IP語音報頭壓縮設(shè)計與實現(xiàn)

曹彥軍，張 明，馬獻(xiàn)武

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國電子進(jìn)出口總公司，北京100036)

0 引言

VoIP采用包交換技術(shù)提供話音通信服務(wù)，話音經(jīng)采樣編碼后被分割成話音分組，每段話音分組加上協(xié)議報頭后通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸。協(xié)議報頭占用的帶寬稱為報頭開銷。為了保證話音質(zhì)量，話音分組的長度不能太大，所以報頭所占的比例相對較大，報頭開銷也比較大，造成傳輸VoIP話音要占用較多的帶寬資源[1]。

在局域網(wǎng)環(huán)境中，VoIP報頭開銷雖然占用較多傳輸資源，但由于網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬高，對網(wǎng)絡(luò)傳輸能力影響不明顯。而在廣域網(wǎng)中，傳輸帶寬資源較少，報頭開銷問題凸顯出來，因此，減少協(xié)議報頭的長度，對提高話音傳輸效率至關(guān)重要。在分析VoIP協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了采用復(fù)用技術(shù)傳輸IP話音的方法，即多路話音共用一個協(xié)議報頭，能夠大幅減少VoIP的報頭開銷。

1 VoIP話音帶寬

VoIP話音占用的傳輸帶寬與編碼方式、傳輸協(xié)議以及話音凈荷大小有關(guān)，目前VoIP采用的編碼方式主要有G.711和G.729，傳輸協(xié)議一般都采用RTP，話音凈荷大小決定了VoIP的發(fā)包間隔，為了保證話音質(zhì)量，通常采用20 ms的發(fā)包間隔，包頻為50 pps[2]。

VoIP報文包括二層報頭(以太網(wǎng))、IP報頭、UDP報頭、RTP報頭和話音凈荷，各段長度如下:

① 以太網(wǎng)幀頭:非VLAN Tag幀頭長26 byte[3];

② IP報頭:非擴展IP頭長20 byte[4];

③ UDP報頭:非擴展UDP頭長8 byte[5];

④ RTP 報頭:12 byte[6];

⑤話音凈荷:50 pps包頻情況下，G.711編碼凈 荷 長 度 160 byte[7];G.729 編 碼 凈 荷 長度20 byte[8]。

根據(jù)以上條件，G.711編碼情況下，一個VoIP話音分組報頭長度66 byte，話音凈荷長度160 byte，總長度226 byte，包頻為50 pps，所需要傳輸帶寬為:226 byte×8 bit×50 pps=90.4 kbps。

G.729編碼情況下，一個VoIP話音分組報頭長度66 byte，話音凈荷長度20 byte，總長度86 byte，包頻為50 pps，所需要傳輸帶寬為:86 byte×8 bit×50 pps=34.4 kbps。

可見，對于64 kbps的G.711話音，需要占用90.4 kbps的帶寬;8 kbps的G.729話音，需要占用34.4 kbps的帶寬。2種編碼條件下報頭開銷是相同的，均為26.4 kbps。

2 VoIP報頭壓縮原理

通過少傳報頭信息可減少VoIP報頭開銷，最簡單的辦法是增加話音凈荷的長度，減少報頭所占的比例。對于單路話音，由于話音編碼輸出速率是一定的，增加凈荷長度意味著話音分組要等待更長的時間來裝載凈荷，從而降低發(fā)包頻率，這將會增加話音的傳輸時延，造成話音質(zhì)量下降，因此，簡單地增加凈荷長度是不可取的。

RFC2508提出了基于上下文關(guān)系的報頭壓縮算法，其原理是只傳輸?shù)谝粋€話音分組完整的IP/UDP/RTP報頭，后續(xù)的分組只傳輸報頭的變化部分，可將40 byte的 IP/UDP/RTP報頭壓縮至2～4 byte[9]。RFC2508只能對3層以上的包頭進(jìn)行壓縮，并且壓縮后的報文不是標(biāo)準(zhǔn)的IP/UDP報文，在使用上受到一些限制。

為了提高系統(tǒng)的適用性，壓縮后的報文還應(yīng)采用IP/UDP協(xié)議，可考慮利用一個報頭承載多路話音。其原理是將多路VoIP話音分組的頭部去掉，增加連接標(biāo)識后組成多路復(fù)用話音分組，封裝成新的UDP報文發(fā)送出去。接收端按照連接標(biāo)識解復(fù)用，將每路話音重新封裝成VoIP話音分組。多路復(fù)用話音分組的凈荷長度根據(jù)話音路數(shù)的多少而變化，保持發(fā)包頻率保持不變，從而不會增加時延。

以上復(fù)用過程中，發(fā)送端去掉了VoIP報頭，接收端重新加上報頭，那么報頭中的信息如何恢復(fù)呢，通過對VoIP業(yè)務(wù)流的分析，同一話音流不同分組的報頭除了RTP報頭的序列號和時間戳字段變化外，其余部分都是相同的，也就是說屬于同一會話的VoIP話音流里有大量的重復(fù)報頭，因此可以在會話發(fā)起時將報頭的信息發(fā)送到對端，以后不再傳輸報頭，接收端用初始的信息恢復(fù)報頭。

3 設(shè)計實現(xiàn)

IP語音報頭壓縮通過專門設(shè)備實現(xiàn)，主要應(yīng)用于承載多路話音的線路上，報頭壓縮設(shè)備成對使用，其工作原理是源端設(shè)備提取線路上的VoIP話音流，進(jìn)行報文頭壓縮后將復(fù)用分組發(fā)送給目的端設(shè)備，目的端設(shè)備還原原來的VoIP分組，發(fā)給接收的話音終端，如圖1所示。

圖1 VoIP報頭壓縮設(shè)備應(yīng)用示意

3.1 話音報文

采用多路復(fù)用技術(shù)在一個UDP包里傳輸多路話音，每路話音分組包括連接標(biāo)識、長度、序列號、時間戳和話音凈荷，報文格式如圖2所示。

圖2 話音報文格式

標(biāo)識為1 byte，指示話音分組屬于哪一個連接;長度為1 byte，指示話音分組的長度，以字節(jié)形式表示;序列號為2 byte，指示原話音分組中的序列號;時間戳為4 byte，指示原話音分組中的時間戳;話音凈荷指示原話音分組的凈荷。

3.2 信令報文

為了指示每路話音在復(fù)用分組中的連接標(biāo)識以及傳送話音分組的報頭信息，報頭壓縮設(shè)備在收到第一個VoIP分組時，將向?qū)Χ嗽O(shè)備發(fā)送一個信令報文，報文采用TCP協(xié)議發(fā)送，信令報文內(nèi)容如下:

①標(biāo)識:1 byte，指示對應(yīng)的話音連接標(biāo)識;

②類型:1 byte，指示話音采用的編碼方式;

③二層報頭信息:12 byte，源/目的MAC地址字段;

④IP層報頭信息:10 byte，業(yè)務(wù)類型、生存時間和源/目的IP地址字段;

⑤UDP報頭信息:4 byte，源/目的端口號字段;

⑥RTP報頭信息:6 byte，除序列號和時間戳的其他RTP報頭字段。

對于UDP層以下的報頭信息，報頭壓縮設(shè)備只將關(guān)鍵的地址字段以及IP報頭中的業(yè)務(wù)類型和生存時間字段發(fā)送給對端，其他字段由對端設(shè)備自行產(chǎn)生。RTP報頭傳送指示字段和同步源標(biāo)識符(SSRC)字段，由于每個話音分組的序列號和時間戳不同[10]，所以不能通過信令方式一次性傳輸，必須跟隨話音業(yè)務(wù)分組一同傳輸。

3.3 報頭信息表

發(fā)端和收端設(shè)備維護(hù)一個相同的報頭信息表，用于指示復(fù)用分組中話音和報頭信息的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 報頭信息表

發(fā)送端設(shè)備根據(jù)收到的VoIP話音更新報頭信息表。當(dāng)收到新的話音時，為該話音分配一個連接標(biāo)識，加入到復(fù)用分組中，同時在報頭信息表中增加一個記錄，以后再收到屬于該連接的話音時，按照分配好的連接標(biāo)識傳輸。當(dāng)檢測到通話結(jié)束或長時間沒有收到該路話音分組時，刪除報頭信息表中的該項記錄，釋放連接標(biāo)識。

接收端設(shè)備根據(jù)信令報文更新報頭信息表，當(dāng)收到一個信令報文后，檢查報頭信息表中是否有該路話音的記錄，如果沒有則增加一個記錄，如果有則用新的報頭信息更新該記錄。

3.4 軟件設(shè)計

IP語音報頭壓縮設(shè)備軟件開發(fā)基于Vx Works操作系統(tǒng)平臺，利用操作系統(tǒng)提供的各種功能來完成軟件中各個模塊之間的同步、協(xié)調(diào)和通信，共同實現(xiàn)軟件功能。IP語音報頭壓縮設(shè)備軟件主要包括:IP適配軟件、信令處理軟件、語音處理軟件和RTP協(xié)議處理軟件，軟件組成如圖3所示。

3.4.1 IP適配軟件

IP適配軟件主要實現(xiàn)IP層協(xié)議的適配與解適配，報頭壓縮設(shè)備從底層以太網(wǎng)驅(qū)動程序接收IP數(shù)據(jù)，經(jīng)過IP協(xié)議解析發(fā)送給RTP協(xié)議處理軟件，從RTP協(xié)議處理軟件接收話音數(shù)據(jù)，封裝成IP數(shù)據(jù)，經(jīng)以太網(wǎng)驅(qū)動程序發(fā)送到對端設(shè)備。

IP適配軟件根據(jù)收到的VoIP報文情況向信令處理軟件發(fā)送信息，控制報頭信息表的建立和維護(hù)。

圖3 IP語音報頭壓縮設(shè)備軟件組成

3.4.2 信令處理軟件

信令處理軟件根據(jù)IP適配軟件發(fā)送的建立消息，增加報頭信息表條目，根據(jù)通話結(jié)束消息或定時器超時消息，刪除報頭信息表條目。同時將報頭信息表變化情況發(fā)送到對端語音壓縮設(shè)備，同步對端的報頭信息表。信令處理軟件收到對端語音壓縮設(shè)備的響應(yīng)信息后，此次更改生效。

3.4.3 語音處理軟件

在發(fā)送端，語音處理軟件根據(jù)報頭信息表，完成多路話音數(shù)據(jù)的復(fù)用，發(fā)送到對端報頭壓縮設(shè)備，在接收端，話音處理軟件接收到發(fā)送端語音壓縮設(shè)備的IP數(shù)據(jù)，根據(jù)報頭信息表依次解析全部話路的語音數(shù)據(jù)包，將還原后的話音數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的終端設(shè)備。

3.4.4 RTP協(xié)議處理軟件

RTP協(xié)議處理軟件實現(xiàn)RTP協(xié)議功能，完成話音數(shù)據(jù)的同步，保證話音包數(shù)據(jù)處理順序與實時性。

4 壓縮效率分析

基于多路復(fù)用的IP語音報頭壓縮技術(shù)，其壓縮效率與傳輸?shù)脑捯袈窋?shù)有關(guān)，一個報文里承載的話音路數(shù)越多，壓縮效率越高。壓縮后話音報文的報頭開銷為54 byte，每路話音分組增加8 byte的開銷，按照50 pps的包頻計算，當(dāng)采用G.729編碼時，n路數(shù)據(jù)占用的傳輸帶寬為:

W=(54+28n)×50 ×8，n≥1。

如果有30路G.729話音同時傳輸，根據(jù)上面公式計算占用的總帶寬為357.6 kbps，平均每路話音占用 11.92 kbps，相對于不進(jìn)行壓縮(34.4 kbps)，大大節(jié)省了傳輸資源。

5 結(jié)束語

IP語音報頭壓縮技術(shù)采用多路話音共用1個UDP/IP報頭的方式，不破壞RTP協(xié)議端到端透明性，處理時延短，不影響話音業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，大幅減少了報頭占用的傳輸帶寬，能夠有效提高話音業(yè)務(wù)的傳輸效率。IP語音報頭壓縮技術(shù)只針對報頭壓縮，不改變話音凈荷內(nèi)容，適用于各種編碼方式，還可以結(jié)合話音壓縮編碼技術(shù)，針對PCM等高碼速率編碼的話音凈荷進(jìn)行壓縮[10]，進(jìn)一步降低話音業(yè)務(wù)占用的傳輸帶寬。在工程應(yīng)用中，報頭壓縮設(shè)備可串接在網(wǎng)絡(luò)中，對話音業(yè)務(wù)進(jìn)行報頭壓縮，其他非話音業(yè)務(wù)直接轉(zhuǎn)發(fā)，也可以通過專門的分流設(shè)備分離話音業(yè)務(wù)流，由壓縮設(shè)備處理后傳輸?shù)綄Χ恕?/p>

[1]DAVIDSON Jonathan，F(xiàn)OX Tina.部署 VoIP 解決方案[M].凡璇，譯.北京:人民郵電出版社，2003:85 －103.

[2]COLLINSDaniel.VoIP 技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2003:76－98.

[3]沈鑫剡.交換式以太網(wǎng)原理、技術(shù)及實現(xiàn)[M].北京:人民郵電出版社，1999:126－187.

[4]RFC791.Internet Protocol[S].

[5]RFC768.User Datagram Protocol[S].

[6]RFC1890.RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control[S].

[7]ITU-T.Pulse Code Modulation(PCM)of Voice Frequencies，Recommendation G.711[S].

[8]ITU-T.Coding of Speech at 8kbit/s Using Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear Prediction(CSACELP)，Recommendation G.711[S].

[9]RFC2508.Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low-Speed Serial Links[S].

[10]RFC3550.A Transport Protocol for Real-Time Applications[S].