基于SIP協議的VoIP系統及其QoS研究

巴 剛，羅衛兵，遲曉剛，蔣江湖

1.武警工程學院研究生管理大隊，陜西西安 710086

2.武警工程學院通信工程系，陜西西安 710086

基于SIP協議的VoIP系統及其QoS研究

巴 剛1，羅衛兵2，遲曉剛1，蔣江湖1

1.武警工程學院研究生管理大隊，陜西西安 710086

2.武警工程學院通信工程系，陜西西安 710086

會話初始協議（SIP）正逐步取代H.323協議成為VoIP網絡的核心信令控制協議。SIP是下一代網絡的關鍵技術之一，具有簡單、靈活和可擴展等優點。本文介紹了基于SIP的VoIP系統的基本原理、關鍵技術、系統結構，并對VoIP系統的服務質量提出了改進方法。

SIP；VoIP；服務質量

0 引言

隨著互聯網技術的迅速發展和廣泛應用，以IP技術為核心的數據網絡體系架構日趨成熟[1]。同時，VoIP[2]技術的提出也使數據通信融入了傳統的話音業務。目前，電信網除了傳統話音外已基本實現了業務IP化。面對網絡技術的快速發展，VoIP以其成本低廉等優勢得到了人們的重視，取得了巨大的發展。目前在VoIP領域有兩個完全獨立的信令協議：ITU-T的H.323協議簇和IETF的SIP協議[3]。相比于H.323協議，SIP協議以其簡單、靈活和可擴展性好等優點逐漸在下一代網絡中得到更大的應用。話音屬于實時性業務，對時延較為敏感，需要一定的措施來保障服務質量，因此，對VoIP系統的業務性能進行測量與研究能較好的提供網絡實時狀況，為改善網絡性能提供充足的依據。

1 SIP-VoIP系統

1.1 SIP協議

SIP是IETF提出的建立在超文本傳輸協議（HTTP）和簡單郵件傳送協議（SMTP）基礎上的文本協議。利用SIP可實現會話的連接、建立和釋放，并支持單播、多播和可移動性。為了提供話音業務，它需要與其他標準和協議相結合，同時為了實現與現有PSTN網絡的互通，還需要接入必備的媒體網關和信令網關。

SIP要實現以下五項基本功能：

1）用戶定位：確定通信終端用戶的位置；

2）用戶能力：確定通信所用媒體類型和媒體參數；

3）用戶可用性：確定被叫方是否空閑及是否愿意加入通信；

4）呼叫建立：邀請和提示被叫，在主被叫之間建立連接；

5）呼叫處理和控制：包括呼叫重定向、呼叫轉移和呼叫終結等操作。

1.2 系統網絡架構及功能

基于SIP的VoIP系統的主要功能部分分別為用戶代理和SIP網絡服務器[4]。

1.2.1 用戶代理

用戶代理（User Agent，UA）：又稱SIP終端，它是VoIP系統的終端，包括各種使用SIP協議的軟件或硬件，例如一個IP電話機或裝有客戶端軟件的PC機。根據UA在會話中所起的作用不同，將UA分為：①用戶代理客戶機（User Agent Client，UAC），其作用是初始化一個呼叫，發出呼叫請求；②用戶代理服務器（User Agent Server，UAS），其作用是響應呼叫請求（接受、拒絕或重定向）。

1.2.2 SIP網絡服務器

它包括代理服務器、注冊服務器、重定向服務器和定位服務器，它們可分布在不同的物理實體中，也可以共存于同一個設備。代理服務器主要提供應用層路由功能，它負責將用戶的請求和響應轉發到下一跳，直至最終目的地。注冊服務器負責完成對所管轄范圍內的用戶代理服務器（UAS）注冊/注銷功能。重定向服務器用于為代理服務器指出轉發的消息下一次應該到達的代理服務器地址。定位服務器中儲存有邏輯地址與聯系地址間的綁定列表，提供對用戶邏輯地址綁定信息的查詢、添加、修改或刪除等功能，為注冊服務器、代理服務器與重定向服務器提供服務。由于目前電信系統的建設還沒有完全演進到下一代，VoIP系統就需要與現有網絡進行互連互通，VoIP與現有網絡連接方式如圖1 。

圖1 VoIP與現有網絡連接方式圖

VoIP系統的核心功能由應用/媒體服務器及軟交換機提供，主要實現連接、路由、呼叫控制、網關、網守和帶寬的管理。信令網關與SS7網絡可由E1接口連接，負責網絡信令協議標準的轉換，實現PSTN的SS7信令與IP網上SIP信令協議的轉換。媒體網關與PSTN傳統電話網可由FXS/FXO接口連接，負責語音媒體數據格式的轉換。

2 VoIP系統的QoS研究

VoIP系統不同于傳統的電話交換方式，存在著時延、丟包等缺點[5]，因而會造成語音信息在傳輸過程中的損耗。如果處理不好，會在很大程度上影響通話的質量，甚至無法完成通話。因此，要對系統的話音質量進行分析與研究，以最大限度的保障話音通信。

2.1 VoIP系統QoS相關的主要參數

影響VoIP系統性能的參數有很多，包括系統時延、時延抖動及丟包率等[6]。下面就系統主要參數做一介紹。

2.1.1 時延

時延是指數據從發話端到接收端所需要的時間，對于交互式語音通信系統，時延增加會讓通話雙方感覺話音傳輸有停頓感，同時也會造成回音。因此對于VoIP系統，時延一般控制在100ms或150ms內。在VoIP系統中，時延一般由以下幾部分組成：存儲轉發時延、傳播時延及處理時延。

2.1.2 時延抖動

時延抖動是指在一個VoIP呼叫過程中所有發送的數據包經不同路徑到達目的地的時間差異，是一個相對值。VoIP不同于傳統PSTN網絡以固定速率進行傳輸，它由于在IP網絡上存在不同路由而導致同一數據包之間也會有不同的時延，存在傳輸時間差，因此產生抖動。VoIP系統中的時延不可完全消除，一般可通過設備中的緩沖解決。ITU-T G.114推薦時延抖動小于50ms。

2.1.3 丟包率

丟包率是指在IP數據包傳輸的過程中丟失的數據包數量占所發送數據包總量的比率。丟包會造成話音信息的缺失，嚴重時會導致語音的不連貫，直至無法準確收聽到對方的話音。丟包率主要與網絡的流量有關，它是影響話音質量的重要因素。一般來說語音業務的丟包率須小于3%。

2.2 提高VoIP系統QoS的主要方法

2.2.1 增加帶寬

增加網絡帶寬，能有效減小網絡的擁塞，增加網絡的吞吐量，因而也得以減少網絡時延，降低丟包率等。在現有網絡條件不變的情況下，增加帶寬會大大增加網絡運營成本，不符合實際。盡管隨著將來采用光纖等材料會使帶寬的問題得到很大的解決，但是由于各種業務也會不斷增長，因此單純增加帶寬的性價比不高。

2.2.2 合理選擇編解碼技術

現在電話網絡中的編碼主要由G.711、G.723.1及G.729等方式，而編碼方式的優劣直接影響到VoIP系統的傳輸時延及帶寬。G.711編碼方式話音質量最高，但是需要64kbps的帶寬；G.723.1編碼方式話音質量較之略低，時延較大，但是占用帶寬較小；G.729編碼方式時延、帶寬及話音質量均居于二者之間，是目前較為理想的編碼方式。

2.2.3 設立緩沖區消除抖動

由于分組交換必然產生時延抖動，不可能完全消除，所以只能盡量減小時延抖動的影響。可以在收端設置一個緩沖區，將收到的數據包先放在緩沖區中做一中轉，然后由相應的程序在緩沖區的另一端取出。只要緩沖區足夠大，時延抖動的影響可以較大程度的降低。

2.2.4 建立話音專網

為了保障語音的順利進行，可以劃分一定的帶寬資源用于建立VPN專網，專門負責話音業務，將其與數據、視頻等多媒體業務分開傳輸。同時，也可給話音數據包一定的優先級，在與數據同傳時，優先保證話音數據傳輸。目前在一些較大的分散于不同地理位置的企業，采用的就是建立語音專網的形式。

3 結論

基于SIP協議的VoIP系統以其成本低、簡單易行等優勢強烈沖擊著傳統電話網絡，逐步取代原有話音網絡的趨勢不可避免。盡管目前其話音質量還有待進一步提高，但經過技術的逐漸完善和成熟，必將迎來更大的發展空間。

[1]盧茵，黃本雄.SIP協議在VoIP中的應用[J].中國新通信，2007，3：9-13.

[2]Senior G.Voice over IP:What Lies Beneath.Voice over IP Whitepaper，2003，1.

[3]蘇良偉，周勝源，陳名松.基于SIP協議的VoIP系統實現[J].大眾科技，2008(1)：37-38.

[4]侯站.基于SIP的VoIP系統[J].電信快報，2008(1)：44-46.

[5]劉石峰，孫悅.VoIP話音質量分析與測試[J].現代電信科技，2008，9(9).

[6]唐紅，等著.IP網絡測量[M].北京：科學出版社，2009：153-154.

TP39

A

1674-6708（2011）48-0196-02

巴剛，碩士研究生，工作單位：武警工程學院，研究方向：有線通信

羅衛兵，教授、碩士研究生導師，工作單位：武警工程學院通信工程系，研究方向：數據通信