【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)工作的總結(jié)和對(duì)今后進(jìn)一步研究方向的展望。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 第二章 VoIP技術(shù) 第一節(jié) VoIP技術(shù)簡(jiǎn)介 一、 VoIP技術(shù)的定義 VoIP技術(shù)是 Voice over IP的簡(jiǎn)稱，也就是 IP語(yǔ)音技術(shù)。其根本思想是傳送 IP包來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)。首先在發(fā)送端對(duì)模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣、量化、壓縮編碼，然后將語(yǔ)音數(shù)據(jù)封裝成 IP包，通過(guò) IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收端，再進(jìn)行解包和解壓縮，還原模擬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信。 VoIP技術(shù)的出現(xiàn)，使語(yǔ)音業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)連續(xù)而高效的傳輸成為可能。它提供了一種強(qiáng)大而又經(jīng)濟(jì)的通信手段，能更合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源，降低了語(yǔ)音業(yè)務(wù)成本，因此在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。 二、 IP電話與傳統(tǒng)電話的區(qū)別與優(yōu)勢(shì) IP電話與傳統(tǒng)電話的主要區(qū)別是傳輸媒介和交換方式。 IP電話利用 inter進(jìn)行傳輸，而傳統(tǒng)電話則使用公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（ PSTN）； IP電話的交換方式是分組交換，而傳 統(tǒng)電話則使用電路交換。分組交換技術(shù)使得 IP電話在有信息時(shí)才傳送數(shù)據(jù)，無(wú)信息時(shí)不傳輸數(shù)據(jù)，并且在使用壓縮技術(shù)后，能使用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電話所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸，傳統(tǒng)電話技術(shù)通常需要 64kbit/s以上的帶寬，而分組語(yǔ)音需要的帶寬往往不到 10kbit/s。 IP電話都是智能終端， IP網(wǎng)絡(luò)也是開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，因此很容易快速推出新 業(yè)務(wù)；而 PSTN結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備固定，因而補(bǔ)充新業(yè)務(wù)復(fù)雜。 三、 VoIP的三種主流協(xié)議 鑒于 VoIP的諸多優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的個(gè)人、公司和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始發(fā)展和完善VoIP技術(shù)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。其中，最有影響力的兩個(gè)組織為國(guó)際電聯(lián)電信分會(huì)（ ITUT)和 Inter工程任務(wù)組（ IETF），這兩個(gè)組織制定了不同的 VOIP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。目前在 VoIP中使用較多的是音視頻協(xié)議 、信令控制協(xié)議 SIP、及媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議 MGCP這三種主流協(xié)議，下表列出了這三種協(xié)議的簡(jiǎn)單比較 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 表 21 VoIP主流協(xié)議比較 SIP MGCP 擬定組織 ITUT IETF IETF 架構(gòu) P2P P2P 主從式 設(shè)計(jì)對(duì)象 ISDN及 ATM Inter Gateway 復(fù)雜度 高 低 中 擴(kuò)展性 低 高 中 編碼方式 二進(jìn)制編碼 基于文本編碼 基于文本編碼 在本文中，基于 Android的 VoIP語(yǔ)音通信客戶端的實(shí)現(xiàn)是基于 SIP協(xié)議的。 第二節(jié) VoIP的關(guān)鍵技術(shù) 一、語(yǔ)音編碼壓縮技術(shù) IP電話中的語(yǔ)音處理主要解決在 IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，在保證語(yǔ)音質(zhì)量的前提下，盡可能地降低編碼比特率，這就是語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)。本文 VoIP客戶端軟件的安全性設(shè)計(jì)并未涉及到語(yǔ)音編碼壓縮技術(shù)，直接利用了開(kāi)源協(xié)議棧的代碼實(shí)現(xiàn)。 二、信令技術(shù) 在 IP電話中，僅僅利用語(yǔ)音編碼來(lái)保證語(yǔ)音質(zhì)量是不夠的，這也并非 VoIP技術(shù)的難點(diǎn)。關(guān)鍵是分組語(yǔ) 音應(yīng)用要求某地的呼叫者連接至同樣使用其撥號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音代理，并將呼叫轉(zhuǎn)發(fā)到可以訪問(wèn)其它語(yǔ)音代理的用戶組，這就需要信令技術(shù) —— 一項(xiàng)鑒別呼叫方所要呼叫的對(duì)象和定位呼叫方在網(wǎng)絡(luò)中的位置的技術(shù)。 信令技術(shù)被用以創(chuàng)建、修改和結(jié)束一個(gè)或多個(gè)參與者參加的會(huì)話進(jìn)程，其目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的呼叫過(guò)程。在分組語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)中的信令有兩種。一 種是外部信令，存在于普通語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)中的語(yǔ)音代理和該代理服務(wù)的語(yǔ)音設(shè)備，遵循電話標(biāo)準(zhǔn)。另一種信令在語(yǔ)音代理之間傳輸，稱為內(nèi)部信令。這種內(nèi)部信令通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)或語(yǔ)音代理本身的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。 內(nèi)部信令提供了連接控制和呼叫處理（或狀態(tài)信息）兩種功能。連接控制信令用于建立語(yǔ)音代理之間傳輸語(yǔ)音分組的聯(lián)系或通道。呼叫處理（或狀態(tài)信息）信令在語(yǔ)音代理之間發(fā)送呼叫狀態(tài)，如振鈴、忙音等。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 在分組語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)的傳輸模式中，內(nèi)部信令最初是用于避免在網(wǎng)絡(luò)中維持用來(lái)支持所有可能呼叫的永久連接，這樣，該傳輸模式中的內(nèi)部信令就隸屬于分配帶寬固定的 連接網(wǎng)絡(luò)。對(duì)無(wú)連接網(wǎng)絡(luò)中的分組語(yǔ)音應(yīng)用而言，永久連接并不存在，進(jìn)行語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)雙方的語(yǔ)音代理只需要彼此定位。 在分組語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換模式中，信令的作用是通過(guò)撥號(hào)規(guī)則判斷目標(biāo)代理是否存在，如果存在就將分組流發(fā)送至該代理。但網(wǎng)絡(luò)中往往存在多種語(yǔ)音代理，連接種類的多樣性使得語(yǔ)音代理無(wú)法為每個(gè)語(yǔ)音業(yè)務(wù)建立通道。 單獨(dú)的傳輸網(wǎng)絡(luò)方案，如 ATM、幀中繼和 IP都擁有獨(dú)立的信用標(biāo)準(zhǔn)。 ATM的標(biāo)準(zhǔn)為 ，幀中繼分組語(yǔ)音信令為 。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用戶在不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)使用相對(duì)應(yīng)的特殊分組語(yǔ)音代理。 在 IP分組語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)中采 用的內(nèi)部信令（包括連接和呼叫處理）標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種，即 ITUT提出的 IETF制訂的 SIP協(xié)議。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 第三章 SIP協(xié)議分析 第一節(jié) SIP協(xié)議概述 一、 SIP協(xié)議簡(jiǎn)介 信令控制協(xié)議 SIP(Session Initiation Protocol)是由 IETF提出的會(huì)話控制協(xié)議，負(fù)責(zé)建立和管理兩個(gè)或多個(gè)用戶間的會(huì)話連接，是 IETF多媒體數(shù)據(jù)和控制體系中的核心協(xié)議。 SIP借鑒了超文本傳輸協(xié)議（ HTTP），簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議（ SMTP）這兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)最成功的應(yīng)用層協(xié)議，具有簡(jiǎn)單、開(kāi)放、靈活的特點(diǎn)。 SIP協(xié)議可用來(lái)創(chuàng)建、修改以及終結(jié)多個(gè)參與者參加的多媒體會(huì)話進(jìn)程，會(huì)話成員可以使用組播、單播或者兩者結(jié)合的形式進(jìn)行通信，同時(shí)也支持重定向服務(wù)，便于實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，智能網(wǎng)和個(gè)人移動(dòng)業(yè)務(wù)。 二、 SIP起源與發(fā)展 SIP最早是由 Henning Schulzrinne 和 Mark handley于 1996年所設(shè)計(jì)，當(dāng)初設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)類似 PSTN中提供呼叫處理功能的擴(kuò)展集，來(lái)完成類似普通電話的各種操作：撥號(hào)、振鈴、回鈴音等。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，如今 SIP已被用來(lái)提供跨越 inter的高級(jí)電話業(yè)務(wù)。 IP電 話正在演變?yōu)橐环N正式的商業(yè)電話模式， SIP協(xié)議就是支持這種演進(jìn)的協(xié)議簇中重要的一員。 SIP的發(fā)展大致可分為四個(gè)階段： 1996年， SIP的概念首先被提出，但只能處理會(huì)話的建立，用戶一旦加入會(huì)話，信令就會(huì)終止，因此也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)會(huì)話的中間控制。 1999年 3月， IETF的多方多媒體會(huì)晤控制工作組（ mmusic）提出了 RFC2543建議。 20xx年 7月，已經(jīng)從 mmusic中分離出來(lái)的 SIP工作組發(fā)表了 SIP的草案。 20xx年 6月， IETF的 SIP工作組又發(fā)表了 RFC3261建議，取代了 RFC2543. 從 SIP的發(fā)展來(lái)看，協(xié)議首次被提出的時(shí)候，受限于當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及多媒體技術(shù)的不足，協(xié)議僅僅針對(duì)文本應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，并通過(guò)和 IETF中其他工作組如 IP電話工作組（ iptel）、 IP網(wǎng)中電話選路工作組（ trip）等的配合，在SIP協(xié)議中大大加強(qiáng)了對(duì)多媒體通信的支持。而 3GPP使用了 SIP標(biāo)準(zhǔn)來(lái)支持語(yǔ)音中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 13 和數(shù)據(jù)， SIP協(xié)議得到了進(jìn)一步的發(fā)展。 SIP可以對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行很好的優(yōu)化，并且由于它的可編譯性，使移動(dòng)業(yè)務(wù)能更好地面對(duì)靈活性和多樣性的挑戰(zhàn)。 三、 SIP協(xié)議功能 SIP在建立和維持終止多媒體會(huì)話協(xié)議上，支持 5個(gè)方面： 用戶定位：檢測(cè)終端用戶的位置，用于通訊。 用戶有效性：鑒定用戶參與會(huì)話的意愿。 用戶能力：檢查媒體的參數(shù)。 建立會(huì)話：建立會(huì)話，參數(shù)在呼叫方和被叫方。 會(huì)話管理：包括發(fā)起和終止會(huì)話，修改會(huì)話參數(shù)，激活服務(wù)等等。 SIP本身并不提供服務(wù)，卻可以和其他 IETF協(xié)議一起工作，來(lái)提供完整的對(duì)終端用戶的服務(wù)和構(gòu)造完整的多媒體架構(gòu)。但是基本的 SIP協(xié)議的功能組件并不依賴于這些協(xié)議。 安全對(duì)于提供的服務(wù)來(lái)說(shuō)特別重要。要達(dá)到理想的安全程度， SIP提供了一套安全服務(wù)，包括防止拒絕服務(wù)，認(rèn)證服務(wù)（用戶到用戶，代理到用戶），完 整性保證，加密和隱私服務(wù)。 SIP可以基于 IPV4也可以基于 IPV6。 第二節(jié) SIP基本原理分析 一、 SIP協(xié)議要素 SIP定義的要素是邏輯上的要素，不是物理要素。一個(gè)物理的實(shí)現(xiàn)可以包含不同的邏輯要素。 按照邏輯功能分， SIP系統(tǒng)由五種要素組成：用戶代理客戶機(jī)（ UAC）、用戶代理服務(wù)器 (UAS)、代理、重定向服務(wù)器及注冊(cè)服務(wù)器。 1. 用戶代理客戶機(jī)（ User Agent Client）：用來(lái)發(fā)起 SIP請(qǐng)求的客戶程序。 （ User Agent Server）：收到 SIP請(qǐng)求后負(fù)責(zé)與用戶聯(lián)系并代表用戶回送響應(yīng)的服務(wù)程序。該響應(yīng)可以表示接受、拒絕或重定向請(qǐng)求消息。 一般與 UAC一起組成用戶代理存在于用戶終端中。 （ Proxy）：既充當(dāng)服務(wù)器又充當(dāng)客戶機(jī)的媒介程序，是 SIP系統(tǒng)中最重要的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體，主要提供路由功能。用戶的 SIP請(qǐng)求和響應(yīng)可以直接被代中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 理服務(wù)器處理或遵循相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)策略轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的服務(wù)器，并根據(jù)收到的應(yīng)答對(duì)用戶做出響應(yīng)。代理服務(wù)器在轉(zhuǎn)發(fā)之前要對(duì)消息進(jìn)行解析 ，必要時(shí)還會(huì)改寫請(qǐng)求。代理服務(wù)器分為有狀態(tài)（ Stateful）和無(wú)狀態(tài)（ Stateless）兩種類型，它們之間的區(qū)別是有狀態(tài) 代理服務(wù)器會(huì)記住它接收的入請(qǐng)求，回送的響應(yīng)以及它轉(zhuǎn)送的出請(qǐng)求，無(wú)狀態(tài)代理服務(wù)器一旦轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求后就忘記所有的信息。無(wú)狀態(tài)代理服務(wù)器位于網(wǎng)絡(luò)核心，處理大量請(qǐng)求，負(fù)責(zé)重定向等工作，不必追蹤記錄一個(gè)會(huì)話的全過(guò)程。而位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的有狀態(tài)代理服務(wù)器，處理局部有限數(shù)量的用戶呼叫，負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)會(huì)話進(jìn)行管理和計(jì)費(fèi)，需要追蹤一個(gè)會(huì)話的全過(guò)程。無(wú)狀態(tài)代理服務(wù)器是SIP結(jié)構(gòu)的骨干，處理速度最快。有狀態(tài)代理服務(wù)器是離用戶代理最近的本地設(shè)備，它控制用戶域并且是應(yīng)用服務(wù)的主要平臺(tái)。 （ Redirect Server）：是實(shí)現(xiàn) 呼叫重定向的邏輯實(shí)體。它接收用戶代理的 SIP呼叫請(qǐng)求，通過(guò)服務(wù)器中配置的策略和對(duì)定位服務(wù)器的查詢將其地址映射成新地址返回給用戶，以指示用戶代理將呼叫重定向到其它目的地，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)呼叫的靈活控制。與代理服務(wù)器不同，它不發(fā)出自己的 SIP請(qǐng)求；與用戶助理服務(wù)器不同，它不接受呼叫。 （ Registrar）：是完成用戶代理注冊(cè) /注銷功能的邏輯實(shí)體。它接收其管轄范圍內(nèi)的用戶代理的注冊(cè)請(qǐng)求，將用戶代理的地址信息添加到定位服務(wù)器中，完成用戶地址的注冊(cè)。 常與代理或重定向服務(wù)器在同一位置，可以提供定位服務(wù)。 可以看出，用戶終端程序往往需要包括 UAC和 UAS，而代理服務(wù)器、重定向服務(wù)器和注冊(cè)服務(wù)器可以看成是公眾性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。值得注意的是，在 SIP中還經(jīng)常提到定位服務(wù)的概念。但 SIP協(xié)議不規(guī)定 SIP服務(wù)器如何請(qǐng)求定位服務(wù)，定位服務(wù)器也不屬于 SIP服務(wù)。 定位服務(wù)（ Location Service）： SIP重定位服務(wù)器或代理服務(wù)器用來(lái)獲得被叫位置的一種服務(wù)，可由定位服務(wù)器提供。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 15 二、 SIP協(xié)議結(jié)構(gòu) 從網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)看， SIP 處于網(wǎng)絡(luò)傳輸層之上。 SIP 本身又由若干層組成，它們從下到上分別是：傳輸層、事務(wù)層以及事務(wù)用戶層。如圖 31所示 SIP 事務(wù)用戶層 事務(wù)層 傳輸層 UDP/TCP IP 鏈路層 物理層 圖 31 SIP分層結(jié)構(gòu) 第一層是傳輸層。它定義了一個(gè)客戶端如何發(fā)送請(qǐng)求和接收應(yīng)答，以及一個(gè)服務(wù)器如何接收請(qǐng)求和發(fā)送應(yīng)答。所有的 SIP要素都包含傳輸層。 第二層是事務(wù)層。事務(wù)是 SIP的基本組成部分。一個(gè)事務(wù)指的是從客戶機(jī)發(fā)送請(qǐng)求到一個(gè)服務(wù)器開(kāi)始，直到服務(wù)器的所有對(duì)該請(qǐng)求的應(yīng)答發(fā)送回客戶端為止的整個(gè)過(guò)程。事務(wù)層處理應(yīng)用層的重發(fā)，匹配請(qǐng)求的應(yīng)答，以及應(yīng)用服務(wù)層的超時(shí)。任何一個(gè)用戶代理完成的事情都是由一組事務(wù)構(gòu)成的。事務(wù)層包含客戶機(jī)元素和服務(wù)器元素。用戶代理和有狀態(tài)代理服務(wù)器均包含一個(gè)事務(wù)層，無(wú)狀態(tài)代理服務(wù)器則不包含事務(wù)層。 第三層是事務(wù)用戶。每個(gè) SIP實(shí)體都是一個(gè)事務(wù)用戶。當(dāng)事務(wù)用戶發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，它首先創(chuàng)建一個(gè)客戶事務(wù)實(shí)例和請(qǐng)求一起發(fā)送，包括目標(biāo) IP地址、端口號(hào)以及發(fā)送請(qǐng)求的設(shè)備。事務(wù)用戶 既能創(chuàng)建事務(wù)，也能取消事務(wù)。當(dāng)客戶機(jī)取消一個(gè)事務(wù)，就請(qǐng)求服務(wù)器終止正在處理的事務(wù)，回滾到該事務(wù)開(kāi)始前狀態(tài)，并產(chǎn)生該事務(wù)的錯(cuò)誤報(bào)告。這是由 CANCEL請(qǐng)求（將在后文提到）完成的，這個(gè)請(qǐng)求有自己的事務(wù)，并且包含一個(gè)被取消的事務(wù)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 將 SIP作為一個(gè)分層協(xié)議來(lái)描述，只是為了能夠更清晰的表達(dá)，各層次之間只有松散的關(guān)系，并沒(méi)有規(guī)定一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)。因此一個(gè)要素”包含”某一個(gè)層，指的是這個(gè)要素要符合這個(gè)層定義的規(guī)則，而非每個(gè)要素都一定包含每一個(gè)層。 三、 SIP的用戶定位功能 SIP通過(guò) Email地址形式來(lái)標(biāo)明用戶地址。一 個(gè)終端用戶通過(guò)一個(gè)唯一的URL來(lái)標(biāo)識(shí)自己的身份。 SIP URL用于 SIP消息中，包括請(qǐng)求的發(fā)起者（ From）、當(dāng)前目的地（ RequestURI）和最終接收者（ To）以及指定重定向地址（ Contact）。SIP URL也可以嵌入 WEB頁(yè)面或其它超鏈接表示某個(gè)用戶或服務(wù)可以使用 SIP服務(wù)器訪問(wèn)。此外， SIP在設(shè)計(jì)上也充分考慮了對(duì)其它協(xié)議的可兼容性。它支持多種尋址地址描述，例如用戶名 @主機(jī)地