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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于P2PSIP技术的VoIP系统的研究与实现 姓名：秦鹏程 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：章勤 20090527 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 为了解决传统基于会话初始化协议 SIP（Session Initiation Protocol）的 VoIP 系统 普遍存在的扩展性差和性能瓶颈的问题， 人们提出了 P2PSIP （Peer-to-Peer SIP） 技术， 用分布式的方法来管理多媒体会话。然而，现有的 P2PSIP 技术过分地强调系统整体 的去中心化和分
2、布式，即便在某种程度上，系统具有一定的可靠性和可控性，但节点 高度自治的特点使整个系统的性能得不到持续稳定的保障，在可管理的角度上也不能 够满足运营商的需求。 基于 P2PSIP 技术的 VoIP 系统是一种层次化的网络架构，该网络架构分为三个层 次，分别为：超级节点、SIP 客户端节点和全局管理服务器。超级节点之间通过结构 化的 P2P 覆盖网组成 P2PSIP 网络，超级节点相当于传统 SIP 网络中的 SIP 服务器。 多个超级节点间分担负载，分工合作取代传统 SIP 服务中单台服务器的作用。SIP 客 户端节点采用客户端/服务器的模式连接到超级节点，通过超级节点登陆到 P2PSIP 网
3、 络，完成资源发布和定位。全局服务器节点用于用户信息的管理和通话计费，并且为 超级节点提供接入服务。 在P2PSIP网络中， 资源发布和定位算法是基于Kademlia DHT 来实现的。SIP 客户端节点注册后，由超级节点作为代理服务器把该用户的信息发布 到 P2PSIP 网络中距离该注册用户最近的 K 个节点上面。当其他 SIP 客户端呼叫该用 户时，也是由超级节点作为代理在 P2PSIP 网络发起搜索，定位用户的地址信息，并 且把呼叫请求发送到被叫。 根据实际部署测试和基于 NS2（Network Simulation Version 2）网络模拟的结果， 本系统具有良好的扩展性， N 个
4、超级节点的服务能力约等于 N 个服务器服务能力的总 和。当整个系统的服务能力不足时，只需要添加新的超级节点就可以了。呼叫建立过 程中，由 SIP 服务器查找操作引起的平均查找时延为 1985ms，前 95%的查找时延小 于 2917ms，考虑到 SIP 消息的时延，系统在 Internet 环境下绝大多数呼叫建立时延都 不超过 6.6 秒，符合国际电信联盟对网络电话的推荐标准（前 95%的呼叫建立时延小 于 11 秒） ，同时也说明提出的系统架构是具有可行性和良好的扩展性的。 关键字：关键字：对等网络，SIP 协议，Diameter 协议，网络语音 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论
5、文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract P2PSIP (Peer-to-Peer Session Initiation Protocol) is proposed to leverage Peer-to-Peer computing to control multimedia sessions in a decentralized manner. However, existing P2PSIP systems put too much emphasis on the decentralization of SIP elements and the brief
6、ness of distribution. To some extent, P2PSIP system is manageable, but the control of the entire system is still relatively weak. The autonomy of P2PSIP nodes fails to guarantee the quality of service while applying to the carrier-grade environment. Based on the above problems, a hierarchical P2PSIP
7、 architecture is proposed to address the manageable problems which havent been solved in the P2PSIP literature. The P2PSIP network is divided into three levels: Super Node, SIP terminal node and global server node. Super Nodes form the structure of P2PSIP overlay, and they are equivalent to the role
8、 of traditional single SIP server by sharing load and cooperation. SIP terminal nodes connect to the Super Node in client/server model. They access to the P2PSIP network through Super Node to publish and locate resources. Global server nodes are responsible for users information management and call
9、accounting, as well as providing access to P2PSIP network for Super Node. In P2PSIP networks, resources distribution and localization algorithm is based on the Kademlia DHT structure. Super Node publish the registered SIP users information to the nearest K nodes as a proxy SIP server and searchs the
10、 called user in P2PSIP network when there is a SIP INVITE request. Actual deployment test and exhaustive simulations based on NS2 (Network Simulation Version 2) are performed to evaluate the performance of the proposed P2PSIP schemes. Results indicate that the hierarchical approach provides good sca
11、lability that the service capacity of the P2PSIP overlay composed by N Super Nodes is approximately equal to the sum of the service capacity of N Super Nodes. The mean search operation delay during the call setup is about 1985ms and the 95th percentile of search operation delay is 2917ms. Considerin
12、g the delay caused by SIP message, the overall call setup delay of the system is below 6.6s which is well below the recommendation of ITU-T that the 95th percentile of call setup delay is less than 11s. The test results also show that the systemarchitecture is feasible and scalable. Key words: peer-
13、to-peer, session initiation protocol, Diameter protocol, voice over IP 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 本章首先简述基于 P2PSIP（Peer-to-Peer Session Initiation Protocol）技术的网络电 话系统的研究背景，接着介绍国内外对 P2PSIP 技术的研究概况，然后说明本课题的 背景、目标及研究内容，最后给出论文的框架结构。 1.1 问题提出问题提出 随着计算机和网络通讯技术的迅速发展，IP 网络电话 VoIP
14、（Voice over IP）系统 逐渐取代了传统的公共开关电话网络 PSTN（Public Switched Telephone Network）电 话，成为下一代网络 NGN（Next Generation Network）中语音信息传输的主要形式1。 作为 VoIP 网络电话系统的重要信令协议，会话初始化协议 SIP（Session Initiation Protocol）2广泛应用于传统电信网络中。SIP 协议主要解决网络中节点之间建立会话 的信令控制，它为节点建立连接规定了一系列的流程，是一个开放的标准，很多组织 和机构都参与了 SIP 协议的制定。 随着系统的大规模部署应用，基于
15、SIP 协议的传统 VoIP 系统普遍反映出一些问 题和不足，如扩展性差、无自恢复能力、单点失效和性能瓶颈，这些缺陷在一定程度 上制约了网络电话的普及和应用。造成以上问题的主要根源在于现有基于 SIP 协议的 VoIP 系统都是采用客户端/服务器网络结构。当系统的容量不足以为规模迅速增加的 用户提供服务能力时，系统需要不断更新换代，升级服务器的处理速度，同时整个系 统需要繁琐的配置。如果系统中某些服务器出现故障，往往需要人为地干预，整个系 统才能够继续运转，传统的网络架构几乎没有考虑到系统的自恢复能力。 P2P 技术能够很好地解决上面的问题，作为互联网中应用的最为广泛的分布式应 用，P2P 系
16、统中节点的自组织能力使得整个系统具有易于扩展、耐攻击等优点。基于 P2P 技术的 VoIP 系统在互联网的应用中取得了很大的成功，如 Skype3、Peerio4和 one-X5。如图 1.1 所示，Skype 不是单纯的靠服务器的服务能力，而是利用 P2P 技术 使网络中的所有节点都能动态参与到路由、网络构建和拓扑维护等机制中来，因此其 部署成本较低，同时又能够利用中转节点的参与来保证语音质量。由于 P2P 协议缺乏 开放性和互通性，存在很多安全和管理上的弊端。Skype 的成功使得传统电信公司感 到了前所未有的担忧，引发了人们对 P2P 技术的争论，这也说明了 P2P 技术大规模应 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 用于电信运营商的网络的条件还不够成熟。 登录服务器登录服务器 用户登录 超级节点 普通节点 登录时期进 行消息交换 用户登录 超级节点 普通节点 登录时期进 行消息交换 图 1.1 Skype 的网络架构 为了克服 SIP 网络的客户端/服务器架构的缺点和 P2P 网络不可管
