CN1170393C - 私有网络的ip语音业务实现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在包括以NAT技术组网的私有网络在内的网络上实现IP语音业务的方法及系统。通过增加地址代理服务器，并在私网PC客户端登录阶段与地址代理服务器建立TCP/UDP数据连接，把PC客户端和VoIP服务器之间完成通话所需要建立的总的通道，包括呼叫信令通道和逻辑通道，在登录阶段就预先建立，并用每个通道在经过NAT转换之后的源地址源端口号(公网地址)代替相应的PCC私网地址，实际起到了预留呼叫信令通道和逻辑通道(即语音通道)的作用，实现VoIP业务在NAT组网方式中的应用。

Description

私有网络的IP语音业务实现方法及系统

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，特别涉及一种在包括采用网络地址转换(NAT)技术组网的私有网络在内的网络上实现IP语音业务(VoIP)的方法及系统。

背景技术

传统的语音业务采用电路交换技术，即通话双方通过公共交换电话网(PSTN)建立一条固定带宽(64kbit/s)的电路，这使得低时延、低失真的实时通信服务质量(QoS)得到保证，但在这种方式下网络带宽利用率低，通讯成本高，而且增值业务的推广比较困难。

VoIP(Voice over IP)是指在以IP为网络层协议的计算机网络中进行语音传送的业务，简称IP语音业务。计算机通讯采用分组交换技术，即传输的数据单元都是由标识部分和数据部分封装而成的独立数据包，称之为“分组”(packet)，网络中的各通讯节点存储并转发分组。因此，VoIP属于分组语音通信的范畴，是以IP为标志的网络分组化和以多媒体为目标的网络业务综合化两大主流技术融合的结果。分组交换的特点是网络利用率高，通讯成本低，而且IP网络作为开放式网络很容易快速推广新业务。

在计算机网络上进行语音通信的研究源自70年代。进入90年代后，特别是近几年，随着Internet在全球范围的兴起和语音编码技术的发展，VoIP取得突破性进展并得到了实际应用。其发展大致分为以下三个阶段：

(1)萌芽期：Internet出现后，人们首先尝试了让两台PC机通过IP网络传送语音，这是VoIP最初的一种形式。在这一阶段，人们对VoIP的认识很肤浅，市场也不明确。

(2)  发展期：在VoIP诸多优势的吸引下，很多电信公司认识到仅在PC机之间实现IP电话远远不能满足用户的需要，因此目光投向了众多的PSTN用户，这就导致IP电话网关的出现。IP电话网关将PSTN网络和IP网络连接起来，提供电话到电话，PC到电话，电话到PC等多种VoIP业务形式。这一阶段是IP电话迅速发展的时期。

(3)  成熟期：IP电话应用的发展在未来将进入成熟期，具有通讯采用统一的标准，全球各电信厂家的语音设备可以互通、VoIP话音质量接近传统电话质量等特点。

实现IP语音业务的通信协议包括有语音通信控制协议、话音信息传送协议、会议电话控制协议和实时控制协议等。其中，语音通信控制协议即电信网中的呼叫控制信令，包括地址信息、用户状态信息、双音多频(DTMF)信号等，一般采用传输控制协议(TCP)作为传输层协议。话音信息传送协议规定了话音分组如何封装、复用和传送，包括各种语音编码分组如何组装和标识，要求要实时传送，只能用用户数据报协议(UDP)作为传输层协议。IP电话利用实时传输协议(RTP)适配分组语音数据，RTP可传送分组的时间戳、分组序号等信息，支持QoS监视和多数据流合并。另外，为确保实时性，还选用资源预留协议(RSVP)为呼叫保留网络资源。目前VoIP的实现均是在开始呼叫的时候，首先建立呼叫信令通道，进行信令交互和协商以后，建立逻辑通道即语音通道，逻辑通道的地址需要在呼叫信令通道的报文中传送。

私有网络是指使用私有IP地址的内部网络，如企业网。当今绝大部分企业网都是实施TCP/IP协议的内联网，用户使用DHCP协议动态分配私有IP地址，在私网上划分多个网段，用户数据往往越过本地网段在私网内的各子网间传送。企业网内部，同一地点的分支或总部使用第三层交换技术(也称IP交换技术、高速路由技术等，是一种利用第三层协议中信息来加强第二层交换功能的机制)通过以太网进行连接，而分支与总部间使用传统路由器通过专线(DDN或Leased line)进行连接。企业网到公网一般有唯一的出口，用户访问公网时，必须借助于代理服务器的NAT功能。

NAT即地址转换或地址代理，用来实现私有网络地址与公有网络地址之间的转换。私有地址是指内部网络(局域网内部)的主机地址，而公有地址是局域网的外部地址(在因特网上的全球唯一的IP地址)。因特网地址分配组织规定以下的三个网络地址段保留用做私有地址：

10.0.0.0    ～10.255.255.255

172.16.0.0  ～172.31.255.255

192.168.0.0 ～192.168.255.255

也就是说这三个网络地址段不会在因特网上被分配，但可以在一个私有(局域网)内部网络使用。各个私网根据在可预见的将来主机数量的多少，选择一个合适的网络地址。不同私网的内部网络地址可以相同。

NAT技术在如企业网的私网上被广泛使用，以克服地址空间的限制和增加安全性，以及解决多个子网的联网问题。网络地址转换通过复用TCP或UDP端口号，提供把多个内部(私网)IP地址转换成外部(公网)IP地址的能力。关于地址转换的方式，又可分为多种类型。有的使用同一公网地址，用不同端口号来区分不同连接；有的在地址池中取得一个公网地址，按照一定算法取得端口号。

对于NAT的多种方式，可以总结出一个共有的特点，即私网用户要使用公网的服务时，需要通过NAT得到一个公网地址(包括IP地址和端口号)，这个转换的对应关系记录在NAT路由器的一个地址端口对应表中，表中对应的两者分别为内部私有IP地址，和发往外部的IP报文的源端口号，后者也是从外部收到IP报文的目的端口号。在公网的节点看来，这个私网用户的地址就是NAT转换后的公网地址，如果要向这个私网用户发送数据，就直接发送这个公网地址，路由器通过查询地址端口对应表中存储的对应关系，将数据转发给私网用户。

简单来说，地址转换技术(NAT)是将内部IP地址和端口替换为外部网络IP地址和端口，以及反向的转换，NAT技术的优点在于：

1、提供内部网络的主机访问网外资源；

2、为内部主机提供了“隐私(Privacy)”保护，提高安全性；

3、解决IP地址资源问题。

当私网用户使用现有的VoIP系统应用VoIP业务时，会遇到下列问题：私网PC向公网PC或网关发起呼叫的时候，可能会出现单通或无法通话；公网PC或电话(通过网关)拨打位于私网中的PC时，通话无法建立。原因就在于：当PC向公网被叫PC或网关发起呼叫的时候，通过NAT转换，私网PC的呼叫信令能正确发送到公网，但由于呼叫信令的数据部分中包含的媒体信道的源地址和源端口号是属于私网的，NAT路由器只能对IP包头的源地址和源端口号进行转换，无法修改数据部分，所以被叫方无法获知主叫方媒体信道的地址，所以造成单通或者不通的现象。当公网PC或电话(通过网关)向私网PC发起呼叫时，被叫方的VoIP服务器查询到的被叫呼叫信道(或控制信道)地址是私网地址，所以无法与被叫PC建立呼叫连接。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种在包括以NAT技术组网的私有网络在内的网络上实现IP语音业务的方法及系统，使私网用户可以应用VoIP业务。

本发明一种私有网络的IP语音业务的实现方法，至少包括以下步骤：

a)  私网用户PC客户端向VoIP服务器发送登录请求消息后，向地址服

    务器发起n次TCP/UDP连接，n的取值为私网用户PC客户端与VoIP

    服务器完成一次通话需要建立的呼叫信令通道和逻辑通道的总的通

    道数；

b)  地址服务器将所接收的连接报文中的经过NAT转换之后的公网地址

    和端口号分别发送给VoIP服务器和私网用户PC客户端；

c)  VoIP服务器将对应呼叫信令通道的公网地址和端口号记录在该PC客

    户端的地址域中，私网用户PC客户端将对应逻辑通道的公网地址和

    端口号记录在相应的地址域中。

根据上述本发明方法，私网用户的PC客户端进一步可设置定时机制，当私网用户的PC客户端超过规定时间没有接收到呼叫报文时，重复步骤a)、步骤b)、步骤c)。

根据上述本发明方法，所述的步骤b)中，地址服务器直接将对应逻辑通道的经过NAT转换之后的公网地址和端口号发送给私网用户PC客户端。

根据上述本发明方法，所述的步骤b)中，地址服务器将所接收的连接报文中的经过NAT转换之后的公网地址和端口号发送给VoIP服务器，由VoIP服务器将对应逻辑通道的公网地址和端口号在响应私网用户PC客户端登录请求的应答消息中发送给该PC客户端。

本发明一种实现私有网络IP语音业务的系统，至少包括通过IP网络连接的IP语音业务(VoIP)服务器、PC客户端、网守、网关以及通过公共交换电话网连接的交换设备和电话终端设备，其中PC客户端提供PC用户进行语音通话，实现协议处理和呼叫控制以及语音数据的转换，VoIP服务器实现PC客户端的登录认证、响应呼叫接入请求以及进行呼叫接续的控制，网关是连接IP网络与公共交换电话网的设备，网守提供网关地址的查找功能；其特征在于：

该系统进一步包括一地址代理服务器，通过IP网络与系统连接，其接收私网用户PC客户端在登录后发送的TCP/UDP连接报文，并将其中的经过NAT转换之后的公网地址和端口号分别发送给VoIP服务器和私网用户的PC客户端；

所述的VoIP服务器将对应呼叫信令通道的地址记录在该PC客户端的地址域中，私网用户PC客户端将对应逻辑通道的地址记录在相应的地址域，为私网用户PC客户端与VoIP服务器实现通话预留呼叫信令通道和逻辑通道。

进一步的，所述的VoIP服务器由业务服务器和用户服务器组成。

本发明通过在现有的VoIP系统中增加地址代理服务器，并在私网PC客户端登录阶段与地址代理服务器建立数据连接，把PC客户端和VoIP服务器之间完成通话所需要建立的通道，包括呼叫信令通道、逻辑通道，在登录阶段就预先建立，并用每个通道在经过NAT转换之后的源地址源端口号(公网地址)代替相应的PCC私网地址，实际起到了预留呼叫信令通道和逻辑通道(即语音通道)的作用，实现VoIP业务在NAT组网方式中的应用。

附图说明

图1为本发明VoIP业务的NAT组网应用系统结构示意图。

图2为本发明一实施例系统结构示意图。

图3为图2所示实施例的私网PCC的登录流程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明是在现有VoIP系统上增加一地址代理服务器，把完成一次通话需要在私网用户PC客户端和VoIP服务器之间建立的通道，包括呼叫信令通道和逻辑通道，通过地址代理服务器在用户登录阶段就预先建立，并且用每个通道在经过NAT转换之后的公网地址及端口号代替原来PCC的私网地址及端口号。

参见图1所示的VoIP业务的NAT组网应用系统结构示意图，其中VoIP业务服务器10、PC用户的PC客户端和电话用户的网关(GW)11均通过IP网络连接，该系统进一步包括一地址代理服务器12，亦通过IP网络与系统连接。私网用户的PC客户端13通过NAT路由器14接入公网。

当私网的PC客户端向VoIP服务器发出登录请求后，向地址代理服务器发起若干次TCP或UDP连接，连接的次数等于私网PCC与VoIP完成一次通话所需要建立的通道数。这些连接按顺序编号为通道1(channel1)、通道2(channel2)、......、通道n(channeln)，它们的源地址是私网PCC的地址，源端口号分别是所需通道的默认端口号，将这几组地址(包括IP地址和端口号)称为PrivateNetAddr1、PrivateNetAddr2、......、PrivateNetAddrn。这些地址属于私网地址。

通过NAT转换后，这些连接报文到达地址代理服务器，此时源地址经过地址/端口转换，已经转换为公网地址，称为PublicNetAddr1、PublicNetAddr2、......、PublicNetAddrn。地址代理服务器将这些地址发送给VoIP服务器和私网内的PC客户端，VoIP服务器将对应呼叫信令通道的公网地址记录在该私网PC客户端的地址域中，私网内的PC客户端将对应逻辑通道的公网地址记录在相应的地址域中。

由于NAT对于在其地址转换表中的地址转换记录采用了定时机制，超过规定的时间没有更新连接，就会将记录从表中删去。所以需要设置一个定时重发机制，在规定的时间内PrivateNetAddr 1、2、3没有接收到报文，就需要自动向地址代理服务器(AddProxy)重新发送TCP或UDP连接。

对于TCP连接，在创建时具有开始(SYN)标志，没有ACK标志(除了这个报文之外所有的TCP报文都有ACK标志)。在中断时会有终止(FIN)标志。因此对于TCP连接是依靠这些来判断TCP连接的中断和创建。

对于UDP报文，可以采用时间估计的方式。当某个连接在若干时间没有用时，就认为这个连接已经中断了。在一个新的连接发生时，就认为这个连接创建了。这种用于估算连接的时间提供用户可以配置。

通过上述的步骤，私网用户在上网登录时，在呼叫建立之前就建立了通话所需的通道，并由定时重发机制一直预留。呼叫发生时利用预留的呼叫信令通道和逻辑通道进行通话。用户下网后该预留通道自动拆除。

私网的PC用户作为主叫应用VoIP业务时，通过预留的呼叫信令通道向所属的VoIP服务器发起呼叫，呼叫建立以后，需要建立逻辑通道。此时PCC将自己的逻辑通道地址通过呼叫信令报文地址发送给VoIP服务器，这时发出的逻辑通道地址是已经经过NAT转换后的公网地址。建立逻辑通道之后就可以顺利进行通话了。

私网的PC用户作为被叫应用VoIP业务时，由公网的PC用户通过PCC或电话用户通过GW发起呼叫，VoIP服务器收到呼叫信令消息，查找到被叫的IP地址，此地址是经过NAT转换后的公网地址，将呼叫信令报文发送到此地址对应的路由器，路由器查询NAT地址转换表，找到相对应的私网地址，将呼叫信令转发到PC客户端，呼叫信令通道建立。私网用户的PC客户端回送的呼叫信令报文应包含逻辑通道地址，此地址是经过NAT转换后的公网地址。建立逻辑通道之后就可以顺利进行通话了。

本发明技术方案可以应用于任何IP语音业务。以下结合图2、图3所示，以个人号码业务(ONLY)为例，进一步说明本发明内容及应用。

ONLY(One Number Link You)业务是随着互联网的发展，为满足用户越来越迫切地希望随时随地相互交流和获取信息的需要，在融合了传统电信技术和IP技术的基础上，开发的一种创新性业务。ONLY业务主要是为使用者提供唯一的个人业务号码--ONLY号码，通过该号码提供多种业务，无论用户身处何地都可以更快捷地联络到指定用户，被联络的用户可以通过PC、电话、语音信箱等多种方式接听呼叫。

ONLY系统由ONLY业务服务器(ONLY Server)、ONLY用户服务器(User Server)、PC客户端(PCC)、交互式语音应答设备(IVR)、数据库、Web服务器等构成，其中ONLY业务系统的VoIP服务器功能是由ONLYServer和User Server共同完成。ONLY Server的主要功能有：响应节点呼叫接入请求；与User Server交互得到ONLY号码的地址翻译；与网守(GK)交互得到被叫电话号码的路由；根据解析的目的地址中转呼叫信令；完成对网关(MG)的控制功能；与IVR交互，支持透传双音多频(DTMF)号码；记录简单计费信息并向User Server发送。User Server的主要功能有：呼叫策略选择(根据用户设置的呼叫策略将虚拟ONLY号码翻译为真实电话号码或PCC的IP地址)；PCC登录认证、呼出授权、状态维护；语音信息(VM)通告等。

和其他的VoIP系统一样，ONLY业务在私网环境应用中也遇到了相同的问题。参见图2所示，为采用本发明技术方案的ONLY业务的NAT组网应用系统结构示意图。其中除ONLY系统原有的设备外，新增加一地址代理服务器12，通过IP网络接入系统，并对原有用户服务器和PC客户端做出相应的改动，使PCC在向User Server登录后，向地址代理服务器发起UDP连接，地址代理服务器将其中的经过NAT转换的公网地址发送给UserServer，并由User Server在返回PCC的登录请求响应中将经过NAT转换的公网地址传送给PCC，User Server和PCC分别记录该等经过NAT转换的公网地址，为私网PCC与ONLY Server建立呼叫预留需要的通道。

私网PCC的登录流程参见图3所示，其中，私网中ONLY号码为16655551234的PCC 13向User Server 102发起登录请求消息(Login_Req)后，需要向地址代理服务器12发起三个UDP连接。将这三个UDP连接按顺序编号为UDP1、UDP2、UDP3，它们的源地址是私网PCC 13的地址，UDP1、2、3的源端口号分别是MGCP、RTP、RTCP的默认端口号。将这三组地址(包括IP地址和端口号)称为PrivateNetAddr1、PrivateNetAddr2、PrivateNetAddr3。这三组地址属于私网地址。

通过NAT转换后，上述三个UDP报文到达地址代理服务器12，此时源地址经过地址/端口转换，已经变为了公网地址，将其称为PublicNetAddr1、PublicNetAddr2、PublicNetAddr3。地址代理服务器12将这三组公网地址发送给User Server 102，User Server 102将PublicNetAddr1记录在PCC16655551234的地址域，并在登录请求响应消息(Login_Ack)中将PublicNetAddr2和PublicNetAddr3发送给PCC，PCC记录这两个地址。

由于NAT对于UDP连接在地址转换表中的地址转换记录采用了定时机制，超过规定的时间没有更新连接，就会将记录从表中删去。所以在没有通话发生的时候，PCC也必须与地址代理服务器12保持UDP1、2、3的连接，所以需要设置一个特殊的定时重发机制，在规定的时间内PrivateNetAddr1、2、3没有接收到报文，就自动向地址代理服务器12重复发送UDP报文。

经过上述的登录过程，通过地址代理服务器12就预先建立起了私网PCC与ONLY Server之间呼叫需要建立的通道。

当私网的PCC 16655551234作为主叫，发起呼叫的时候，建立呼叫信令通道，由于在路由器的地址转换表中保持有呼叫信令通道的私网和公网地址对应关系，所以这个呼叫信令实际是使用了上述预留的通道。PCC 13从源地址PrivateNetAddr1发送MGCP数据到ONLY Server 101，ONLY Server 101向User Server 102查询呼叫控制策略，向GK查询被叫网关或在User Server得到被叫ONLY号码所属ONLY Server的地址，开始建立逻辑通道。此时PCC 16655551234将自己的RTP和RTCP地址发送给被叫方，按照协议规定，应该是PrivateNetAddr2、PrivateNetAddr3。但如果送出私网地址，会造成对方的语音数据无法正确发送给PCC 16655551234，所以应该将PrivateNetAddr2、PrivateNetAddr3替换为PublicNetAddr2、PublicNetAddr3，这样就可以利用上述预留的逻辑通道，使通话顺利进行。

当私网的PCC 16655551234作为被叫，由公网的PC用户的PCC或电话用户的GW发起呼叫的时候，ONLY Server 101接收到呼叫信令，首先向User Server 102查询PCC 16655551234的地址，查找到PublicNetAddr1，将MGCP数据发送到PublicNetAddr1，路由器查询NAT的地址转换表，找到相对应的PrivateNetAddr1，将MGCP数据发送到PCC 16655551234。当呼叫信令通道建立之后，PCC 16655551234回送MGCP的数据应包含RTP和RTCP地址，按照协议规定，应该是PrivateNetAddr2、PrivateNetAddr3。但如果送出私网地址，会造成主叫方的语音数据无法正确发送给PCC16655551234，所以应该将PrivateNetAddr2、PrivateNetAddr3替换为PublicNetAddr2、PublicNetAddr3，这样就利用了上述预留的逻辑通道进行语音数据的传输。

本发明技术方案可应用于任何的VoIP业务系统。如为测试IP电话网关(Master、Refiner、Expert)的互通性，用H.323协议实现的一个在PC上进行IP电话的应用。这个应用在私网环境下也遇到了与ONLY业务同样的问题。将本发明技术方案引入到上述应用中，所不同的是：呼叫信令使用H.225协议，用TCP建立通道。然后建立H.245的控制通道，最后建立一个逻辑通道。但呼叫建立的基本思想和ONLY是有共同之处的。按照这个方案进行改进以后，使其在私网环境下也能顺利通话，通过了基本功能验证和大呼叫量测试。

综上所述，本发明方案简便易行，具有很好的实用性和可靠性。

Claims (6)

1、一种私有网络的IP语音业务的实现方法，其特征在于该方法至少包括以下步骤：

a)私网用户PC客户端向VoIP服务器发送登录请求消息后，向地址服务器发起n次TCP/UDP连接，n的取值为私网用户PC客户端与VoIP服务器完成一次通话需要建立的呼叫信令通道和逻辑通道的总的通道数；

b)地址服务器将所接收的连接报文中的经过网络地址转换(NAT)之后的公网地址和端口号分别发送给VoIP服务器和私网用户PC客户端；

c)VoIP服务器将对应呼叫信令通道的公网地址和端口号记录在该PC客户端的地址域中，私网用户PC客户端将对应逻辑通道的公网地址和端口号记录在相应的地址域中。

2、根据权利要求1所述的IP语音业务的实现方法，其特征在于：所述的私网用户的PC客户端进一步设置定时机制，所述的步骤C)后进一步包括以下步骤：

d)当私网用户的PC客户端超过规定时间没有接收到呼叫报文时，重复步骤a)、步骤b)、步骤c)。

3、根据权利要求1所述的IP语音业务的实现方法，其特征在于：

所述的步骤b)中，地址服务器直接将对应逻辑通道的经过NAT转换之后的公网地址和端口号发送给私网用户PC客户端。

4、根据权利要求1所述的IP语音业务的实现方法，其特征在于：

所述的步骤b)中，地址服务器将所接收的连接报文中的经过NAT转换之后的公网地址和端口号发送给VoIP服务器，由VoIP服务器将对应逻辑通道的公网地址和端口号在响应私网用户PC客户端登录请求的应答消息中发送给该PC客户端。

5、一种实现私有网络IP语音业务的系统，至少包括通过IP网络连接的IP语音业务(VoIP)服务器、PC客户端、网守、网关以及通过公共交换电话网连接的交换设备和电话终端设备，其中PC客户端提供PC用户进行语音通话，实现协议处理和呼叫控制以及语音数据的转换，VoIP服务器实现PC客户端的登录认证、响应呼叫接入请求以及进行呼叫接续的控制，网关是连接IP网络与公共交换电话网的设备，网守提供网关地址的查找功能；其特征在于：

该系统进一步包括一地址代理服务器，通过IP网络与系统连接，其接收私网用户PC客户端在登录后发送的TCP/UDP连接报文，并将其中的经过NAT转换之后的公网地址和端口号分别发送给VoIP服务器和私网用户的PC客户端；

所述的VoIP服务器将对应呼叫信令通道的地址记录在该PC客户端的地址域中，私网用户PC客户端将对应逻辑通道的地址记录在相应的地址域，为私网用户PC客户端与VoIP服务器实现通话预留呼叫信令通道和逻辑通道。

6、根据权利要求3所述的IP语音业务系统，其特征在于：

进一步的，所述的VoIP服务器由业务服务器和用户服务器组成。

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