【硕士论文】帧中继语音传送网关的设计与实现

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1、帧中继语音传送网关的设计与实现Design and Implementation of Voice Over Frame Relay Technology Frame Relay VoiceGateway 中文摘要我国公安专用通信网具有种类繁多、实时性要求高等业务特点，而带宽资源有限、多业务网并存、扩展能力差是当前存在的主要问题，本文为此提出了集“语音、数据、视频”为一体的综合通信网的技术实现方案。本文首先详细比较了时分复用、Pl、帧中继和ATM组网技术优缺点，确立了混合时分复用和PI技术的组网思路，并给出了组网模型，具有接口丰富、信道化复用、数据组网方式多样、经济适用等突出特点，很好地解决了

2、公安专用网中存在的主要问题。本课题的主要目的是提出VoFR语音网关的软件设计方案，并完成VoFR协议模块的开发，实现语音数据在帧中继链路上的传输。本课题在硬件方面使用华为三康的8048路由器，该路由器采用了高性能低功耗PowerPC芯片为主控制处理器来处理各种语音信令。并以TI公司的TMS3205X系列高性能数字信号处理芯片（DSP）处理语音数据和 业务；软件方面采用Vxworks嵌入式操作系统进行VoFR协议模块的开发和编译。关键词：分组语音，帧中继，VoFR，VxWorks操作ABSTRACTChina Public Security has a wide range of private

3、 communication networks, real-time requirements of higher operating characteristics, and bandwidth resources are limited, the coexistence of multi-service network, scalability is the current difference between the main problems, this paper put forth a set of voice, data and video for the integrated

4、communication network of technology programs. In this paper a detailed comparison of the time division multiplexing, Pl, advantages and disadvantages of frame relay and ATM networking technology to establish a mixed TDM and PI technology networking ideas, and gives the network model, with abundant i

5、nterfaces, channelized multiplexing, multiple data networking mode, economical and other prominent features, a good solution to a specific network security the main problems. The main purpose of this task is to propose VoFR Voice Gateway software design and development of complete VoFR protocol modu

6、les, voice data frame relay link transmission. The subject of the use of the hardware Co., Ltd. Huawei-8048 router, the router uses a high-performance low-power PowerPC chips based voice control processor to handle a variety of signaling. And to TIs TMS320-5X series of high-performance digital signa

7、l processing chip (DSP) processing voice data and facsimile services; software, embedded operating system with Vxworks VoFR agreement to develop and build the module. KEY WORDS：Packet voice,Frame Relay,VoFR,VxWorks目录第一章绪论11.1论文背景简介11.2分组语音概述31.3分组网语音通信技术的基本原理61.4分组语音技术在国内外的发展动态61.5 VxWorks操作系统及其应用8几

8、种嵌入式操作系统的比较81.5.2 VxWorks操作系统简介81.5.3 VxWorks的开发环境Tornado101.5.4 VxWorks系统启动流程111.6本课题的研究工作及论文安排13第二章语音IP原理分析142.1帧中继语音传送的含义及特点本142.2帧中继语音传送的基本构成呼叫方式152.3 帧中继语音传送语音技术的发展及应用现状152.4帧中继语音传送的关键技术182.5帧中继语音传送在FRF.11专线方式下的处理流程20第三章VoFR模块的设计223.1组件化模型设计223.2语音网关设计实现233.3帧中继协议模块的实现283.4本章小结30第四章VoFR协议模块的实现3

9、14.1 VoFR协议模块的总体设计314.2呼叫控制块的设计364.3网络侧呼叫信令设计404.4帧中继呼叫状态的设计434.5 Switch呼叫方式444.6 Trunk呼叫方式474.7 帧中继语音网关信令系统启动流程设计48第五章系统测试495.1 VoFR语音网关系统基本功能测试505.2 所设计的VoFR语音网关性能测试515.3 VoFR语音网关性能评价525.4本章小结52参考文献53互联网参考资源55第一章绪论1.1论文背景简介公安边防部队是公安部业务指导下的一支现役制公安执法队伍，主要负责全国各对外开放口岸的边防检查以及沿边沿海地区边境管理区内的公安执法业务工作。公安边防部

10、队的领导机构为设在北京的公安部边防局，下属31个公安边防总队，分设在各省、自治区的省会城市和直辖市，公安边防一级网建设始自于2000年，以公安部边防局为中心，将各边防总队联接成网。目前公安边防一级网上，从北京到各总队共租有43个2M SDH电路，中心汇接为155M STM-1。在物理设备上，目前有14个总队单位使用MOTOROLA路由设备；有15个总队单位使用了CISCO设备；2个单位使用华为设备。共31个单位。部局中心的接入设备为CISCO7206，中心交换机为Cat4006双机，防火墙为联想网御千兆防火墙(现有3个千兆光口，8个百兆电口)。在网络路由协议上，一级网内运行的是静态路由，总队同

11、公安网间有的运行静态路由，有的运行ospf 路由，语音和视频默认走2M, 其他数据流量走公安网。语音传输上，使用MOTOROLA设备的总队采用了VOFR（帧中继语音）的技术，而其他总队基本上都采用了VOIP（IP语音）的技术。对于不同厂家设备通话则必须通过公安部边防局中心的PBX落地后，再由PBX根据路由方向由相应厂家设备进行转发。随着我国对外开放的不断深入，公安边防部队以其特殊的工作性质和所履行的职责使其在整个公安工作中的地位、作用和意义越来越突显。原有的网络路由策略和带宽已不能满足目前公安边防业务工作的需要，因此，网络升级工作迫在眉捷。公安边防网络升级应实现一级网的全面提速。根据业务工作的

12、需要将一级网带宽提速到45M或155M。电路全部为SDH数字电路。45M电路由MSTP设备提供，落地为100M以太网口；155M落地为光口。为了实现升级，一级网原有设备将进行更新，采用功能更丰富，处理能力更强的主流路由产品，设备支持高速的网络接口，未来升级插板卡即可。并且具有更高的安全性和强大的QoS能力，可以实现对关键业务的多种VPN保护，提供语音、视频、关键业务的保障能力。要在改造后的IP网上要实现IP语音和FR语音的融合。采用先进的路由协议算法，快速提高网络路由协议的收敛能力，保证网络发生故障时，快速切换到冗余设备及链路的能力，如图1-1所示：图 1-1 虚拟链路联网示意图2.待解决的问

13、题边防一级网升级后，原有各总队的核心路由器将被替换为Cicso 76、73等系列产品，全面采用IP技术。如此一来，原来使用MOTOROLA设备采用VOFR（帧中继语音）技术的总队将无法实现边防全网的语音通信。若要采用原来的解决方案，则语音传输仍使用2M带宽，一级网升级后的高带宽高质量保证将会被浪费；若要更换这些总队内部二、三、四级网的路由器使其都采用IP技术的话显然投入成本过大，不是良好的解决方案，因为我总队二级网就是使用MOTOROLA设备采用VOFR（帧中继语音）技术，因此，公安部边防局要求我进行相关传输方案的制定与测试工作，进而推广到全国。在这篇论文中，我将就帧中继语音在边防IP网中的透

14、传问题做详细的论述，并给出实验数据和实施方案。升级带宽原有VOFR的约束，IP网成本VOFR网关1.2分组语音概述语言，一直是人类最自然和便利的一种交流方式。语言是人类特有的、具有多种功能进行沟通、交流的工具，是人类区别于其他动物的一个根本特征。在人们日常生活的每一天中。都需要使用语言进行大量的信息交流和传递。其中，身处异地的两个人如何利用语言进行沟通，则从一个方面反映了社会发展进步的程度；在贝尔发明 之前，往往采用传令兵传递口头信息或书信，而在 发明之后，才真正实现了身处异地的人们之间直接语音交流， 的发明标志着通讯史上一次革命性的突破1。在此后的时间里， 经历了从模拟到数字、从有线到无线的

15、变更，技术越来越先进，并已几乎覆盖了全球每一个角落，形成了有史以来最大的一个通讯网络，但 的基本原理一直遵循贝尔集中电路交换的模式，在体系结构上也没有什么改进。在二十世纪最后的二十年内，爆发了信息为核心内容的全球大革命。计算机技术、网络技术等铺天盖地而来。逐步渗入了人们日常生活的每一个角落，人们的生活观念正在经历着一场深刻的变革。作为人类最常使用的通讯方式话音，自然也发生了变化，分组语音便是这场变革代表产物2。分组语音技术是指将语音信号转化为一定长度的数字化语音包，采用存储转发的方法，以包的形式进行交换和传输，是当前最新的一种语音传输技术，它将有可能替代传统的公共 和租用线路传输方案，最终实现

16、语音数据网的一体化集成。与传统电路交换技术相比，分组语音网络技术具有以下显著特点：分组语音所需带宽低于传统语音，从而在传统连接线上可以传输更多的信息。 技术通常的带宽是64kbps以上，分组语音的带宽可低于10kbps。对预留了足够容量的国内和国际数据网而言，分组语音传输是非常便宜的。对已有网络的企业，可以简单地通过提高现有网络的容量来支持分组语音，这样做会比传统公共 网（64 kbps）的带宽效率提高20多倍。分组语音有QoS（Quality of Service）的保证，这对于在Interact等公共数据网络上传输语音的场合尤为重要，而传统语音技术是难以确保其端到端的服务质量的。由于分组语

17、音是在分组交换网络基础上发展起来的，因此分组语音技术的发展需要有其自身的支撑子网。目前支撑分组语音目前支撑分组语音传输的技术主要包括IP、帧中继FR（FrameRaley）和异步传输模式（ATM，Asyehronouse TransferMode），它们是分组语音系统通信子网的核心技术。分组语音在其上的实现分别称为VoIP、VoFR、VoATM3。1)VoIP简介VoIP（Voice over IP）是指在以IP为网络层协议的计算机网络中进行话音通信的技术，虽然从字面意义来看，它研究的内容是IP网络承载话音的技术，但实际上泛指IP网络承载多媒体业务的所有相关技术。VoIP技术可应用于许多领域，

18、包括：电信Internet 系统、Internet 业务、Internet可视 会议系统、Internet呼叫中心、PBX互联、内部网和企业网IP 等。目前VoIP技术已基本成熟，在它的相关协议中占主导地位的是H.323协议和SIP协议。H.323是ITU-T在1996年制定的标准，它定义了在无服务质量保证的Internet或其他分组网络上多媒体通信的协议及其规程。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，同时又发展成为满足Internet 技术复杂要求的协议系列。H.323很大程度上建筑在ITU以前的有关多媒体协议上，作为先前协议的衍生，H

19、.323借鉴H.320的结构、模块和音频视频标准。H.323相关的协议包括用于控制的H.245、用于建立连接的H.225、用于大型会议的H.332、用于补充业务的、和，有关安全的H.235。SIP协议是由IETF推出的会话初始化协议，是一种基于文本的协议，采用SIP规则资源定位语言描述。它不像H.323提供所有的通信协议，而是提供呼叫的建立控制功能相关的协议。SIP采用的是客户服务器控制方式，SIP端系统包含一个客户协议程序和一个服务器协议程序，分别成为用户代理客户（UAC）和用户代理服务器（UAS）。在SIP网络中，服务器分为代理服务器、重定向服务器和注册服务器。2)VoFR简介VoFR（V

20、oice Over Frame Relay）是在帧中继网络上传输语音及语音类数据的一种话音技术。帧中继是在X.25分组交换技术的基础上发展起来的一种快速分组交换技术，是改进了的X.25分组协议。帧中继网络仅完成OSI物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、差错控制、确认重传等功能留给智能终端完成，具有动态分配带宽、复用链路资源、提高网络吞吐量、降低通信时延等特点。帧中继网络适用于以下两种情况：当用户需要数据通信，其带宽要求为64kbit/s2Mbit/s，而参与通信的各方多于两个的时候，使用帧中继是一种较好的解决方案。当数据业务量为突发性时，由于帧中继具有动态分配带宽的功能，选用帧中继可以有效

21、的处理突发性数据。正是由于帧中继网络具有以上的特点和应用范围，使语音在帧中继网络中传输成为可能.帧中继论坛在1998年发布了语音在帧中继网络上传输的协议标准，既VoFR语音标准。从此，VoFR便开始蓬勃发展。由于帧中继网络协议是一种广域网协议，因此，VoFR语音技术经常被应用于在广域网传输中，同时由于帧中继网络组网简单，使用费用较低，VoFR语音技术也经常应用在企业网中。VoFR语音技术之所以能受到广泛关注，除了帧中继网络自身的特点外，VoFR技术本身也具有许多优点。其中，最令商家感兴趣的就是VoFR语音技术提供的GS互转功能。GS互转是VoFR语音技术中的一种特殊语音业务，它提供了VoIP分

22、组语音技术与VoFR分组语音技术之间的互通操作，使两种不同类型的分组网络很好的融合在一起，增加了网络之间的互通性。目前，一些实现VoFR话音业务与VoIP话音业务互联互通的产品已经问世，这些产品的问世减少了人们对这两种分组语音协议优劣的争论和对VoFR应用前景的担忧。3)VoATM简介ATM技术出现于80年代末，是ITU定义用于B-ISDN的传输技术和平台，它本身就是用于传输包含语音视频在内的多媒体业务的工具。根据带宽利用程度和传输的定时机制采用方案等因素。ATM论坛和ITU将ATM分为5种传输类型：固定彼特率（CBR）、实时可变比特率（RT-VBR）、非实时可变比特率（NRT-VBR）、非指

23、定比特率（UBR）、可用比特率（ABR）。并相应地定义了AAL1、AAL2、AAL3/AAL4和AAL5几种业务类型。由于语音对时延抖动敏感程度，一般采用CBR和RT-VBR方式来传输语音，其业务类型分别为AAL1和AAL2。ATM论坛为此专门制定了一套用于VoATM的协议。ATM采用QoS保障机制、VC链路排队机制和定长信元传输机制，有效地降低了时延和时延抖动对分组语音传输性能的影响，成为传输分组语音的最佳方法。但由于ATM设备造价高，尤其是对桌面用户而言，而且目前在ATM系统中传输的语音速率均为64kbps，对带宽的利用率不高，因此VoATM的应用并不十分广泛。1.3分组网语音通信技术的基

24、本原理虽然VoIP、VoFR和VToATM是在不同的分组网中传输语音,但其基本原理是类似的，即：将PSTN网传来的模拟语音信号经过采样、量化、编码变成数字形式的PCM信号，再经过数据压缩后进行分组,并在每个分组中加上接收方的IP地址(或DLCI,或VPI/VCI)，然后利用存储转发技术在分组网上进行传输。在接收端,将到达的分组进行合并、重组,再经过解压缩恢复成话音信号，并通过PSTN网送至最终的受话者。由于分组网带宽为用户共享,各分组利用包头中的地址信息独立寻径，而不是象PSTN那样为用户提供专门的端到端的电路连接,因此具有较高的带宽利用率。但与此同时，也增加了数据包的丢失概率,而且一旦共享资

25、源的用户数、申请的带宽、网络路由及传输能力发生变化，都会造成数据包的传输延迟、抖动和丢包现象,直接影响通话质量。因此,目前的分组网无法提供服务质量(QoS)保证，而只能提供有等级的、非高品质的语音服务。分组网语音通信技术如果真正实现商用,不仅要解决语音传输的可行性问题,还必须注重提高其语音质量。衡量语音质量的几个重要参数有：延迟(Delay)、抖动(Jitter)、丢包(Loss Packet)和回波(Echo)。1.4分组语音技术在国内外的发展动态几十年来，电信网络经历了从模拟到数字，从电路交换到分组交换的演变。从历史发展来看，60年代之前，语音业务都是严格地基于模拟技术的，在之后的近40年

26、时间里，语音业务已经可以用数字信号来承载了。然后，由于数字语音信号并没有在分组网络中传输，分组技术所能带来的统计增益与成本的降低就无法在电信运营领域实现。90年代以来，越来越多的有识之士认识到这一点，开始投身到这一领域的研究中来。与分组语音相关的主要问题有经济性、业务量工程能力、用户级服务质量、网络的服务质量、网络设计、语音数字化与压缩、技术的可行性等。在经济性的驱动下，试图用一个集成化的网络来同时传输分组语音与数据的设想很自然地被提了出来。美国高级研究计划署(ARPA)很早就支持了对这种技术可行性的研究。随后工SDN与ATM技术的发展目标被定位在了对语音的支持上(此外，还要支持多媒体)。在数

27、据传输方面，出现了对于在局域网中传输语音的支持(工EEE802.9与FDD II等规范)，以及对路由器、IP(如RSVP、IPv6)、网络层分组处理技术(如MPLS、MPOA、标记交换等)的增强。在各方面的努力下，不管是传输传统语音还是压缩语音，分组技术已经能够以相当的质量进行语音传输，从而逐渐形成了三种相对比较成熟的分组语音技术：帧中继语音技术、ATM语音技术、IP语音技术。其中，VOIP技术是最典型，也最具前途的一种技术方案。分组语音与传统语音相比所具有的优势，以及Internet网络、FR网络和ATM网络在全世界的蓬勃发展，使分组语音技术在世界范围内有很好地发展前景。从目前的发展情况来看

28、，分组语音的发展已经具备了比较好的基础。Cisco公司的7200VxR路由器是一种能够在企业或服务供应商网络边缘对IP语音（VoIP）或帧中继语音（VoFR）进行汇聚的多服务路由器。随着具有时分复用（TDM）功能的语音端口适配器PA-VXC-2TE1+和PA-VXB-2TE1+的出现，Cisco 7200VxR现在可以将VoIP或VoFR端接到公共交换 网（PSTN）或专用分组交换机（PBX）上，实现分组网络与传统 网的互通。Motorola公司的Vanguard 6400系列是降低分支机构网络成本的行业产品，提供集成的帧中断分组语音(VoFR)、IP分组语音(VoIP)、 、RemoteVU

29、TM视频监控、局域网路由和传统数据支持。华为三康公司的8048综合路由器（具有语音功能的综合路由器，当用于语音时，可认为是一个语音网关）集成了H323协议、SIP协议、VoFR协议等分组语音协议，同时还集成了R2、LGS、E&M等PSTN侧语音协议，可以支持传统的PSTN 、IP网络 以及各种语音协议下的 业务，在市场上受到了很大的欢迎。1.5VxWorks操作系统及其应用1.5.1几种嵌入式操作系统的比较20世纪80年代，商业化的嵌入式操作系统开始得到蓬勃发展。目前国内外已有几十种商业操作系统可供选择，如VxWorks、pSOS、Palm OS、Neculeus、Windows CE，ucL

30、inux等。ucLinux是一种源代码开放的嵌入式操作系统，它支持多种类型的CPU，对网络功能支持比较好，但是它不支持带有MMU(存储管理单元)的CPU。Windows CE是微软公司生产的嵌入式操作系统，面向从最基本的系统到高级的32位嵌入式系统，Windows CE是一个小规模而又高度可定制的操作系统。它是一个全新的系统，以最现代的技术设计和优化，适用于现有的和下一代的32位微处理器家族，包括基于MIPS、PowerPC、ARM、StrongARM和Pentium核心的功能强大的新型处理器。但是它的实时性能不是比较好。VxWorks是市场占有率第一位的嵌入式操作系统，它具有实时性，可确定性

31、，高度可裁减性，支持程序动态下载等性能。1.5.2 VxWorks操作系统简介VxWorks操作系统包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议、及系统应用等几个部分。VxWorks只占用了很小的存储空间，并高度可裁减，保证了系统能以较高的效率运行。VxWorks体系的结构框图如图1-2所示：由图可知，VxWorks体系共有三层，最底层是硬件系统(Hardware)，包括网络控制器，定时器，串口，SCSI接口等。最高层是独立于硬件的软件(HardwareIndependent Software)，包括文件系统，I/O系统，TCP/IP协议栈，VxWorks应用程序等。中间层是与硬

32、件相关的软件(Hardware Dependent Software)，包括WindKernel，BSP(板级支持包)，以及各种驱动等，它是连接硬件与高端软件的桥梁。图1-2VxWorks体系结构VxWorks的核心，一般称为Wind，包括多任务调度（采用基于优先级的抢占方式），任务间的同步和进程间通信机制，中断管理、看门狗和内存管理机制。一个多任务环境允许实时应用程序以一套独立任务的方式构筑，每个任务拥有独立的执行线程和它自己的一套系统资源。这些任务基于进程间通信机制同步、互斥来协调其行为。Wind使用中断驱动和基于优先级的调度方式。它缩短了上下文转换的时间开销和中断延迟。在VxWorks中

33、，任何例程都可以被启动为一个单独的任务，拥有它自己的上下文和堆栈。还有一些其他的任务机制可以使任务挂起、继续、删除、延时、和改变优先级。Wind是一个微内核，这个特点导致VxWorks有许多的组件。Wind对外设不做假设，所谓对外设不做假设是指操作系统不假设用户开发的板子上是否有总线以及有什麽样的总线，也不假设内存的大小及内存如何定位，不假设I/O及有多少I/O。举一个对外设假设的例子：DOS就是一个对外设假设的操作系统，DOS系统的移植中，外设必须符合BIOS标准。Wind对外设不做假设的优点就是系统只与CPU有关，移植性好。由于Wind对外设不做假设，IMAGE中就要有板级支持包BSP（即

34、底层驱动程序）来完成对外设的管理。1.5.3 VxWorks的开发环境TornadoVxWorks操作系统提供了一种嵌入式开发环境Tornado。这种开发环境是嵌入式实时领域里最新一代的开发调试环境，是实现嵌入式实时应用程序的完整的软件开发平台，是交叉开发环境运行在主机上的部分，是开发和调试VxWorks系统不可缺少的组成部分。Tornado是集成了编辑器、编译器、调试器于一体的高度集成的窗口环境，给嵌入式系统开发人员提供了一个不受目标机资源限制的超级开发和调试环境。Tornado开发环境如图1-3所示，它的主要组成部分有：图 1-3 Tornado开发环境1集成的源代码编辑器（不支持汉字输入

35、）。2集成的C和C编译器和Make工具。3 WindSh：C语言命令解释器，用于控制目标机。4 WindView：集成的软件逻辑分析仪。5 Browser：用于收集可视化的资源，监视目标系统。6 VxSim：集成的VxWorks目标机仿真器。Tornado是为开发VxWorks应用系统提供的集成开发环境。运行Tornado的一方称为宿主机，而运行VxWorks的一方称为目标机，二者根据实际应用可以通过采用网络或串行线连接。宿主机的工作目录在tornadohost下，而目标系统的目录与文件在tornadotarget下。Tornado集成环境可以提供上述所有特征，而不受目标机资源的约束。这些工具

36、通过共享寄于主机的动态联接的目标机系统的符号表运行在主机上。Tornado主机工具与目标系统交互关系如图1-4所示。图1-4 Tornado主机工具与目标系统交互关系1.5.4VxWorks系统启动流程作为一种实时操作系统，VxWorks的启动过程需要达到的目的是：为运行用户应用初始化一个计算机环境，该计算环境可能构建在各种不同的目标硬件上，根据用户定义，VxWorks计算环境必须充分利用目标硬件资源。以内核被激活为界，将启动过程分为两大阶段。在启动之前，目标系统状态是处于不确定的混沌状态，例如各种硬件设备可能处于出错状态或者中断状态，执行映像也可能位于不同的物理介质内；在启动之后，多任务微内

37、核精确而可靠地调度各种设备，用户任务和操作系统实时服务于外部事件。图1-5是VxWorks系统的启动流程图7。图1-5 VxWorks系统启动过程第一阶段为激活多任务微内核准备了一切条件：代码己经位于RAM中;系统处于不会发生中断的静止状态(必须包括处理器中断被禁止和各个设备中断被禁止)。在该阶段，“处理器初始化”和“代码装入”即通常所说的引导代码（romInit.s和romStart.c)。第二阶段的工作包括3个部分：激活多任务内核；安装设备驱动；各种组件初始化。VxWorks通过一个根任务来完成安装设备驱动和各种组件初始化这两步操作。对内核而言，根任务和普通的用户任务一样。由于VxWork

38、s的wind内核是一个微内核，所有的设备驱动和常规操作系统功能都不在内核中实现，因此通过一个普通任务即根任务完成设备驱动的安装和系统组件初始化。1.6本课题的研究工作及论文安排本课题是在分组语音蓬勃发展的时期提出的，主要针对分组语音中的VoFR语音技术进行研究，在传统路由器中增加VoFR语音网关功能，丰富语音网关技术，增加综合路由器在市场上的竞争力。本课题的主要目的是提出VoFR语音网关的软件设计方案，并完成VoFR协议模块的开发，实现语音数据在帧中继链路上的传输。本课题在硬件方面使用华为三康的8048路由器，该路由器采用了高性能低功耗PowerPC芯片为主控制处理器来处理各种语音信令。并以T

39、I公司的TMS3205X系列高性能数字信号处理芯片（DSP）处理语音数据和 业务；软件方面采用Vxworks嵌入式操作系统进行VoFR协议模块的开发和编译。作者在本课题中主要完成的工作：1)在项目中，本文作者参与了VoFR协议模块的设计和实现，熟悉VoFR语音协议的呼叫流程。2)完成了VoFR协议模块的需求分析、概要设计、详细设计及编码工作，并根据VoFR协议中存在的缺陷，对呼叫方式进行了改进和优化。3)对设计完成的VoFR协议模块进行单元测试、集成测试、系统测试，并对测试得出的软件缺陷进行修改。4)对VoFR协议模块进行维护，解决设计及编码中遗留的问题。第二章语音IP原理分析2.1帧中继语音

40、传送的含义及特点本VoFR（Voice Over Frame Relay）技术实现了在帧中继（Frame Relay）网络中传输语音及语音类数据的功能，是分组语音技术的一种。帧中继网络是在传输线路质量提高的基础上，对X.25数据网络传输过程简化后形成的一种较高速数据传输方式。VoRF是近几年才出现的语音通信方式，它的实现主要包括以下几个方面。1、VoFR信令信令是通信设备之间为完成传输目的而建立的一套相互间联系的规范。帧中继论坛的FR.Fll协议为VoRF提供了一套呼叫建立、编码类型和分组格式的标准，这样可以为不同厂商的互操作性提供基础。2、VoFR寻址和路由VoFR通过建立从拨号数字到特定P

41、VC的静态表来实现地址映像。语音的路由依赖于建立PVC所选择的路由协议以及帧中继网络所使用的硬设备。3、VoFR时延时延和时延抖动是影响语音传输质量最主要的因素。目前有很多种方法可以减小帧中继网络中传输时延和时延抖动。对于对时间敏感的语音帧加果出现在采用长帧格式的低速率帧中继链路，将引起无法确定的时延。FR.F12为此提供了一种工业标准，通过将长帧分割为多个短帧来减小时延和时延抖动。另一种常用的方法是将通过资料帧传送的语音帧的优先级提高来减小时延和时延抖动。为了保证语音质量，每一条PVC都必须提供CIR(Com2 mittedIformationrate)以确保语音帧在传递过程中不会被丢弃。将

42、来的帧中继网将为呼叫建立提供SVC，并允许帧中继终端设备为呼叫申请QoS，这些变化将进一步提高VoFR的质量。2.2帧中继语音传送的基本构成呼叫方式图2-1 VoFR的基本构成在图1-2中，支持帧中继功能的语音网关提供帧中继网络和PSTN（Public SwitchedTelephony network，公用 网）间的接口，用户通过PSTN连接到支持帧中继功能的语音网关，由支持帧中继功能的语音网关负责将模拟信号转换为数字信号后，封装成为可以在帧中继网络上传输的语音分组，再传送到被叫语音网关，将分组数据包还原为可识别的模拟语音信号，并通过PSTN到达被叫方的终端。这样，就完成了一个完整的通信过程

43、。2.3 帧中继语音传送语音技术的发展及应用现状由于VoFR技术是在帧中继网络上传输语音及语音类数据，因此VoFR的发展与帧中继的发展密不可分。华为技术发明了一种帧中继语音VoFR的传送方法，用于在帧中继网络中传输分组语音，该方法包括：在帧中继网络中建立帧中继永久虚拟电路PVC；通过配置帧中继永久虚拟电路PVC建立X.25协议规范的永久虚拟电路X.25 PVC；利用建立的X.25协议规范的永久虚拟电路X.25 PVC传送语音信令；建立话音通道进行通话；通话过程结束后清除话音通道，释放所述呼叫。利用本发明，通过X.25 PVC传输语音信令,保证了VoFR中语音信令的可靠传输,并且能够在一条X.2

44、5 PVC上复用多路语音，同时免除了X.25 SVC呼叫建立的流程，加快了语音接续的速度。其特征在于，所述方法包括：A、在所述帧中继网络中建立帧中继永久虚拟电路PVC；B、通过配置所述帧中继永久虚拟电路PVC建立X.25协议规范的永久虚拟电路X.25PVC；C、利用所述建立的X.25协议规范的永久虚拟电路X.25PVC传送语音信令；D、建立话音通道进行通话；E、通话过程结束后清除所述话音通道，释放所述呼叫。帧中继业务的快速增长，使很多公司转向这种有效而经济的业务来满足数据通信的需求。最初，网络规划者并未考虑到帧中继在语音方面的要求与趋势。然而，随着电信与信息业的迅猛发展，国际与其他电信业务的需

45、求日益增长给很多相关应用提供了舞台。为了进一步构建其企业网络，并获得更多的经济利益，很多公司开始希望能在帧中继网络上有效地传送语音、 和数据业务，并据此向完全多媒体网方向发展。通过将帧中继的统合，公司可以进一步构建其企业网络，获得比广域网链路更好的经济效益，使网络有效地传送语音及语音类数据。虽然在帧中继上支持普通应用和语音应用的综合接入解决方案很令人感兴趣，帧中继协议中定义的虚电路也可以使帧按适当的顺序经由广域网传送，而且差错校验还会避免传送出错的帧，然而当时的帧中继业务没有为更高级的业务提供任何内在的有效机制。换句话说，就是帧中继并没有语音所需建立帧的性能优先级的明确方式。1997年，帧中继

46、论坛为帧中继网上可互操作的语音批准了称为FRF.11的标准。这是一个提供帧中继上语音通信的实现协议。FRF.11被命名为“帧中继上的语音”，特别提供了帧中继上语音和三类 通信带宽的高效组网。图2-2描述了VoFR语音业务与FRF.11协议的关系4。图2-2支持 的帧中继业务协议的结构FRF.11协议中规定了被复用的虚连接（VC），这一功能允许在帧中继网络中的一条虚连接上最多可承载255条语音和数据子通道。在协议中通过 协议来提供三类 通信的透明中继，而且按低比特速率数字流来传送 业务流。为了得到最大的灵活性和在世界范围通用，它支持两类语音依从性。第一类依从性一般为32kbit/s（2:1压缩）

47、，需要使用G.727 EADPCM。第二类依从性为8kbit/s（8:1压缩），指定为G.729/G.729ACS-ACELP。为了最大程度地利用带宽，也有可能在单个帧中承载多重语音抽样，进一步减少头开销。FRF.11协议为语音和 在帧中继网络上传输提供了标准，也为广域网数据应用的互操作性提供了一种可兼容的方式，是对帧中继业务的全面补充。FRF.11协议制定后，VoFR技术开始了得到广泛的应用和快速地发展。并且随着光纤通信的发展，以及帧中继QoS机制的不断完善，在帧中继网络上传输的语音质量也不断提高,目前VoFR的通话质量已可达到话音级的质量水平，比一般模拟业务提供的质量更好。图1-4是利用V

48、oFR技术的帧中继网络与传统 网的联合组网图，其中帧中继网络两侧是具有VoFR语音网关的路由器。图2-3 VoFR与传统 网的联合组网图目前许多国家已经建立了以VoFR技术为核心的 交换网，大幅度地降低了话费地开销。美国Morgan Keegan经纪公司一直是VoFR的先驱者。该公司习惯用单独的网络传输话音和数据，现在它将这两种业务结合到一个帧中继网络上。在转变之前，它使用租用线路为其用户提供“热线”。使用VoFR业务后，该公司以较低的成本实现了同样的任务。许多欧洲国家也在开辟VoFR业务。英国电信公司在西班牙正使用多媒体外围路由器和相关的压缩技术在其公共的帧中继网范围内提供话音传输和 功能。

49、这项业务建立在永久虚拟电路(PVC)的基础上，收费的计算与其数据业务相同。提供VoFR话音通信的其它欧洲公司还有Global One公司和Telefonica公司。在我国VoFR语音技术也有广泛的应用。在黑龙江省牡丹江市公安三级网建设中，市级到省级的 网就采用了VoFR，在保证语音通话质量的前提下，大幅度降低了 费用。VoFR语音技术在当今国内外的广泛应用标志着VoFR技术逐渐步入成熟期。2.4帧中继语音传送的关键技术支持传统数据和LAN数据的帧中继要有效地支持语音业务，就要解决语音压缩、延时、带宽管理、拥塞控制、优先级和其他一些问题。语音应用要求帧中继应解决不同于传统串行和LAN数据的业务分

50、级，从而保证高质量的音频传送。1)语音压缩VoFR语音技术的关键技术之一就是语音的编码及压缩技术，采取的编解码算法和压缩技术直接影响到VoFR业务的语音质量。语音的编码及压缩过程在网关中完成，这个过程需要先进行数字编码，转换为PCM码，然后经过专门的DSP芯片进行数据压缩，最后再形成帧的形式，以适合帧中继网络上的传输带宽。语音信号是随时间而变的一维信号。语音编码技术伴随着语音的数字化而产生，主要应用在数字语音通信和数字语音存储两个领域。语音压缩是语音编码技术的一项主要内容，即是研究如何在尽量减少失真的情况下，采用各种信源编码技术减小语音信号的冗余度，并充分利用人耳的听觉掩蔽效应，高效率对模拟语

51、音信号进行数字表达，而仍能恢复出可懂度甚至自然度很好的语音。国际电信联盟ITU在制定全球通信标准的过程中承担了重要责任。针对近些年来由于语音编码技术的突破性发展而出现的众多使用的高质量语音编码算法及应用，ITU和一些地区标准协会已制定了一系列语音编码标准，为应用在通信网中的各种语音编码的兼容性提供了有力的保证。表2-1语音编码标准压缩编码方法2)优先级设定支持VoFR语音技术的设备具有优先级机制，它可以根据不同业务对延时的敏感度，对于语音业务和某些对延时敏感的数据业务加上标签，分配给这些实时业务更高的优先级，这样在传送时就可以首先传送较高优先级的业务，而让普通的数据分组进行等候。由于语音传送相

52、对要短并且已被压缩，故要求带宽很小。即使优先传送，也不会对数据业务产生影响。语音及其信令信息被压缩和打包后，与其他数据通过帧中继进行传送。支持VoFR技术的网络设备可以提供与帧中继网络的接口，用来传送数据和语音。由于这些电路的性能和要求有很大差异，该网络设备要实现对两种类型业务的优先处理。语音通信是实时进行的，而对分组延时和传送的不确定性方面的要求比数据通信更为严格。广域网通信系统采用队列方式来提供链路带宽的缓冲存储。若链路被某一通路上的帧占据，则另一等待进入同一通路的帧就将进入队列，直到链路可用才进入链路进行传输。支持VoFR技术的网络设备采用队列管理来提供广域网链路带宽对语音通路的更高的优

53、先级。当语音帧重组后，将转发到数据帧之前。数据通道可以在语音通路帧之间接入链路。3)数据通路分段由于数据帧长度通常超过语音帧，支持VoFR技术的网络设备可以将语音帧分成小一些的分组。分段机制是为了提高数据分组的性能，而将其分成较小的分段。通过数据分段机制，在语音与数据同时传送时，可以暂停数据流中的数据分组，及时传送具有高优先级的语音分组，降低语音的延时。但简单的分段会增加数据帧的数量，因此会增加标记和分组头的数量，这就导致开销增加并减少了带宽的效率。通常可以在数据传送时只在语音分组到达的交换机处对数据帧进行分段。4)回声消除与传统 相比，在帧中继网络上进行语音的实时传输，语音质量较差。影响Vo

54、FR语音质量的因素是多方面的，而回声是影响VoFR语音质量最关键的因素之一。回声是由远端 设备将讲话者语音的信号反射回来产生的。 网中的回声是由4线和2线电路间转换的混合电路所产生的信号反射。回声在传统的 网中也会出现，但由于在传统网络中的往返延时小于50ms，因此传统 网中的回声可以被用户接受。而VoFR中的语音传输采用分组交换技术实现，是一种全新的电信业务，传送的语音信号要经过编码、压缩、打包等一系列处理，因而回声路径的延迟会大于50ms，且延迟抖动也较大。2.5帧中继语音传送在FRF.11专线方式下的处理流程在FRF.11专线方式下的呼叫处理流程与动态交换方式不同。FRF.11专线语音通

55、道一旦建立，将一直保持着，直到该通道被手工删除。FRF.11专线呼叫将直接使用该语音通道，用户在发起呼叫时无需再向帧中继申请建立语音通道。因此，要实现FRF.11专线呼叫，专线两端的PVC和FRF.11子通道号必须相同。在FRF.11专线方式下，没有呼叫信令交互的过程。下面是VoFR FRF.11专线方式下的简要呼叫处理流程（前4步与动态呼叫方式相同）：(1)用户摘机，语音接口检测到用户的摘机动作后向用户播放拨号音，等待用户拨号。(2)用户开始拨号，语音接口收集并储存用户拨打的号码，即被叫号码。(3)拨号结束后，根据被叫号码查找对应的语音实体。(4)如果匹配的是VoFR语音实体，则由VoFR处

56、理呼叫。语音实体配置的呼叫模式不同，VoFR的处理方法也不同。(5)VoFR语音实体的呼叫模式是FRF.11专线模式，主叫端直接进入通话状态，并通过FRF.11专线语音通道向被叫端发送语音报文。语音报文的编解码使用语音实体的第一优先编解码。(6)当被叫端语音网关收到语音报文后，根据FRF.11专线语音通道找到FRF.11专线语音实体，再将该语音实体配置好的PSTN呼出号作为被叫号码完成呼叫。(7)呼叫成功建立后，双方即可进行通话。(8)当呼叫某一端挂机时，该端的VoFR模块不会通知对端释放呼叫，而是在一定时间段内丢弃从该FRF.11专线语音通道上收到的语音包。在这段时间后，如果收到语音包，则认

57、为是一个新的FRF.11专线呼叫。第三章VoFR模块的设计3.1组件化模型设计VoFR信令系统是整个语音平台的一部分，并与帧中继协议模块紧密相连。通过各模块之间协调工作，共同完成VoFR的功能。VoFR系统所处的软件体系结构主要采用组件化程序设计思想，把对象技术应用于系统设计，对面向对象的程序设计的实现过程作进一步的抽象。可以把组件化程序设计方法用作构造系统的体系结构层次的方法，并且可以使用面向对象的方法很方便地实现组件。组件化程序设计强调软件可重用性和高度的互操作性。它侧重于组件的产生和装配，这两方面一起构成了组件化程序设计的核心。组件的产生过程不仅仅是应用系统的需求，组件市场本身也推动了组

58、件的发展，促进了软件厂商的交流与合作。组件的装配使得软件产品可以采用类似于搭积木的方法快速地建立起来，不仅可以缩短软件产品的开发周期，同时也提高了系统的稳定性和可靠性。VoFR的软件环境就是要做成这样的组件化。接口是组件对外提供的服务。在组件和组件之间、组件和客户之间都通过接口进行交互。因此组件一旦发布，它只能通过预先定义的接口来提供合理的、一致的服务。这种接口定义之间的稳定性使客户应用开发者能够构造出坚固的应用。一个组件可以实现多个组件接口，而一个特定的组件接口也可以被多个组件来实现。组件接口必须是能够自我描述的。这意味着组件接口应该不依赖于具体的实现，将实现和接口分离彻底消除了接口的使用者

59、和接口的实现者之间的耦合关系，增强了信息的封装程度。同时这也要求组件接口必须使用一种与组件实现无关的语言。目前组件接口的描述标准是IDL语言。由于接口是组件之间的协议，因此组件的接口一旦被发布，组件生产者就应该尽可能地保持接口不变，任何对接口语法或语义上的改变，都有可能造成现有组件与客户之间的联系遭到破坏。每个组件都是自主的，有其独特的功能，只能通过接口与外界通信。当一个组件需要提供新的服务时，可以通过增加新的接口来实现。不会影响原接口已存在的客户。而新的客户可以重新选择新的接口来获得服务。3.2语音网关设计实现语音软件平台是VoFR协议模块存在的最重要的软件环境。整个语音平台同下层协议和驱动

60、程序一起完成各种语音协议功能。语音平台控制着呼叫建立、呼叫释放、 切换、数据转发、数据处理以及各种语音业务，为路由器实现语音网关功能提供了重要的软件支持。图3-1展现了语音平台的整个结构。图3-1语音软件平台结构分解图从图中可以看出，语音平台的设计采用了组件化的设计思想，分成以下几个子模块：呼叫控制中心（CallCenter）：语音平台的核心模块，为两种不同语音协议之间的通信提供了统一的消息类型，屏蔽了协议之间的差异性，并在呼叫建立、媒体通道控制以及呼叫释放等方面起着重要的作用。拨号策略模块（DPL）：该模块提供了号码查询、号码变换以及呼叫信息统计等功能。协议处理模块（SPL）：该模块集成了各

61、种语音协议模块。接口管理模块（VIM）：该模块的主要功能是管理各种语音接口的状态、申请和占用空闲语音通道、接收底层数据等。 处理模块（FAX）：该模块用于处理各种 信令以及 数据。语音业务模块（Opration）：该模块用于处理各种语音扩展业务。下面将对语音组件中的每个模块进行描述。1)呼叫控制中心呼叫控制中心是整个语音平台的核心模块，该模块的设计屏蔽了不同语音协议之间的差异性。当一路呼叫到来时，呼叫控制中心会创建一个属于本路呼叫的控制块，并分别创建两条呼叫腿，记录两侧的呼叫协议。呼叫控制中心模块设计了一组统一的消息类型。各种语音协议通过这组统一的消息与呼叫控制中心之间通信，从而建立起两个不同

62、语音协议之间的通信机制，简化了协议之间通信的过程。各协议模块通过这组统一的消息原语与呼叫控制中心进行全双工通信，共同完成呼叫控制、 切换等功能。这些消息就是呼叫控制中心与协议处理模块协商好的接口。表3-1列出了消息原语及功能。表3-1呼叫控制消息及功能描述呼叫控制中心通过和拨号策略模块配合工作，共同实现呼叫控制、媒体通道控制以及业务承载等功能。其中，呼叫控制完成对呼叫的建立、保持、接续以及释放功能。媒体通道控制实现对信道交换进行连接和断开控制、下发编解码等功能。业务承载功能是将扩展的语音业务建立在呼叫控制中心之上，从而使语音业务能够独立组成一个模块，从而实现语音业务与语音协议的分离。2)拨号策

63、略模块拨号策略（dial plan）也称编号方案（numbering plan），描述了 网络的寻址和路由两方面内容。该方案标识了与每个站点或区域相关的 号码块，及其管理网络中所有 交换机的路由行为。国际电信联盟(ITU)、电信标准化部门(ITU-T)不断对全球范围的 拨号行标准化，ITU-T建议E.164提供了全球所有国家的 网络框架。这个文档也提供了帮助每个国家发展其本国编号方案的建议。拨号策略模块使用拨号对等体实现拨号策略。拨号对等体是静态呼叫路由入口的逻辑结构，执行以下三个主要的任务：识别本次通话选择了哪个拨号对等体。识别本次呼叫发起的方向。提供本次呼叫的配置参数。每个拨号对等体包括目

64、的地模式，该模式表示根据拨号对等休应处理哪个呼叫。目的地模式是一个直接字符串，或是标识一个或多个被拨叫字符串( 号码)的通配符数字。句点字符“.”代表率个数宁遏配符。例如字符串“3.”代表任何以数字3开始的4位数字号码。通配符的使用极大地减少了一个设计优良的拨号方案需要的呼叫路由入口数目。当被拔叫数字串与特定呼叫对等体相关联(通过目的地模式)后，通过会话目标将呼叫路由到下一跳：会话目标的格式随分组语音风格的不同而不同。VoFR拨号对等体将呼叫路由到一系列接口和数据链路连接标识符(DLCI)。当呼叫到达终端路由器时，将呼叫路由到路由器的物理语音端口。如果 是直接连接到路由器上，那么此时就完成了呼叫路由。如果路由器连接到按键系统或PBX上，那么呼叫将被转移到传统语音网络上。拨号对等实体必须包含实体类型，以次区分不同的呼叫协议。在拨号策略模块中存在两类拨号对等实体：面向传统语音网络的拨号对等实体和面向分组网络的拨号对等实体。面向语音网络的拨号对等体称为简易老式 系统（POTS）拨号对等实体。POTS拨号对等实体将呼叫路由到路由器上特定的语音端口，而不把呼叫路由到会话目标。这些拨号对等实体经常与数据