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1 基于P2P的Skype即时通信技术 广东科技学院计算机系杨胜利2013年03月 2 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 尽管即时通信软件的广泛流行 但是多数此类软件仍然采用的是传统的C S模式 极大的在线用户数量需要服务器进行大量的用户管理和通信协调工作 从而制约了此类系统的发展 而P2P技术正是对传统C S模式的一种颠覆 P2P作为一种网络模型 其中所有的结点 客户端 是对等的 各结点具有相同的责任和能力 能够协同完成任务 将P2P技术与即时通信系统结合起来 能较大地改善现有即时通信系统的维护性能高 可扩展性差的缺点 P2P技术在即时通信领域最经典 最成功的应用就是Skype 3 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype简介 Skype为互联网带来了一个全新的通信时代 Skype 是支持语音通信的即时通信软件 可以进行高清晰语音聊天 联机双方网络顺畅时 音质可能超过普通电话 4 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype简介 Skype和ICQ MSN很像 不同的是 Skype采用点对点交换方式进行信息的传输 且特别增强语音传输功能 可以在网络上免费下载 下载后的Skype软件 可以快速简便地装入到电脑 只需简单的信息注册 在数分钟之内 便可以通过Skype与你的朋友通电话 双方通话采用密码传送方式 高度安全可靠 最好的一点是 Skype无须重新配置防火墙或路由器便可正常工作 Skype最重要的特点就是它具有VoIP的功能 利用P2P技术在互联网上进行语音传输 除了网内互打 也可以透过Skype拨打电话给只有固网电话或移动电话的朋友 这无疑是VOIP发展史上划时代的里程碑 下载了一个Skype软件之后 我就知道完了 Skype通话的质量好极了而且是免费的 一切都结束了 美国联邦通信委员会主席麦克尔 鲍威尔曾感叹道 5 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype简介 正如麦克尔 鲍威尔所说 Skype的确优秀 它采用私有协议 所有的语音数据都进行端对端的加密 所有用户数据都是分布方式存储 同时它也支持即时消息和会议功能 Skype出现的重大意义源于 它证明了使用现有的Internet带宽资源进行高质量语音服务的可行性 同 语音通信可以是很便宜的 它的出现 使得传统电信行业不得不开始认真对待新一代通信机制的挑战 6 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 VOIP是VoiceoverInternetProtocol的缩写 指的是将模拟的声音信号经过压缩与封包之后 以数据封包的形式在IP网络的环境进行语音讯号的传输 通俗来说也就是互联网电话 网络电话或者简称IP电话 1 VOIP的简史1995年以色列VocalTec公司所推出的InternetPhone 揭开了电信IP化的序幕 电信业的服务内容及面貌也为之剧变 一开始的网络电话是以软件的形式呈现 同时仅限于PCtoPC间的通话 随着宽频普及与相关网络技术的引进 网络电话也由单纯PCtoPC的通话形式 发展出IPtoPSTN 公共开关电话网络 PSTNtoIP PSTNtoPSTN及IPtoIP等各种形式 所有这些形式的共同点就是以IP网络为传输媒介 如此一来 电信业长久以PSTN电路交换网网络为传输媒介的惯例及独占性随着VOIP的出现也逐渐被打破 7 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 2 Skype的网络通信是怎样实现的传统的电话网络 我们称之为模拟电话网或PSTN网 我们利用它来通话 其间所有的语音都是模拟信号在PSTN网上传输 而在Internet上 所有的数据 包括语音都是数字信号在Internet上传输 现在VOIP电话可以穿透两大网络 使Internet上的数字语音信号和PSTN网上的模拟语音信号相互转换 利用互联网来传送语音 无论何时何地 只要接入到Internet网络 就可以实现全球任何两点之间的语音通话 Skype的VOIP功能 让你在享受快捷的呼叫连接 清晰的通话质量 免费的通话费用的同时 也保证了信息传递的安全 有效 正确 如图所示的就是电话语音在Internet中传输的模型 8 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 9 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 3 VOIP的工作原理由VoiceoverIP的字面意义 可以直译为透过IP网络传输的语音信号或影像信号 所以VOIP就是一种可以在IP网络上互传模拟音讯或视讯的一种技术 简单地说 它是由一连串的转码 编码 压缩 打包等程序 好让该语音数据可以在IP网络上传输到目的端 然后再经由相反的程序 还原成原来的语音讯号以供接听者接收 VOIP的基本原理是 通过语音的压缩算法对语音数据编码进行压缩处理 然后把这些语音数据按TCP IP标准进行打包 经过IP网络把数据包送至接收地 再把这些语音数据包串起来 经过解压处理后 恢复成原来的语音信号 从而达到由互联网传送语音的目的 10 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 IP电话的核心与关键设备是IP网关 它把各地区电话区号映射为相应的地区网关IP地址 这些信息存放在一个数据库中 有关处理软件将完成呼叫处理 数字语音打包 路由管理等功能 在用户拨打长途电话时 网关根据电话区号数据库资料 确定相应网关的IP地址 并将此IP地址加入IP数据包中 同时选择最佳路由 以减少传输时延 IP数据包经Internet到达目的地的网关 在一些Internet尚未延伸到或暂时未设立网关的地区 可设置路由 由最近的网关通过长途电话网转接 实现通信业务 11 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 进一步来说 VOIP大致通过5道程序来互传语音信号 1 首先是将发话端的模拟语音信号进行编码的动作 目前主要是采用ITU TG 711语音编码标准来转换 注意 ITU G 711是一种由国际电信联盟 ITU T 制定的音频编码方式 又称为G 711编码 2 第二道程序则是将语音封包加以压缩 同时添加地址及控制信息 3 第三道程序 也就是传输IP封包阶段 根据第二阶段得到的控制信息 将IP数据包传送到目的端 4 到了目的端 IP封包会进行译码还原的作业 将IP数据还原成语音数据 5 最后 将语音数据转挨成喇叭 听筒或耳机能播放的模拟语音信号 12 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 在一个基本的VOIP架构之中 大致包含4个基本元素 分别为媒体网关器 媒体网关控制器 语音服务器和信号网关器 一个大型的VOIP架构图如图所示 13 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 口媒体网关器 MediaGateway 主要扮演将语音信号转换成为IP封包的角色 口媒体网关控制器 MediaGatewayController 又称为GateKeeper或CallServer 主要负责管理信号传输与转换的工作 口语音服务器 主要提供电话不通 占线 忙线时的语音响应服务 口信号网关器 SignalingGateway 主要工作是在交换过程中进行相关控制 以决定通话建立与否 以及提供相关应用的增值服务 14 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 4 VOIP的市场需求及成长空间随着中国网络环境的不断改善 如带宽的增加 企业局域网的普遍建立 接入方式选择的增加等 网络通信系统的使用环境已经具备 同时语音的编解码技术 在IP网络上传输语音的技术也已经成熟 通话质量可以和传统电话相媲美 如今 VOIP电话 VOIP电话 的市场需求正在爆炸性地增长 根据ProbeResearch的报告 全球由互联网传输的语音信号在2000年为77亿分钟 而这一数字在2005年达到了57000亿分钟 增长的原因主要是 政府对电信网络管制的放松 服务供应商需要更快地通过新的服务来获得利润 VOIP电话信号质量与可靠性的大幅度提高 由此可以看到 VOIP电话具有巨大的市场发展潜力 15 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的VOIP功能 5 VOIP的技术及功能特点 1 易于扩展 兼容性强口IP语音网关是基于模块化设计的多功能IP接入设备 具有良好的扩展性 可根据需要随时添加语音端口 口可以采用灵活的接入方式 支持ADSL DDN ISDN WaveLan等 方便以后的分公司采用多种网络接入方式添加IP语音系统网 口兼容性好 互通性强 符合国际 国内相关标准 可以与同类产品互连互通 2 投资少 安装简单 易于维护口配置简单 本方案选用设备数量少且配置简单 整个网络所需投资少 口安装维护简单 无须专门的维护人员和额外的费用 可以实现远程的安装和调试 16 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype与P2P技术 仅从Skype的功能上看 Skype是一款提供语音对话 即时消息 文件传输和电话会议的即时通信工具 和MSN QQ的区别不大 但是Skype的底层构架和关键技术与以往的即时通信软件有很大的不同 这正是Skype取得巨大成功的内在原因 而这一关键技术就是P2P技术 P2P最本质的含义就是 对等 共享 该技木最早是用于网络中对等结点之间的资源和信息共享的技术 如BT eMule技术等 后来 Skype在网络通话业务系统中灵活应用了该技术 由于冲击了传统通信领域 Skype在引起很多争议的同时也使人耳目一新 可以说 Skype发展和演化了P2P应用 Skype从网络结构上讲 是一种混合型的P2P网络结构 它结合了集中式和分布式的特点 在网络的边缘结点采用集中式的网络结构 而在超级结点之间采用分布式的网络结构 17 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype与P2P技术 18 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype与P2P技术 Skype是基于KaZaA框架的对等网络应用系统 Skype在运行的时候会在计算机上开启一个网络联机端口来监听其他Skype用户的联机呼叫 当其他计算机能顺利联机到这部计算机 Skype称呼该用户为Supernode SuperNode在该P2P环境中的角色 即为提供其他无法被联机的用户之间的中继站 借用诸多SuperNodes的些许网络带宽 协助其他的Skype使用者之间能够顺利的互相联系 这种行为 在P2P环境中 算是相当常见的手法 也是点对点联机的精髓之一 Skype是第一个将此种做法运用到网络语音通话与即时消息应用层面上的 注意 KazaA框架 就是一种混合式的P2P网络框架 在混合式的P2P网络结构中有超级结点和普通结点两种类型的客户端 普通结点以超级结点为中心形成集中式的网络结构 而所有的超级结点又以全分布式的结构构成整个网络 19 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype与P2P技术 在Skype网络中有注册服务器 普通结点和超级结点3种角色 注册服务器用来完成注册认证 普通结点仅通过运行Skype应用来进行语音通话和消息传递 超级结点同样是一组运行Skype应用的结点 只是超级结点必须具备一些特殊条件 超级结点的处理能力 存储能力和带宽高于普通结点等 普通结点和超级结点都需要先通过登录服务器来加入Skype覆盖网 登录服务器不是Skype覆盖网的组成部分 是特殊的控制结点 这个控制结点就是所说的注册服务器 注册服务器是Skype系统中唯一的有集中控制功能的服务器 它存储着所有Skype用户的用户名和密码信息 Skype系统的所有用户的登录信息 主要包括用户名和密码 记录在登录服务器上 登录服务器验证用户的登录合法性 并保证用户名字符串在整个Skype覆盖网上的唯一性 20 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype与P2P技术 用户通过它进行注册认证 广播它的在线状态和好友信息 并能够检测用户是否位于防火墙或NAT后 同时判断防火墙的种类 另外 通过注册服务器Skype客户端软件 还可以获得更新的超级结点列表 用于后续的通信 注意 由于Skype覆盖网采用的是对等网络的分布式组织方式 因此 每个Skype结点必须建立和维护一定的路由信息和拓扑维护信息 注册之后 Skype客户端就不再需要注册服务器的参与 VOIP接续和用户查找功能都由Skype普通结点和超级结点组成的Skype网络完成 普通结点就是可以进行普通的VOIP呼叫和即时消息的客户端 超级结点除了可以进行普通结点的通话和即时消息外 还可以当作普通结点的转接点 21 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的基本功能 Skype作为一个即时通信软件 除了拥有一般即时通信系统的基本功能以外 还有很多特有的功能和机制 尤其是作力P2P技术在即时通信方面的典型代表 Skype还有很多其他的即时通信系统所不具备的在P2P技术方面的特性 Skype采用了最先进的P2P技术 可以提供超清晰的语音通话效果 使用端对端的加密技术 保证通信的安全可靠 除此以外 它还具备以下最基本的即时通信功能 1 超清晰语音质量免费多方通话 全球通用 采用 端对端 加密 极具保密性 跨平台使用 拨打普通电话使用起来超级简单方便 极强的穿透防火墙能力 可以与所有防火墙 NAT和路由器一起使用 且无需进行任何配置 22 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的基本功能 2 免费的多方通话使用Skype 还可以进行多达5人的清晰的多方会议呼叫 完全免费 而且操作简单 所有的通话都采用端对端加密 任何人无法截取信息 这不仅可以与好友们联络感情 还可以方便地进行商务会谈 3 快速传送超大文件文件传输功能同样采用了P2P的技术 文件在传输过程中进行了加密 安全性高 传输的文件尺寸大小无限制 可达若干G 支持断点续传 文件传输可跨平台进行 即可以在不同的操作系统Windows Mac和Linux平台间进行 注意 断点续传 指的是如果传输过程中因为网络原因或者意外中断 下次启动后可在原来的基础上继续传输 23 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的基本功能 4 无延迟即时消息和普通的即时通信软件一样 也可以给好友发文本消息 速度更快 采用端对端加密 更保密 更安全 5 全球通用提供了全球搜索目录 可以根据不同的查询条件查询认识或者不认识的在Skype网友 并且 呵以马上开始进行畅通无阻的语音聊天 让你的沟通更无障碍 效率更高 6 跨平台使用Skype可以同时在Windows MacoSX Linux 和PocketPC平台的PDA上使用 并且在不同的平台上有适合本平台的界面 语音聊天 发送即时消息 甚至传送文件都可以在不同的平台之间进行 你无须因为使用的不同的操作系统而无法与朋友们进行沟通 24 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的技术优势 从具体技术的角度来看 Skype的优势有下面几点 1 穿透防火墙大多数的Voice over IP应用程序不能穿透防火墙和NAT 网络地址转换 几乎所有宽带用户都处于防火墙和NAT之后 所以它们不能用VOIP应用程序 Skype不是一个典型的VOIP程序 它运用的是P2P技术 几乎可以在所有的防火墙或者NAT之后工作 大多数此类软件的进入端口号都是指定的 Skype没有指定进入的端口号 而是在安装程序的时候随机选择一个进入端口 如此能增强穿透网络地址转换 NAT 因为如果有若干个位于NAT之后的用户采用相同端口的话 则NAT会使得语音质量降低 在这种机制下 Skype首先识别NAT和防火墙类型 然后通过动态的选择信令和媒体代理 从而轻松实现NAT和防火墙的穿越 25 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的技术优势 2 安全加密Skype采用了端对端的加密方式 保证信息的安全性 Skype在信息 语音 即时消息 文件 发送之前进行加密 在接收到的时候进行解密 即使在数据传输过程中需要经过其他结点进行中转 也完全没有可能在中途被窃听 Skype采用了数字签名的方式 保证存储在P2P网络中的用户数据不被篡改 由于Skype使用的是P2P的技术 用户数据主要存储在P2P网络中 在用户进行搜索等操作的时候从公共网络中获取 如此必须保证存储在公共网络中的数据是可靠的和没有被篡改的 Skype对公共目录中存储的和用户相关的数据都采用了数字签名 保证了数据无法被篡改 26 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的技术优势 3 非集中式全球搜索目录大多数即时通信或者其他类似的带通信功能的软件都需要集中式的用户目录 通过该目录来建立终端用户之间的连接 以及用户和动态IP地址的映射关系 IP地址在每次用户登录的时候都有可能改变 大多即时通信软件通过集中式目录和日志来跟踪用户是否在线等 集中式目录在用户基数增加到百万以上之后 资源耗费会非常大 Skype技术 将这些资源耗费分散在了可利用的各个结点上 从而有更多的精力来开发前沿的技术和先进的功能 全球搜索目录 GI 代表了另一种意义上的可扩展网络技术 全球搜索目录使用多层的网络结构 这种结构利用超级结点 Supernodes 来实现网络中的每个结点可以获取所有其他可利用结点的资源 并保证最小的延时 27 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的技术优势 4 最大可能的节省资源Skype对网络带宽的要求比同类产品低 Skype在33 6kbps或者以上的Modem来拨号上网的情况下 也可以使用语音通话 Skype可以根据双方的连接情况自动选择最佳的编码方式 语音通话的时候平均占用带宽大约是3 16KB S 实际占用带宽会根据对方的带宽情况 网络状况 以及CPU性能等有所不同 当空闲的时候大约只需要0 0 5KB S的带宽 主要是用来更新好友在线信息 具体的带宽情况可能会受许多因素的影响 用Skype进行文件传输的时候 如果双方不能直接连接 则会通过其他用户的资源来进行中转 普通的同类软件在无法直连的时候一般是通过服务器中转 Skype不利用服务器的资源 而是通过网络中的其他用户机器来进行中转 为了不过多占用做中转的用户资源 将速度限制在了500K S以下 28 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的技术优势 5 跨平台目前大多数IM软件都只能在Windows平台上运行 即使有单独开发的针对其他平台的版本 也往往是功能非常弱 例如只限于文本信息交换 Skype目前有完全适用于Windows操作系统 PocketPC 和MacoS和Linux操作系统的版本 语音通话 文件交换等数据传输都可跨平台进行 Skype所采用的底层技术保证了其可以很容易地移植到不同的终端设备上 更加适应终端设备和通信技术的发展 Skype采取开放的机制 在跨平台的同时 也鼓励互联网用户自己开发插件 目前此类开发如雨后春笋 在互联网上遍地开花 29 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的技术优势 6 使用简易 功能强大Skype具有迄今为止最优质的语音 现在很多VOIP和聊天工具都无法和Skype相媲美 Skype与最优秀的声学科学家联手创造的独家拥有版权的软件 可以传递甚至高于固定电话质量的语音 用专业术语来说 传统的电话只能听到介于300Hz到3000Hz频率的语音 Skype可以听到所有频率的语音 从最低沉的到最尖锐的 Skype强大的功能还有以下几点 口很高的呼叫成功率口使用简单口多方语音通话口快速路由机制 30 二 基于P2P技术的Skype即时通信系统 Skype的技术优势 7 结合互联网特点的语音编解码算法Skype通过与GlobalIPSound公司合作 引入语音质量增强软件 专门针对互联网的特点 从而降低了业务对带宽的要求 并且保证了Skype的通信质量 在Skype以上的这些特性中 其中第1条保证了通信无障碍 无论终端处于何种网络条件 都不会影响用户使用Skype提供的业务 第2条保证了Skype的安全 第3条保证了Skype在市场竞争中的巨大优势 而第4条则给了Skype更强大的生命力 使其更加灵活 具有更高的