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中山大学硕士学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 软交换接入网若干关键技术的研究 专业：通信与信息系统 姓名：王融丽 导师：刘克钧 摘要 随着下一代网络( n g n ) 技术的逐步应用，电信运营商拥有了能够同时提 供传统的语音业务和基于i p 的多媒体业务的统一平台。但是，n g n 网络要实 现电信级的运营，必须解决n a t 的穿越和多业务网络的q o s 问题。 n g n 具备业务与控制分离、控制与承载分离的特征，软交换是n g n 的核心 功能实体之一，以软交换为呼叫控制核心、在分组交换网上提供实时语音和 多媒体业务的网络称为软交换网络。 本文从软交换接入网着手考虑，提出了一个基于动态策略控制的软交换接 入网环境，能实现n a t 的顺利穿越，从而使各网内的终端互通，并且能动态 的分配带宽资源来很好的保证n g n 多业务网络的q o s 。 本文对在此接入网环境下如何进行q o s 控制和n a t 穿越进行了详细的分析 与讨论，并对此方案的性能进行了评估。 另外，为了实现n g n 多业务网络的动态资源控制和n a t 的穿越，加入了两 个功能实体a b p ( 边界接入点) 和p e p ( 策略执行点) 。在本论文中详细对a b p 和p e p 的功能进行了分析，并给出了其功能模块的结构。最后对a b p 中的资 源监测模块进行了详细的设计和实现。实验结果表明该模块能很好的监测网 络状态，达到了预期的目标。 关键词：软交换、n a t 穿越、q o s 、策略、动态资源控 中山大学硕士学位论文软交换接 网若干戈键技术的研究 s t u d yo fr e l a t e d 。r e c h n o i o g i e sw i t ha c c e s sn e t w o r k b a s e do ns o f t s w i t c h m a j o r ： c o m m u n i c a t i o n s & l n f o r m a t i o ns y s t e m s n a m e ：w a n gr o n g s u p e r v i s o r ： l i uk e j u n a b s t r a c t w i t ht h e g r a d u a ia p p c a t i o n o ft h e f e c h n o l o g y o fn e m g e n e r a t i o n n e t w o r k ( n g n ) t h et e i e c o m m u n i c a t i o no p e r a t o rc a no 仟e rt h et r a d i t i o n a s p e e c h b u s i n e s sa n dm u m e d i ab u s i n e s sa tau n e dp i a t f o r m h o w e v e r ，i n0 r d e rl or e a i i z e o p e r a t i n ga tt e i e c o m m u n i c a t i o ng r a d e ，w em u s ts o i v e na _ rt r a v e s a ia n do o so f m u b u s i n e s s n g nh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o c e s s i n gt h eb u s n e s sa n dc o n t r o 川n gs e p a r a t e d ， a n dc o n t r o i n ga n db e a r i n gs e p a r a t e d s o n s w i t c hi so n eo f t h ek e yf u n c t l o ne n m i e so f n g n s o 什s w i t c hn e t w o r ki ss u c han e t w o r ki h a ts o 什s w i t c hi si t sk e yf u n c t i o ne n t i t i e s a n di tc a nd r o v i d er e a lv o i c ea n dm u m e d i ab u s i n e s s t h j st e x ti ss e ta b o u tc o n s i d e n n gf r o ma c c e s sn e l w o r ke n v 汁0 n m e n t 1 th a s p r o p o s e da n a c c e s sn e t w o r ke n v 汁o n m e n tb a s e d0 ns o f b w 谴c hw h i c ha r ec o n t r 0 i | e db y d y n a m i cp o i i c 矿i tc a nr e a i i z en a rl r a v e s a l t h u sm a k et e r m i n a ic a nc o m m u n i c a t i o n w i t he a c ho t h e l l na d d i t i o n ，i lc a nd i s 州b u t eb a n d w i d t hd y n a m i c l yt og u a r a n t e eq o s t h i sl e x td i s c u s s e sh o wt or e a l i z en a tt r a v e r s a la n dq o sc o n t r o iu d e rt h ea c c e s s e v i r o n m e n ti nd e t a 啦a n dh a se v a l u a t e dp e 哟r m a n c eo f 啪j ss c h e m e ， i n0 r d e rt 0r e a | i z en ，汀t r a v e s a ia n dd y n a m i cr e s o u r c ec o n t r o lo fm u b u s i n e s s ， w eh a v ej o i n e dt w of u n c t i o ne n t i t i e s ：a b pa n dp e pw eh a v ea n a i y s e dt h es t r u c t u r eo f a b pa n dp e pi nt h i st e x t a t i a s t w eh a v er e a i i z e dr e s o u r c e sm o n i t o r e dm o d u i et h e e x d e r i m e n t 刮r e s u | th a ss h o w nt h i sm o d u l ec a nm o n i l o rt h en e t w o r kw e _ 【 中山大学硕士学位论文 软交换接入网若干关键技术的研宄 k e yw o r d s ： s o f t s w i t c h ，n a tt r a v e s a l ，q o s ，p o c y ，d y n a m i cr e s o u r c e s c o n t r o l i i i 中山大学硕士学位论文 软交换接入网若干关键技术的研究 1 1 研究背景与现状”1 第一章引言 下一代网络( n g n ) 是一种能够在分组网络上同时提供话音、数据、多媒 体等多种业务的综合网络框架。软交换技术是下一代网络的核心技术。与传 统的基于p s t n 的电信交互技术不同，软交换采用了呼叫控制与传输承载相分 离的策略，将原来统一由交换机完成的呼叫控制功能和通信承载功能分离开， 由软交换机( 处理呼叫的网络服务器) 实现呼叫的接续和控制，由分组网络 实现通信承载，媒体网关负责实现通信媒体的转换。 软交换技术采用的协议主要有两个：h 2 4 8 m e g a c o 协议和s i p ，前者能够 很好地支持传统p s t n 网络和设备的互联互通，后者更适用于全i p 的网络环 境。在分组骨干网方面，主要是基于a t m 和i p 技术，采用i p 技术是发展趋 势。 与传统电信网络相比，n g n 具有组网方式灵活，与传统技术有良好的兼容 性，降低通信成本和技术更新成本，具备开发的业务平台等优势。 但任何新技术的发展并非一帆风顺的。每个新技术在其发展过程中都必须 面对重重瓶颈限制，这些壁垒来自技术层面或应用层面。未来，软交换网络 的发展至少必须解决以下两个问题： ( 1 ) n a t 的穿越 由于i p 地址紧张，目前大部分宽带网络用户都采用私网i p 地址，特别是 企业网内部为了地址安全等种种原因，基本使都采用私网i p 地址，在企业、 驻地网出口部署n a t f w 设备完成和公共网络的互通，但这些普通的n a t f w 殴备只能完成针对i p 包头的地址转换，无法完成特定v o i p 协议中携带的s d p 信息的变换，导致n g n 网络业务无法顺利开展，严重阻碍了n g n 网络的部署， n a t f w 的穿越问题也称为目前n g n 网络开局过程中一个必须解决的问题。 ( 2 ) q o s 管理 t d m 网络向n g n 的演进已经是不容争辩的事实和全球的趋势。从降低网络 中山大学硕士学位论文 软交换接入网若干关键技术的研究 投资成本和运营成本的动机出发，运营商需要的是更多的新业务的收入增长 点，以抵消持续的用户负增长带来的总体收入降低，以及残酷的竞争带来的 a r p u 下降。多媒体交互式业务是目前各运营商以及接入提供商重点关注的业 务模式，正是基于这样的需求，接入服务提供商期望由单纯提供带宽管道的 普遍服务向能够保证接入服务的q o s 演进，以便能基于s l a ，与最终用户和 应用服务商之间展开“按照业务质量付费”的商业模式。要实现上述运营商 的期望值，软交换网络还需要实现以下的能力： q o s 一随着宽带多媒体业务流量的迅速增长，网络的能力不应还局限 在简单的业务区分，应该有能力保证资源的可用性； 策略管理和控制一实施多样的策略保证合理的业务区分，保证q o s ， 实施资源授权，从而有效地管理多业务网络。动态创建和修改策略是对软交 换网络能力的一个新的要求； 带宽管理一不仅仅是话音业务需要在软交换网络上得到q o s 保证， 其它更多的业务同样需要q o s ，因此策略的实施以及业务的合理区分可以分 割并分配带宽资源； s e r v i c el e v e la g r e e e n t ( s l a ) 一随着多种业务的不断涌现，特 别是对带宽资源的依赖，运营商需要有可靠的工具和能力，保证为终端用户 提供s l a ，并满足s l a 的承诺。 在现有的软交换组网方案中，n a t 穿越主要还是使用的a l g 方案，此方案 我们将在第三章详细的讨论。a l g 方案存在的问题是信令与媒体流结合处理， n a t 上负荷大，影响路由器性能，不适合大规模部署。另外由于软交换网络 是多业务的网络环境，虽然d i f f s e r v 提供了优秀的机制保证高优先级业务的 优先处理，但是d i f f s e r v 无法确保网络如何处理其无法处理的带宽请求。目 前，绝大多数v o i p 网络都使用统计复分作为分组承载网的流量工程基础，从 而提供可预测的资源可用性。在n g n 核心网的大量高容量t g 之间采用统计复 用的方式可以收到比较好的效果，然而在更多带宽受限的用户接入网部分， 统计复用方式无法取得令人满意的效果。 1 2 本文的主要工作 2 中山大学硕士学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 本文针对软交换网络的以上两个问题，提出了一个基于动态策略控制的接 入网环境。在此接入网环境下不仅能为终端用户提供n a t f w 的顺利穿越，还 能进行接入控制，即提供动态策略控制、虚拟资源预留、准入控制、等级定 义、带宽管理等功能，大大提高了网络的吞吐量及q o s 。 在本论文中对在此接入网环境下如何实现n a t 穿越和q o s 控制进行了详细 的分析，并对此组网的性能进行了理论分析。 另外在本论文中对本课题提出的关键部件a b p 与p e p 进行了详细分析，并 对a b p 中的资源监测模块进行了进一步的实现，通过结果表明此资源监测模 块能很好的对网络性能进行监测，达到了预期的目的。 1 3 本文的组织结构 第二章对基于软交换的下一代网络做了简单的介绍，内容包括n g n 的产 生、n g n 的特点、软交换网络分层模型、软交换网络的体系构架和其主要协 议简介。 第三章介绍了软交换网络中n a t 技术及n a t 所带来的问题和相关的n a t 穿越的解决方法，并对软交换网络中的现有的q o s 服务模型及策略控制的原 理作了简单的介绍。 第四章是本章的重点，针对目前软交换组网的现状，提出了一个在接入网 环境下解决多业务网络的q o s 的方案，此方案能很好的解决n a t 穿越问题， 并能对基于软交换的多业务网络资源进行动态的资源分配，另外，通过实验 与理论分析，提出了新的网络业务等级定义。通过理论的分析证明，此组网 方案自很好的提高系统的性能。 第五章中给出了此方案中的关键部件a b p 与p e p 的设计结构，并a b p 中的 资源监测模块进彳亍了进一步的实现。 第六章对所做工作进行总结，提出了下一步的工作展望。 中山大学硕士学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 第二章基于软交换的下一代网络简介 下一代网络是基于分组的网络“2 。”，它使用多种具有q o s 保证的带宽传输 技术，提供包括电信业务在内的各种业务。n g n 具备业务与控制分离、控制 与承载分离的特征，具有通用移动性的功能，用户通过n g n 能够灵活、自由 的接入不同业务提供者。软交换是下一代网络( n g n ) 的核心功能实体之一， 以软交换为呼叫控制核心，在分组交换网上提供实时语音和多媒体业务的网 络称为软交换网络。 2 1n g n 的产生 n g n 从传统的以电路交换为主的p s t n 网络逐渐迈向了以分组交换为主， 承载了原有p s t n 网络的所有业务，将大量的数据传输业务交由i p 网络处理， 并以i p 技术的新特点增加和增强了许多新老业务。 从这个意义讲，n g n 是基于t d m ( 时分复用) 的p s t n 语音网络和基于i p a t m 的分组网络融合的产物。因此，n g n 是全业务的网络，包括电话和i n t e r n e t 接入业务、数据业务、视频流媒体业务、数字t v 广播业务和移动等业务。 “下一代”提法最早是美国政府于1 9 9 7 年1 0 月提出的下一代互联网行动 计划( n g i ，n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ，下一代互联网) 。其目的是研究下 一代先进的组网技术、建立试验田、开发革命性应用。然而，到了上世纪九 十年代末，电信市场在世界范围内开发竞争，互联网的广泛使用使数据业务 急剧增长，用户对多媒体业务产生了强烈需求，对移动性的需求也与日剧增， 电信业面临着强烈的市场冲击与技术冲击。在这种形式下，出现了n g n 的提 法，并成为目前最热门的一个话题。 2 0 0 2 年，在世界范围内发生了两个超过：一是全球移动用户数超过固定 用户数；二是全世界网上传送的数据业务量超过语音业务量。这两个超过反 映了随着时代与技术的进步，人类对移动性和信息需求急剧上升的趋势，隐 含着大量更高价值的服务与应用。 4 中山大学硕十学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 当前的网络，不管是电话网，还是互联网或移动网，都不能适应此未来趋 势。因此，n g n 是网络界为了描述未来电信网共同使用的一个新概念。实际 上它好像一把大伞，涵盖了固定网、互联网、移动网、核心网、城域网、接 入网、用户驻地网、家庭网络等许多内容。 2 2n g n 的特点 从技术层面看，n g n 具有以下基本特点： 分组传送。主要采用基于i p 的分组技术。 控制功能从承载、呼叫会话、应用业务中分离。 业务提供与网络分离。该特性使得网络和业务可以独立发展演进， 互不影响。 利用各基本的业务组成模块，提供广泛的业务和应用( 包括实时、 流、非实时和多媒体业务) 。 具有端到端q o s ( 服务质量) 和透明的传输能力。 通过开放接口与传统网络互通，兼容传统网络。 具有通用移动性。 允许用户自由地接入不同的服务提供商( i s p ) 。 支持多种地址分配体系，并能将其解析为i p 地址以用于i p 网络。 同一业务具有统一的业务特性。 融合固定与移动业务。 适应所有管理要求，如应急通信、安全性和私密性等要求。 从业务层面看，n g n 又有如下特点： 开发性 n g n 可以根据所处网络所提供功能的不同划分为几个模块，每个模块均能 独立发展，互不干涉，又能有机地组合成一个整体，同时这种开放性也表现 在各运营商可根据自己的需求来选择市场上的优势产品，而不必担心不同设 备间的互连互通。 中山大学硕士学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 高效性 n g n 网络允许业务与呼叫控制分离，为业务真正的从网络中独立出来、有 效地缩短新业务的开发提供了良好的条件；随着多网互通的实现，n g n 的许 多新兴业务也应运而生。 多用户 n g n 综合了固定电话网，移动电话网和i p 网络的优势，使得模拟用户、 数字用户、移动用户、a d s l 用户、i s d n 用户、i p 窄带网络用户、i p 宽带网 络用户甚至是通过卫星接入的用户都能成为n g n 中的一员，实现相互通信。 多媒体 语音、视频以及其它多媒体流在n g n 中的实时传输是n g n 的又一亮点。 资源共享 国际互联网的丰富信息资源一直是电信运营商面前的一块肥肉，由于采用 了i p 技术，n g n 的出现使得在呼叫过程中获取国际互联网的资源变得不再是 难事。 低成本 采用了相对廉价的i p 等网络作为中间传输的载体，n g n 的通信费用大大 降低了，这种优势尤其体现在国内长途和国际长途电话上。这种低成本在目 前投入应用的v o i p ( i p 电话) 上已经体现出来了。 2 3 软交换网络分层模型 软交换网络从网络层次上可以划分为以下几个平面：接入平面、承载平面、 控制平面、业务平面，如图2 一l 所示： 中山大学硕十学位论文 软交换接入网若干关键技术的研究 业务唧。面 控制平面 l业务支撑环境 l 业务管理服务器 遁塑塑囹_ 业务黛成环境l | a a a 罂务器li 匝疆霉 l； l 较交换设备r 1 软交换设备l 承载平面 兽堡篁嬖! 堡! 一一之 匝驷区豳匡洄 接入平越 一。一! 一 。： n o 。7 ，每s t n ，p l m 姆阿面蔬i j 习 十一一_ 7 、一。、一一l _ j 图2 1 软交换网络分屡模型 接入平面：提供各种接入手段将用户接至软交换网络，并将信息转换成能 够在分组网络上传递的信息格式，包括中继网关、信令网关、综合接入媒体 网关、媒体服务器。 承载平面：基于分组交换技术，负责将软交换网络的各类信息，包括信令 流和媒体流传送至目的地。 控制平面：提供呼叫控制功能，并实现基本的话音业务和相应的补充业务 控制承载连接的建立，实现和业务平面的交互，主要为软交换设备。 业务平面：负责提供增值业务和各类特色业务，以及对应的业务逻辑和数 据，包括应用服务器、应用网关、w e b 服务器、a a a 服务器等设备。 2 4 软交换网络的体系架构 软交换网络的体系架构如图2 2 所示，其中软交换、应用服务器、应用网 关、a a a 服务器、媒体服务器、信令网关属于网络侧设备，当接入网关可信 中山大学硕士学位论文 软交换接入网若干关键技术的赴野究 任时可以放置在网络侧。w e b 服务器般放在i n t e r n e t 网中再接入到软交换 网络。软交换网络通过信令网关和智能网进行互通，通过信令网关和中继网 关与n 0 7 信令网和p s t n 网络进行互通。 2 5s i p 协议简介 图2 2 软交换网络体系架构 n g n 的目标是建设一个能够提供话音、数据、多媒体等多种业务的，集通 信、信息、电子商务、娱乐于一体，满足自由通信的分组融合网络3 1 。为了 实现这一目标，i e t f 、i t ut 制定并完善了一系列标准协议：h 2 4 8 m e g a c o 、 s i p 、b i c c 、s i g t r a n 、h 3 2 3 。 n g n 协议包含非对等和对等两类协泌。非对等协议主要指媒体网关控制协 议h 2 4 8 m e g a c o ；对等协议包括s i p 、h 3 2 3 、b i c c 等。s i g t r a n 为信令传送 协议。由于历史原因，n g n 系列协议有些相互补充，有些则相互竞争。 h 2 4 8 m e g a c o 是一个非对等主从协议，与其它协议配合可完成各种n g n 业务。s i p 、h 3 2 3 均为对等协议，存在竞争关系，由于s i p 具有简单、通用、 易于扩展等特性，已逐渐发展成为主流协议，所以在这里我们主要介绍一下 s i p 协议。 中山大学硕士学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 2 5 1s i p 的提出和发起 s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，会话发起协议) 是由i e t f ( i n t e r n e 工程任务组) 提出的i p 电话信令协议。它的主要目的是为了解决i p 网中的 信令控制，以及同s o f t s w i t c h 的通信，从而构成下代的增值业务平台，对 电信、银行、金融等行业提供更好的增值业务。 2 5 2s i p 的功能和特点 正如其名字所隐含的，s i p 用于发起会话，它能控制多个参与者参加的多 媒体会话的建立和终结，并能动态调整和修改会话属性，如会话带宽要求、 传输的媒体类型( 语音、视频和数据等) 、媒体的编解码格式、对组播和单 播的支持等。 s i p 在设计上充分考虑了对其他协议的扩展适应性。它支持许多种地址描 述和寻址，包括：用户名 主机地址、被叫号码 p s t n 网关地址和如t e l ： 0 1 0 6 2 2 8 1 2 3 4 这样普通电话号码的描述等。这样，s i p 主叫按照被叫地址， 就呵以识别出被叫是否在传统电话网上，然后通过一个与传统电蹯网相连的 网关向被叫发起并建立呼叫。s i p 的最强大之处就是用户定位功能。s i p 本身 含有向注册服务器注册的功能，也可以利用其他定位服务器如蜊s 、l d a p 等 提供的定位服务器来增强其定位功能。 2 5 3s i p 中服务器的分类和功能 s i p 中有客户机和服务器之分。客户机是指为了向服务器发送请求而与服 务器建立连接的应用程序。用户代理( u s e ra g e n t ) 和代理( p r o x y ) 中含有 客户机。服务器是用于向客户机发来的请求提供服务并回送应答的应用程序。 用户代理服务器：当接到s i p 请求时联系用户，并代表用户返回响应。 代理服务器：代表其他客户机发起请求，既充当服务器又充当客户机的媒 介程序。它在转发请求之前可能改写原请求消息中的内容。 重定向服务器：接收s i p 请求，把请求中的原地址映射成零个或多个新地 址，返回给客户机。 9 中山大学硕士学位论文软交换接入网若下关键技术的研究 注册服务器：接收客户机的注册请求，完成用户地址的注册。 用户终端程序往往需要包括用户代理客户机和用户代理服务器。代理服务 器、重定向服务器和注册服务器可以看作是公众性的网络服务器。在s i p 中 还经常提到”定位服务器”的概念，但是定位服务器不属于s i p 服务器。s i p 服务器请求定位服务的方式也不在s i p 的讨论范围之内。其在i p 网络中的实 现如图3 所示。 = - * m 图2 3s i p 定位服务器在i p 网络中的实现图 s i p 独立于低层| 办议，一般使用u d p 等无连接的协议，而采用自己的应用 层可靠性机制来保证消息的可靠传输。 2 5 4s i p 的消息定义和格式 s i p 的消息定义完全基于文本的格式。分为消息头和消息体，其主要有如 下几个字段。 t o 注册的目的地址。 f r o m 注册的头地址。如果是第一次注册，则与目的地址相同。 c o n t e n t t y p e 消息的类型 c o n t e n t l e n g t h 消息的长度 0 中山大学硕士学位论文 软交换接入网若干关键技术的研究 r e q u e s t u r i 注册请求的目的地址 c a l l i d 所有的来自一个客户机的注册都是用相同的c a l l i d c s e q 以相同c a l l i d 的注册必须拥有递增的c s e q 号。 2 5 5s i p 的方法 s i p 主要用以下六个方法来实现对呼叫的控制。 ( 1 )i n v i t e i n v i t e 方法说明一个用户或业务参加一个会话。消息体部分包含了被叫 的信息说明。对于双方呼叫，主叫需说明它能接受和发送的媒质类型。示例 如下： i n v i t ea 一 p r o x yl i n v i t es i p ：u s e r b t h e r e c o ms 工p 2 0 v i a ：s i p 2 o u d ph e r e c o m ：5 0 6 0 f r o m ：b i g g u y t o ： l i t t l e g u y c a lli d ： 1 2 3 4 5 6 0 0 h e r e c o m c s e q ： 1i n v i t e c o n t a c t ：b i g g u y c o n t e n t t y p e ：a p p l i c a t i o n s d p c o n t e n t l e n g t h ： 1 4 7 v = o o = u s e r a2 8 9 0 8 4 4 5 2 62 8 9 0 8 4 4 5 2 6i ni p 4h e r e c o m s = s e s si o ns d p c = i ni p 4l o o 1 0 1 1 0 2 1 0 3 t = 0o m = a u d i o4 9 1 7 2r t p a v po 中山大学硕士学位论文 软交换接入网若干关键技术的研究 a = r t p m a p ：op c m u 8 0 0 0 ( 2 )a c k a c k 方法主要用于确认客户端对i n v i t e 方法的清求已经响应。示例如下： a c ks i p ：u s e r b t h e r e c o ms i p 2 o v i a ：s i p 2 0 u d ps s l w c o m c o m ：5 0 6 0 ：b r a n c h = 2 d 4 7 9 0 1 v i a ：s i p 2 o u d ph e r e c o m ：5 0 6 0 r o u t e ： f r o m ：b i g g u y t o ：l i t t l e g u y ：t a g = 3 1 4 1 5 9 c a l l i d ：1 2 3 4 5 6 0 l h e r e c o m c s e q ：la c k c o n t e n t l e n g t h ： o ( 3 )b y e 客户机用b y e 方法向服务器发消息来结束该呼叫。示例如下 b y es i p ：u s e r a h e r e c o ms i p 2 o v i a ：s i p 2 0 u d pt h e r e c o m ：5 0 6 0 r o u t e ： f r o m ：l i t t l e g u y ：t a g = 3 1 4 1 5 9 t o ：b i g g u y c a l l i d ：1 2 3 4 5 6 0 l h e r e c o m c s e a ：lb y e c o n t e n t l e n g t h ： o ( 4 )c a n c e l c a n c e l 方法用于取消一个挂起的呼叫。示例如下 c a n c e ls i p ：u s e r b t h e r e c o ms i p 2 0 v i a ：s i p 2 o u d ph e r e c o ：5 0 6 0 f r o m ： b i g g u y t o ： l i t t l e g u y c a l l i d ：1 2 3 4 5 6 0 0 h e r e c o m 2 中山大学硕士学位沦文软交换接入网若干关键技术的研究 c s e o ：lc a n c e l c o n t e n t l e n g t h ：0 ( 5 )r e g 工s t e r 用于向定位服务器注册客户机的相关信息。 ( 6 )o p t i o n s 用于查询服务器的相关信息和功能。 2 5 6 状态码的定义 s i p 主要定义了如下的五种类型的响应状态。 1 x x ：信息。表示请求已经收到，可以继续处理请求。 2 x x ：正确。标识呼叫已经正确的被接受和处理。 3 x x ：重定向。表示该呼叫需被重定向处理。 4 x x ：客户机错误。表示该消息存在表达错误，不能被服务器处理。 5 x x ：服务器错误。表示服务器不能处理该消息。 中山大学硕十学泣论文软交换接入网若下关键技术的研究 第三章软交换环境下n a t 穿越及q o s 策略技术分析 3 1n a t 穿越技术 r f c l 6 3 l 以及相关r f c 定义的网络地址翻译器( n a t ) 是一种将i p 地址从一 个编址域( r e a l m ) 映射到另外一个编址域的方法，如最典型的应用是把 r f c l 9 1 8 定义的私有i p 地址映射到i n t e r n e t 所使用的公有i p 地址。虽然n a t 技术已经得到广泛应用，但它是一把双刃剑，在带来节省i p v 4 地址空间等好 处的同时，破坏了i n t e r n e t 最基本的“端到端的透明性”的设计理念，增加 了网络的复杂性，阻碍了业务的创新。 我们将在下面先介绍一下已有的n a t 类型，然后对n a t 带来的问题进行分 析，最后阐述一下已有的n a t 穿越的方案，并对各方案的优缺点进行总结分 析。 3 lln a t 的类型 目前n a t 的主要种类有f u c o n en a t 、r e s t r i c t e dc o n en a t 、p o r t r e s t r i c t e dc o n en a t 、s y 蚴e t r i cn j a t 。 3 1 _ 1 1 全克隆( f u l lc o n e ) 首先，把所有来自相同内部i p 地址和端口的请求映射到相同的外部i p 地址和端口。其次，任何一个外部主机通过把一个i p 包发送给已得到映射的 外部i p 地址的方式，都能够把该包发送给该内部主机。如图3 1 ，此时客户 a 即可通过访问2 0 2 1 1 6 5 0 6 8 ：l l l l 来访问私网内的1 0 0 o 1 ：9 2 3 4 ，同 时客户b 也可通过访问2 0 2 1 1 6 5 0 ，6 8 ：1 1 1 l 来访问私网内的1 0 0 o 1 ： 9 2 3 4 。 3 1 1 2 限制性克隆( r e s t r i c t e dc o n e ) 把所有来自相同内部i p 地址和端口号的请求映射到相同的外部i p 地址和 4 中山大学硕士学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 端口。与全克隆n a t 方式不同，只有当内部主机以前曾经给i p 地址为x 的外 部主机发送过一个包时，i p 地址为x 的该外部主机才能够把一个i p 包发送 给该内部主机。 3 1 1 3 端口限制性克隆( p o r tr e s t r i c t e dc o n e ) 端口限制性克隆与限制性克隆类似，只是限制中多了端口号。特别是，一 个外部主机可以发送一个源i p 地址和源端口号分别为( x ，p ) 的i p 包给外 部主机，只有当内部主机以前曾经给i p 地址为x ，端口号为p 的外部主机发 送过一个包时，i p 地址为x 的该外部主机才能够把一个源端口号为p 的i p 包发送给该内部主机。 3 1 1 4 对称n a t 对称式n a t ( s y n i m e t r i cn a t ) 是指把所有来自相同内部i p 地址和端口号， 到特定目的i p 地址和端口号的请求映射到相同的外部i p 地址和端口。如果 同一主机使用不同的源地址和端口对，发送的目的地址不同，则使用不同的 映射。只有收到了一个i p 包的外部主机才能够向该内部主机发送回一个u d p 包。对称式的n a t 不保证所有会话中的( 私有地址，私有端口) 和( 公开i p ， 公开端口) 之间绑定的一致性。相反，它为每个新的会话分配一个新的端口 号。 如图3 2 所示，私网主机和公网主机a 通信是一对地址映射，私网主机和 公网主机b 通信是一对地址映射。a 不能通过访问2 0 2 1 1 6 5 0 6 8 ：“1 1 来 访问l o o 0 1 ：9 2 3 4 ，而b 也不能通过访问2 0 2 1 1 6 ，5 0 6 8 ：2 2 2 2 来访问 l o o o 1 ：9 2 3 4 。即同一台私网主机和公网上每一台的主机间的通信都会建 立一个唯一的地址端口映射，因此对称型n a t 是目前最难以穿越的一种n a t 。 中山大学硕士学位论文 软变换接入网若干关键技术的研究 l h l l l c 叩en a t 图3 1 全克隆n a t s y m m e t r i cn a t 图3 2 对称n a t 3 1 2n a t 环境下终端会话问题描述 我们以s i p 终端的通信过程为例来说明n a t 下会话的问题，当以其它协议 进行通信时n a t 对其的影响类似。 我们通过n a t 的s i p 消息流( c a l lf l o w ) ，来说明n a t 情况下s i p 会话面 临的问题。 3 1 _ 2 1 正常情况下的s i p 会话流程 在正常的s i p 会话过程中，u a 和s i p 服务器之间完全通过s i p 消息来进 行会话交流。在己知对方的有效的s i p 地址的情况下，一个最简单的u a 到 u a 的不通过代理服务器和注册服务器的s i p 会话过程如3 3 所示： 1 6 中山大学硕十学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 图3 3 同一私网内的两s i p 终端会话流程 上图描述了一个标准的不通过注册和代理机制的直接的u a 到u a 的s i p 通信过程。u s e r l 和u s e r 2 在同一网段内，i p 地址分别为l o 1 0 5 ，8 和 l o 1 0 5 9 。u s er l 在发送i n v i t e 请求之前已经知道u s e r 2 的有效的s i p 地 址( 比如人工配置) ，直接向该地址发送i n v i t e 请求建立一个s i p 会话。会 话的全过程一共传送了7 条s i p 消息，其中包括3 条s i p 请求和3 条s i p 回 答，这是一个相对简单的s i p 会话过程。整个s i p 呼叫建立的流程如下： f l ：i n v i t es i p ：1 0 0 l 1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 ls i p 2 o v i a ：s i p 2 o u d p1 0 1 0 5 8 ：5 0 0 0 f r o m ：s i d ：1 0 0 0 1 0 1 0 5 8 ：5 0 0 0 t o ：s i p ：1 0 0 l l o 1 0 5 9 ：5 0 0 l c a l li d ：1 2 3 4 5 6 0 l 1 0 1 0 5 8 c s e a ：li n v 工t e c o n t a c t ： c o n t e n tt y p e ：a p p l i c a t i o n s d p c o n t e n t l e n g t h ：1 1 3 7 ! 些茎堂堡主堂焦鲨塞 塾銮垫堡堕董王羞堡垫查盟坚塞 o = u s e r a2 8 9 0 8 4 4 5 2 62 8 9 0 8 4 4 5 2 6i ni p 41 0 1 0 5 8 c = i n i p 4l o 1 0 5 8 t = 0o m = a u d i o1 0 0 0 0r t p av po f 2 ：s i p 2 o1 0 0t r y i n g v i a ：s i p 2 0 u d pl o 1 0 5 9 ：5 0 0 l f r o m ：s i p ：1 0 0 0 1 0 1 0 5 8 ：5 0 0 0 t o ：s i p ：1 0 0 l 1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 1 c a l l i d ：1 2 3 4 5 6 0 1 l o 1 0 。5 。8 c s e a ：1i n v 工t e c o n t e n t l e n g t h ：o f 3 ：s 工p 2 o1 8 0r i n g i n g v i a ：s i p 2 o u d p1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 1 f r o m ：s i p ：l o o o 1 0 1 0 5 8 ：5 0 0 0 t o ：s i p ：1 0 0 l l o 1 0 ，5 9 ：5 0 0 1 c a l l i d ：1 2 3 4 5 6 0 l 1 0 1 0 5 8 c s e q ：li n v i t e c o n t e n t l e n g t h ：o f 4 ：s i p 2 02 0 0o k v i a ：s i p 2 0 u d pl o 1 0 5 9 ：5 0 0 1 f r o m ：s i p ：1 0 0 0 1 0 ，1 0 5 8 ：5 0 0 0 t o ：s i p ：l 0 0 1 1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 l c a l l 一工d ：1 2 3 4 5 6 0 l l o 1 0 5 8 c s e a ：li n v i t e 1 8 中山大学硕士学位论文软交换接入网若干关键技术的研究 c o n t a c t ： c o n t e n t t y p e ：a p p li c a t i o n s d p c o n t e n t l e n g t h ：1 1 3 v = 0 o = u s e r b2 8 9 0 8 4 4 5 2 72 8 9 0 8 4 4 5 2 7i ni p 41 0 1 0 5 9 c = i ni p 41 0 1 0 5 9 t = oo m = a u d i o1 0 0 0 0r t p av p0 f 5 ：a c ks i p ：1 0 0 l 1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 1s i p 2 o v i a ：s i p 2 o u d p1 0 1 0 5 8 ：5 0 0 0 f r o m ：s i p ：l 0 0 0 l o 1 0 5 8 ：5 0 0 0 t o ：s i p ：1 0 0 1 1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 l c a l l i d ：1 2 3 4 5 6 0 1 l o 1 0 5 8 c s e q ：1a c k f 6 ：b y es i p ：1 0 0 1 1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 1s 工p 2 o v i a ：s i p 2 o u d pl o 1 0 5 8 ：5 0 0 0 f r o m ：s i p ：l o o o l o 1 0 5 8 ：5 0 0 0 t o ：s i p ：1 0 0 l l o 1 0 5 9 ：5 0 0 1 c a l l i d ：1 2 3 4 5 6 0 1 l o 1 0 5 8 c s e q ：1b y e c o n t e n t l e n g t h ：o f 7 ：s i p 2 02 0 00 k v i a ：s i p 2 o u d p1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 l f r o m ：s i p ：1 0 0 0 1 0 1 0 5 8 ：5 0 0 0 t o ：s i p ：1 0 0 l 1 0 1 0 5 9 ：5 0 0 1 1 9 中山大学磺士学位论文 较交换接入碍若于关键技术的研究 c a l l l d ：1 2 3 4 5 6 0 l 睁l o 1 0 5 8 c s e q ：1b