1 1 q 9 3 1 对应o s i 上四层功能 呼叫控制协议 其作用为建立和释放b 信道连接 对应o s i 网络层功能 数据链路层协议 对应o s i 数据链路层功能 1 4 3 0 a 4 3 1 一一一 l 一 一 一 1 1 2 下一代网络简介 1 基本概念 物理层协议 采用u 1 e 1 接口标准 对应o s i 物理层功能 图1 2i s d n p r i 功能结构图 北京邮电大学硕十学位论文 中继网关的驱动程序的扩展与完善 传统p s t n 网络是电信网络的核心部分 其业务层与呼叫控制层紧密结合 不可分割 基于电路交换的程控电话交换机虽然可以为广大用户提供优质的话音 及增值服务 但它仍然存在着巨大的局限性 业务种类单一 当一项新的业务需 要提供时 往往需要对全网的交换机进行改造和升级 实现难度大 周期长 成 本高 因此 传统的p s t n 网络不适合传输种类繁多的数据业务 随着计算机和宽 带网络技术日新月异的发展 芯片技术 软件技术以及计算机通信等技术革命性 地突破 使i n t e r n e t 成为全球最大 发展最快的网络 人们对通信的需求也由语 音变为对数据 图像 语音的综合需求 从市场需求和科学技术发展的角度来看 电路交换的网络必将由分组网所替代 分组网络的业务的需求将更为复杂 更为 丰富 更加个性化 尽管i p 网络发展很快 但p s t n 网络依然有存在价值 它不会 在一夜之间消失 传统的基础设施 如s s 7 信令网 智能网应用等 用户一直在 使用并且会继续使用 既然原有网络近期不会消失 那么就产生了新旧网络融合 互通的问题 i p 通信技术及网络融合问题都大大的促进了下一代网络的发展 下 一代网络是一个建立在i p 技术基础之上 将话音 数据 视频等多种业务集于一 体的新型通信网络 它将话音和数据汇聚在同一个无缝网络中 通过将接入 呼 叫控制和电信应用程序分离的三层结构 使运营商利用现有网络提供更灵活的适 应性和更强的管理能力 主要有以下特征 首先 下一代网络体系采用开放的网络构架体系 其特点是将传统交换机 的功能模块分离成为独立的网络部件 各个部件按相应的功能划分 各自独立发 展 部件间的协议接口基于相应的标准 第二 下一代网络是业务驱动的网络 其功能特点是业务与呼叫控制分离 以及呼叫与承载分离 第三 下一代网络是基于统一协议的分组网络 i p 协议使得各种以i p 为基 础的业务都能在不同的网上实现互通 i p 协议也是电信网络 计算机网络及有 线电视网络都能接受的通信协议 三大网将最终汇集到统一的i p 网络 与传统 的网络不同 下一代网络以在统一的网络架构上解决各种综合业务灵活的提供能 力为出发点 提供诸如业务逻辑 业务的接入和传送手段 业务的资源提供能力 和业务的认证管理等服务 除此之外 业务逻辑在应用服务器上统一完成 并可 向用户提供开放的业务应用编程接口 a p i 因此 在n g n 中把业务层面和业 务控制层面从传统的网络中分离出来 而对于媒体流的传送和接入层面 n g n 将 通过各种接入手段将接入的业务流集中到统一的分组网络平台上传送 下一代网络在功能上可分为4 层 如图卜3 所示 4 北京邮电大学硕士学位论文中继网关的驱动程序的扩展勺完善 传统嘲籀一 馏令 业赉 d 传奠翻磐囊停 垒址用户 堂备 应用勘矬立予啊结的业套 熹李 螺俸 i 攘入鬻传翰属 图1 3 下一代网络的分层结构图 用户藿缘一 接入和传输层 a c c e s sa n dt r a n s p o r tl a y e r 将用户连接至网络 集中 用户业务将它们传递至目的地 包括各种接入手段 媒体层 m e d i al a y e r 将信息格式转换成为能够在网络上传递的信息格 式 例如 将话音信号分割成a t m 信元或i p 包 此外 媒体层可以将信息选路 至目的地 控制层 c o n t r o ll a y e r 包含呼叫智能 此层决定用户收到的业务 并 能控制低层网络元素对业务流的处理 网络服务层 n e t w o r ks e r v i c el a y e r 在呼叫建立的基础上提供额外的 服务 2 下一代网络中的通信协议 在浩瀚的i p 网络中要如何正确的寻找到要通话的对方并建立对答 同时也 能依照彼此资料的处理能力来传送语音数据 这中间必须藉由国际电信组织所拟 定的标准协议才能达到 如今 市面上的网络电话大致都会遵循h 3 2 3 s i p m g c p 及h 2 4 8 m a g a c o 等3 种标准协议 虽然目前产品仍以支持h 3 2 3 为多 但 s i p 的支持将会成为今后主流 1 h 3 2 3 协议簇 国内原有的v o i p 网络几乎全部基于h 3 2 3 协议簇构建的 h 3 2 3 协议簇是 i t u t 为基于分组的多媒体通信系统 主要是视频会议系统设计的 应该说h 3 2 3 协议簇在中国的v o i p 业务中得到了很好的应用 之所以称作为 簇 是因为它 并不是一个独立的协议 而是由多种协议组成 包括h 2 2 5 h 2 4 5 r t p r t c p 等协议 图卜4 为h 3 2 3 协议栈的结构 基于h 3 2 3 协议簇的i p 电话网络主要由网关和网守以及后台认证 计费等 支撑系统组成 网关和网守是组成v o i p 系统的关键设备 网关是完成协议转换 和媒体编解码的主要设备 而网守则是完成网关之间的路由交换 用户认证和计 北京邮电大学硕十学位论文中继嘲关的驱动程序的扩展与完善 费的控制层面的设备 图1 4h 3 2 3 协议栈结构 应该说 基于h 3 2 3 协议簇的v o l p 系统本身就是从电信级网络的角度出发 的 它有着传统电信的各种优点 比如易于构建大规模网络 网络的可运营可管 理性较好 不同厂商设备之间的互通性好等 然而这种基于h 3 2 3 的i p 电话网 络在部署和实施的时候也带来一些问题 协议过程复杂 设备成本高 投资建设成本高 导致了假i p 电话 就是用已 有的p s t n 冒充i p 电话 的出现 网关之间一旦获知彼此的路由信息 便可以直接通信 运营商无法收取通话 费用 滋生了 些非法i p 电话经营者 协议扩展性较差 到目前有停止不前的感觉 i p 电话从业务开展以来一直是 单一的业务形式 就是简单的打电话 通则通话 不通则挂机或等待重拨 因此 运营商的业务开展需要更丰富的业务形式 2 s i p 协议 s i p 是i e t f 标准进程的一部分 它是在诸如s m t p 简单邮件传送协议 和 h t t p 超文本传送协议 基础之上建立起来的 它用来建立 改变和终止基于 i p 网络的用户间的呼叫 为了提供电话业务它还需要结合不同的标准和协议 特别是需要确保传输 r t p 与当前电话网络的信令互连 能够确保语音质量 6 北京邮电火学硕士学位论文 中继网关的驱动程序的扩展与完善 r s v p 能够提供目录 l d a p 能够鉴权用户 r a d i u s 等等 s i p 被描述为用来生成 修改和终结一个或多个参与者之间的会话 这些会 话包括因特网多媒体会议 因特网 或任何i p 网络 电话呼叫和多媒体发布 会话中的成员能够通过多播或单播联系的网络来通信 s i p 支持会话描述 它允 许参与者在一组兼容媒体类型上达成一致 它同时通过代理和重定向请求到用户 当前位置来支持用户移动性 s i p 不与任何特定的会议控制协议捆绑 图1 5s i p 协议的体系结构 在下一代网络的技术摸索中 s i p 会话初始协议 协议越来越引起业界的关 注 该协议由i e t f 的s i p 工作组制定 1 9 9 9 年出了第一版本 2 0 0 2 年又在第一 版本的基础上修订并完善出了第二版 它是用于建立 修改和终止i p 网上的双 方或多方的多媒体通信的应用层控制协议 最初只是有一些小的厂商开发和使用 s i p 协议在企业的小型网络中提供电话业务 自第二版本发布以来 s i p 协议得 到了更多更广泛的应用 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和视频通信 自3 g p p 在 r e l e a s e 5 的i m s i p 多媒体子系统 中宣布以s i p 为核心协议 e t s i 又在其n g n 体系中采用了i m s 以来 s i p 协议一下子成为人们关注的热点 s i p 中有两个要素 s i p 用户代理和s i p 网络服务器 图卜5 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 用户代理本身具有客户机元素 用户代理客户机u a c 和服务器元素 用户 代理服务器u a s 客户机元素初始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 7 北京邮电大学硕士学位论文 中继网关的驱动程序的扩展与完善 s i p 服务器元素提供多种类型的服务器 有三种服务器形式存在于网络中 s i p 有状态代理服务器 s i p 无状态代理服务器和s i p 重定向服务器 由于呼 叫者未必知道被呼叫方的i p 地址或主机名 s i p 服务器的主要功能是提供名字 解析和用户定位 可以获得的是e m a i l 形式的地址或与被呼叫方关联的电话号 码 使用该信息 呼叫者的用户代理能够确定特定服务器来解析地址信息一这可 能涉及网络中很多服务器 图卜6s i p 呼叫流程 当一用户希望呼叫另一用户 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它能够直接将请 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 送给它们 有很多方法完成上步 例如搜索d n s 或访问数据库 服务器也可以是 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用以它直接与用户联 系 在定位用户的过程中 s i p 网络服务器当然能够代理或重定向呼叫到其它的 服务器 直到到达一个明确地知道被呼叫用户i p 地址的服务器 此流程见图卜6 s i p 协议具有以下的特点 s i p 协议是基于文本方式的协议 由于这种方式便于理解且实现简单 深受 设备开发商欢迎 s i p 协议考虑并支持用户的移动性 s i p 协议定义了注册服务器 重定向服 务器等不同的功能 当用户的位置发生变化时 其位置信息将随时登记到注册服 务器 s i p 协议采用了h t t p 协议c 1 i e n t s e r v e r 的消息处理方式 这种 北京邮电人学硕士学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 c l i e n t s e r v e r 的关系不固定 其工作方式对等 当a 向b 发送请求消息时 a 作为c l i e n t b 作为s e r v e r 反之 当b 向a 发起请求时它们之间的c l i e n t s e r v e r 关系又相反 s i p 消息本身就具有一定的定位能力 s i p 消息头中c a l l e r c a l l e r c o m 这 种域名的标识方式可包含用户号码信息 位置信息 用户名及其归属信息等 是 s i p 消息表述方式的一大优点 s i p 协议可与其他很多i e t f 协议集成来提供各种业务 如s d p r s v p r t s p m i m e h t t p 等 使s i p 协议在业务的实现方面具有很大灵活性 s i p 协议具有f o r k i n g 分路 的特征 使得s i p 协议实现一号通一类的业务 非常方便 s i p 协议的可扩展性较强 自发布以来根据业务需求和一些特征要求扩展定 义了多个新消息 消息扩展时其前后兼容性较好 s i p 协议所定义的终端具有一定的智能性 从上述特点看来 s i p 协议本身在消息发送和处理机制上具有一定的灵活 性 使得用s i p 协议可以很方便地实现一些v o i p 的补充业务 比如各种情况下 的呼叫前转 呼叫转接 呼叫保持 p r e s e n c e 即时消息等业务 由于s i p 协议 是基于会话定义的用来建立 修改和终止i p 网上的多媒体会话的宗旨 它可以 很灵活地与其他多种协议集成 通过集成其他应用层协议 可以提供更多的增值 业务 就其本质而言 s i p 协议与目前最大的i p 网 互联网有着密不可分的 近亲关系 这一点使得s i p 协议更贴近下一代网络的i p 化的总趋势 s i p 协议也存在以下的不足 没有充分考虑目前i p v 4 网络中大量存在的n a t 防火墙设备的影响 在业 务开展使用时存在无法穿越n a t 和防火墙的问题 网络整体架构没有明确的规定 在规划大规模的网络时仍有很多问题需要考 虑 如采用什么样的网络架构 整网的运营管理方式等 尽管协议仍在不断扩展 但是具体的可用于指导设备开发和网络建设的规范 还没有 这可能会给互通带来一定的影响 3 m g c p 协议 原则上 m g c p 协议与前两者皆不同 h 3 2 3 和s i p 协议是专门针对网络电话 及i p 网络所提出的两套各自独立的标准 两者间并不兼容及互通 反观m g c p 协议 则与i p 电话网络无关 而只牵涉到网关分解上的问题 也因为如此 该 9 北京邮电人学硕上学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 协议可同时适用于支持h 3 2 3 或s i p 协议的网络电话系统 m g c p 协议制定的主要目的即在于将网关功能分解成专门负责媒体流处理的 媒体网关 m g 以及掌控呼叫建立与控制的媒体网关控制器 m g c 两大部分 同时m g 在m g c 的控制下 实现跨网域的多媒体电信业务 由于m g c p 更加适应需要中央控管的通讯服务模式 因此更符合电信运营商 的需求 在大规模网络电话网中 集中控管是件非常重要的事情 透过m g c p 则 可利用m g c 统一处理分发不同的服务给m g 1 1 3ip 网与p s t n 网的互联互通问题 虽然n g n 具备如此突出的优点 但是n g n 网络也不可能作为孤岛单独存在 由此决定了所有n g n 运营者都必须面临和关注的问题 与各类相关网络实现无缝 的互联互通 从另一个角度讲 网络互通问题的解决又是关系到n g n 运营成败和 持续发展的一个重要前提 n g n 是具有后向兼容性 允许平滑演进的网络 通过接入媒体网关 中继媒 体网关和信令网关等 可实现与p s t n p l m n i n i n t e r n e t 等网络的互通 从 而充分挖掘现有网络设施潜力和保护已有投资 以承载控制合一及电路交换为基础的p s t n 历经数十年的发展演进 已在 全球范围的电信运营商网络内形成了绝对优势的规模 该网络提供的固定话音及 其他电信业务也拥有着绝大部分的电信用户及运营收入 这就对处在新生及试验 阶段的n g n 网络与目前广泛部署且处于主导地位的p s t n 网络的有效互通提出了 很高的要求 因为在相当长的一段时期内 与p s t n 用户互通的话务量必将构成 n g n 总话务及运营收入的主要部分 分析n g n 与p s t n 网络在组网方式 业务 信令承载以及媒体流编码格式等 方面存在的根本差异 解决这两者之间的互通需求要从以下几个方面着手 1 网络承载连接的互通 p s t n 网络的信令及媒体业务流承载在基于t d m 的e l t 1 物理时隙通道上 而n g n 的信令及媒体业务流则在无连接的i p 网络层上传输 并以高层i p 媒体流 控制传输及信令传输协议来保证端到端的连接可靠性 因此 两个网络的边界上 必须有合适的设备来完成不同承载模式之间的互通转换 由于在n g n 体系中 信 令及承载面媒体业务流分别在不同网络层面和物理设备 控制面软交换及承载面 媒体网关 上处理 因此网络承载连接的互通需求又可进一步划分为信令承载的 互通与用户承载连接的互通 1 0 北京邮电大学硕士学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 2 应用控制信令的互通 p s t n 侧交换局间一般采用基于共路方式的s s 7 i s u p t u p 或随路方式的 r 2 n o 1 实现局间的呼叫互通 而n g n 内则在软交换设备间采用s i p h 3 2 3 b i c c 等基于i p 的呼叫控制协议实现局问呼叫互通 在流程及消息构成方面完全 不同于p s t n 侧各类信令 这就要求处于n g n 互通节点位置的设备必须能同时支 持p s t n 侧及n g n 侧的局间呼叫控制协议 并完成二者之间转换 3 媒体格式的互通 对于语音业务 p s t n 网络中的媒体流一般采用非压缩的波形编码p c m 格式 而在n g n 中 为了实现v o l p 带宽节省的目的 采用了压缩比较高的模型参数编 码格式 如g 7 2 3 1 g 7 2 9 等 而其他业务如传真等也采用了特殊的编码方式 因此媒体格式的双向转换是必须解决的互通问题 1 2 课题的引出 由于向下一代网络转变的过程是一个逐步演进的过程 所以在相当长的一段 时间内会存在i p 网络和传统的p s t n 网络并存的情况 由于要使得整个底层网 络对于用户而言不可见 这就使得p s t n 网络和i p 网络的互通问题成为近一段 时期内的一个关键问题 p s t n 网络与i p 网络的互通主要包括两部分内容 一 方面是媒体部分的互通 主要包括媒体格式的相互转换 另一方面是信令部分的 互通 本论文中论述的中继网关可以处于p s t n 电信网络与i p 网络之间 既可以 实现p s t n 电信网络与i p 网络之间的媒体互通 又可以实现两个网络之间的信令 互通 1 3 论文工作 本课题包括以下几方面工作 底层驱动软件的功能完善和结构的优化 使用c 语言开发 代码量7 0 0 0 行 中继网关上定制彩铃功能的实现 实现r t p 模块 代码量2 0 0 0 行 中继网关上传真功能的设计 北京邮电大学硕士学位论文 中继网关的驱动程序的扩展与完善 中继网关的测试 包括三种测试手段并通过国家语音网关入网测试 中继网关应用解决方案的设计与建议 论文通过对中继网关的相关研究 最终在v a n l i n k 公司的r m o s 嵌入式实时 操作系统平台上得到实现 实际产品为v a n l i n k 中继网关 现在已经大规模商用 2 1 中继网关概念 第二章中继网关概述 中继网关是架设在工p 与p s t n 网络中间的接口设备 是两个网络联系的桥梁 在p s t n 侧连接标准是e l t 1 中继网关通过自己的e l t 1 板与p s t n 网络进行互 联 与i p 网络互联则通过以太口模块 中继网关要同时支持i p 与p s t n 两侧的 信令并要协调使它们能够正常通信 中继网关在通信中所处的位置如图2 1 所 示 图2 1 中继网关在通信网络中的位置 2 2 中继网关必须具备的基本技术 引o 毋件匆 北京邮电大学硕上学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 2 2 1 数据通信技术 中继网关通过e l t 1 线与p s t n 网络中的程控交换机相连 要与程控后交换机 进行数据的通信必须对e 1 t l 标准有良好的支持 中继网关必须负责从e i t 1 的时 隙中分解复用出数字话音信号和信令数据 2 2 2 语音通信技术 语音通信与数据通信不同 语音通信包含的信息量大 通信中对实时性和质 量的要求又比较高 因而在现有的网络条件下 需要采用相关的处理技术 一方 面在发送端尽量压缩数据 减少对带宽的占用 另一方面当数据到达接收端时 采用弥补手段 最大程度地减低网络传输对原始信号的影响 将语音做高质量的 还原 对语音的处理一般采用以下几种技术 1 语音编码技术 语音编码的主要目的就是把用户语音的p c m 脉冲编码调制 样值编码成 少量的比特 帧 这种方法使得语音在话路产生误码 网络抖动和突发传输时 具有健壮性 r o b u s t n e s s 在接收端 语音帧先被译码为p c m 语音样值 然后 再转换成语音波形 语音编码主要有比特率 质量 延迟和复杂度四种属性 好的语音编码方案 不是追求尽可能低地编码比特率 而是根据实际应用地要求对各种属性进行折 中 因为他们之间往往是彼此矛盾的 语音编码器分为三种类形 a 波形编码器 b 声码器 c 混合编码器 波形编码器会尽可能构造出包括背景噪单在内的模拟波形 由于波形编码器作用 于所有输入信号 因此会产生高质量的样值 然而 波形编码器工作在高比特率 例如 i t u g 7 1 1 规范 p c m 用的比特率为6 4 k b p s 声码器 v o c o d e r 不会 再生原始波形 这组编码器会提取一组参数 这组参数被送到接收端 用来导出 语音产生模形 线性预测编码 l p c 用来获取这一时变数字滤波器的参数 这 个滤波器用来模拟说话人的声道输出 在电话系统中使用声码器 语音质量不够 好 在v o i p 中常用的语音编码器是混合编码器 它融入了波形编码器和声码器 的长处 它的另一特点是它工作在非常低的比特率 4 6 k b p s 表2 一l 给出几种 语音编码方案地比较 i 标准ig 7 1 1ig 7 2 6 g 7 2 1ig 7 2 8ig 7 2 9lg 7 2 3 11 北京邮电人学硕士学位论文中继网关的驱动程序的扩展与完善 速率 k b i t s 6 416 2 4 3 2 4 01 686 3 5 3 编码器类型波形 波形 a d p c ma b s a b s a b s p c ml d c e l pc s a c e l p m p m l q 语音质量 4 22 3 2 4 4 2 4 04 o3 9 3 7 m o s 分值 表2 i 语音编码方案 降低比特率是语音编码的主要目标 因为它直接影响到对传输资源的有效利 用和网络容量的提高 一般的编码标准都采用固定比特率编码 近年来又出现了 可变的比特率编码 其中运用了静音检测技术对有声和无声期进行通 断两个状 态的编码 更复杂的多个状态编码还可以根据网络负荷等多种因素调整比特率 图2 2 为低比特率编码器的m o s 得分 彘 木 呈 图2 2 低比特率编码器的m o s 得分一比特率关系曲线 时延是语音编码带来的问题之一 语音编码器时延由算法时延 计算时延组 成 算法时延等于对于语音采样后形成的一帧数据长 如果算法还需要知道下一 帧的部分数据 那么需要加入那一部分数据的长度 计算时延是编码器分析时间 及解码器重建时间 其值取决于硬件速度 一般等于或略小于帧长 语音编码的复杂度也是必须考虑的问题 他决定了编码器的硬件成本和功 耗 也影响到编码器的处理速度 i p 网络电话一般采用中低复杂度的编码算法 2 静音检测 v a d v o i c ea c t i v ed e t e c t 技术 在语音通信过程中 通话者不可能一直处于说话状态 总有间隔和停顿 因 1 4 北京邮电大学硕上学位论文 中继网关的驱动程序的扩展与完善 此可以通过在静音状态下不传送语音分组的方法 达到节省网络带宽的目的 这 一技术的关键是如何检测到静音状态 其基本的原理是判断语言信号能量是否低 于一定的门限值 然而在实际的应用中如果在静音期间不发生任何分组 接受者 可能感到不适 故而在静音压缩算法中加入适度噪音的生成 可以给通话双方提 供一种自然的通话效果 3 语音抖动处理技术 抖动是分组交换网络带来的必然结果 在i n t e r n e t 上许多数据包一起竞争 资源 一般采用存储转发的机制来处理这种资源竞争 数据包经过转发之后 包 与包之间的时间信息丢失 因而产生抖动 如果网络的抖动较为严重 那么有的 语音包因为延迟而被丢掉 就会产生语音的断续以及部分失真而影响到语音效 果 为了处理这种抖动 在对语音的处理中加入了抖动缓冲技术 在接收方设定 一个缓冲池 语音包到达时候 先被放入缓冲池暂存 系统然后以稳定的平滑的 速率从缓冲池内部取走数据 解压 播放 从而达到处理抖动的效果 这种技术 虽然能够比较好的处理抖动 然而如何设置缓冲池的大小也将是需要全面考虑的 问题 因为缓冲池的引入 同时也引入了网络时延 同时所引入的网络时延和缓 存大小是成正比的 所以综合考虑系统的通话质量来设置缓存大小 4 分组丢失补偿技术 包丢失对于i p 网络可以说是一种必然 但是由于低比特率的声码器都是基 于线性预测原理 因此可以通过预测来补偿丢失得信息 5 回声抑止技术 在p b x 或局用交换机侧 有少量电能未被充分转换而且沿原路返回 形 成回声 如果打电话者离p b x 或交换机不远 回声返回很快 入耳听不出来 这 种情况下无关紧要 但是当回声返回时间超过1 0 m s 时 人耳就可听到明显的回 声了 为了防止回声 一般需要回声消除技术 在处理器中有特殊的软件代码监 听回声信号 并将它从听话人的语音信号中消除 对于i p 电话设备 回声消除 技术是十分重要的 因为一般i p 网络的时延很容易就达到4 0 5 0 m s i n t e r n e t 语音通信中回声的特点与传统电话相比 i n t e r n e t 上进行语音的实时传输 有 其致命的弱点 那就是语音质量较差 影响i n t e r n e t 语音质量的因素是多方面 的 最关键的因素之一是回声的影响 因此 要提高i n t e r n e t 的语音质量 就 必须在i n t e r n e t 的语音传输过程中进行消回声的处理 也就是说 i p 电话网关 作为i n t e r n e t 的语音接入设备 必须具有回声的消除功能 由于i n t e r n e t 的语 音传输是采用分组交换技术实现的一种全新的电信业务 传送的语音信号要经过 编码 压缩 打包等一系列处理 这不仅造成回声路径的延迟较大 而且延迟抖 1 5 北京邮电大学硕 学位论文中继嘲关的驱动程序的扩展与完善 动也较大 因此 在i n t e r n e t 的语音传输过程中 回声问题显得尤其突出 随着消回声技术的发展 当前回声消除研究的重点 已由 电路回声 的消除 转向了 声学回声 分析声学回声的产生的机理 可以知道 声学回声最简单的控制方法是改善 扬声器的周围环境 尽量减少扬声器播放声音的反射 例如 可以在周围的墙壁 上附加一层吸音材料 或增加一层衬垫以增加散射 理想的周围环境是其回响时 间或r t 6 0 声音衰减6 0 d b 所需要的时间 在3 0 0 m s 6 0 0 m s 之间 因为这样的 环境一方面可以控制反射 又可以使讲话者感到舒适 改善环境可以有效地抑制 间接声学回声 但对直接声学回声却无能为力 本文中描述的中继网关除了支持以上基本功能 还支持一些特殊功能 将在 下一章中详述 2 3 硬件架构 中继网关的硬件架构如图2 3 所示 中继网关是模块化设备 由一块主板和 多个e l t 1 板集成而成 主板上有c p u 内存等必备部件 c p u 使用m o t o r o l a 的m p c 8 2 5 0 中继网 关上的各软件模块运行在主板内存中 e l t 1 板上有m i n d s p e e dm 8 2 5 0d s p 芯片和e l t 1 链路的接口芯片 m i n d s p e e db t 8 3 7 0 语音d s p 是中继网关的核心部件 它的核心功能是把p c m 编码 的语音信号转化成各种复杂编码 虽然p c m 编码已经是数字信号 但对于v o i p 传 输 它有一个致命的缺点 占用带宽过高 6 4 k b s 所以并不适合用来作为y o i p 传输的编码格式 语音d s p 可以把p c m 编码实时压缩成低速率的语音编码 如 g 7 2 3 1 g 7 2 9 等 c p u 通过p c i 总线访问d s p 芯片 完成媒体流的处理功能 通过通用数据地 址总线访问e l t 1 链路的接口芯片 实现对e l t 1 链路的控制功能 1 6 北京邮电大学硕士学位论文 中继网关的驱动程序的扩展与完善 主板e l 厂r l 板 2 4 软件架构 图2 3 中继网关硬件架构图 因为中继网关介于p s t n 网络和i p 网络的接口处 因此中继网关上有i p 网 络侧的协议模块h 3 2 3 s i p 和p s t n 网络侧信令模块s s 7 p r i 中国1 号等信 令模块 如图2 4 所示 从图中可以看到中继网关的软件模块中还有s d 模块用 来实现p s