P2PIP电话模型研究论文

摘要计算机对等网(P2P)是目前流行于国际网络技术研究领域的一种新兴网络模型。作为真正的分布式计算技术，P2P技术将对Internet的发展产生重要的影响。文中首先介绍了P2P的概念，研究及其应用状况；然后分析了其三种网络模型：集中式P2P、纯分布式P2P和混合式P2P各自的特点和发现机制；最后提出了一种基于P2P的IP电话模型，并详细讨论了该模型的信息模型和搜索策略。

关键词P2P网络，目录，发现机制，IP电话模型

1引言

对等网络(P2P)技术是目前计算机网络技术领域研究的一个热点，目前微软、Sun、IBM等很多著名的企业和公司都投入到P2P技术的研究之中。

P2P技术出现于20世纪70年代，其典型代表是USENET和FidoNet两个分散、分布的信息交换系统，而真正地应用起源于文件交换软件Napster。P2P可以简单地定义为：通过直接交换信息，共享计算机资源和服务，对燃扑慊本哂锌突Щ头衿鞯墓δ堋T谡庵滞缰兴械慕诘憔哂邢嗤脑鹑斡肽芰Γ⑿瓿扇挝瘛8鞫缘冉诘阒渫ü苯踊チ媸迪止蚕硇畔⒆试础⒋砥髯试础⒋娲⑵髯试础⑸踔粮咚倩捍孀试矗扌枰览抵醒敕衿鞯闹С郑乖仍谄渌缂扑隳J街型ǔ1缓鍪佣惴捍嬖诘挠没Ф松璞傅玫搅顺浞值睦谩5侥壳拔梗琍2P的应用研究涉及面非常广泛，主要包括网络拓扑构造、安全与可靠性、分布式数据存储和并行计算等。P2P的应用更是涵盖诸多领域，比如对等计算、协同工作、搜索引擎、文件交换和文件共享，还有很多在电子商务中的应用。但P2P技术在IP电话中的应用也只是在QQ等软件中的语音聊天中有所体现。鉴于此，本文通过分析比较了P2P技术现有的三种网络模型，在保证网络实时性和可靠性的基础上，构建了IP电话网络模型。

2P2P网络拓扑结构模型分析

从技术上讲，P2P网络结构可分为：集中式P2P、纯分布式P2P和混合式P2P三种不同形式，下面分别进行分析。

（1）集中式P2P

该模式中有一个中心服务器来负责记录共享信息以及反馈对这些信息的查询，每一个对等实体要对它所需共享的信息以及进行的通信负责。当某节点希望搜索一个不知道位置的资源时，该节点向目录服务器发送请求，目录服务器在数据库中查询到匹配的资源后将其定位信息返回该节点，然后在两个节点之间执行交互。该模型的最佳示例为Napster，它是一种用户共享MP3音乐的软件。这种形式具有中心化的特点，但是它不同于传统意义上的Client/Server模式。因为传统意义上的Client/Server模式采用的是一种垄断的手段，所有资源都放在服务器上，客户机只能被动地从服务器上读取信息，并且客户机之间不具有交互能力；而集中式P2P模式则是所有资料都存放在提供该资料的客户机上，服务器上只保留索引信息，此外服务器与对等实体以及对等实体之间都具有交互能力。

集中式P2P可提供中心服务器目录检索，管理服务和标准的点到点通信，具有高效的检索和低效的交换服务的特点。但是中央服务器的瘫痪容易导致整个网络的崩溃，可靠性和安全性较低，且随着网络规模的扩大，中央服务器维护和更新的费用将急剧增加，所需成本过高。

（2）纯分布式P2P

该模型中没有专门的服务器，整个网络是有无数节点组成，这些节点在功能上非常相似，没有一个节点知道整个网络结构或者组成网络的每一个节点的身份。相反，节点只知道直接与它们通信的节点。在进行网络资源搜索时，节点首先把包含搜索条件的请求信令发送给其邻居节点，再由邻居节点向其自身的邻居节点转发。以此类推，直到得到满足搜索条件的资源或请求信令的TTL为0；如果网络找到满足条件的资源，请求响应信令将沿着请求信令经过的路由的反向路由向回发送。此后，请求节点将建立到提供资源的节点的直接数据路由。其典型的代表就是著名的Gnutella。

这种P2P网络模型的优点在于允许用户设定自己的规则和建立自己的网络环境，提供近似的即插即用的特性，动态性很强。存在的问题是由于没有中心管理者，网络节点难以发现，这样形成的网络很难进行身份认证、安全管理、流量管理、计费等控制；在搜索节点时，由于每个请求广播的原因，对网络带宽要求高，容易导致网络阻塞。

（3）混合式P2P

该模式结合了集中式和分布式P2P的优点，网络中有中间服务器,但文件目录是分布的。它在分布式模式的基础上，将用户节点按能力进行分类，使一些功能强的节点担任特殊的任务。这些节点共分为3种：用户节点、搜索节点和索引节点。用户节点一般不具有任何特殊的功能；搜索节点处理搜索请求，从它们的“孩子”节点(用户节点)中搜索文件列表；索引节点内存充足，连接速度快，用于保持可以利用的搜索节点信息，并收集状态信息，维护网络的拓扑结构。

一个节点可以既是搜索节点又是索引节点。用户节点可以选择多个搜索节点作为它的“父”节点，并将其所要共享的列表提交给它的“父”节点。在搜索网络资源时，用户节点通过索引节点获得所有可用的搜索节点信息，之后用户节点就和获得的搜索节点相连。根据用户的搜索请求，如果和用户节点直接连接的搜索节点查询结果达到N个(N为搜索结果，由用户自己设定)就停止；否则就向另外可用的搜索节点发出请求，如果查询结果还不够，就继续向外快速发散，直到所有的搜索节点被搜索到为止。若所有的搜索节点都被访问过，就意味着网络上所有的节点都被搜索到了，其速度要比纯P2P模式快得多。

3IP电话系统组成和工作原理

IP电话系统一般有IP电话终端，网关(GATEWAY)、网守或者叫关守(GATEKEEPER)、网管系统、计费系统等几部分组成。

IP电话终端包括传统的语音电话机PC、IP电话机、也可以是集语音，数据和图像于一体的多媒体业务终端。

网关提供IP网络和电话网之间的接口，是VOIP的核心与关键设备。通过它可完成语音压缩，具有寻址和呼叫控制的功能。

关守负责用户注册与管理，它应当具有的功能为：将被叫号码的前几位数字对应网关的IP地址；对接入用户的身份认证，防止非法用户接入；做呼叫记录并有详细数据，从而保证收费正确；完成区域管理，多个网关可由一个关守进行管理。

网管系统的功能是管理整个IP电话系统。

计费系统的功能是对用户的呼叫进行费用计算，并提供相应的单据和统计报表。

目前IP电话有三种基本类型：PC之间的通话；PC和普通电话之间的通话；普通电话之间通过IP网络和PSTN网络之间的通话。现以普通电话之间的应用形式，说明IP电话的工作原理。首先发送端的模拟信号经过PSTN送到发端的IP网关上，然后利用数字处理设备(DSP)对语音进行数字化，再对数据进行压缩并打包，通过Internet到对方的网关上，对数据进行解包及解压缩,还原成模拟信号送到受话方的电话终端上。

4IP电话网络模型的构建及其探讨

在选择P2P网络模型时主要考虑以下几个方面：首先,整个框架结构要求可运营，可管理，要求具备集中控制能力，并能提供服务质量保证；其次，要具有为用户提供安全认证管理；第三，为降低网络流量负担，节约网络资源，应减少用户访问对象的随机性，减小流量的不可预知性；此外还应该具备良好的开放性，灵活性和扩展性。因此选择混合式P2P模型来构建IP电话模型，由各个IP电话终端完成模拟信号和数字信号的转化，而且通过IP电话号码就可以找到被呼叫的IP电话终端。此IP电话的模型如图1所示。

图1基于P2P的IP电话模型

中心服务器主要做用户的集中认证，建立索引机制，辅助对等点之间的连接，它要动态维护一张所有目录节点的信息表，保持网络总体的拓扑情况，其结构如表1所示。

表1目录节点表

字段名含义

Ip_address存储目录节点的IP地址

State存储目录节点的状态（是否可用）

目录节点主要记录该节点下所有IP终端用户的信息，其充当关守的功能，它也需动态维护一张终端用户表，其结构如表2所示。一个节点是否能成为目录节点，要看其计算能力和存储容量，如果达到规定的要求（由软件按照统一的规则对所有的终端进行自动检测），就被设定为目录节点，同时该目录节点要定时向中心服务器通报自己的状态。

表2终端用户表

字段名含义

Ip_address存储目录节点下用户的IP地址

Ip_telephone存储目录节点下用户的IP电话号码

IP电话终端用户也相应的动态维护一张与远程IP电话用户的通话信息表，其结构如图3所示。

表3通话信息表

字段名含义

Ip_address存储远程用户的IP地址

Ip_telephone存储远程用户的IP电话号码

Connect_state存储自身的连接状态（OnorOff）

当一个IP终端用户加入此网络中时，软件搜索网络提供给用户一个可用的目录节点的列表，供用户选择。用户可以选择其中多个（避免因单个目录节点出现故障或该目录节点已不再充当目录节点而造成呼叫失败）路由最短的目录节点作为其父节点，并提交相应的信息。网络中所有的IP用户因为随时会加入或者离开，IP地址与IP电话号码不完全是固定的关系，所以目录节点要定时刷新IP地址与IP电话号码的对应关系，保持IP用户节点处于一个稳定的状态。

在该模型中，当一终端用户A呼叫另一终端用户B时，A先查询自己与远程IP电话用户的通话信息，如果有B的信息，则直接进行互通；如果没有或呼叫失败，那么再向中心服务器请求。中心服务器返回所有可用的目录节点，之后请求信令就以组播的方式向目录节点发送，收到请求的目录节点查询自己的终端用户表，如果找到B的信息，则返回给A，A和B就可建立点对点的连接，直接进行语音数据的传输；如果都未找到B的信息，请求信令继续以组播的方式向其它目录节点发送，直至遍历整个网络。

5总结

IP电话技术是一项新的技术，其发展速度非常快，最终将成为人们语音通信的重要工具。本文目的在于将P2P技术应用到IP电话中，以保证IP电话的语音数据包能够实时地、顺序地到达目的端。选择混合式P2P构建了IP电话模型，既具备快速检索的能力，降低网络流量的负担，又便于安全管理、身份认证、流量管理、计费管理等。

IP电话还涉及很多关键，如：语音编码和压缩技术、语音分组技术、语音抖动处理技术、静音检测技术、向前纠错技术、回声消除技术、QoS（QualityOfService,即服务质量）保障技术等，由于篇幅有限,未能作详细介绍。

参考文献

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