【正文】 ... 33 致 謝 ..................................................................... 35 參考文獻(xiàn) ................................................................... 36 附錄 A 2440 實(shí)物圖 ........................................................ 37 1 第一章 緒論 引言 VoIP （ Voice Over IP ）， 也 稱 IP 電 話 ， 它 是 利 用 基 于 分 組 交 換 的 IP（ Inter/Intra）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào) 傳輸?shù)囊环N技術(shù)。由于 Inter 中采用“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”的方式傳遞數(shù)據(jù)包，任何數(shù)據(jù)傳輸都不會(huì)獨(dú)占電路 。同時(shí)， 在網(wǎng)絡(luò)上傳輸語(yǔ)音時(shí) 已 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行了很大的壓縮處理， 每路 電話占用帶寬僅為 8kbit/s－10kbit/s， 因此 IP 電話具有極大的用戶容量 。如果將 VoIP 和 PSTN((Public Switched Telephone Network, 公共 交換 電話網(wǎng)絡(luò) )兩者都使用傳輸速率為 64kbit/s 的帶寬時(shí)，VoIP 的效率是 PSTN 的 5～ 8 倍 [1]。再加上分組交換的計(jì)費(fèi)方式與距離的遠(yuǎn)近無(wú)關(guān)，自然就大大節(jié)省了長(zhǎng)途通信費(fèi)用。 VoIP 技術(shù)從 1995 年出現(xiàn)至今，在世界范圍內(nèi)一直受到廣泛地關(guān)注，并得到了迅猛的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)在長(zhǎng)途通信業(yè)務(wù)中占有相當(dāng)大的份額。 VoIP 中最重要的是信令系統(tǒng)， SIP（ Session Initiation Protocol， 會(huì)話初始化協(xié)議 ） 協(xié)議因其簡(jiǎn)單、靈活的技術(shù)特點(diǎn)，正在逐步代替原有的 協(xié)議成為 IP語(yǔ)音技術(shù)的信令核心協(xié)議，基于 SIP 的 VoIP 終端研究也隨之成為一個(gè)熱點(diǎn)。然而，目前大多數(shù)終端的研究都集中在軟終端上，對(duì)于嵌入式終端的研究還存在 較多問(wèn)題，例如 SIP 信令控制復(fù)雜、硬件相關(guān)性較大和通用性不好 等 。為此，本文在研究了 SIP 協(xié)議、 RTP 協(xié)議和嵌入式系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上，移植并實(shí)現(xiàn)了一種 基于 Linux 操作系統(tǒng)的 ，使用 SIP 信令協(xié)議的， 通用性較好的嵌入式 VoIP 終端，以適應(yīng) VoIP 終端的廣泛應(yīng)用。 論文研 究背景 在 70 年代，人們已開(kāi)始了 VoIP 的研究，然而當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的話音質(zhì)量不能令人滿意，主要原因是當(dāng)時(shí)投入運(yùn)營(yíng)的 ARPANET 的干線鏈路帶寬僅為 50kbit/s，為典型的窄帶分組交換網(wǎng)絡(luò)，不能滿足話音的實(shí)時(shí)傳輸。 進(jìn)入 90 年代后，隨著 Inter 在全球范圍內(nèi)興起和話音編碼技術(shù)的發(fā)展， IP分組話音通信技術(shù)獲得了突破性的進(jìn)展和較為廣泛的應(yīng)用。 1996 年，經(jīng)過(guò)各國(guó)專(zhuān)家的努力， ITUT（國(guó)際電信聯(lián)盟）通過(guò)了局域網(wǎng)上支持可視電話通信的信令協(xié)議，也就是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的 協(xié)議族。這個(gè)協(xié)議一經(jīng)推出，就成為 IP 網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)的公共規(guī)范，同時(shí)也極大的推動(dòng)了 IP 電話的發(fā)展，并逐漸進(jìn)入公共電話網(wǎng)服務(wù)。 2020 年，另一大陣營(yíng) IETF(因特網(wǎng)工程任務(wù)組 )發(fā)布了 RFC3261 規(guī)范，即基于 SIP的信令協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) [2]。 SIP 與 提供的功能和服務(wù)基本上都是相同的，但是由于 SIP江蘇大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 在設(shè)計(jì)上更能體現(xiàn) Inter 體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)基于文本方式的信令使用簡(jiǎn)單且易于擴(kuò)展。 SIP 協(xié)議一經(jīng)推出便得到了迅速發(fā)展， 3GPP 組織也在其發(fā)布的 IMS5 中采用 SIP 作為信令協(xié)議。隨著 VoIP 技術(shù)的發(fā)展，相信 SIP 協(xié)議將逐步代替 協(xié)議成為 VoIP 的核心信令協(xié)議。 基于這一應(yīng)用趨勢(shì)，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)展了 SIP 系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)，這些 SIP 系統(tǒng)中關(guān)于終端的研究大多集中在軟終端上。如美國(guó)的 SJ Labs 公司開(kāi)發(fā)了一套基于 SIP的 VoIP 軟終端系統(tǒng) SJphone，使用這套軟終端系統(tǒng)，可以使 PC 用戶方便的通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行語(yǔ)音通訊。微軟的視窗 (Windows)操作系統(tǒng)中的 MSN Messenger 采用的也是 SIP 協(xié)議。在嵌入式終端方面，隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，嵌入式技術(shù)與SIP 技術(shù)的結(jié)合越來(lái)越受到關(guān)注，國(guó)外的個(gè)別機(jī)構(gòu)也已開(kāi)始了這方面的研究，如法國(guó) Cegetel 公司曾演示了一套 SIP 多媒體消息系統(tǒng)，采用這套系統(tǒng)后，個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、筆記本和移動(dòng)電話都可以非常方便地通過(guò)公網(wǎng)通信，但是這些終端在信令控制和通用性上還有待提高。 目前，我國(guó)也有一些公司和科研機(jī)構(gòu)在進(jìn)行基于 SIP 的 IP 電話的研究，但總體來(lái)看，我國(guó)在基于 SIP 的 IP 電話的研究方面相對(duì)還比較滯后 。 論文的目的、研究?jī)?nèi)容和意義 從以上論述不難看出， SIP 信令 技術(shù) 靈活性高，使用簡(jiǎn)單，符合互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的要求，經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展與改進(jìn)已日漸成熟完善，并得到廣泛的認(rèn)可。 SIP 信令技術(shù)必將成為日后網(wǎng)絡(luò)信令技術(shù)發(fā)展方 向。同時(shí)，隨著用戶對(duì)互聯(lián)網(wǎng)依賴程度不斷提高，用戶希望任何時(shí)間在任何地點(diǎn)都可以享受到互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)。 本文 研究與實(shí)現(xiàn)的 嵌入式 VoIP 終端目的正是滿足用戶在任何時(shí)間任何地點(diǎn)使用 VoIP 服務(wù)的需求，并且提供了開(kāi)放的軟件構(gòu)架，為日后的升級(jí)提供了方便或者其他研究者開(kāi)發(fā)相關(guān)項(xiàng)目提供了借鑒的基礎(chǔ)。 本論文主要研究在開(kāi)放的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的環(huán)境下，如何利用現(xiàn)有的開(kāi)源軟件資源在有限的硬件性能環(huán)境下實(shí)現(xiàn) SIP 信令的接收、發(fā)送、解析和語(yǔ)音流的發(fā)送、接收、處理等功能。將各獨(dú)立模塊合理部署于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)中，合理組合獨(dú) 立的功能，使各功能協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)在 IP 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸語(yǔ)音的目的。 本文研究與實(shí)現(xiàn)的 VoIP 終端結(jié)合了 SIP 信令與嵌入式終端兩大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，滿足了越來(lái)越多用戶的需求，并且符合集移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)為一體的智能化通信終端的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)推進(jìn) VoIP 終端的普及與 SIP 信令協(xié)議的廣泛使用有重要的意義。 論文結(jié)構(gòu)安排 論文將按照下面的描述進(jìn)行內(nèi)容的安排。 第一章 緒論 3 第一章引言，簡(jiǎn)要介紹了 VoIP 技術(shù)的發(fā)展，指出了課題研究的背景、意義和主要內(nèi)容。 第二章 VoIP 的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì) VoIP 的關(guān)鍵技術(shù)，如 SIP， SDP， RTP 協(xié)議做了分析和探討。 第三章嵌入式 VoIP 終端系統(tǒng)總體方案，明確了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，描述了系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，對(duì)嵌入式軟硬件系統(tǒng)選擇做了討論。 第四章嵌入式 VoIP 終端開(kāi)發(fā)平臺(tái)的搭建，介紹了本系統(tǒng)采用的硬件平臺(tái)的組成，嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)移植 和嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建 。 第五章嵌入式 VoIP 終端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹了 VoIP 終端軟件 Linphone 的SIP 模塊、 RTP 模塊、語(yǔ)音處理模塊 和主控程序的 實(shí)現(xiàn)。 第六章系統(tǒng)測(cè)試，描述了 對(duì)嵌入式 VoIP 終端原型進(jìn)行的測(cè)試。說(shuō)明了 測(cè)試的測(cè)試環(huán)境、測(cè)試方法并記錄了測(cè)試結(jié)果 。 第七章總結(jié)與展望，總結(jié)了本課題的研究工作，提出了今后進(jìn)一步工作的方向。 4 第二章 VoIP 的技術(shù)原理 VoIP 是以 IP 分組 交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺(tái)，對(duì)模擬的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮、打包等一系列的 處理，然后采用 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的逐跳路由方式進(jìn)行傳輸，其主要處理過(guò)程如圖： 圖 2. 1 VoIP 語(yǔ)音處理過(guò)程 由上圖可以看出，語(yǔ)音處理過(guò)程大致是： 首先通過(guò)語(yǔ)音壓縮算法對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理 (編碼標(biāo)準(zhǔn)主要是 ITUT [3])， 然后把這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)按 RTP（ Real Time Protocol，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議） 協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過(guò) IP 網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)浇邮盏?，再把這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)包解包 ，經(jīng)過(guò)解碼解壓處理，恢復(fù)成原來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)，從而達(dá)到由 IP 網(wǎng)絡(luò)傳送語(yǔ)音的目的。 在進(jìn)行語(yǔ)音傳輸之前，需要 使用 信令技術(shù)建立語(yǔ)音 連接和協(xié)商技術(shù)協(xié)商 連接雙方的語(yǔ)音編碼格式，本系統(tǒng)中采用會(huì)話初始化協(xié)議 (SIP)作為信令協(xié)議 ，采用媒體協(xié)商技術(shù)（ SDP）作為協(xié)商協(xié)議 ， 采用 RTP 協(xié)議作為語(yǔ)音傳輸協(xié)議， 本章將詳細(xì)闡述這些關(guān)鍵技術(shù)。 第二章 VOIP 的技術(shù)原理 5 基于 SIP 的信令技術(shù) SIP 協(xié)議的概述 會(huì)話初始化協(xié)議 (SIP)是 IETF 制定的在 IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多媒體通信的應(yīng)用層控制協(xié)議， RFC 編號(hào) 3261[2]。利用 SIP 可實(shí)現(xiàn)會(huì)話的發(fā)起、建立和釋放，并支持單播、組播以及用戶移動(dòng)性。此外， SIP 還可與 SDP(會(huì)話描述協(xié)議 )配合 [5]，動(dòng)態(tài)調(diào)整和修改會(huì)話屬性，比如通話帶寬、傳輸媒體類(lèi)型以及媒體編解碼格式等。 SIP 因其簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，應(yīng)用越發(fā)廣泛。 SIP 已經(jīng)被移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織的 3GPP 確定為建立第三代移動(dòng)通信全 IP 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)協(xié)議，并要求未來(lái)的 3G 終端支持 SIP。 基于 SIP 的 IP 網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖 所示 [6]， 圖 基于 SIP 的 VoIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) IP 是一個(gè)應(yīng)用層的協(xié)議，底層協(xié)議可以采用 UDP，也可以采用 TCP，目前 SIP協(xié)議 多采用 UDP 實(shí)現(xiàn)。一個(gè) SIP 會(huì)話采用 RTP 協(xié)議傳輸媒體流，應(yīng)用 RTCP 監(jiān)測(cè)傳送的 QoS。任選協(xié)議 RSVP 用于資源預(yù)留用以保證傳送的 QoS。 SIP 實(shí)體及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) SIP 網(wǎng)絡(luò)實(shí)體主要由兩大部分組成：用戶代理 (UA)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 (NS)[1][2]。 用戶代理 (User Agent， UA) 用戶代理又稱為 SIP 終端，用戶代理一般可分為用戶代理客戶端 (UAC)和用戶代理 服務(wù)器 (UAS)，其中 UAC 負(fù)責(zé)發(fā)起 SIP 呼叫請(qǐng)求， UAS 負(fù)責(zé)對(duì)呼叫請(qǐng)求做出響應(yīng)。江蘇大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 由于一個(gè) SIP 終端即可以發(fā)出呼叫 (請(qǐng)求 )，也能接收呼叫 (響應(yīng) )，所以它通常把這兩個(gè)功能合 二為一，組成一個(gè) UA[6]。 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 (Network Server， NS) 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要分為代理服務(wù)器 (Proxy Server 或 Proxy)、重定向服務(wù)器 (Redirect Server)和注冊(cè)服務(wù)器 (Register Server)3 種 [7]。 Proxy 提供路由功能，負(fù)責(zé)將 SIP 用戶請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的下一跳，可能是另一個(gè)Proxy，也可能是最終用戶。在 SIP 網(wǎng)絡(luò)的邊緣通常使用有狀態(tài)的 Proxy，而無(wú)狀態(tài)Proxy 位于網(wǎng)絡(luò)的核心，提高系統(tǒng)的處理能力。 重定向服務(wù)器的功能是通過(guò)響應(yīng)告訴客戶端下一跳服務(wù)器的地址，然后由客戶端根據(jù)此地址向下一跳服務(wù)器重新發(fā)送請(qǐng)求。 注冊(cè)服務(wù)器接受終端的注冊(cè)請(qǐng)求，記錄終端的 SIP 地址 (SIP URL)和 IP 地址，注冊(cè)服務(wù)器通常與代理服務(wù)器或重定向服務(wù)器位于同一物理實(shí)體中。 此外， 有時(shí) 還需要定位服務(wù)器 (Location Server)提供定位服務(wù)，幫助 SIP 重定向或代理服務(wù)器獲得被叫方的可能位置信息。 SIP 實(shí)體一般都采用客戶端 /服務(wù)器 (C/S)模式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 ： 圖 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) SIP 消息格式 SIP 的文本編碼符合 UTF8 Char Set（ RFC2279[8]）標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容包括客戶到服務(wù)器的請(qǐng)求和服務(wù)器到客戶的響應(yīng)。請(qǐng)求和響應(yīng)的基本格式與 RFC2822[9]類(lèi)似，不同之處在于， SIP 中允許的標(biāo)題字段在 RFC2822 中并不一定有效。但是兩類(lèi)消息均包含如下三個(gè)部分：一個(gè)開(kāi)始行；一個(gè)或者多個(gè)標(biāo)題字段，在標(biāo)題字段后面是一個(gè)空行；最后是可以選擇的消息體。開(kāi)始行和標(biāo)題字段是以一個(gè)回車(chē)換 行的空行來(lái)結(jié)束。即使沒(méi)有消息體，空行也要存在。除了以上不同，許多 SIP 消息和標(biāo)題字段語(yǔ)法同HTTP/。但是， SIP 不是 HTTP 的擴(kuò)展。 第二章 VOIP 的技術(shù)原理 7 開(kāi)始行 根據(jù)開(kāi)始行的不同，消息分為請(qǐng)求消息和響應(yīng)消息。 1. 請(qǐng)求 SIP 請(qǐng)求的開(kāi)始行的格式包括三部分：方法名、請(qǐng)求 URI、協(xié)議版本，三者通過(guò)一個(gè)空格分開(kāi)，結(jié)束是回車(chē)（用 CR 表示）換行（用 LF 表示）。除了一句話結(jié)束的CRLF，不允許有 CR 或者 LF。 RFC3261[10]版本的 SIP 協(xié)議定義了六種方法： (a) INVITE：該方法邀請(qǐng)其他用戶加入會(huì)話，相應(yīng)的消息體是對(duì)會(huì)話的描述，通常是采取與 SIP 配套的 SDP 協(xié)議。描述的內(nèi)容包括主叫可以接收的媒體類(lèi)型，可以發(fā)送的媒體類(lèi)型以及相關(guān)參數(shù)。 INVITE 也可以修改一個(gè)已經(jīng)存在的會(huì)話參數(shù)。 (b) BYE：當(dāng) UA 客戶機(jī)準(zhǔn)備結(jié)束一個(gè)呼叫時(shí)可以向服務(wù)器發(fā)送 BYE 請(qǐng)求。主叫被叫雙方都可以發(fā)送請(qǐng)求，相當(dāng)于電話系統(tǒng)中的掛機(jī)操作。 (c) ACK： ACK 是 UAC 在接收到 INVITE 的最終響應(yīng)之后發(fā)出的確認(rèn)，并且 ACK 只與 INVITE 捆綁使用。 ACK 請(qǐng)求消息也可以包含消息體。 (d) CANCEL： CANCEL 請(qǐng)求可以取消一個(gè)尚未完成的請(qǐng)求，此時(shí)邀請(qǐng) CANCEL 請(qǐng)求消息與將被取消的 消息具有相同的 CallID， To ， From， Cseq 標(biāo)題字段。 UAC 和大量服務(wù)器都可以發(fā)出 CANCEL 請(qǐng)求。雖然 CANCEL