1、引 言

隨著IP網絡的普及，人們逐漸意識到將分離的語音、 數據、視頻網絡融合為一體化是未來網絡發展的大趨勢，基于IP的V2IP(video and voice over-IP)語音視頻電話在這一背景下應運而生。V2IP利用最近的WLAN接入點接入因特網，通過遍布全球的Internet進行視頻/音頻/數據的通訊。V2IP的應用前景非常廣泛，專家預計在未來5到10年內將會有1O%-15% 的普通電話會被可視電話替代，而V2IP又是整個可視電話市場的主導力量，有著巨大的市場潛力。目前已有多家國內外公司開發出V2IP電話和VoIP電話，由于它們都有成本大、售價高、多采用 H.261或H.263編碼傳輸音視頻數據時占用較大的帶寬、圖像質量差、以有線接人為主、不具備便攜性、WAPI無 線接入和移動性差等缺點，不能很好的滿足當今人們的需求。因此隨著可視電話的推廣和應用，建立低成本，音視 頻質量好，便攜方便和移動性好的V21P電話已迫在眉睫。 本文提出的V2IP模型和解決方案是建立在無線網絡上， 通過WAPI安全接入找到需要通信的被叫方，從而完成音視頻通信。此方案對WAPI技術在我國的推廣和普及有積極的推動作用。

2、相關技術背景

2.1 SIP協議簡介

SIP是由IETF組織于1999年提出的一個基于IP網絡實現實時通信應用的一種信令協議，可用來構造完成的多媒體構架。SIP的一個重要功能是支持用戶移動性，通過其定義的代理服務器和重定向服務器來實現。SIP可以實現通信用戶終端的定位，保證無論被呼Ⅱ 方在網絡的任何位置上都可以確保呼叫到達被呼叫方。SIP架構_8 ]中包含幾個重要部件：用戶代理客戶端、用戶代理服務器、代理服務器、重定向服務器、注冊服務器和定位服務器。除用戶代理外，代理/重定/注冊/定位服務器既可以在一個物理設備中也可以存在于不同的物理實體中。這些服務器不但可以提供智能業務還有利于服務提供者進行會話管理。

2.2 SIP協議結構

SIP協議由一組無關的處理層次組成，這些層次之間只有松散的關系，即SIP是一個分層的協議：

(1)語法和編碼層：定義了SIP消息語法，完成消息 (request，register等)編碼。編碼方式采用擴展的Backus— Naur Form grammar(BNF范式)。

(2)傳輸層：描述客戶端和服務器如何利用各自的有限狀態機處理響應請求。

(3)事務層：主要任務是確保消息的可靠傳輸。

(4)事務用戶層：給上層用戶提供接口，以便SIP消息的處理順利完成。

(5)最上層是各種SIP實體。

2.3 WAPI協議簡介

為在影響無線局域網產業發展的安全問題上形成突破， 國家標準GB15629.11—2003創造性地提出了無線局域網鑒別與保密基礎結構(wireless authentication and privacy infrastructure，WAPI)機制來實現無線局域網的安全。WAPI 是一種安全協議，同時也是中國無線局域網安全強制性標準，包括WAI和WPI兩個部分。其中，無線局域網鑒別基礎結構(WLAN authentication infrastructure，WAI)建立在關聯過程之上，是實現WAPI的基礎。在基本服務組中， WAI采用公鑰密碼技術實現STA(STATION實體終端)與訪問結點(access point，AP)之間的雙向身份鑒別；只有鑒別成功后，AP才允許STA接入，同時STA也才允許通過該AP收發數據。AP提供STA連接到鑒別服務單元的端口，確保只有鑒別成功的STA才能使用AP提供的數據端口訪問網絡；STA提供通過AP連接到鑒別服務單元的端口，確保只有通過已鑒別成功的AP才能使用STA提 供的數據端口收發數據。

WAI通過使用數字證書驗證，不僅具有更加安全的鑒別機制、更加靈活的密鑰管理技術，而且實現了整個基礎網絡的集中用戶管理。從而滿足更多用戶和更復雜的安全性要求。無線局域網保密基礎結構(WLAN privacy infra-structure，WPI)采用了國家商用密碼管理委員會辦公室提供的對稱密碼算法進行加密和解密，充分保障了數據傳輸的安全。WPI數據的完整性校驗碼計算包含了源地址、目的地址和分組序號，并采用CBC-MAC模式，實現了數據的完整性和數據源鑒別，防止了重復攻擊。

3、IP電話的設計

3.1 總體設計

利用SIP協議實現基于無線局域網的V2IP電話搭建在無線局域網上，其應用參考架構模型如圖1所示，圖中各實體均為邏輯實體。PC機、V2IP終端和嵌入式服務器通過WAPI以無線方式接入局域網，PC機和V2IP，V2IP和V2IP的呼叫控制通過嵌入式SIP服務器實現。

圖1中的AP；無線訪問點，AS(authentication server)： 安全鑒別服務器，V2IPWS(WLAN server)：V2IP電話服務 器，KS(embedded server)嵌入式SIP服務器終端。在每個終端上，用戶可以通過嵌入式SIP服務器注冊一個代表自己用戶ID，他們之間就可以完成呼叫、連接、音視頻通話和掛斷等操作。這種機制的優點在于使用嵌入式SIP服務器,利用WAPI安全接入，和PC機、V2IP進行免費互通。

3.2 系統框架結構

V2IP必須具有安全接入，音頻視頻會話，會話控制等所需的各種功能模塊。圖2給出了V21P的基本構成，其中包括：用戶界面、無線接入、呼叫控制、音視頻控制、媒體訪問控制和物理層和擴展模塊等部分組成，該系統框架結構既適合高處理性能的PC機也適合較低性能的嵌入式終端。

(1)無線接入。這是無線網絡很重要的一部分，V2IP通過雙向認證密鑰和(支持WAPI的)AP進行安全接入并關聯。V2IP通過該模塊的功能和無線局域網內的其它潛在的音視頻通過用戶網絡互通。為下一步的安全的通信打下基礎。

(2)呼叫控制。通過嵌入式SIP服務器完成用戶本身名稱(user-ID)的注冊與注銷，以及對其它通信方的user-ID進行查詢和解析。完成向被叫方發起呼叫，連接，關閉等功能，同時負責管理監聽對方呼叫/響應(被呼叫/被響應)。音視頻數據流采用UDP協議進行傳輸。UDP是無連 接方式，不可以保證數據包安全到達，但其延遲小，可重發，符合語音/視頻通信低延遲這一實時性特點。

(3)音頻/視頻控制。主要完成語音信息和視頻信息相關功能，這是V2IP系統必須的部分。V2IP音頻編解碼器采用的是G.718，視頻編解碼技術是H.264。

(4)擴展模塊可用于V2IP的增值業(例如，發信息，收費，打游戲等)。

3.3 V2IP電話具體實現

基于SIP的V2IP電話是基于linux系統平臺設計開發的，采用C和QT編碼實現。

3.3.1用戶界面模塊

進行V2IP用戶界面的開發，必須安裝Linux系統下Qtopia4.3.2軟件、交叉工具鏈和相關移植類庫。Qt4.3.2 是Trolltech公司為采用嵌入式Linux操作系統的消費電子設備而開發的綜合應用平臺。Qtopia4.3.2包括完整的應用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統、應用程序啟動以及開發框架。

3.3.2呼叫控制模塊

當進行多媒體數據通信時，V2IP需要呼叫控制信令對其會話進行呼叫控制。而SIP協議因其簡單、靈活、可擴展性強等優點，已然成為NGN(next generation net-work)呼叫控制中的一個重要協議，并且SIP信令可以很好的管理V2IP的呼叫控制功能，因此V2IP采用SIP信令協議完成呼叫控制功能。利用SIP進行呼叫控制的模型有很多中，例如，集中模式，分散模式和集中分散混合模式等。集中模式中SIP信令的管理和媒體的傳輸都經過服務器，缺點是服務器的負擔大而且擴展性差，數據包傳輸延遲大。分散模式是信令管理和媒體的傳輸由終端本身管理，缺點帶寬要求高。集中分散模式是SIP信令由服務器管理，而媒體的傳輸直接在終端之間進行，克服了集中、分散模式的缺點。為了減少服務器負載和音/視頻傳輸延遲，V2IP采用集中分散混合模式完成呼叫控制功能。

SIP呼叫控制模型如圖3所示，SIP服務器負責管理SIP信令，而媒體的傳輸在終端之間直接進行。若用戶A和用戶B通話，兩者需先到服務器上注冊，然后兩者通話信息就不經過服務器直接在它們之間直接進行。由于減少了經過服務器的中轉，極大提高了傳輸速率。

3.3.3音視頻控制模塊

音視頻控制部分包括音視頻數據的編解碼和音視頻數據的自適應同步傳輸。音視頻編解碼技術是指多媒體數據的壓縮與解壓縮，由于網絡帶寬和存儲介質容量的限制，有必要在保證服務質量的前提下，發送方選擇合適的編解碼標準對采集到的數據流進行壓縮，接收方將接收到的數據流解壓縮為原始音視頻流。

V2IP使用G.718音頻編解碼技術。G.718是分層的嵌入式可變速率音頻編解碼器，其核心編解碼器的位流有一個核心層(由u表示)和4個增強層(有L2-L5表示)。 G.718核心編碼器的比特率范圍是：8kbit/s到32kbit/s~ 采樣頻率為：16kHz。G．718編解碼器還支持以8kHz采樣頻率的音頻輸入或音頻輸出，它的負載格式由一個有效載荷頭域和一個或多個構成實際傳輸數據的傳輸塊組成，G.718負載格式如下：

heard

TB1

TB2

…

由以上格式所知，header由8位的有效載荷CRC校驗組成。在發送端，有效載荷CRC檢驗使用產生的多項式塊 C(x)在有效載荷的主要傳輸塊上計算。C(x)=X’8+ 4+ 3+X’2+1。在接收端，有效載荷CRC校驗可以用來驗證是否正確接收一個RTP包中從主傳輸塊開始的任何連續的傳輸塊子集。編碼數據的處理：為了使編碼數據單元和編碼幀一對～映射，創建一個有效載荷時遵循4個原則：原則一，在一個有效載荷里面的幀必須形成以解碼順序的連續幀集合；原則二，在一個幀的層必須形成一個連續的層集合；原則三，在一個傳輸快中的編碼數據單元必須按層號遞增序列組合；原則四，在一個傳輸塊中的同一層號的編碼數據單元必須以減序組合。一個編碼數據集合可以有多種方式分配給傳輸塊。例如，每一個編碼數據單元在自己的傳輸塊中封裝、所有的編碼數據單元在一個單一的傳輸塊中傳輸、每一個編碼數據單元使用不同的傳 輸塊傳輸，如下所示：

TD=2

NF=1

F1-L1

F2-L1

F1-L2

F2-L2

以上這種方法可以有效減少帶寬。為了提供流暢語音、 較低的編碼延遲、非常低的實現復雜性以及高質量的語音效 果，V2IP采用在單一傳輸塊中傳輸的方式用于語音編解碼。

V2IP在傳輸音視頻數據時必須保持音頻和視頻兩者的同步。在多媒體通信領域，同步策略主要有兩種：一種是基于發送端的控制，另一種是基于接收端的控制。V2IP借助RTP/R “ 協議和UDPSocket通信方式，采用基于接收端的同步控制方式?；诮邮斩送降脑硎牵涸诮邮辗讲シ诺臅r候獲取音頻的時間信息，并與當前的視頻信息進行比較，若它們之間的差值超過了預先設置的極限值，則說明不同步，此時丟棄視頻數據幀，繼續接收下一幀。例如，設定極限值T-lOOms，若當前音頻時間戳Tc和收到的視頻時間戳Tt差值大于T，說明不同步，需要丟掉當前視頻幀，等待和下一個音頻時間戳再比較。如它們之間的差值小于T，就進行幀解壓并播放顯示，圖4給出了同步操作流程圖。

3.3.4無線接入模塊

WAPI不僅是一種安全協議同時也是中國無線局域網安全強制性標準。WAPI充分考慮了市場應用，根據WLAN應用的不同情況，可以采用單點式、集中式等不同的模式工作，并且支持大規模的運營級服務。目前我國大部分無線接入仍舊使用是WiFi技術，該技術存在很多安全缺陷，而WAPI在我過仍然處于初級階段，有很大的發展空間。因此V2IP采用WAPI標準，可以有效提高無線網絡中音視頻數據流傳輸的安全性，使得V2IP更具有發展空間和競爭力。具體實現原理是：終端首先啟動無線驅動，然后掃描附近的AP點，將掃描的信息和V2IP的密鑰文件(主要包括線網絡ESSID(extended service set identifier)、 加密方式、加密密鑰、密鑰產生模式等)進行雙向認證。如果認證成功則關聯到AP點，反之則拒絕關聯繼續掃描等待下一次的鑒別。

4、測試與結果

測試環境如圖5所示，4個實驗室自主研發終端，其中3個安裝了V2IP電話軟件。V2IP電話所需要的服務器(AS和V2IPWS)嵌入到V2IP Server終端中。每個終端上都有無線網卡模塊。3個V2IP終端和V2IP Server服務器之間通過AP組成了一個無線局域網。

基于上述環境對基于SIP的無線局域網V2IP電話進行 了測試。首先啟動AP和V2IP Server(IP地址為192.168.1.13)，然后將需要通話的3個V2IP終端通過無 線方式注冊到V2IPServer上，最后三者之間就可以通過撥號(使用號碼為：5001、5002或5003，如圖6可知)相互視頻通話。測試結果表明V2IP電話實現了注冊，呼叫，掛斷等必須的音視頻通話功能。通話過程開始時如圖6所示，5s后LCD上可以同步、流暢、清晰的顯示通話雙方的圖像，達到預期效果。

4、結束語

依據傳統IP電話的不足，本文提出了新的 電話模型，并實現了V2IP電話利用WAPI技術無線安全接入和與PC機進行音頻、視頻通話。經測試，基于新模型的V2IP電話通過使用SIP信令協議解決了消息注冊，呼叫和掛斷等問題；通過使用H．264編碼技術和RTP傳輸協議很好解決了音視頻同傳輸步和圖像清晰問題。V2IP電話很好的解決了傳統 IP電話的缺點并可用于社區安全、移動安全監控等領域。