基于DSP的WMGCP協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要： 基于DSP技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了一種運行于局域網(wǎng)VoIP電話通信系統(tǒng)的WMGCP協(xié)議棧。采用分層結(jié)構(gòu)和會話狀態(tài)機(jī)設(shè)計，完成基本呼叫、群呼、全呼和擴(kuò)音呼叫功能，實現(xiàn)WMGCP消息的構(gòu)建、存儲和解析，利用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)創(chuàng)建WMGCP任務(wù)。實驗表明該協(xié)議棧運行穩(wěn)定，節(jié)省了系統(tǒng)資源和成本。
關(guān)鍵詞： 軟交換； MGCP協(xié)議； WMGCP協(xié)議棧； VoIP

隨著Internet 和語音壓縮技術(shù)的發(fā)展, 針對傳統(tǒng)電話網(wǎng)通話成本高的弊端,人們提出了VoIP(Voice over Internet Protocol)技術(shù), 該技術(shù)可將語音數(shù)據(jù)在分組交換網(wǎng)絡(luò)中傳輸, 提供比傳統(tǒng)業(yè)務(wù)更多更好的服務(wù), 并大大降低了語音業(yè)務(wù)的成本。目前主流的VoIP 協(xié)議包括1998 年ITU-T 提出的H.323 協(xié)議族、1999年由IETF 定義的會話初始協(xié)議SIP (Session Initial Protocol)和媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議MGCP (Media Gateway Control Protocol)標(biāo)準(zhǔn)。MGCP 協(xié)議是在吸收H.323 經(jīng)驗的基礎(chǔ)上。
　目前國內(nèi)外基于MGCP 協(xié)議的開發(fā)仍較有限, 伴隨著VoIP的不斷發(fā)展, 開發(fā)能夠處理MGCP通信信令的協(xié)議棧以及在協(xié)議棧基礎(chǔ)上開發(fā)MGCP的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。然而通常MGCP協(xié)議主要是由軟件實現(xiàn)的, 在具體實現(xiàn)過程中要耗費大量的CPU 處理時間, 處理速度比較慢, 而通過硬件實現(xiàn)協(xié)議棧則可以大大減輕系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)處理負(fù)荷。本文基于嵌入式操作系統(tǒng),采用DSP實現(xiàn)了改進(jìn)的MGCP協(xié)議——WMGCP協(xié)議的設(shè)計。該協(xié)議使運行于局域網(wǎng)的VoIP電話通信系統(tǒng)在完成基本呼叫控制的同時還能實現(xiàn)群呼、全呼和擴(kuò)音呼叫，并使信令傳榆和交換過程簡單、系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)省了系統(tǒng)資源、降低了系統(tǒng)成本。
1 MGCP協(xié)議簡介
　MGCP協(xié)議由簡單網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議(SGCP) 和IP 設(shè)備控制規(guī)范(IPDC) 融合而成,是一個分布式IP電話網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的內(nèi)部協(xié)議，用于控制來自外部呼叫控制單元的IP語音（VoIP）網(wǎng)關(guān)[1-2]。MGCP定義了媒體網(wǎng)關(guān)控制器（MGC）和媒體網(wǎng)關(guān)（MG）之間的操作。MGC又可稱為軟交換或呼叫代理(CA-Call Agent) , 主要負(fù)責(zé)處理控制信令, 根據(jù)接收到的信令控制媒體網(wǎng)關(guān)的連接建立和釋放。MG對應(yīng)的媒體網(wǎng)關(guān)包括中繼網(wǎng)關(guān)（TG）、接入網(wǎng)關(guān)（AG）和接入設(shè)備（IAD）等,分別負(fù)責(zé)橋接相應(yīng)類型的網(wǎng)絡(luò)。MGCP的要點是對網(wǎng)關(guān)命令的發(fā)布，以及網(wǎng)關(guān)在這些命令上的操作和發(fā)送返回信號。這些命令的目的是控制網(wǎng)關(guān)中連接創(chuàng)建和終止的操作，并使呼叫代理了解到發(fā)生在網(wǎng)關(guān)端點上的事件。
　MGCP 協(xié)議消息采用UDP 協(xié)議傳送,以加快消息傳送速度。但由于UDP 本身只能提供不可靠的傳送服務(wù),所以MGCP采用了重發(fā)定時機(jī)制、“至多執(zhí)行一次”功能、消息捎帶機(jī)制和臨時響應(yīng)機(jī)制,以保證消息的可靠傳送和正確處理[3]。MGCP 協(xié)議消息分為命令和響應(yīng)兩類, 每個命令需要接收方回送響應(yīng), 并采用“三次握手”方式證實?；贛GCP的VoIP電話網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)如圖1所示。

2 協(xié)議需求分析
　本VoIP電話通信系統(tǒng)應(yīng)用于石油、化工和煤炭等生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度，它利用企業(yè)現(xiàn)有的局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)間電話通信，用戶間可以實現(xiàn)單呼、群呼、全呼和擴(kuò)音呼叫。該系統(tǒng)采用的媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議是改進(jìn)的MGCP協(xié)議—WMGCP協(xié)議，系統(tǒng)由電話終端、呼叫控制器MGC、中繼網(wǎng)關(guān)TMG和網(wǎng)管系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。其中,電話終端中實現(xiàn)了MG和電話機(jī)功能，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；TMG負(fù)責(zé)與外部PSTN電話網(wǎng)絡(luò)的對接；網(wǎng)管系統(tǒng)負(fù)責(zé)電話通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理；呼叫控制器（MGC）內(nèi)部包含了MGCP服務(wù)器,提供了基本的呼叫控制業(yè)務(wù)；IP分組傳輸網(wǎng)為局域網(wǎng)[4]。

在MGCP協(xié)議中，規(guī)定了呼叫方網(wǎng)關(guān)、呼叫代理和被呼叫方網(wǎng)關(guān)間的所有交互命令和消息，而要實現(xiàn)這一整體協(xié)議過程，需要一定的軟件資源和硬件條件。本系統(tǒng)采用TMS320C5402芯片實現(xiàn)MGCP協(xié)議棧，由于DSP系統(tǒng)資源有限，因此需要對MGCP協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。考慮本局域網(wǎng)VoIP系統(tǒng)的實際需求后, 從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn):
(1) 由于系統(tǒng)容量較小，電話終端的IP地址與電話號碼有固定的計算關(guān)系,所以設(shè)計時將IP地址與電話號碼綁定，不需要龐大的映射表。
(2) 語音的編解碼方式指定為G.711A率，因此不需要設(shè)計EPCF程序。
(3) 每一個MG上只有一個終結(jié)點（電話機(jī)），MG和MGC記錄的終結(jié)點狀態(tài)和連接認(rèn)為是同步的,因此呼叫控制器（MGC）不需要通過審計終結(jié)點命令查詢MG特定終結(jié)點的狀態(tài)和檢查指定連接的各種信息，所以不需要設(shè)計AUEP和AUCX程序。
(4) 在完成一對一呼叫的同時,協(xié)議中增加了擴(kuò)音呼叫、群呼及全呼控制，增加了系統(tǒng)功能。
　改進(jìn)后的WMGCP協(xié)議棧既實現(xiàn)了MGCP協(xié)議的基本功能,又減少了設(shè)計上的復(fù)雜程度，同時由于上層協(xié)議(如UDP等)的設(shè)計相對獨立, 對其影響也非常小。
3 WMGCP協(xié)議的設(shè)計
3.1 分層設(shè)計
WMGCP協(xié)議采用分層設(shè)計,與RFC2705中定義的分層結(jié)構(gòu)略有不同[2]。按照系統(tǒng)中WMGCP消息的實際處理過程將層次分為：傳輸適配層，編、解碼層，事務(wù)層和應(yīng)用層API。它們在垂直方向上有明顯的上下層關(guān)系，實現(xiàn)自上而下的調(diào)用。分層結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

傳輸適配層調(diào)用UDP 套接字發(fā)送WMGCP 數(shù)據(jù)，或者從UDP層接收WMGCP 數(shù)據(jù)。WMGCP 協(xié)議端口默認(rèn)值為2427/2727。
　編、解碼層用于實現(xiàn)WMGCP消息的構(gòu)建和解析。WMGCP 消息的構(gòu)建是指將事務(wù)層提供的WMGCP事務(wù)結(jié)構(gòu)格式按照需要生成起始行、頭域和消息體等有用信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換成WMGCP協(xié)議消息格式。WMGCP消息的解析是指將WMGCP協(xié)議消息解碼為WMGCP事務(wù)結(jié)構(gòu)，提供給WMGCP事務(wù)層。
　事務(wù)層負(fù)責(zé)創(chuàng)建和取消事務(wù),處理各種WMGCP命令和響應(yīng)，維護(hù)事務(wù)狀態(tài)機(jī)。WMGCP協(xié)議是事務(wù)型協(xié)議，采用事務(wù)號來標(biāo)識和定位每個命令消息。WMGCP協(xié)議提供6種命令消息,分別是:RQNT、CRCX、DLCX、MDCX、NTFY和RSIP。其中RQNT、CRCX、DLCX、MDCX 4種命令可以由軟交換發(fā)起；NTFY、DLCX、RSIP 3種命令可以由MG發(fā)起。同時，WMGCP協(xié)議提供響應(yīng)消息，通過響應(yīng)消息的響應(yīng)碼可以對收到的命令進(jìn)行正確響應(yīng)或者錯誤響應(yīng)。
　應(yīng)用層API向WMGCP任務(wù)提供各種會話的控制API,用于完成摘機(jī)、應(yīng)答、掛斷、保持等事件引發(fā)的MGCP處理。
3.2 狀態(tài)機(jī)
　電話終端的狀態(tài)采用狀態(tài)機(jī)的方法實現(xiàn)[5]。本系統(tǒng)就是通過事件和消息的觸發(fā)來改變狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。事件是指對電話產(chǎn)生的動作(如摘機(jī)、撥號、掛機(jī)等)；消息是指系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時發(fā)出的命令、請求、響應(yīng)等信號。主叫與被叫分別維護(hù)各自的狀態(tài)機(jī)。
　主、被叫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖分別如圖4、圖5所示。在空閑狀態(tài)下,主叫用戶摘機(jī)，MG向MGC報告，MGC通知MG向主叫送出撥號音；主叫用戶撥號，MG號碼收齊后向MGC報告；MGC進(jìn)行號碼分析，如號碼為單呼號碼且被叫用戶已經(jīng)注冊并處于空閑狀態(tài)，則向被叫MG發(fā)出連接命令，連接形式為“只接收”；MGC收到被叫MG的響應(yīng)后，向主叫MG發(fā)出連接命令，連接形式為“只發(fā)送”，此時為擴(kuò)音態(tài)，主叫用戶即可通過媒體端口向被叫用戶發(fā)送語音；被叫用戶摘機(jī)，被叫MG向MGC報告，MGC向主被叫雙方MG發(fā)送修改連接命令，連接形式為“發(fā)送和接收”；通話完畢，任一方掛機(jī)，向MGC報告，MGC向掛機(jī)方發(fā)出刪除連接命令，將其狀態(tài)置為空閑，向另一方發(fā)出刪除連接命令，并要求其送出忙音，等其掛機(jī)后，將其狀態(tài)也置為空閑。如果被叫處于擴(kuò)音狀態(tài)，主叫掛機(jī)，MGC向雙方發(fā)送刪除連接命令，并將雙方狀態(tài)置為空閑。如果所播號碼為群呼或全呼組號，則MGC依次向?qū)儆谠撊航M的用戶或全部用戶發(fā)送創(chuàng)建連接命令，連接方式為“只接收”。此時MGC只需得到其中一個用戶的應(yīng)答就向主叫發(fā)送創(chuàng)建連接命令，連接方式為“只發(fā)送”；主叫用戶使用廣播分組發(fā)送語音數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)上所有終端均接收這個分組，但只有處于被叫連接狀態(tài)的終端才處理這個分組。

4 精簡MGCP協(xié)議的實現(xiàn)
4.1 基于DSP的工作方式
　本系統(tǒng)的DSP為TI公司的TMS320VC5402 16位定點處理器芯片，其采用哈佛體系結(jié)構(gòu)、流水線技術(shù)和獨立的硬件乘法器,操作速度最高為100 MIPS。TMS320VC5402內(nèi)部有16 KB的SRAM,一部分用于引導(dǎo)Flash程序的運行，另一部分用于堆棧、存放中斷向量、DSP中DMA模塊所需的數(shù)據(jù)和少量常用變量；片外數(shù)據(jù)和指令的可存、取空間分別為64 KB和1 MB，分別采用了SST39VF400A Flash和IS61LV25616 SRAM存儲器；實際運行時可執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)分別為64 KB。 TMS320VC5402的處理速度完全可以滿足系統(tǒng)的運算要求,非實時性的MGCP協(xié)議棧指令可以在片外Flash上運行，數(shù)據(jù)在片外SRAM上運行，其瓶頸在于可執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)空間受限。本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)芯片為DM9000，設(shè)置為100 Mb/s網(wǎng)速、16 bit數(shù)據(jù)收發(fā)模式和全雙工工作方式。