IP電話的TCP和IP協(xié)議的實現(xiàn)方法

1、IP電話的TCP和IP協(xié)議的實現(xiàn)方法摘要：在介紹實現(xiàn)IP電話基本原理的基礎(chǔ)上，詳細闡述IP電話的TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)過程，并簡要描述1次通話的全過程。 引 言隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機通信系統(tǒng)已漸漸地與網(wǎng)絡(luò)連為一體了，個人計算機的功能得到了極大的增強；與此同時，人們的需求在不斷增加，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍也在不斷擴寬，網(wǎng)絡(luò)電話離人們的生活也越來越近了。尤其是當(dāng)人們正試圖將網(wǎng)絡(luò)改造成能進行實時通信的全球信息高速公路的雛形時，它作為一種新的話音業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為研究和開發(fā)的熱點。1 IP電話的實現(xiàn)原理普通電話通過信令來控制用戶的呼叫建立、連接、通話、釋放連接等過程。與此類似，IP電話也必須通過電話信令來

2、控制這些過程，即IP電話要傳送2類數(shù)據(jù)：信令數(shù)據(jù)和語音數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的PSTN電話所不同的是，IP電話是通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸?shù)?。它通過分組交換的方式來實現(xiàn)，因此TCP/IP協(xié)議是其所應(yīng)遵守的基本協(xié)議。但是TCP/IP協(xié)議是一個龐大而復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，幾乎涵蓋了網(wǎng)絡(luò)上所有的應(yīng)用，對于IP電話這一特定的應(yīng)用，實現(xiàn)整個TCP/IP協(xié)議是完全沒有必要的。所以在實現(xiàn)的過程中，可以針對電話這一特定的要求簡化TCP/IP協(xié)議。圖1是一個簡化了的TCP/IP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)示意圖。圖1在遵循OSI的7層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對TCP/IP協(xié)議機制進行了適當(dāng)?shù)暮喕?。在網(wǎng)絡(luò)接口層，基于帶寬及接口復(fù)雜程度的考慮，我們選擇Ethern

3、et網(wǎng)卡作為接入網(wǎng)絡(luò)的接口，并采用ARP的方式對電話進行尋址。網(wǎng)絡(luò)層仍然用IP數(shù)據(jù)報的方式封裝從上層傳來的數(shù)據(jù)包，它包括傳輸層的UDP及ICMP兩種數(shù)據(jù)包，這兩種數(shù)據(jù)包分別傳送信令數(shù)據(jù)和語音數(shù)據(jù)。與TCP的傳輸方式相比，UDP的傳輸方式在網(wǎng)絡(luò)壓力不太大的情況下傳輸效率會更高。圖2是IP電話的實現(xiàn)框圖：以單片機為核心，包括存儲、輸入輸出、與網(wǎng)絡(luò)的接口及語音的編解碼部分。2 TCP/IP協(xié)議的設(shè)計根據(jù)IP電話實現(xiàn)的基本原理，可以將TCP/IP協(xié)議固件分為以下4個模塊來實現(xiàn)。（1）ARP模塊ARP模塊主要實現(xiàn)對電話的尋址功能。在網(wǎng)絡(luò)中，IP電話同計算機一樣，每個IP電話對應(yīng)1個IP地址，用戶每次建立

4、連接之前首先要獲得電話的IP地址及物理地址。在局域網(wǎng)中，為了減輕單片機的負擔(dān)，可以在服務(wù)器中給用戶建立電話號碼與IP地址及物理地址的對應(yīng)。用戶建立連接之前，主叫用戶首先給服務(wù)器發(fā)送1個ARP請求，與服務(wù)器取得聯(lián)系，進而再發(fā)送ICMP請求。服務(wù)器將用戶所需的對方的IP地址及物理地址放到ICMP包中，形成應(yīng)答發(fā)送給主叫用戶。ARP包的首部采用結(jié)構(gòu)的方式來封裝，一個ARP的頭結(jié)構(gòu)ARPKT如下：typedef structWORD hrd， /* 硬件類型 */pro; /* 協(xié)議類型 */BYTE hln, /*物理地址長度*/pln; /* IP地址長度*/WORD op; /* ARP操作字段

5、*/BYTE smacMACLEN; /*源物理地址*/LWORD sip; /* 源IP地址*/BYTE dmacMACLEN; /* 目的物理地址*/LWORD dip; /* 目的IP地址 */ ARPKT;（2）IP模塊IP模塊主要實現(xiàn)對電話信令和語音數(shù)據(jù)的傳輸。在一個物理網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)報可以直接從一個IP電話傳送到另一個IP電話，因此不必考慮間接投遞的問題。當(dāng)IP電話要傳送電話信令或語音數(shù)據(jù)時，IP層對ICMP或UDP包進行封裝，進而傳遞給物理層形成幀發(fā)送出去。當(dāng)IP數(shù)據(jù)報到達IP電話時，網(wǎng)絡(luò)接口軟件把它傳給IP軟件處理。如果其中的目的地址與自己的IP地址匹配，則接收該數(shù)據(jù)報并上傳給合

6、適的高層協(xié)議；如果不匹配，則丟棄該數(shù)據(jù)報。IP數(shù)據(jù)報的頭部采用結(jié)構(gòu)的形式進行封裝，一個IP數(shù)據(jù)報的頭部結(jié)構(gòu)如下：typedef structBYTE vhl, /*版本及首部長度*/service; /*IP服務(wù)類型*/WORD len, /*IP數(shù)據(jù)報總長度*/ident, /* 標(biāo)識 */frags; /*標(biāo)志 */BYTE ttl, /*生存時間*/pcol; /*數(shù)據(jù)區(qū)所用的協(xié)議*/WORD check; /*首部校驗和*/LWORD sip, /* IP源地址*/dip; /*IP 目的地址*/ IPHDR;（3）ICMP模塊ICMP模塊主要實現(xiàn)對電話信令的封裝。ICMP包可分為2種

7、：ICMP請求和ICMP應(yīng)答。ICMP請求包括2種情況：向服務(wù)器發(fā)送請求獲取對方用戶的IP地址及物理地址和向?qū)Χ擞脩舭l(fā)送請求進行通話連接。相應(yīng)的ICMP應(yīng)答也有2種：服務(wù)器發(fā)送的應(yīng)答和普通用戶的應(yīng)答。主叫用戶與服務(wù)器取得聯(lián)系后，向服務(wù)器發(fā)送1個ICMP請求并等待應(yīng)答，從服務(wù)器的應(yīng)答中獲取對方的IP地址和物理地址，然后再向?qū)Χ税l(fā)送1個ICMP請求包，從叫用戶收到主叫用戶的請求，做出應(yīng)答。ICMP包的格式如圖3所示。用數(shù)據(jù)區(qū)的第1個字節(jié)來標(biāo)識2種情況：若第1個字節(jié)全為零，則在后面的數(shù)據(jù)區(qū)域中可填入IP地址及物理地址。若不全為零，則第1個字節(jié)為電話信令。電話信令可以自己定義，按照程控交換機的技術(shù)規(guī)范

8、，只需要以下一些基本信令即可：Req-ID 請求對應(yīng)IP地址 Ethernet ID號；Req-conn 請求連接；Conn-In 連接指示；Req-lease 請求釋放；Lease-In 釋放指示；Acknowledge 應(yīng)答；ID_In ID 指示。（4）UDP 模塊UDP模塊主要實現(xiàn)對語音數(shù)據(jù)的封裝。在用戶已經(jīng)確定建立連接之后，將編碼后的語音數(shù)據(jù)放在UDP的數(shù)據(jù)區(qū)域中進行傳送。一個UDP的數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。它包括16bit的源地址、16bit的目的地址、16bit的報文長度及16bit的校驗和。為了保證語音數(shù)據(jù)的質(zhì)量及傳輸效率，數(shù)據(jù)區(qū)域的長度應(yīng)適當(dāng)選擇，不宜過大或過小。3 IP電話的

9、呼叫過程整個IP電話的呼叫流程可分為3部分：連接階段、通話階段、拆線階段。（1）建立連接階段在空閑狀態(tài)下，CPU一直循環(huán)檢測是否有摘機或其它用戶呼入的信號。用戶摘機時， CPU檢測到摘機信號，就發(fā)送撥號音給用戶并準(zhǔn)備接收用戶所撥的電話號碼。待號碼收齊后，CPU給服務(wù)器發(fā)送ARP請求，收到服務(wù)器的應(yīng)答后再發(fā)送ICMP請求，從服務(wù)器的ICMP應(yīng)答中獲取對端的IP地址及物理地址，然后開始發(fā)起呼叫。通過ICMP包送到Ethernet，等待被叫用戶回應(yīng)，如果等待一段時間，用戶未回應(yīng)，說明用戶不在或線路故障，給用戶送忙音；如果被叫用戶回應(yīng)，就給話筒送回鈴音，同時被叫用戶一方振鈴；若被叫久不摘機，被叫停止振

10、鈴，并發(fā)ICMP消息給主叫用戶拆線，主叫用戶收到此消息，送忙音，等待主叫用戶掛機；如果被叫用戶在規(guī)定時間內(nèi)摘機，則停止送振鈴音，并用ICMP應(yīng)答信號，通知主叫用戶，被叫已應(yīng)答，主叫用戶收到此消息，停止送鈴音，通話開始。（2）通話階段進入通話階段，主叫用戶就開始發(fā)送話音數(shù)據(jù)的IP包。具體過程如下：首先，將編碼后的語音數(shù)據(jù)進行接收，并按照UDP進行封裝，再封裝成IP包送往Ethernet；同時，將Ethernet Card接收到的語音IP包進行拆包，并按一定節(jié)拍將解封語音數(shù)據(jù)進行解碼，從而將被叫用戶的話音送到聽筒，將話筒的話音送到被叫方。被叫用戶在通話階段與主叫用戶通話階段所處理的過程完全相同。（3）拆線階段當(dāng)雙方通話階段結(jié)束時，如果主叫先掛機，CPU檢測了掛機信號，就經(jīng)被叫方送拆線信號ICMP。被叫方收到此拆線信號，就給被叫方送忙音，提醒被叫方掛機。如果被叫方掛機，就經(jīng)主叫方送1個釋放應(yīng)答信號，并停止送忙音，這次通話就宣告結(jié)束。相反地，如果被叫方先掛機，其處理過程與上面是相同的。1次通話過程結(jié)束后，雙方進入空閑狀態(tài)，CPU再進行循環(huán)檢測是否有摘機以及其它用戶呼入的信號，然后重復(fù)上面的處理過程。結(jié)束語本設(shè)計方案將傳統(tǒng)電話的實現(xiàn)方式與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，