局域網(wǎng)絡VoIP電話系統(tǒng)設計

董 松，郭 濤

(隴東學院信息工程學院，甘肅慶陽745000)

局域網(wǎng)絡VoIP電話系統(tǒng)設計

董 松，郭 濤

(隴東學院信息工程學院，甘肅慶陽745000)

網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展，為具有低協(xié)議復雜度、擴展性強、話費低廉等特點的基于SIP協(xié)議的VoIP網(wǎng)絡電話系統(tǒng)的發(fā)展提供了巨大機遇。首先對SIP協(xié)議原理進行了分析，深入研究了VoIP相關(guān)技術(shù)，然后通過對軟交換中心、中繼設備及終端設備配置，搭建了局域網(wǎng)絡VoIP電話系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了通話測試，用Wireshark工具對信令流程進行了測試分析。測試分析表明，基于SIP協(xié)議的局域網(wǎng)絡VoIP電話系統(tǒng)語音通話清晰、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有較好的性能，較傳統(tǒng)電話優(yōu)勢明顯。

VoIP；局域網(wǎng)絡；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)過從人工交換到機電交換，再到現(xiàn)在的程控交換，發(fā)展十分迅速。與此同時，網(wǎng)絡技術(shù)逐漸趨向成熟，網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，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)絡技術(shù)，為網(wǎng)絡電話的發(fā)展提供了無限可能。VoIP(Voice over Internet Protocol)電話系統(tǒng)將語音、圖象、視頻等模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并以封包的形式，通過IP網(wǎng)絡進行傳輸[2]。VoIP利用Internet和全球互聯(lián)的IP網(wǎng)絡，較傳統(tǒng)電話系統(tǒng)可提供更多種類的業(yè)務和更高質(zhì)量的服務。同時，VoIP系統(tǒng)不存在漫游、長途等問題，具有更低的資費標準。VoIP系統(tǒng)融合了電話系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)，符合三網(wǎng)融合的發(fā)展趨勢。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，具有更高的市場占有率。

1 VoIP電話原理

VoIP電話系統(tǒng)是承載于IP網(wǎng)絡之上，采用數(shù)字分組技術(shù)傳輸語音信號的IP電話系統(tǒng)。它可以傳輸語音、數(shù)據(jù)等多媒體信息，如語音通信、電話會議，其主要優(yōu)勢是通過互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建IP電話系統(tǒng)，具有覆蓋范圍廣、支持業(yè)務種類多、資費低廉等優(yōu)于傳統(tǒng)電話系統(tǒng)的諸多特點。VoIP電話系統(tǒng)的主要工作原理是將采集到的語音數(shù)據(jù)等通過語音信號處理技術(shù)進行數(shù)字編碼，并將編碼信息及IP信息等按相關(guān)協(xié)議進行打包，然后經(jīng)IP網(wǎng)絡進行傳輸，接收端收到所有封包后再把封包進行組合，完成信號的恢復，即完成了語音信息經(jīng)IP網(wǎng)絡系統(tǒng)的傳遞[3]。經(jīng)VoIP電話系統(tǒng)傳輸語音信號，每個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，其使用資費十分低廉，且不存在漫游資費、長途資費等，對于企業(yè)用戶及個人十分具有吸引力[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)絡通信及多媒體信息傳輸?shù)臉藴蕝f(xié)議。H.323協(xié)議采用集中控制和集中管理方式，可提供相當于傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡管理機制，其運行可獨立于所在的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，不受操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)制約，可實現(xiàn)單播、多播和頻帶管理，功能節(jié)點不受網(wǎng)絡范圍限制[5]。

H.323協(xié)議建立時間較長，其建立過程采用TCP/IP協(xié)議的面向連接的三次握手方式，并具有信道獨占的特點，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)點信息注冊登記、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)議的復雜性大大增加，靈活性略顯不足。

2.2 SIP協(xié)議

SIP會話控制協(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)議更加簡單、高效，并且擁有H.232協(xié)議相當?shù)男阅?，因此被廣泛應用于NGN(Next Generation Network)下一代網(wǎng)絡及多媒體信息傳輸網(wǎng)絡中，支持語音、數(shù)據(jù)、視頻等信息傳輸，其應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)底層而獨立運行，使得其會話類型相關(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)作完成會話控制[6]。

SIP協(xié)議相比H.232協(xié)議簡單靈活、易于實現(xiàn)，所以本設計采用的是SIP協(xié)議。

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

圖1 SIP網(wǎng)絡基本結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡服務器主要負責提供位置服務，SIP代理服務器提供注冊及重定向服務。網(wǎng)關(guān)是各個網(wǎng)絡的互聯(lián)接口，為各網(wǎng)絡下SIP用戶通信提供通道。SIP用戶為網(wǎng)絡終端結(jié)點，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。當用戶A呼叫用戶B號碼后，User Agent A請求到達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會將用戶A請求傳送給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，則將請求傳遞給下一個Proxy Server。

User Agent A獲得User Agent B位置后，向User Agent B發(fā)送呼叫請求，User Agent B發(fā)送一個200(OK)的響應給User Agent A。User Agent A收到B終端發(fā)來的200(OK)響應后，回復User Agent B一個ACK響應，用于證實User Agent A已收到對于INVITE請求的最終響應?？蛻魴C在建立通話之前，確定服務器媒體服務是否可用，經(jīng)服務器確認后，User Agent A和User Agent B采用RTP協(xié)議進行會話。

通話結(jié)束后，由先掛機方發(fā)送BYE消息，被掛機方收到BYE消息后發(fā)送200(OK)響應消息，確認收到結(jié)束會話消息，掛機并結(jié)束通話。

3 網(wǎng)絡組建配置

3.1 網(wǎng)絡組建

本設計組建了局域網(wǎng)絡VoIP電話系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用SIP協(xié)議網(wǎng)絡基本結(jié)構(gòu)，主要設備包括軟交換中心服務器、語音網(wǎng)關(guān)、交換設備、用戶終端等。軟交換中心具有路由管理及用戶管理功能，并負責用戶信息注冊。用戶終端只有正確注冊到軟交換中心服務器并通過鑒權(quán)后，才可正常使用。當用戶使用IP電話時，軟交換中心服務器查找存儲的電話區(qū)號數(shù)據(jù)庫，將電話區(qū)號映射為對應網(wǎng)關(guān)IP，并傳輸至目的網(wǎng)關(guān)，建立通話路由，并開始初始會話。

3.2 網(wǎng)絡設備配置

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

軟交換中心作為網(wǎng)絡的核心服務器，具有管理用戶、權(quán)限配置、業(yè)務配置、路由管理等功能，處于網(wǎng)絡位置的中心結(jié)點。軟交換中心IP地址是各終端設備信息注冊地址，所有終端設備只有在交換中心注冊后才可以接入網(wǎng)絡。本設計中軟交換中心和終端設備均位于同一網(wǎng)段，默認網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1。軟交換中心網(wǎng)絡地址設為靜態(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，并開放默認端口。

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

為實現(xiàn)局域網(wǎng)絡VoIP電話系統(tǒng)，各終端設備需要與軟交換服務中心位于同一子網(wǎng)。通過瀏覽器進行終端設備配置，登錄網(wǎng)絡終端設備后，需要配置終端設備IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)。因為軟交換中心未開啟DHCP服務，所以各網(wǎng)絡終端設備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測試設備與軟交換中心之間是否建立連接。各終端設備IP不得與軟交換中心IP地址沖突。

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

圖3 終端設備服務器信息配置

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

圖4 終端設備賬戶信息配置

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

4 VoIP電話系統(tǒng)測試

VoIP電話系統(tǒng)測試主要包括通話測試和信令分析。

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

設計中，軟交換中心IP地址配置為192.168.1.11，兩個話機分別為A和B，話機A的號碼和IP地址為666001和192.168.1.101，話機B的號碼和IP地址為666002和192.168.1.102，完成軟交換中心、話機A和話機B的基本配置后，實現(xiàn)電話機A和B在軟交換中心注冊成功。使用話機A撥打話機B，即在話機A上撥打號碼666002，在話機B接收到話機A的呼叫請求并振鈴后，話機B摘機后進行正常通話，通話結(jié)束后由話機B先掛機，話機A再掛斷機。

SIP協(xié)議呼叫請求信令如圖5所示：

圖5 呼叫請求信令

話機完成注冊后，首先由192.168.1.101發(fā)起呼叫請求，發(fā)送到軟交換服務器IP地址192.168.1.11處。

在SIP信息的頭部Via字段定義SIP事務的下層傳輸協(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是表示一個用戶發(fā)送的請求消息和接收的響應消息分組的唯一標識。Call-ID中的主機為全局定義域名，本地標識為主機所在網(wǎng)絡范圍內(nèi)的唯一標識，主機IP為192.168.1.101。

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

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

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A在接收到代理服務器發(fā)來的確認可以通話的信息后，話機A通過代理服務器給話機B發(fā)送一個確認信息，就表示可以進行通話了。在話機B接收到代理發(fā)來的確認消息后，雙方就進入會話狀態(tài)，將RTP數(shù)據(jù)包采用UDP協(xié)議進行傳輸。當話機B結(jié)束通話時，會主動掛斷電話，并發(fā)送BYE消息給電話A的代理服務器，表示請求結(jié)束通話。

綜上，本設計完成了局域網(wǎng)絡VoIP電話系統(tǒng)的組建工作，對軟交換中心和各終端設備進行了配置，并通過呼叫進行了通話測試，使用Wireshar工具完成了信令分析工作。測試表明，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。隨著網(wǎng)絡技術(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，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。

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

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[4]汪慶龍,賀松,袁森.安全的VoIP通信系統(tǒng)設計及實現(xiàn)[J].電聲技術(shù)，2015,39(9):62-66.

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【責任編輯 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

隴東學院青年科技創(chuàng)新項目《慶陽公交監(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)字信號處理研究。

TN916

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