基于SIP協(xié)議的VoIP系統(tǒng)及其QoS研究

巴 剛，羅衛(wèi)兵，遲曉剛，蔣江湖

1.武警工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)，陜西西安 710086

2.武警工程學(xué)院通信工程系，陜西西安 710086

基于SIP協(xié)議的VoIP系統(tǒng)及其QoS研究

巴 剛1，羅衛(wèi)兵2，遲曉剛1，蔣江湖1

1.武警工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)，陜西西安 710086

2.武警工程學(xué)院通信工程系，陜西西安 710086

會話初始協(xié)議（SIP）正逐步取代H.323協(xié)議成為VoIP網(wǎng)絡(luò)的核心信令控制協(xié)議。SIP是下一代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有簡單、靈活和可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了基于SIP的VoIP系統(tǒng)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對VoIP系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量提出了改進(jìn)方法。

SIP；VoIP；服務(wù)質(zhì)量

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以IP技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)日趨成熟[1]。同時，VoIP[2]技術(shù)的提出也使數(shù)據(jù)通信融入了傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)。目前，電信網(wǎng)除了傳統(tǒng)話音外已基本實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)IP化。面對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，VoIP以其成本低廉等優(yōu)勢得到了人們的重視，取得了巨大的發(fā)展。目前在VoIP領(lǐng)域有兩個完全獨(dú)立的信令協(xié)議：ITU-T的H.323協(xié)議簇和IETF的SIP協(xié)議[3]。相比于H.323協(xié)議，SIP協(xié)議以其簡單、靈活和可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)逐漸在下一代網(wǎng)絡(luò)中得到更大的應(yīng)用。話音屬于實(shí)時性業(yè)務(wù)，對時延較為敏感，需要一定的措施來保障服務(wù)質(zhì)量，因此，對VoIP系統(tǒng)的業(yè)務(wù)性能進(jìn)行測量與研究能較好的提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)時狀況，為改善網(wǎng)絡(luò)性能提供充足的依據(jù)。

1 SIP-VoIP系統(tǒng)

1.1 SIP協(xié)議

SIP是IETF提出的建立在超文本傳輸協(xié)議（HTTP）和簡單郵件傳送協(xié)議（SMTP）基礎(chǔ)上的文本協(xié)議。利用SIP可實(shí)現(xiàn)會話的連接、建立和釋放，并支持單播、多播和可移動性。為了提供話音業(yè)務(wù)，它需要與其他標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議相結(jié)合，同時為了實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有PSTN網(wǎng)絡(luò)的互通，還需要接入必備的媒體網(wǎng)關(guān)和信令網(wǎng)關(guān)。

SIP要實(shí)現(xiàn)以下五項(xiàng)基本功能：

1）用戶定位：確定通信終端用戶的位置；

2）用戶能力：確定通信所用媒體類型和媒體參數(shù)；

3）用戶可用性：確定被叫方是否空閑及是否愿意加入通信；

4）呼叫建立：邀請和提示被叫，在主被叫之間建立連接；

5）呼叫處理和控制：包括呼叫重定向、呼叫轉(zhuǎn)移和呼叫終結(jié)等操作。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及功能

基于SIP的VoIP系統(tǒng)的主要功能部分分別為用戶代理和SIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器[4]。

1.2.1 用戶代理

用戶代理（User Agent，UA）：又稱SIP終端，它是VoIP系統(tǒng)的終端，包括各種使用SIP協(xié)議的軟件或硬件，例如一個IP電話機(jī)或裝有客戶端軟件的PC機(jī)。根據(jù)UA在會話中所起的作用不同，將UA分為：①用戶代理客戶機(jī)（User Agent Client，UAC），其作用是初始化一個呼叫，發(fā)出呼叫請求；②用戶代理服務(wù)器（User Agent Server，UAS），其作用是響應(yīng)呼叫請求（接受、拒絕或重定向）。

1.2.2 SIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

它包括代理服務(wù)器、注冊服務(wù)器、重定向服務(wù)器和定位服務(wù)器，它們可分布在不同的物理實(shí)體中，也可以共存于同一個設(shè)備。代理服務(wù)器主要提供應(yīng)用層路由功能，它負(fù)責(zé)將用戶的請求和響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳，直至最終目的地。注冊服務(wù)器負(fù)責(zé)完成對所管轄范圍內(nèi)的用戶代理服務(wù)器（UAS）注冊/注銷功能。重定向服務(wù)器用于為代理服務(wù)器指出轉(zhuǎn)發(fā)的消息下一次應(yīng)該到達(dá)的代理服務(wù)器地址。定位服務(wù)器中儲存有邏輯地址與聯(lián)系地址間的綁定列表，提供對用戶邏輯地址綁定信息的查詢、添加、修改或刪除等功能，為注冊服務(wù)器、代理服務(wù)器與重定向服務(wù)器提供服務(wù)。由于目前電信系統(tǒng)的建設(shè)還沒有完全演進(jìn)到下一代，VoIP系統(tǒng)就需要與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連互通，VoIP與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接方式如圖1 。

圖1 VoIP與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)連接方式圖

VoIP系統(tǒng)的核心功能由應(yīng)用/媒體服務(wù)器及軟交換機(jī)提供，主要實(shí)現(xiàn)連接、路由、呼叫控制、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守和帶寬的管理。信令網(wǎng)關(guān)與SS7網(wǎng)絡(luò)可由E1接口連接，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)信令協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PSTN的SS7信令與IP網(wǎng)上SIP信令協(xié)議的轉(zhuǎn)換。媒體網(wǎng)關(guān)與PSTN傳統(tǒng)電話網(wǎng)可由FXS/FXO接口連接，負(fù)責(zé)語音媒體數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

2 VoIP系統(tǒng)的QoS研究

VoIP系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的電話交換方式，存在著時延、丟包等缺點(diǎn)[5]，因而會造成語音信息在傳輸過程中的損耗。如果處理不好，會在很大程度上影響通話的質(zhì)量，甚至無法完成通話。因此，要對系統(tǒng)的話音質(zhì)量進(jìn)行分析與研究，以最大限度的保障話音通信。

2.1 VoIP系統(tǒng)QoS相關(guān)的主要參數(shù)

影響VoIP系統(tǒng)性能的參數(shù)有很多，包括系統(tǒng)時延、時延抖動及丟包率等[6]。下面就系統(tǒng)主要參數(shù)做一介紹。

2.1.1 時延

時延是指數(shù)據(jù)從發(fā)話端到接收端所需要的時間，對于交互式語音通信系統(tǒng)，時延增加會讓通話雙方感覺話音傳輸有停頓感，同時也會造成回音。因此對于VoIP系統(tǒng)，時延一般控制在100ms或150ms內(nèi)。在VoIP系統(tǒng)中，時延一般由以下幾部分組成：存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延、傳播時延及處理時延。

2.1.2 時延抖動

時延抖動是指在一個VoIP呼叫過程中所有發(fā)送的數(shù)據(jù)包經(jīng)不同路徑到達(dá)目的地的時間差異，是一個相對值。VoIP不同于傳統(tǒng)PSTN網(wǎng)絡(luò)以固定速率進(jìn)行傳輸，它由于在IP網(wǎng)絡(luò)上存在不同路由而導(dǎo)致同一數(shù)據(jù)包之間也會有不同的時延，存在傳輸時間差，因此產(chǎn)生抖動。VoIP系統(tǒng)中的時延不可完全消除，一般可通過設(shè)備中的緩沖解決。ITU-T G.114推薦時延抖動小于50ms。

2.1.3 丟包率

丟包率是指在IP數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包總量的比率。丟包會造成話音信息的缺失，嚴(yán)重時會導(dǎo)致語音的不連貫，直至無法準(zhǔn)確收聽到對方的話音。丟包率主要與網(wǎng)絡(luò)的流量有關(guān)，它是影響話音質(zhì)量的重要因素。一般來說語音業(yè)務(wù)的丟包率須小于3%。

2.2 提高VoIP系統(tǒng)QoS的主要方法

2.2.1 增加帶寬

增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，能有效減小網(wǎng)絡(luò)的擁塞，增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，因而也得以減少網(wǎng)絡(luò)時延，降低丟包率等。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件不變的情況下，增加帶寬會大大增加網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本，不符合實(shí)際。盡管隨著將來采用光纖等材料會使帶寬的問題得到很大的解決，但是由于各種業(yè)務(wù)也會不斷增長，因此單純增加帶寬的性價比不高。

2.2.2 合理選擇編解碼技術(shù)

現(xiàn)在電話網(wǎng)絡(luò)中的編碼主要由G.711、G.723.1及G.729等方式，而編碼方式的優(yōu)劣直接影響到VoIP系統(tǒng)的傳輸時延及帶寬。G.711編碼方式話音質(zhì)量最高，但是需要64kbps的帶寬；G.723.1編碼方式話音質(zhì)量較之略低，時延較大，但是占用帶寬較??；G.729編碼方式時延、帶寬及話音質(zhì)量均居于二者之間，是目前較為理想的編碼方式。

2.2.3 設(shè)立緩沖區(qū)消除抖動

由于分組交換必然產(chǎn)生時延抖動，不可能完全消除，所以只能盡量減小時延抖動的影響。可以在收端設(shè)置一個緩沖區(qū)，將收到的數(shù)據(jù)包先放在緩沖區(qū)中做一中轉(zhuǎn)，然后由相應(yīng)的程序在緩沖區(qū)的另一端取出。只要緩沖區(qū)足夠大，時延抖動的影響可以較大程度的降低。

2.2.4 建立話音專網(wǎng)

為了保障語音的順利進(jìn)行，可以劃分一定的帶寬資源用于建立VPN專網(wǎng)，專門負(fù)責(zé)話音業(yè)務(wù)，將其與數(shù)據(jù)、視頻等多媒體業(yè)務(wù)分開傳輸。同時，也可給話音數(shù)據(jù)包一定的優(yōu)先級，在與數(shù)據(jù)同傳時，優(yōu)先保證話音數(shù)據(jù)傳輸。目前在一些較大的分散于不同地理位置的企業(yè)，采用的就是建立語音專網(wǎng)的形式。

3 結(jié)論

基于SIP協(xié)議的VoIP系統(tǒng)以其成本低、簡單易行等優(yōu)勢強(qiáng)烈沖擊著傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)，逐步取代原有話音網(wǎng)絡(luò)的趨勢不可避免。盡管目前其話音質(zhì)量還有待進(jìn)一步提高，但經(jīng)過技術(shù)的逐漸完善和成熟，必將迎來更大的發(fā)展空間。

[1]盧茵，黃本雄.SIP協(xié)議在VoIP中的應(yīng)用[J].中國新通信，2007，3：9-13.

[2]Senior G.Voice over IP:What Lies Beneath.Voice over IP Whitepaper，2003，1.

[3]蘇良偉，周勝源，陳名松.基于SIP協(xié)議的VoIP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].大眾科技，2008(1)：37-38.

[4]侯站.基于SIP的VoIP系統(tǒng)[J].電信快報，2008(1)：44-46.

[5]劉石峰，孫悅.VoIP話音質(zhì)量分析與測試[J].現(xiàn)代電信科技，2008，9(9).

[6]唐紅，等著.IP網(wǎng)絡(luò)測量[M].北京：科學(xué)出版社，2009：153-154.

TP39

A

1674-6708（2011）48-0196-02

巴剛，碩士研究生，工作單位：武警工程學(xué)院，研究方向：有線通信

羅衛(wèi)兵，教授、碩士研究生導(dǎo)師，工作單位：武警工程學(xué)院通信工程系，研究方向：數(shù)據(jù)通信