无线VOIP系统（精选八篇）
无线VOIP系统 篇1
VoIP是利用IP网络实现语音通信的一种通信手段。它是建立在IP技术上的分组化、数字化的语音传输技术。无线网络的发展以及VoIP技术的不断成熟,使得VoIP与无线网络开始融合,产生了无线VoIP[1]。无线VoIP不仅资费低廉,而且可以在小范围内移动。目前对VoIP系统的研究主要还集中在有线领域,对构建在无线VoIP系统的研究较少。由于IP分组网络的脆弱性、无线局域网安全的脆弱性和无线VoIP设备的脆弱性再加上VoIP系统本身的安全问题使得无线VoIP系统在安全方面存在着各种隐患,如由于无线终端与网络之间的无线接口的开放性,在无线信道上传送的信令和业务消息很容易被他人窃听,而且不易发现。因此为无线环境下的VoIP系统提供用户身份鉴别和传输信息加密是必要的。
语音保密通信是对语音内容的保密。目前国内外对VoIP的安全性的研究大都基于传统加密方式,而将混沌技术结合传统加密方式可以进一步提高系统的安全性,这方面的研究目前还不多。
2 采用G.729语音编解码技术压缩语音信息
采用压缩率高的语音编解码技术是在无线环境下提供高品质VoIP通话质量的关键。本系统采用G.729[2]编解码技术对语音信息进行编解码。G.729是ITU-T制定的编码速率是8kbps的共轭结构码激励线性预测(CS-ACELP)声码器语音编码算法标准。它具有压缩比率高、质量高、延迟小的特点。在G.729音频压缩传输协议的C源代码实现中,coder.c实现编码器的功能,将PCM语音文件压缩为数据流写入到比特流文件中;decoder.c实现解码器的功能,将比特流文件解压还原为PCM文件。
3 无线Vo IP系统中采用的加密技术
3.1 AES算法
AES[3]即高级加密标准,采用的是Rijndael算法,它是采用的加密算法是对称密钥加密算法,它的加密和解密密钥是相同的。Rijndael算法是具有可变分组长度和密钥长度的迭代型分组密码,本系统中该算法的分组长度和密钥长度为128位。Rijndael算法的密钥建立时间极短且灵活性强;内存要求较低适用于无线VoIP中存储器受限的环境。
密钥长度为128位的AES加密算法由初始轮密钥加和10轮轮变换组成,它的输入为初始状态阵列和轮密钥,执行加密算法后产生一个输出状态阵列,输入明文和输出密文均为128比特。解密算法和加密算法类似,只是在解密算法中使用的变换为加密时相应变换的逆变换。AES加解密过程[4]如图1。本无线VoIP系统采用AES加解密采用G.729语音编解码技术压缩过的语音信息。
3.2 ECC算法
ECC[5]即椭圆曲线密码,它采用的加密算法是公开密钥加密密码,它采用的加密密钥与解密密钥不相关。公钥体制可分为三类基于整数分解问题,如RSA算法;基于离散对数问题,如DSA算法;椭圆曲线的离散对数问题(ECDLP),如ECC算法。椭圆曲线密码是基于椭圆曲线的离散对数问题。对于方程Q=kp其中QP∈椭圆曲线Ep(a,b)且k
无线VoIP系统用于传输会话密钥的公钥体系选用ECC算法出于以下几方面的考虑[6]:
1)ECC和其它公钥系统相比安全强度较高,ECC在计算复杂度上目前是完全指数级,而RSA是亚指数级的。210位ECC与2048位RSA,DSA具有相同的安全强度。
2)ECC比其它公钥密码体系计算量更小计算速度更快,在私钥的处理速度上,ECC远比RSA,DSA快得多。
3)ECC的密钥尺寸和系统参数与RSA,DSA相比要小得多,意味着它所占的存贮空间要小得多。
4)在采用ECC进行对称加密系统会话密钥等短信息的传递时,ECC的带宽要求比RSA,DSA要低的多,因此十分适用于无线网络。
3.3 混沌技术
混沌[7]是指在确定性动力系统中出现的一种貌似无规则的、类随机的现象。混沌序列对初始值的依赖性是指即使混沌序列的初值有微小的变化,最终也必将导致混沌序列的复杂变化,而且如何变化,也是无法预测出来;混沌序列的拓扑传递性(即不可预测性)是指在未知初态的条件下,人们无法预测出混沌序列在指定时刻的取值;混沌序列具有周期点的稠密性(即遍历性)是指随着初值的变化,混沌序列的取值将遍历值域的每种可能值。混沌现象是确定性的、类似随机的一个过程。
混沌系统适用于保密通信的原因在于混沌系统自身所具有的三个可用构造加密算法的特点很适合于加密:1)对参数和初始值的敏感性;2)各态历经性;3)混迭性。
4 无线VoIP系统的语音加密方案
4.1 无线VoIP的安全要求
在无线VoIP安全要求中,如何鉴别合法用户和如何保护用户通话内容这两点是核心。而保护通话内容问题依赖于加密算法的安全性和密钥安全性。因此无线VoIP安全要求[1]可以总结为三点:
1)如何鉴别合法用户。
2)如何选取适宜的加密算法加密语音。
3)如何保证密钥的安全分发。
实现端到端的安全连接的先决条件是,与该连接相关的网络设备必须能够相互间确认身份,以确保通信数据不会受到“中间人攻击”的威胁。
4.2 采用混合加密方式结合混沌技术加密语音信息
无线VoIP用户之间,每次进行语音信息传输的加密会话密钥应当都不一样。如果在每次语音信息传输时都要传输会话密钥,增加了会话密钥被窃听的风险。利用混沌系统可以提供可重复的随机数序列,且其序列仅与系统参数和初值有关的性质,在VoIP系统的各个用户端都设置相同的混沌系统,只在无线VoIP用户间开始通话时传输一次会话密钥,之后用户间通话的会话密钥即通过各自的混沌系统由开始通话时取得的会话密钥作为初值所得到的可重复序列顺序取得。由于混沌系统对初值的敏感依赖性,只要系统的初值稍微变化,混沌系统取得的随机序列即不可重复,确保每次会话密钥的随机性,大大提高了系统的安全性。
无线VoIP系统采用混合加密的方式,结合了对称和公钥加密算法的特点:公开密钥加密算法ECC用于加密用户间开始通话时传输的用于AES加密的会话密钥,而对称密钥加密算法AES采用会话密钥直接加密用G.729压缩过的语音信息。这是因为考虑到[8]:
1)相同条件下,公开密钥算法比对称密钥算法慢得多,因此采用对称密钥算法对语音信息进行加解密。
2)对称密钥密码算法的密钥分发和管理复杂。对于无线VoIP,由于用户众多,对有n个用户的网络,需要n(n-1)/2个密钥,密钥的分配和保存比较困难。公开密钥加密系统采用的加密密钥(公钥)和解密密钥(私钥)是不同的。由于加密密钥公开,密钥的分配和管理比较简单,对有n个用户的网络,仅需要2n个密钥。
5 结论
文中结合无线VoIP的特点,提出采用AES和ECC相结合的混合加密方式,对采用G.729语音编解码技术压缩的语音信息进行加解密的算法,并利用混沌系统可以提供一个可重复的随机数序列且其序列仅与系统参数和初值有关的性质,实现了VoIP用户只需在开始通话时传输一次会话密钥,即可实现在该次通话过程中不用再在无线网络上传输会话密钥,并保证了每次语音信息传输的会话密钥的随机性,有效地提高了无线VoIP系统语音传输的安全性和实时性。
摘要：随着无线网络的飞速发展和VoIP技术的日渐成熟,无线VoIP技术应运而生。由于无线网络安全的脆弱性和VoIP系统本身的安全问题使得无线VoIP系统在安全方面存在着各种隐患。为提高无线VoIP的安全性,采用高压缩率的语音编解码技术G.729提高无线VoIP的通话质量;采用高级加密标准(AES算法)加解密采用G.729压缩过的语音信息;选用椭圆曲线密码(ECC算法)传输AES算法中用到的会话密钥;利用混沌系统可以提供可重复的随机数序列且其序列仅与系统参数和初值有关的性质确保了会话密钥的保密性。
关键词：无线VoIP,AES,ECC,混沌
参考文献
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无线VOIP系统 篇2
关键词：供电所；VoIP ； 网络； 拓扑
1.技术参数
光纤收发器：光接口波长1310、 发光功率 ≥-10dBm；以太网交换机：8~24个10/100M自适应、1~2个千兆端口；网关和关守：支持语音编码方案、支持E1中继接口、支持中国1号信令。
2.组网原理
组网原理见图1。采用基于通信软交換技术的IP电话系统对数据网络进行了有效的扩展。发送端的IP电话终端通过多种语音压缩算法完成对电话语音的编码、压缩、打包等处理后发送出去，接收端IP电话终端（奥科IP网关）完成相反的功能，将语音数据还原成语音信号。局端SUN软交换平台提供用户认证、呼叫控制、路由管理、地址解析、协议转换等功能，控制IP电话终端完整的IP电话业务及其他业务应用。由于采用IP方式接入，语音和数据都是以以太网数据包方式传输。供电所和接入变电所采用一对光缆连接，通过光传输设备传输以太网数据。光传输设备使用光收发器，它具有E/O（电/光）转换与O/E反转换、编（解）码和光信号传输功能。
3.组网方案
局端的8540 思科ATM 交换机置配1个多模光口模块，该模块通过多模光纤与S300网络交换机相连，营销中心的三层以太网交换机连接该交换机以太网口,传送供电所端的的各种业务数据；同时S300网络交换机10/100M以太网口连接语音中继网关、SUN软交换机（关守设备）等网络设备。局端配置的关守，类似于一个小型软交换机，统一管理供电所的VoIP电话端口设置、话务流量控制等业务。中继网关通过一块E1板和中国一号信令与局端程控交换机（PBX）互相连接在一起，使得IP网络与局行政交换网络之间可以互联互通。它完成各种网络间信号、语音及数据的转换，并配合软交换控制部分完成整个通话过程。图2为网络拓扑结构。
变电所端的8510 ATM交换机与局端一样需配置一块多模光接口模块。该模块的155M多模光口上连变电所网元8510 ATM交换机，下连的以太网接口通过中兴通讯公司ZXB10-S300以太网交换机（经光纤收发器）连接一个或多个供电所的小型局域网。ZXB10-S300以太网交换机不仅可以完成24个10/100Base-T以太网端口之间的数据，同时还可以将以太网数据适配成ATM信元，经155MbpsATM端口传送至远端的以太网交换机，便于进行组网。
供电所端的以太网业务，包括4路IP电话及计算机数据终端经一个小型网络交换机（D-Link），用光纤收发器E/O转换后传输到接入变电所，经变电所侧的光电转换器与ATM通信网相连，完成供电所至局端的以太网业务接入。传输带宽≦10Mb/s。供电所端的以太网交换机用户侧提供24个10M以太网接口，组成供电所的电话、计算机局域网。供电所电话的传输采用VoIP(Voice over IP)方案。供电所使用普通电话机,通过奥科公司的IP语音网关,以完成语音的模数转换、压缩和分组（或上述逆过程）以及信令转换建立通信连接。各供电所的语音数据包传输，与供电所的以太网数据传输使用同一通道（争用），也是经变电所传送到局端以太网交换机。
通过利用现有ATM网络资源，对每一个网络节点分配相应的IP地址后进行调试，目前供电所端配置4路IP语音电话及数据业务终端，这样既节省了租用邮电电话的费用，同时也便利各乡镇供电所的业务及时上传至营销中心，大大提高了工作效率。
在现有ATM电力信息网络的基础上通过各种IP语音设备构建VoIP业务系统，将IP数据网络提升为集数据业务与语音业务于一体的综合网络。电力系统供电所VOIP系统的接入对客户用电业务申请、用户档案管理、电费结算、表计管理和低压维护等工作都有很大的作用。此外，VoIP网络还与现有的语音通信网实现互连互通，配合电话呼叫业务的实现，该方案同时提供了完备的管理维护功能。具有很好的推广性与应用前景。
参考文献
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[2] 孙家蔚．计算机电话一体化技术在调度交换机中的应用[J]中国科教期刊学会. http://www.ccclw.cn/book/class/?142.html.2002.02
无线VOIP系统 篇3
VoIP[1] (Voice over IP) 由于其在IP网络中实现语音通信, 促进了网络资源的利用, 降低了语音业务成本, 在全球范围内得到了迅速的发展。802.11无线局域网 (WLAN) 将用户从有线的网络连接中解放出来。在企业中部署WLAN网络之后建立VoIP的应用, 并不需要对现有的网络进行改造就能满足在企业内部进行语音通信的需求, 并且满足下一代移动通信应用在单一网络内进行数据、语音、多媒体的传输的发展方向。本文将VoIP和WLAN (Wireless LAN) 结合到一起[2], 在MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) 架构的处理器ADM5120上实现了在无线局域网内进行IP通话的功能。系统以终端的形式进行通信, 可移动性强。
1系统硬件的设计
1.1 硬件的整体架构
系统硬件的整体架构设计如图1所示。系统硬件主要由五部分组成:ADM5120主处理器部分、通话控制部分、无线子卡部分、存储部分和外设连接部分。通话控制部分采用Infineon公司语音芯片VINETIC-2CPE, Version 2.1 (PEB3322) 为子处理器, 外接A/D, D/A转换功能的用户接口电路SLIC-DC PEB4268, 与存储部分一起构成语音实时处理骨架;无线子卡部分采用Atheros公司的WMIA-165G 802.11g Mini PCI模块, 并用Madwifi驱动无线子卡;存储部分使用2块SDRAM存储器和1块NOR FLASH存储器;外设连接部分包括一个WAN口和四个LAN口、Mini-PCI接口、输出模拟电话信号的RJ-11接口, 以及用于调试的RS 232串口。
1.2 ADM5120主处理器
德国Infineon公司的ADM5120[3]是一款基于哈佛体系结构的SoC (片上系统) 的嵌入式处理器, 具有5级流水线, 并使用了32位MIPS指令集。同时ADM5120还是一款典型的寄存器型微处理器, 其配置了32个通用寄存器和一对存储64位数据的寄存器Hi和Lo以及异常PC寄存器, 其中Hi和Lo寄存器用于存放定点乘法的结果。ADM5120中还内置了32/16位MIPS32 4KEC处理器, 其采用TLB (Translation Lookaside Buffer) 实现了内存管理和流水线中的异常处理功能, 并使用冯·诺依曼结构在内存和寄存器之间传输数据, 提高了数据的传输效率, 加快了程序的执行速度。另外, ADM5120还集成了多种外围部件, 主要有:PCI (Peripheral Component Interconnect) 总线接口, 5个100 Mb/s的以太网接口, 并且还配置了ADM5120内置的PHY芯片, 内嵌了16 MB/85 MHz SDRAM存储器, 给系统设计提供了很大的方便。
在本系统中, 微控制器接口 (非缓冲接口) 与VINETIC, FALSH-RAM, SDRAM并行连接, 并分别使用8 B, 16 B, 32 B的总线宽度。ADM5120通过微控制器接口控制与之相连的VINETIC并将语音数据从WLAN接口传给VINETIC, 反之亦然。ADM5120的通用输入/输出端口GPIOs控制VINETIC的复位信号并为VINETIC生成片选信号, 同时GPIOs还作为VINETIC准备功能和中断信号的输入。而连接到ADM5120的LED指示灯显示WAN口和LAN口连接状态以及模拟输出接口的模拟线路状态。
1.3 VINETIC语音模块
VINETIC[4] (Voice and Internet Enhance Telephony Interface Circuit) 是Infineon公司的一款语音处理模块, 它将编解码器和语音处理功能集成在一起, 能达到与传统语音服务相同的语音质量。VINETIC 处理模拟电话信号, 语音压缩包, 并提供实时压缩包的缓冲, 具有自适应回声抵消, 静音检测, DTMF信号产生、译码等功能。
VINETIC芯片的主接口电路如图2所示。其中4和5为片选输入端;AD0～AD7:双向的输入/输出信号, 相应的引脚有3种运行状态:低电平、高电平或高阻抗, 当CSQ为高电平时, DOUT呈高阻状态, 此时需要外接10 kΩ的上拉电阻;28和29输出数字电平, 漏极开路, 相应的引脚有2种运行状态:低电平有效或三态, 并允许多个设备共享为线或。芯片供电电路部分:66外接锁相环路, 此锁相环重要地影响到芯片的总性能, 因此应特别注意对锁相环供电的滤波器;64将锁相环接地。
1.4 存储模块
系统存储模块包括1块NOR FLASH芯片MX29LV320和2块SDRAM芯片W986432DH。MX29LV320的引脚分布如图3所示。
其中A0～A20:地址输入;DQ0～DQ14:数据输入/输出;DQ15/A-1:DQ15 (按字模式进行数据的输入/输出) , A-1 (按字节模式进行最低有效位地址输入) ;
W986432DH的引脚分布如图4所示。其中A0～A10:地址引脚;BS0和BS1:存储体选择;DQ0～DQ31:数据输入/输出的复用引脚;RAS:行地址选通;CAS:列地址选通;WE:允许写入, 命令输入, 当在RAS时钟上升沿取样时, CAS和WE确定操作将被执行;DQM0～DQM3:输入/输出掩码, 当DQM在读周期高电平采样时输出缓冲区置于高阻抗 (2个时延) , 而在写周期采样将零时延地阻止写操作;CLK:在时钟上升沿抽样输入;CKE:时钟启动, 当CKE为低时, 进入掉电模式、暂停模式或自我充电模式。
2系统软件的设计与实现
系统软件设计的整体架构如图5所示, 其在无线局域网内实现了基于ADM5120的UDP方式点对点通讯和广播通讯。UDP[5] (User Datagram Protocol, 用户数据报协议) 主要用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。众多的客户/服务器模式的网络应用例如网络视频会议系统等都需要使用UDP协议。UDP协议直接位于IP (网际协议) 协议的顶层, 属于网络协议中的传输层协议。由于UDP协议不需建立连接, 具有效率高、速度快和占用资源少等优点, 应用于消息通信和实时系统中可以提高系统传输数据的效率。UDP具有组播和广播功能, 是分发信息的一个理想协议。本系统还移植了一种基于ADM5120的嵌入式Web服务器boa, 实现了对VoIP系统进行基于B/S方式的Web配置。
2.1 点对点通讯的实现[6]
在本系统中, 在一个网段内的任意两个应用程序之间可以进行全双工通信, 每个应用程序既可做为服务器又可做为客户端。其UDP编程步骤如图6所示, 以下是两个应用程序A和B之间进行点对点通讯的具体实现过程:
(1) 双方分别建立socket, 调用socket函数:
s=socket (PFINET, SOCKDGRAM, 0)
SOCKDGRAM表示套接字类型为数据报套接字, 即采用UDP协议进行通信。
(2) 绑定已设置好的自己的地址和端口信息, 调用bind函数:
bind (s, (struct sockaddr *) &myaddr, sizeof (struct sockaddr) )
(3) 将select函数置于阻塞状态, 直到监视文件描述符集合rfds中某个文件描述符发生变化为止:
select (pCtrl->rwd + 1, &rfds, IFXNULL, IFXNULL, NULL)
(4) 数据传输:sendto () 和recvfrom () 用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。由于本地socket并没有与远端机器建立连接, 所以在发送数据时应指明目的地址。如图6所示, A作为发送方, 通过其套接字用函数sendto () 将其服务请求数据发送到接收方B的指定端口, B通过其套接字用函数recvfrom () 接收数据, 处理好服务请求后又将服务应答发回A, 此时A便成了接收方, A接收应答后还可继续发送数据给B。
2.2 广播通讯的实现[7]
广播和多播都用于实现向多个接收者发送UDP数据报, 但是广播不像多播那样在接收端有复杂的控制过程, 因而实现比多播简单的多。以下广播通讯的实现均在点对点通讯的基础上实现的。
在发送方, 只需要设置套接字socket的选项为允许发送广播, 然后在发送时指定目的IP为广播地址即可。具体地, 允许socket广播通过setsockopt函数设置广播选项来实现, 当setsockopt参数optname为SOBROADCAST时, 表示打开或禁止从该socket广播, 当参数optval为1时允许广播, 为0时禁止广播。
系统编程实现广播的部分源码为:
据文献[7]所讲, 在接收方, 一般不需做任何改动即可收到广播。但在本系统实现的实验过程中, 当将socket绑定到非INADDRANY的IP地址时, 接收方无法收到广播, 并且没有任何错误指示, 即需要绑定本地端口地址到通配地址INADDRANY才可接收广播:
myaddr.sinaddr.saddr = htonl (INADDRANY) ;
另外, 本系统还实现了广播强插功能, 即不管用户当前处于摘机、拨号状态, 还是处于通话状态, 当有广播来电时, 都断开原来的连接而与广播主叫建立新的连接 (用户不用挂机) 。为了防止通话混乱, 本系统设定同一时刻只有拥有广播控制权的用户有发言权, 而其他用户能听不能说, 当其他用户想发言时, 只要按下“*”键就抢到了广播控制权, 最后只有当拥有广播控制权的用户挂机时, 广播才停止, 而任一其他用户挂机, 不影响广播通讯继续进行。
系统编程实现广播强插的部分源码见表1和表2。
3结语
该系统设计完成后, 成功地应用于常德市某一电厂, 进行生产调度, 系统能实现点对点通讯和广播通讯, 并且通话质量良好, 基本无杂音和抖动。
本系统因自带无线网卡可以自组织网络, 它可以作为一种无线指令调度机被应用到通信蔽塞的工厂, 另外还可外接喇叭自动接听电话, 机器操作员不用停下手中的工作就可照指令进行相应的操作。另外, 本系统应用可拓展性好, 如:系统可通过PCM通道进行FXO连接从而实现与传统PSTN互通 (见图1) ;在本系统上移植SIP协议栈便可实现与WIFI手机互通;将本系统整合到Ad Hoc网络中, 基于Ad Hoc网络的各类移动终端设备便可应运而生, 因此本系统具有广阔的市场前景。
参考文献
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无线VOIP系统 篇4
在无线VoIP数据通讯中存在的主要问题是由于干扰造成数据包的丢失, 产生了间断数据流, 使得语音信号中断。因此, 在VoIP的无线数据通讯中, 研究者需要稳健性较高的解决方案来适应不间断数据流的需要[1]。目前大多数的无线VoIP通讯采用的是单天线设计, 这样在无线通讯时容易造成数据包丢失, 使得声音出现断续现象, 笔者提出了一种双天线的设计方式来实现无线音频信号的传送。在音频编码上, 传统方法采用的是PCM编码方式, 这种方式对音频信号的存储和传输都存在着非常大的冗余度, 考虑到声波信号的连续性, 笔者提出了一种PCM转换成ADP-CM的编码方式来压缩音频信号。在无线通讯中, WirelessUSB[2,3]技术在抗干扰性能上优于其他2.4 GHz解决方案, 而且其运行稳定性也比价格更昂贵的蓝牙与DECT解决方案高, 通信协议设计更为简洁, 能缩短产品开发周期;在语音编解码上, 华邦的W681360音频编/解码器具有线性转换、低功耗、无干扰信号传输等特点, 从而确保音频编/解码器获得出色的信号质量。
鉴于此, 本研究提出一种将华邦的W681360[4]与WirelessUSB组合的方式来实现短距离的无线音频通讯;采用这种方式实现的无线VoIP发射器和接收器将具有高稳健性、低功耗、成本低等优点。
1 无线VoIP发射器和接收器的硬件设计
无线VoIP发射器和接收器的硬件设计介绍如下:
(1) 无线VoIP发射器和接收器由两个部分组成:发射端 (Remote) 、接收端 (Bridge) 。
(2) 在发射部分设计中, 主控和RF芯片采用了Cypress公司的CY7C60323和CYRF6936。音频编解器采用华邦公司的W681360, 射频部分还采用了两路射频开关芯片UPG2012TB, 其功能是在带宽允许的范围内, 实现双路无线通讯。此外本研究采用了BQ24080的充电芯片, 给锂电池进行充电, 锂电池供电输出经过TPS79133低压差电压转换芯片得到3.3 V的工作电压, 给后面模块进行供电。主控芯片与音频编解器、无线通讯芯片通过SPI接口进行通讯, 通过W_CS及RF_CS进行片选。
发射部分的具体模块如图1所示。
(3) 在接收部分设计中, 主控和RF芯片采用了Cypress公司的CY7C64215和CYRF6936。USB接口供电输出5.0 V电压经过TPS79133得到3.3 V电压, 作为上述芯片供电输入。
接收部分的具体模块如图2所示。
2 音频编、解码设计
对于有线CD音质的立体声采样率为44.1 ksps或者48 ksps, 对于7.5 kHz带宽的音频信号采样率为16 ksps。本研究考虑到无线通讯的信号带宽为250 kbps, CPU工作频率为12 MHz及SPI通讯的工作要求, 对语音信号的采样率设置为8 ksps, 已能满足单一语音信号的无线通讯要求。
该设计中有两个音频信号通路:
(1) 从USB到SPKR, 主机通过USB接口传送16-bit PCM的音频信号, 经过Bridge, 将16-bit PCM转换成4-bit ADPCM, 然后无线传送给Remote端;在Remote端将4-bit ADPCM还原成15-bit PCM, 然后经过13-bit音频编解码器, 输出音频信号驱动扬声器 (SP-KR) 发声。
(2) 从MIC到USB, 与上述类似。
本研究为了简化操作, 音频数据从主机到SPKR端时, 将USB的16-bit PCM, 在Bridge上转换为15-bit的数据流, 然后再进行ADPCM编码。同样音频数据从MIC到主机端时, ADPCM编码在Bridge上还原出15-bit数据流后, 还需要完成16-bit的PCM数据转换, 然后通过USB接口传送给主机。
此外与扬声器和麦克风的接口音频编、解码器是13-bit的, 在进行ADPCM之前, 要将它转换成15-bit的PCM码。由于音频信号的前后自相关性, 这样的转换并不会造成声音信号的弱化。
PCM到ADPCM编、解码, 如图3所示。
ADPCM编码充分利用了声波在连续的采样中具有很高的前后相关性, 使得后续声波的采样能够被预测, 而不是只对当前的采样进行编码。ADPCM对预见的声波采样和当前的采样进行差分编码。这种方法不仅提高了声波的压缩率, 同时也能保持完整的声音质量[5,6]。此外, 文献[6]详细阐述了DPCM、DM、ADM与ADPCM的压缩算法原理及算法实现流程, 通过实验, 给出了每个算法的特征, 实验结果进一步证实了ADPCM算法既能够有效的压缩语音, 又能还原出高质量的语音。
ADPCM算法是建立在IMA组织为了提高数字化语音兼容性应用的基础之上的。IMA提供了ADPCM参考算法, 它通过简化许多操作和查表的方式来减少运算的复杂性, 将16-bit PCM压缩成4-bit。
在图3中, 编码器 (Encoder) 将输入的采样值 (Xn) 和预测值Xp (n) 进行差分d (n) , 将差分的值送入量化器 (Quantizer) 来产生4-bit的c (n) 。c (n) 通过反向量化器输出dq (n) 和旧的预测值Xp (n) 相加, 产生新的Xp (n) 。理想状态下, d (n) =dq (n) , 新旧Xp (n) 值也相等。
在这里Xp (n) 为解码器解码后的值。如果解码器中的Predic和StepSize值跟编码器都相同, 那么解码器的解码和编码器的Xp (n) 计算是相同的。对于StepSize是对4-bit的c (n) 值进行增加或者减少。文献[7]提出了通过克隆重组方法来快速优化ADPCM的多参数。
通过ADPCM编码压缩的方法, 编码器设置和更新它的Predic和StepSize值, 解码器在数据流中来捕捉这两个值。只要没有数据丢失, 编码器和解码器就具有相同的Predict和StepSize值。然而在无线传输中, 系统无法保证数据包不丢失, 因此解码器并不能总是跟踪编码器的Predict值和StepSize的值。在这里本研究给每个数据包设置3 ms的长度, 同时每个数据包中都包含了Predict和StepSize的值, 让每个数据包被单独处理, 然而3 ms数据包的丢失, 并不会让人觉察到语音信号的失真。
本研究设置USB的PCM速率为8 ksps, 每个PCM为16位, 通过将音频数据的PCM转换成ADPCM, 使得音频数据被压缩了3/4, 有效实现了音频数据的压缩。
3 无线通讯协议设计
为了防止在无线传送过程中数据包的丢失, 造成声音信号的中断。在无线通讯上, 本研究在硬件上采用了双天线设计, 提供了两个无线数据通路, 通过无线高频开关进行天线的切换工作。此外在无线射频电路的参数匹配上, 要得到最大的功率传递, 源阻抗与负载阻抗必须相匹配[8], 通过采用“逐个优化参数”的方法[9]来尽量匹配射频参数, 以此来提高射频电路的发射功率, 通过该方法使得两边的无线通讯距离可达15 m以上。
文献[10]中简要介绍了无线音频无线数字/模拟音频传输系统的设计, 在天线设计方面, 它采用的是单天线设计, 这样使得音频数据在无线传输过程中, 如果造成数据包的丢失, 则在接收端将无法重现丢失的信号。因此本研究采用了双天线的设计。这里设计的天线A和天线B在Remote端, 同样也可以设置在Bridge端, 设计中将128 kbps的无线带宽分成两个64kbps带宽。一个数据包使用64 kbps通过天线A进行传送, 这个数据包的复制包使用另外的64 kbps通过天线B进行传送。这样Bridge端就有两个无线数据通路。此外Bridge端也传送两个同样的数据包给Remote端, 天线A接收第一数据包, 天线B接收复制的数据包。
通过这种方式, 将有效地减少数据包的丢失。因为只有两个无线通路上都丢失数据, 数据才会丢失。
无线VoIP数据包如图4所示。在图4中, 3 ms的语音信号中包含有4个数据包, Remote和Bridge各自都传送两个同样的数据包。接收端只要收到其中的一个数据包, 就表明成功接收。RF通路的利用率:665/750=89%。这里设置的750μs的数据通讯, 能有效地避免蓝牙信号的干扰, 因为蓝牙的数据包通讯时间小于750μs。
无线通讯数据包中有15个字节, 其中包含了24个ADPCM编码, 时间为3 ms;24 samples/8 ksps=3 ms。采用了8-bit step和12-bit Predict值。
4 软件设计流程
软件设计流程为:
(1) 软件设计有两个部分:发射器部分和接收器部分。
(2) 发射器的主程序流程图如图5所示。
(3) 接收器的主程序流程图如图6所示。
在3 ms的数据包中, 包含有24单独的中断, 每125μs就有一个中断, 每个750μs中包含了6个中断。研究者可以采用中断序号的方式来确定每个中断服务程序的内容。
5 结束语
本研究通过对2.4 GHz的无线VoIP发射器和接收器的应用研究, 实现了音频信号短距离的无线双向通讯。笔者对该无线发射器和接收器进行无线语音通讯测试, 在有效距离15 m以内, 无间断数据流产生, 语音信号通讯流畅。该方案通过自适应差分编码方式实现了声波的有效压缩, 压缩率达1/4;通过双天线的设计方法解决了数据包丢失的问题;通过引入“逐个优化参数”的方法来提高发射的功率及接收灵敏度;通过采用华邦的W681360编解码器与WirelessUSB组合来实现VoIP的软、硬设计, 具备了无线VoIP的低功耗、高稳健性特点, 而且相比蓝牙方案, 成本较低。
该方案可广泛应用于无线VoIP耳机、无线多媒体辅助应用等短距离的无线音频数据通讯的场合。
参考文献
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基于VoIP话务分析系统的设计 篇5
1 系统需求分析
VoIP需要最小的带宽保证,以提供尽可能高的通话服务质量。而在VoIP网络环境中,大量的VoIP降低了通话质量而且没有任何“忙”的指示,并产生大量不完整的、或不稳定的VoIP信息流。因此,系统需要监视关首、路由器等设备,对原始的呼叫信息进行合并、指标整理,围绕VoIP业务的网络设备状况、通话质量、业务流量、业务开展情况、通话模式等方面进行全面地分析,使用户对业务的开展情况了如指掌,在对网络优化时有具体指标数据作为依据。
2 VoIP话务分析系统的设计
JVR系统是为中国联通开发的一个话务分析系统,其设计采用了基于客户-服务器和web的解决方案并使用了模块化的设计。根据需求分析系统主要包含以下模块:系统监控、话务管理、故障管理、拓扑管理、性能管理以及系统管理。系统功能结构如图1所示。以下对部分模块进行详细阐述。
2.1 系统监控
该模块主要功能是以地理图的方式将最近的重要数据显示在相应的地理位置上,使用户对各地区的网络运行情况能够一目了然。
各个电信运营商都可以在系统中通过指定条件进行查询,系统将会通过图形显示出各省的对于指定指标的状况,若超出告警范围,则会在图形上进行告警。可以使用的查询条件有:1)时间;2)区域:如全部省或如北京、天津等;3)查询指标:如应答次数、接通次数、应答率、接通率、呼叫次数等;4)查询方式:如日报、周报、月报;5)阀值,即查询指标所不能低于的告警值。
2.2 话务管理
该模块主要实现对电话业务的统计和分析功能。
分类统计包含应答率统计、通话时长统计、时长分析统计、业务统计、拆线原因统计报表和语音质量统计。该类统计主要是为用户提供按话务指标进行分类的统计,使用和一目了然就知道某类话务指标话务情况。
分析部分包含常用分析和综合查询:常用分析为用户经常使用的固话分析,综合查询各类指标、全省任一区域(一个城市或多个城市,一个网关或多个网关)和全省任一时间段的综合类查询。
2.3 故障管理
故障管理功能是为提高VoIP系统的网络性能和故障诊断提供一个便捷和直观的工具。
故障管理模块帮助操作维护人员及时有效地了解到设备和网络出现的非正常运行状态,并通过各种图形,图表,颜色和语音方式向操作人员提示有关告警内容和告警统计信息,帮助操作人员确定故障原因和故障位置,以便能及时纠正问题,保证设备和网络的正常运行。系统对告警发生到告警显示的延迟时间小,从而大大提高维护人员的工作效率,同时也将有力地增强运营商的服务质量,提高市场竞争力
2.4 拓扑管理
拓扑管理模块提供一系列的工具,帮助操作维护人员完成日常维护工作和维护管理工作,例如:制订作业计划,分配作业任务,记录交接班内容,填写各种值班表格,记录障碍修复方法、管理备品备件等,对实际工作情况进行详细的记录,使得责任更加分明,从而有效地强化了管理体系,大大提高了管理水平,使得管理更加细致有效,并为对人员的考核提供了充分的依据。
其中集中操作维护功能模块提供远程集中操作维护、批命令处理和广播定时发送等维护功能,对交换机操作响应的反应时间小,实现了真正意义上的集中控制,使得远端机房做到无人职守,为运营商尽可能的降低了运营维护成本
2.5 性能管理
性能管理模块分别对网关、关守、路由器的CPU使用率、MEM使用率、端口使用率、丢包率等指标进行统计和分析。
性能管理分为设备性能查询,设备性能报表,链路性能告警三个子模块,功能如图2所示。
性能管理将综合分析网络整体运行水平,通过对网内各VoIP前置交换机的话务负荷情况,进行监视和分析,并且向网管人员提供各种直观的话务分析结果和灵活的话务报表,使网管人员能够直观形象地了解到整个VoIP网络前置交换机设备运行的实际情况,并据此采取措施协调整个电话网的话务流量,从而为用户提供高质量的服务,赢得用户的信任。同时还可以进行各种角度的分析对比,了解网内业务量的发展趋势,为定新的战略决策提供强有力的实时依据,使得运营商可以走在市场的前沿,赢取更多的市场份额。
2.6 系统管理
系统管理配置和定制系统监控、话务管理、性能管理等各个模块运行时所需的参数。在JVR系统安装后,在本模块已经具有默认参数,未经系统管理员同意请不要自行修改。系统运行期间参数配置如涉及后台数据处理,当天配置后,在第二天参数配置相关的后台数据处理才能生效。
系统管理模块提供多级的安全管理机制,进行严格的用户管理、日志管理、操作权限定义和限制,保障了网络的安全性、数据访问的安全性、文件访问的安全性和用户管理的安全性,在出现异常情况时,给用户以提示,并具有用户工作记录管理功能,保证用户可以浏览各自的工作记录
3 系统的技术特点
3.1 数据处理
由于VoIP前端设备采集的数据量巨大,所以系统所处理的数据量非常庞大,每天都要承受在数据库吞吐量和系统容量上的压力。JVR系统运行时,在20台左右的Soloris系统上按照各自Crontab所预定的时间,用各自的脚本处理从前端设备采集到的数据,数据来自全国32个省市。如图3所示。
其中后台数据处理分为四级,包括市级数据处理,省级数据处理,总部级数据处理。在从网关级上的设备上采集到数据后,服务器将最原始的数据处理到市级表中,同时将数据处理成可读数据,如原始时间所记录的年为年份减去1970所得到的数字,原始时间并不利于客户端的展示,所以系统后台将其处理成可简单显示的数据。市级数据被处理到市级表中后再进一步导入到省级表,最后导入到两台总部服务器中。
3.2 使用XML对关键配置数据进行存储
XML是一种类似于HTML的标记语言,是用来描述数据的,它的标记不是在XML中预定义的,必须定义自己的标记,使用文档类型定义(DTD)或者模式(Schema)来描述数据。XML的使用能够手工对系统的配置文件进行修改,方便灵活。
系统中使用XML存储关键数据,如前端采集设备的IP地址,端口等,在页面上系统管理员可以看到以XML形式展示的设备配置。后台数据导入导出的java程序通过XML解析器如SAX和DOM进行数据的解析和读取。
4 结束语
VoIP话务分析系统是在长期从事电话网OSS开发和工程经验的基础上,吸收和借鉴了大量网管系统的优点,同时对VoIP前置交换机进行了详细的调研与分析,推出的一套全新的监控与管理系统。文章以系统开发实例,阐述了VoIP话务分析系统的模块设计方案,希望能为开发人员提供帮助。
参考文献
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无线VOIP系统 篇6
关键词：流量监控,VoIP,在线识别,机器学习,检测机制
0 引言
Vo IP(Voice over Internet Protocol)业务成本低、部署方便,在语音通信业务中的比例持续上升,其发展带来机遇的同时也给网络安全运行带来了巨大挑战[1]。因此,对Vo IP业务进行管控非常重要,高精度在线流量识别也成为众多研究领域的热点与难点。
目前,主流Vo IP流量识别方法主要包括两大类:基于流特征的Vo IP流量识别与基于机器学习的Vo IP流量识别。文献[2]最早利用流特征进行流量分类,提出249种具体的流特征,并提供10组可用的流量数据集。文献[3]针对数据流中一段时间内的数据包长和包时间间隔,统计其分布范围、均值、中值与方差等特征作为Vo IP流量识别的依据。上述文献识别精度不高,基于流特征的识别方法对不同类型的网络流量适应性也较低。基于机器学习的识别方法主要集中于离线识别,对于在线Vo IP流量识别的研究并不多[4,5,6,7]。文献[4]实现了基于WEKA库文件的Skype流量在线检测工具,但存在无net AI工具更新、无可视化界面、算法单一等缺陷。文献[5]改进了支持向量机算法,能够节省1/4的识别时间,但仍然无法满足在线识别的实时性要求。文献[6]基于流统计特征,利用机器学习算法构建分类器模型,系统在线识别精度为93%。其不足之处在于,没有研究在线识别系统的实时性,并不是真正意义上的在线识别。文献[7]基于开源数据挖掘工具WEKA中的机器学习算法,针对特定应用Skype提出并设计出一种基于决策理论的识别工具,然而只能达到82%的精度,无法满足大流量环境下的高精度识别。从目前的研究成果来看,在线识别的难点主要在两方面:一是无法满足较高实时性要求,二是无法实现高精度识别。
针对以上问题,本文设计了Vo IP流量在线识别系统,不仅能实现实时在线识别,且识别精度高达到92%。
1 Vo IP流量在线识别系统
本文所设计的系统中,数据流定义为两个主机之间交换的连续数据包。同一条流中所有数据包的五元组相同(五元组包括源地址、目的地址、源端口、目的端口和传输协议)。构建训练集的过程需对数据包进行分流,根据思科分流定义,单条TCP流须包含完整语义的开始时刻(SYN)和结束时刻(FIN/RST),UDP流中两个包之间的时间间隔不超过30 s[8]。
1.1 在线识别系统原理
在线识别系统分为离线分类器建模和在线识别。其中,离线分类器建模如图1所示,预处理模块对PCAP文件格式的数据集进行分流,并转化为WEKA工具所能识别的CSV文件格式,同时统计每个数据流的流特征构建成训练集。算法学习模块采用Best first search算法和CSF算法去除候选特征中的冗余且不相关的流特征,获得最优特征子集,再调用机器学习算法对训练集进行学习并搭建分类器模型。最后,通过相关指标评估获得最优分类器模型。
如图2所示,本文所设计的在线识别系统建立在获得离线分类器的基础上,提出JPcap边抓包边检测机制,利用JPcap库编写探嗅器控制底层网卡抓取数据包,同时分流模块对数据包分流并统计流特征。设定流量累积时间,每次达到阈值时间30 s,将统计好的数据流作为测试集送入离线状态下构建好的分类器进行识别,并将识别出的Vo IP流量以IP地址的形式输出到系统界面,动态显示网络中Vo IP电话状态。
1.2 预处理模块
预处理模块在离线状态进行,为系统搭建分类器提供完整训练集。该模块包括获取数据集、文件格式转换与分流统计构建训练集。
1.2.1 获取数据集
使用Wireshark软件抓取PC中运行的特定应用类型流量获取数据集,通过配置交换机镜像端口将抓取单个PC产生的流量扩展为整个局域网产生的流量。同时使用文献[4]中提到的Moore数据集与Tstat网[9]提供的Skype数据集。此外,在数据集中新增PC-PHONE端的Vo IP类型流量,使系统同时具备PC-PC端与PC-PHONE端Vo IP电话的识别能力。
1.2.2 文件格式转换
Wireshark软件数据包的存储格式为PCAP格式。PCAP文件头包括:数据链路层14 B包头+20 B IP包头+20 B TCP或UDP包头。预处理模块通过分析PCAP文件头信息,编程实现五元组、时间戳及数据包长等流特征信息的提取,并转换为WEKA能识别的CSV文件格式。
1.2.3 分流统计构建训练集
首先在五元组相同且满足思科分流定义的条件下,对Wireshark抓取的数据包进行分流,利用文献[2]提供的fullstats分流器,在Linux系统中实现分流。完成数据包分流后,统计数据流的相关流特征,并将统计后的数据流作为最终训练集。
1.3 流特征选择
文献[2]提出了249种流特征,若对每个特征进行统计,将耗费大量的计算时间,成本过高,且并不是所有流特征都适用于Vo IP流量识别,因此需要去除不相关且冗余的流特征,以达到提高模型精确度,减少运行时间的目的。本设计根据Vo IP语音电话特有的通信属性对其进行初步筛选,得出20个候选流特征再进行特征选择。特征选择首先从候选特征集中产生一个特征子集,然后用评价函数对该特征子集进行评价,将评价的结果与停止准则进行比较,若评价结果比停止准则好就停止,否则就继续产生下一组特征子集,直到获得评价最高的特征子集。本文使用Best first search搜索算法从候选特征集中产生特征子集,然后用CFS(Correalationbased Feature Selection)算法进行评估,得到12个相关性最好、得分最高的特征子集,如表1所示。
1.4 机器学习算法
本文着重研究C4.5决策树算法,为增强系统可扩展性,另在系统中集成了朴素贝叶斯算法(Naive Bayes)与支持向量机算法(SVM)。
C4.5决策树是一种经典的分类与回归算法。决策树的数据结构由内部节点和叶子节点组成,内部节点代表一个特征属性,叶子节点代表一个类别[10]。算法的处理过程分为以下几个步骤:首先,计算数据集D的经验熵H(D),熵是一种不纯度度量准则:
式中,pi是属于第i类的概率。其次,计算特征A对数据集D的经验条件熵H(D|A):
进一步得出信息增益为:
信息增益比为:
式中HA(D)为属性A的信息熵。依次选取信息增益比最大的特征Ag分割数据集D为Di,将Di中最大的类作为子节点再递归调用得到子树Ti。最终经过“悲观剪枝”修剪决策树得到损失函数最小的子树。
朴素贝叶斯是基于贝叶斯定理与特征条件独立假设的分类方法。对于给定的训练集,首先基于特征条件独立假设学习输入/输出的联合概率分布,再基于此模型,对给定的输入x,利用贝叶斯定理求出后验概率最大的输出y。朴素贝叶斯的算法效率高,是一种常用的分类算法。
支持向量机是一种二分类模型,基本模型是定义在特征空间上的间隔最大的线性分类器。其学习策略是间隔最大化,可形式化为一个求解凸二次规划的问题,也等价于正则化的合页损失函数的最小化问题。
1.5 在线识别———JPcap边抓包边检测机制
在线识别的关键技术是实现在线抓包同时短时间内识别出目标流量。本文致力于寻找一个能实现Window系统下在线抓包的工具,而JPcap库正是实现这一想法的重要类库。
JPcap库是Keita Fujiiy开发的一套能够捕获、发送网络数据包的Java类库[11]。Java语言虽然在TCP/UDP传输方面给予了良好的定义,但对于网络层以下的控制却无能为力。JPcap类库给Java语言提供一个公共接口,类库使用libpcap和原始套接字API,调用Jini获得Java API中的数据,实现Java语言对底层网卡的控制与链路层数据包的获取。
本文提出JPcap边抓包边检测机制,基于JPcap库编写探嗅器实现在线抓包。利用JPcap库所抓取的数据包对象是单个数据包。因此,系统在抓包的同时能实现对单个数据包按五元组分流并统计其流特征。每当统计时间达到所设置的阈值时间30 s时,便将这段时间内统计好的数据流作为测试集送入分类器进行识别,输出识别的Vo IP流IP地址,动态显示网络中Vo IP的状态,实现真正意义上的Vo IP流量实时在线识别系统。
2 实验结果与分析
实验环境:新西兰怀卡托大学基于Java开发的开源数据挖掘平台weka3.6、一台装有Windows 7操作系统和Eclipes的个人PC、一台华为S5000交换机。
2.1 评价指标
评价二分类类型的分类器性能指标为:精度(precision)、召回率(recall)、F1值。实验以Vo IP类为正类,非Vo IP类为负类,分类器在测试集上预测结果为正确或错误。可能出现的4种情况记:TP,将正类预测为正类数;FN,将正类预测为负类数;FP,将负类预测为正类数;TN,将负类预测为负类数。进一步,得到精度:
召回率为:
F1值为精度和召回率的调和均值:
2.2 实验数据
本次实验使用1.5G Skype流,包含了Skype 10个版本,共计1 371条流,其中371条为PC-PHONE端Vo IP流量。非Vo IP流量1G,使用文献[2]中提到的Moore数据集与通过镜像端口抓取到的数据集。整个训练集共34 371条数据流,覆盖14种流量类型,具体见表2。
2.3 离线分类器模型结果分析
系统识别结果如图3所示。离线建模过程如图3上半部分所示,步骤包括打开训练集文件、选择机器学习算法、建模,图中所示J48即C4.5决策树算法,结果框为分类器识别结果,具体如图4所示。
实验使用10折交叉验证法评估出平均测试误差最小的分类器,由图4可知,分类器识别精度为99.9%,召回率为99.6%。图4最下方为混淆矩阵,对于二分类问题,用2×2矩阵表示,正对角线上表示正确分类的样本,反对角线表示被错误分类的样本数,结果显示有2个非Vo IP样本被分类成Vo IP类,6个Skype样本被分类成非Vo IP类。实验结果表明,本文所选取的最优特征子集大幅提高了分类器的性能指标。由于本文针对Vo IP流包长、时间间隔等关键属性对流特征进行筛选,增强了机器学习算法的学习能力,从而使得分类器识别性能大大提高。
同样地,对Naive Bayes和SVM算法分别进行实验,3个算法搭建的分类器识别结果对比图如图5所示。可知,基于C4.5决策树算法分类器的3个评价指标均最高。这是因为C4.5决策树算法建模时不依赖于网络流量类型的分布,对于不同类型的流量数据有更强的适应能力,在分析较大训练集时优于依赖先验概率的NaiveBayes算法,且内存需求小于SVM算法,因此得到了最好的识别精度。
2.4 在线分类器识别结果分析
在线识别如图3下半部分所示。首先打开本地网卡开始抓包,设定混杂模式抓取流经本地网卡的所有数据包,同时对数据包进行分流并统计流特征。每达到设定的30 s阈值时,选择对应算法的分类器对测试集进行在线识别,识别出Vo IP类型流量并以IP地址形式输出到图示结果框。图3仅是一次测试结果,3个IP地址均为Vo IP通话主机地址,结果表明系统实时准确识别出了当前网络中的Vo IP通话。
接下来,累积进行100次在线实验,对比3种分类器在线识别精度,结果如表3所示。由表3可知,在线识别精度最高的分类器为基于C4.5算法的分类器。
而作为在线识别系统,除精度以外,还需考虑第二个核心指标———实时性。这里也对3种算法的建模时间与识别时间进行对比,结果如表4所示。由表4可得,基于C4.5算法的在线识别时间最短,建模时间略低于Naive Bayes算法,而Naive Bayes在线识别时间低于C4.5算法,SVM建模与识别时间均最长。由于C4.5决策树模型处理样本时,仅需根据网络流流特征值自顶向下进行比较,找到相应叶节点即可,处理简单,处理效率更高,因此识别速度更快。
结合表3、表4的结果对精度与实时性指标进行分析,得到C4.5决策树算分类器识别精度最高,且在线实时性最好;Naive Bayes分类器虽然建模时间短,但在线实时性略差,且精度较低;SVM分类器精度与实时性均不佳。在实际应用中应同时保证高识别精度与实时性,因此本文选择C4.5决策树为系统的核心算法。实验结果表明,本文所设计的Vo IP流量在线识别系统确实能同时满足高精度与实时性。
3 结束语
本文设计并实现了基于机器学习的Vo IP流量在线识别系统,在大幅提高Vo IP流量识别精度的同时保证了系统的实时性,且有良好可视化界面。实验结果表明,本文所设计的Vo IP流量在线识别系统离线识别精度达99.9%,在线识别精度达92%,且识别时间短,能够快速识别出目标流量并显示Vo IP流量活动的IP地址。不过,本文的训练集未能涵盖更多种类的流量类型,对未知流量识别仍有待提高。未来的工作旨在建立一种更优化的在线识别系统,继续增强样本容量,增加更多种类的流量类型并支持更多的算法。
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无线VOIP系统 篇7
近年来,VoIP及其应用技术日渐成熟,在全球范围内获得了高速发展,已经成为影响下一代网络(NGN)的一个主要因素[1]。目前构建VoIP系统结构的信令协议主要有H.323协议和SIP协议[2]。虽然H.323协议正主导着VoIP技术,但其实现复杂、成本高、建立连接时延大,在现有网络中很难实现互联互通。因此,IETF组织提出了会话初始协议SIP(SessionInitialProtocol)[3]。SIP将网络设备的复杂性推向网络边缘,支持单播通信、多播通信、名称映射和重定向业务,还支持类似呼叫转发、呼叫拒绝等电信业务的实现以及支持用户移动性。与H.323协议相比,SIP协议更适合于智能用户终端,使用更加灵活、简单。IP技术是一种面向无连接的技术,IP网络只提供一种“尽力而为”(BestEffort)的服务,这对于只要求准确率而对时延没有严格要求的数据业务来说是合适的,而对于音、视频等实时通信的QoS(QualityofService)却难以保证。因此,如何为音、视频等实时通信保证合理可预测的QoS,提供与公共开关电话网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)可媲美的质量和服务已成为当前IP领域中一个重要的研究热点[4]。
1 VOIP和SIP
VoIP(VoiceOverIP),顾名思义,就是在IP网络上进行语音通信,但现在的VoIP已不仅仅是指传统意义上的语音通信,而是指音频、视频、数据合一的实时多媒体通信[5]。VOIP就可定义为:在整个语音通信过程中,部分或全部采用分组交换技术,通过IP网络来进行的语音传输都可称之为V 0IPVOIP的本质特征在于是否语音分组交换技术。分组交换技术是Internet采用的体系结构,其核心是将要传输的数据报文分成长度较短且具有标准格式的分组,并采用存储转发机制,有效降低数据传输过程中的网络延迟,满足数据传输和交换的要求
总之,VOIP采用分组交换技术,具有以下特点[6]:(1)数据包排队传输产生时的时延较小,基本满足语音通信的要求。(2)路由共享,传输线路动态统计时分复用,资源利用率高。(3)为不同传输速率、不同编码方式、不同同步方式、不同通信规程的用户之间提供了语音通信的环境。(4)采用分组技术,传输误码率低:从源端到目的端存在多个路由,网络中某一节点发生问题时,分组可以自动选择另外路由,从而保证通信不会中断,可靠性高。(5)分组交换设备要比传统的PSTN设备交换机便宜,其运营和维护费用少,并且有利于新业务的扩展,经济性好。(6)由于IP协议本身提供的是面向无连接的服务,并不适合对实时性要求较高的语音服务,所以语音服务质量较难保证。(7)要提供高质量的语音服务,尚存在一定的技术难度。
SIP协议是由IETF最早提出的一种VoIP实现方式[7],其基本思想是在互联网环境中,组建一个平面结构的、可用于点对点对话需求的系统。SIP作为一个广义的电话信令协议,具有以下几个主要特征[8]:(1)SIP可以发起会话,也可以邀请用户加入以其他方式(如SAP、LDAP等)发布或建立的会话。(2)SIP可以支持单播会话,也可以支持多播会话。(3)SIP与网络协议独立,即与底层协议无关。SIP可以在不同的传输层协议,如TCP或UDP。当使用UDP的时候,SIP可以更好的支持多播会话;当使用TCP的时候,SIP可以更容易的穿透防火墙。(4)SIP支持很多其他协议,如RSVP、RTP和RTCP、RTSP、SAP、SDP等,但SIP的功能和操作不取决于以上任何协议。(5)SIP是基于文本的协议,简单灵活,可扩展性好;SIP采用Client/Server的体系结构,在很大程度上继承了HTTP和SMTP协议的特征[9]。(6)SIP协议是无状态的,服务器可以保持也可以不保持呼叫状态。(7)SIP透明支持名字映射和重定向服务,可以实现ISDN和IN电话用户服务;通过网关,SIP可以实现PSTN电话之间的呼叫。(8)SIP支持用户的移动性和移动业务。
2 系统简介
本系统主要由SIP服务器、基于RADIUS的AAA服务器、用户注册平台以及Talk软电话四部分组成。VoIP系统网络拓扑结构在vTalk系统的实现过程中,SIP服务器使用开源的OpenSER来完成。OpenSER是由基于IPTEL公司开发的SER发展出来的,采用GPL(General Public License)许可证发行的自由软件,它是符合ANSI C语言标准写成架构在FreeBSD、Linux-Like(PC)系统和Solaris(Sun)系统,OpenSER是支持符合RFC 3261的协议规范且架构在TCP和UDP之上的SIP协议,是一套高效能、易于修改组态成形的语音服务器系统。除了可以充当SIP服务器外,OpenSER还可作为短消息服务(SMS,Short Message Service)、即时通信(IM,Instant Message)、RADIUS记账和授权以及基于Web的用户配置、账号申请等充当网关。
3 系统的设计与实现
本文中的SIP服务器、Radius服务器及Apache、Mysql服务器均建立在同一机器上,此机器使用的操作系统为FreeBSD。
如图2所示,基于3-TIER的架构,本文把系统规划为后端服务器层、前端应用程序服务器层、客户端及管理者端的应用层。
首先,依照服务器环境的需求将服务器安装在FreeBSD操作系统,并在此服务器上将依序安装以下各个服务器或系统:
·OpenSER(后端SIP语音服务器)
·MySQL Server(后端数据库服务器)
·Radius服务器用来做AAA认证
·Apache HTTP Serve(前端应用程序服务服务器)
·voip_reg(前端网络电话服务系统系统)
·两个客户端使用Talk
本文利用OpenSER来提供Sip的语音相关服务,MySQL Server用来记录OpenSER提供服务时所产生的数据,作为帐务产生的依据。经由Apache HTTPServer下透过voip_reg来提供用户帐号申请服务,两台用来测试OpenSER运作情形的机器,均安装上Talk客户端。
由于SIP服务器是架设在FreeBSD操作系统之上的,所以除在安装SIP服务器前需要先装好FreeBSD操作系统,还需要添加其他一些必须的软件,如软件编译环境gmake、Apache、Mysql、PHP等,以用来开发本系统。在服务器上安装好OpenSER后,由于编译安装了Mysql模块,下面通过对OpenSER的设定,使其支持Mysql数据库,使用Mysql数据库模块的目的是为了增强服务器的强韧性,并在重新开机后仍能保持用户的认证数据及记录用户位置,从而避免了OpenSER在不使用数据库模块的情况下,会出现无法对用户的身份认证,或在服务器重开机之后会失去用户位置数据等情况。
Radius认证过程
系统对用户认证时主要涉及三个数据包,这三个数据包分别是:认证请求包(Access-Request)、认证响应包(Access-Accept)和认证拒绝包(Access-Reject)[10]。第一个是用户认证时需要发给Radius服务器的数据包,后两个是Radius服务器返回给Radius客户端的认证通过或认证拒绝的响应数据包。本系统对用户认证时采用两次认证的方法:
①首先,运行客户端电话软件vTalk后,出现登陆界面,用户需要输入账号和密码,然后生成Access-Request数据包,将该数据包传给主Radius服务器。
②若主Radius服务器在一定时间内没有响应,则重发一次该请求包,若还没有响应,则把该包发给备份Radius服务器,备份服务器增强了系统的健壮性。Radius服务器是一段软件代码,它收到请求包后,解包得到认证信息,并与数据库中的用户信息做比较。在此是比较账号对应的密码,若密码相同,则认证通过,发回Access-Accept包;若密码不同,认证未通过,发回Access-Reject包。
③当用户端收到Access-Accept包时,表明用户合法,打电话的界面出现。当用户端收到Access-Reject包时,表明用户不合法,打电话的界面不出现。这是首次认证。当合法用户输入电话号码打电话时,呼叫控制服务器提取用户的账号和密码,生成Access-Request数据包,它以NAS的身份与Radius服务器通信,对用户进行二次认证,过程与第一次认证相同。若呼叫控制服务器收到Radius服务器发回的Access-Accept包,说明验证通过,可使用户与语音网关建立联接,并得到可通话最长时间或卡上余额等信息;若呼叫控制服务器收到Radius服务器发回的Access-Reject包,说明验证未通过,用户与语音网关不能建立联接。这是二次认证。
创建radius数据库
首先需要在连接到Mysql数据库系统,并在其中添加一个名为radius的空数据库,此数据库用来存放radius服务器所使用的数据表。
#mysql–u root–p rootpasswdmysql>create database radius;安装radius服务器时可以通过编译源码得到,下面需要将db_mysql.sql文件中的数据表导入到Mysql数据库系统中,在将表导入到radius数据库时有好多种方法,如可以使用phpMyAdmin来导入或在控制台下使用命令行的方式导入等。使用命令行是最简单的一种方法[11],例如:#mysql–u root–p rootpasswd radius<db_mysql.sql这样就创建了radius认证和计费所需要的各个数据表。
配置FreeRadius
使用Mysql数据库完成以上数据库的安装后,下面就通过对FreeRadius来配置,使其能使用Mysql数据库并通过Mysql数据库来作认证[12],相关的配置文件存放在/usr/local/etc/raddb目录下。
4 结束语
本文在对SIP这种新的VOIP电话信令协议进行介绍、分析的基础上,设计了一个新的基于SIP协议的VOIP电话系统,并予以实现。在对SIP协议分析的基础上,主要研究基于SIP协议的VoIP系统的设计和实现。首先,参考了国际上一些主要IP电话标准化组织提出的相关协议,探讨了SIP协议的工作原理和服务器的实现方式,基于开源的OpenSER构建了完整的VoIP系统,使之能够与Mysql、FreeRADIUS构建的服务器整合。设计了客户端软件,对基于SIP协议的VoIP系统的设计和实现问题作了一些研究。特别对实现中的一些关键技术进行了研究和分析,最后对系统进行了一些测试,简单介绍了其应用。SIP是VOIP领域的一种新协议,本文对其在实用方面的研究工作做了一些探索,对于促进VOIP技术的发展,特别是对于SIP这种下一代网络软交换体系的重要技术的广泛应用具有一定的意义。
摘要：近年来,SIP作为VoIP的相关协议得到了越来越广泛的应用和越来越多厂商的支持。介绍了VoIP的基本原理及SIP协议的基本内容。基于SIP协议的VoIP作为主要研究内容,探讨了IP电话的相关协议、相关标准和关键技术,对SIP这种比较新的IP电话协议进行了研究分析,设计出一套基于SIP协议的VoIP电话服务器系统,包括系统分析、系统设计、系统实现,最后对该软件进行了测试,使该软件的开发达到了预期的目的。
关键词：VoIP SIP,radius,openSER服务器
参考文献
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[11]马巧云.VoIP系统的实现及Radius协议在其中的应用.浙江大学,硕士论文,2003
无线VOIP系统 篇8
关键词：TrixBox,VoIP,IP电话
1 VOIP及TrixBox概述及研究现状
1.1 VoIP
Vo IP(Voice over Internet Protocol)简而言之就是将模拟声音信号数字化,以数据包的形式在IP数据网络上实时传输。VoIP技术可以充分利用公用网络设施,提供基于IP网络的语音通信服务,大幅度降低通信成本,从而使得企业享受更便宜、甚至完全免费的通话服务。虽然现阶段公用VOIP网络的运营权掌握在电信运营商手中,但对于企业来讲,仍可以充分利用企业内部IP网络以及外部公共Internet资源建立自己的企业级Vo IP系统。一方面可以最大化利用企业网络资源,减少电信设备(PBX和线路)的投资和降低电话通信成本,另一方面也可以利用IP网络将电话网络延伸到电信网络无法到达的区域。
1.2 TrixBox
企业内部VOIP网络的核心是IP PBX,IP PBX的相关厂商很多,比较知名的有Cisco,Avaya等。这些厂商的IP PBX设备功能强大,性能优异,但是价格昂贵。为了降低企业的通信建设成本,拥有电话门数不多的中小型企业也可以选择利用开源的软件来搭建自己IP PBX。TrixBox是在开源软件Asterisk基础上发展而来的开源IP PBX系统,完全能够满足中小型企业的通话需求。它由一系列组件组成,每个组件都在开源授权下被发布,无需企业额外付费。与纯软件的Asterisk相比,维护安装Trix Box不需要太多的Linux知识,TrixBox的操作人员可以通过Web界面来管理系统。
在提供丰富的基本电话业务,增值电话业务之外,Trix Box中还集成了Sugar CRM,Sugar CRM是一个客户关系管理系统我们可以用它来跟踪销售导向、客户联系等。
2 基于Trixbox的企业VoIP系统设计
2.1 系统规划
在创建我们的Vo IP系统时,有一系列的需求需要我们去考虑。诸如:企业内部通话,与外部电话通话,是否需要呼叫中心等等。这些需求直接影响到企业IP PBX的部署和维护,我们需要预先规划设计好,因为企业不会容忍在他们的VOIP系统组建完成后再进行大量的更改。我们需要考虑如下的问题:
2.1.1 分机,振铃组,呼叫队列的规划
在规划制定分机号的时候需要考虑公司的职员数量,电话机数量,部门数量。对于中小型企业,我们可以基于部门对分机进行分组,同时把分机号限制在三位数字,而振铃组和呼叫队列采用四位数字。例如:2xx对应销售部门、3xx对应产品部门、4xx对应售后部门。编码2000-2999的范围作为振铃组,而编码4000-4999范围作为呼叫队列。这种做法易于维护,也方便日后的扩展。
2.1.2 外线连接
一旦知道了公司内部有多少个话机,我们就需要计算在任意时刻并发的外线电话并发呼叫的数目。这将会决定我们将在系统中需要的连接类型。此外还需要决定外线电话呼入呼出所占的比例以及有多少个呼出呼叫是长途呼叫,这会影响到呼出路由。外线连接的类型有:
PSTN:最基本的与PSTN间的连接是一个POTS(Plain Old Telephone Service)线路。小的公司可能仅只需要数根POTS线路与运营商的PSTN网络相连接。如果外线电话并发呼叫数目较多,我们可以采用E1线路的方式与PSTN网络连接。
Vo IP:我们可以通过到ITSP(Internet Telephony Service Provider)的宽带Internet连接来传递电话语音,这些ITSP连接我们的Vo IP电话呼叫到PSTN。在多数情况下,ITSP是可用的电话连接服务的最经济的方法,它免月租费,长途资费也很低。
2.1.3 IVR
利用Trix Box很方便就可以设计出公司的IVR。一个良好设计的IVR系统是一个关键点,它会给公司一个非常专业化的印象。在设计IVR时,需要遵循保持简单(菜单不宜包含过多选项),不要询问用户无用信息,允许出错返回的原则。
2.2 系统架构
本Vo IP系统是建立在企业内部局域网的基础之上的,TrixBox架设在公司局域网内。IP电话,软电话通过局域网直接注册到Trix Box上。普通电话需要通过语音网关,或者是在Trix Box服务器上增加提供FXS口的板卡来连接到Trix Box上。Trix Box可以通过公司到Internet的宽带连接注册到ITSP上,从而实现VOIP方式的外线连接。也可以通过在Trix Box服务器上增加FOX/E1板卡来实现到运营商PSTN网络的外线连接。
2.3 系统软硬件组成
2.3.1 服务器
Trix Box对硬件要求不高,使用一台主流配置的PC机就够了。PC机应该配置有2.0GHz处理器、1G RAM以及一个100G硬盘。考虑到我们准备把系统应用与一个商用的环境下,适当提升PC机的配置可以提高系统的性能。
2.3.2 语音板卡
通过在服务器的PCI插槽上插入不同类型的板卡,我们可以扩充Trix Box的接口。因为Trix Box的内核是Asterisk,考虑到兼容性,我们可以选择Digium公司(Asterisk的提供者)的语音卡,比如TDM400P等。为了节省成本也可以选择国内生产的兼容卡。按照提供的接口类型,我们可以将语音板卡分为两类。
模拟接口卡:该卡上可以配置多个FXO/FXS口模块。当采用模拟用户线连接到运营商PSTN网络的时候,需要板卡带有FXO口。FXS口用于连接系统内部的模拟话机。
数字接口卡:如果需要多于10条外线电路或者需要数字连接的时候,就可以考虑选择带有E1接口的板卡了。
2.3.3 电话终端
根据Trix Box提供的硬件接口类型,我们可以选择不同类型的电话终端。终端主要分为两类
2.3.3. 1 硬终端
包含有普通的模拟电话和IP电话。如果Trix Box服务器没有提供FXS硬件接口,我们可以通过语音网关将模拟电话连接至TrixBox服务器上。
2.3.3. 2 软终端
软终端就是软件电话,可以安装在职员的办公PC或笔记本上,通过公司内部的局域网注册到Trix Box服务器上。知名的软件电话有Skype,X-Lite等。
2.4 系统实现的功能
Trixbox具有强大的实时监测和统计功能,通常用户不必再单独开发或购买日志分析方面的组件,用户能够察看在一个时间段内的通话统计数据,例如呼叫建立总数、呼叫平均时长、失败呼叫比例等等,当然也能够察看每个呼叫的主叫/被叫号码,以及呼叫发生的具体时间。
3 结论
本文给出了利用Trix Box组建中小型企业Vo IP系统的过程。可以看到,TrixBox为用户提供了一个成熟的产品化的解决方案,为用户快速部署公司内部VoIP系统和提供了一个非常优秀的基础平台。本文仅利用了Trix Box电话呼叫方面的一些基本功能,在熟练掌握Trix Box的基础上,用户可以挖掘Trix Box提供的一些额外功能,如Sugar CRM等。
参考文献
[1]舒华英,李勇.VoIP技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003.
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