VoIP网络电话语音通话质量QoS的研究与实现

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3.0 高德中 2024-11-19 10 4 1.86MB 68 页 15积分
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摘要
随着计算机和网络技术的快速发展，以多媒体通信为主体的信息网络已经成
为受人们所关注的热点。基于TCP/IP 的网络技术不但无可争辩的成为数据领域的
主导技术，而且已经开始进入电信领域，IP网络电话(VoIP：Voice over IP)的成功
开发和应用预示了以IP 为基础的新一代信息网络的出现。
与传统电话相比，VoIP有一个致命的缺点，就是语音服务质量无法得到保证。
这是由于IP网最初设计的目的是为传输数据，采用的是面向无连接的“尽力而
为”的传输体制；而实时语音数据和普通数据有着不一样的特性，实时语音数据
要求网络传输能保证较高的实时性和连续性。如何在一个无连接的网络上建立一
个提供综合业务的有质量保证的传输平台，如何提高VoIP的语音质量成为近年来
研究的热点。本文以基于SIP信令协议的IP电话为研究对象，从应用层和网络层两
个方面来探讨如何保证VoIP的质量，希望能在现有网络基础上为用户提供优质的
VoIP服务。
文中首先阐述了IP电话的技术背景和发展前景，分析了影响IP电话服务质量
的典型因素，主要是时延、抖动以及丢包率。从应用层和网络层两个方面去讨论提
高VoIP的Qos的方法。在应用层上通过收集RTP/RCTP提供的网络信息，估计出当
前网络的状况，是否存在阻塞，从而采取尽可能的措施改进质量。并通过实现
RTP/RTCP协议栈结合系统应用层QoS控制策略，在Linux操作系统上实现了基于
开源项目VOCAL系统的企业级VoIP系统中实时语音传输过程的重构。在网络层上
讨论了当前两种在网络层上提供QoS的技术(综合服务模型IntServ，以及差分服务
模型DiffServ)以及它们存在的优缺点。着重分析了差分服务(DiffServ)的体系结构，
并提出了只在网络的主干瓶颈上的路由器实施DiffServ，既减少了对现有网络的
改动降低了运营成本，又能为VoIP等实时性较强的通信流提供一定的QoS保障。
在文章的最后建立了该方案的仿真模型，并在NS(Network Simulator)模拟平
台上进行模拟实验。模拟实验表明，从网络平均丢包率、延迟及抖动三个评价指标
来看，该方案与尽力而为服务方案(网络中采用尽力而为服务)相比能够为VoIP提
供更好的QoS。
关键词： IP网络电话 服务质量 差分服务 网络仿真器NS2
ABSTRACT
With the development of computer and network technology, the Multi-media based
information network become the current research hot spot. VoIP( Voice over the
Internet Protocol) Telephony as the provision of telephone-like services over the
Internet,is considered as one of the goals of the next generation network (NGN).
Comparing with the common telephone technology, however, there are a number of
barriers to keep it from more widespread use. The most prominent among them is the
poor quality of voice connections on the Internet. Designed to handle non-real time data
traffic, Internet can only provide "best effort" service which cannot satisfy the Quality
of Service requirement for carrying voice and video. How to improve its real-time
capability so that the QoS of communication can be guaranteed is a critical technique
issue and one of the technique difficulties of IP Telephony system, this paper focus on
the QoS of the recent VoIP system based on SIP protocol, want to find out a way to
improve the quality of VoIP service with the lower cost and easy implemented.
In this paper, we review the technique background and future directions of IP
Telephony at the first chapter. Then the critical factors of the QoS of VoIP, including
loss, delay and jitter, are analyzed. After that discusses the method to improve the QoS
of VoIP and technologies in the application layer and network layer.In the application
layer, by collects the network information from RTP/RTCP, the end systems can
estimate the situation of the network, figure out that the network is blocking or not, so
that they can do something to improve the QoS. And we discuss the sync-playing theory
with the RTP/RTCP protocols implemented , in the end we implement a end-node of the
VoIP system,which is based on the Open source project :VOCAL system, from the
Protocol stack implement to the send,receive and process the voice packets on the Linux
system.
In the charpter four we analyses several QoS technologies use in the network layer,
and we emphasis on the DiffServ architecture. Provides a method that just useing the
DiffServ technology in the bottle neck of the network, just make little change to the
network can provides some QoS to the real time traffic like VoIP. In the end ，check
this method by simulating in the network simulator NS2 and analyses the result.
KEY WORDS: VoIP, QoS(Quality of Service), DiffServ(Differentiated
Services), Network Simulator 2
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论...................................................................................................................1
§1.1 课题背景与研究意义.....................................................................................1
§1.2 VoIP QoS 发展现状........................................................................................2
§1.3 VoIP 原理........................................................................................................2
§1.4 VoIP 信令协议................................................................................................4
§1.4.1 H.323 协议............................................................................................5
§1.4.2 SIP 协议................................................................................................6
§1.4.3 H.323 协议与 SIP 协议的区别.............................................................7
§1.5 VoIP 的服务质量............................................................................................8
§1.5.1 影响语音质量的因素...........................................................................8
§1.5.2 VoIP 的QoS 技术参数.......................................................................10
§1.6 本文的主要研究内容和所做的工作...........................................................12
§1.7 本文的组织结构...........................................................................................13
第二章 播放同步机制与 RTP/RTCP 协议...................................................................14
§2.1 播放同步机制...............................................................................................14
§2.1.1 固定延迟播放策略.............................................................................15
§2.1.2 自适应延迟播放策略.........................................................................16
§2.2 RTP 基本作用...............................................................................................17
§2.3 RTP 分组格式...............................................................................................18
§2.3.1 RTP 端口分配.....................................................................................21
§2.4 混合器和转换器...........................................................................................21
§2.5 RTP 控制协议(RTCP)...................................................................................22
§2.5.1 RTCP 发送者报告(SR)分组...............................................................23
§2.5.2 RTCP 接收者报告(RR)分组...............................................................26
§2.5.3 RTCP 源终端描述(SDES)分组..........................................................27
§2.5.4 BYE 分组............................................................................................27
§2.5.5 应用相关功能分组.............................................................................28
§2.6 RTP/RTCP 协议在应用层保证多媒体信息实时传输................................29
§2.7 RTP/RTCP 协议在实际应用中的一些改进................................................29
§2.8 本章小结.......................................................................................................30
第三章 VoIP 实时语音系统的设计与实现及其应用层 QoS 控制策略.....................31
§3.1 系统概述.........................................................................................................31
§3.2 VOCAL 系统简介..........................................................................................31
§3.3 系统原理.........................................................................................................33
§3.4 系统主要数据结构.........................................................................................34
§3.5 系统结构设计与实现.....................................................................................35
§3.5.1 主线程...................................................................................................36
§3.5.2 发送端线程...........................................................................................37
§3.5.3 接收端线程...........................................................................................38
§3.5.4 流量调节线程.......................................................................................38
§3.5.5 协议栈部分...........................................................................................39
§3.6 系统的应用层 QoS 控制策略........................................................................43
§3.6.1 时延控制策略.......................................................................................43
§3.6.2 抖动控制策略.......................................................................................45
§3.6.3 丢包修复的策略...................................................................................46
§3.7 本章小结.......................................................................................................50
第四章 VoIP 网络层 QoS 保证机制.............................................................................51
§4.1 综合服务/资源预留协议 RSVP..................................................................51
§4.2 DiffServ 差分服务模型介绍........................................................................52
§4.2.1 差分服务中标记策略.........................................................................53
§4.2.2 差分服务中队列管理.........................................................................55
§4.2.3 差分服务中队列调度.........................................................................59
§4.2.4 差分服务的两种 PHB........................................................................61
§4.3 简化和改进 DiffServ 服务模型...................................................................62
§4.4 本章小结.....................................................................................................63
第五章 实施 DiffServ 模型提供 QoS 下的 VoIP 语音质量仿真与实验分析..........64
§5.1 NS 简介与工作原理...................................................................................64
§5.2 仿真设计与实验分析.................................................................................65
§5.2.1 通信流的设计.....................................................................................66
§5.2.1 仿真网络拓扑结构.............................................................................67
§5.2.2 差分服务模型中的参数配置.............................................................67
§5.2.3 实验与仿真结果分析.........................................................................68
§5.3 本章小结.......................................................................................................70
第六章 总结与展望.....................................................................................................71
参考文献.........................................................................................................................73
攻读硕士学位期间发表的学术论文.............................................................................75
致谢.................................................................................................................................76
第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1 课题背景与研究意义
随着计算机和网络技术的快速发展，以多媒体通信为主体的信息网络已经成
为受人们所关注的热点。基于TCP/IP 的网络技术不但无可争辩的成为数据领域的
主导技术，而且已经开始进入电信领域，IP网络电话(VoIP:Voice over IP)的成功开
发和应用预示了以IP 为基础的新一代信息网络的出现。
VoIP[1]广泛的应用前景和巨大的商业价值促使业界对其产生了浓厚的开发热
情，我国信息产业界正密切关注着这一领域的发展。VoIP相关技术很多，目前研
究主要分布在以下几个方面：实现VoIP的网络体系结构及其相关信令、管理、媒体
传送、安全协议，VoIP的服务质量保证，即IP QoS (Quality of Services)问题[2]。
与传统电话相比，VoIP有一个致命的缺点，就是语音服务质量无法得到保证。
这是由于IP网最初设计的目的是为传输数据，采用的是面向无连接的“尽力而
为”的传输体制；而实时语音数据和普通数据有着不一样的特性，实时语音数据
要求网络传输能保证较高的实时性和连续性。如何在一个无连接的网络上建立一
个提供综合业务的有质量保证的传输平台，如何提高VoIP的语音质量成为近年来
研究的热点。
影响VoIP语音质量的主要因素有编解码算法、时延、时延抖动、分组丢失、带
宽、网络状况等。在基于Internet的语音传输中，如何处理各种因素的相互制约，尽
可能降低分组丢失和时延抖动对通信的影响，以高质量的语音传输向用户提供舒
适满意的使用体验，己成为业界共同关注的一个焦点问题。
清晰、连续、无间断的通话会给用户带来良好的使用体验，可以使企业更加容
易地推广VoIP业务，从而吸引更多的用户。如果VoIP系统的语音质量能够达到理
想的水平，它将占有更大的通信市场，进而取代现有的大部分传统电信业务，成
为未来通信的一种主流模式。
因此，为了进一步提高我国在多媒体通信领域的国际地位，迅速展开对提高
VoIP的QoS关键理论和技术的研究具有重要的战略意义。
§1.2 VoIP QoS 发展现状
早期的VoIP通信是采用Internet Phone等客户软件，用户通过现有的多媒体PC
机在Internet上向另一个多媒体PC机的用户呼叫。而Internet是一个不稳定的网络，
容易产生拥塞，VoIP通信质量很难得到保证。改善通信质量最简单的办法就是提
高网络的通信带宽，降低拥塞发生的概率。但是，研究表明实施这种方案代价昂
贵且效率比较低[3]。为了能够提供高质量的VoIP通信，许多电信公司往往采用建设
IP专网的方式，而不是通过Internet来传输语音流；而专网比公用互联网的覆盖范
围小得多，导致不仅将来不利于数据互联的实现，而且无法利用现有Internet网络
1
VoIP 电话语音通话质量 QoS 的研究与实现
的优势[29]。数据通信与音频等多媒体实时通信对网络具有不同的要求，所以，针
对不同网络业务特性合理地分配网络带宽资源，为不同的业务提供不同等级的服
务，可以使得各类通信业务能在同一网络中顺利运行。目前能够提供分等级服务
最有效的业务模型有IETF提出的综合服务(Integrated Services，IntServ) [8]和区分服
务(Differentiated Services, DifServ)[9]。IntServ以每个数据流为基础，提供端到端的
服务保证，但是其实现较复杂，难以具体实施应用。DiffServ是基于业务类提供服
务的，与IntServ相比具有实现简单和扩展性强的优点，已成为目前主干网组网的
首选方式。
VoIP的QoS研究还涉及到与终端相关技术[2]。从用户终端所采用的技术来看，
VoIP系统主要采用合理的语音编码技术、语音恢复技术、静音消除技术和播放延迟
技术等来保证通话质量。终端技术主要是用来弥补IP网络通信的不足，改善VoIP
语音通信质量。
VoIP技术是一项复杂的系统工程，单一的技术很难提供理想的QoS保证，未
来发展趋势应该是综合各种先进技术来提供良好的满足实际需要的语音通信。
§1.3 VoIP 原理
VoIP[1]是Voice over Internet Protocol的简称，也称为IP电话，网络电话等，它
是建立在Internet基础上的新型数字化传输技术，是在Internet或其它基于IP的网络
上进行语音通信的技术，这种应用包括PC对PC的连接、PC对电话连接、电话对电
话的连接，其业务主要有Internet或Intranet上的语音业务、传真业务(实时和存储/转
发)、Web上实现IVR(交互式语音应答)业务等等。
VoIP是通过Internet/Intranet等互联网络来传递语音信息的。其基本原理是：通
过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按照标准网
络包来打包，经过IP网络把数据包发至接收地，再把这些语音数据包串起来，经
过解码解压处理后，汇聚成原来的语音信号，从而达到由互联网传输语音的目的
VoIP协议栈体系结构：
图1-1：VoIP协议栈体系结构
为了在一个IP网络上传输语音信号，要求几个元素和功能。最简单形式的网
PPP
Sonet ATM
PPP
V.34Ethernet
RTP
AAL3/4 AAL5
H.323 SIP RSVP RTSP RTCP
Media
TCP UDP
IPv4/IPv6
信令 控制协议
应用层
传输层
网络层
链路层
2
媒体传输
第一章 绪论
络由两个或多个具有VoIP功能的设备组成，这一设备通过一个IP网络连接。VoIP
模型的基本结构图如图1-2所示。从图中可以发现VoIP设备是如何把语音信号转换
为IP数据流，并把这些数据流转发到IP目的地，IP目的地又把它们转换回到语音
信号。两者之间的网络必须支持IP传输，且可以是IP路由器和网络链路的任意组合
因此可以简单地将VoIP的传输过程分为下列几个阶段。
图1-2：VoIP 的模型结构图
1.语音-数据转换
语音信号是连续的模拟波形，通过IP方式来传输语音，不管是实时应用业务
还是非实时应用业务，都必须首先要对语音信号进行采样和模拟数字转换，也就
是对采样后的模拟语音信号进行8位或16位的量化，然后送入到缓冲存储区中，
缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。为了便于传输，可以对量化后的
数字信号进行语音编码，目前采用的语音编码标准主要有ITU-TG711， G723，
G729等。源和目的地的语音编解码器必须支持相同的算法，这样目的地的语音设
备才可以还原模拟语音信号。
2.数据-IP包转换
语音信号进行数字编码后，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。
编码后，将每一帧压缩后的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、
时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间
的物理连接(一条线路)，并在端点之间传输编码的信号。IP网络不像电路交换网
络，它不形成连接，它要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数
据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一站地转发到目的地。
3.IP包传送
在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间
(t)内将其传送到网络输出端。t可以在某个范围内变化，反映了网络传输中的抖动。
网络中的路由器检查每个IP数据附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报转
发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持IP数据流的任何拓朴结构或访
问方法。
4. IP包-数据转换
目的地VoIP设备接收这个IP数据并开始处理。网络级提供一个可变长度的缓
冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓
冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。其次，解码器将经
编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可以按帧进行操作。语音包
被解码还原成语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中，去掉寻址和
数
字
语
音
模
拟
语
音
分
组
语
音
分
组
语
音
数
字
语
音
模
拟
语
音
IP 分组网
络
(电子/光
子)
3
摘要：

摘要随着计算机和网络技术的快速发展，以多媒体通信为主体的信息网络已经成为受人们所关注的热点。基于TCP/IP的网络技术不但无可争辩的成为数据领域的主导技术，而且已经开始进入电信领域，IP网络电话(VoIP：VoiceoverIP)的成功开发和应用预示了以IP为基础的新一代信息网络的出现。与传统电话相比，VoIP有一个致命的缺点，就是语音服务质量无法得到保证。这是由于IP网最初设计的目的是为传输数据，采用的是面向无连接的“尽力而为”的传输体制；而实时语音数据和普通数据有着不一样的特性，实时语音数据要求网络传输能保证较高的实时性和连续性。如何在一个无连接的网络上建立一个提供综合业务的有质量保证的传...

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