CN101945127B - 一种VoIP系统中的语音动态中转方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种语音动态中转的方法，用户节点执行以下步骤：①向SIP服务器注册；②向RN-B请求RN-S节点；③向RN-S收集Candidate地址和网络类型；④呼叫目标用户，根据双方的Candidate地址协商最佳的通讯地址对，进行通话；⑤监测网络状况，服务质量不佳时触发中转切换重新选择新的RN，并使用新的RN进行通话；⑥再次检测到通话质量不佳，可重新切换RN；通话结束，向SIP服务器发送通话释放消息。本发明在通话过程中，主动监测网络状况，在网络环境不佳时，双方的RN-S通过中转算法找到最佳的中转节点，从而维持通话，并提供可靠的服务质量。本发明保证了系统的稳定性和健壮性，提高了语音服务质量。

Description

一种VoIP系统中的语音动态中转方法

技术领域

本发明属于计算机网络应用领域，具体是一种VoIP系统中的语音动态中转方法。

背景技术

因特网与音视频编解码技术的飞速发展使得更多的人可利用网络进行通信，这大大的刺激了网络电话(VoIP，Voice over Internet Protocol)的发展。为了解决规模扩展及成本激增的问题，对等技术(P2P，Peer-to-Peer)已经被广泛应用于VoIP系统，并取得了成功。

VoIP技术通常采用两种信令协议：会话发起协议(SIP，Session InitiationProtocol)协议与H.323协议。后者是传统的固话信令模式，是一种早期的VoIP信令协议，它将VoIP电话作为固话来控制，仅仅只是传输方式发生改变。而SIP协议则是类似超文本传输协议(HTTP，HyperText TransferProtocol)的文本形式的协议，是作为因特网的一种应用而提出，它作为下一代互联网的核心协议之一，得到了人们的普遍使用。

P2P技术的引入给VoIP系统带来了整体系统性能提升的同时，也带来了一个问题。P2P覆盖网在具有良好的开放性与扩展性的同时，也具有极大的差异性与动态性。正是这样的特性，使得对于VoIP这类对网络环境要求较高的应用，P2P网络通常无法满足其需求。当网络中的两点通信时，往往出现以下几个服务质量的问题：1.由于网络拓扑的原因，造成两点直连时的延迟巨大，无法满足实时性需求；2.网络中出现阻塞，造成严重的丢包现象；3.大量网络地址转换(NAT，Network Address Translation)与防火墙用户，无法得到正常的服务保证。在这种情况下，可以通过在P2P覆盖网中寻找中转节点的办法来减少由于网络状况造成的延迟问题，提高服务质量，并且能够因网络环境的变化，选择更好的中转节点来提供服务。这也正好利用了P2P网络中节点多样性的特点。

基于P2P的SIP VoIP系统中语音动态中转方法着重解决的是P2P VoIP系统中因网络环境变化时，需要切换到新的中转节点这个主要问题。整个系统通过构建P2P SIP网络来实现会话信令的P2P化，即用P2P网络实现集中式SIP服务器的功能。整个网络由超级节点、终端节点、中转引导节点、中转服务节点和中转节点组成。中转节点都可以对外提供中继功能。这样实现的目的和功能是在节点为数众多的应用层覆盖网中以较小的负载和延迟，尽快的找到一条或多条链路路径以提供强大的中转功能和优化的服务质量，并且无缝支持任何SIP终端，当网络环境变化时，可以更快捷的选择新的中转节点，以继续提供良好的服务质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于P2P的SIP VoIP系统中语音动态中转方法，该方法保证了系统的稳定性和健壮性，提高了语音服务质量。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种VoIP系统中语音动态中转方法，基于SIP信令实现语音的动态中转，该VoIP系统具有终端节点(UE)、中转引导节点(RN-B)、中转服务器节点(RN-S)和中转节点(RN)4种节点类型，具体中转步骤如下：

(1)任意终端节点向SIP服务器发送注册消息，SIP服务器返回OK消息；

(2)所述终端节点通过中转引导节点得到适合该终端节点的中转服务器节点，具体步骤如下：

(2.1)所述终端节点向中转引导节点发送用于向中转引导节点请求中转服务器节点的RN-S消息；

(2.2)所述中转引导节点根据给定的原则返回多个中转服务器节点给所述终端节点；

(2.3)所述终端节点分别对上述多个中转服务器节点进行Ping测试，选择测试结果最佳的一个中转服务器节点作为该终端节点P对应的中转服务器节点，并保存可连通的中转服务器节点，若上述多个中转服务器节点都无法连通，则重新执行步骤(2.1)-(2.3)。

(3)终端节点向其得到的中转服务器节点发送请求中转节点消息，所述中转服务器节点收到请求中转节点消息后，在自身的环结构中选择最优的一个中转节点RN；同时，获得该终端节点的候选(Candidate)地址，该候选地址中包括本机地址、NAT地址和中转节点地址；

其中，所述中转服务器节点的环结构是指所在覆盖网的中转节点的一个聚类集合，所述环结构分为多层，处于每层环中的结点是指与所述终端结点的Ping值在该层环的内外径值之间的中转节点。

(4)任一终端节点P呼叫任意的另一终端节点B，选择最佳的一对地址进行通讯，具体的步骤如下：

(4.1)终端节点P通过SIP服务器向终端节点B发送INVITE(邀请)消息，并将终端节点P得到的中转服务器节点N的地址和候选地址封装在会话描述协议消息体中；

(4.2)终端节点B收到INVITE(邀请)消息后，返回OK消息，并将终端节点B得到的中转服务器节点M的地址和候选地址封装在OK消息的会话描述协议消息体中；

(4.3)终端节点P和终端节点B均使用双方候选地址进行测试，选择合适的一对地址来进行通信，即依次使用所包含的三个地址与对方的三个地址进行Ping测试，选取最佳的一对地址，并与对方的测试结果进行协商，双方最终确认一对地址。

(5)在使用中转节点进行通话时，终端节点P检测到通话质量不佳，进行中转节点切换，选择新的中转节点进行通话，具体步骤如下：

(5.1)终端节点P检测到通话质量不佳，向终端节点P的中转服务器节点N发送切换中转消息；

(5.2)中转服务器节点N收到切换中转消息后，向终端节点B的中转服务器节点M请求候选中转节点；

(5.3)终端节点B的中转服务器节点M收到消息后，查看自己的环结构，若全为空，则把自己作为候选中转节点返回给中转服务器节点N，直接执行步骤(5.5)；否则进行步骤(5.4)；

(5.4)中转服务器节点M查看自身的环结构的每一层，如果层为空，则不做操作，如果层为非空，则中转服务器节点M从该非空层中随机选取L个结点，然后将环中每个非空层选取的节点一起返回给中转服务器节点N，其中L根据需求设定；

(5.5)中转服务器节点N根据中转服务器节点M返回的候选中转节点，查看自己的环结构，找出上述候选节点中同时也存在于自己环中的候选节点，从中选择一个相对处于最内层环上的候选节点做为新的RN给终端节点P；

(5.6)终端节点P收到新的中转节点后，终端节点P将该新的中转节点通知终端节点B，双方开始使用新的中转节点进行语音中转，具体步骤如下：

(5.6.1)终端节点P收到该新的中转节点后，向终端节点B发送重邀请(ReINVITE)消息，并在会话描述协议消息中加入该新的中转节点的地址；

(5.6.2)终端节点B收到重邀请消息后，返回OK消息确认；

(5.6.3)终端节点P收到OK消息后，回复确认字符(ACK)消息，双方开始使用该新的中转节点进行语音中转；

(6)通话结束，终端节点P向SIP服务器发送通话释放消息，双方退出通话。

作为本发明的进一步改进，所述的步骤(3)中从中转服务器节点的环结构中选择最优中转节点的过程为：

中转服务器节点查看自己的环结构，如果环为空，则返回，并将自己做为最优中转节点，如果为非空，则从最内层开始查看环结构，如果该层环为空，则转入下一层继续查看，直到找到一个节点为止，将该节点做为最优中转节点。

作为本发明的进一步改进，根据终端节点P检测到的通话质量不佳的次数为多次，所述的步骤(5)可多次重复进行。

本发明根据SIP VoIP系统的需求，把将具备中转功能的节点组成覆盖网。用户选择一个RN-S做为覆盖网中的代理，当网络环境改变时，由通话双方的RN-S共同协商选择一个合适的RN节点，由新的RN节点提供中转服务，确保服务的质量。具体而言，本发明具有以下特征：

(1)稳定性

由于整个系统中没有超级节点，中转覆盖网是以P2P方式组网，所以任何节点的退出不会对其他节点造成很大的影响，同时，节点备份有多个RN-S，当前RN-S退出不会影响到中转节点的切换和选择。

(2)自适应性

在用户需要进行通话时，可以根据当前的网络状况，选择最合适的连接方式进行通话，保证通话的服务质量。当中转节点异常退出或网络环境变化的时候，可以切换到新的中转节点，不会对通话过程造成很大的影响。

(3)较强的可扩展性

由于系统是采用P2P模式的，所以相对于客户端/服务器(C/S，Client/Server)模式，有较强的可扩展性，服务器的压力和网络承受的带宽并不会因为节点的增加，而呈线性增长，因此对服务器和带宽的要求并不高。同时，也不会产生其他P2P结构所会引起的单一节点失效和消息冗余等问题，并且符合条件的用户节点可以加入到中转的P2P网络中。

(4)负载均衡

由于是采用非结构化的P2P模式，没有超级节点，不会产生负载不均衡的问题。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为RN-S节点环构造示意图；

图3为RN-S节点消息处理流程示意图；

具体实施方式

本发明根据基于SIP信令的VoIP系统的需要，设计的一种语音动态中转的方法，下面结合附图和实例对本发明作详细的说明。

节点类型包括：终端节点(UE)、中转引导节点(RN-B)、中转服务器节点(RN-S)、中转节点(RN)。

终端节点(UE，User Edge)：指运行标准SIP协议或流媒体协议的终端节点。

中转引导节点(RN-B，Relay Node-Bootstrap)：是中转覆盖网的启动节点，指导RN-S加入覆盖网，并响应UE的消息，返回RN-S给UE。

中转服务器节点(RN-S，Relay Node-Server)：中转服务器节点RN-S通过RN-B加入到覆盖网中。RN-S响应UE的中转消息，返回中转节点。RN-S也可以作为RN。

中转节点(RN，Relay Node)：中转UE之间的实时传输协议(RTP，Real-time Transport Protocol)数据流，减少端到端的时延，解决终端节点可能存在的NAT穿越问题。

一种VoIP系统中语音动态中转方法，基于SIP信令使用P2P技术实现语音的动态中转，如图1所示，VoIP系统中的任一终端节点P均按以下步骤进行语音的动态中转：

(1)终端节点P向SIP服务器发送Register(注册)消息，SIP服务器返回OK消息。

终端节点进入VoIP系统后，首先向SIP服务器进行注册，完成SIP流程的必要步骤，以确保在接下来的通话中SIP信令流的正常。同时，终端节点向SIP服务器定时发送注册消息，该消息可做为终端节点与SIP服务器之间的心跳消息。

(2)终端节点P通过RN-B得到适合终端节点P的RN-S节点。具体步骤如下：

(2.1)终端节点P向RN-B发送RN-S消息。

RN-S消息的作用是向RN-B请求RN-S节点。终端节点P从配置文件中读取RN-B的地址，向RN-B发送RN-S消息，消息包中包含RN-S的个数K，K为正整数，一般取2-4。

(2.2)RN-B根据一定的原则返回K个合适的RN-S给节点P。

RN-B保存有全局的RN-S的信息，根据终端节点P的信息选择合适的K个RN-S节点，一般使用终端节点P的IP地址，根据一定的原则(如IP邻近原则、负载均衡原则等)返回合适的RN-S节点。

(2.3)终端节点P分别对K个RN-S进行Ping测试，选择最佳的一个RN-S，并保存可连通的RN-S。若K个RN-S都无法连通，则重新执行步骤(2.1)-(2.3)，直至选择到最佳的RN-S；

(3)终端节点P向其RN-S节点发送请求中转节点消息，得到一个中转节点RN，确认终端节点P的网络类型，并向RN-S收集它的Candidate(候选)地址，Candidate地址包括：Host地址(本机地址)、Reflex地址(NAT地址)和Rely地址(中转节点地址)。具体步骤如下：

(3.1)RN-S收到请求中转节点消息后，在自身的环结构中选择最优的一个RN；

所述RN-S的环结构是所在覆盖网的中转节点RN的一个聚类集合，从环结构中选择最优RN的步骤指从环结构非空的最内层选一个节点。如图2所示，环结构分为多层，每层环有内径和外径，每层环指Ping值在一定区间的集合，处于环中的结点是与目标结点P的Ping值在该层环的内外径值之间的中转结点的集合。

具体挑选步骤如下：

(3.1.1)RN-S节点查看自己的环结构，如果环为空，则返回，并将自己做为RN节点，并执行步骤(3.2)，如果为非空，则转至步骤(3.1.2)；

(3.1.2)从最内层查看环，如果该层环为空，则不做操作，并转入下一层查看，直到找到一个节点为止。将该节点做为RN节点。

(3.2)RN-S将收集到的Candidate地址信息和终端节点P的NAT类型封装成包返回给终端节点P，包格式如下：

包类型

NAT类型

Host

Reflex

Rely

(3.3)终端节点P接收到RN-S返回的包，根据“NAT类型”值确定自己的网络类型，若为公网地址，则启动RN-S和RN模块(即终端节点P可作为RN-S和RN节点)并加入中转覆盖网。该步骤(3.3)为辅助步骤，加入该步骤能提高系统的性能和效率。

(4)终端节点P呼叫另一任意终端节点B，选择最佳的一对地址进行通讯，具体的步骤如下：

(4.1)终端节点P通过SIP服务器向终端节点B发送INVITE(邀请)消息，并将终端节点P的RN-S地址和Candidate地址封装在会话描述协议(SDP，Session Description Protocol)消息体中；

(4.2)终端节点P接收到终端节点B返回的OK消息，并将其SDP消息中的终端节点B的RN-S地址和Candidate地址取出；

(4.3)终端节点P和终端节点B同时就两个Candidate地址进行测试，选择合适的一对地址来进行通信；

终端节点在进行Candidate地址测试时，根据其中包含的三个地址的优先级进行测试，其中host的优先级最高，Rely的优先级最低。依次使用三个地址与对方的三个地址进行Ping测试，选取最佳的一对地址，并与对方的测试结果进行协商，双方最终确认一对地址。

(5)在使用中转节点进行通话时，终端节点P检测到通话质量不佳，进行中转节点切换，选择新的中转节点进行通话，具体步骤如下：

(5.1)终端节点P检测到通话质量不佳，向终端节点P的RN-S发送切换中转消息；

切换中转消息的作用是请求RN-S重新选择一个RN节点。终端节点P通过两种方式来监测通话质量：1、监测通讯过程中实时传输协议(RTP，Real-time Transport Protocol)包的丢失情况。2、向对方发送实时传输协议控制协议(RTCP，RTP Control Protocol)包，通过RTCP来判断节点间的通讯质量；

当RTCP包的延迟达到上限值或RTP包连续丢失达到一定值，则触发中转切换，终端节点P向RN-S发送切换中转消息，消息包格式如下：

包类型

RN-S地址

RN地址

RN-S地址为终端节点B的当前RN-S；RN地址为当前通话的中转节点。

(5.2)终端节点P的RN-S根据自身和终端节点B的RN-S的环结构，选择一个合适的RN返回给节点P；

如图3所示，终端节点P的RN-S收到切换中转消息后，就与终端节点B的RN-S进行新的中转节点协商，具体步骤如下：

(5.2.1)终端节点P的RN-S收到切换中转消息，则向终端节点B的RN-S请求候选节点。

(5.2.2)终端节点B的RN-S收到消息后，查看自己的环结构，若为空，则向返回自己的地址给终端节点P的RN-S，直接执行步骤(5.2.5)；否则进行步骤(5.2.3)；

(5.2.3)终端节点B的RN-S查看自身的环结构的每一层，如果该层环为空，则不做操作，如果该层环为非空，则转至步骤(5.2.4)；

(5.2.4)终端节点B的RN-S从每层环中随机选取M个结点，然后将每层环中选取的节点一起返回给节点P的RN-S。M根据软件需求设定。

(5.2.5)终端节点P的RN-S根据终端节点B的RN-S返回的候选节点，查看自己的环结构，找出上述候选节点中同时也存在于自己环中的候选节点，从中选择一个相对处于最内层环上的候选节点做为新的RN给终端节点P。

(5.3)终端节点P收到新的RN节点后，终端节点P将新的RN节点通知终端节点B，双方开始使用新的RN节点进行语音中转。具体步骤如下：

(5.3.1)终端节点P收到新的RN节点后，终端节点P向终端节点B发送ReINVITE(重邀请)消息，并在SDP消息中加入新选RN的地址；

(5.3.2)终端节点B收到ReINVITE消息后，返回OK消息确认；

(5.3.3)终端节点P收到OK消息后，回复确认字符(ACK，ACKnowledge Character)消息，双方开始使用新的RN节点进行语音中转；

(6)终端节点P再次检测到通话质量不佳，执行步骤(5)，通话结束，终端节点P向SIP服务器发送通话释放消息，双方退出通话。

至此，基于P2P的SIP VoIP系统完成通话过程中的中转节点动态切换过程。

实例：

利用本发明所阐述的基于P2P的SIP VoIP系统的动态中转方法，实验室提供了3台服务器以及20台普通个人计算机(PC，Personal Computer)。PC机的硬件配置如下：

机器名

CPU

内存

硬盘

网络带宽

服务器A-C	P43.00G	4G	500G	100M
					PC	AMD 2500+	512M	80G	100M

服务器A、B、C都做为SIP服务器，RN-S和RN节点，其中服务器A做为RN-B。

PC机中，有10台处于公网环境，并且都已启动RN-S和RN模块，其余10台PC机分别处于3种不同的内网环境。

用户节点加入时选择3台服务器中的一台进行SIP注册。使用用户处于各种不同的网络类型下，都能使用户间建立通话。在初始建立通话时，用户处于同一网络类型下，则用户使用本机地址进行直连通信；用户处于不同网络类型(除对称NAT)下，用户使用Reflex地址通信；仅当只有一方处于对称NAT后时，用户间的通话通过中转节点进行通话。在各种网络类型下，当网络环境变化时，都能动态的切换到新的中转节点进行语音中转。

经多次测试，采用本发明所论述的动态中转方法，在网络环境变化后，都能保持通话的连续性，并对用户保持透明，整个系统能够稳定地工作。

本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，能够采用其它具体实施方式实现本发明创造。

Claims (3)

1.一种VoIP系统中的语音动态中转方法，基于SIP信令实现语音的动态中转，该VoIP系统具有终端节点UE、中转引导节点RN-B、中转服务器节点RN-S和中转节点RN4种节点类型，具体中转步骤如下：

（1）任意终端节点向SIP服务器发送注册消息，SIP服务器返回OK消息；

（2）所述终端节点通过中转引导节点得到适合该终端节点的中转服务器节点，具体步骤如下：

（2.1）所述终端节点向中转引导节点发送用于向中转引导节点请求中转服务器节点的RN-S消息；

（2.2）所述中转引导节点返回多个中转服务器节点给所述终端节点；

（2.3）所述终端节点分别对上述多个中转服务器节点进行Ping测试，选择测试结果最佳的一个中转服务器节点作为该终端节点对应的中转服务器节点，并保存可连通的中转服务器节点，若上述多个中转服务器节点都无法连通，则重新执行步骤（2.1）-（2.3）；

（3）终端节点向其得到的中转服务器节点发送请求中转节点消息，所述中转服务器节点收到请求中转节点消息后，在自身的环结构中选择最优的一个中转节点RN；同时，获得该终端节点的候选（Candidate）地址，该候选地址中包括本机地址、NAT地址和中转节点地址；

所述中转服务器节点将其选择的中转节点RN以及获得的所述终端节点的候选地址发送给所述终端节点；

其中，所述中转服务器节点的环结构是指所在覆盖网的中转节点的一个聚类集合，所述环结构分为多层，处于每层环中的节点是指与所述终端节点的Ping值在该层环的内外径值之间的中转节点；

（4）任一终端节点P呼叫任意的另一终端节点B，选择最佳的一对地址进行通讯，具体的步骤如下：

（4.1）终端节点P通过SIP服务器向终端节点B发送邀请（INVITE）消息，并将终端节点P得到的中转服务器节点N的地址和候选地址封装在会话描述协议消息体中；

（4.2）终端节点B收到邀请（INVITE）消息后,返回OK消息，并将终端节点B得到的中转服务器节点M的地址和候选地址封装在OK消息的会话描述协议消息体中；

（4.3）终端节点P和终端节点B均使用双方候选地址进行测试，选择合适的一对地址来进行通信，即依次使用所包含的三个地址与对方的三个地址进行Ping测试，选取最佳的一对地址，并与对方的测试结果进行协商，双方最终确认一对地址；

（5）在使用中转节点进行通话时，若终端节点P检测到通话质量不佳，则进行中转节点切换，选择新的中转节点进行通话，具体步骤如下：

（5.1）终端节点P检测到通话质量不佳，向终端节点P的中转服务器节点N发送切换中转消息；

（5.2）中转服务器节点N收到切换中转消息后，向终端节点B的中转服务器节点M请求候选中转节点；

（5.3）终端节点B的中转服务器节点M收到消息后，查看自己的环结构，若全为空，则把自己作为候选中转节点返回给中转服务器节点N，直接执行步骤（5.5）；否则进行步骤（5.4）；

（5.4）中转服务器节点M查看自身的环结构的每一层，如果层为空，则不做操作，如果层为非空，则中转服务器节点M从该非空层中随机选取L个结点，然后将环中每个非空层选取的节点一起返回给中转服务器节点N，其中L根据需求设定；

（5.5）中转服务器节点N根据中转服务器节点M返回的候选中转节点，查看自己的环结构，找出上述候选节点中同时也存在于自己环中的候选节点，从中选择一个相对处于最内层环上的候选节点做为新的RN给终端节点P；

（5.6）终端节点P收到新的中转节点后，终端节点P将该新的中转节点通知终端节点B，双方开始使用新的中转节点进行语音中转，具体步骤如下：

（5.6.1）终端节点P收到该新的中转节点后，向终端节点B发送重邀请（ReINVITE）消息，并在会话描述协议消息中加入该新的中转节点的地址；

（5.6.2）终端节点B收到重邀请消息后，返回OK消息确认；

（5.6.3）终端节点P收到OK消息后，回复确认字符（ACK）消息，双方开始使用该新的中转节点进行语音中转；

（6）通话结束，终端节点P向SIP服务器发送通话释放消息，双方退出通话。

2.根据权利要求1所述的一种VoIP系统中的语音动态中转方法，其特征在于，所述的步骤（3）中从中转服务器节点的环结构中选择最优中转节点的过程为：

中转服务器节点查看自己的环结构，如果环为空，则返回，并将自己做为最优中转节点，如果为非空，则从最内层开始查看环结构，如果该层环为空，则转入下一层继续查看，直到找到一个节点为止，将该节点做为最优中转节点。

3.根据权利要求1或2所述的一种VoIP系统中的语音动态中转方法，其特征在于，根据终端节点P检测到的通话质量不佳的次数可为多次，所述的步骤（5）可多次重复进行。

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