IP语音电话仿真实验设计与实现

2019-04-08唐灯平凌兴宏

实验室研究与探索 2019年1期

唐灯平，凌兴宏, 王林

(苏州大学 a.文正学院;b. 计算机科学与技术学院; c.江苏省计算机信息处理技术重点实验室，江苏苏州 215006)

0 引言

IP语音电话是一种通过互联网或其他使用IP技术的网络实现新型电话通信技术。随着因特网普及，跨境通信需求增大，IP语音电话以其低通话成本、低建设成本、易扩充以及优良通话质量等优点迅速普及[1]。学生不但掌握IP语音电话工作原理同时需要动手组建并配置IP语音电话网络，通过实验验证理论、理论促进实验，两者相辅相成达到较好学习效果。搭建真实IP语音电话网络实验室面临一些问题：①需要相同网络硬件设备若干组，设备需求量多，投入较大；②多人共享一组实验设备，实验效率较低；③只能在固定时间实验；最后设备容易出故障，需要专人维护。采用虚拟仿真技术既解决了问题又能使学生感觉在真实实验环境搭建并配置IP语音电话网络，达到较好学习和教学目的[2-3]。

1 VoIP技术及仿真软件介绍

1.1 VoIP技术

传统的公共交换电话网络(Public Switch Telephone Network，PSTN)是以电话交换方式传输语音。IP语音电话(Voice over Internet Protocol，VoIP)，是将模拟信号数字化，以数据封包的形式在IP网络上做实时传递，VoIP可以在IP网络上便宜的传送语音、传真、视频和数据等业务。基本原理是通过语音压缩算法对语音数据进行压缩处理，按照TCP/IP标准进行打包，经过IP网络把数据包送至接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由互联网传送语音的目的。IP电话的核心设备是IP网关。VoIP主流技术为国际电信联盟电信标准分局(International Telecommunication Union- Telecommunication Standardization Sector，ITU-T)制定的H.232和国际互联网工程任务组(The Internet Engineering Task Force，IETF)制定的MGCP，MGCP相对于H.232在软件及通信协议设计上较容易。另外，新的网络通信协议架构有MEGACO、SIP和SIGTRAN等[1]。

1.2 仿真软件

Cisco Packet Tracer是思科公司发布的辅助学习工具，为设计、配置、排除网络故障提供模拟环境。可以在软件图形界面下直接拖拽建立网络结构，配置网络设备，测试网络连通性，并可观察网络实时运行情况。目前最新版本Packet Tracer 7.0。[4-5]

2 IP语音电话仿真实验设计与实现过程

2.1 构建VoIP网络仿真结构

仿真结构由企业总部和分部两部分组成，通过互联网相连。通过配置网络设备，IP电话可以互相通话。企业总部仿真网络由2811路由器、2960交换机、无线AP、IP电话机、模拟电话机、PDA、平板电脑以及将模拟电话连接到网络中的mode各一台组成。企业分部网络由一台2811路由器，一台2960交换机以及两台IP电话组成。总部和分部网络各用一台2811路由器做语音Call manger服务器，为本网络语音设备提供电话注册，分配电话号码以及电话路由。结构如图1所示。

图1 VoIP仿真实验结构图

2.2 准备工作及相关地址规划

(1) 相关准备工作。若使Packet Tracer仿真IP电话正常使用需要将IP电话装上电源。具体操作如下：①用鼠标单击IP电话图标。②选择physical选项。③用鼠标选择右下角的电源处将其拖放到IP电话的背面，注意要对准背面有电源孔的地方放下鼠标。为了使仿真效果更加逼真，需要打开Packet Tracer声音效果。操作如下：①用鼠标选择Packet Tracer仿真软件options菜单。②在下拉菜单选择preferences。③在preferences窗口sound 前打钩。最终验证实验效果时可以听到拨打电话声音和电话连通时发出的音乐声音。

(2) 地址及电话号码规划。规划企业总部IP网段为1.1.1.0/24，企业分部IP网段为3.1.1.0/24，它们之间IP网段为2.1.1.0/24。规划企业总部IP电话号码为6666000*，企业分部IP电话号码为8888000*，其中*号表示任意数字。

2.3 配置企业总部网络

(1) 将企业总部网络路由器R1配置成DHCP服务器。使终端设备自动获取IP地址[6-8]。

Router(config)#hostname R1 //为路由器命名

R1(config)#interface fastEthernet 0/0 //进入路由器以太网端口f0/0

R1(config-if)#ip address 1.1.1.1 255.255.255.0 // 设置该端口的IP地址

R1(config-if)#no shu //激活该端口

R1(config-if)#exit //退出该端口

R1(config)#ip dhcp excluded-address 1.1.1.1 //配置 DHCP地址池排除地址1.1.1.1

R1(config)#ip dhcp pool VoIP1 //配置DHC地址池为VoIP1

R1(dhcp-config)#default-router 1.1.1.1 //配置网关地址为1.1.1.1

R1(dhcp-config)#network 1.1.1.0 255.255.255.0 //配置DHCP地址池可分配网络地址为1.1.1.0

R1(dhcp-config)#option 150 ip 1.1.1.1 //思科电话设备更新软件TFTP服务器地址，也用来指定Call Manager地址

(2) 配置企业总部网络设备交换机[9-10]。物理IP电话通过配置Voice VLAN交换机时，交换机才能让指定VLAN转发语音流量，配置如下：

Switch(config)#hostname SW1 //为交换机命名

SW1(config)#interface range fastEthernet 0/1-4 //进入交换机的1-4号口

SW1(config-if-range)#switchport voice vlan 1 //将交换机的1-4号口设置为voice vlan，在指定的VLAN中转发所有的语音流量。

(3) 开启路由器电话功能。为能够自动寻找MAC地址终端设备分配电话号码[11-12]。

R1(config)#telephony-service //开启电话服务

R1(config-telephony)#max-ephones 36 //设置容许最大电话数

R1(config-telephony)#max-dn 36 //设置容许最大目录号

R1(config-telephony)#ip source-address 1.1.1.1 port 2000 //IP电话注册到Call manger上通信IP和端口号

通过show run命令可以查看到自动发现两个终端设备MAC地址。分别是IP电话和模拟电话。通过show ip dhcp binding 命令查看端口设备MAC 地址和IP地址对应关系。具体为：IP地址1.1.1.2对应设备MAC地址0060.4799.9347，通过查询该设备为平板电脑；IP地址1.1.1.3对应设备MAC地址00D0.BAB8.6998，查询该设备为PDA设备；IP地址1.1.1.4对应设备MAC地址0060.70BD.AC01，该设备是模拟电话；IP地址1.1.1.5对应设备MAC地址00D0.BC43.45DE，该设备为VoIP电话。

接下来为IP电话分配电话号码，配置如下：

R1(config)#ephone-dn 1 //设置逻辑电话目录号

R1(config-ephone-dn)#number 66660001 //电话号码

R1(config-ephone-dn)#exit //退出

R1(config)#ephone 1 //电话物理参数配置

R1(config-ephone)#type 7960 //IPhone电话类型，CIPC是软电话，7960是Cisco物理IP电话，ata是模拟的，这里选择Cisco物理IP电话7960

R1(config-ephone)#button 1:1 //电话按钮与电话目录号绑定

%IPPHONE-6-REGISTER: ephone-1 IP:1.1.1.5 Socket:2 DeviceType:Phone has registered. //如果自动出现该行信息，说明终端已经成功获得电话号码

R1(config)#ephone-dn 2 //设置逻辑电话目录号

R1(config-ephone-dn)#number 66660002 //电话号码

R1(config-ephone-dn)#exit // 退出

R1(config)#ephone 2 //电话物理参数配置

R1(config-ephone)#type ata // IPhone电话类型，CIPC是软电话，7960是Cisco物理IP电话，ata是模拟的，这里设置ata为模拟电话。

R1(config-ephone)#button 1:2 //电话按钮与电话目录号绑定

%IPPHONE-6-REGISTER: ephone-2 IP:1.1.1.4 Socket:2 DeviceType:Phone has registered.

//如果自动出现该行信息，说明终端已经成功获得电话号码

(4) 设置没有自动寻找到MAC地址PDA设备和平板电脑电话号码。

R1(config)#ephone-dn 3 //设置逻辑电话目录号

R1(config-ephone-dn)#number 66660003 //设置电话号码

R1(config-ephone-dn)#exit //退出

R1(config)#ephone 3 //电话物理参数配置

（3）C表示第r次摸到黑球是在第k次摸球时发生，我们仅需考虑前k次摸球即可，此时样本空间有（M+N）k个样本点。第k次摸到黑球，有M中可能，而前k-1次摸到r-1个黑球，由二项概率计算有中可能，故C中有M个样本点，由古典概率定义有

R1(config-ephone)#mac-address 00D0.BAB8.6998 //绑定IP电话的MAC地址

R1(config-ephone)#type ata // IPhone电话类型，CIPC是软电话，7960是Cisco物理IP电话，ata是模拟的，这里选择ata。

R1(config-ephone)#button 1:3 //电话按钮与电话目录号绑定

%IPPHONE-6-REGISTER: ephone-3 IP:1.1.1.3 Socket:2 DeviceType:Phone has registered.

//如果自动出现该行信息，说明终端已经成功获得电话号码

R1(config)#ephone-dn 4 //设置逻辑电话目录号

R1(config-ephone-dn)#number 66660004 //设置电话号码

R1(config-ephone-dn)#exit //退出

R1(config)#ephone 4 //电话物理参数配置

R1(config-ephone)#mac-address 0060.4799.9347 ///绑定IP电话的MAC

R1(config-ephone)#type cIPC // IPhone电话类型，CIPC是软电话，7960是Cisco物理IP电话，ata是模拟的，这里选择cIPC。

R1(config-ephone)#button 1:4 //电话按钮与电话目录号绑定

%IPPHONE-6-REGISTER: ephone-4 IP:1.1.1.2 Socket:2 DeviceType:Phone has registered.

//如果自动出现该行信息，说明终端已经成功获得电话号码

2.4 配置企业分部网络

采用同样的方法对R2路由器进行设置。R2路由器的以太网端口f0/0的IP地址为3.1.1.1 255.255.255.0，配置路由器DHCP服务，DHCP服务分配的网络地址为3.1.1.0，在地址池中排除地址3.1.1.1，网关地址为1.1.1.1。设置两个IP电话的电话号码分别为88880001和88880002。

2.5 利用动态路由协议将两个路由连接的网络互连起来[13-16]

R1(config)#interface serial 0/0/0 //进入R1路由器的串口s0/0/0

R1(config-if)#ip address 2.1.1.1 255.255.255.0 //设置该端口的IP地址

R1(config-if)#clock rate 4000000 //设置时钟频率

R1(config-if)#no shu //激活端口

R1(config-if)#exit //退出

R1(config)#router rip //启动动态路由协议RIP

R1(config-router)#version 2 //使用动态路由协议RIP的版本2

R1(config-router)#no auto-summary //取消自动汇总功能

R1(config-router)#network 1.1.1.0

R1(config-router)#network 2.1.1.0

R2(config)#interface serial 0/0/0 //进入R2路由器的串口s0/0/0

R2(config-if)#ip address 2.1.1.2 255.255.255.0 //设置该端口的IP地址

R2(config-if)#no shu //激活端口

R2(config-if)#exit //退出

R2(config)#router rip //启动动态路由协议RIP

R2(config-router)#version 2 //使用动态路由协议RIP的版本2

R2(config-router)#no auto-summary //取消自动汇总功能

R2(config-router)#network 2.1.1.0

R2(config-router)#network 3.1.1.0

通过查看路由表和实际的验证，整个网络是连通的。

2.6 映射目的地电话号码至IP地址

IP电话是利用IP协议来传送话音数据包，故必须将目的地电话号码映射到目的地IP地址。语音数据包和数据业务数据包一样，在IP网络中根据目的地IP地址选路，传送到目的地。下面是在R1上将R2语言模块上定义的电话号码8888….映射到R2连接外网s0/0/0的IP地址上，配置如下：

R1(config)#dial-peer voice 1 voip //用来指明要进行VoIP的配置，1是给定的进程ID号，取值范围为1～2147483647

R1(config-dial-peer)#destination-pattern 8888…. //是用来指明对方的电话号码。这里表示以8888开头的所有号码。

R1(config-dial-peer)#session target ipv4:2.1.1.2 //是将上面配置命令中的电话号码映射到对端连接外网s0/0/0端口的IP上

同样对R2进行配置，在R2上将R1语言模块上定义的电话号码6666….映射到R1连接外网s0/0/0的IP地址上。

R2(config)#dial-peer voice 1 voip //用来指明要进行VoIP的配置，1是给定的进程ID号，取值范围为1～2147483647

R2(config-dial-peer)#destination-pattern 6666…. //是用来指明对方的电话号码。这里表示以6666开头的所有号码。

R2(config-dial-peer)#session target ipv4:2.1.1.1 //是将上面配置命令中的电话号码映射到对端连接外网s0/0/0端口的IP上

经过上面的设置，整个项目配置完成。

2.7 验证实验效果

通过验证同地区电话连通情况以及不同地区电话连通情况来验证实验效果。现以企业总部PDA设备拨打企业分部IP电话为例，验证实验效果，步骤如下：①用鼠标单击企业总部PDA设备。②在弹出窗口中选择desktop菜单。③在窗口选择Cisco IP Communicator。在电话窗口中可以看到电话号码为66660003。④在该窗口中拨打号码88880002，输入完毕用鼠标点击dial按钮，拨出号码。可以听到电话拨出的声音，如图2所示。⑤用鼠标单击企业分部电话号码为88880002的IP电话。⑥在弹出的窗口中选择GUI菜单。⑦在IP电话窗口中，可以看到电话的灯在闪动，屏幕上有拨入显示为66660003的电话。如图3所示。⑧用鼠标点击话筒，电话就接通了。不能真正进行通话，但可以通过点击右边“Do,Re,Me”听到声音，说明电话连通，可以通话。