（应用数学专业论文）基于h323协议的嵌入式voip网关的研究与实现.pdf

基于h 3 2 3 协议的嵌入式v o i p 网关的研究与实现 摘要 随着i n t c r n e t 的发展和普及，以它为基础的v o 邛技术也得到了广 泛的应用。其中运用v o l p 技术的网络电话给传统的语音通信方式带 来了巨大的冲击和挑战，它的优点是能够大大降低长途( 尤其是国际 长途) 费用。现在，v o i p 技术已经成为各个运营商竞相发展的热点。 v o l p 也称i p 电话，是利用i p 网络传送语音的一种先进通信方式， 它通过把模拟语音信号数字化、编码压缩、打包达到了在i n t c r n c t 上 传送语音的目的。网关是p s t n ( 公用电话交换网) 和i p 网络进行连 接的关键设备。它将用户拨打的电话号码映射为口地址，实现了数 据格式、协议的转换，在很大程度上推动了口电话业务的发展，口 电话目前已经不仅限于通过p c 来实现。 本文提出了一种基于h 3 2 3 协议的嵌入式v o i p 网关的解决方案， 并给出了系统的设计思想和部分实现细节。论文首先说明了课题研究 的背景和意义，介绍了v o m 技术的原理、关键技术等，接着详细分 析了比较成熟的v o 口标准h 3 2 3 协议的信令结构和呼叫流程。同时 介绍了嵌入式开发的预备知识，进而给出了嵌入式平台的设计方案 $ 3 c 4 5 1 0 b + a c 4 8 3 + u c l i n u x ( v x w o r k s ) ，包括硬件和软件部分的设计 方案。其中作者的主要工作是协助o p e n h 3 2 3 协议栈在开发板上的移 植和稳定性测试；为协议栈和驱动部分提供命令行接口函数；本文中 完成了串口通信模块的结构设计、流程设计和代码实现，并与读写 f l a s h 程序集成实现网关配置信息的断电保存、上电加载功能。文章 最后总结了项目开发经验，对v o l p 技术的发展前景进行了展望。 关键词v o i p 网关h 3 2 3 嵌入式i p 电话 r e s e a r c ha n d 江p l e 姬n t i o no ft h e e m 旧e d d e dv o i pg a r e 恰yb a s e do nh 3 2 3 p r o t o c o l a b s t ra c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i t yo fi n t e m e t , t h e 、，r o i pt e c h n o l o g yw h i c hi s b a s e do ni th a sa l s ob e e nw i d e l ya p p l i e di no u rl i f e w i t ht h i st e c h n o l o g y , i pp h o n ei s b r i n g i n gs t r o n gi m p a c ta n dc h a l l e n g et ot h et r a d i t i o n a lc i r c u i t - s w i t c h e dt e l e p h o n e , b e c a u s ei th a sg r e a ta d v a n t a g ei nt h ec o s to fl o n g - d i s t a n c ec a u s ( e s p e c i a l l yo v e r s e a s c a l l s ) t o d a y mi sb e c o m i n gah o t s p o ti nt h es e a v i e eo f m a n yt e l e c o mo p e r a t o r s v o i p , w h i c hi sa l s oc a l l e di pp h o n e , i sac o m m u n i c a t i o nw a yo ft r a n s m i t t i n g v o i c eb yi pn e t w o r k i tc o n v e r t st h ea n a l o gv o i c es i 毋1 a lt od i g i t a l ，a n dt h e nt h es i g n a l i s c o m p r e s s e da n dp a c k e dt o t r a n s m i to ni n t e r n o t g a t e w a yi st h ek e ye q u i p m e n t w h i c hi su s e dt oc o m m u n i c a t eb e 咖咖p s t na n di pn e t w o r k , t h et e l e p h o n en m n b e r w ed i a li sm a p p e dt oa ni pa d d r e s sb yt h i se q u i p m e n t i na d d i t i o n , g a t e w a ya l s o t r a n s f o r m st h ed a t af o r m a ta n dt r a n s l a t e st h ep r o t o c o lb e t w e e np s t na n di pn e t w o r k , a sw e l la sp r o m o t e st h ep o p u l a r i t yo fi pp h o n es e r v i c e ，s oi pp h o n eh a sn o tb e e n l i m i t e do np c i nt h i sd i s s e r t a t i o n , ak i n do fe m b e d d e dv o mg a t e w a yb a s e do nh 3 2 3p r o t o c o l h a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d , a n ds o m op a r t si nd e t a i l a tt h eb e g i n n i n gt h e b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sp r o j e c ti ss u m m a r i z e d ，a n dt h ep r i n c i p l ea n dk e y t e c h n o l o g yo f 、，o 口a r ei n t r o d u c e d ；t h e nam a t u r e 、，o 口s t a n d a r d , t h eh 3 2 3p r o t o c 0 1 i sa n a l y z e dt os t u d yi t ss t r u c t u r eo fs i g n a la n df u l lp r o c e s so fac a l l w i t ht h eb a s i c k n o w l e d g ea b o u tt h e e m b e d d e ds y s t e m , o u r d e s i g n 。s 3 c 4 5 1 0 b + a c 4 8 3 + u c l i n u x ( v x w o r k s ) ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i se x p l a i n e d t h ea u t h o r sm a i n w o r ki st r a n s p l a n t i n go p e n h 3 2 3p r o t o c o ls t a c kt ot h ee m b e d d e dp l a t f o r m sa n dt e s t i n g i t ss t a b i l i t y , p r o v i d i n gc o m m a n dl i n ei n t e r f a c ef u n c t i o nf o rt h ep r o t o c o ls t a c ka n d d r i v e r , f i n i s h i n gt h es t r u c t u r ed e s i g n 、p r o c e d u r ed e s i g na n dc o d i n go ft h es e r i a lp o r t c o n m a u n i c a t i o nm o d u l e , w h i c hi sa l s oj o i n e dw i t ht h ef l a s hr e a d i n ga n dw r i t i n g m o d u l et om a k et h ec o n f i g u r a t i o ns a v e dw h e ne l e c t r i c i t yi sc u to f fa n dl o a d e dw h e n t u r n e do n f i n a l l yt h ep r o j e c ti ss u m m a r i z e do nt h ew h o l e , a n dt h eb r i g h tf u t u r eo f v o 口t e c h n o l o g yi ss h o w e d k e yw o r d s i pg a t e w a yh 3 2 3e m b e d d e dp l a t f o r mi pp h o n e 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， 本人签名：型蛊 本人承担一切相关责任。 日期：丝2 ：i 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，e p ： 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：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 v o i p ( 、碗c eo v e r 口) 俗称m 电话( i n t e r n e tp r o t o c o lp h o n e ) ，是利用坤网络 实现语音通信的一种先进通信手段，是基于口网络的语音传输技术。这种技术通 过对语音信号进行编码数字化、压缩处理成压缩帧，然后转换为m 数据包在口网 络上进行传输，从而达到了在口网络上进行语音通信的目的。电话极大的改进 了网络带宽的利用率，大大降低了通信的费用，它的广泛应用也促进了宽带多媒 体应用的发展。 1 1 1v o l p 技术的发展 口电话技术是非常年轻的技术，最早的产品也只能追溯到1 9 9 5 年。1 9 9 5 年2 月，以色列的v o c a l t e c 公司研制出可以通过因特网拨打长途电话的客户端软件 h 唧e tp h o n e 。用户只要在多媒体p c 机上安装该软件，就可以通过i n t e r a c t 和任何地方安装同样软件的联机用户进行通话。短短的十几年问，m 电话技术发 展迅猛，今天的坤电话已经不仅仅局限于在p c 机上才能实现了【l 】。 口电话在技术上大致经历这样的几个发展阶段： l 、萌芽期( 1 9 9 5 1 9 9 6 ) 最初的口电话仅能在h t e m e t 上使用，用户必须利用p c 机上网，并使用专用 的i n t e r n e t 电话软件，比如说i n t e r n e tp h o n e 才能实现，当然语音质量存在很多问题。 这一时期，使用者大多数是i n t e r n e t 上的网迷，语音质量基本没有保证，技术还 不完全成熟；皿电话的市场也很稚嫩，人们对它的认识很肤浅，众多的公司都处 于研究、跟踪和观望阶段。 2 、发展期( 1 9 9 6 2 0 0 0 ) 随着口电话的优点为更多的人所认识，电信公司开始认识到利用i n t e m e t 实现 语音业务的巨大潜在市场，他们开始考虑如何将i n t e m e t 和已有的p s t n 结合起来， 从而更加广泛的为普通电话用户提供业务。于是m 电话网关出现了，它将p s t n 与口网连接起来，这样普通的电话用户也可以打口电话，而费用仅为本地电话费 加上很少的服务费。网关的出现使坤电话的市场光明起来，口电话开始了迅速发 展的阶段，口电话的软件、硬件产品不断更新，功能也越来越强，业务提供商争 相建立网络提供业务，i p 电话业务已经在全球很多地方开展起来。 这一时期出现了一种新的业务提供商，被称作i n t e m e t 电话业务提供商i t s p ( i n t e r a c tt e l e p h o n es e r v i c e sp r o v i d e r ) 。这些i t s p 主要来自i s p 、电信公司和有 线电视公司。1 9 9 7 年7 月，提供i n t e r n e t 上长途电话业务的美国g l o b a le x c h a n g e c a r d e r 公司联合1 1 个i s p 宣布要建立一个覆盖多个国家、全球性的网络，提供口 电话业务。同年，为i t s p 提供服务的i n t e r n e t 电话交换运营公司( i t x c ) 在美国 成立。i t x c 将建立自己的i n t r a n e t ，允许i p 电话网关通过专用线与它连接，来自 网关的话音信号经过分组并通过i t x c 的口网络发送到距离被叫方最近的一个网 关。由于话音在i t x c 专门用于传送口话音业务的专用m 网络上传输，而不是在 公共的i n t e r n e t 上传输，话音信号的质量大大提高。 这一阶段口电话技术的主要特点是： ( 1 ) 网关出现 ( 2 ) i p 电话产品和业务市场迅速发展 ( 3 ) 话音质量不断改善 ( 4 ) 大多数传统电话运营公司尚未涉足口电话业务 ( 5 ) 没有统一的标准，大部分厂商之间的产品不能兼容 3 、成熟期( 2 0 0 0 - 至今) 目前，口电话技术已经逐步变得成熟，各个设备制造商纷纷推出口电话网关 产品，众多电信运营公司开始经营口电话业务，口电话正以强大的吸引力吸引着 传统和新型的电信公司。它已经具有以下特点： ( 1 ) 技术成熟 ( 2 ) 统一标准，全球网络实现互通 ( 3 ) 语音质量良好 ( 4 ) 大部份传统电信运营公司开始提供口电话业务 ( 5 ) 向口传输多媒体业务过渡 1 1 2v o i p 技术的现状 现阶段，随着v o m 业务提供商的大量兴起，m 电话的发展超乎常规，势如 破竹，其低廉的价格是它得以迅猛发展的原动力。由于技术进步，口电话在与 传统电话的竞争中处于十分有利的地位，后来居上，成为市场新宠。 目前的v o l p 设备已从基于p c 的初级产品向大规模、高可靠性、高性能的电 信级设备发展，在技术上综合了现有电话网的信令技术和多种功能。设备厂商通 过口电话网关来实现p s t n 和i n t e m e t 的互通，从而实现多种方式的呼叫，并且语 音通信质量也大大改善，能够满足商用的需求。现有的提供口电话服务的运营商 主要来自传统电信公司以及大的i s p ，它们提供的服务包括口语音和传真业务等。 i n t e r n e t 在我国的发展也非常迅猛，现已有中国电信的c h i n a n e t 、中国网通的 c h i n a g b n 、中国科学院的c s t n e t 和教育部的c e i 冰眈和四大网，国际出口总带 宽已达近百g b p s 。这给我国口电话的发展提供了很大的空间，而且口电话低廉的 资费价格对用户具有极大的吸引力，因此口电话现已成为新的竞争热点。 口电话是基于t c p i p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 技术的传 真，语音数字通信解决方案，m 技术的出现使服务商和终端用户可以将声音和数 据综合起来。数据通信总量将很快超过语音通信总量，并且以不可逆转的趋势增 长。传统语音通信网与现代的数据通信网的融合，开创了电信业务发展的新纪元， 在一个统一的数据网络平台上传输语音、图像、图形、视频数据及多媒体信息已 是大势所趋。不仅已成为i n t e r n e t 的标准协议，而且已普遍为电信业所接受。未 来的i n t e r n e t 将提供可管理的口服务，使电信网络也能对信息流进行优先级分类， 并实施访问控制。m 技术的发展给电信运营商带来了新的机遇和挑战。 1 1 3 研发网关的意义 i p 电话是一种数字电话，是技术创新的一种通信服务业务。它把语音压缩编 码、打包分组、分配路由、存储交换、解包解压等交换处理在m 网或互联网上实 现语音通信。它促进了网络资源利用，降低语音业务成本。因此在全球范围内得 到了迅速的发展，可以说是当今世界上发展最快、普及最快的一门应用服务技术 之一，也是计算机网络界关注的热点之一。 口电话技术的核心设备是网关，它把各地区电话区号映射为相应的地区网 关口地址。这些信息存放在一个数据库中，数据接续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，确定相应网关的口地址，并将此i p 地址加入m 数据包中，同时选 择最佳路由，以减少传输时延，m 数据包经i n t e r a c t 到达目的地的网关。在一些 h t e m e t 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。 实际上，在v o i p 通信中p h o n e t op h o n e 通信方式仍然占据主导地位。例如， 中国已经大规模开展的长途口电话业务，就是一种p h o n et op h o n e 形式的p 电 话业务。用户两端的电话机通过本地电路交换网络，如p s t n 、i s d n 、移动网或 p b x 接入到职网中，而v o i p 提供了一种像树干一样的功能，将两端的电路交 换网络连接起来以提供长途电话服务。为了达到传统的电路交换网络和m 网的 互通，必须在两种网络之间架设网关。如图1 1 所示。网关一方面通过语音接口 卡与p s t n 相连，另一方面通过网卡与i n t e m e t 相连，具备网上计算机的所有功 能。这样，使用者便可使用普通的电话机接入到网关上打m 电话。这种方式非 常方便，它充分利用了p s t n 的普及和便利，又发挥了i n t e r n e t 的价格便宜和四 通八达的优势。 图1 - 1 网关在常见的v o i p 呼叫流程中的作用 1 2 作者的主要工作 本课题来源于作者在实习期间的项目，网关的设计方案采用了a r m 7 系列 的$ 3 c 4 5 1 0 b + a c 4 8 3 + u c l i n u x 的组合，后来由于稳定性问题将u c l i n u x 换成了 v x w o r k s ，作者在项目中的主要工作包括嵌入式平台下网关软件部分的设计、开 发和测试。具体工作如下： 1 、通过分析h 3 2 3 协议的信令体系和呼叫流程，熟悉了o p e n h 3 2 3 协议栈 各个部分的代码结构和功能，协助o p e n h 3 2 3 协议栈程序在嵌入式开发板上的移 植。 2 、用大话务量呼叫软件c a l lg e n e r a t o r 测试o p c n h 3 2 3 协议栈的稳定性，并 使用a g i l e n t 的e t h e r e a l 软件分析和记录呼叫中的信令消息和语音包传送状态。 3 、根据网关本身的需求分析，确定其配置命令的格式和功能描述，为协议 栈和驱动部分提供接口函数。 4 、完成了网关中的串口通信模块的结构设计、流程设计和具体的代码实现， 并且总结了串口通信在u c l i n u x 和v x w o r k s 平台下的区别。 5 、将串口通信模块与读写f l a s h 程序集成，使得网关的配置信息能够在断 电后仍然保存、上电后自动读取。 1 3 论文的组织结构 本论文一共分为六章。第一章给出了课题的研究背景，介绍了v o 口技术的 发展历史和现状，说明了研发网关的意义；第二章阐述了v o m 的基本概念、传 输原理、关键技术和协议标准，为实现m 系统打下了理论基础；第三章详细 分析了h 3 2 3 协议的组成和体系结构，研究了h 3 2 3 协议栈和呼叫流程，是开发 和移植o p e n h 3 2 3 协议栈的必要准备；第四章介绍了嵌入式开发的预备知识，引 入了项目中使用的两款嵌入式操作系统及其开发环境，分析了嵌入式开发和普通 p c 开发的联系与区别；第五章阐明了网关的设计方案，包括硬件部分芯片的选 择和功能的实现，软件部分交叉编译环境的建立、b o o tl o a d e r 的编写和驱动框 架设计，重点介绍了该设计方案中的串口通信模块的详细设计和代码实现；第六 章对项目的开发做了总结和分析，指出了v 0 i p 技术的发展前景和向h 3 2 3 标准 发展的方向。 2 1 v o i p 的基本概念 2 1 1v o i p 的定义 第二章v o i p 技术概述 v o 又称口电话，是v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l 的缩写，它实现了语音在 i n t e r n e t 上的实时传送，是目前i n t e r n e t 应用领域内的一个热门话题。其基本原理 是：通过语音的压缩算法对语音数据进行编码压缩处理，然后把这些语音数据按 t c p i p 标准进行打包，经过口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。同时，使用带宽预留技术和信号编码技术等保证语音通信的质量。 v o 口是建立在m 技术上的分组化、数字化传输技术，它能够广泛地采用 i n t e r n e t 和全球i p 互联的环境，在口网络上便宜地传送语音、传真、视频和数据等 业务，如统一消息、传真邮箱、查号业务、i n t e r n e t 呼叫中心、i n t e r n e t 呼叫管理、 电视会议、电子商务、传真存储转发和各种信息的存储等。 2 1 2g o i p 的分类 目前通过v o 口拨打m 电话的方式的主要有p ct op c 型、p ct op h o n e p h o n e t 0p c 型、p h o n et op h o n e 型三种类型【2 】。 l 、p c t o p c 型 p ct 0p c 型坤电话，对于已经上网的用户来说易于实现，硬件方面只需配置 话筒、音箱、全双工声卡作为话音接口，软件方面只需适当的网络电话软件产品 即可实现两台电脑间通信。目前，该类网络电话软件在网上较多，如v o c a l t e c 的i n t e r n e tp h o n e 、m i c r o s o f t 的n e t m e e t i n g 和t o m 的s k y p e 等。 p ct op c 型p 电话通话的实现过程如下： 语音经声卡转换成数字信号网络电话软件压缩m t 锄薛皮 叫端网络电话软件解压缩经声卡还原成模拟语音信号通过音箱或耳机 播放出来。 p ct op c 型口电话是通过m 地址呼叫，呼叫前必须知道对方的口地址，对方 必须开机等候，且通话双方使用同一公司网络电话软件才有可能接通。大多数的 p ct op c 型口电话都是先登陆至u i n t e m e t 中继对话服务器i r c ( i n t e m a tr e l a yc h a t ) 后，加入主机名，查找所有在线用户信息，然后选择通话对象。 p ct op c 型妒电话呼叫和建立连接比较麻烦，但其显著优点是完全以多媒体 信息为载体，支持多媒体通信。除了语音通信外，如果配置了数字摄像机或其它 视频图像抓取设备，还能及时传输视频图像，可以比较方便地实现如视频聊天、 电视会议、数据通信等功能。 2 、p ct op h o n e p h o n et op c 型 要想口电话真正走进平常人家，成为普通的话音服务，i n t e r n e t 必须与公用交 换电话网络p s t n 有效结合。上世纪9 0 年代中期v o c a l t e c 公司推出了网关服务器 r i g ( i n t e m e tt e l e p h o n yg a t e w a y ) ，真正实现了p s t n 与i n t e m e t 的有机结合。 p ct op h o n e 型口电话的实现过程如下： 语音经声卡转换为数字信号网络电话软件压缩缸t 锄昨被 叫端玎g 将数字信号解压并转换成语音信号r p s n 卜谈叫端普通电话。 p ct op h o n e 型m 电话虽然突破了以前网络电话只能是p c 对p c 端的通话限 制，但只用于语音通信，不支持多媒体技术。 3 、p h o n e t op h o n e 型 i p 电话技术要真正普及开来，必须应用到电话到电话这个领域，这也是目前 最具市场吸引力的一种方式。 p h o n et op h o n e 型口电话的实现过程下： 语音经普通电话p s n 一主叫1 1 r g 压缩并转换成数字信号 h l t 锄晦被叫i t g 解压缩并转换成语音信号p s n 卜歆叫端普通电 话 p h o n et op h o n e 型m 电话使用方法非常简单，采用二次拨号的方式，即首先 拨号到r r s p 的网关处，输入个人密码，由i t s p 的v o i p c c & b ( v o i pc u s t o m e rc a r e a n db i l l i n g ) 系统进行用户认证和授权，然后用户再拨被叫号码，i 妇i t s p 的网关 负责接通。 2 1 3v o i p 的优势 短短的几年中，口电话受到了越来越多的瞩目，其最大魅力在于价格低廉， 只需支付市话费和上网费就可以拨打国内乃至国际长途，与传统电话相比非常显 著地降低了长途通话的费用。除此之外，v o i p 技术的应用优势还体现在以下几 个方面1 3 】： ( 1 ) v o i p 技术通过现成的i n t e r n c t 传送数字信号，并且采用语音数据压缩， 信道复用和基于分组交换的传输技术，比传统的电话交换系统可以提高许多倍的 线路传输利用率，大大的节省了带宽资源； ( 2 ) v o 口可以使电话物理网络和i n t e r n c t 或i p 物理数据网络合二为一，从 而有效地简化通信系统，降低系统成本和管理成本； ( 3 ) 先进的拨号规划和地址对应功能，令其轻而易举的连接到p b x 交换机 上，灵活且多样化的拨号通达各个目的地； ( 4 ) 具有加密和防窃听功能。这对保障政府机关、银行和大型企业等重要 集团用户的网络语音通信安全有着十分重要的意义； ( 5 ) 多媒体业务的集成。口电话网络同时支持语音、数据、图象的传输， 为将来全面提供多媒体业务打下了基础。 由于其显而易见的技术优势，目前在越来越多的跨国公司、大中型企业、政 府机关、金融证券业和远程教育机构v o i p 都得到了广泛的应用。 2 2v o i p 的传输原理 通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统，如公用电路交换网p s t n 和口 网络。要在数字通信中传输模拟消息，则在发送端的信息源中应包括一个模数 8 转换装置，而在接受端的受信者中应包括一个数模转换装置。 采用得最早的和目前用得最广泛的模一数转换方法是脉冲编码调制，即p c m 。 采用脉冲编码调制的模拟信号数字传输系统如图2 1 所示。模拟信息源发出的消 息m ( f ) ，首先被抽样，得到一系列的抽样值伽( 七c ) ) ；该值被量化和编码，即可 得到相应的数字序列仅) ；该数字序列经数字通信系统，在接受方输入端得到数 字序列俄 ；该接受数字序列像) 经过译码和低通滤波器，得到模拟信号扁。( f ) ， 这个信号非常逼近发端信号m ( t ) ，即模拟信号被恢复。 辨( f ) 模拟随机信号 仅 数字随机序列 像) 数字随机序列 f n i ( f ) 模拟随机信号 图2 - 1 模拟信号的数字传输 其中抽样过程中遵循均匀抽样定理：即一个频带限制在( o ，厶) 赫内的时间连 续信号m ( t ) ，如果以t l 2 f n 秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m ( t ) 将被所得 的抽样值完全确定。 抽样定理告诉我们：如果对某一带宽有限的时间连续信号( 模拟信号) 进行 抽样，且抽样速率达到一定数值时，那么这些抽样值就能准确地确定原信号。这 就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输按抽样定 理得到的抽样值。因此，该定理为模拟信号的数字传输奠定了理论基础。 传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为6 4 k b i t s 。 而所谓的v o 口技术是以口分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号必须进 行数字化、压缩编码、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的u d p 协议进行传输。 ， 为了在一个m 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 0 口功能的设备组成，这一设备通过一个珥网络连接。 v o 口模型的基本结构如图2 - 2 所示。从图中可以看出v o 口设备是如何把语音信 号转换为口数据流，并把这些数据流转发到i p 目的地，m 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碑传输，且可以是职路由器和网络链 路的任意组合。因此可以简单地将v o i p 的传输过程分为下列几个阶段【4 】： 语音代理 图2 - 2v o l p 模型的基本结构 语音代理 l 、语音到数据的转换 语音信号是模拟波形，通过m 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 准主要有r r u tg 7 1 1 、g 7 2 3 、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。 2 、原数据到口包的转换 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，则把进来 的6 0 m s 的包分成4 帧，并按顺序进行编码。每个帧有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。m 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 、数据传送 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 1 0 ( t ) 内将其传送到网络输出端。t 可以在某范围内变化，反映了网络传输中的抖 动。网络中的同问节点检查每个口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口数据流的任何拓 扑结构或访问方法。 4 、m 包到数据的转换 目的地口设备接收这个m 数据并开始处理。它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 编码的语音包解压后产生新的语音包。若每帧长度为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 提供给解码器。 5 、数字语音到模拟语音的转换 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m 网络上的传送要经 过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成口分组、璎分组通过网络的 传送、口分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。整个过程如图2 - 3 所示。 图2 - 3v o i p 的传输原理 2 3v o l p 的关键技术和标准 传统的口网络主要是用来传输数据业务，采用的是尽力而为的、无连接的技 术，因此没有服务质量保证，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。数据 业务对此要求不高，但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。因此 必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。v o i p 的关键技术5 1 包括协议标准、语 音压缩技术、分组语音处理技术、服务质量( q o s ) 保障技术以及实时传输技术 等。 2 3 1 协议标准 协议是通信的基础，许多组织和机构都正在为制定和完善v o i p 领域中的各 种协议进行着积极的研究。目前被广泛接受的v o i p 协议标准包括i t u t ( 国际电 信联盟) 的h 3 2 3 协议和i e t f ( 国际互联网工程任务组) 的s i p ( s e s s i o ni n i t i a l i z a t i o n p r o t o c 0 1 ) 会话初始化协 2 ；【”。 1 、h 3 2 3 协议 在m 电话技术领域中应用最早的协议是h 3 2 3 协议。h 3 2 3 协议虽然最初是为 多媒体会议通信而制订的，然而因为在工作机制和控制方式上满足m 网络电话的 技术要求，经过近几年的修改和完善已逐步发展成为口电话系统中最为成熟也是 应用最为广泛的标准。在w i n d o w s 中内置的n c t m e c t k i g ，就是典型的使用h 3 2 3 协议的客户端。 h 3 2 3 协议定义了在无业务质量保证的因特网或其它分组网络上多媒体通信 的协议及其规程。它是i t u 坷有关多媒体通信的一个协议集，包括用于i s d n 的 h 3 2 0 ，用于b i s d n 的h 3 2 1 和用于p s t n 终端的h 3 2 4 等建议。其编码机制、协 议范围和基本操作类似于i s d n 的q 9 3 1 信令协议的简化版本，并采用了比较传统 的电路交换的方法。相关的协议包括用于控制的h 2 4 5 ，用于建立连接的h 2 2 5 0 ， 用于大型会议的h 3 3 2 ，用于补充业务的h 4 5 0 x ，有关安全的h 2 3 5 ，与电路交 换业务互操作的h 2 4 6 等。h 3 2 3 提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互 操作性。它不依赖于网络结构，独立于操作系统和硬件平台，支持多点功能、组 播和带宽管理。h 3 2 3 具备相当的灵活性，支持包含不同功能的节点之间的会议 和不同网络之间的会议。h 3 2 3 建议的多媒体会议系统中的信息流包括音频、视 频、数据和控制信息。信息流采用h 2 2 5 0 建议方式来打包和传送。h 3 2 3 呼叫建 立过程涉及到三种信令：r a s ( 注册r e g i s t r a t i o n 、许可a d m i s s i o n 和状态s t a t u s ) 信令、h 2 2 5 0 呼叫信令和h 2 4 5 控制信令。一个基于h 3 2 3 的v o i p 系统通常由终 端、网关、多点控制单元( m c u ) 和网守( g a t e k e e p e r ) 四部分组成，具体各部 分的作用和呼叫流程将在下一章中进行详细的阐述。 2 、s i p 协议 会话初始化协议( s i p ) 是由i e t f 推出的一种基于文本的协议，采用s i p 规则 资源定位语言描述。它不像h 3 2 3 那样提供所有的通信协议，而是提供和呼叫建 立控制功能相关的协议。它应用于口电话，与h 3 2 3 建议相比，具有简单、灵活 的特点，比较常见的s i p 系统如微软的m s nm e s s e n g e r 。 s i p 借鉴了超文本传输协议( t p ) 的设计思想和体系结构。它是基于客户 机服务器的协议，客户机发出信息，被呼的服务器回答。s i p 定义了i n v i t e 和 a c k 消息，它们类似于h 2 2 5 协议中定义的建立和连接消息，都定义了建立一条 1 2 可传输呼叫控制信息的可靠信道；与h 2 2 5 协议不同的是，s i p 定义的这条信道， 并不依赖于t c p 实现它的可靠性，而是通过处理自己的握手确认信号来达到可靠 性。另外，s i p 还依赖于另一种i e l l p 标准会话描述协议( s d p ) 。它用于传 输类似于h 2 4 5 协议中容量交换机制的协商信息。例如在呼叫中，s d p 可被用于 传输交换过程中的编解码标识。s d p 也被用来传输定义于s i p 中的许多信息的通 用格式，以及用于实时信令协议( r t s p ) 的消息。 一个s i p 系统主要由两部分组成：用户代理和网络服务器。用户代理分用户 代理客户机( u a c ) 和用户代理服务器( u a s ) 。它们构成了用户端必备的应 用程序，完成呼叫的发起和接收。其中用户代理客户机用于发起呼叫，而用户代 理服务器接到请求时联系用户，并代表用户返回响应。网络服务器也有两类，它 们是代理服务器( p r o x y ) 和重定位服务器( r e d i r e c t ) 。代理服务器并不响应用 户请求而做转发，重定位服务器收到用户的请求后，若判定自身不是目的地址， 则向用户响应下一个应访问服务器的地址。s i p 协议支持u a c 与u a s 间的直接呼 叫方式，也可以执行这样的呼叫接续流程： ( 1 ) u a c 向网络服务器发出呼叫请 求；( 2 ) 网络服务器通过名字查找、用户定位，最终找到被日q u a s ；( 3 ) 被叫 u a s 响应用户请求( 拒绝或接受请求) ，该响应沿原路返回；( 4 ) 主n u a c 收 到响应后，接通被叫或者终止这次呼叫请求。 3 、两种协议的简单比较 h 3 2 3 协议和s i p 协议在实现的信令功能上基本相同，同时都利用r t p r t c p 作为媒体传输的协议，但由于两者分别来自瑾t f 和1 1 u - t 两大阵营，因而在设计 风格上截然不同i ”。s i p 侧重于将口电话作为i n t e r n e t 上的一个应用，只是较其它 应用增加了信令和q o s 的要求，而h 3 2 3 协议采用的是传统的实现电话信令的模 式，只是传输方式由电路交换变成分组交换。 与s i p 协议相比，h 3 2 3 相对复杂。它采用基于a s n 1 和压缩编码规则的二进 制方法表示其消息，通常需要特殊的代码生成器来进行词法和语法分析，造成解 析和升级上的相对复杂。而s i p 是基于文本的协议，消息的含义非常直观。在h 3 2 3 中，呼叫建立过程涉及到三条信令信道的建立，与s i p 相比在建立时间上比较长。 在s i p 中，会话请求过程和媒体协商过程等是一起进行的。h 3 2 3 对会议的控制采 用由多点控制单元( m c u ) 集中执行的方式，使m c u 可能会成为瓶颈，而s i p 采用的是分布式结构，避免了这一问题的发生。同时h 3 2 3 不支持信令的组播功 能，而s i p 具有此功能。另外，h 3 2 3 协议和s i p 协议在传输协议的选用以及对补 充业务的实现方式上也有所不同。h 3 2 3 协议的呼叫信令信道和h 2 4 5 控制信道需 要可靠的传输层协议。而s i p 独立于低层协议，一般使用u d p 等面向无连接的传 输层协议，而在应用层利用机制保证消息的可靠传输。h 3 2 3 中定义了专门的协 1 3 议用于补充业务，s i p 并未为此定义专门的协议，而是利用本身的特点对消息进 行简单的扩展或增加业务代理，从而实现补充业务或智能业务。表2 1 给出了两 种标准的简单比较。 表2 1i t 3 2 3 和s i p 标准的简单比较 h 3 2 3 标准 s i p 标准 标准组织1 1 r u ti e t f 协议复杂性复杂 简单 控制方法 p e e r t o p e e r ( 点对点) c l i e