自适应路由调度的VOIP系统研究及实现.docx
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自适应路由调度的VOIP系统研究及实现
学校代号10532学号G02241222
分类号TP393密级公开
工程硕士学位论文
自适应路由调度的VOIP系统
研究及实现
学位申请人姓名
培养单位软件学院
导师姓名及职称
学科专业软件工程
研究方向网络工程
论文提交日期2006年11月13日
学校代号：
10532
学号：
G0*******
密级：
公开
湖南大学工程硕士学位论文
自适应路由调度的VOIP系统研究与实现
学位申请人姓名：
导师姓名及职称：
培养单位：
软件学院
专业名称：
软件工程
论文提交日期：
2006年11月13日
论文答辩日期：
2006年月日
答辩委员会主席：
教授
Researchonself-adaptiverouteschedulingforVoIPsystemsandImplementation
By
DUANran
B.E.（HunanUniversity）2001
Athesissubmittedinpartialsatisfactionofthe
Requirementsforthedegreeof
MasterofEngineering
in
SoftwareProject
inthe
GraduateSchool
of
HunanUniversity
Supervisor
Professor
Nov,2006
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
1、保密□，在______年解密后适用本授权书。
2、不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
摘要
随着信息技术的飞速发展以及互联网时代的到来，基于数据分组交换的应用日趋盛行，VOIP电话作为一种新兴的网络业务得到日益广泛地应用。
但是，由于目前IP网络状况及其所采用尽力而为的业务服务方式，使得在通话过程中普遍存在着较大的通话时延、时延抖动和一定的丢包率，从而使得VOIP电话的通话效果不能让人满意。
为降低网络时延并提高通讯质量，国内VOIP运营系统所采用的普遍做法是在运营系统与PSTN之间接驳多条冗余路由，然后依靠人为因素判断路由质量并进行路由调度以保证通话质量，但这种做法的缺点是响应速度慢、可靠性差、实现代价高。
为此，研究VOIP路由调度策略和实现算法，实现自适应的最佳路由匹配是实现高质量VOIP电话的重要手段。
本文在分析当前国内网络环境以及VOIP运营系统路由调度现状的基础上，研究实现路由自动调度的关键技术，通过在路由中嵌入负载均衡机制，运用探针定时轮询获取各路由延时、丢包率以及平均响应时间等路由参数指标，然后基于服务质量度量的自适应路由调度算法智能选取IP语音到PSTN网络之间的最佳路径，从而实现低时延、低丢包率和较小时延抖动的高质量VOIP电话。
本文最后依此思想实现了可自动路由调度的VOIP系统（来源于深圳宇科通讯技术有限公司项目）并给出了设计思路和关键模块的详细设计。
同时，通过进行两组实验，对比分析了采用自适应路由调度和传统方式的平均丢包率、抖动率等技术指标上的差异。
实验结果表明，采用自适应路由方式实现的VOIP系统可有效降低丢包率和通话时延，提高通话质量。
关键词：
路由调度；自适应；VOIP系统；路由匹配
Abstract
WiththequickdevelopmentofInformationTechnologyandtheInternet'sarrival,applicationsbasedonexchangingthedataingroupsareprevailinggradually,asanewly-cominginternetservice,VoIPisbeingwidelyusednow.Butduetothebadinternetconditionandthebest-effortmechanism,long-delay,bigdelayjitterandbigpacketlossrateaccompanywithVoIPsessions.ThequalityofVoIPsessionstillcan'tsatisfytheusers'demand.Inordertoreducedelayinnetworkandimprovethequalityofcommunication,thegeneralsolutionemployedintheVoIPsystemsathomeistocreateseveralredundantroutesconnectingbetweenitselfandPSTN（（PublicSwitchedTelephoneNetwork）,thenjudgethequalityofroutesandselectarouteschedulebymanualwork.However,thedisadvantagesofitareslow-response,low-reliabilityandhigh-costrealization.Therefore,thekeyapproachtorealizethehigh-qualityVoIPphoneistodoresearchonrouteschedulingpolicyanditsrealizationalgorithmsandtorealizeself-adaptivebestroutematching.
OnthebasisofanalyzingthedomesticnetworkconditionandexistingsituationofrouteschedulingarithmeticsinVoIPsystems,thepaperstudiesthekeyrealizationtechnologiesofroutescheduling.Forshort-delay,smallpacketlossrateandsmalldelayjitterinthehigh-qualityVoIPphone,thesolutionistoembedloadbalancemechanismsintoVoIProuting,periodicallymakeuseofprobestogettheparametersofroutes,suchasroutedelay、packetlossrateandaverageresponsetime,andthenemployaself-adaptiverouteschedulingalgorithmwhichisonthegroundofQostointelligentlyselectthebestroutebetweenVoIPsystemsandPSTN.Inordertoevaluateroutescheduling，thepaperusessomemeasuresthataretoclassifyaffairs,estimatelinkandanalyze“chess”.Asaresult,wecangetaquantitiveresultof“chess”.Afterthat,foraquantitiveanalysisoftherouteschedulingalgorithminthetermsofeconomy,weneedtochangetheresultintothe“chess”poweroflink.
Intheend,thepapermakestheVoIPsystemwhererouteauto-schedulingisrealizedcometrueaccordingtotheaboveidea（TheVoIPsystemisrootedintheprojectfromthecompanyofShenzhenUnitechCommunication）.Besides,thedesignrouteanddetaileddesignofkeymodulesarepresented.Atthesametime,anexperimenthasbeendone.Intheexperiment,Icomparethenewwaywiththetraditionalonebysomecriteria,suchas,averagepacketlossrateanddelayjitterrate.TheexperimentresultshowsthatIgainmyendsbythenewmethod.Comparedwiththetraditionalwaysofschedulingbyhandworkorhalf-handwork,thenewoneusetheroutediscoverymechanisminmaturePSTNforreference，andoptimizeperformancesofstaticroute，soitdoesbetterinresponsetimeanddelayjitter。
Keywords:
routeschedulingself-adaptive;VOIPsystemsroutematching
目录
摘要II
AbstractIII
插图索引VII
附表索引VIII
第1章 绪论1
1.1课题背景1
1.1.1VOIP发展历史2
1.1.2IP电话路由的相关问题3
1.2VOIP研究现状5
1.2.1国内外研究现状5
1.2.2国内外研究现状分析6
1.3本文的主要研究工作7
1.4论文的内容和结构安排7
第2章VOIP的相关技术9
2.1VOIP的原理及关键技术9
2.2信令协议10
2.2.1H.323协议10
2.2.2SIP协议11
2.2.3MGCP协议11
2.3语音编码技术12
2.3.1三种协议比较12
2.4媒体实时传输技术13
2.4.1RTP协议13
2.4.2RTCP协议13
2.5IPQos标准13
2.5.1Inserv13
2.5.2MPLS14
2.5.3Diffserv14
2.6小结14
第3章基于服务质量度量的自适应路由调度算法15
3.1VOIP路由调度判断因素15
3.1.1带宽15
3.1.2延时15
3.1.3抖动16
3.1.4分组丢失17
3.1.5通话时长17
3.2参数指标测量18
3.2.1相关指标参数18
3.2.2时延、抖动测量方法介绍19
3.2.3话音质量测量19
3.3自适应路由调度方法20
3.3.1服务质量的度量20
3.3.2呼叫路由接入算法21
3.3.3自适应路由调度算法23
3.3.4自适应算法中的负载均衡处理24
3.3.5自适应调度算法经济性分析25
3.4小结26
第4章自适应路由调度的VOIP系统设计27
4.1项目背景27
4.2UTS系统总体结构27
4.3系统详细设计28
4.3.1UTS功能模块划分28
4.3.2VOIP系统架构29
4.3.3UTS路由调度模块设计30
4.3.4路由调度典型代码分析33
4.4系统典型界面35
4.5小结36
第5章实验数据分析37
5.1系统实际运行情况37
5.2实验步骤37
5.3实验数据对比分析38
5.4小结39
结论40
参考文献42
附录A攻读硕士学位期间主要的研究成果45
致谢46
插图索引
图2.1VOIP语音传输原理…………………………………………………………9
图3.1…………………………………………………………………………………
图3.2服务质量与时延及丢包率比例关系……………………………………17
图3.3路由呼叫流程……………………………………………………………22
图3.4呼叫路由与拨号串链路……………………………………………………23
图3.5路由查询流程………………………………………………………………24
图4.1VOIP运营系统结构图………………………………………………………28
图4.2系统功能结构图……………………………………………………………28
图4.3系统架构示意图……………………………………………………………30
图4-4路由调度流程………………………………………………………………31
图4-5典型路由调度流程图………………………………………………………31
图4-6路由调度参与类图…………………………………………………………32
图4-7呼叫路由顺序图……………………………………………………………32
图4-8呼叫路由参与类图…………………………………………………………33
图4-9管理员界面…………………………………………………………………35
图4-10路由调度界面截图………………………………………………………35
图4-11路由状态界面截图…………………………………………………………36
图4-12路由历史界面截图…………………………………………………………36
图5-1路由包丢失率走势图………………………………………………………37
附表索引
表1.1总结了三种IP电话路由方法的基本特点……………………………………7
表3.1延时计算方法…………………………………………………………………16
表5.1实验环境配置表………………………………………………………………38
表5.2执行效率对比分析表…………………………………………………………38
第1章 绪论
近年来，Internet以惊人的速度在全球范围内取得了超乎寻常的发展，以传统www服务为核心的数据业务的发展速度令人为之侧目。
与此同时，以IP电话技术为核心的实时数据业务也同样获得了蓬勃的发展[1]。
与传统的以电路交换为特征的PSTN电话网络相比，IP电话网络具有价格低廉，便于运营商拓展业务以及异构电话网络间互操作性强等巨大优势，预计在不远的将来，全球实时数据业务量将超过传统电信业务量。
现阶段Internet传送内容己经从单纯的数据业务进入包括声音和图象在内的多媒体领域，在这样一个网络平台上实现全球的多媒体信息实时通信己经被证明是现实的，传统的计算机网络和电信网络壁垒分明的界限已经被打破。
以IP电话为核心的实时数据业务的发展不仅是对现阶段数据网络发展的有益补充，更为重要的是，在下一代网络NGN技术中，它将是促成数据网络、电信网络以及广播电视网络最终走向融合的原推动力之一。
从现阶段的IP电话应用来看，IP电话网络必须遵循统一的通信协议簇，它们是IP电话实现全网互通、走向商用的关键[2][3][4]。
一般来说，一个基本的IP电话通信协议簇包括了三部分:
话音通信控制协议、话音信息传输协议和实时传输和控制协议。
除了以上三个IP电话技术必不可少的基本通讯协议簇以外，在未来，尤其是在NGN环境下的IP电话技术的一个全新的协议簇组成部分:
IP电话路由协议簇。
虽然现有的IP电话通信协议簇对于IP电话应用来说己经显得相当完善，但是即使如此IP电话网络在进行全球覆盖时，仍然不可避免地面临着严峻的考验[5]。
众所周知，无论采用何种IP电话技术体系，都存在一个与现有的大规模PSTN网络进行互通的问题。
在H.323标准中互通设备是H.323网关，在SIP标准中互通设备是SIP网关，在下一代网络中这种互通设备将演进为软交换设备Softswitch。
为了配合IP电话进行全球覆盖并与现有的PSTN网络进行互通，必须在PSTN与IP电话网络边缘部署尽可能多的IP电话网关或Softswitch。
但是，虽然这样做可以使以语音为基础的电信服务得到无缝覆盖和透明传输，但是网关数量的膨胀同样带来了网关管理上的巨大困难与挑战[6][7]。
在这其中，网关的定位，也称作网关选择，IP电话路由选择，网关发现或网关路由是最难以解决的问题。
1.1课题背景
IP电话（IPPhone）泛指在以IP（InternetProtocol）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IP上传送话音。
由于计算机网络采用的都是分组交换技术，其传送的数据单元都是由控制部分和数据部分封闭而成的独立的数据包，通常称之为“分组”，因此从更一般的意义上来说，VOIP属于分组话音通信的范畴。
从技术上说，IP电话则是以IP为标志的网络分组化和以多媒体为目标的网络业务综合两大主流技术融合的结果。
经过几年的发展，随着全球宽带业务的发展，IP接入网络规模在快速膨胀，而技术的发展也使IP话音服务质量得到持续改进，这些都为VoIP最终能够大规模进入商用市场奠定了基础。
IP电话成为信息技术进步带来的一项新型电话业务在全世界开展，并对传统电话业务形成越来越大的威胁。
不过，IP网络本身并非为实时业务而设计，而构建或是将现有资源融合使其具有此类特性的IP承载网络需要巨额的资金，这可不是新型的“虚拟运营商”们所能承受和想象的。
其次又加之缺乏统一的信令控制标准，每个商家都按照自己的理解进行研发，信令控制方面迄今存在着多种很难互操作的制式。
所以IP网络承载和业界标准难以统一给IP电话业务带来的最主要也是最特殊的问题就是服务质量问题。
1.1.1VOIP发展历史
1995年2月以色列VocalTec公司首先研制出可以通过Internet网打长途电话的软件：
InternetPhone。
用户只要在多媒体PC机上安装该软件，就可以通过Internet网和任何地方安装同样软件的联机用户进行通话[7]。
话音利用基于路由器／分组交换的IP（Internet／Intranet）数据网进行传输。
由于Internet中采用“存储一转发”的方式传递数据包,并不独占电路,并且对语音信号进行了很大的压缩处理,因此IP电话占用带宽仅为8kbit／S－10kbit／S,再加上分组交换的计费方式与距离的远近无关,自然大大节省了长途通信费用。
这项技术的出现引起全世界的瞩目，其背后的无限商机也使许多公司比如微软、IDT、NetSpeak、英特尔等都进行了此项技术的研究，从而使IP电话技术得到迅速发展，由于当时这种应用只限于在Internet上使用，人们把这种在Internet上实现电话业务称为Internet电话，使用者大多数是Internet上的网迷，语音质量基本没有保证，技术还不完全成熟，人们对它的认识也比较稚嫩。
1994年Intel和Picturetel联合提出了H.323协议，1995年国际电联（ITU）颁布的H.323基本上是一种兼顾传统呼叫流程和IP网特点发展而来的成熟的开放标准体制。
H.323定义了网络传输中的四种基本的构成单元：
终端、网关、关守和多点控制器（MCU）。
它的特别之处是吸取了许多电信网的组网、互联和运营经验，能够与PSTN（传统电话网），以及其他数据业务和应用网互联互通。
H.323协议的统一为IP电话打下了坚实的基础。
IETF出版RFC1633（IntegratedServicesintheInternetArchitecture:
anOverview），标志IntServ出现。
IETF出版RFC2475（AnArchitectureforDifferentiatedServices），标志DiffServ出现。
1997年，以Cisco公司为首的几家公司提出了MPLS（MultiprotocolLableSwitch）技术。
MPLS技术产生的初衷就是为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的IP路由技术各自的优点。
现在，MPLS已成为实现TE（TrafficEngeering）的重要手段，并且与DiffServ结合成为提供QoS的重要手段。
这三种Qos主要技术的确立正式宣布了Voip与已有PSTN之间的交互取得了突破，此时的IP电话可以称为真正的宽带电话了，即VoiceOverIP。
由VoiceoverIP的字面意义，可以直译为透过IP网络传输的语音讯号或影像讯号，所以VoIP就是一种可以在IP网络上互传模拟音讯或视讯的一种技术。
简单地说，它是藉由一连串的转码、编码、压缩、打包等程序，好让该语音数据可以在IP网络上传输到目的端，然后再经由相反的程序，还原成原来的语音讯号以供接听者接收。
进一步来说，VoIP大致透过5道程序来互传语音讯号，首先是将发话端的模拟语音讯号进行编码的动作，目前主要是采用ITU-TG.711语音编码标准来转换。
第二道程序则是将语音封包加以压缩，同时并添加址及控制信息，如此便可以在第三阶段中，也就是传输IP封包阶段，在浩瀚的IP网络中寻找到传送的目的端。
到了目的端，IP封包会进行译码还原的作业，最后并转换成喇叭、听筒或耳机能播放的模拟音讯。
在一个基本的VoIP架构之中，大致包含4个基本元素：
（1）媒体网关器（MediaGateway）：
主要扮演将语音讯号转换成为IP封包的角色。
（2）媒体网关控制器（MediaGatewayController）：
又称为GateKeeper或CallServer。
主要负责管理讯号传输与转换的工作。
（3）语音服务器：
主要提供电话不通、占线或忙线时的语音
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