程控交换机课程设计.doc

电子工程系课程设计报告题 目： 程控交换机 年 级： 专 业： 电子信息工程技术 学 号： 学生姓名： 指导教师： 日 期： 目 录摘要················································································II1 设计目的···································································12 设计要求··································································13 设计内容···································································23.1 Interne语音通信系统概述 ········································23.2分组交换的特点 ····················································23.3 IP电话基本结构 ···················································33.4 IP电话网络组件······················································53.5 IP电话的基本通信过程···············································73.6 IP电话的业务流程 ····················································83.7 基于局域网的PC TO PC的可视IP电话的开发 ··················11摘 要网络技术与多媒体技术的发展，促进了通信技术综合化、数字化、智能化、个人化的发展，使得在单一网络平台上实现语音、数据、图像等多种业务成为可能。综合网络技术与多媒体技术的IP电话技术正是在这一背景下产生的，并得到了迅速的发展，成为语音通信领域中的一个强有力的竞争者。IP电话除了具有采用分组交换技术，提高线路利用率，降低通信费用等优点外，可以实现多种业务的增值，并与多媒体技术相融合，使其在通信领域中处于有利的地位，具有广阔发展前景的根本原因。虽然IP电话的语音质量还不是很完善，但是IP电话技术的发展方向却受到了通信业界的高度重视，许多国际标准化组织正积极制订各种相关的标准，其着眼点不仅在于IP电话本身，更重要的是在于未来IP多媒体多点通信和IP电话的各种增值业务的应用。在这样的背景之下，本课题结合了IP电话的关键技术设计实现了一个局域网环境下的PC到PC的可视IP电话软件，并对IP电话技术进行了系统的研究与探讨。其目的是掌握IP网络电话的工作原理，以及IP网络电话实现中一些关键技术的处理方法;同时，对该软件进行扩展可以实现视频会议系统、Web电话以及语音信箱等业务。本文首先探讨了IP电话的相关协议、标准、关键技术及其工作原理，然后对本文所设计实现的可视IP电话软件进行了系统分析、系统设计、系统实现。其中系统实现主要包括语音的录制、播放、编解码、压缩、实时传输协议等的实现。对影响语音质量的语音压缩技术、语音时延、语音抖动性、回声以及静音等问题进行了探讨和处理。关键词： IP电话;音频;视频;实时传输协议1 设计目的IP网络电话泛指在以IP为网络层协议的计算机网络中进行话音通信的系统，它采用的技术统称为VoIP(VoiceoverIP)，即将语音信号压缩、打包后在IP网上传输到目的地后再恢复成语音的技术。由于采用分组交换技术，可以实现通信信道的复用，使得网络资源的利用率更高，因此VoIP占用资源小，成本很低，价格便宜。最初，lP电话只是个人计算机与个人计算机之间通过IP网来进行的通话;随着IP电话的优点逐步被人们认识，许多电信公司在此基础上进行了开发，从而实现了计算机与普通电话之间的通话;但是，这种方式仍旧十分不方便，无法满足公众随时需要的通话方式，因此国际上许多大的电信公司又推出了普通电话与普通电话之间的通过IP网的通话，即普通电话客户通过本地电话拨号连上本地的IP电话网关(Gateway)，输入帐号、密码，确认后键入被叫号码，这样本地与远端的普通电话通过网关经IP网进行连接，远端的网关通过当地的电话网呼叫被叫用户，从而完成普通电话客户之间的电话通信。2 设计要求本课题的任务是建立一个以Internet为基础的IP电话网络，以替代传统电话设备系统成为企业的目标。本设计就是要设计这样一个基于IP技术的电话系统。整个软件由音频功能和视频功能两部分组成。音频部分包括呼叫处理、音频录制与播放、音频数据的编解码、音频数据压缩与解压、音频数据的打包与解析、音频包的发送与接收等;视频部分包括视频数据的采集与回放、视频数据编解码、视频数据的打包与解析以及视频数据包的发送与接收等。通过分别编程实现各个模块，最后形成一个PCTOPC的可视IP电话软件。根据设计题目的要求，设计系统结构。选择确定处理器型号以及其他电路芯片型号，完成系统硬件电路设计，完成软件设计。3 设计内容3.1 Internet语音通信概述 Internet是由遍布世界各地的不同类型的计算机网络组成，使用标准的TCP/IP协议相互通信和交换数据。TCP/IP协议将要传输的计算机数据分组排队发送，每个分组均包含目的地址及数据重组信息，确保数据安全和数据包交换正确无误。 Internet语音通信的简单原理如图3.1所示。 图3.1 Internet 通信原理图 基于Internet的语音通信过程为：首先，通信双方都通过计算机向ISP发出业务请求，ISP经过身份认证后，与计算机建立连接，并为计算机提供数据转发。当呼叫开始后，发送端通过语音输入设备将语音信号传送到计算机内，计算机通过处理形成IP包，然后经ISP发送到Internet上。IP包内包含目的地址信息，供Internet选路用。数据到达接收端，由接收方ISP转接到被叫终端。然后，被叫端将IP数据包还原成语音信息，经由语音输出设备发出。这样，就完成了一个Internet的语音通信过程。 与短路交换的语音通信不同，Internet是无连接的，具有如下特点：1. 通信双方不需要进行链路建立的初始化过程，可随时传送数据。2. Internet内所有路由都是共享的，连入Internet的计算机不独占路由。3. 由于数据包需要排队传输，会产生时延。4. 用户计算机至ISP的通信通过PSTN，所以仍然会独占该段通信的路由。 由于IP电话是基于Internet传输的，所以IP电话的通信原理与Internet数据通信原理类似，区别在于考虑和PSTN的连接，所以存在着链路建立和控制方面的问题。3.2 分组交换的特点IP电话网络是基于分组交换体系结构的系统，而分组交换既解决了电路交换不利于实现不同类型的数据终端设备之间的相互通信的矛盾，又克服了报文交换信息传输时延太长、不满足许多数据通信系统的实时性要求的缺点。分组交换采用“存储一转发”机制，把报文分成许多比较短的、被规格化了的“分组(packet)”进行交换和传输。由于分组长度较短，具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理，“分组”进入交换机后只在主存储器中停留很短的时间，进行排队和处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机和用户终端。“分组”穿过交换机或网路的时间很短(“分组”穿过一个交换机的时延平均为数毫秒或更短)，能够满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。分组交换的主要优点有:1.为用户提供了不同速率、不同代码、不同同步方式、不同通信控制规程的数据终端之间能够相互通信的灵活的通信环境。2.信息传输时延较小，能够较好地满足会话型通信的实时性要求。3.实现线路的动态统计时分复用，通信线路的利用率很高。在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路。4.可靠性高。每个分组在网络中进行独立的传输和差错校验，当网络中的线路或设备发生故障时，“分组”可以自动地选择一条新的路由避开故障点，使通信不会中断。 分组交换的主要缺点有:1.由于网络附加的传输信息很多，长报文通信的传输效率比较低。2.技术实现复杂。分组交换机要对各种类型的“分组”进行分析处理，为“分组”在网络中的传输提供路由，并且在必要时自动进行路由调整，并为用户提供速率、代码和规程的转换，为网络的维护管理提供必要的报告信息等，要求交换机要有较高的处理能力。IP电话的快速发展，使得传统的电话技术逐步向分组电话技术过渡，基于IP的开放式标准改变了传统的业务模式。3.3 lP电话基本结构IP电话根据终端设备的不同，可以分为PC TO PC、PHONE TO PHONE、PC TO PHONE以及PHONE TO PC四种基本结构，如图3.2所示。 图3.2 IP电话的四种基本结构3.3.1 PC TO PCPCTOPC结构如图3.2(a)，是Internet电话的最初形式。PC用户为通信终端，以Internet为传输网络。在PCTOPC方式中，可以有两个或更多个需要通话的用户同时开启多媒体计算机，这些计算机可以通过局域网，也可以通过拨号上网的方式连接到Internet上。其中语音采样、编解码、压缩与解压和打包等工作均通过PC机上的处理器、声卡、网卡等硬件资源来完成。根据呼叫方是否知道被呼叫方的IP地址，PC TO PC 的通信方式分两种。第一种是呼叫方知道被叫方的IP地址，通过被呼叫方的IP地址直接与被呼叫方通话；第二种是呼叫方不知道被呼叫方的IP地址，首先与关守进行连接，通过关守得到被呼叫方的IP地址，然后再与被呼叫方通话。在实现语音通信时，呼叫方首先向被呼叫方发起呼叫连接请求，被呼叫方接受连接请求后，双方就可以通过语音进行通信了。建立连接后，发送端通过语音输入设备将音频信号传输到计算机内，经计算机处理形成IP数据包，然后以IP分组发送到Internet上，接收方收到IP分组形成数据包后，经处理还原成音频信息，最后语音信号由语音输出设备发出。语音通信过程如图3.3。 图3.3 PC TO PC 语音通信过程3.3.2 PHONE TO PHONEPHONE TO PHONE结构如图3.2(b)，是使用常规电话作为终端用户，通过PSTN(公共电话交换网)和Internet来发送和接收语音。这也是现在IP电话最普遍的方式。由于语音的传输要经过PSTN和Internet两种不同的网络，因此需要连接这两种网络的网关以及关守，因此这种结构也称为网关结构。在实现语音通信时，主叫方首先通过PSTN与发送网关建立连接;发送网关通过识别主叫方身份，检查权限以及计费信息等(通过关守进行)，对主叫方进行响应，并请求输入被叫方的电话号码;发送网关根据被叫方的电话号码，通过关守的作用，与接收网关建立连接，接收网关把相应信息通过PSTN传送到被叫方。这样主叫方与被叫方之间就可以进行通话了。在通话的过程中，语音信号通过PSTN并被数字化后传输到发送网关;发送网关通过关守找到接收网关的IP地址，并引入H.323协议对语音信号进行压缩编码、打包等处理，形成可以在Internet传输的IP数据包，然后发送给接收网关;接收网关接收由发送网关发送的IP数据包，对数据包进行解析、解压、解码等处理，然后传送到PSTN;语音信号经PSTN并被模拟化后，传送给被叫方。3.3.3 PC TO PHONE与PHONE TO PCPCTOPHONE与PHONETOPC的结构也称为混合结构，是介于PC TO PC和PHONE TO PHONE之间的一种结构，如图3.2(c)、3.2(d)所示。在这种结构中，语音通信的终端分别为普通的PSTN电话和工nternet上的PC。由于语音通信是在异种网络间进行的，所以网关是必需的，它完成通信协议、传输格式的转换以及语音编解码和打包等。3.4 lP电话网络组件由上节IP电话的基本结构介绍中可知，IP电话网络是由终端、网关、关守等组件构成。一个典型的IP电话网络系统结构如图3.4所示。包括的组件有:终端、关守、网关、网管服务器、计帐服务器和增值业务服务器等。下面主要介绍其它几种lP电话组件。 图3.4 IP电话网络系统结构1. 网络管理服务器网络管理服务器是为网络管理人员提供的一种工具，是一种适于IP电话网的开放的标准软件平台，开放的图形用户接口使网络管理人员可以方便的管理、监控整个IP电话网组件。而且，还可以对远端服务器实现监控及配置，可以随时加入新用户并实现实时报警。网络管理服务器具备一下哪几种功能：设备控制及配置 可以远端启动或关闭网关、关守等IP电话组件，并改变他们的操作方式。还允许对网关进行远程控制、配置及路由管理。拨号方案管理及负载均衡 通过为每一个网关单独配置一种拨号方案，或为整个网络配置基于全局的拨号方案，实现各网关之间均匀分配呼叫数据配给 系统管理员利用一个集中式的数据配给接口可以将新用户加入数据库、定义新的用户服务组、将用户服务组配给不同的用户、查找用户记录、按照一种选定的规则将用户进行分类。远程监控 根据设备状态、地点和类型，可以实现对网关和关守的远程监控。实施的监控提供了网关的详细工作状态，也可以利用时间日志和统计数据监控网络。根据不同的呼叫类型，提供呼叫者的信息和相关寻址信息列表的同统计数据。监管及安全管理 口令控制和鉴权保证了只有被授权的用户才可能进入系统。有关呼叫的统计数据保证了对不规则呼叫的监控以及对系统安全性的跟踪。将用户分配到不同的用户组，可以控制用户的访问权限和不同组的服务类型。2. 计费服务器计费服务器利用关守提供的标准、开放的数据接口，将每一次呼叫产生的详细记录上传到本地数据库，形成计费数据。因此计费服务器可以实现的功能有:自动生成计帐清单、清单的打印、数据的导出、呼叫的重新计算、记录浏览、用户资料上载和自动生成新用户等。3.增值业务服务器IP电话系统的基本业务是语音通信，除此之外，也可以利用IP电话网提供一些增值业务，充分发挥IP电话网络的效益。从长远来看，节省费用并非是IP电话迅速发展的本质因素，关键在于它能提供多媒体功能和出色的呼叫管理能力。因此，未来IP电话必将与视频及数据紧密结合在一起，向着增值通信业务的方向发展。在IP电话系统结构中，增值业务服务器负责所有增值业务的开发、管理，包括新业务的提出和确定。3.5 IP电话的基本通信过程对于IP电话语音服务而言，其基本的通信过程可分为呼叫建立和通话两个部分。在呼叫建立过程中，需要完成用户身份认证、确定网关路由、协商语音编码方法等工作;在通话过程中，应建立RTP语音分组流以及进行带宽管理、通话质量管理等。 图3.5 IP电话基本通信过程流程图3.5为IP电话基本通信过程的示意图(这里假定通信过程在同一个域中进行)。从中可看出IP电话系统的基本通信过程为:用户拨打接入号码与网关连接，网关对用户进行认证和授权(通过关守使用RAS协议进行)，并进行呼叫管理。然后关守根据网关送来的用户输入的被叫电话号码进行网络路由选择，依据被叫电话号码信息选择对端网关，并将对端网关呼叫信令传送地址返回给发端网关。两端网关使用H.225.0协议建立呼叫（由关守决定是否经关守中继），若呼叫成功，则在两端使用H.245协议建立通话通道。在通话中，系统执行计费、管理等功能。通话结束，拆除呼叫连接并终止计费。在这个通信过程中，网管分别完成PSTN网侧的传输和IP网侧的传输、执行两侧不同的语音编码方法的转换、对来自PSTN网侧的信令和来自IP网侧的信令进行必要的转换。当有网关不处理的补充业务时，相应的信令由网关透明传送至对端。同时，网关与网关及网关与关守之间遵循H.323协议规定进行交互，主要可分为三个部分：(1) 网关与关守之间使用H.225.0 RAS进行认证、地址转换、计费和控制等；(2) 网关与网关之间使用H.225.0协议和Q.931协议进行呼叫建立；(3) 网关与网关之间使用H.245协议建立语音通道。3.6 IP电话的业务流程一般的IP电话提供的业务可分为三类，即PC TO PC、PHONE TO PHONE、PC TO PHONE3.6.1 PC TO PC图3.6 PC TO PC 流程图PC TO PC 的工作流程如图3.6，各个步骤的解释为：1. 计算机向关守发送呼叫业务请求。2. 关守验证该计算机用户的授权，确定该用户是否有权使用此种业务。授权认证可以通过记账系统的认证组件来进行，也可以由关守内部的功能完成。3. 结果返回允许/拒绝接通的应答。4. 关守向记账系统发送消息，请求用户的记账信息，也包含呼叫的信息。5. 计帐系统返回该用户的计帐信息6. 关守向用户返回对端计算机的地址。7. 关守向计帐系统发送呼叫开始信息。8. 计帐系统回复确认消息作为应答。9. 计算机与计算机通过IP网络建立呼叫连接，开始通话。10.计算机向关守发送呼叫结束消息。11.关守向计帐系统发送呼叫结束消息。12.计帐系统返回确认信息。3.6.2 PHONE TO PHONEPHONE TO PHONE的工作流程见图3一7，各个步骤的解释为:1.用户A使用电话呼叫网关A。用户根据IVR(InteraetiveVoiceResponse)的提示输入认证信息和被叫电话的号码。2.网关A向关守发送呼叫业务请求，并把用户的信息、业务类型和业务信息传递给关守。3.关守检查用户的授权情况，确定该用户是否有权使用此种业务。授权认证可以通过计帐系统的认证组件来进行，也可以由关守内部的功能完成。4.结果返回允许/拒绝接通的应答。5.关守向计帐系统发送消息，请求用户的计帐信息，也包含呼叫的消息。6.计帐系统返回该用户的计帐信息。7.关守向网关A发送可供连接的目的网关的地址信息。8.网关A和网关B连接，初始化通话过程，网关B向用户B的电话发送呼叫应答消息，通话进程开始。9.当网关A和网关B检测到通话进程真正开始以后，网关A向关守发送一个呼叫开始信息，并附带上唯一的计帐标识ID。10.关守向计帐系统发出呼叫开始信息。11.计帐系统返回确认消息作为应答。12.应答消息传送给网关A。13.网关A或网关B检测到呼叫的结束。14.网关A和网关B向关守发送呼叫结束消息，并发送关于该呼叫的相关消息。15.关守向计帐系统发送呼叫结束消息。16.计帐系统返回确认消息。17.确认消息送到网关A和网关B。3.6.3 PC TO PHONE 图3.8 PC TO PHONE流程图PC TO PHONE的工作流程见图3.8，各个步骤的解释为：1.用户从计算机使用Internet客户软件呼叫常规的PSTN电话。用户输入被叫电话号码，客户端软件向关守发送业务请求以及用户信息、业务类型和业务信息（被叫电话号码）。2.关守检查用户的授权情况，确定该用户是否有权使用该业务。授权认证可以通过记账系统的认证组件来进行，也可以由关守内部的功能完成。3.记账系统返回接受/拒绝接通的应答。4.关守返回可供使用的目的网关的地址信息。5.客户端软件与网关初始化一个语音进程。6.网管向关守发送业务请求和用户的信息、业务类型和业务信息。7.关守检查用户的授权情况，确定该用户是否有权使用此种业务。授权认证可以通过记账系统的认证组件来进行，也可以由关守内部的功能完成。8.返回允许/拒绝接通的应答。9.关守向记账系统请求用户相关的记账信息和呼叫信息。11.一个确认信息被返回给网关。12.作为回应，网关呼叫远端的电话，进程开始。13.当网关检测到进程开始的信号时，就向关守发送一个呼叫开始信息。14.关守向记账系统发送呼叫开始信息。15.记账系统返回确认消息。16.确认信息被回送到网关。17.网关检测到呼叫的结束消息。18.网关和客户端向关守发送呼叫结束消息。19.关守向记账系统发送呼叫结束消息。20.记账系统返回确认消息。21.确认消息被发送到网关和客户端软件3.7 基于局域网的PC TO PC的可视IP电话的开发可视IP电话软件的系统分析主要包括软件说明与功能需求、性能要求、软件的运行环境、数据流图的分析以及开发工具与协议实现的说明等。3.7.1可视IP电话软件的总体设计可视IP电话软件的总体设计的主要任务就是根据系统数据流程图确定软件的系统结构，即整个系统由哪些模块组成以及模块之间的关系。因为在通话双方通话之前，需要首先确定双方同时在线，并且双方都同意进行通话，所以在双方进行通话之前需建立双方的连接，由呼叫处理模块来实现。整个系统还有两个部分组成:音频处理部分和视频处理部分。音频处理主要包括音频的录制与播放、音频编解码、音频压缩与解压、音频数据的打包(RTP)与解析、音频数据包的发送与接收等模块组成;视频处理主要包括视频采集与回放、视频编解码、视频压缩与解压、视频数据打包(RTP)与解析以及视频数据包的发送与接收等模块组成。可视IP电话软件的系统结构图如图3.9所示。图3.9 可视IP电话系统结构图3.7.2 可视IP电话软件的详细设计可视IP电话软件的详细设计的主要任务是确定系统各个组成模块的功能，以及各个模块的实现方法。这里只对各个模块功能进行简要的介绍，关于其具体的实现方法，将在后面章节中进行详细介绍。1.呼叫处理模块呼叫处理模块包括两部分，分别为呼入处理和呼出处理，其作用是确定通话双方同时在线，且协商是否可以进行通话。这部分的关键技术是Socket编程，呼叫处理使用TCP进行连接。2.音频录制、播放模块音频录制模块的主要功能是实现音频的采集。音频采集的流程为首先打开录音设备，然后指定录音格式，接着分配内存区域来存储录音数据并把此内存区域绑定到音频输入设备，这样就可以开始录音了。音频的播放模块的主要功能是实现音频的播放，其工作流程与音频录制过程相似，首先打开放音设备，指定播放格式，分配内存区来存储放音的音频数据，并将此内存区域绑定到音频输出设备3视频采集、回放模块视频的采集模块的功能就是通过视频卡采集视频数据。视频回放模块的功能是回放对方传送过来的会话人的图像。在该软件实现中，视频采集通过VFw开发工具中的AVICap窗口类来实现，视频的回放通过DrawDib类来实现。视频采集与回放的流程为首先建立视频采集窗口，并与视频采集、回放设备连接，设置相关参数，然后分配内存缓冲区，进行视频采集或回放操作。4.音频、视频数据处理模块音频、视频数据处理负责对音频源、视频源获取的音频、视频信号进行编码、压缩以便于传输，同时对接收到的数据进行解码、解压，将其还原成音频、视频信号以便播放和回放，这一部分是可视IP电话的重点，因为在Internet中带宽不是很理想，所以对现有的网络而言，语音压缩技术是实施IP电话的关键。在本设计中的可视IP电话软件中，语音压缩/解压缩采用了PCM、G.723.1等算法，根据当时的网络流量来动态选用。PCM的码率为64kbps，而G.723.1是ITU一T推荐使用的中低速率编码标准，它可以实现6.3kbps和5.3kbps的语音编码，而且保证比较好的语音质量。G.723.1编码器是为人的语音优化设计的，对音乐和其它声音信号不能进行忠实描述，特别适合于IP电话。5.音频、视频数据包封装与解析模块音频、视频数据包封装与解析模块的主要功能就是把音频包、视频包和控制包封装为RTP包，或者由RTP包解析为音频包、视频包和控制包。RTP协议的实现是可视IP电话的重要组成部分。RTP保证了传送的实时性，RTCP负责控制和监视RTP及其QoS。6.音频、视频数据包的发送与接收模块音频、视频数据包的发送与接收模块的功能包括音频包、视频包的发送和接收、控制包的发送和接收。主要也是Socket编程。373 可视lP电话软件的程序流程图图3.10给出了可视IP电话软件运行时的单向的程序流程图，即单工运行的程序流程图。由于该软件工作方式为全双工，因此将服务器端程序与客户端程序融为一体，由相应事件进行触发运行。因此，每一个终端既运行服务器程序，也运行客户程序。