IP語(yǔ)音電話仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐燈平， 凌興宏, 王 林

(蘇州大學(xué) a.文正學(xué)院;b. 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院; c.江蘇省計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215006)

0 引 言

IP語(yǔ)音電話是一種通過互聯(lián)網(wǎng)或其他使用IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)新型電話通信技術(shù)。隨著因特網(wǎng)普及，跨境通信需求增大，IP語(yǔ)音電話以其低通話成本、低建設(shè)成本、易擴(kuò)充以及優(yōu)良通話質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)迅速普及[1]。學(xué)生不但掌握IP語(yǔ)音電話工作原理同時(shí)需要?jiǎng)邮纸M建并配置IP語(yǔ)音電話網(wǎng)絡(luò)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論、理論促進(jìn)實(shí)驗(yàn)，兩者相輔相成達(dá)到較好學(xué)習(xí)效果。搭建真實(shí)IP語(yǔ)音電話網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室面臨一些問題：①需要相同網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備若干組，設(shè)備需求量多，投入較大；②多人共享一組實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)效率較低；③只能在固定時(shí)間實(shí)驗(yàn)；最后設(shè)備容易出故障，需要專人維護(hù)。采用虛擬仿真技術(shù)既解決了問題又能使學(xué)生感覺在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建并配置IP語(yǔ)音電話網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到較好學(xué)習(xí)和教學(xué)目的[2-3]。

1 VoIP技術(shù)及仿真軟件介紹

1.1 VoIP技術(shù)

傳統(tǒng)的公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(Public Switch Telephone Network，PSTN)是以電話交換方式傳輸語(yǔ)音。IP語(yǔ)音電話(Voice over Internet Protocol，VoIP)，是將模擬信號(hào)數(shù)字化，以數(shù)據(jù)封包的形式在IP網(wǎng)絡(luò)上做實(shí)時(shí)傳遞，VoIP可以在IP網(wǎng)絡(luò)上便宜的傳送語(yǔ)音、傳真、視頻和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。基本原理是通過語(yǔ)音壓縮算法對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，按照TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打包，經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包送至接收地，再把這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解壓處理后，恢復(fù)成原來的語(yǔ)音信號(hào)，從而達(dá)到由互聯(lián)網(wǎng)傳送語(yǔ)音的目的。IP電話的核心設(shè)備是IP網(wǎng)關(guān)。VoIP主流技術(shù)為國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局(International Telecommunication Union- Telecommunication Standardization Sector，ITU-T)制定的H.232和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(The Internet Engineering Task Force，IETF)制定的MGCP，MGCP相對(duì)于H.232在軟件及通信協(xié)議設(shè)計(jì)上較容易。另外，新的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議架構(gòu)有MEGACO、SIP和SIGTRAN等[1]。

1.2 仿真軟件

Cisco Packet Tracer是思科公司發(fā)布的輔助學(xué)習(xí)工具，為設(shè)計(jì)、配置、排除網(wǎng)絡(luò)故障提供模擬環(huán)境。可以在軟件圖形界面下直接拖拽建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性，并可觀察網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。目前最新版本Packet Tracer 7.0。[4-5]

2 IP語(yǔ)音電話仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程

2.1 構(gòu)建VoIP網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)構(gòu)由企業(yè)總部和分部?jī)刹糠纸M成，通過互聯(lián)網(wǎng)相連。通過配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，IP電話可以互相通話。企業(yè)總部仿真網(wǎng)絡(luò)由2811路由器、2960交換機(jī)、無線AP、IP電話機(jī)、模擬電話機(jī)、PDA、平板電腦以及將模擬電話連接到網(wǎng)絡(luò)中的mode各一臺(tái)組成。企業(yè)分部網(wǎng)絡(luò)由一臺(tái)2811路由器，一臺(tái)2960交換機(jī)以及兩臺(tái)IP電話組成?？偛亢头植烤W(wǎng)絡(luò)各用一臺(tái)2811路由器做語(yǔ)音Call manger服務(wù)器，為本網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音設(shè)備提供電話注冊(cè)，分配電話號(hào)碼以及電話路由。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VoIP仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 準(zhǔn)備工作及相關(guān)地址規(guī)劃

(1) 相關(guān)準(zhǔn)備工作。若使Packet Tracer仿真IP電話正常使用需要將IP電話裝上電源。具體操作如下：①用鼠標(biāo)單擊IP電話圖標(biāo)。②選擇physical選項(xiàng)。③用鼠標(biāo)選擇右下角的電源處將其拖放到IP電話的背面，注意要對(duì)準(zhǔn)背面有電源孔的地方放下鼠標(biāo)。為了使仿真效果更加逼真，需要打開Packet Tracer聲音效果。操作如下：①用鼠標(biāo)選擇Packet Tracer仿真軟件options菜單。②在下拉菜單選擇preferences。③在preferences窗口sound 前打鉤。最終驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果時(shí)可以聽到撥打電話聲音和電話連通時(shí)發(fā)出的音樂聲音。

(2) 地址及電話號(hào)碼規(guī)劃。規(guī)劃企業(yè)總部IP網(wǎng)段為1.1.1.0/24，企業(yè)分部IP網(wǎng)段為3.1.1.0/24，它們之間IP網(wǎng)段為2.1.1.0/24。規(guī)劃企業(yè)總部IP電話號(hào)碼為6666000*，企業(yè)分部IP電話號(hào)碼為8888000*，其中*號(hào)表示任意數(shù)字。

2.3 配置企業(yè)總部網(wǎng)絡(luò)

(1) 將企業(yè)總部網(wǎng)絡(luò)路由器R1配置成DHCP服務(wù)器。使終端設(shè)備自動(dòng)獲取IP地址[6-8]。

Router(config)#hostname R1 //為路由器命名

R1(config)#interface fastEthernet 0/0 //進(jìn)入路由器以太網(wǎng)端口f0/0

R1(config-if)#ip address 1.1.1.1 255.255.255.0 // 設(shè)置該端口的IP地址

R1(config-if)#no shu //激活該端口

R1(config-if)#exit //退出該端口

R1(config)#ip dhcp excluded-address 1.1.1.1 //配置 DHCP地址池排除地址1.1.1.1

R1(config)#ip dhcp pool VoIP1 //配置DHC地址池為VoIP1

R1(dhcp-config)#default-router 1.1.1.1 //配置網(wǎng)關(guān)地址為1.1.1.1

R1(dhcp-config)#network 1.1.1.0 255.255.255.0 //配置DHCP地址池可分配網(wǎng)絡(luò)地址為1.1.1.0

R1(dhcp-config)#option 150 ip 1.1.1.1 //思科電話設(shè)備更新軟件TFTP服務(wù)器地址，也用來指定Call Manager地址

(2) 配置企業(yè)總部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換機(jī)[9-10]。物理IP電話通過配置Voice VLAN交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)才能讓指定VLAN轉(zhuǎn)發(fā)語(yǔ)音流量，配置如下：

Switch(config)#hostname SW1 //為交換機(jī)命名

SW1(config)#interface range fastEthernet 0/1-4 //進(jìn)入交換機(jī)的1-4號(hào)口

SW1(config-if-range)#switchport voice vlan 1 //將交換機(jī)的1-4號(hào)口設(shè)置為voice vlan，在指定的VLAN中轉(zhuǎn)發(fā)所有的語(yǔ)音流量。

(3) 開啟路由器電話功能。為能夠自動(dòng)尋找MAC地址終端設(shè)備分配電話號(hào)碼[11-12]。

R1(config)#telephony-service //開啟電話服務(wù)

R1(config-telephony)#max-ephones 36 //設(shè)置容許最大電話數(shù)

R1(config-telephony)#max-dn 36 //設(shè)置容許最大目錄號(hào)

R1(config-telephony)#ip source-address 1.1.1.1 port 2000 //IP電話注冊(cè)到Call manger上通信IP和端口號(hào)

通過show run命令可以查看到自動(dòng)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)終端設(shè)備MAC地址。分別是IP電話和模擬電話。通過show ip dhcp binding 命令查看端口設(shè)備MAC 地址和IP地址對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體為：IP地址1.1.1.2對(duì)應(yīng)設(shè)備MAC地址0060.4799.9347，通過查詢?cè)撛O(shè)備為平板電腦；IP地址1.1.1.3對(duì)應(yīng)設(shè)備MAC地址00D0.BAB8.6998，查詢?cè)撛O(shè)備為PDA設(shè)備；IP地址1.1.1.4對(duì)應(yīng)設(shè)備MAC地址0060.70BD.AC01，該設(shè)備是模擬電話；IP地址1.1.1.5對(duì)應(yīng)設(shè)備MAC地址00D0.BC43.45DE，該設(shè)備為VoIP電話。

接下來為IP電話分配電話號(hào)碼，配置如下：

R1(config)#ephone-dn 1 //設(shè)置邏輯電話目錄號(hào)

R1(config-ephone-dn)#number 66660001 //電話號(hào)碼

R1(config-ephone-dn)#exit //退出

R1(config)#ephone 1 //電話物理參數(shù)配置

R1(config-ephone)#type 7960 //IPhone電話類型，CIPC是軟電話，7960是Cisco物理IP電話，ata是模擬的，這里選擇Cisco物理IP電話7960

R1(config-ephone)#button 1:1 //電話按鈕與電話目錄號(hào)綁定

%IPPHONE-6-REGISTER: ephone-1 IP:1.1.1.5 Socket:2 DeviceType:Phone has registered. //如果自動(dòng)出現(xiàn)該行信息，說明終端已經(jīng)成功獲得電話號(hào)碼

R1(config)#ephone-dn 2 //設(shè)置邏輯電話目錄號(hào)

R1(config-ephone-dn)#number 66660002 //電話號(hào)碼

R1(config-ephone-dn)#exit // 退出

R1(config)#ephone 2 //電話物理參數(shù)配置

R1(config-ephone)#type ata // IPhone電話類型，CIPC是軟電話，7960是Cisco物理IP電話，ata是模擬的，這里設(shè)置ata為模擬電話。

R1(config-ephone)#button 1:2 //電話按鈕與電話目錄號(hào)綁定

%IPPHONE-6-REGISTER: ephone-2 IP:1.1.1.4 Socket:2 DeviceType:Phone has registered.

//如果自動(dòng)出現(xiàn)該行信息，說明終端已經(jīng)成功獲得電話號(hào)碼

(4) 設(shè)置沒有自動(dòng)尋找到MAC地址PDA設(shè)備和平板電腦電話號(hào)碼。

R1(config)#ephone-dn 3 //設(shè)置邏輯電話目錄號(hào)

R1(config-ephone-dn)#number 66660003 //設(shè)置電話號(hào)碼

R1(config-ephone-dn)#exit //退出

R1(config)#ephone 3 //電話物理參數(shù)配置

（3）C表示第r次摸到黑球是在第k次摸球時(shí)發(fā)生，我們僅需考慮前k次摸球即可，此時(shí)樣本空間有（M+N）k個(gè)樣本點(diǎn)。第k次摸到黑球，有M中可能，而前k-1次摸到r-1個(gè)黑球，由二項(xiàng)概率計(jì)算有中可能，故C中有M個(gè)樣本點(diǎn)，由古典概率定義有

R1(config-ephone)#mac-address 00D0.BAB8.6998 //綁定IP電話的MAC地址

R1(config-ephone)#type ata // IPhone電話類型，CIPC是軟電話，7960是Cisco物理IP電話，ata是模擬的，這里選擇ata。

R1(config-ephone)#button 1:3 //電話按鈕與電話目錄號(hào)綁定

%IPPHONE-6-REGISTER: ephone-3 IP:1.1.1.3 Socket:2 DeviceType:Phone has registered.

//如果自動(dòng)出現(xiàn)該行信息，說明終端已經(jīng)成功獲得電話號(hào)碼

R1(config)#ephone-dn 4 //設(shè)置邏輯電話目錄號(hào)

R1(config-ephone-dn)#number 66660004 //設(shè)置電話號(hào)碼

R1(config-ephone-dn)#exit //退出

R1(config)#ephone 4 //電話物理參數(shù)配置

R1(config-ephone)#mac-address 0060.4799.9347 ///綁定IP電話的MAC

R1(config-ephone)#type cIPC // IPhone電話類型，CIPC是軟電話，7960是Cisco物理IP電話，ata是模擬的，這里選擇cIPC。

R1(config-ephone)#button 1:4 //電話按鈕與電話目錄號(hào)綁定

%IPPHONE-6-REGISTER: ephone-4 IP:1.1.1.2 Socket:2 DeviceType:Phone has registered.

//如果自動(dòng)出現(xiàn)該行信息，說明終端已經(jīng)成功獲得電話號(hào)碼

2.4 配置企業(yè)分部網(wǎng)絡(luò)

采用同樣的方法對(duì)R2路由器進(jìn)行設(shè)置。R2路由器的以太網(wǎng)端口f0/0的IP地址為3.1.1.1 255.255.255.0，配置路由器DHCP服務(wù)，DHCP服務(wù)分配的網(wǎng)絡(luò)地址為3.1.1.0，在地址池中排除地址3.1.1.1，網(wǎng)關(guān)地址為1.1.1.1。設(shè)置兩個(gè)IP電話的電話號(hào)碼分別為88880001和88880002。

2.5 利用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議將兩個(gè)路由連接的網(wǎng)絡(luò)互連起來[13-16]

R1(config)#interface serial 0/0/0 //進(jìn)入R1路由器的串口s0/0/0

R1(config-if)#ip address 2.1.1.1 255.255.255.0 //設(shè)置該端口的IP地址

R1(config-if)#clock rate 4000000 //設(shè)置時(shí)鐘頻率

R1(config-if)#no shu //激活端口

R1(config-if)#exit //退出

R1(config)#router rip //啟動(dòng)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議RIP

R1(config-router)#version 2 //使用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議RIP的版本2

R1(config-router)#no auto-summary //取消自動(dòng)匯總功能

R1(config-router)#network 1.1.1.0

R1(config-router)#network 2.1.1.0

R2(config)#interface serial 0/0/0 //進(jìn)入R2路由器的串口s0/0/0

R2(config-if)#ip address 2.1.1.2 255.255.255.0 //設(shè)置該端口的IP地址

R2(config-if)#no shu //激活端口

R2(config-if)#exit //退出

R2(config)#router rip //啟動(dòng)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議RIP

R2(config-router)#version 2 //使用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議RIP的版本2

R2(config-router)#no auto-summary //取消自動(dòng)匯總功能

R2(config-router)#network 2.1.1.0

R2(config-router)#network 3.1.1.0

通過查看路由表和實(shí)際的驗(yàn)證，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是連通的。

2.6 映射目的地電話號(hào)碼至IP地址

IP電話是利用IP協(xié)議來傳送話音數(shù)據(jù)包，故必須將目的地電話號(hào)碼映射到目的地IP地址。語(yǔ)音數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包一樣，在IP網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)目的地IP地址選路，傳送到目的地。下面是在R1上將R2語(yǔ)言模塊上定義的電話號(hào)碼8888….映射到R2連接外網(wǎng)s0/0/0的IP地址上，配置如下：

R1(config)#dial-peer voice 1 voip //用來指明要進(jìn)行VoIP的配置，1是給定的進(jìn)程ID號(hào)，取值范圍為1～2147483647

R1(config-dial-peer)#destination-pattern 8888…. //是用來指明對(duì)方的電話號(hào)碼。這里表示以8888開頭的所有號(hào)碼。

R1(config-dial-peer)#session target ipv4:2.1.1.2 //是將上面配置命令中的電話號(hào)碼映射到對(duì)端連接外網(wǎng)s0/0/0端口的IP上

同樣對(duì)R2進(jìn)行配置，在R2上將R1語(yǔ)言模塊上定義的電話號(hào)碼6666….映射到R1連接外網(wǎng)s0/0/0的IP地址上。

R2(config)#dial-peer voice 1 voip //用來指明要進(jìn)行VoIP的配置，1是給定的進(jìn)程ID號(hào)，取值范圍為1～2147483647

R2(config-dial-peer)#destination-pattern 6666…. //是用來指明對(duì)方的電話號(hào)碼。這里表示以6666開頭的所有號(hào)碼。

R2(config-dial-peer)#session target ipv4:2.1.1.1 //是將上面配置命令中的電話號(hào)碼映射到對(duì)端連接外網(wǎng)s0/0/0端口的IP上

經(jīng)過上面的設(shè)置，整個(gè)項(xiàng)目配置完成。

2.7 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果

通過驗(yàn)證同地區(qū)電話連通情況以及不同地區(qū)電話連通情況來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果?，F(xiàn)以企業(yè)總部PDA設(shè)備撥打企業(yè)分部IP電話為例，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果，步驟如下：①用鼠標(biāo)單擊企業(yè)總部PDA設(shè)備。②在彈出窗口中選擇desktop菜單。③在窗口選擇Cisco IP Communicator。在電話窗口中可以看到電話號(hào)碼為66660003。④在該窗口中撥打號(hào)碼88880002，輸入完畢用鼠標(biāo)點(diǎn)擊dial按鈕，撥出號(hào)碼?？梢月牭诫娫挀艹龅穆曇?，如圖2所示。⑤用鼠標(biāo)單擊企業(yè)分部電話號(hào)碼為88880002的IP電話。⑥在彈出的窗口中選擇GUI菜單。⑦在IP電話窗口中，可以看到電話的燈在閃動(dòng)，屏幕上有撥入顯示為66660003的電話。如圖3所示。⑧用鼠標(biāo)點(diǎn)擊話筒，電話就接通了。不能真正進(jìn)行通話，但可以通過點(diǎn)擊右邊“Do,Re,Me”聽到聲音，說明電話連通，可以通話。

3 結(jié) 語(yǔ)

IP語(yǔ)音電話已經(jīng)比較普及，在教學(xué)中，學(xué)生不但掌握VoIP理論知識(shí)，又要掌握VoIP實(shí)驗(yàn)從搭建到配置全過程。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境不能滿足該實(shí)驗(yàn)要求的情況下，利用Packet tracer 仿真軟件，可以方便搭建仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)IP語(yǔ)音電話配置全過程。