VoIP多功能语音通信研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.4MB 73 页 15积分

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摘要

所谓 VoIP(Voice over Internet Protocol)，即网络电话，原理就是将采集的模拟

声音讯号数字化，以数据封包转发的形式在 IP 网络进行语音讯号的传输，通俗来

说也就是互联网电话、网络电话或者简称 IP 电话的意思。VoIP 技术是目前互联网

应用领域的一个热门话题，成为近年来全球互联网与电子商务十大趋势之一。

现在使用的标准 VoIP 有自己编码方式，即脉冲编码调制 PCM（Pulse Code

Modulation），它直接对语音进行模/数（A/D）转换，采集的比特率为 64Kbps，由

于传统 VoIP 使用集成化方式运用，这就限制了它的运算能力是有限的，不可能对

A/D 转换后的数据进行再加工，这就造成了它占用的带宽比较大，而且语音数据

很容易被截取、窃听。

本文着重于 P2P 方式下 VoIP 多功能语音通信研究与实现，它运用 PC 强大的

运算能力，对采集的语音数据进行压缩、加密以后再分包转发，数据报到达目的

PC 之后再组包、解密、解压缩，再形成语音数据，最后播放出来。

首先本文着重讨论了 PC 之间连接技术，这里涉及到客户端服务器之间以及

多个客户端之间的连接技术，最重要的是各方通信协议的设定，显然这个协议应

该在应用层进行设定，而且这个协议的设定要既能符合 VoIP 应用，又能符合国际

通用标准。其中包括主叫方客户端获取被叫方客户端的 IP 地址的方法，客户端与

服务器保持通信的方式，客户端之间的通信策略、语音数据传送策略。当然在通

信技术方面，服务器服务大量客户端所采用的技术和策略也是本文探讨的重点。

其次是数据压缩技术，本文着重研究 Huffman 编码用于语音数据压缩的策略，

着重研究了语音数据无损压缩方法，以及在不显著降低压缩比的同时，为了提高

语音数据压缩、解压的速度，本文提出了采用不等长 Huffman 编码作为语音数据

的压缩方法，从而获得了最大性能，也产生了不错了压缩比。

最后本文研究了大块数据的加密，大块数据的加密就是要保证安全的同时一

定要提高数据加密的效率，本文在探讨了 DES、RSA 这两种目前比较流行的加密

算法后，提出采用改进的 DES 加密算法对语音数据进行加、解密。

本文主要是讨论如何实现一个 PC 间的 VoIP 系统，在这个系统设计过程中对一些

常规技术运用进行了改进，以便使其更能适合本系统的应用，并且提供大量的开

发代码，使其的实用性得以体现。

关健词：VoIP 协议 IOCP 语音数据哈夫曼压缩 DES RSA 加密

ABSTRACT

The so-called VoIP (Voice over Internet Protocol), is that the principle is the analog

voice signals to digital packets of data transmitted in the form of IP networks for voice

signal transmission, which is popular for Internet telephony. VoIP technology is a hot

topic in the current Internet applications. As the global Internet and e-commerce in

recent years, VoIP technology is one of the top ten trends.

Now use the standard VoIP has its own encoding. It is PCM (Pulse Code

Modulation), which direct voice to A/D conversion, and acquisition of bit rate use

64Kbps. The standard VoIP use integrated mode, which computing power is limited,

can't do data re-processing after the A/D converted. So it must use more bandwidth of

net, and the voice data can easily be intercepted and tapped.

This paper focuses on the P2P mode of VoIP voice communication and

implementation of multi-function, it uses the PC's computing power, and the collected

voice data will be compressed, encrypted, later sub-forwarded. When the data arrived at

the destination PC, it will be packaged, decrypted, extracted, then formed voice data and

played out.

First, this study focused on the connection technology between PC, and it involves

the connections technology between the client and server, and between multiple clients.

The most important is setting communication protocol. This protocol should be the

application layer set, and it should not only meet the VoIP application set, and meet the

international standard, including the method of the calling party client getting the called

party client's IP address, the means of the client and server to maintain communication,

the strategy of communication between the clients, and the strategy of voice and data

transmission. Of course the technology and strategy which server service used by a

large number of client is one focus of this paper.

Second, this paper focuses on strategies for voice data compression using Huffman

coding, and focused on lossless compression method of voice data. In order to improve

the voice data compression and decompression speed and does not significantly reduce

the compression ratio, this paper proposed using Huffman coding with unequal length

as the voice data compression method to gain the maximum performance, also had a

better compression ratio.

Finally, the bulk data encryption is that when ensure encrypting data we must

improve the efficiency. This paper discusses the both currently popular encryption

algorithm, and they are DES and RSA. In order to encrypting and decrypting voice

data quickly, this paper suggested using the improved DES encryption algorithm.

This paper mainly discussed how to implement VoIP system between PC. The

design process in this system used some conventional technology and has improved

them to make it more suitable for the system application. The system provided a lot of

development code, and it's useful actually.

Key word: VoIP, protocol, IOCP, voice data, Huffman, compression,

DES, RSA, encryption

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题研究背景 ............................................... 1

§1.2 非 P2P 的 VoIP 简介 .......................................... 1

§1.3 PC 实现 VoIP 的优势 .......................................... 2

§1.4 研究内容 ................................................... 4

第二章认证及通信协议 ................................................ 5

§2.1 认证 ....................................................... 5

§2.2 通信 ....................................................... 6

§2.2.1 通信协议 .............................................. 7

§2.2.2 通信技术 .............................................. 8

§2.2.2.1 非语音数据通信技术 ............................... 8

§2.2.2.2 语音数据通信技术 ................................. 9

§2.2.2.3 保持连接的通信技术 .............................. 10

§2.3 客户端连接策略 ............................................ 12

§2.3.1 呼叫方特有策略 ....................................... 12

§2.3.1.1 呼叫 ........................................... 12

§2.3.1.2 发起会议 ....................................... 14

§2.3.1.3 请出会议 ....................................... 15

§2.3.1.4 终止会议 ....................................... 15

§2.3.2 接听方特有策略 ....................................... 16

§2.3.2.1 接听/拒绝 .......................................... 16

§2.3.2.2 退出会议 ....................................... 17

§2.3.3 暂时挂起 ............................................. 17

§2.3.4 恢复通话 ............................................. 18

§2.3.5 挂断 ................................................. 18

§2.4 数据传送策略 ............................................... 19

§2.4.1 数据报协议设计 ....................................... 19

§2.4.2 优化网络延迟 ......................................... 20

§2.5 相关代码 ................................................... 21

第三章客户端服务端数据交互 IOCP .................................... 25

§3.1 IOCP 简介 .................................................. 25

§3.1.1 IO 简介 .............................................. 25

§3.1.2 IOCP 原理 ............................................ 27

§3.2 IOCP 运用范围 .............................................. 28

§3.3 使用 IOCP 需解决的问题 ..................................... 29

§3.3.1 信息定位 ............................................. 29

§3.3.1.1 客户端信息定位 .................................. 30

§3.3.1.2 数据信息定位 .................................... 30

§3.3.2 系统资源限制 ......................................... 31

§3.3.2.1 页面锁限制 ...................................... 32

§3.3.2.2 非页面池限制 .................................... 33

§3.3.3 报文预处理 ........................................... 34

§3.3.3.1 数据包重排序 .................................... 34

§3.3.3.2 报文提取 ........................................ 35

§3.3.4 实验结果与分析 ....................................... 35

§3.4 相关展示 ................................................... 36

第四章语音数据压缩 ................................................. 38

§4.1 Huffman 算法简介 ........................................... 38

§4.1.1 Huffman 算法原理 ..................................... 38

§4.1.1.1 符号概率统计 .................................... 39

§4.1.1.2 Huffman 树 ...................................... 40

§4.1.1.3 Huffman 编码原则 ................................ 42

§4.1.2 Huffman 算法步骤及特点 ............................... 44

§4.2 对大块数据压缩的改进 ....................................... 45

§4.2.1 EHA 简介 ............................................. 46

§4.2.1.1 EHA 压缩过程 .................................... 46

§4.2.1.2 EHA 解压过程 .................................... 47

§4.2.2 决定源编码长度 ....................................... 47

§4.3 对语音数据压缩的改进 ....................................... 48

§4.3.1 模拟语音数字化 ....................................... 48

§4.3.2 语音数据特点 ......................................... 50

§4.3.3 改进 ................................................. 50

§4.4 相关代码 ................................................... 50

第五章语音数据加密 ................................................. 53

§5.1 基础加密算法简介 ........................................... 53

§5.1.1 DES 算法 ............................................. 53

§5.1.2 RSA 算法 ............................................. 56

§5.2 基础加密算法特性比较 ....................................... 57

§5.2.1 安全性 ............................................... 57

§5.2.2 复杂度 ............................................... 58

§5.2.3 性能 ................................................. 59

§5.3 加密算法改进 ............................................... 59

§5.3.1 语音数据加密特点 ..................................... 60

§5.3.2 基于 DES 算法语音数据加密 ............................. 60

§5.4 相关代码 ................................................... 61

第六章结束语 ....................................................... 63

参考文献 ............................................................ 65

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 68

致谢 ............................................................... 69

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

自从贝尔 1876 年发明电话以来，发展至今语音通信方式已经发生了翻天覆地

的变化。现在还在使用的基于贝尔电话方式的是 PSTN( Public Switched Telephone

Network )网络系统，即公共交换电话网络系统，它是一种全球语音通信电路交换

网络。它是一种模拟电话线路，是针对话音频率 30-4000Hz 而优化设计的，使通

过模拟电话线路的数据传输速率被限制在 33.4Kbps 以内[1]。它所使用的也是一种

有连接语音通信方式。

PSTN 电话语音通信系统曾经为人们的生活、商业提供了不少便利，但是随着

时间的推移，它的高费用（特别是长途电话）、低效率、语音质量不高、安全无保

障等问题也不断涌现。随着 Internet 技术的不断发展，基于 PSTN 的交换网络的建

设、网络带宽的增加，使的无连接、分组交换的数字电话语音通信成为可能。

正好在金融全球化浪潮中，跨市、跨省、跨国企业迅猛发展，各分公司之间

以及分公司与总部之间的语音交流必定成级数增长。与此同时经济在发展，社会

在进步，出差、旅游成了家常便饭，各国人员往来频繁，这也增加了长途语音交

流的次数。众所周知，目前的电话线路的语音通信价格高昴，加大了企业与个人

的长途语音通信的成本，必定制约了企业的做强、做大，也制约了个人与世界交

流的机会。

VoIP 正是在这种背景下发展壮大的，它能够使全球各地的语音通信“零”

成本成为可能。

随着技术的不断发展，传统 VoIP 技术也表现了其局限性，基于传统 VoIP 技

术的外延研究也在快速展开。本文研究范围正是基于传统 VoIP 技术，而用 PC 实

现VoIP 技术的一种方式。

§1.2 非P2P 的VoIP 简介

VoIP (Voice over Internet Protocol)狭义上说就是用 IP 技术传输语音，广义上说

就是 IP 电话，并在其上提供增值服务业务的技术[2]。它是建立在分组交换技术、

数字化传输技术基础之上的语音通信技术，它的基本原理就是：首先使用语音收

集工具采集模拟语音信号，再通过 A/D（模/数）转换模块把采集的模拟信号转换

VoIP 多功能语音通信研究与实现

成数字信号，然后采用某种编码方式把数字信号变为数据，最后把数据分包，通

过交换网络分组交换把数据包传递到接收端。接收端收到数据后先按序号串连数

据，然后按上述逆方式，获得语音数字信号，最后通过 D/A（数/模）转换模块把

语音数字信号变成模拟信号，并通过语音播放设备播放出来[3]。原理图如图 1.1 所

示。

图1.1

目前 VoIP 技术还没得到普及发展，但是这种更先进、更可靠的新兴语音通信

技术取代传统语音通信技术是不可逆转的。VoIP 的到来不仅改变了语音业务的承

载和传输技术，还极大地冲击了运营的商业模式，带来了新的产业价值链的形式

和传统主地的动摇。VoIP 利用低成本、低资费的优势，给传统主地的固定电话、

移动电话构成了强烈冲击，从传统的通信运营商中攫取大量市场经济份额。VoIP

不仅因为能给普通个人消费者提供低资费、高质量的通信服务，也为中小企业实

现综合语音和数据业务的经济提供有效的解决方案。降低了企业运营成本，同时

也让计算机互联网宽带得到了更为充分的利用。

传统 VoIP 从2002 年面世以来，得到了长足发展，但是由于其设计初期的定

位、网络技术的不完善以及相关制度没有建立，也就造成了目前 VoIP 技术还存在

部分缺陷。比如它的集成化运用，就造成占带宽高，安全无保障。再由于网络自

身及法制的原因，造成 DOS 攻击、病毒、蠕虫、特洛伊木马、数据包嗅操、垃圾

邮件、网络钓鱼等网络安全问题仍然存在。这些问题直接影响甚至制约了 VoIP 的

发展和普及，因此对 VoIP 技术进行延伸性研究势在必行。

§1.3 PC 实现 VoIP 的优势

传统 VoIP 由于是集成化应用，因此在目前状况下它的运算能力受到严重制约。

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摘要：

摘要所谓VoIP(VoiceoverInternetProtocol)，即网络电话，原理就是将采集的模拟声音讯号数字化，以数据封包转发的形式在IP网络进行语音讯号的传输，通俗来说也就是互联网电话、网络电话或者简称IP电话的意思。VoIP技术是目前互联网应用领域的一个热门话题，成为近年来全球互联网与电子商务十大趋势之一。现在使用的标准VoIP有自己编码方式，即脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation），它直接对语音进行模/数（A/D）转换，采集的比特率为64Kbps，由于传统VoIP使用集成化方式运用，这就限制了它的运算能力是有限的，不可能对A/D转换后的数据进行再加工，这就造...

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