基于DSP的WMGCP協(xié)議棧的設計與實現(xiàn)*

郭翠娟,苗長云,武志剛

(天津工業(yè)大學 信息與通信工程學院，天津300160）

隨著Internet和語音壓縮技術的發(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,該技術可將語音數(shù)據(jù)在分組交換網(wǎng)絡中傳輸,提供比傳統(tǒng)業(yè)務更多更好的服務,并大大降低了語音業(yè)務的成本。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)關控制協(xié)議MGCP (Media Gateway Control Protocol)標準。MGCP協(xié)議是在吸收H.323經(jīng)驗的基礎上。

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)議棧基礎上開發(fā)MGCP的應用越來越受到人們的關注。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)絡處理負荷。本文基于嵌入式操作系統(tǒng),采用DSP實現(xiàn)了改進的MGCP協(xié)議——WMGCP協(xié)議的設計。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)關控制協(xié)議(SGCP)和IP設備控制規(guī)范(IPDC)融合而成,是一個分布式IP電話網(wǎng)關系統(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[1-2]。MGCP定義了媒體網(wǎng)關控制器（MGC）和媒體網(wǎng)關（MG）之間的操作。MGC又可稱為軟交換或呼叫代理 (CA-Call Agent),主要負責處理控制信令,根據(jù)接收到的信令控制媒體網(wǎng)關的連接建立和釋放。MG對應的媒體網(wǎng)關包括中繼網(wǎng)關（TG）、接入網(wǎng)關（AG）和接入設備（IAD）等,分別負責橋接相應類型的網(wǎng)絡。MGCP的要點是對網(wǎng)關命令的發(fā)布，以及網(wǎng)關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,所以MGCP采用了重發(fā)定時機制、“至多執(zhí)行一次”功能、消息捎帶機制和臨時響應機制,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兩類,每個命令需要接收方回送響應,并采用“三次握手”方式證實?；贛GCP的VoIP電話網(wǎng)關系統(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、全呼和擴音呼叫。該系統(tǒng)采用的媒體網(wǎng)關控制協(xié)議是改進的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和電話機功能，簡化了系統(tǒng)結構；TMG負責與外部PSTN電話網(wǎng)絡的對接；網(wǎng)管系統(tǒng)負責電話通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡管理；呼叫控制器（MGC）內(nèi)部包含了MGCP服務器,提供了基本的呼叫控制業(yè)務；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、呼叫代理和被呼叫方網(wǎng)關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)議進行改進。考慮本局域網(wǎng)VoIP系統(tǒng)的實際需求后,從以下幾方面進行改進:

(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系,所以設計時將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，因此不需要設計EPCF程序。

(3)每一個 MG上只有一個終結點（電話機），MG和MGC記錄的終結點狀態(tài)和連接認為是同步的,因此呼叫控制器（MGC）不需要通過審計終結點命令查詢 MG特定終結點的狀態(tài)和檢查指定連接的各種信息，所以不需要設計AUEP和AUCX程序。

(4)在完成一對一呼叫的同時,協(xié)議中增加了擴音呼叫、群呼及全呼控制，增加了系統(tǒng)功能。

改進后的WMGCP協(xié)議棧既實現(xiàn)了MGCP協(xié)議的基本功能,又減少了設計上的復雜程度，同時由于上層協(xié)議(如UDP等)的設計相對獨立,對其影響也非常小。

3 WMGCP協(xié)議的設計

3.1 分層設計

WMGCP協(xié)議采用分層設計,與RFC2705中定義的分層結構略有不同[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，事務層和應用層API。它們在垂直方向上有明顯的上下層關系，實現(xiàn)自上而下的調(diào)用。分層結構如圖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)議端口默認值為2427/2727。

編、解碼層用于實現(xiàn)WMGCP消息的構建和解析。WMGCP消息的構建是指將事務層提供的WMGCP事務結構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事務結構，提供給WMGCP事務層。

事務層負責創(chuàng)建和取消事務,處理各種WMGCP命令和響應，維護事務狀態(tài)機。WMGCP協(xié)議是事務型協(xié)議，采用事務號來標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)議提供響應消息，通過響應消息的響應碼可以對收到的命令進行正確響應或者錯誤響應。

應用層API向WMGCP任務提供各種會話的控制API,用于完成摘機、應答、掛斷、保持等事件引發(fā)的MGCP處理。

3.2 狀態(tài)機

電話終端的狀態(tài)采用狀態(tài)機的方法實現(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)機的狀態(tài)。事件是指對電話產(chǎn)生的動作(如摘機、撥號、掛機等)；消息是指系統(tǒng)進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時發(fā)出的命令、請求、響應等信號。主叫與被叫分別維護各自的狀態(tài)機。

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，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，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，向 MGC報告，MGC向掛機方發(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，等其掛機后，將其狀態(tài)也置為空閑。如果被叫處于擴音狀態(tài)，主叫掛機，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，其采用哈佛體系結構、流水線技術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)絡芯片為DM9000，設置為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。

在 16 bit DSP中,文本數(shù)據(jù)存儲占用低 8 bit，高 8 bit補0，造成50%數(shù)據(jù)帶寬的浪費。本系統(tǒng)采用16 bit存儲方式，即每兩個文本數(shù)據(jù)合并成一個 16 bit數(shù)據(jù)，奇數(shù)字節(jié)放在高 8 bit，偶數(shù)字節(jié)放在低 8 bit，數(shù)據(jù)帶寬利用率接近100%。MGCP消息由很多信息段組合而成，這些信息段既有按照文本方式存儲,也有些按照16 bit字段方式存儲，MGCP消息的構建需要調(diào)用8 bit/16 bit轉(zhuǎn)換函數(shù)，最終生成的MGCP消息是由16 bit存儲的。

MGCP消息的解析采用 “懶漢”算法，即將收到的MGCP消息按照起始行、頭域和消息體等內(nèi)容拆開并分別存儲。在解析時對每部分內(nèi)容分別解析，獲取其中有用的信息。

4.2 WMGCP任務

在TMS320C5402 DSP上使用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)建立WMGCP任務。WMGCP任務通過接收操作系統(tǒng)消息調(diào)用相應WMGCP協(xié)議棧應用層API,包括：WMGCP_Register()用戶注冊消息；WMGCP_RSIP()重啟命令；WMGCP_RQNT()通知請求命令；WMGCP_NTFY()通知命令；WMGCP_CRCX()創(chuàng)建連接命令；WMGCP_MDCX()修改連接命令；WMGCP_DLCX()刪除連接命令；WMGCP_RESP()響應命令；WMGCP_UDPHandle()解析UDP上傳的MGCP消息；WMGCP_TimerHandle()負責協(xié)議棧計時處理。以上WMGCP協(xié)議棧應用層API由WMGCP任務消息觸發(fā)，WMGCP任務在完成某一函數(shù)調(diào)用后,通過OSQPend()等待新的消息到來。

4.3 實現(xiàn)尺寸

本文實現(xiàn)了應用于局域網(wǎng)VoIP的WMGCP協(xié)議棧，在TMS320C5402芯片上編譯的數(shù)據(jù)和代碼如表1所示。WMGCP協(xié)議的全部代碼在片外Flash中運行，所有數(shù)據(jù)在片外SRAM中運行，運行速度滿足要求。

表1 WMGCP協(xié)議棧所需數(shù)據(jù)代碼量

本文針對TMS320C5402的特點設計實現(xiàn)了運行于局域網(wǎng)VoIP的WMGCP協(xié)議棧，該WMGCP協(xié)議棧既能夠滿足基本呼叫功能，又能夠?qū)崿F(xiàn)群呼、全呼和擴音呼叫，實現(xiàn)了局域網(wǎng)VoIP電話通信系統(tǒng)的應用。實驗結果表明,本文設計實現(xiàn)的精簡MGCP協(xié)議棧具有良好的運行穩(wěn)定性。

[1]GOKULAKRISHNAN T， LEFFEW J，SHREINIVASAN S,et al.Standardizing call control in voice over internet appplications:A MGCP approach[C].Fourth IEEE International Caracas Conference on Devices:Circuits and Systems,Aruba,2002:91-111.

[2]Network working group.Media Gateway Control Protocol Version1.0 RFC2705[S],1999.

[3]GREENE N.Media gateway control protocol architecture and requirements[S].RFC2805,2000.

[4]Network working group.Megaco Protocol Version 1.0 RFC3015[S].2000.

[5]ANDREASEN F,FOSTER B.Media gateway control protocol version 1.0[S].RFC3435,2003.