P2PIP電話模型研究論文

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摘要計算機對等網(P2P)是目前流行于國際網絡技術研究領域的一種新興網絡模型。作為真正的分布式計算技術，P2P技術將對Internet的發展產生重要的影響。文中首先介紹了P2P的概念，研究及其應用狀況；然后分析了其三種網絡模型：集中式P2P、純分布式P2P和混合式P2P各自的特點和發現機制；最后提出了一種基于P2P的IP電話模型，并詳細討論了該模型的信息模型和搜索策略。

關鍵詞P2P網絡，目錄，發現機制，IP電話模型

1引言

對等網絡(P2P)技術是目前計算機網絡技術領域研究的一個熱點，目前微軟、Sun、IBM等很多著名的企業和公司都投入到P2P技術的研究之中。

P2P技術出現于20世紀70年代，其典型代表是USENET和FidoNet兩個分散、分布的信息交換系統，而真正地應用起源于文件交換軟件Napster。P2P可以簡單地定義為：通過直接交換信息，共享計算機資源和服務，對燃撲慊本哂鋅突Щ頭衿韉墓δ堋T謖庵滯韁興械慕詰憔哂邢嗤腦鶉斡肽芰Γ⑿瓿扇撾瘛8鞫緣冉詰闃渫ü苯踴チ媸迪止蠶硇畔⒆試礎⒋砥髯試礎⒋媧⑵髯試礎⑸踔糧咚倩捍孀試矗扌枰覽抵醒敕衿韉鬧С鄭乖仍諂淥緙撲隳J街型ǔ1緩鍪傭惴捍嬖詰撓沒Ф松璞傅玫攪順浞值睦謾5僥殼拔梗琍2P的應用研究涉及面非常廣泛，主要包括網絡拓撲構造、安全與可靠性、分布式數據存儲和并行計算等。P2P的應用更是涵蓋諸多領域，比如對等計算、協同工作、搜索引擎、文件交換和文件共享，還有很多在電子商務中的應用。但P2P技術在IP電話中的應用也只是在QQ等軟件中的語音聊天中有所體現。鑒于此，本文通過分析比較了P2P技術現有的三種網絡模型，在保證網絡實時性和可靠性的基礎上，構建了IP電話網絡模型。

2P2P網絡拓撲結構模型分析

從技術上講，P2P網絡結構可分為：集中式P2P、純分布式P2P和混合式P2P三種不同形式，下面分別進行分析。

（1）集中式P2P

該模式中有一個中心服務器來負責記錄共享信息以及反饋對這些信息的查詢，每一個對等實體要對它所需共享的信息以及進行的通信負責。當某節點希望搜索一個不知道位置的資源時，該節點向目錄服務器發送請求，目錄服務器在數據庫中查詢到匹配的資源后將其定位信息返回該節點，然后在兩個節點之間執行交互。該模型的最佳示例為Napster，它是一種用戶共享MP3音樂的軟件。這種形式具有中心化的特點，但是它不同于傳統意義上的Client/Server模式。因為傳統意義上的Client/Server模式采用的是一種壟斷的手段，所有資源都放在服務器上，客戶機只能被動地從服務器上讀取信息，并且客戶機之間不具有交互能力；而集中式P2P模式則是所有資料都存放在提供該資料的客戶機上，服務器上只保留索引信息，此外服務器與對等實體以及對等實體之間都具有交互能力。

集中式P2P可提供中心服務器目錄檢索，管理服務和標準的點到點通信，具有高效的檢索和低效的交換服務的特點。但是中央服務器的癱瘓容易導致整個網絡的崩潰，可靠性和安全性較低，且隨著網絡規模的擴大，中央服務器維護和更新的費用將急劇增加，所需成本過高。

（2）純分布式P2P

該模型中沒有專門的服務器，整個網絡是有無數節點組成，這些節點在功能上非常相似，沒有一個節點知道整個網絡結構或者組成網絡的每一個節點的身份。相反，節點只知道直接與它們通信的節點。在進行網絡資源搜索時，節點首先把包含搜索條件的請求信令發送給其鄰居節點，再由鄰居節點向其自身的鄰居節點轉發。以此類推，直到得到滿足搜索條件的資源或請求信令的TTL為0；如果網絡找到滿足條件的資源，請求響應信令將沿著請求信令經過的路由的反向路由向回發送。此后，請求節點將建立到提供資源的節點的直接數據路由。其典型的代表就是著名的Gnutella。

這種P2P網絡模型的優點在于允許用戶設定自己的規則和建立自己的網絡環境，提供近似的即插即用的特性，動態性很強。存在的問題是由于沒有中心管理者，網絡節點難以發現，這樣形成的網絡很難進行身份認證、安全管理、流量管理、計費等控制；在搜索節點時，由于每個請求廣播的原因，對網絡帶寬要求高，容易導致網絡阻塞。

（3）混合式P2P

該模式結合了集中式和分布式P2P的優點，網絡中有中間服務器,但文件目錄是分布的。它在分布式模式的基礎上，將用戶節點按能力進行分類，使一些功能強的節點擔任特殊的任務。這些節點共分為3種：用戶節點、搜索節點和索引節點。用戶節點一般不具有任何特殊的功能；搜索節點處理搜索請求，從它們的“孩子”節點(用戶節點)中搜索文件列表；索引節點內存充足，連接速度快，用于保持可以利用的搜索節點信息，并收集狀態信息，維護網絡的拓撲結構。

一個節點可以既是搜索節點又是索引節點。用戶節點可以選擇多個搜索節點作為它的“父”節點，并將其所要共享的列表提交給它的“父”節點。在搜索網絡資源時，用戶節點通過索引節點獲得所有可用的搜索節點信息，之后用戶節點就和獲得的搜索節點相連。根據用戶的搜索請求，如果和用戶節點直接連接的搜索節點查詢結果達到N個(N為搜索結果，由用戶自己設定)就停止；否則就向另外可用的搜索節點發出請求，如果查詢結果還不夠，就繼續向外快速發散，直到所有的搜索節點被搜索到為止。若所有的搜索節點都被訪問過，就意味著網絡上所有的節點都被搜索到了，其速度要比純P2P模式快得多。

3IP電話系統組成和工作原理

IP電話系統一般有IP電話終端，網關(GATEWAY)、網守或者叫關守(GATEKEEPER)、網管系統、計費系統等幾部分組成。

IP電話終端包括傳統的語音電話機PC、IP電話機、也可以是集語音，數據和圖像于一體的多媒體業務終端。

網關提供IP網絡和電話網之間的接口，是VOIP的核心與關鍵設備。通過它可完成語音壓縮，具有尋址和呼叫控制的功能。

關守負責用戶注冊與管理，它應當具有的功能為：將被叫號碼的前幾位數字對應網關的IP地址；對接入用戶的身份認證，防止非法用戶接入；做呼叫記錄并有詳細數據，從而保證收費正確；完成區域管理，多個網關可由一個關守進行管理。

網管系統的功能是管理整個IP電話系統。

計費系統的功能是對用戶的呼叫進行費用計算，并提供相應的單據和統計報表。

目前IP電話有三種基本類型：PC之間的通話；PC和普通電話之間的通話；普通電話之間通過IP網絡和PSTN網絡之間的通話。現以普通電話之間的應用形式，說明IP電話的工作原理。首先發送端的模擬信號經過PSTN送到發端的IP網關上，然后利用數字處理設備(DSP)對語音進行數字化，再對數據進行壓縮并打包，通過Internet到對方的網關上，對數據進行解包及解壓縮,還原成模擬信號送到受話方的電話終端上。

4IP電話網絡模型的構建及其探討

在選擇P2P網絡模型時主要考慮以下幾個方面：首先,整個框架結構要求可運營，可管理，要求具備集中控制能力，并能提供服務質量保證；其次，要具有為用戶提供安全認證管理；第三，為降低網絡流量負擔，節約網絡資源，應減少用戶訪問對象的隨機性，減小流量的不可預知性；此外還應該具備良好的開放性，靈活性和擴展性。因此選擇混合式P2P模型來構建IP電話模型，由各個IP電話終端完成模擬信號和數字信號的轉化，而且通過IP電話號碼就可以找到被呼叫的IP電話終端。此IP電話的模型如圖1所示。

圖1基于P2P的IP電話模型

中心服務器主要做用戶的集中認證，建立索引機制，輔助對等點之間的連接，它要動態維護一張所有目錄節點的信息表，保持網絡總體的拓撲情況，其結構如表1所示。

表1目錄節點表

字段名含義

Ip_address存儲目錄節點的IP地址

State存儲目錄節點的狀態（是否可用）

目錄節點主要記錄該節點下所有IP終端用戶的信息，其充當關守的功能，它也需動態維護一張終端用戶表，其結構如表2所示。一個節點是否能成為目錄節點，要看其計算能力和存儲容量，如果達到規定的要求（由軟件按照統一的規則對所有的終端進行自動檢測），就被設定為目錄節點，同時該目錄節點要定時向中心服務器通報自己的狀態。

表2終端用戶表

字段名含義

Ip_address存儲目錄節點下用戶的IP地址

Ip_telephone存儲目錄節點下用戶的IP電話號碼

IP電話終端用戶也相應的動態維護一張與遠程IP電話用戶的通話信息表，其結構如圖3所示。

表3通話信息表

字段名含義

Ip_address存儲遠程用戶的IP地址

Ip_telephone存儲遠程用戶的IP電話號碼

Connect_state存儲自身的連接狀態（OnorOff）

當一個IP終端用戶加入此網絡中時，軟件搜索網絡提供給用戶一個可用的目錄節點的列表，供用戶選擇。用戶可以選擇其中多個（避免因單個目錄節點出現故障或該目錄節點已不再充當目錄節點而造成呼叫失敗）路由最短的目錄節點作為其父節點，并提交相應的信息。網絡中所有的IP用戶因為隨時會加入或者離開，IP地址與IP電話號碼不完全是固定的關系，所以目錄節點要定時刷新IP地址與IP電話號碼的對應關系，保持IP用戶節點處于一個穩定的狀態。

在該模型中，當一終端用戶A呼叫另一終端用戶B時，A先查詢自己與遠程IP電話用戶的通話信息，如果有B的信息，則直接進行互通；如果沒有或呼叫失敗，那么再向中心服務器請求。中心服務器返回所有可用的目錄節點，之后請求信令就以組播的方式向目錄節點發送，收到請求的目錄節點查詢自己的終端用戶表，如果找到B的信息，則返回給A，A和B就可建立點對點的連接，直接進行語音數據的傳輸；如果都未找到B的信息，請求信令繼續以組播的方式向其它目錄節點發送，直至遍歷整個網絡。

5總結

IP電話技術是一項新的技術，其發展速度非常快，最終將成為人們語音通信的重要工具。本文目的在于將P2P技術應用到IP電話中，以保證IP電話的語音數據包能夠實時地、順序地到達目的端。選擇混合式P2P構建了IP電話模型，既具備快速檢索的能力，降低網絡流量的負擔，又便于安全管理、身份認證、流量管理、計費管理等。

IP電話還涉及很多關鍵，如：語音編碼和壓縮技術、語音分組技術、語音抖動處理技術、靜音檢測技術、向前糾錯技術、回聲消除技術、QoS（QualityOfService,即服務質量）保障技術等，由于篇幅有限,未能作詳細介紹。

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