局域网IP电话系统中信令控制协议研究

 
1、引言

　　局域网电话以开放的局域网包交换技术实现专用PBX语音服务的功能，与现有的局域网无缝集成。它不仅可以使内部的数据网和话音网合一，还可以满足保持企业持续运作和蓬勃发展的全方位需求。从复杂的呼叫控制和呼叫中心能力，到集成的语音邮件和计算机/电话集成；从呼叫者身份识别到多重、多级自动值机员，到终端话机的轻松添加、移动和改变；从局域网和广域网（LAN/WAN），到Internet的连接能力，并可同时降低相关的整体费用，使企业能够以经济、易管理的方式获得所有功能。

　　局域网电话作为企业内部电话系统的解决方案越来越受到人们重视。典型的局域网电话系统内部组成结构如下图：



　　以太网话机与常见PBX话机在外观和感觉方面十分相似，唯一的例外是这些话机直接插入数据网络，并不使用传统的电话配线。 应用服务器在一些方案中称为网守，是局域网电话系统中的关键设备。它主要完成地址翻译、呼叫连接的建立和拆除等控制功能，另外它还能完成局域网电话系统内呼叫管理功能如多重及多级自动应答服务功能、呼叫中心、呼叫转移以及计算机电话集成功能，此外它控制所有的计算机电话功能，如话音邮件、统一消息、桌面呼叫控制、自动话务员、交互话音响应和自动呼叫分配等。

　　传统的IP网络主要是用来传输数据业务,采用的是尽力而为的、无连接的技术,因此没有服务质量保证,存在分组丢失、失序和时延抖动等情况。数据业务对此要求不高,但话音属于实时业务,对时序、时延等有严格的要求。因此必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。

　　控制信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，并且可以实现各种高级的电话业务，是局域网电话系统中的一项关键技术。信令控制层协议依赖于传输层等下层提供的服务，它的主要功能是保证电话呼叫的顺利实现和通话的话音质量。局域网电话系统中目前被广泛接受的控制信令体系包括ITU－T（International Telecommunication Union）的H.323系列和 IETF(Internet Engineering Task Force ) 的会话初始化协议SIP。下面分别介绍这两种信令控制协议以及在局域网电话系统中如何应用通过它们建立连接。

2、H.323信令标准

　　§2.1 H.323简介

　　H.323是ITU－T有关多媒体通信的一个协议集,包括用于ISDN的H.320,用于B－ISDN的H.321和用于PSTN终端的H.324等建议。它定义了在无业务质量保证的Internet或其它分组网络上多媒体通信的协议及其规程。这些分组网络主宰了当今的桌面网络系统。因此，H.323标准为局域网、广域网、Intranet和Internet上的多媒体提供技术基础保障。它的编码机制,协议范围和基本操作类似于ISDN的Q.931信令协议的简化版本,并采用了比较传统的电路交换的方法。 H.323提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性。它不依赖于网络结构,独立于操作系统和硬件平台,支持多点功能、组播和带宽管理。H.323具备相当的灵活性,支持包含不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。

　　§2.2 H.323下局域网电话系统中的呼叫建立

　　H.323呼叫建立过程涉及到三种信令：RAS（注册：Registration、许可：Admission和状态：Status）信令，H.225.0呼叫信令和H.245控制信令。其中RAS信令用来完成局域网话机与网守（应用服务器）之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状态和脱离解除等过程；H.225.0呼叫信令用来建立两个局域网话机之间的连接，这个信令使用Q.931消息来控制呼叫的建立和拆除，当系统中没有网守时，呼叫信令信道在呼叫涉及的两个话机之间打开；当系统中包括一个网守时，由网守决定在局域网话机与网守之间或是在两个终端之间开辟呼叫信令信道；H.245控制信令用来传送终端到终端的控制消息，包括主从判别、能力交换、打开和关闭逻辑信道、模式参数请求、流控消息和通用命令与指令等。H.245控制信令信道建立于两个终端之间，或是一个终端与一个网守之间。H.323的基本信令协议结构如下图所示。



　　局域网电话系统中根据网守的参与程度，呼叫建立过程可分为网守路由的呼叫和话机之间直接的呼叫。下图，以网守路由的呼叫为例说明了H.323中呼叫的建立过程



　　1——ARQ许可请求注册 2——AFC/ARJ许可确认/拒绝

　　3——SET UP 建立连接请求 4——SET UP建立连接请求

　　5——ARQ许可注册请求 6——AFC/ARJ许可确认/拒绝

　　7——建立连接 8——建立连接

　　9——H.245 信道 10——H.245 信道

　　由于 H.323推出较早，协议发展得比较成熟，并且它采用的是传统的实现电话信令的模式，便于与现有的电话网互通。在局域网电话系统中很多的解决方案是基于H.323协议规范的。

3、 SIP信令标准

　　SIP(Session Initiation Protocol)是一个面向Internet 会议和电话的简单信令协议标准。

　　§3.1 SIP信令简介

　　SIP最初由IETF MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control) 工作组提出。MMUSIC工作组致力于在现今的多媒体骨干上提供松散控制型会议的支持。

　　SIP与HTTP和SMTP是类似的，都是基于文本的协议。它用于用户间建立和配置交互式通信会议(如：语音、图象、交谈、交互游戏、虚拟现实等)。SIP是应用层控制信令协议，可用于建立、修改或结束一个或几个参与者的会议，包括Internet 多媒体会议、Internet 电话呼叫、多媒体分发。会议中的成员可以通过多点传送(multicast)方式或单点传送网( unicast mesh)方式、甚至两者混合的方式进行通信。SIP支持会议描述，允许与会者协商选用兼容的媒体类型。由于SIP没有捆绑于任何特定的会议控制协议，因而协议具有普遍重要性，而且特别适用于局域网电话系统的应用。

　　由于SIP与下面的传输层和网络层协议无关，而且提供内在的可靠保证机制，所以只要求底层提供可靠或不可靠的分组业务或字节流业务，而SIP消息的格式与之无关。 在局域网电话系统中SIP可以利用UDP做传输层协议；其中，UDP允许上层的应用更仔细地控制消息序列、重传和使用多点传送技术等。

　　§3.2 SIP下局域网电话系统中的呼叫建立

　　SIP主要有两种结构元素：用户代理UA（user agent）和网络服务器。在局域网电话系统UA 驻留在局域网电话的话机中，它包含两个部分：用户代理客户（UAC）模块，该部分负责发布SIP请求；用户代理服务器（UAS）模块，它负责响应SIP请求。其中用户代理服务器有三种不同的类型：重定向服务器，代理服务器和注册服务器（register）。基本SIP 呼叫不需要服务器，但是其他一些增强特性需要服务器的支持。 重定向服务器作为用户代理服务器的三种类型之一，它是通过发送被呼叫者可获得的SIP URL地址来处理INVITE消息的。代理服务器执行应用层的SIP请求和响应路由。代理服务器可以是记忆的或者无记忆的，有记忆的代理服务器拥有整个呼叫建立过程中的相关信息，而无记忆的代理服务器则在处理完一个呼叫后将完全忘记有关该呼叫的所有信息直到下一个消息的到达。另外，代理可以是有分支代理或者无分支代理，例如，有分支代理可以在同时让几个电话都振铃直到有人拿起其中的一个电话为止。注册服务器一般用于记录SIP地址（SIP URL）和相关的IP地址。注册服务器经常用作启动后的注册，由于在REGISTER消息中使用了SIP URL地址的缘故，因此，当请求到达时，代理服务器或者重定向服务器可以直接正确地转发请求信息。这一基于注册服务器的转发特性形成了网络对支持真正的号码移动性服务的基础。因此在局域网电话系统中话机可以随意的移动，通话时几乎不用做任何工作。

　　在局域网电话系统中 SIP采用类似Email地址的方式分配用户地址，并利用一些现有的电子邮件架构进行传送。在代理模式中，代理服务器是SIP网络的核心，包含所有的服务逻辑。它可以是有状态的和无状态的，业务开展灵活，安全性较好。它通过复制来保证可靠性，通过区域划分来实现可伸缩性，但如果考虑不周则存在潜在的超载可能性，其中混合半状态（semi-stateful）模式提供最大的效益。在重定向模式中，重定向服务器主要功能是返回路由信息给呼叫发起端。它较少的状态开销；由于处理较少的消息，具有高容量；由于将业务的执行推到了客户端，与客户端设备相关。

　　在局域网电话系统中应用SIP 的优势在于该协议允许用户直接与终端设备协商通信能力和属性，带宽和QoS可以实时交流而不需要事先明确。

4、 SIP和H.323 协议的比较

　　SIP和 H.323实现信令功能基本相同， 但两者的设计风格截然不 同，这是由于其推出的两大阵营（电信领域与Internet领域）都想沿袭自己的传统。H.323是由 国际电联提出来的，它力图把IP电话当作是众所周知的传统电话，只是传输方式由电路交换变成了分组交换，就如同模拟传输变成数字传输、同轴电缆传输变成了光纤传输。而SIP侧重于将IP 电话作为Internet上的一个应用，较其他应用（如FTP，E-mail等）增加了信令和QoS的要求。H.323优势在于它推出较早，协议发展得比较成熟，又自己的应用产品推出；由于其采用的是传统的实现电话信令的模式，便于与现有的电话网互通，但相对复杂得多。另外H.323不支持多点发送（Multicast）协议,只能采用多点控制单元（MCU）构成多点会议,因而同时只能支持有限的多点用户。H.323也不支持呼叫转移,且建立呼叫的时间比较长。与H.323相反,SIP是一种比较简单的会话初始化协议。它不像H.323那样提供所有的通信协议,而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能。 SIP既支持单点发送（Unicast）也支持多点发送,会话参加者和媒体种类可以随时加入一个已存在的会议。SIP可以用来呼叫人或机器设备,如呼叫一个媒体存储设备记录一个会议,或呼叫一个点播电视服务器向会议播放视频信号。

　　在局域网电话系统的应用中，SIP相对于H.323协议的优越性主要表现在:

　　（1）SIP是位于TCP/IP协议簇中应用层的协议，是基于文本的协议，如同HTTP协议一样；H.323采用基于ASN.1和压缩编码规则的，它用二进制方法表示其消息，SIP比H.323简单。在局域网电话系统中电话终端一般体积比较小，集成密度较高，很多的解决方案中由DSP主芯片完成大部分的功能，简单高效的控制信令协议显然是首选。

　　（2）SIP会话请求的建立过程和能力协商过程等是同时进行的，因此呼叫建立的时间很短，效率很高；H.323的呼叫建立过程和媒体能力协商过程是分开进行的，会话建立的时间较长，同时中途容易产生错误。连接建立的时间和连接的成功率是局域网电话系统一个很重要的性能参数，选择SIP协议的综合性能明显高于H.323协议。

　　（3）H.323在设计时没有考虑到业务的可扩展性问题，因此H.323为进行功能扩展定义了一些列的"补丁"协议，如 H.450.1/2/3，这使整个H.323框架显得非常庞大和臃肿；而SIP在设计之初SIP效仿了较为成熟的HTTP和SMTP，具有丰富的扩充能力和兼容功能。 只要充分利用已定义的头域，必要时对头域进行简单扩展就能很方便地支持补充业务或智能业务，例如它支持许多种地址描述和寻址方式，如： 用户名＠主机地址、被叫号码＠PSTN网关地址。还有SIP的功能是用于发起会话，它能控制多个参与者参加的多媒体会话的建立和终止，并能动态调整和修改会话属性，如会话带宽要求、传输的媒体类型（语音、视频和数据等）、媒体的编解码格式、对组播和单播的支持等，比起H.323来可扩充性要好得多。

5、结束语

　　目前构建IP电话体系结构主要的两种信令控制标准：H.323协议和SIP协议。它们二者是完全平行的，它们所要达到的目的都是构建IP电话网，并且两者都在发展完善中，但两者使用的方法不同，因此它们是不可能互相兼容。H.323协议是为多媒体会议系统而提出，并不是为IP电话专门提出的，而SIP协议的出发点则是以现有的Internet为基础来构架IP电话业务网。因此，SIP有着与 H.323完全不同的设计思想，它是一个分散式的协议，它将网络设备的复杂性推向网络边缘，与以H.323协议为基础的IP电话相比， SIP协议更适用于局域网电话系统中。

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