（计算机软件与理论专业论文）基于对等sip协议的ip电话在手机上的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 v o 是下一代网络中一个极其重要的应用，作为构建v o 口电话系统信令协议 之一的s 口协议，以其突出的简单、灵活、分布式控制和易于扩展等优点赢得了 业界的青睐，尤其是在3 g 即决定使用s p 协议作为其多媒体域的控制协议之后， 基于s p 协议的研究成为电话研究领域的热点。 随着无线宽带化的进程不断加快，原来在无线数据通信网中被视为应用“瓶 颈 的带宽和服务质量等问题一一得到解决，如何在智能手机等嵌入式移动终端 上设计和实现高性能的口电话，是d 电话发展的一个重要方向。目前，基于s p 协议的p 网络电话系统大部分是c s 结构的，这种系统存在服务器的瓶颈问题， 而且不容易在一个小环境( 如：紧急通信或会议) 中迅速部署系统。 针对这一状况，本文主要做了以下工作： 1 ) 详细剖析了v o p 的关键技术之一：s 口。对现有的s 体系结构做了改进 与扩展使其能适应对等的网络拓扑结构； 2 ) 对在基于w i n d o w sm o b i l e 的嵌入式移动终端上设计一套s pi pp h o n e 涉及 到的技术问题做了详细分析，设计了一套具有高可移植性的软件体系结构； 3 ) 通过改进开源的o s i p 栈，完成了s 口协议的事务管理模型。为适应对等的 s 口结构，对开源o s i p 栈的状态机部分做了较大的改进与重设计，增加了协调信令 与媒体协议的电话应用状态机，并对o s i p 栈并未涉及的底层传输模型做了设计与 实现。 4 1 设计实现了一套实时语音采集播放框架，并分析了为提高语音质量采用的 策略。 5 ) 设计实现了一套定时器管理机制，以便对应用层协议中定义的大量定时器 做高精度的支持。 基于s 口协议的i p 电话在嵌入式移动平台的应用中有着很大的潜力，有待于 进一步的研究与探索。在本文的结尾部分，对s 口协议的研究扩展的下一步工作 做出了展望。 关键词：v o 口，s 口，p 2 p ，实时语音，嵌入式移动终端 a b s t 阳c t v 0 口i s0 n eo ft 1 1 em o s t 却耐a n ta p p l i c a t i o n si nm en e x tg e l l e r a t i o nn e t 、r k s 口( s e s s i o nh l i t i 撕o np r o t o c 0 1 ) i so n eo ft h es i 盟a l i n gp r o t o c o l st 0d e v e l o p 廿l e p s y s t e i l l s di ss i m p l e ，f l e x i b l e ，d i 矧b l l t e dc o n 仃0 1 e da i l de a s yt 0b ee x t 饥d e d 舢3 g p p h a sa d o p t e ds p 嬲m ec o n 倘1 l i n gp r o t o c o lf o rt 1 1 e 口m u l t i 涨娥as u b s y s 锄 i l ，m e r e s e a u r c ho fs di sb e c 0 m i n gas p o t l i 曲ti i lm e 丘e l do f 口t e l 印h o n y w i 也廿1 ed e v e l o p m e n to f1 1 i 曲b a n d w i d t l l 州r d e s sc 0 衄删m i c a t i o i l s ，t l l eb a i l d w i d m a n dq o si s s u ea r en ol o n g e rm e0 b s t a c l ef o rd e p l o 如gn e t w o d d n ga n dm u l t i m e d i a a p p l i c 撕o n so nm o b i l ed e v i c e so v 盯谢r c l e s sn e 咖r k t 0d e v e l o pa n dd 印l o yah i 曲 p 柏m 锄c ept e l e p h o n yo v e rm o b i l ed e v i c e si sf e a l s i b l e 趾dc 觚p r o v i d es e a d e s s c o l l n e c 矗v i t ) ，t 0 l ev o pe n du s 既h o w e v t 1 1 ec u 玎c n ts i pb a s e dv o i pa p p l i c a t i o n su s e c s 纵烛泡e c c u r e ，砒l i c hi sh a r dt ob ed e p l o y 甜i nas m a l l 铲0 u pm e c _ t i n gs i 饥撖o nw 池 e a s e 1 1 1 ec o n t r i b 嘶o na l l df e a 饥鹏o f t h i sp 印e ri n c l u d e s ： 1 ) a n a l y s c d l es pp r 0 1 【o c o l ，w l l i c hi so n eo fm ek e yt e c h n o l o 酉e si nv o m w b f k e d0 u te x t 饥s i o n s 仗rn l ec i l r r e n ts 口鲫c h e t e c t i 鹏t 0a d a p tt 0m ep e e rt op e e r n e t 、o f k 砌e t e c t u i c 2 ) d i s c u s s e dk e yt e c h i l i c a li s s u e si nd e s i 乎l i n gas i pb a s e dpt c l 印h o n yu n d e r w 矗l d o w sm o b i l ed c v i c e s ，d e s i 弘e das o 骨w a r e 疵h e t e 曲玎ew i m h i 曲p 础a b i l i 够 3 ) d e s i 盟e das p t r a i l s a c t i o nm o d e lb a s e do ng n u o s i pp r o t o c o ls t a c k e i l l m c e d m ee x i s 石n go s i ps t a c k 谢ma 芏la p p l i c a t i n s t a t e - m a c l l i n et oh 锄o n i z et 1 1 es i 萨a l l i n ga n d m e d i a 臼加s a c t i o n s d e s i 伊e dm es 口咖o r tl a y 盯w l l i c hi sn o tm e 埘o n e di nm eo s i p s l a c k 4 ) d e s i 盟e dar e a l 缸n ea u d i og a m 甜n g 锄dp l a y b a c ks u b s y s t e 驰w i me l l l l a n c e d r e 甜t i i i l ea u d i op l a y b a c k 小l a l i 够 5 ) d e s i 萨e dah i 班p e 响m a n c es e s s i o nt 曲e rm e c h a n i s mt 0 唧p 嘶m u l t i p l e s e s s i o n 石m e r si nm es 口赋e m a c b i i l e 1 1 1 es pb a s e dt e l e p h o n yi sap r o i l l i s i n gt e c l m 0 1 0 9 yi 1 1t 1 1 e 锄b e d d e da i l dm o b i l e e n v i r o n m e n t 也u si s 、0 r t h w h i l ef o rm t u 旧r e s e 鲫c ha n dd i s c u s s i o n h 1t 1 1 ee i l do ft h i s a b s t r a c t p a p m ep r o s p e c to fs i pe x t e l l s i o nw a sd e s c 曲e dt op r o 啊d eag u i d e l i i l ef o rm e 如t u r e w o r k k e y w o r d s ：v o i p ，s 圯p 2 p ，r e a l - t 血ea u d i o ，跗l b e d d e dm o b i l ed e v i c e s i 图索引 图索引 图2 1v 0 口协议族5 图2 - 2h 3 2 3 体系结构一7 图3 1s m 网络的基本结构1 2 图3 2s 妒呼叫的处理流程1 3 图3 3s p 四层结构1 5 图3 _ 4s 口注册2 l 图3 5 两个u a 直接通信呼叫流程2 2 图3 - 6 通过代理服务器的呼叫流程2 3 图3 - 7 通过重定向服务器的呼叫过程2 4 图4 1 改进的s 口体系结构3 l 图4 - 2p 2 ps 口系统注册流程3 2 图4 3p 2 ps 系统呼叫流程3 3 图4 - 4w i n d o w sm o b i l ee m u l 砷0 r 3 4 图4 啊5p 2 ps p 软件模块层次结构图一3 5 图4 - 6 操作系统平台与应用逻辑的分离3 8 图4 7 层次化的协议模型事件绑定关系示例3 9 图4 8 一个n o t i f i e r 的示意图4 0 图4 9l i s t n o t i f i e r - c h a i n 模式4 1 图4 1 0l i s t 饥n 砸f i c h a ：i n 模式实现三层协议的时序图4 l 图4 1 l 核心逻辑和用户界面分离结构4 2 图禾1 2 基于协议的用户交互。4 3 图4 1 3 消息驱动的线程模型4 4 图4 1 4 消息队列内部结构4 4 图4 _ 1 5 消息队列内部结构4 5 图5 1 传输线程伪代码4 8 图5 - 2i c t 状态机设计。5 2 图5 3i s t 状态机设计。5 3 图5 5n i s t 状态机设计。5 6 图5 - 6i c t 和i s t 状态机的竞争关系5 7 图5 7 电话应用状态机( a p pf s m ) 。5 8 图5 - 8 事务管理模块线程间数据流6 0 图5 9 用户发起会话时序图6 l 图5 1 0 会话接受时序6 2 图5 1 1i s t 与i c t 竞争问题的解决6 3 图每lw 协d o w sm o b i l ea u d i os t a c k 6 6 图6 2a u d i ol os 仃e a 血gf r a m e w o r k 模块划分6 7 图6 3 音频缓冲管理队列映射关系图。6 9 图6 4 开始语音采集伪代码7 l 图6 5 语音采集线程伪代码7 2 图6 6 语音采集时序7 3 图6 7 非阻塞队列伪代码7 4 v h 图索弓 图6 8 设备播放缓冲区7 4 图6 9 语音播放线程伪代码7 7 图6 1 0 语音播放线程时序图。7 8 图6 1 1l l ，m e s s a g c q u e 写者算法7 9 图6 1 2l l m e s s a g e c h l e u e 读者算法8 0 图7 1 时钟管理系统类图8 3 图7 - 2 索引5l2 个t i i l l e ri d 的三级b i n n a p 8 5 图7 36 m e ri d 的组成：8 5 图7 _ 4 常量时问t i i n e ri d 分配算法8 6 图7 5 常量时间t i i n e rd 回收算法8 7 图7 6 定时器管理模块数据结构8 7 图7 7 实验1 结果图9 0 图7 8 实验2 结果图9 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：二赴导师签名：f 丝经 日期：年月 日 第一章序论 1 1 课题来源和研究目标 第一章序论 当前电信业正面临着深刻的变革。传统运营商，有线电视公司，计算机软件、 硬件和网络公司互相渗透和竞争，而以i n t 锄e t 为代表的新技术革命正在深刻的改 变着传统电信观念和体系结构。以电话网为代表的电信网络和以因特网为代表的 数据网络的互通和融合进程正在加快。在数据业务占据主导的情况下，现有电信 网的业务将融合到下一代数据网中。以统一的口协议为基础，在基于i p 网络上面 提供各种业务，正在成为电信发展的趋势。做为一种利用因特网进行语音通信的 新业务，口电话应用应运而生【1 】【2 】。 目前所使用的口电话领域中的信令控制协议h 3 2 3 【3 1 是基于传统的电信概念提 出的。在适应通信的新的发展上具有较多不足之处。表现在：协议复杂、成本高、 不适于组建大规模网络、没有拥塞控制机制、服务质量不能得到保证、效率和扩 展性较差等。 而匝t f 所提出的基于互联网的s 口【4 】信令控制协议简单灵活、实现成本低廉、 适用于分布式控制并且易于扩展。目前，s 口的应用研究正迅速地向前发展，并且 随着m c 啪e t 传输质量的提高，利用切) p 传输的基于s 口协议的i p 电话的语音质 量会得到很好的改善。随着无线宽带化的进程不断加快，原来在无线数据通信网 中被视为应用“瓶颈”的带宽和服务质量等问题一一得到解决，如何在智能手机 等嵌入式移动终端上设计和实现高性能的s 口电话，是口电话发展的一个重要方 向【5 】【6 】。 目前成熟的s 口电话系统多是针对p c 平台开发，没有针对嵌入式移动终端硬 件平台更新快，系统资源受限的特点进行设计。同时，现有基于s 口协议的疋网 络电话系统大部分是c s 结构的，这种系统存在服务器的瓶颈问题，而且不容易 在一个小环境( 如：紧急通信或会议) 中迅速部署。总体上讲，目前s 口的实用技术还 不太成熟，因此有必要进行进一步的研究。 1 2s i p 协议国内外研究现状 电子科技大学硕士学位论文 由于s 口协议将成为下一代网络关键技术中非常重要的协议，国内外诸多大 型通信公司对s 口协议进行了大量的研究和实验性产品研发。s 口称为会话初始协 议，是由匝t f 组织于1 9 9 9 年提出的一个在基于口网络中，特别是在i n t e m e t 这 样一种结构的网络环境中，实现实时通信应用的一种信令协议。而所谓的会话 ( s e s s i o n ) 就是指用户之间的数据交换。在基于s 口协议的应用中，每个会话可 以是各种不同类型的内容。即可以是普通的文本数据，也可以是经过处理的音频、 视频数据，甚至可以是诸如游戏等应用的数据。它的应用具有很大的灵活性。 s 口协议也不是凭空独立产生的，它同样也借鉴了其他各种协议，如h 1 1 瞪、 s m t p 等。因此和这些协议一样，s 口协议也是采用基于文本的编码方式。会话交 互采用c s 模式，这也是s 口协议同其他现有的音频通信领域的标准相比较的最 大特点之一。 s p 协议具有下一代网络所需要的优势和生命力，它伴随着i n t e m e t 的成熟而 不断发展。到目前为止走过了以下几个阶段。 1 9 9 6 年首先出现s 口概念，这时s 口的主要应用是针对n 锄e t 上的各种文本 应用，如：电子邮件、文件聊天等。 1 9 9 9 年3 月，i e t f 的多方多媒体会晤控制( m m u s i c ) 工作组提出了r f c 2 5 4 3 建议，供各厂商和机构讨论。 1 9 9 9 年9 月，s 口工作组从蝴i c 中分离并独立出来，成立了s 印工作组。 并于2 0 0 0 年7 月发表了s 口的草案。 2 0 0 2 年6 月，i e t f 的s 口工作组又发表了r f c 3 2 6 1 建议，以取代i 江c 2 5 4 3 。 由于i n t e n l e t 的飞速发展，在最近的两年时间内，s p 已经开始被m t e 、i t u t s g l6 、e t s it i p o n ( 欧洲标准化组织) 等各种标准化组织所接受。并在这些组织 中成立了与s p 相关的工作组。针对s 口应用在视频领域的特点，提出了s 口的应 用指导，并推出了相应的s p 协议栈，使得玎u 的成员实现了这两种协议间的互 通性。 在n g n 到来的脚步越来越近的背景下，s 因其各方面的优势被越来越多业 界人士公认为n g n 系统中的重要协议。其在公共业务的支持环节中有举足轻重的 作用。 1 3 本文所做的工作及文章结构安排 本文是基于s 口协议的p 2 p 口电话的设计与实现。主要工作集中在以下几个 第一章序论 方面： 1 1 详细剖析了v o i p 的关键技术之一：s 口。对现有的s p 体系结构做了改进与 扩展使其能适应对等的网络拓扑结构； 2 ) 对在基于、胍n d o w sm o b i l e 的嵌入式移动终端上设计一套s 口i pp h o n e 涉及 到的技术问题做了详细分析，设计了一套具有高可移植性的软件体系结构； 3 ) 通过改进开源的o s i p 栈，完成了s m 协议的事务管理模型。为适应对等的 s 口结构，对开源o s i p 栈的状态机部分做了较大的改进与重设计，增加了协调信令 与媒体协议的电话应用状态机，并对o s i p 栈并未涉及的底层传输模型做了设计与 实现。 4 ) 设计实现了一套实时语音采集播放框架，并分析了为提高语音质量采用的策 略。 5 ) 设计实现了一套定时器管理机制，以便对应用层协议中定义的大量定时器做 高精度的支持。 本文内容安排如下： 第一章：提出了论文的选题背景及文章的结构安排； 第二章：介绍了v 0 i p 的特点，实现v 0 i p 系统的关键技术以及v o i p 系统发展 的方向； 第三章：介绍了s 口协议的相关细节，并对p 2 p 技术进行简要介绍； 第四章：在前面介绍的理论基础上设计了一套对等s 口终端的软件构架，并 对这套软件整体设计的思想做详细介绍。 第五章：详细介绍了s 口p h o n e 系统中s 口协议事务管理模块的关键技术实现； 第六章：对系统中实时语音采集与播放子系统的设计与实现做了详细描述； 第七章：提出了做为s 口s e s s i o n n e f 支撑的定时器管理模块的设计与改进方 案； 第八章：结束语，论文总结及需进一步研究的工作。 电子科技大学硕士学位论文 第二章v o i p 的相关技术与协议 、，o i p ( i c eo v e rh l t i e n l e tp r o t 0 c 0 1 ) 电话是随着i n t e m e t 的迅速发展而出现的一 门新兴的通信技术【7 】【引。随着我国宽带接入服务的快速发展，v o m 和基于v o 口技 术的应用正处于一个难得的发展阶段。v o 口电话技术实现了语音在p 网络上的实 时传送。其基本原理是：通过m 电话终端对语音数据编码进行压缩处理，然后将压 缩后的语音数据按t c p 口标准进行打包，经过口网络把数据包送往接收端，再通 过坤电话网关将这些语音数据包进行解压，恢复成原来的语音信号，从而达到由 i n t e m e t 传送语音的目的。由于h l t e m e t 中采用“存储一转发”的方式传递数据包， 不独占电路，而且对语音信号进行压缩处理，因此当与普通电信网使用相同带宽 时，m 电话数将达到原来的数倍。正是由于v o i p 电话技术可以促进网络资源利用， 降低语音业务成本，因此在全球范围内得到了迅速发展，是通信领域发展与普及 速度最快的应用服务之一。 2 1v o i p 的关键技术 v o m 的关键技术包括信令技术、语音技术、实时传输技术、服务质量( q o s ) 保证技术以及网络传输技术与网络安全等【9 1 。 1 ) 信令技术 如图2 1 所示，在v o i p 协议族中，从协议内容上可以分成两种协议类型，一 种是信令控制协议，另一种是媒体信息控制协议。信令技术保证电话呼叫的顺利 实现和语音质量，目前被广泛接受的v 0 口信令体系包括r r u t 的h 3 2 3 协议族和 i e t f 的会话初始化协议( s e s s i o nh l i t i a l i z 撕o np r o t o c 0 1 ) 。 2 ) 语音技术 由于语音系统具有实时性，时延敏感等特点，实时语音的采集、播放、压缩 等技术的实现决定了语音质量的好坏。在嵌入式系统中，这部分工作主由d s p 处 理器配合外围芯片来完成。目前，主要的编码技术有u 坷的q 7 1 1 、g 7 2 9 、g 7 2 3 1 等。g 7 2 9 可将经过采样的6 4 k b p s 的话音以几乎不失真的质量压缩至8 k b p s 。 3 】实时传输技术 实时传输技术主要是采用实时传输协议瑚叩( r e a l t i m et r a l l s p o r tp r o t o c 0 1 ) 【1 0 1 。 第二章v o 母的相关技术与协议 r 1 r p 是提供端到端的包括音频在内的实时数据传输协议，r t p 有一个伴随的实时 传输控制协议，r t c p 限e a l t i i n et r 黜p o nc o n 的lp r o t o c 0 1 ) ，r 1 甲中包含真正的语 音分组，而r t c p 则是用于质量反馈的传输。 图2 - 1v 0 口协议族 4 ) q o s 保障技术 传统的口网络是不保证q o s ( q 】a l i 妒o f s e i c e ) 的，但对于实时性要求较高的 语音业务，q o s 应该是最大问题之一了。在一个口网中，q o s 能够通过带宽、丢 包率、时延和抖动来衡量，为了提供较高的q o s ，口网需要为一个给定的对话或 对话集提供保障，目前常用的q o s 解决方案有资源预留、区分服务、q o s 策略等。 5 ) 网络传输技术与网络安全 v o 口中网络传输技术主要是t c p 和u d p ，此外还包括网关互联技术、路由选 择技术、网络管理技术以及安全认证【1 1 1 。 传统的电信网络是封闭式的，而m 网络则是一个开放式的网络。所以对于p 网络来说，防止恶意攻击的网络用户、无偿欺骗使用网络资源以及非法获取用户 信息等网络安全问题显得尤为重要。 v o 口网络电话系统的安全性包括以下几个方面： 1 鉴权( a l l m e n t a t i o n ) ：用户身份验证，包括用户至非本地运营商使用业务时的 双向鉴权。系统应有对每个呼叫进行鉴权的能力。 2 权限验证( a u m o r i z a t i o n ) ：接入控制功能，验证用户是否使用某项业务，包 电子科技大学硕士学位论文 括防火墙等功能。 3 加密：主要指重要信令消息的加密，这些消息内含有鉴权、权限验证和计费 等信息。 4 数据完整性：确保用户信息不被未授权的其他人修改。 2 2v o i p 的发展方向 目前国内外对v 0 口的研究主要集中于以下方面： 1 ) 宽带接入市场及增值应用 目前在中国市场上，用户的宽带应用还主要集中于高速因特网接入服务，而 多媒体信息应用还有着广阔的市场发展前景。在无线网络宽带化的环境下，针对 手机设计的，承载于e d g e ，3 g ，w i f i 甚至w i i i l a x 等高速率无线网络上的多媒体应 用和增值服务有着广阔的发展空间。 2 ) 软交换技术 v o 口技术的发展趋势是将网络设备的控制部分和媒体处理部分分离，即呼叫 控制和媒体处理分别由独立的物理实体来完成，从而可以清晰地将网络划分为控 制流层面和媒体流层面。 总之，随着宽带接入服务的普及，v o i p 和基于v o p 技术的应用服务正处于一 个关键的发展阶段。在此背景下研究v o p 技术的相关协议及其实际应用，可以很 好地把握通信领域新技术的发展动态。 2 3v o i p 通信协议 2 3 1h 3 2 3 协议 h 3 2 3 协议最早是由i t u t 提出的，是一种基于不保证服务质量的分组网络的 会议电话标准。虽然它可以很好的满足在互联网上开展业务的要求，但它的设计 思路更接近传统的电信网络集中管理的原则。按照h 3 2 3 协议设计的网络可以很 好地承载语音和图像等多种业务，在p 电话业务刚刚兴起的时候，将成熟的h 3 2 3 协议移植到电信网中，并取得了成功。 从整体上来说，h 3 2 3 是一个框架性结构，它涉及到终端设备，视频，音频和 数据传输，通信控制，网络接口方面的内容，还包括了组成多点会议的多点控制 单元( m c u ) 、多点控制器( m c ) 、多点处理器( ) 、网守( g a t e k e 印e r ) 、网 第二章v o i p 的相关技术与协议 关( g a t e w a y ) 、应用服务器和终端等主要模块组成，如图2 2 所示，它的基本单元 是“域 。在h 3 2 3 系统中，所谓域是指一个由关守管理的网关、多点控制单元、 多点控制器、多点处理器和所有终端组成的集合。一个域最少包含一个终端，而 且有且只有一个关守。 无服务 电夕 不 一 图2 2 h 3 2 3 体系结构 h 3 2 3 终端是遵从h 3 2 3 建议标准进行通信的端点设备，它可以集成在个人计 算机中，也可以是一个独立的设备，如以太网电话机或者可视电话机。它需要支 持下面3 项功能：支持信令和控制；支持实时通信，即支持r t p r t c p ；支持发送前编 码与接收后解码。 网关是提供h 3 2 3 终端和广域网上其它设备之间实时通信的端点设备，完成 媒体流编码格式的转换和信令的转换。 关守为h 3 2 3 端点提供地址翻译、接入控制服务、带宽控制和区域管理4 个 必须的功能。关守还支持呼叫控制信令、呼叫权限、带宽管理和呼叫管理4 个可 选的功能。当一个h 3 2 3 系统中有关守时，所有终端用户在呼叫之前都需要到关 守登记并获得它的许可。 m c u 是会议通信的重要设备，提供多点通信控制和媒体流合成。典型的m c u 包括一个多点控制器( m c ) 和若干个多点处理器( m p ) 。m c 提供控制功能，如终端 之间的协商、决定处理话音或视频共有的能力。m p 完成媒体流的处理，接收来自 各参会的端点之间的音频、视频和数据信号流，经处理后回送给各端点。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 2sip 协议 s 口称为会话初始协议，是由互联网工程任务组也t f 于1 9 9 9 年提出的一个基 于i p 网络，特别是在i i l t e m e t 网络环境中实现实时通信应用的一种信令协议。会 话( s e s s i o n ) 是指用户之间的数据交换。在基于s 口协议的应用中，每一个会话可以 是各种不同的数据，如普通的文本、经过数字化处理的音频、视频数据等，应用 具有很大的灵活性。 s 口协议在很大程度上借鉴了其他广泛应用的i n t e m e t 协议，如h t t p 和s m t p 。 和这些协议一样，s p 协议也采用基于文本的编码方式，这也是它同多媒体通信领 域内其他标准相比的显著特点之一。 由于网络环境以及相关多媒体技术的不足，s 口协议首次提出时仅仅针对各种 文本应用。随着i n t e m e t 的飞速发展以及多媒体技术的成熟，s 口协议也在不断发 展，应用越来越广泛。3 g p p _ 已确定将s 协议作为第三代移动通信全p 网络的核 心协议，制定了基于s i p 协议的以s 体系标准【1 2 】1 1 6 1 。 s p 的运行模式采用了服务器客户机模式，基于s p 协议的碑电话网络由两 部分组成：用户代理u a 和网络服务器。 用户代理包括用户代理客户端( u a c ) 和用户代理服务器( u a s ) 。其中用户代理 客户端用于发起呼叫请求，并与被叫建立连接：而用户代理服务器用于响应呼叫请 求，决定接受、重定向或者拒绝呼叫请求。用户代理客户端和用户代理服务器是 用户端必备的应用程序，由这两个应用程序完成呼叫的发起和连接的建立与释放。 用户代理一般运行在用户设备之上，例如p c 或者v o 终端设备。 网络服务器包括代理服务器( p 蕾d x ys e 删、重定向服务器( r e d 沁c ts e r v 神和注 册服务器( r e 西s 仃a r ) 。 代理服务器具有解析名字的能力，能够代理前面的用户向下一跳服务器发出 呼叫请求，然后服务器决定下一跳地址，下一跳可能是另一个代理服务器，也可 能是最终的用户代理服务器。代理服务器本身并不对用户请求进行响应，只是转 发用户的信息，然后将自身的地址加入到该消息路径头部分，以保证响应按原路 返回，和防止消息环路的发生。 重定向服务器接收s p 请求，把请求中的原地址映射成零个或者多个新地址， 返回给客户。重定向服务器不接受呼叫，也不处理或转发请求，其功能是通过响 应告诉客户下一跳服务器的地址，然后客户根据此地址向下一跳服务器重新发送 请求。 第二章v o i p 的相关技术与协议 代理服务器和重定向服务器在确定下一跳服务器时都可能向定位服务器发送 查询请求。定位服务器是n e m e t 中的公共服务器，其查询可以采用多种协议，如 6 n g 盯等。 注册服务器接收客户的注册请求，并完成其地址的登记。注册服务器和重定 向服务器在s 口支持用户的移动性方面也起着十分重要的作用。 这三类服务器构成网络服务，共同支持s 口建立会话【1 7 】【1 8 】。 2 3 3h 3 2 3 和s i p 的比较 i e t fs 口与i t u th 3 2 3 之间的比较是s p 发展中永恒的话题。它们都对p 电话系统的信令过程提出了完整的解决方案。下面对这两种协议结构复杂性、可 扩充性、可扩展性等方面的区别做详细比较。 1 ) 复杂性 h 3 2 3 是一个相当复杂的协议簇，定义了几百种的信息单元，而s 坤协议只有 3 7 个头部字段( 3 2 个基本功能，5 个呼叫控制扩展) ，却包含丰富的信息。其中基本 的可供互操作的s 口信令只需用4 个头部字段( f r o m ，t o ，c a l l m ，c s e q ) 和3 个请 求类型( i n v i t e ，a c k ，b y e ) 。 h 3 2 3 采用基于a s n 1 和压缩编码规则的二进制方式来表示消息，需要特定的 代码生成器来解析。s 口则比较简单，它采用文本编码方式，易于解析和调试，实 现起来也简单容易。 2 ) 功能可扩充性 下一代网络应该是一个开放的、分布式的网络，而多媒体会议的功能要求和 应用业务将会不断更新。因此可扩充性是衡量信令控制协议的一个重要指标。 h 3 2 3 中定义了专门协议用于补充业务，其可扩充性是通过在a s n 1 的相应 位置设置“非标准参数 字段实现的，但这种扩充方式具有局限性。首先，扩充 局限于a s n 1 中那些加有非标准参数的位置。如果一个厂商希望在现有参数上新 增加一个值，它将可能因为没有一个加了非标准参数的位置而无法实现；第二， h 3 2 3 不提供终端之间交换各自支持的扩充性能信息的机制。而且非标准参数的值 不具有“自描述性 ( s e l f d e s 嘶b i n 曲，这也在一定程度上限制了不同厂商设备之间 的互通。 s 口使用请求字段提供给客户扩充的性能集( f e a t l l r es e t s ) 。为了加强可扩充性， s 口采用了和h 1 阳一样的层次式的数字差错代码，共定义了6 类响应，每一个响 电子科技大学硕士学位论文 应代码均使用3 位数表示，第l 位指示类型，后2 位为补充信息。 h 3 2 3 要求每一个新的版本完全后向兼容，新出现的性能必须加入到编码系统 中，这使得协议信息越来越复杂。而s i p 则允许当旧的头部字段和性能不用时就 将其去除，可以保证协议和编码简洁清晰。 3 ) 可扩展性 可扩展性指的是对大型网络的支持能力。s i p 在这方面的性能明显优于h 3 2 3 。 由于h 3 2 3 最早是为了单个局域网用户而考虑的，在广域网( 特别是存在大量的 h 3 2 3 域时) 上寻址、进行用户定位和环路检测等方面比较欠缺。而s i p 采用类似 边界网关协议的环路检测机制，可以无状态执行。另外，h 3 2 3 的呼叫建立连接是 以t c p 方式建立的，网关必须在整个会议过程中记忆呼叫状态；而s 口支持u d p 方式，可以显著减少服务器内存的占用，同时提高单位时间的呼叫能力。在大规 模应用时，h 3 2 3 会议中的集中式多点控制单元往往会形成瓶颈，极大地影响系统 性能；而s 口会议中无需中央多点控制单元，完全是采用分布式地形式，不存在 瓶颈问题。 钔对移动性的支持 随着通信网络地发展，人们对通信的要求越来越高。人们不需要每一种通信服 务都有一个单独的通信号码，而希望只通过一个号码与对方进行通信，并不管这 个人是否是移动的。这就是将来个人通信的理想目标。s p 同时通过代理和重定向 功能来支持用户移动性，这种基于s 口的号码移动性，在很大程度上推动了该项 通信的发展。而h 3 2 3 在支持移动性上不具备任何优势。 5 1 技术的成熟性 h 3 2 3 标准是u t 于1 9 9 6 年在h 3 2 0 h 3 2 4 基础上建立起来的，其应用标准 是在基于口网络的环境中，实现可靠的面向视音频和数据的实时应用。经过多年 的技术发展和标准的不断完善，h 3 2 3 已经成为被众多客户所接收的一个成熟的标 准协议簇。s 口标准是i e t f 在1 9 9 9 年提出的，其应用目标是在基于因特网的网络 中，实现数据、视频和音频的实时通信。由于s 口退出的时间不是很长，虽然很 多国家都建立了基于s m 的网络，但是大多数的s d 网络都是试验性质的。s 口还 有待完善和改进，以便更适合实际的需要和未来的发展。 从上面的这些方面可以看出，s 口提供了与h 3 2 3 类似的服务，但是s i p 更简 单，扩充性更好，适合大规模应用。两大3 g 无线标准机构都选择了s i p 做为其3 g 网络的呼叫控制协议。s 口也被国际软交换组织视为核心控制协议，并且已在v o p 中发挥了重要作用。许多电信服务提供商和设备制造商都推出了基于s i p 的服务 第二章v o i p 的相关技术与协议 和支持s m 的产品，同时许多组织和个人也致力于研究对s 口的扩展。 虽然h 3 2 3 也在不断完善和扩展中，但是应当看到，s 口有比h 3 2 3 更高的功 能性和增长潜力。尽管s 疋获得普遍接受的前提是整个分组语音承载技术被人们 接受，但由于这些条件已经越来越成熟，所以s 口正迎来发展的一个大好时机。 2 4 小结 本章首先对实现v o p 电话系统的关键技术做了分析，并介绍了v o 口技术的发 展方向。随后，本章对当前v o p 系统中应用最广泛的两大通信协议：h 3 2 3 和s 口 各自的特点做了简要介绍，并从结构复杂性、可扩充性、可扩展性、技术的成熟 性等方面对两者进行了比较。 可以看出，s m 由于其简单，扩充性更好，适合大规模应用等特点，正在成为 下一代网络体系结构中不可缺少的协议标准之一，对s p 的应用研究有着广阔的 发展前景。 电子科技大学硕士学位论文 第三章s i p 协议与p 2 ps i p 网络电话构架研究 3 1s i p 协议概述 s p 是也t f 提出的在p 网络上进行通信的应用层控制协议，由i e t f i 心c 3 2 6 l 【4 】定义。利用s 口可实现会话的发起、建立和释放，并支持单播、组播和 移动性。s p 协议可以在t c p 或者i j l ”上传输，但通常采用u d p 传输，以保证 多媒体会话高效可靠进行。s m 会话包括多媒体会议或者简单的电话呼叫，可以是 单播，也可以是组播。会话可以在企业网的用户之间建立，也可以跨越多个网段， 在以m 协议传输的网络中理论上都可以实现s m 协议。s p 系统既可以是专用网 段，通过公用因特网连接的网段，也可以是支持其他口信令协议的企业网中设备 的逻辑分组。s p 以其简单，灵活的特点越来越受到青睐，做为移动通信标准化组 织的3 g p p 已经决定在s 口基础上建立第3 代移动通信系统( 3 g ) 的全m 网络，并 要求3 g 终端支持s i p 。由i 强c 定义的一个基本的s 口网络如图3 1 所示： 图3 - ls p 网络的基本结构 s 口是一个应用层的控制协议，可以用来建立、修改、和终止多媒体会话( 或 者会议) 。s 也可以邀请参与者参加已经存在的会话，比如多方会议。媒体可以 在一个已经存在的会话中方便的增加( 或者删除) 。s i p 显示的支持名字映射和重 定向服务，这个用于支持个人移动业务一一用户可以使用一个唯一的外部标志而 不用关系他们的实际网络地点。s 口在建立和维持终止多媒体会话协议上，支持5 个方面： 第三章s i p 协议与p 2 ps d 网络电话构架研究 用户定位：检查终端用户的位置，用于通讯。 用户有效性：检查用户参与会话的意愿程度。 用户能力：检查媒体和媒体的参数。 建立会话：在呼叫方和被叫方建立会话参数。 会话管理：包括发送和终止会话，修改会话参数，激活服务等等。 3 1 1s i p 的组成 传统的s 采用客户服务器( c s ) 的工作方式，故s p 网络包含两类组件：用 户代理( u s e ra g t ) 和网络服务器( n e t 购r ks e r v 砷。 用户代理又分为用户代理客户端( u a c ) 和用户代理服务器( u a s ) ，其中u a c 负责发起s 口呼叫请求，u a s 负责对呼叫请求做出响应。s 为u a c 和u a s 各 自定义了一套呼叫处理的行为1 9 】【2 0 1 。 s i p 终端1 s l p 终端2 图3 - 2s 口呼叫的处理流程 网络服务器主要为用户代理提供注册、认证、鉴权、路由等服务，分为代理服 务器( p r o x ys e e f ) 、重定向服务器( r e d 讹蜕s e n ，哪和注册服务器限e 每s 仃神3 种。代 理服务器提供路由功能，负责将s 用户请求和响应转发到相应的下一跳。代理 电子科技大学硕士学位论文 服务器又分为