公用信道技术在VoIP中的应用

摘要：随着 Internet 的发展，VoIP获得了广泛应用。目前的VoIP有多种协议，但是传统VoIP服务器只能够支持单一的协议，不同VoIP协议的互通问题始终是VoIP发展中的核心问题。本文基于公用信道思想，介绍了一种使用多协议的VoIP技术。

关键词：VoIP；公用信道；服务器

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)24-1185-04

在VoIP通信过程中，服务器要为每个客户端创建一个信道来维持与其通信。这种用于和客户端保持通信的信道称为协议信道。如图1所示，传统的VoIP服务器都是由上层控制模块来直接控制协议信道，由于上层控制模块和底层协议信道相关，无法实现对不同类型协议信道的控制，因此传统VoIP服务器只能够支持单一的协议。如果能够设计出可同时支持多种协议的服务器，那么它就可以对各种协议进行处理和转换，从而解决不同VoIP协议的互通问题。

1 公用信道的思想

为了解决分布异构问题，人们提出了中间件的概念。中间件是位于平台(硬件和操作系统)和具体应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议。中间件能够屏蔽操作系统和网络协议的差异，为应用程序提供多种通讯机制，并提供相应的平台以满足不同领域的需要。因此，中间件为应用程序提供了一个相对稳定的高层应用环境。这里借鉴了中间件的思想，在底层协议信道和上层控制模块之间添加一类特殊的信道，称为公用信道。图2描述了增加公用信道以后服务器控制协议信道的方式。通过公用信道将上层控制模块和底层协议信道相分离。公用信道提供了一系列的接口，上层控制模块只需通过这些接口就可以控制公用信道，从而达到管理和控制整个会话过程的目的，而不必关注底层协议信道具体使用的是哪种VoIP协议。

2 公用信道接口

2.1 会话模型

不同VoIP协议虽然在信令、媒体传输方式上存在不同，但服务器建立会话的过程都大致分为以下几个阶段：

呼叫开始：当服务器收到客户端的呼叫请求后，建立主叫用户信道。然后查找被叫用户地址，创建与被叫用户通信的信道。

呼叫被叫：在主被叫信道建立之后，开始向被叫用户发送能够呼叫请求消息，并等待被叫用户应答。

通话：服务器收到被叫用户应答后，就开始转发主被叫用户的语音数据。

呼叫结束：当收到主叫或被叫用户的挂机请求后，服务器分别拆除主被叫信道，结束通话。

公用信道可以根据服务器建立会话的过程，抽象出一系列与会话相关(呼叫、应答、挂机)的接口，以便上层控制模块使用这些接口来管理和调度公用信道，从而控制整个会话过程。

2.2 接口的多态性

多态性提供了接口和实现的分离，也就是说把做什么和怎么做分开来。多态性不但能改善代码的接口，提高其可读性，而且能创建可扩展的程序。

由于公用信道位于各协议信道之上，公用信道的这些接口的实现是和底层协议信道相关的。根据底层VoIP协议的不同，这些接口的实现方法有很大的差别。因此可采用多态性的思想来设计公用信道接口。由公用信道中定义上层控制模块调用的接口，而这些接口的实现交给底层各协议信道来完成。

在会话过程中，控制模块只需调用这些接口来控制会话，程序会根据底层信道类型的不同，调用相应的函数，公用信道因此表现出不同的行为。这样公用信道就屏蔽了底层协议信道的差异性，从而解决了不同VoIP协议的互通问题。

这种方式还具有良好的扩展性。当需要增加对一种新协议的支持，只需在底层实现公用信道定义的这些接口，而不必对公用信道和上层控制模块做任何改动。

2.3 多态性的实现

由于公用信道接口在实现上的多态性，这里使用结构体com_channel_tech来封装公用信道的接口。该结构体中包含了很多函数指针，这些函数指针指向接口的具体实现。根据底层协议信道类型的不同，底层使用不同的函数来填充com_channel_tech中的各个字段以实现这些接口。当上层控制模块调用某一接口时，系统根据会根据com_channel_tech的具体类型(底层使用的协议)调用相应的函数。这样我们就屏蔽了底层协议信道的差异性，为上层控制模块的调用提供了统一的接口。上层只需调用这些接口，就可以实现对公用信道的统一管理和调度，而不必关注在底层采用的是哪种协议。

例如，当接收到SIP请求，创建公用信道时，上层控制模块只需直接调用com_request接口，从而间接调用结构体com_channel_tech中request函数指针所指的sip_request函数。而对于IAX协议，相应的函数就换成了iax_request函数。

3 协议映射

3.1 公用帧

为了便于上层控制模块管理会话，公用信道中只使用一种协议来传输信令和语音，这种协议称为公用协议。以公用协议格式封装的帧称为公用帧(COM帧)。从客户端发送到协议信道的各种协议帧，必须首先转换成COM帧后才能送入公用信道，然后由控制模块对其进一步处理。从公用信道发往客户端的COM帧，需要根据底层协议信道的类型，进行相应的帧格式转换后才能发送。

由于公用信道既要处理信令又要转发语音数据，所以COM帧分为信令帧和语音帧两种类型。信令帧主要用于控制会话的进程，而语音帧用于传输实际的语音数据。采用结构体com_frame来表示COM帧：

struct com_frame {

int frametype;

int subclass;

int datalen;

int samples;

void *data;

struct timeval delivery;

};

其中frametype字段用于说明COM帧的类型属于信令帧(COM_FRAME_CONTROL)还是语音帧(COM_FRAME_VOICE)。

对于信令帧，只有subclass字段有意义，该字段用于说明信令帧表示的具体控制信息。

对于语音帧，subclass字段代表该语音帧使用的编码格式；datalen表示语音帧长度；samples表示采样点数；delivery表示发送时间戳；指针data指向实际的语音数据。

3.2 信令帧的映射

底层信道的各种协议帧在送入公用信道之前需要转化成COM帧。从公用信道中出来的COM帧需要转化成协议信道能处理的帧。不同协议帧之间的转换过程称为协议映射。协议映射关系的制定是实现VoIP互通的前提和保证。

3.3 语音帧的映射

为了保证语音在转发时不会失真，COM帧在传输语音时必须包含以下信息：语音编码格式、语音数据长度、采样点数、发送时间戳以及实际的语音数据。因此，其它协议帧在转化成COM帧时，必须完成以上内容的转换。

1)IAX帧映射到COM帧：对于IAX协议，语音是通过Mini帧来传输的，在开始发送语音和固定时间间隔内发送Full帧来同步语音帧。由于Mini帧只包含16位的时间戳和语音数据，协议信道需要将先前从Full帧中获得的语音编码格式subclass和32位的时间戳记录下来。这样，语音数据的编码格式可以从对应的协议信道获得。语音数据长度可由Mini帧帧长减去帧头长度得出。采样点数是根据数据长度和编码格式计算得出。时间戳由Full帧的高16位和Mini帧的16位组合而成。原始语音数据直接存入到COM帧的data字段。IAX帧的其他信息与转发语音无关，均保存在协议信道之中。

2)RTP帧映射到COM帧：对于SIP协议的客户端，语音数据通常是通过RTP帧来传送的。从RTP帧转化成COM帧，时间戳可以直接从RTP帧头的timestamp字段取得，语音编码格式从PT字段中得到，语音数据长度可由帧长减去帧头长度计算得出，采样点数也是根据数据长度和编码格式计算得出，而原始的语音数据直接存入到相应字段。

4 语音传输方式

在呼叫建立之后，客户端开始语音通信。语音传输方式有两种：一种是P2P方式，另一种是服务器转发方式(Server Relay)。

4.1 P2P方式

P2P方式是指语音数据直接从一个客户端发送到另一个客户端。P2P传输方式具有降低网络时延、减轻服务器负荷等优点。但不是任何客户端之间都可以建立P2P连接的。除了通信双方需要知道彼此的地址外，P2P还要具备如下条件：

1)通信双方采用相同的信令和语音传输方式。也就是说客户端采用的是相同的VoIP协议。

2)如果通信的一方或双方的网络中存在NAT，语音数据要能够穿越对方的NAT。

3)通信双方要能够理解对方所发送的语音数据。也就是说，发送语音数据的编码格式要能够为对方所支持。

对于满足上述条件的会话，服务器在建立呼叫后会调用com_bridge函数，尝试为客户端之间建立P2P连接。如果建立P2P成功，服务器就释放与客户端通信的信道，由客户端之间直接进行语音通信。

4.2 服务器转发方式

对于不满足建立P2P条件的客户端之间的会话，需要由服务器转发双方的语音数据，也就是说客户端先将语音数据发送给服务器，由服务器转发到另一个客户端。根据会话类型的不同，服务器的转发方式又分为以下两种。

1)经过公用信道的转发

对于不同客户端的语音通信，语音数据需要进行协议类型、语音编码格式的转换，这些都是由公用信道负责完成的。因此，语音数据要送入公用信道处理。图3描述了SIP和IAX客户端进行语音通信的过程。下面以SIP客户端向IAX客户端发送语音通信为例，来说明语音数据的传输路径。SIP客户端的语音以RTP帧的形式发送到服务器的RTP信道中，被转换成COM帧后送入到所在的公用信道。公用信道将其发送给与IAX客户端对应的公用信道。然后调用相应的接口函数将COM帧转换成IAX帧后，发送至IAX客户端。

2)不经公用信道的转发

对于同类型客户端的通信，由于语音数据不需要进行协议、编码格式的转换，可以将其直接发送到对方的协议信道中。所以可以优化上面的传输路径。图4描述了IAX客户端之间进行语音通信的过程，一方的语音数据以Mini帧格式发送到服务器，然后由IAX信道直接将该Mini帧发送到对方的IAX信道。这样语音数据就不必经过双方的公用信道，也不需要对帧类型进行转换，因而提高了语音数据的传输效率，减少了时延。

5 公用信道的通信

5.1 收发COM帧

每个公用信道都维护着一个readq队列，该队列是由COM帧组成的。协议信道发给公用信道的COM帧都是先送入该队列中。当服务器监听到某个公用信道有COM帧时，调用接口函数com_read，从该公用信道的readq队列中读取COM帧进行处理。

对于要发送给客户端的COM帧，直接调用公用信道提供的接口函数com_write即可。该函数的实现是由底层完成的，根据底层协议信道类型的不同，先将COM帧转化成对应的协议帧，然后调用套接字函数sendto将其发往客户端。

5.2 IO多路转接

如前所述，会话建立后上层控制模块要同时管理和控制主被叫两个公用信道，监听主被叫信道的readq队列是否有COM帧到来。如果采用传统的IO阻塞技术，那么线程就可能长时间阻塞在一个信道上，而另一个信道虽然有很多数据却不能得到及时处理。在这种情况下，我们使用IO多路转接技术来同时监听多个信道。

所谓IO多路转接技术，是先构造一张有关描述符(公用信道)的列表，然后调用poll函数，同时监听这些信道，直到这些信道中的一个已准备好进行IO(有数据发生)时，该函数立即返回。在返回时，它会告诉进程哪个信道有数据发生。poll函数的定义如下：

#include

int poll(struct pollfd fdarray[],nfds_t nfds,int timeout);

参数：fdarray 数组中的每一个元素对应一个描述符(公用信道)

nfds描述符的个数

timeout 监听(等待)时间

返回值：准备就绪的描述符，若超时则返回0，若出错返回－1

5.3 管道机制

COM帧是由底层的发送线程送至公用信道的readq队列中，而监听公用信道是由上层控制模块的线程来完成的。由于发送COM帧和监听COM帧是由服务器的不同线程控制，因此需要建立管道机制来解决线程间的通信问题。

在每个公用信道创建的时候，定义了一个alterpipe[2]的数组，用于建立通知管道。其中alterpipe[0]对应于管道的读端口，alterpipe[1]作为管道的写端口。在开始呼叫后，服务器会调用poll函数来监听公用信道的读端口alterpipe[0]。

当有数据送入到readq队列，底层发送线程控制该信道对应管道的写端口alterpipe[1]向读端口alterpipe[0]发送一个通知信号(通常是一个字符)。当读端口接收到该信号后，poll函数就立即返回，并告诉系统哪个信道有数据请求处理。服务器就从该信道对应的readq队列中读取出COM帧。这个过程可由图5来描述。

6 互通实例

下面就以IAX与SIP互通为例，说明互通过程中协议的映射过程。这里以SIP客户端发起呼叫和先挂机为例，呼叫的具体流程如图6所示，图中省略了一些次要消息的交互过程。

6.1 呼叫建立

主叫方SIP协议信道收到呼叫请求后，立即建立主叫公用信道。并分析被叫号码，根据被叫客户端的类型，建立相应的被叫公用信道以及到被叫客户端的协议信道。这样，双方就可以开始建立呼叫。SIP客户端呼叫IAX客户端的信令过程描述如图5所示：

1)SIP客户端向服务器的SIP信道发送INVITE消息；2)SIP信道收到INVITE消息，立即创建主叫公用信道，并向SIP客户端发送100 Trying消息，确认收到呼叫请求，服务器正在处理中；3)SIP信道将INVITE消息翻译成COM_CONTROL_INVITE消息，并发送到主叫公用信道中；4)当公用信道收到该消息后，立即创建一个新线程，接入到上层控制模块，分析被叫号码，查找被叫地址，并根据被叫客户端类型分别创建被叫公用信道和被叫IAX信道，以便与IAX客户端通信；5)被叫公用信道将COM_CONTROL_INVITE消息转换成NEW消息发送给IAX信道；6)IAX信道将该消息发送给IAX客户端；7)IAX客户端发送ACCEPT消息确认建立连接；8)IAX客户端发送RINGING消息，表示其正在振铃中；9)IAX信道将RINGING消息转化成COM_CONTROL_RINGING消息，发送给被叫公用信道；10)被叫公用信道将该消息转发给主叫公用信道；11)主叫公用信道将COM_CONTROL_RINGING消息翻译成180 Ringing消息，发送给SIP信道；12)SIP信道将该消息发送给SIP客户端；13)IAX客户端发送ANSWER，表示被叫端已经应答。ANSWER消息按与Ringing消息类似传送过程转化成200 OK消息发送给SIP客户端。呼叫建立完成，双方开始语音通信。

6.2 语音转发

SIP协议采用的是RTP传输语数据音，而且收发语音的端口不同于SIP协议端口(2N，2N＋1，N为随机整数)；IAX是信令和语音是共享端口的，使用Mini帧传输语音。同前面的信令映射方法类似，语音帧也需要经过RTP/Mini帧 COM帧 Mini/RTP帧的转化过程。

6.3 呼叫释放

呼叫结束的过程如图6所示：28)SIP客户端向服务器的SIP信道发送BYE消息，请求结束会话；29)SIP信道收到BYE消息，立即向SIP客户端发送ACK消息，确认收到结束；30)SIP信道将BYE消息翻译成COM_CONTROL_HANGUP消息，并发送给主叫公用信道中；31)主叫公用信道将COM_CONTROL_HANGUP消息发送给被叫公用信道，并释放主叫公用信道和SIP信道；32)被叫公用信道向IAX信道发送HANGUP消息；33)IAX信道向IAX客户端发送HANGUP消息；34)IAX客户端向IAX信道发送ACK消息，表示已收到释放请求。服务器释放被叫公用信道和IAX信道。

参考文献：

[1] 张登银,孙精科.VoIP技术分析与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[2] Abbasi T, Prasad S, Seddigh N., Lambadaris I. A Comparative study of the SIP and IAX VoIP protocols.Electrical and Computer Engineering,2005.Canadian Conference on1-4 May 2005 Page(s):179-183.

[3] 糜正琨.IP网络电话技术[M].北京:人民邮电出版社,2000.

[4] Mahler P.VoIP Telephony with Asterisk[M].2004.

[5] 黄鹰,朱木成,李晖.软交换IP信令互通的研究与实现[J].光通信研究,2006(5):22-24.