董 松，郭 濤

(隴東學(xué)院信息工程學(xué)院，甘肅慶陽(yáng)745000)

局域網(wǎng)絡(luò)VoIP電話系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 松，郭 濤

(隴東學(xué)院信息工程學(xué)院，甘肅慶陽(yáng)745000)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為具有低協(xié)議復(fù)雜度、擴(kuò)展性強(qiáng)、話費(fèi)低廉等特點(diǎn)的基于SIP協(xié)議的VoIP網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)的發(fā)展提供了巨大機(jī)遇。首先對(duì)SIP協(xié)議原理進(jìn)行了分析，深入研究了VoIP相關(guān)技術(shù)，然后通過對(duì)軟交換中心、中繼設(shè)備及終端設(shè)備配置，搭建了局域網(wǎng)絡(luò)VoIP電話系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了通話測(cè)試，用Wireshark工具對(duì)信令流程進(jìn)行了測(cè)試分析。測(cè)試分析表明，基于SIP協(xié)議的局域網(wǎng)絡(luò)VoIP電話系統(tǒng)語(yǔ)音通話清晰、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有較好的性能，較傳統(tǒng)電話優(yōu)勢(shì)明顯。

VoIP；局域網(wǎng)絡(luò)；SIP

1876年到現(xiàn)在，電話系統(tǒng)已經(jīng)有100多年的歷史。交換技術(shù)經(jīng)過從人工交換到機(jī)電交換，再到現(xiàn)在的程控交換，發(fā)展十分迅速。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸趨向成熟，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，覆蓋范圍不斷加大，普及程度不斷提高[1]。電話技術(shù)、交換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為網(wǎng)絡(luò)電話的發(fā)展提供了無限可能。VoIP(Voice over Internet Protocol)電話系統(tǒng)將語(yǔ)音、圖象、視頻等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并以封包的形式，通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸[2]。VoIP利用Internet和全球互聯(lián)的IP網(wǎng)絡(luò)，較傳統(tǒng)電話系統(tǒng)可提供更多種類的業(yè)務(wù)和更高質(zhì)量的服務(wù)。同時(shí)，VoIP系統(tǒng)不存在漫游、長(zhǎng)途等問題，具有更低的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。VoIP系統(tǒng)融合了電話系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，符合三網(wǎng)融合的發(fā)展趨勢(shì)。在未來的發(fā)展中，VoIP系統(tǒng)將逐漸取代傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)，具有更高的市場(chǎng)占有率。

1 VoIP電話原理

VoIP電話系統(tǒng)是承載于IP網(wǎng)絡(luò)之上，采用數(shù)字分組技術(shù)傳輸語(yǔ)音信號(hào)的IP電話系統(tǒng)。它可以傳輸語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等多媒體信息，如語(yǔ)音通信、電話會(huì)議，其主要優(yōu)勢(shì)是通過互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建IP電話系統(tǒng)，具有覆蓋范圍廣、支持業(yè)務(wù)種類多、資費(fèi)低廉等優(yōu)于傳統(tǒng)電話系統(tǒng)的諸多特點(diǎn)。VoIP電話系統(tǒng)的主要工作原理是將采集到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)等通過語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)字編碼，并將編碼信息及IP信息等按相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，然后經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，接收端收到所有封包后再把封包進(jìn)行組合，完成信號(hào)的恢復(fù)，即完成了語(yǔ)音信息經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳遞[3]。經(jīng)VoIP電話系統(tǒng)傳輸語(yǔ)音信號(hào)，每個(gè)話路的傳輸效率為傳統(tǒng)電話話路傳輸效率的5～8倍。VoIP電話系統(tǒng)一經(jīng)建立，其使用資費(fèi)十分低廉，且不存在漫游資費(fèi)、長(zhǎng)途資費(fèi)等，對(duì)于企業(yè)用戶及個(gè)人十分具有吸引力[4]。

2 VoIP電話協(xié)議

2.1 H.323協(xié)議

目前主流的VoIP電話系統(tǒng)信令控制協(xié)議有H.323協(xié)議及SIP(Session Initiation Protocol)協(xié)議。H.323協(xié)議在VoIP電話系統(tǒng)協(xié)議中占有重要地位，是網(wǎng)絡(luò)通信及多媒體信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議。H.323協(xié)議采用集中控制和集中管理方式，可提供相當(dāng)于傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，其運(yùn)行可獨(dú)立于所在的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，不受操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)制約，可實(shí)現(xiàn)單播、多播和頻帶管理，功能節(jié)點(diǎn)不受網(wǎng)絡(luò)范圍限制[5]。

H.323協(xié)議建立時(shí)間較長(zhǎng)，其建立過程采用TCP/IP協(xié)議的面向連接的三次握手方式，并具有信道獨(dú)占的特點(diǎn)，這使得其帶寬效率有所下降。H.323協(xié)議可提供多媒體通信所有子層協(xié)議，其工作流程主要包括節(jié)點(diǎn)信息注冊(cè)登記、連接建立、信息傳輸控制、連接釋放等。為了支持各種多媒體信息傳輸，H.323協(xié)議定義了非常多的通訊元素，使得協(xié)議的復(fù)雜性大大增加，靈活性略顯不足。

2.2 SIP協(xié)議

SIP會(huì)話控制協(xié)議是由IETF提出的一種輕量化的多媒體信息傳輸協(xié)議。較H.232協(xié)議，SIP協(xié)議更加簡(jiǎn)單、高效，并且擁有H.232協(xié)議相當(dāng)?shù)男阅?，因此被廣泛應(yīng)用于NGN(Next Generation Network)下一代網(wǎng)絡(luò)及多媒體信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中，支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻等信息傳輸，其應(yīng)用廣泛存在于我們的生活之中。SIP協(xié)議能夠不依賴于系統(tǒng)底層而獨(dú)立運(yùn)行，使得其會(huì)話類型相關(guān)性低，可以有效保證通信質(zhì)量，與RTP協(xié)議、RTCP協(xié)議協(xié)作完成會(huì)話控制[6]。

SIP協(xié)議相比H.232協(xié)議簡(jiǎn)單靈活、易于實(shí)現(xiàn)，所以本設(shè)計(jì)采用的是SIP協(xié)議。

SIP網(wǎng)絡(luò)組成包括用戶端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等[7]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 SIP網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)提供位置服務(wù)，SIP代理服務(wù)器提供注冊(cè)及重定向服務(wù)。網(wǎng)關(guān)是各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)接口，為各網(wǎng)絡(luò)下SIP用戶通信提供通道。SIP用戶為網(wǎng)絡(luò)終端結(jié)點(diǎn)，可以是PC、IP電話、軟電話等支持SIP協(xié)議的多媒體終端。

基于SIP協(xié)議的呼叫流程如圖2所示：

圖2 基于SIP協(xié)議的呼叫流程

User Agent A向User Agent B發(fā)起呼叫。當(dāng)用戶A呼叫用戶B號(hào)碼后，User Agent A請(qǐng)求到達(dá)Proxy Server A，Proxy Server A通過位置查找確定用戶B位置，如果不能確定用戶B位置，Proxy Server A會(huì)將用戶A請(qǐng)求傳送給Proxy Server B，由Proxy Server B來確定用戶B位置，如果Proxy Server B不能確定用戶B位置，則將請(qǐng)求傳遞給下一個(gè)Proxy Server。

User Agent A獲得User Agent B位置后，向User Agent B發(fā)送呼叫請(qǐng)求，User Agent B發(fā)送一個(gè)200(OK)的響應(yīng)給User Agent A。User Agent A收到B終端發(fā)來的200(OK)響應(yīng)后，回復(fù)User Agent B一個(gè)ACK響應(yīng)，用于證實(shí)User Agent A已收到對(duì)于INVITE請(qǐng)求的最終響應(yīng)?？蛻魴C(jī)在建立通話之前，確定服務(wù)器媒體服務(wù)是否可用，經(jīng)服務(wù)器確認(rèn)后，User Agent A和User Agent B采用RTP協(xié)議進(jìn)行會(huì)話。

通話結(jié)束后，由先掛機(jī)方發(fā)送BYE消息，被掛機(jī)方收到BYE消息后發(fā)送200(OK)響應(yīng)消息，確認(rèn)收到結(jié)束會(huì)話消息，掛機(jī)并結(jié)束通話。

3 網(wǎng)絡(luò)組建配置

3.1 網(wǎng)絡(luò)組建

本設(shè)計(jì)組建了局域網(wǎng)絡(luò)VoIP電話系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用SIP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備包括軟交換中心服務(wù)器、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、交換設(shè)備、用戶終端等。軟交換中心具有路由管理及用戶管理功能，并負(fù)責(zé)用戶信息注冊(cè)。用戶終端只有正確注冊(cè)到軟交換中心服務(wù)器并通過鑒權(quán)后，才可正常使用。當(dāng)用戶使用IP電話時(shí)，軟交換中心服務(wù)器查找存儲(chǔ)的電話區(qū)號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，將電話區(qū)號(hào)映射為對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)IP，并傳輸至目的網(wǎng)關(guān)，建立通話路由，并開始初始會(huì)話。

3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置

網(wǎng)絡(luò)配置主要包括軟交換中心配置和終端配置。設(shè)計(jì)為局域網(wǎng)絡(luò)，所以軟交換中心及網(wǎng)關(guān)設(shè)備、終端設(shè)備均配置在同一局域網(wǎng)內(nèi)。

軟交換中心作為網(wǎng)絡(luò)的核心服務(wù)器，具有管理用戶、權(quán)限配置、業(yè)務(wù)配置、路由管理等功能，處于網(wǎng)絡(luò)位置的中心結(jié)點(diǎn)。軟交換中心IP地址是各終端設(shè)備信息注冊(cè)地址，所有終端設(shè)備只有在交換中心注冊(cè)后才可以接入網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)中軟交換中心和終端設(shè)備均位于同一網(wǎng)段，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1。軟交換中心網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)為靜態(tài)，IP地址為192.168.1.11，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1，網(wǎng)卡為Ethernet 0，并開放默認(rèn)端口。

完成軟交換中心基本網(wǎng)絡(luò)信息配置后，在PBX面板中添加注冊(cè)用戶信息及電話號(hào)碼，并授予業(yè)務(wù)權(quán)限即可完成用戶注冊(cè)。用戶信息包括用戶名、密碼、用戶SIP電話號(hào)碼等；用戶在使用SIP電話時(shí)，只有向軟交換中心登記正確信息才可以完成注冊(cè)，鑒權(quán)通過。

為實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)VoIP電話系統(tǒng)，各終端設(shè)備需要與軟交換服務(wù)中心位于同一子網(wǎng)。通過瀏覽器進(jìn)行終端設(shè)備配置，登錄網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備后，需要配置終端設(shè)備IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。因?yàn)檐浗粨Q中心未開啟DHCP服務(wù)，所以各網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備IP地址均配置為靜態(tài)。

完成終端IP配置后，可用cmd命令ping192.168.1.11測(cè)試設(shè)備與軟交換中心之間是否建立連接。各終端設(shè)備IP不得與軟交換中心IP地址沖突。

IP配置完成后，終端設(shè)備已經(jīng)接入軟交換中心所在的局域網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備還需要進(jìn)行向軟交換中心注冊(cè)，配置終端設(shè)備所要注冊(cè)的服務(wù)器IP地址和端口號(hào)，如圖3所示：

圖3 終端設(shè)備服務(wù)器信息配置

配置軟交換中心添加設(shè)備的注冊(cè)信息，包括用戶名、顯示名、用戶密碼、鑒權(quán)信息。注冊(cè)賬戶信息配置如圖4所示：

圖4 終端設(shè)備賬戶信息配置

完成軟交換中心配置及各用戶終端配置后，通過查看終端設(shè)備狀態(tài)信息就可以確定終端設(shè)備是否注冊(cè)成功。

4 VoIP電話系統(tǒng)測(cè)試

VoIP電話系統(tǒng)測(cè)試主要包括通話測(cè)試和信令分析。

由用戶A呼叫用戶B，完成一次正常的呼叫流程，包括摘機(jī)、撥號(hào)、建立通話、正常通話、掛機(jī)等。在通話過程中使用軟件WireShark進(jìn)行抓包，進(jìn)行SIP協(xié)議信令分析。

設(shè)計(jì)中，軟交換中心IP地址配置為192.168.1.11，兩個(gè)話機(jī)分別為A和B，話機(jī)A的號(hào)碼和IP地址為666001和192.168.1.101，話機(jī)B的號(hào)碼和IP地址為666002和192.168.1.102，完成軟交換中心、話機(jī)A和話機(jī)B的基本配置后，實(shí)現(xiàn)電話機(jī)A和B在軟交換中心注冊(cè)成功。使用話機(jī)A撥打話機(jī)B，即在話機(jī)A上撥打號(hào)碼666002，在話機(jī)B接收到話機(jī)A的呼叫請(qǐng)求并振鈴后，話機(jī)B摘機(jī)后進(jìn)行正常通話，通話結(jié)束后由話機(jī)B先掛機(jī)，話機(jī)A再掛斷機(jī)。

SIP協(xié)議呼叫請(qǐng)求信令如圖5所示：

圖5 呼叫請(qǐng)求信令

話機(jī)完成注冊(cè)后，首先由192.168.1.101發(fā)起呼叫請(qǐng)求，發(fā)送到軟交換服務(wù)器IP地址192.168.1.11處。

在SIP信息的頭部Via字段定義SIP事務(wù)的下層傳輸協(xié)議，即SIP協(xié)議版本為2.0，并且表示了消息將要被發(fā)送的位置，即666002@192.168.1.102。

Call-ID是表示一個(gè)用戶發(fā)送的請(qǐng)求消息和接收的響應(yīng)消息分組的唯一標(biāo)識(shí)。Call-ID中的主機(jī)為全局定義域名，本地標(biāo)識(shí)為主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的唯一標(biāo)識(shí)，主機(jī)IP為192.168.1.101。

Contact頭字段指定了一個(gè)SIP URL，后續(xù)的請(qǐng)求可以通過它來連接到當(dāng)前的用戶，實(shí)際就是主叫的SIP URL，這里為666001@192.168.1.101。

From和To字段分別表示請(qǐng)求發(fā)起方的邏輯標(biāo)識(shí)和請(qǐng)求消息的邏輯接受者。這里的From字段為666001@192.168.1.11，表示從號(hào)碼為666001、代理服務(wù)器IP地址192.168.1.11處發(fā)起呼叫請(qǐng)求，To字段為666002@192.168.1.11，表示發(fā)送到號(hào)碼為666002，代理服務(wù)器IP地址為192.168.1.11處接收呼叫請(qǐng)求。

SIP協(xié)議呼叫建立信令如圖6所示：

圖6 SIP協(xié)議呼叫建立信令

話機(jī)A在接收到代理服務(wù)器發(fā)來的確認(rèn)可以通話的信息后，話機(jī)A通過代理服務(wù)器給話機(jī)B發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息，就表示可以進(jìn)行通話了。在話機(jī)B接收到代理發(fā)來的確認(rèn)消息后，雙方就進(jìn)入會(huì)話狀態(tài)，將RTP數(shù)據(jù)包采用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。當(dāng)話機(jī)B結(jié)束通話時(shí)，會(huì)主動(dòng)掛斷電話，并發(fā)送BYE消息給電話A的代理服務(wù)器，表示請(qǐng)求結(jié)束通話。

綜上，本設(shè)計(jì)完成了局域網(wǎng)絡(luò)VoIP電話系統(tǒng)的組建工作，對(duì)軟交換中心和各終端設(shè)備進(jìn)行了配置，并通過呼叫進(jìn)行了通話測(cè)試，使用Wireshar工具完成了信令分析工作。測(cè)試表明，采用SIP協(xié)議的VoIP電話系統(tǒng)具有通話質(zhì)量可靠、系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，VoIP電話系統(tǒng)將逐步占據(jù)更大的電信市場(chǎng)，取代傳統(tǒng)電話，為我們的日常生活提供更好的多媒體服務(wù)。

[1]胡萍,黃永峰.VOIP的創(chuàng)新應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J].科學(xué)管理研究，2009,27(5):117-120.

[2]付明科.基于SIP的VOIP視頻電話的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2014:7-8.

[3]劉俊杰.軟交換技術(shù)及其在NGN建設(shè)中的應(yīng)用[D].南京:南京理工大學(xué),2012:6-7.

[4]汪慶龍,賀松,袁森.安全的VoIP通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電聲技術(shù)，2015,39(9):62-66.

[5]畢夏安,張大方,謝鯤,等.基于H.323協(xié)議的VoIP語(yǔ)音流量識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008,28(9):2204-2206.

[6]劉小溪.基于SIP的VoIP客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2010:15-17.

[7]張平波,高承志,梁櫻.基于Asterisk的VoIP軟電話系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息化研究，2013,39(4):35-39.

【責(zé)任編輯 朱世廣】

On the Design of Local Area Network VoIP Telephone System

DONG Song，GUO Tao

(CollegeofInformationEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

The rapid development of network technology has provided great opportunity for the development of VoIP network telephone system,which has the characteristics of low protocol complexity,strong expansibility,low cost and so on. This paper first analyzes the principle of SIP protocol,the VoIP related technologies are deeply studied. Through the configuration of the soft switching center,relay equipment and terminal equipment,the local network VoIP telephone system is set up,the call is tested on the system,and the signaling process is tested and analyzed with the tool of Wireshark. The test and analysis show that the speech quality of the local area network VoIP telephone system based on SIP protocol is clear,the system is stable and the system performance is good. This system has obvious advantages compared with the traditional telephone system.

VoIP;LAN;SIP

1674-1730(2017)03-0007-04

2016-09-02

隴東學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目《慶陽(yáng)公交監(jiān)管系統(tǒng)開發(fā)及調(diào)度研究》(XYBY140206)

董 松(1986—)，男，河北承德人，助教，碩士，主要從事數(shù)字信號(hào)處理研究。

TN916

A