网络电话技术研究报告课件

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1、Skype网络电话技术研究报告,2009-8-31,目录,Skype介绍 Skype产生与发展 Skype基本原理介绍 Skype关键技术及特点 其他VoIP产品举例 Skype的影响分析及对策,走近Skype,Skype的“世界通”套餐低至0.01元/分钟(SkypeOut)电信运营商的国际漫游资费为5.99元/分钟,千万,Skype正以每季度3500万用户的数目在增长 Skype同时在线人数最高曾达1700万,2008年跨国语音通话时长,各电信运营商,Skype,330亿分钟,三个跨国语音运营商 在300亿分钟下,2008年跨国语音比例,4.5亿,Skype成为全球最大的跨国语音通话服务商

2、,Skype大事记,2003年,Skype诞生：由KaZaA公司的创始人Niklas首次推出,2004年,推出SkypeOut业务 中国无线互联网门户TOM在线与Skype合作,2005年,10月，被电子商务网站eBay以41亿美元收购，成为其用户交易的通信工具 11月，拟在中国推出SkypeOut业务,2008年,Skype向ITU申请国家码,成为全球最大的跨国语音通话服务商,2007年,目录,Skype介绍 Skype产生与发展 Skype基本原理介绍 Skype关键技术及特点 其他VoIP产品举例 Skype的影响分析及对策,关于VOIP概念的解读,两种含义的VOIP： 1、传统语音网络

3、（CS网络）IP化（含VoBB）；2、基于Internet技术的语音IP化,VOIP含义一：传统网络的IP化（含VoBB）,语音由IP包承载，但网络架构没有本质变化。 只是底层承载由TDM改成了IP，整个呼叫模式，盈利模式都没有变化，还是属于传统通讯方式的范畴。 用户需要为通话支付通话费用。,VOIP含义二：基于Internet技术的VOIP,语音由IP包承载，网络架构与传统网络有本质区别，呼叫模式为P2P。VOIP用户之间不再为通话支付费用，只需资费Internet接入费用；VOIP和传统终端之间需支付一定的费用（结算+盈利）。,Skype即属于基于Internet技术的VoIP的范畴。,P

4、STN/PLMN,Internet,voice,Skype的基本原理,网络中分为Ordinary host和super node两种类型的节点，Ordinary host就是安装了Skype软件的终端，Super node是按一定规则自动选举出来的任意一台具有公网IP的host。 Skype只拥有Login Server，全球只有几个点。除了注册服务器外，没有中心Server，为全分布式架构。 与传统电信网络的Client/Server架构完全不同。 呼叫基于P2P模式； 呼叫控制为私有协议，key的交互采用RSA加密； 语音采用AES加密算法； 信令采用TCP，语音视频等传输采用UDP（或者

5、TCP） 可以穿越NAT和防火墙（STUN，TURN）； 用户查找是基于全球范围的； 缺乏合法监听的手段,注册流程：host连接到超级节点-登录到Login Server鉴权-给其他节点通告自己的信息-NAT/FW发现-发现拥有公网IP的超级节点 Host Cache中保存超级节点列表及其IP地址； 通过超级节点之间的泛洪、Global Index找到对端 找到对端IP地址后，开始P2P的信令和媒体交互（直接交换或者选择forwarding节点交互）,业务流程,Skype网络架构,超级 节点,P2P叠加网络,普通 节点,语音编码：支持多达7种编码方式，其中最常用的是Global IP Soun

6、d 公司的iSAC和iLBC编码 加密和打包：使用AES加密标准对会话进行端到端加密，并通过网络检测机制动态调整发包速率和包的大小 播放调度：采用FIFO机制调度 丢包处理：接收端提供反馈给发送端，使其动态调整发包冗余度,Skype节点核心组件,网络架构 结合集中式和分布式的特点，在网络的边缘节点采用集中式的网络结构，而在超级节点之间采用分布式的网络结构，形成混合模式的P2P网络模型 节点类型 普通节点：安装Skype软件的客户端，可以在它上面拨打语音电话以及发送即时消息。 超级节点：超级节点之间以P2P方式互连，一个超级节点下面可连接多个普通节点，用于发送用户请求以及转发用户数据,任何一个普

7、通节点都可以成为超级节点，只要其具有公共IP地址，以及足够的CPU，内存和网络带宽等资源。普通节点必须连接到至少一个超级节点,P2P技术简介,P2P的定义 通过在系统之间直接交换来共享计算机资源和服务的一种应用模式 P2P分类 混合式P2P：P2P和集中式的混合模式 无结构P2P：以分布、松散的结构来组织网络，故称“无结构” 有结构P2P：以准确、严格的结果来组织网络，并能高效的定位节点和数据,P2P与C/S,P2P的网络基本构成,Client,Server,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,P2P网络中没有中心服务器，网络中每个节点都是对等的，并可直接相连,P2P网络是一个构建在IP网

8、络之上的叠加网络，节点之间的连接在两层可能会不一致,混合式P2P,无结构P2P,1,2,3,4,5,6,7,8,有结构P2P,Skype的通话模式,Skype有三种会话模式 PC-to-PC（完全免费） SkypeOut：PC-to-Phone（收费） SkypeIn：Phone-to-PC（收费） Skype的主要业务种类 语音类业务 视频业务 文件传输类业务 即时消息业务,PC-to-PC,Skype与Skype之间的通话，此种模式通话完全免费,SkypeOut,Skype打到固定电话或者手机，用户需要购买Skype点卡,SkypeIn,又称Online Number，Skype用户在Sk

9、ype接听来自固定电话或者手机的呼叫（中国暂无此业务）,PC-to-PC语音通话流程,当被叫B不在A的好友列表中时，流程图如左图所示，呼叫建立流程详述如下： 主叫A向其所连接的超级节点发送呼叫请求 A的超级节点利用P2P的查找算法，在P2P叠加网中查找被叫B的地址，并将地址返回给A A收到B的地址，与B建立通话连接 当被叫B处于A的好友列表中时，意味着A已经知道B的地址，呼叫双方无需查询流程可直接建立连接，如图中绿色实线所示,主被叫都具有公网IP和端口,主被叫一方或者双方处于私网或者UDP受限的防火墙之后,SkypeOut语音通话流程,SkypeOut的被叫用户为固定电话或者手机，不在主叫A的

10、好友列表中，其呼叫流程如下： 主叫A发起呼叫 该呼叫为SkypeOut，路由到相应运营商网络的入口网关 在运营商的网络中发起码号分析、路由等操作，最终呼叫到用户B,Internet,国外PSTN/PLMN,国内PSTN/PLMN,网关,交换设备,网关,交换设备,主叫 A,被叫B,被叫B,1 呼叫B,1 呼叫B,SkypeIn语音通话流程,用户在订购SkypeIn服务时需要先注册一个区号，然后会分到一个常用电话号码。这样即使用户到其他国家旅游，其他人仍可通过该常用号码与SkypeIn用户联络，而不必支付漫游费用。通话流程如下： 手机或者固定电话拨打SkypeIn号码 PSTN/PLMN中的交换设

11、备根据码号机制将会话路由到接入到Internet的网关设备 会话路由到Internet中，以下流程与PC-to-PC一样。,主叫A,主叫A,国外PSTN/PLMN,网关,交换设备,Internet,被叫B,目录,Skype介绍 Skype产生与发展 Skype基本原理介绍 Skype关键技术及特点 其他VoIP产品举例 Skype的影响分析及对策,Skype关键技术摘要,采用P2P技术 P2P网络在一些方面优于传统的Client-Server模式的网络,这种网络可以无限的扩展，并且不会因为扩展而导致搜索时间的延长和费用的增加 它利用终端用户机器的处理能力和网络带宽，非集中式网络的处理能力本身与

12、此成正向比例，即每增加一个节点，P2P网络的处理能力和带宽都相应增加。 编解码算法 Skype支持7种编解码，其中最核心的是使用Global IP Sound公司的iSAC/iLBC，这两个算法都结合了互联网的特点，对带宽要求较低。 Skype可以根据双方的连接情况自动选则最佳的编码方式。语音通话的时候平均占用带宽大约是3-16KB/S。 安全考虑 所有的通讯都是以端对端的模式进行加密 Skype采用了数字签名的方式，保证存储在P2P网络中的用户数据不被篡改 NAT/防火墙穿越能力 运用P2P技术,几乎可以在所有的防火墙或者NAT之后工作,Skype的特点,音质 理论上，使用Skype可以听到

13、所有人类可以听到的声音频率（508000Hz），而普通电话只能听到3003400Hz以内的声音 资费 提供免费的PC-to-PC通话 支持最多10人的免费多方会议 SkypeOut和SkypeIn资费基本上少于0.5元/分钟 跨平台性 提供不同操作系统的发行版本，包括Windows、Linux、Mac OS以及多种手机终端 开放性 Skype采取开放的机制，鼓励互联网用户自己开发插件 运行成本 Skype将很多工作下放给网络节点去完成，大大地降低了中心服务器的负担，同时基于Internet组网，减少了维护和管理的成本,Skype安全性分析,Skype可能面临的安全威胁 文件传输劫持 即时消息劫

14、持 语音窃听 Skype所采用的反跟踪技术 为了防止恶意攻击者采用反向工程的方法对软件进行破解，Skype采用了许多反跟踪技术，如检测跟踪法、抑制跟踪中断、对程序分块加密执行等。所以当使用编译器进行跟踪时，程序会抛出一系列异常。 Skype的身份验证 Skype网络中引入了中心注册服务器来解决用户身份验证的问题。 通过验证所产生的数字签名就是Skype认证机制的基础。当会话开始时，Skype节点也需要数字签名来对它们的通信方进行身份验证。 Skype的端到端加密 在数据的传输过程中，Skype采用了端到端加密的方式，使得中间节点无法对会话中的数据进行窃听和篡改。在会话中所有的数据包都会通过25

15、6bit的AES算法进行加密,Skype性能分析,实验条件 对两百万节点对的通话进行观察 两种网络状况：节点有带宽限制和无带宽限制 实验结果 对于无带宽限制（图中绿线）： 12%的会话MOS值低于3.6，而质量为中和高的会话所占比例分布为16%（28%-12%）和72% 对于有带宽限制（图中红线）：与绿线相隔很近 结论 从红线可以看出，大部分的Skype用户都能体验到自己满意的通话质量 从绿线可以看出，即使当节点有带宽限制时，Skype仍能达到较好的通话质量,200万节点通话的MOS值累积分布图,MOS值语音对照表,Skype用户行为模型,实验条件 对7000多个主机为期一个月每天一小时的监测

16、 UDP(TCP) E2E指的是PC-to-PC的通话 UDP E2O指的是PC-to-Phone的通话 Y坐标轴正数表示由这些主机呼出的通话数量 Y坐标轴负数表示呼进的通话数量 结论 每小时PC-to-PC、 PC-to-Phone的通话数量之和最大约为75个 PC-to-PC通话占较大比例（因为PC-to-PC的通话是免费的） PC-to-Phone的通话时长90%都小于5min，而PC-to-PC的通话时长70%都会超过10min 电话主要集中在工作日的白天，说明人们已经逐渐使用Skype进行商务会谈（晚上时间和周末通话数量则少了很多）,7000个用户每小时的通话数量统计图,通话时长累积分布函数图,Skype流量分析,Skype信令流量 一般情况下，普通节点的信令消耗是非常小的，90%传输的信令消息为100bps；即使作为超级节点，传输的信令消息也只有1Kbps。 Skype语音流量 Skype支持多种编码方式，根据不同的网络状态动态调整编码方法 不同编码方式所需要的比特率，从11Kbps到230Kbps不等，一般只需要1116Kbps。 Skype视频流量 Skype视频缺省是采用iSAC编码方式，并采用UDP传输。 其编码速率最大可达到800Kbps，一般情况下，视频速率则在200Kbps上下波动。,