局域网络VoIP电话系统设计

董 松，郭 涛

(陇东学院信息工程学院，甘肃庆阳745000)

局域网络VoIP电话系统设计

董 松，郭 涛

(陇东学院信息工程学院，甘肃庆阳745000)

网络技术的迅猛发展，为具有低协议复杂度、扩展性强、话费低廉等特点的基于SIP协议的VoIP网络电话系统的发展提供了巨大机遇。首先对SIP协议原理进行了分析，深入研究了VoIP相关技术，然后通过对软交换中心、中继设备及终端设备配置，搭建了局域网络VoIP电话系统，并对系统进行了通话测试，用Wireshark工具对信令流程进行了测试分析。测试分析表明，基于SIP协议的局域网络VoIP电话系统语音通话清晰、系统工作稳定，具有较好的性能，较传统电话优势明显。

VoIP；局域网络；SIP

1876年到现在，电话系统已经有100多年的历史。交换技术经过从人工交换到机电交换，再到现在的程控交换，发展十分迅速。与此同时，网络技术逐渐趋向成熟，网络规模不断扩大，覆盖范围不断加大，普及程度不断提高[1]。电话技术、交换技术、网络技术，为网络电话的发展提供了无限可能。VoIP(Voice over Internet Protocol)电话系统将语音、图象、视频等模拟信号转换为数字信号，并以封包的形式，通过IP网络进行传输[2]。VoIP利用Internet和全球互联的IP网络，较传统电话系统可提供更多种类的业务和更高质量的服务。同时，VoIP系统不存在漫游、长途等问题，具有更低的资费标准。VoIP系统融合了电话系统、网络系统，符合三网融合的发展趋势。在未来的发展中，VoIP系统将逐渐取代传统电信业务，具有更高的市场占有率。

1 VoIP电话原理

VoIP电话系统是承载于IP网络之上，采用数字分组技术传输语音信号的IP电话系统。它可以传输语音、数据等多媒体信息，如语音通信、电话会议，其主要优势是通过互联网，构建IP电话系统，具有覆盖范围广、支持业务种类多、资费低廉等优于传统电话系统的诸多特点。VoIP电话系统的主要工作原理是将采集到的语音数据等通过语音信号处理技术进行数字编码，并将编码信息及IP信息等按相关协议进行打包，然后经IP网络进行传输，接收端收到所有封包后再把封包进行组合，完成信号的恢复，即完成了语音信息经IP网络系统的传递[3]。经VoIP电话系统传输语音信号，每个话路的传输效率为传统电话话路传输效率的5～8倍。VoIP电话系统一经建立，其使用资费十分低廉，且不存在漫游资费、长途资费等，对于企业用户及个人十分具有吸引力[4]。

2 VoIP电话协议

2.1 H.323协议

目前主流的VoIP电话系统信令控制协议有H.323协议及SIP(Session Initiation Protocol)协议。H.323协议在VoIP电话系统协议中占有重要地位，是网络通信及多媒体信息传输的标准协议。H.323协议采用集中控制和集中管理方式，可提供相当于传统电信网络管理机制，其运行可独立于所在的网络体系结构，不受操作系统和硬件系统制约，可实现单播、多播和频带管理，功能节点不受网络范围限制[5]。

H.323协议建立时间较长，其建立过程采用TCP/IP协议的面向连接的三次握手方式，并具有信道独占的特点，这使得其带宽效率有所下降。H.323协议可提供多媒体通信所有子层协议，其工作流程主要包括节点信息注册登记、连接建立、信息传输控制、连接释放等。为了支持各种多媒体信息传输，H.323协议定义了非常多的通讯元素，使得协议的复杂性大大增加，灵活性略显不足。

2.2 SIP协议

SIP会话控制协议是由IETF提出的一种轻量化的多媒体信息传输协议。较H.232协议，SIP协议更加简单、高效，并且拥有H.232协议相当的性能，因此被广泛应用于NGN(Next Generation Network)下一代网络及多媒体信息传输网络中，支持语音、数据、视频等信息传输，其应用广泛存在于我们的生活之中。SIP协议能够不依赖于系统底层而独立运行，使得其会话类型相关性低，可以有效保证通信质量，与RTP协议、RTCP协议协作完成会话控制[6]。

SIP协议相比H.232协议简单灵活、易于实现，所以本设计采用的是SIP协议。

SIP网络组成包括用户端、网关、网络服务器等[7]，其基本结构如图1所示：

图1 SIP网络基本结构

网络服务器主要负责提供位置服务，SIP代理服务器提供注册及重定向服务。网关是各个网络的互联接口，为各网络下SIP用户通信提供通道。SIP用户为网络终端结点，可以是PC、IP电话、软电话等支持SIP协议的多媒体终端。

基于SIP协议的呼叫流程如图2所示：

图2 基于SIP协议的呼叫流程

User Agent A向User Agent B发起呼叫。当用户A呼叫用户B号码后，User Agent A请求到达Proxy Server A，Proxy Server A通过位置查找确定用户B位置，如果不能确定用户B位置，Proxy Server A会将用户A请求传送给Proxy Server B，由Proxy Server B来确定用户B位置，如果Proxy Server B不能确定用户B位置，则将请求传递给下一个Proxy Server。

User Agent A获得User Agent B位置后，向User Agent B发送呼叫请求，User Agent B发送一个200(OK)的响应给User Agent A。User Agent A收到B终端发来的200(OK)响应后，回复User Agent B一个ACK响应，用于证实User Agent A已收到对于INVITE请求的最终响应。客户机在建立通话之前，确定服务器媒体服务是否可用，经服务器确认后，User Agent A和User Agent B采用RTP协议进行会话。

通话结束后，由先挂机方发送BYE消息，被挂机方收到BYE消息后发送200(OK)响应消息，确认收到结束会话消息，挂机并结束通话。

3 网络组建配置

3.1 网络组建

本设计组建了局域网络VoIP电话系统，系统结构采用SIP协议网络基本结构，主要设备包括软交换中心服务器、语音网关、交换设备、用户终端等。软交换中心具有路由管理及用户管理功能，并负责用户信息注册。用户终端只有正确注册到软交换中心服务器并通过鉴权后，才可正常使用。当用户使用IP电话时，软交换中心服务器查找存储的电话区号数据库，将电话区号映射为对应网关IP，并传输至目的网关，建立通话路由，并开始初始会话。

3.2 网络设备配置

网络配置主要包括软交换中心配置和终端配置。设计为局域网络，所以软交换中心及网关设备、终端设备均配置在同一局域网内。

软交换中心作为网络的核心服务器，具有管理用户、权限配置、业务配置、路由管理等功能，处于网络位置的中心结点。软交换中心IP地址是各终端设备信息注册地址，所有终端设备只有在交换中心注册后才可以接入网络。本设计中软交换中心和终端设备均位于同一网段，默认网关为192.168.1.1。软交换中心网络地址设为静态，IP地址为192.168.1.11，子网掩码为255.255.255.0，网关为192.168.1.1，网卡为Ethernet 0，并开放默认端口。

完成软交换中心基本网络信息配置后，在PBX面板中添加注册用户信息及电话号码，并授予业务权限即可完成用户注册。用户信息包括用户名、密码、用户SIP电话号码等；用户在使用SIP电话时，只有向软交换中心登记正确信息才可以完成注册，鉴权通过。

为实现局域网络VoIP电话系统，各终端设备需要与软交换服务中心位于同一子网。通过浏览器进行终端设备配置，登录网络终端设备后，需要配置终端设备IP地址、子网掩码、默认网关。因为软交换中心未开启DHCP服务，所以各网络终端设备IP地址均配置为静态。

完成终端IP配置后，可用cmd命令ping192.168.1.11测试设备与软交换中心之间是否建立连接。各终端设备IP不得与软交换中心IP地址冲突。

IP配置完成后，终端设备已经接入软交换中心所在的局域网络。终端设备还需要进行向软交换中心注册，配置终端设备所要注册的服务器IP地址和端口号，如图3所示：

图3 终端设备服务器信息配置

配置软交换中心添加设备的注册信息，包括用户名、显示名、用户密码、鉴权信息。注册账户信息配置如图4所示：

图4 终端设备账户信息配置

完成软交换中心配置及各用户终端配置后，通过查看终端设备状态信息就可以确定终端设备是否注册成功。

4 VoIP电话系统测试

VoIP电话系统测试主要包括通话测试和信令分析。

由用户A呼叫用户B，完成一次正常的呼叫流程，包括摘机、拨号、建立通话、正常通话、挂机等。在通话过程中使用软件WireShark进行抓包，进行SIP协议信令分析。

设计中，软交换中心IP地址配置为192.168.1.11，两个话机分别为A和B，话机A的号码和IP地址为666001和192.168.1.101，话机B的号码和IP地址为666002和192.168.1.102，完成软交换中心、话机A和话机B的基本配置后，实现电话机A和B在软交换中心注册成功。使用话机A拨打话机B，即在话机A上拨打号码666002，在话机B接收到话机A的呼叫请求并振铃后，话机B摘机后进行正常通话，通话结束后由话机B先挂机，话机A再挂断机。

SIP协议呼叫请求信令如图5所示：

图5 呼叫请求信令

话机完成注册后，首先由192.168.1.101发起呼叫请求，发送到软交换服务器IP地址192.168.1.11处。

在SIP信息的头部Via字段定义SIP事务的下层传输协议，即SIP协议版本为2.0，并且表示了消息将要被发送的位置，即666002@192.168.1.102。

Call-ID是表示一个用户发送的请求消息和接收的响应消息分组的唯一标识。Call-ID中的主机为全局定义域名，本地标识为主机所在网络范围内的唯一标识，主机IP为192.168.1.101。

Contact头字段指定了一个SIP URL，后续的请求可以通过它来连接到当前的用户，实际就是主叫的SIP URL，这里为666001@192.168.1.101。

From和To字段分别表示请求发起方的逻辑标识和请求消息的逻辑接受者。这里的From字段为666001@192.168.1.11，表示从号码为666001、代理服务器IP地址192.168.1.11处发起呼叫请求，To字段为666002@192.168.1.11，表示发送到号码为666002，代理服务器IP地址为192.168.1.11处接收呼叫请求。

SIP协议呼叫建立信令如图6所示：

图6 SIP协议呼叫建立信令

话机A在接收到代理服务器发来的确认可以通话的信息后，话机A通过代理服务器给话机B发送一个确认信息，就表示可以进行通话了。在话机B接收到代理发来的确认消息后，双方就进入会话状态，将RTP数据包采用UDP协议进行传输。当话机B结束通话时，会主动挂断电话，并发送BYE消息给电话A的代理服务器，表示请求结束通话。

综上，本设计完成了局域网络VoIP电话系统的组建工作，对软交换中心和各终端设备进行了配置，并通过呼叫进行了通话测试，使用Wireshar工具完成了信令分析工作。测试表明，采用SIP协议的VoIP电话系统具有通话质量可靠、系统工作性能稳定的特点。随着网络技术的不断发展，VoIP电话系统将逐步占据更大的电信市场，取代传统电话，为我们的日常生活提供更好的多媒体服务。

[1]胡萍,黄永峰.VOIP的创新应用及其发展趋势[J].科学管理研究，2009,27(5):117-120.

[2]付明科.基于SIP的VOIP视频电话的研究与实现[D].成都:电子科技大学,2014:7-8.

[3]刘俊杰.软交换技术及其在NGN建设中的应用[D].南京:南京理工大学,2012:6-7.

[4]汪庆龙,贺松,袁森.安全的VoIP通信系统设计及实现[J].电声技术，2015,39(9):62-66.

[5]毕夏安,张大方,谢鲲,等.基于H.323协议的VoIP语音流量识别[J].计算机应用，2008,28(9):2204-2206.

[6]刘小溪.基于SIP的VoIP客户端的设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2010:15-17.

[7]张平波,高承志,梁樱.基于Asterisk的VoIP软电话系统的设计与实现[J].信息化研究，2013,39(4):35-39.

【责任编辑 朱世广】

On the Design of Local Area Network VoIP Telephone System

DONG Song，GUO Tao

(CollegeofInformationEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

The rapid development of network technology has provided great opportunity for the development of VoIP network telephone system,which has the characteristics of low protocol complexity,strong expansibility,low cost and so on. This paper first analyzes the principle of SIP protocol,the VoIP related technologies are deeply studied. Through the configuration of the soft switching center,relay equipment and terminal equipment,the local network VoIP telephone system is set up,the call is tested on the system,and the signaling process is tested and analyzed with the tool of Wireshark. The test and analysis show that the speech quality of the local area network VoIP telephone system based on SIP protocol is clear,the system is stable and the system performance is good. This system has obvious advantages compared with the traditional telephone system.

VoIP;LAN;SIP

1674-1730(2017)03-0007-04

2016-09-02

陇东学院青年科技创新项目《庆阳公交监管系统开发及调度研究》(XYBY140206)

董 松(1986—)，男，河北承德人，助教，硕士，主要从事数字信号处理研究。

TN916

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