基于SIP協議的IP電話系統設計與實現介紹

網絡IP電話不僅具有成本低廉、網絡資源利用率高等諸多優點，而且還可以進一步集成多媒體信息（包括語音、圖像、數據等），以實現交互式的實時通信等，具有很大的發展潛力，且有逐漸取代傳統PSTN電話的趨勢，成為NGN（Next General Network）中語音信息傳輸的主要形式。

 

目前構建IP電話系統結構的信令協議主要有H.323協議和SIP協議，二者完全平行，互不兼容。H.323協議是為多媒體會議系統而提出的。該協議采用傳統電信網絡繁瑣的信令概念，非常龐大，無論從實現技術手段，還是使用和管理方法上都十分復雜。而SIP協議則是以現有的Internet協議為基礎來構架IP電話業務網的應用層協議。它將網絡設備的復雜性推向網絡邊緣，支持單播、多播通信、名稱映射和重定向業務，還支持類似呼叫轉發、呼叫拒絕等電信業務的實現以及支持用戶移動性。與H.323相比，SIP更適用于智能用戶終端，使用更加靈活，掌握更加容易。鑒于此，本文提出了一種客戶機－服務器模式的符合SIP協議規范的IP電話系統設計實現方案。

 

該系統具有以下特點：

 

（1）它采用IP－IP通信模式；

 

（2）電話終端設備直接與用戶機USB接口相連，可方便地實現與被叫者的文本、語音等數據的可靠傳輸；

 

（3）系統包含完整的用戶數據管理系統和網絡通話管理控制系統；

 

（4）提供較高的QoS。

 

該系統充分利用SIP協議，提供了諸多增值服務，使得系統除具備普通電話的功能和業務外，還可以提供自主設置留言、來電過濾、跟蹤呼叫等多種功能，適用于大中型企業集團或單位內部使用。

 

1、 SIP協議概述

 

總體來說，SIP協議支持多媒體通信中以下幾個方面的功能：

 

(1)用戶定位：確定通信中終端的位置；

 

(2)用戶可用性：確定被叫方是否愿意參與通信；

 

(3)性能協商：確定通信中所用媒體及媒體參數；

 

(4)會話建立：呼叫雙方會話參數的建立；

 

(5)會話管理：包括會話轉移和中止、會話參數變更、調用新業務等內容。

 

SIP協議是一個客戶服務器協議，用于發起和管理用戶間的會話。SIP終端系統稱為用戶代理，即UA（User Agent），含用戶代理客戶機UAC(User Agent C1ient)和用戶代理服務器UAS(User Agent sever)兩部分。中間單元稱為代理服務器。它的消息分為兩大類：從客戶端到服務器的請求(Request)和從服務器到客戶端的響應(Response)。無論請求消息還是響應消息都是由起始行(Start-Line)、消息頭部(Message—Header)和可選的消息體(Message—Body)構成。

 

請求消息按請求行（起始行）可分為：

 

(1)Register：用于登記聯系信息；

(2)Invite：用于邀請用戶加入會話；

(3)ACK：用于對請求成功后作出的確認；

(4)Cancel：用于取消未完成的請求；

(5)Bye：會話結束；

(6)0pions：用于詢問服務器的性能。

 

響應消息按狀態行（起始行）中的狀態碼（3位），可分為：

 

(1)1XX：暫時響應；

(2)2XX：成功響應；

(3)3XX：重定向響應；

(4)4XX：客戶端出錯；

(5)5XX：服務器出錯；

(6)6XX：全局故障。

 

SIP協議支持3種呼叫方式：用戶代理客戶機（UAC）向對方用戶代理服務器（UAS）直接呼叫；由代理服務器代表用戶代理向客戶服務器發起代理呼叫（圖1）；由用戶代理客戶機在重定向服務器的輔助下進行重定向呼叫（圖2）。呼叫方式2需要代理服務器轉發用戶的呼叫信令，因而加大了信息處理量。為了有效地將網絡設備的壓力推向網絡邊緣，呼叫信令3只指明目的地的方向，不保留每一呼叫狀態，從而為組建大規模的IP網奠定基礎。

 

2、 系統設計方案

 

本文給出的符合SIP協議規范的IP電話系統設計方案，采用客戶機－服務器模式，主要由基于USB接口的IP電話終端設備、計算機網絡終端(內含SIP用戶代理)、局域網（或Internet網絡）、SIP網絡服務器等組成。其系統結構示意圖見圖3。整個系統布局分為若干域，每個子公司或部門為一個域，每個域內有多個終端用戶，并由一服務器管理控制。

 

2.1 系統基本工作流程

 

（1）用戶注冊

 

用戶開機上線后，通過用戶代理客戶機自動向其所在域的服務器端發送注冊信息；該服務器的SIP注冊服務模塊接收注冊信息后，要先對客戶端進行身份驗證，確認其合法后再對該用戶的狀態信息、IP地址信息等進行更新。

 

（2）會話建立

 

在本系統設計方案中采用代理呼叫和重定向呼叫相結合的方式進行會話建立。即同一域內客戶之間采用代理呼叫方式，域之間采用重定向呼叫方式。

 

假設1域的用戶A準備要與用戶B建立一次通話時，A首先通過其用戶代理客戶機將呼叫請求傳至其所在域的代理服務器1，服務器1首先判斷B是否也屬于該服務器所管理的域。

 

①

 

如果B和A同屬1域，則通過該域服務器進一步查找B的有關信息，進行精確定位，服務器1判定B是否為可接通狀態，如可以則將A的呼叫請求直接轉發給B，否則向A返回拒絕信息。

 

②

 

如果B不在1域，而在其它域（如2域），則代理服務器1將請求信息轉發至2域的重定向服務器2，重定向服務器2對B進行精確定位，并判定B是否為可接通狀態，如可接通則將B的精確地址信息傳送給代理服務器1，代理服務器1將A的呼叫請求傳送給B；否則向代理服務器1返回不可接通信息，代理服務器1再向A返回拒絕信息。

 

（3）通話過程

 

如果A和B之間的通信鏈路建立成功，則他們之間直接進行通信直至會話結束，通話結束時向代理服務器發送會話結束請求。

 

2.2 服務器端設計

 

本系統中每個域都由一服務器負責管理和控制，其相當于該域中的智能集線器，即網守（Gatekeeper）。每個網絡服務器主要分四個功能模塊：代理服務模塊、重定向模塊、注冊服務模塊和增值業務模塊。

 

(1) SIP代理服務模塊(SIP proxy)

 

SIP代理服務模塊接收到UAC呼叫請求后，通過對呼叫ID的解析確定被叫方所在域，然后將請求轉發至下一跳服務器或UAS。

 

(2) SIP重定向服務模塊(SIP redirect module)

 

SIP重定向模塊收到請求，完成地址解析，將被叫方的地址信息返回給呼叫方，讓呼叫方直接向下一跳發送請求。

 

(3) SIP注冊服務模塊(SIP register module)

 

SIP注冊服務模塊用于為新用戶分配ID號，以及用戶登陸注冊后地址等信息的更新，同時提供定位服務。

 

(4)SIP增值業務模塊（SIP value-added module）

 

由于服務器端除具備SIP協議中網守的功能外，還負責管理IP系統的數據庫。它利用IP系統數據庫提供的所有會話詳細記錄、客戶注冊信息等開放的接口，為用戶提供多種SIP增值業務服務，諸如計費管理、話單查詢、用戶留言、來電過濾以及跟蹤呼叫等。

 

系統的運行、使用以及增值業務等功能模塊基本是以客戶注冊和會話詳細記錄等表為中心進行的。此外還有許多其它重要數據表，如用戶IP地址表，用戶費用表、級別權限表、業務表等。

 

2.3 客戶端設計

 

客戶端主要分兩個模塊：用戶代理模塊和語音模塊。

 

（1）SIP用戶代理模塊（UA）又分為用戶代理客戶機(UAC)模塊和用戶代理服務器（UAS）模塊。其中UAC向其它客戶或服務器發起呼叫，UAS負責響應其它客戶或服務器的呼叫。

 

（2）語音模塊包括音頻數據的采集/播放、A/D轉換、編/解碼、收/發等子模塊。其中數據采集/播放和A/D互轉模塊由數字電話機終端設備實現。本系統的終端設備為一特別設計的一款基于USB接口的數字電話機。它采用以MCU為控制中心的體系結構，具有撥號、語音采集播放和A/D互轉等功能。其中語音采樣速率為8kHz，樣本精度為8bit。

 

數據編/解碼模塊、收/發模塊都由客戶端上層應用軟件實現。這樣不僅可以減小下位機的負載，降低設備成本，并且可以在不需改變系統硬件設備的條件下，完成整個IP電話系統的配置更改或系統擴展。

 

在選擇話音編碼方式時，綜合考慮帶寬、編碼遲延、應用需求等因素采用CCITT推薦的G.723編碼技術。

 

2.4 系統協議結構

 

由于SIP不是垂直通信系統，不能獨立提供業務，它必須與其他協議共同使用來建立一個完整的多媒體體系結構。本設計方案采用的協議結構如下：

 

在應用層，SIP協議主要用于會話建立、管理和性能協商等，由于SIP協議本身提供了可靠的確認機制，故在傳輸層選用UDP協議來支持信令的傳輸。

 

實時流協議（RTSP）用于控制“一點到多點”的多媒體數據流。

 

為了保證較高的系統服務質量QoS，系統采用了資源預留協議(RSVP)

 

和實時傳輸控制協議（RTCP）。前者規定了IP網絡的資源保護技術，可將資源預留給一個（或多個）給定的會話，并且該會話優先于任何試圖參與雙方之間的其它媒介交換；后者用來檢測并潛在地解決發送問題，從而監控會話質量和檢測網絡問題達到對QoS的監控。

 

實時傳輸協議（RTP）用于完成端到端的話音數據的實時傳輸業務。由于基于SIP協議的IP電話系統得到了端到端的QoS支持后，使用UDP協議，在網絡負荷較重時，可以避免在超時連接時導致呼叫建立時延的增加。因此本方案在傳輸層選用UDP來傳送語音信息。這里可以將RTP看作是在UDP協議上運行應用服務，構成支持實時數據傳遞所需的傳輸功能的不同部分。在RTP報頭中包含有效負載格式、序列號、時間戳以及傳送監視等信息。由于RTP數據單元是用UDP分組來承載,為了盡量減少時延,話音凈荷通常都很短。IP、UDP和RTP報頭都按最小長度計算。在此方式中將多路話音插入話音數據段中,有助于提高傳輸效率。

 

 

2.5 系統安全機制

 

本設計方案重點對服務器端數據庫管理和網絡語音數據傳輸兩個環節的安全問題做了考慮。它通過代理更新機制、身份鑒定和授權機制可有效提高服務器端的數據安全性。系統嚴格限定UA對服務器的操作指令權限，并對用戶身份鑒定，給不同的用戶以不同的權限。

 

根據需要，本系統可以對會話參與者之間傳送的語音數據進行加密。在客戶終端的語音發送和接受模塊嵌入數據加密算法，這樣即使數據被截獲，也能有效避免泄密。

 

3、 小結

 

本文提出的基于SIP協議的IP電話系統設計具有投資小、成本低、方便實用，可靠性強、安全性好等優點。該系統建立在通用的計算機網絡上，可在局域網或Internet上使用，對用戶無特殊要求；另外還可擴展成融文本、視頻會議于一體的網絡交互式多媒體系統；由于終端較多地借助了PC資源，所以系統具備了較高的智能性；系統設計規范，管理模塊集中化，不僅降低了成本，而且更便于系統的操作和維護。由于該系統秉承了TCP／UDP協議族的簡單性，絕大多數功能通過軟件實現，進行簡單的改進，即可以滿足不同的應用和需要。

原文轉自：http://www.kjueaiud.com