杜 經(jīng) 緯

(運(yùn)城學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，山西 運(yùn)城 044000)

基于SIP的P2P VoIP技術(shù)研究

杜 經(jīng) 緯

(運(yùn)城學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，山西 運(yùn)城 044000)

隨著三網(wǎng)融合的推進(jìn)，將會(huì)給VoIP帶來(lái)廣闊的發(fā)展空間。針對(duì)目前常用的VoIP系統(tǒng)存在的網(wǎng)絡(luò)開銷高、呼叫接通率低、信令過(guò)于復(fù)雜等問(wèn)題，在對(duì)SIP協(xié)議在P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)VoIP的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，提出了基于SIP的P2P VoIP。通過(guò)給出基于SIP的P2P VoIP的基本體系結(jié)構(gòu)，分析了該系統(tǒng)中對(duì)等點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、用戶注冊(cè)及離線、呼叫建立等功能的實(shí)現(xiàn)方法，最后提出了基于SIP的P2P VoIP系統(tǒng)還應(yīng)該考慮的一些問(wèn)題。

對(duì)等網(wǎng)絡(luò)；VoIP；信令；SIP；網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

1. 引言

VoIP，即Voice over IP，也稱為IP電話。VoIP的基本工作原理是：通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將電話系統(tǒng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)語(yǔ)音壓縮算法對(duì)普通模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼后，再把這些數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系中的相關(guān)協(xié)議進(jìn)行封裝，最后通過(guò)因特網(wǎng)把語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)包發(fā)送到接收端，接收方將收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后恢復(fù)出原來(lái)的模擬語(yǔ)音信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)因特網(wǎng)傳輸模擬語(yǔ)音信號(hào)的目的。每個(gè)傳統(tǒng)的電話數(shù)據(jù)傳輸率為64kb/s，但在IP電話中語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和壓縮，每部電話在IP網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸率僅需要8-11kb/s，實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)便捷的通信方式。所以，IP電話的出現(xiàn)使長(zhǎng)途電話的費(fèi)用大幅下降。

VoIP系統(tǒng)主要是由通信終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備及網(wǎng)守設(shè)備等幾部分構(gòu)成。[1]通信終端設(shè)備負(fù)責(zé)語(yǔ)音信號(hào)的轉(zhuǎn)換及壓縮，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)信道編碼的轉(zhuǎn)換及信令控制的轉(zhuǎn)換、接續(xù)等，呼叫用戶所需的地址解析及資源管理等工作由網(wǎng)守負(fù)責(zé)完成。VoIP目前的主要用途為實(shí)現(xiàn)在PC間的通信、PSTN電話間的通信、PSTN電話與PC機(jī)間的通信等三種場(chǎng)合。

傳統(tǒng)VoIP是基于C/S模式，用集中式的專用服務(wù)器處理用戶的請(qǐng)求。P2P VoIP是建立在P2P網(wǎng)絡(luò)上的IP電話，具有P2P結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，充分利用了對(duì)等實(shí)體的資源及處理能力，減少了對(duì)集中式資源的需求，網(wǎng)絡(luò)開銷比較低，成為IP電話的發(fā)展趨勢(shì)。

2. P2P VoIP中的關(guān)鍵技術(shù)

與PSTN網(wǎng)絡(luò)不同，VoIP是通過(guò)分組交換網(wǎng)IP網(wǎng)傳輸語(yǔ)音信號(hào)的，但I(xiàn)P網(wǎng)設(shè)計(jì)之初是用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的，采用的是無(wú)連接的、盡最大努力交付的不可靠的通信方式。因特網(wǎng)中普通的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)到達(dá)的實(shí)時(shí)性要求并不是很高，但通話所需的語(yǔ)音信號(hào)對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求非常高，并且對(duì)傳輸?shù)臅r(shí)序及相關(guān)時(shí)延也有嚴(yán)格的要求。因此，VoIP必須通過(guò)其他機(jī)制來(lái)滿足語(yǔ)音通話的業(yè)務(wù)質(zhì)量要求。在因特網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)主要包括信令技術(shù)、通話產(chǎn)生的語(yǔ)音信號(hào)的處理技術(shù)、語(yǔ)音模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化后的數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸技術(shù)等。[2]

2.1 信令技術(shù)

信令技術(shù)是用來(lái)確保用戶呼叫成功和提供語(yǔ)音質(zhì)量保障的，主要包括ITU-T的H.323和IETF的SIP兩種。

(1)H.323協(xié)議

H323協(xié)議棧的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。呼叫控制采用H.225和Q.931結(jié)合在一起構(gòu)成的呼叫信令協(xié)議實(shí)現(xiàn)。通信過(guò)程中的信道信令控制、模式選擇等過(guò)程規(guī)范由H.245協(xié)議負(fù)責(zé)。在語(yǔ)音通信時(shí)，首先通過(guò)Q.931來(lái)建立通話，控制信息通過(guò)H.245在用戶間傳遞，最后語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)RTP進(jìn)行傳輸，使用RTCP來(lái)控制媒體流的傳輸。其中，Q.931和H.245都是基于TCP協(xié)議的可靠傳輸。

圖1 H323協(xié)議棧整體結(jié)構(gòu)

(2)SIP協(xié)議

由IETF提出的SIP協(xié)議是一種基于文本的協(xié)議，類似于HTTP協(xié)議，支持單點(diǎn)和多點(diǎn)傳輸，具有了多播的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)多的通信。SIP的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SIP體系結(jié)構(gòu)

SIP協(xié)議相比H.323協(xié)議在VoIP通信中更具優(yōu)勢(shì)。H.323采用電話網(wǎng)中的信令，非常龐大，實(shí)現(xiàn)和管理都非常復(fù)雜。而SIP協(xié)議則是以現(xiàn)有的因特網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電話專用的應(yīng)用層協(xié)議，支持單播和多播通信，和IP網(wǎng)一樣，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性推向了網(wǎng)絡(luò)邊緣，使核心網(wǎng)成為一個(gè)盡最大努力交付的傳輸通道，大大提高了網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力。

2.2 語(yǔ)音處理技術(shù)

常用的語(yǔ)音處理技術(shù)有ITU-T定義的G.729協(xié)議、G.729a協(xié)議及G.723.1協(xié)議等。G.729可以在幾乎不失真的情況下將語(yǔ)音信號(hào)壓縮到8kbit/s；G.723.1是采用5.3kbit/s和6.3kbit/s兩種速率的語(yǔ)音編碼，數(shù)據(jù)壓縮率非常高而且語(yǔ)音質(zhì)量也非常好，但缺點(diǎn)是處理時(shí)延較大。

2.3 實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP(Real-time Transport Protocol)是由IETF制定的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，提供端到端的實(shí)時(shí)多媒體傳輸服務(wù)[3]，通常使用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，但也可以通過(guò)TCP或者ATM等協(xié)議進(jìn)行通信。RTP有實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議和實(shí)時(shí)控制協(xié)議兩部分組成。

2.4 QoS保障技術(shù)

由IP網(wǎng)的工作原理決定了IP電話在其上面?zhèn)鬏敃r(shí)容易導(dǎo)致通話產(chǎn)生較大的時(shí)延和抖動(dòng)從而影響通話質(zhì)量，利用QoS可以通過(guò)資源預(yù)留協(xié)議來(lái)避免IP網(wǎng)絡(luò)的擁塞和保障語(yǔ)音通話的質(zhì)量。

除了VoIP本身涉及的關(guān)鍵技術(shù)外，還應(yīng)考慮P2P網(wǎng)絡(luò)中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括用戶注冊(cè)、用戶定位、全球索引技術(shù)、對(duì)等發(fā)現(xiàn)和呼叫建立、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換和穿越防火墻等技術(shù)。[4]

3. 基于SIP的P2P VoIP體系結(jié)構(gòu)

當(dāng)前基于SIP的VoIP采用的都是C/S結(jié)構(gòu)，SIP服務(wù)器在其中起著關(guān)鍵作用，其擴(kuò)展性和容錯(cuò)性同C/S結(jié)構(gòu)一樣比較脆弱，并且存在著很多缺點(diǎn)。如果采用完全P2P結(jié)構(gòu)而不用再維護(hù)SIP服務(wù)器作為靜態(tài)超級(jí)節(jié)點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)低成本高可靠的VoIP系統(tǒng)。[5]

基于SIP的P2P VoIP是指每個(gè)SIP終端都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，既作為服務(wù)器也作為客戶端，利用P2P實(shí)現(xiàn)用戶的注冊(cè)、加入、注銷、查找定位和信令的路由等功能。

基于SIP的P2P VoIP終端節(jié)點(diǎn)包括用戶注冊(cè)模塊、用戶定位模塊、DHT網(wǎng)絡(luò)模塊、SIP協(xié)議模塊、媒流體控制模塊、防火墻和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換探測(cè)模塊等，如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)

下面將具體分析基于SIP的P2P VoIP系統(tǒng)的工作過(guò)程。

3.1 結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)及對(duì)等點(diǎn)發(fā)現(xiàn)

當(dāng)SIP的終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)之后，用戶首先輸入標(biāo)識(shí)碼，如abc@ycu.edu.cn，節(jié)點(diǎn)將會(huì)通過(guò)本地域名服務(wù)器找到SIP服務(wù)器的IP地址，并發(fā)送SIP注冊(cè)消息給SIP服務(wù)器，如圖4所示。

圖4 結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)及對(duì)等點(diǎn)發(fā)現(xiàn)

終端節(jié)點(diǎn)也可以通過(guò)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能的超級(jí)節(jié)點(diǎn)從而加入到P2P VoIP網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)Chord中的節(jié)點(diǎn)，就可以通過(guò)Chord節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵字加入到Chord DHT網(wǎng)絡(luò)中，從而便加入到了P2P VoIP網(wǎng)絡(luò)。[6]

3.2 用戶注冊(cè)

終端節(jié)點(diǎn)在探測(cè)到超級(jí)節(jié)點(diǎn)的地址后，會(huì)選擇其中的兩個(gè)(選擇兩個(gè)是為了做冗余備份)發(fā)送SIP REGISTER消息，進(jìn)行注冊(cè)。普通節(jié)點(diǎn)還會(huì)周期性地發(fā)送REGISTER消息探測(cè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)是否有效，而超級(jí)節(jié)點(diǎn)是通過(guò)OPTIONS消息來(lái)確保附屬節(jié)點(diǎn)存活并不斷的監(jiān)控其狀態(tài)。

3.3 結(jié)點(diǎn)離線或失效

當(dāng)一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)需要退出某個(gè)P2P VoIP系統(tǒng)時(shí)，需要發(fā)送注銷消息給它所依附的超級(jí)節(jié)點(diǎn)，而超級(jí)節(jié)點(diǎn)會(huì)將這個(gè)消息發(fā)送給保存了這個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵字信息的那些節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)需要退出某個(gè)P2P VoIP系統(tǒng)時(shí)，它的所有附屬節(jié)點(diǎn)和DHT中的鄰居都將要更新這個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，其附屬節(jié)點(diǎn)會(huì)在下次注冊(cè)更新時(shí)自動(dòng)調(diào)整并發(fā)現(xiàn)新的超級(jí)節(jié)點(diǎn)，而DHT中的鄰居節(jié)點(diǎn)會(huì)調(diào)整DHT網(wǎng)絡(luò)信息從而接收管理失效節(jié)點(diǎn)保存的節(jié)點(diǎn)信息，如圖5所示。

圖5 結(jié)點(diǎn)離線或失效

3.4 用戶定位與呼叫建立

節(jié)點(diǎn)在呼叫其他用戶時(shí)，基于SIP的查找和P2P網(wǎng)絡(luò)的查找會(huì)同時(shí)進(jìn)行。采用P2P網(wǎng)絡(luò)查找時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)會(huì)向它所依附的超級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)Invite或Message消息，而超級(jí)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)SIP代理服務(wù)器，通過(guò)掌握的DHT關(guān)鍵字信息來(lái)定位目的節(jié)點(diǎn)的位置。當(dāng)通信線路確定以后，超級(jí)節(jié)點(diǎn)通過(guò)重新定向數(shù)據(jù)包使兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立連接，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的通信。但是當(dāng)需要穿越防火墻或有網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換時(shí)，就只能通過(guò)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的代理轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)了。

4. 基于SIP的P2P VoIP問(wèn)題研究

為了保障基于SIP的P2P VoIP系統(tǒng)的連接暢通、功能完善等還有一些其他問(wèn)題需要解決。這些問(wèn)題包括穿越防火墻和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、離線消息分發(fā)以及多點(diǎn)會(huì)話等。[7]

4.1 穿越防火墻和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

基于SIP的P2P VoIP中穿越防火墻和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換包括兩個(gè)步驟：自動(dòng)檢測(cè)防火墻和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換的類型，建立完成輸入和輸出消息的NAT穿越隧道。應(yīng)用程序啟動(dòng)后向超級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接注冊(cè)，同時(shí)完成防火墻和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換類型的檢測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)中繼節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)傳輸實(shí)現(xiàn)NAT穿越隧道的建立。

4.2 離線消息分發(fā)

在VoIP通信中，可能會(huì)出現(xiàn)一方呼叫另一方，但另一方不在線的情況，為了使另一方能夠知道有誰(shuí)呼叫過(guò)自己，就需要增加離線消息的存儲(chǔ)和分發(fā)?？梢酝ㄟ^(guò)在存儲(chǔ)普通節(jié)點(diǎn)信息的DHT節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)用戶的離線消息，當(dāng)用戶向DHT節(jié)點(diǎn)注冊(cè)信息時(shí)，DHT節(jié)點(diǎn)就將離線消息發(fā)送給用戶。

4.3 多點(diǎn)會(huì)話及設(shè)備獨(dú)立性

可以通過(guò)建立分布式多播樹實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)會(huì)話，可以在P2P網(wǎng)絡(luò)中分布存儲(chǔ)加密的用戶信息，用戶登錄后可以直接從P2P覆蓋網(wǎng)中獲得并使用這些用戶信息，既避免了使用中心服務(wù)器同時(shí)有提高了設(shè)備的獨(dú)立性。

5. 結(jié)語(yǔ)

基于SIP的P2P VoIP技術(shù)是VoIP系統(tǒng)的一種全新應(yīng)用。目前VoIP系統(tǒng)普遍采用的是基于H.323的P2P VoIP系統(tǒng)和基于SIP C/S結(jié)構(gòu)的VoIP系統(tǒng)，隨著IP網(wǎng)絡(luò)的普及和VoIP網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，這兩種系統(tǒng)都無(wú)法滿足人們對(duì)VoIP系統(tǒng)既要經(jīng)濟(jì)實(shí)用又要穩(wěn)定可靠的要求?；赟IP的P2P VoIP系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低成本高性能的網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)，將會(huì)在VoIP市場(chǎng)中占據(jù)重要地位，具有極高的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

[1] 張春紅等編著.P2P技術(shù)全面解析[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2] 劉冰.提高VoIP語(yǔ)音通信質(zhì)量方法的研究[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2013(7).

[3] 唐豐收，王志剛，李釩.IP網(wǎng)的實(shí)時(shí)視頻傳輸技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2008(3).

[4] 武靜.P2P VoIP關(guān)鍵技術(shù)分析[J].中國(guó)多媒體通信，2006(04).

[5] Wookyun Kho, Salman Baset, Henning Schulzrinne. Skype relay calls:Measurements and experiments[J]. In Proc.INFOCOM，2008.

[6] 商文濤. SIP協(xié)議及其在下一代互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].數(shù)據(jù)通信，2010(5).

[7] 楊建華，余永佳.SIP協(xié)議在異常狀態(tài)下的工作策略研究[J].信息通信，2013(7).

【責(zé)任編輯 馬太來(lái)】

Research on P2P VoIP Technology Based on SIP

DU Jing-wei

(DepartmentofComputerScienceandTechnology,YunchengUniversity,Yuncheng044000,China)

With the progress in the convergence of the telecommunication, internet and broadcasting networks, VoIP will be presented with broad space for development. However, existing VoIP systems usually suffer from high network overhead, low call completing rate, complex signaling, etc. To solve these problems, this paper, based on a thorough analysis of key technologists involved in VoIP using SIP protocol in the P2P network scenario, proposed the SIP-based P2P VoIP system. By introducing the basic architecture of the SIP-based P2P VoIP system, this paper also analyzes the implementation of functions including peer discovery, user registration and getting offline and call establishment, and points out some questions that should be considered in this system.

Peer-to-Peer network; VoIP; Signaling; SIP; NAT

2015-02-21

山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2009011022-2)

杜經(jīng)緯(1979-)，男，山西芮城人，運(yùn)城學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

TP393

A

1008-8008(2015)03-0017-04