摘要 VoIP及H.323协议是当前国内外研究与应用的热点。本文从VoIP与H.323协议入手,通过对一个小型VoIP系统应用需求的分析,提出了系统的初步设计方案,并分别对这个小型的VoIP系统的软件和硬件部分提出了具体的设计和实现,最后一部分是使该系统实用化的后续开发要求。
关键词 VoIP;H.323协议;网关;网守
1. VoIP及H.323协议概述
1.1 VoIP概述
100多年以来,基于电路交换技术的电话业务始终是电信业的主流。但随着计算机和宽带网络技术的发展,特别是Internet的日益普及,使得IP(Internet Protocol)无可争辩的成为未来信息网络的支撑技术,基于TCP/IP的网络技术已开始进入电信领域,其突破口选择了电话业务,它使用计算机网络的分组交换技术来进行话音通信,VoIP(Voice Over IP)就是这样一种基于IP的、满足话音通信需求的新型解决方案。
20世纪90年代后,随着Internet在全球范围内的兴起和话音编码技术的发展,VoIP获得了突破性的进展和实际应用,而且正在逐步占领传统电话业务的市场,所有这些都是由VoIP所具有的独特应用优势所决定的:价格低廉;可以非常灵活的提供多种增值业务;特别适合被企业用来建立高效的企业综合应用服务平台;有利于运营商开拓新的业务市场;能直接推动宽带网络技术的发展。
1.2 H.323协议概述
1996年,ITU-T通过了H.323协议,即局域网上支持可视电话通信的网络协议。该协议的推出,极大的推动了VoIP的发展,使之有可能而且已经进入了公用电话网服务,H.323协议已成为VoIP的公共规范,也成为各厂商设备互通的技术依据。
H.323协议包括一系列的协议,如呼叫控制协议、媒体控制协议和音频、视频编码协议等,这些协议规定了详细的技术内容和控制过程,它们共同组合起来构成了分组网多媒体通信的技术标准。
H.323协议栈结构如图1所示。
图1 H.323协议栈结构
下三层为分组网络的底层协议,传输层包括两类协议:不可靠协议UDP与可靠协议TCP,前者用于传送实时的话音和视频信息以及相关的协议信息,后者用于传送数据信号以及呼叫信令和媒体控制协议信息。H.225.0和H.245是H.323协议中的核心协议,前者用于呼叫控制,后者用于媒体信道控制。
2. 一个小型的VoIP系统的设计思路
2.1 小型VoIP系统的应用需求
虽然VoIP已经进入公共电话网服务,但其作为企业内部综合服务平台支撑技术的潜力却日益显现出来。小型VoIP系统引入企业内部网后,可以将原有的数据网与电话网二网合一,可以很容易的在已有的数据网的平台上加入电话网功能,构筑计算机电话集成(CTI)系统,这样将极大的改善企业内部的工作方式,提高协同工作的效率。企业采用小型VoIP系统的另一好处是可以取代传统的PBX,降低设备运行维护成本,目前LAN产品的价格远远低于PBX的价格,这也是促使企业用VoIP系统取代PBX的原因之一。大型企业或拥有内部庞大网络的群体(如军队、铁路、公安、石油、煤矿)等还可以利用Internet提供的虚拟专网服务构建其分布式的内联网,在其上开通VoIP电话服务,从而节省大量的费用。以上是对小型VoIP系统的应用需求分析。
2.2 系统的初步设计思路
我们的这个小型VoIP系统主要按照应用于企业内部网的原则进行设计。为了满足与其它厂商设备之间的互通以及后续开发的需要,我们决定实现一个部分符合H.323协议的系统。根据H.323协议所建议的系统结构,我们决定实现终端、网关(Gateway)和网守(Gatekeeper)这三个H.323实体,其中终端和网关两个实体的功能采用一个单一的网关设备来完成,这个网关设备将完成话音处理、话音信息与信令信息转换以及少量IP话音通信协议这三部分的工作,网守实体的功能采用单一的网守设备来完成,这个网守设备将完成大部分IP话音通信的呼叫管理协议以及网络管理、安全两方面的工作。
2.3系统的模块划分以及功能特性分析
根据上面的设计思路和指导原则,我们的这个小型VoIP系统将由网关和网守两部分组成,其中网关模块具有下列特性:
? 支持实时话音通信;
? 具有10M/100M的网络接口;
? 具有电话网接口(普通用户线和中继线);
? 具有通过网络或RS-232的主机系统配置和管理平台;
? 支持远程软件的升级;
网守模块具有下列特性:
? 灵活的编号体制;
? 灵活可扩展的呼叫控制和管理;
? 远程网管;
? 具有安全模块。
3. VoIP系统硬件部分结构设计与实现
3.1 硬件部分功能分析
先来分析VoIP系统中的网关设备,话音处理一直是VoIP中的关键技术,主要是解决两个问题:一是在保证一定话音质量的前提下尽可能降低编码比特率;二是在IP网络环境下保证一定的通话质量。前者主要是话音编码技术,后者包括分组丢失补偿和回波抵消技术,目前市场上的VoIP终端和网关设备大多采用硬件来实现上述两项技术,因此我们的这个小型VoIP系统也决定用硬件来完成这一工作,网关设备的硬件模块除了完成上述工作外,还负责提供电话接口和网络接口的功能。
网守设备由于主要担负呼叫和网络管理方面的工作,所以相对于网关设备而言,硬件平台就显得不是十分重要了,而绝大部分功能由软件来实现。
3.2 网关设备硬件部分模块划分
根据上面对网关设备功能的分析,将网关硬件设备分为下列模块:
? 话音处理模块:完成低比特率话音编码、静音检测、分组丢失补偿、回波抑止等工作;
? 处理器模块:提供处理器功能以及相关外围设备功能;
? 网络接口模块:提供以太网接口功能;
? 电话接口模块:提供普通用户线和中继线接入功能;
? 其它模块:包括串口、Flash存储等功能。
3.3 网关设备硬件部分实现方案
网关设备的实现中,最关键的是话音处理模块的实现,我们考虑采用AudioCodes的AC4810xA-C系列中的48105话音分组(VoPP)单片处理器,可以提供多达5个独立的话音、传真和数据信道,能够完成可配置、低比特率话音压缩和传真中继功能,而且可以提供长途电话的质量,这样的话我们的网关设备可以接多达5个的电话接口,包括普通用户线和中继线。
处理器模块我们采用motorola的MC68360集成通信控制器,这种处理器由三个模块组成:一个CPU32+的核、一个系统集成模块和一个通信处理器模块,特别适用作为通信设备的处理器使用。以MC68360为核心加上RAM,FLASH及以太网口构成了我们网关硬件设备的处理器模块和网络接口模块。4. VoIP系统软件部分结构设计与实现
4.1 软件部分功能分析
考虑到H.323协议的复杂性,我们这个小型的VoIP系统将实现部分的H.323协议功能,按照设备划分,分为网关设备的软件部分和网守设备的软件部分。其中对于网关设备而言,软件部分将实现:
? 话音处理芯片的底层驱动处理;
? 少量的呼叫控制协议H.225.0和H.245协议。
网守设备的软件部分相比较而言较复杂:
? 大量呼叫控制、管理协议H.225.0和H.245协议;
? 网络管理;
? 安全。
4.2 网关设备软件部分模块划分
网关设备软件部分包括:与话音处理有关的底层驱动部分(包括话音处理芯片48105的驱动,PCM滤波编解码芯片8965的驱动以及并行接入电路芯片8920的驱动等)、电话应用相关部分(主要是摘挂机检测、呼叫处理、定时机制等)、网络通信部分(包括TCP/UDP通信模块)、应用层协议部分(涉及到与网守(gatekeeper)之间以及与配置台(console)之间)H.225.0 和H.245协议、串口应用部分(68360底层串口处理以及上层协议交互控制)、Flash存储部分(Flash底层的驱动以及上层的简单协议)。
4.3 网守设备软件部分模块划分
网守设备软件部分包括:网络通信模块(包括TCP/UDP通信模块)、应用层协议模块(涉及到与网关(gateway)之间以及与配置台(console)之间)H.225.0 和H.245协议、呼叫控制与管理模块、网络管理模块、安全模块等。
4.4 开发及运行平台的选择
软件开发及运行可采用两种不同的平台:一是采用商用的实时操作系统,如VxWorks或PSos;一是采用源码公开的linux加实时模块。VxWorks是目前应用最为广泛的一种实时操作系统,它的集成开发环境叫Tornado,这个集成开发环境提供了高效明晰的图形化的实时应用开发平台,包括一套完整的面向嵌入式系统的开发和调测工具。Tornado环境采用主机-目标机交叉开发模型,应用程序在主机的Windows环境下编译链接生成可执行文件,下载到目标机,通过主机上的目标服务器(Target Server)与目标机上的目标代理(Target Agent)的通信完成对应用程序的调试、分析。由于VxWorks所具有的开发方便的特点,而且还提供了非常完备的TCP/IP协议栈网络支持以及众多的可选模块,所以我们采用VxWorks作为这个小型VoIP系统的开发和运行平台。
4.5 软件部分模块框图
图3、4分别是VoIP系统网关设备和网守设备的软件部分模块框图,根据这个框图可以展开实际的开发。
图3 网关设备软件部分模块框图
图4 网守设备软件部分模块框图
5. 后续工作
目前的这个小型的VoIP系统还不是很成熟,特别是只能用于企业内部网环境,如果要应用于Internet的话,还需要做很多改进工作,这其中包括:解决由于Internet的网络环境造成话音通信的时延过长的问题;Internet开放的网络环境需要加强安全模块的设计;网络管理功能的加强;需要具有一定的记费功能等。
参考文献
1 ITU-T Recommendation H.323.Packet based multimedia Communication Systems.[S],1998。
2 糜正琨。IP网络电话技术[M]。北京:人民邮电出版社,2000。
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