基于SIP會(huì)話(huà)的RTP話(huà)音識(shí)別及壓縮設(shè)計(jì)

賀翔，張問(wèn)謙

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

衛(wèi)星通信鏈路由于其傳輸距離遠(yuǎn)、頻譜資源珍貴等特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中往往作為跨區(qū)域主干鏈路傳輸高價(jià)值數(shù)據(jù)[1]。VoIP話(huà)音作為一種關(guān)鍵業(yè)務(wù)通常被同時(shí)多路使用。

VoIP話(huà)音業(yè)務(wù)一般采用RTP協(xié)議承載話(huà)音數(shù)據(jù)，其包頭字段之間存在很大的冗余度，傳輸開(kāi)銷(xiāo)較大，多路業(yè)務(wù)并發(fā)時(shí)效率極其低下。壓縮后傳輸能夠顯著地節(jié)約系統(tǒng)帶寬，提高業(yè)務(wù)并發(fā)數(shù)量，但RTP協(xié)議流媒體的識(shí)別有一定難度。業(yè)內(nèi)常用的識(shí)別算法通?；赗TP協(xié)議的多種特征，根據(jù)上下文進(jìn)行會(huì)話(huà)匹配，但存在一定的漏報(bào)率和誤報(bào)率[2]，而誤報(bào)會(huì)造成數(shù)據(jù)損壞，產(chǎn)生較為惡劣的影響。

經(jīng)分析，VoIP話(huà)音在會(huì)話(huà)建立和維持方面，通常采用H.323或SIP協(xié)議。由于H.323協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜而嚴(yán)格，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中多采用靈活易擴(kuò)展的SIP協(xié)議。

本文闡述了當(dāng)前識(shí)別RTP流存在的困難，并分析RTP協(xié)議和傳輸具有的特征，在這個(gè)基礎(chǔ)上針對(duì)SIP會(huì)話(huà)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)出一種快速RTP識(shí)別方法，并在保證穩(wěn)健性的前提下，采用ROHC包頭壓縮技術(shù)壓縮傳輸，極大地提高了衛(wèi)星信道資源利用率。

1 RTP特征識(shí)別

RTP協(xié)議作為應(yīng)用層協(xié)議，其傳輸層可用TCP或UDP協(xié)議。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)際情況中，由于UDP協(xié)議簡(jiǎn)單，無(wú)需握手確認(rèn)等特點(diǎn)，RTP協(xié)議通常采用UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議，即采用IP/UDP/RTP分組。

RTP報(bào)文用于傳輸多媒體數(shù)據(jù)，由RTP報(bào)頭和數(shù)據(jù)兩部分組成，對(duì)RTP的識(shí)別主要是對(duì)RTP首部的識(shí)別。RTP首部及數(shù)據(jù)格式定義如下：

圖1 RTP協(xié)議格式定義

在RTP首部中，前12字節(jié)是固定的，而且是必須的。下面主要介紹前12字節(jié)的含義。

1.V：指示RTP協(xié)議的版本號(hào)，2bit，目前為0b10；

2.P：填充標(biāo)志，指示報(bào)文尾部是否填充額外信息；

3.X：擴(kuò)展標(biāo)記，指示是否有RTP頭擴(kuò)展；

4.CC：CSRC計(jì)數(shù)器；指示 CSRC的個(gè)數(shù)（0-15）；

5.M：與載荷有關(guān)的標(biāo)記信息；

6.PT：載荷類(lèi)型；

7.Sequence number：RTP報(bào)文序列號(hào)，每次加1；

8.timestamp：時(shí)間戳，用于同步控制；

9.SSRC：同步信源標(biāo)示符，用于標(biāo)識(shí)同步信源（一次會(huì)話(huà)一個(gè)值）；

10.CSRC：特約信源標(biāo)識(shí)符，標(biāo)識(shí)了包含在該RTP報(bào)文的所有特約信源；

11.內(nèi)容：這里存放載荷數(shù)據(jù)。

識(shí)別RTP協(xié)議的過(guò)程即是根據(jù)RTP協(xié)議的特點(diǎn)把RTP數(shù)據(jù)識(shí)別出來(lái)，上述可見(jiàn)，RTP協(xié)議包可以總結(jié)為一下特征：

1.總長(zhǎng)度不少于12字節(jié)；

2.首字節(jié)最高兩個(gè)比特為0b10；

3.CC字段為0-15，且CC*4+12應(yīng)大于總長(zhǎng)度；

4.Sequence number每次加1

5.timestamp為遞增關(guān)系；

6.SSRC每次會(huì)話(huà)中不變。

業(yè)內(nèi)常用的識(shí)別算法通?；谏鲜鲂畔⒅付?，其中Sequence number、timestamp和SSRC的判定需要結(jié)合上下文考慮，檢測(cè)會(huì)消耗較多資源，且仍存在漏報(bào)或誤報(bào)的可能[3]。本方法不采用這三個(gè)特征，在沿用前3個(gè)特征的基礎(chǔ)上，增加IP地址和UDP端口號(hào)作為精確的識(shí)別特征，以此可以進(jìn)行精確判斷。由于RTP采用的UDP端口號(hào)是動(dòng)態(tài)的，故增加SIP會(huì)話(huà)識(shí)別的方法進(jìn)行確定。

2 SIP特征識(shí)別

SIP協(xié)議是一種在IP網(wǎng)絡(luò)中建立、修改和終止多媒體會(huì)話(huà)的應(yīng)用層協(xié)議，一般采用5060號(hào)端口，識(shí)別后可用于判斷一個(gè)VoIP會(huì)話(huà)的開(kāi)始和結(jié)束，從而用來(lái)得到一次會(huì)話(huà)的相關(guān)信息，如源/目的IP地址及端口號(hào)等[4]。

SIP 請(qǐng)求消息分為：INVITE、ACK、OPTIONS、BYE、CANCEL、REGISTER和INFO等；SIP響應(yīng)消息使用響應(yīng)狀態(tài)碼標(biāo)識(shí)。下面描述下識(shí)別會(huì)話(huà)相關(guān)的消息：

1.INVITE：用于邀請(qǐng)對(duì)方加入會(huì)話(huà)，標(biāo)識(shí)著一個(gè)會(huì)話(huà)的開(kāi)始；

2.BYE：釋放呼叫，標(biāo)識(shí)著一個(gè)會(huì)話(huà)的結(jié)束；

3.CANCEL：取消一個(gè)進(jìn)行中的請(qǐng)求，通常標(biāo)識(shí)著呼叫的取消；

4.SIP/2.0 200 OK：標(biāo)識(shí)著一個(gè)請(qǐng)求消息已經(jīng)被正確的理解和執(zhí)行，在后續(xù)協(xié)議串中會(huì)包含執(zhí)行的內(nèi)容，如標(biāo)識(shí)INVITE或BYE的成功執(zhí)行。

值得注意的是：在INVITE及其應(yīng)答消息中，具備本次通話(huà)約定的相關(guān)描述。例如RTP采用的音頻傳輸端口號(hào)描述為：

m=audio 10010 RTP/AVP 111 110 0 8 101

表示音頻傳輸采用10010端口。

需要收集的信息包括RTP端口號(hào)、源IP地址、目的IP地址。

該方法利用上述信息建立和釋放RTP會(huì)話(huà)，該方法可以取得很高的識(shí)別精度。

3 壓縮設(shè)計(jì)

一個(gè)典型的VoIP話(huà)音數(shù)據(jù)包采用IP/UDP/RTP分組結(jié)構(gòu)，報(bào)頭的總開(kāi)銷(xiāo)包括：IP（20字節(jié)）+UDP（8字節(jié)）+RTP頭（12字節(jié)）=40字節(jié)，而有效負(fù)載通常只有幾十字節(jié)。為避免帶寬浪費(fèi)，需要對(duì)報(bào)頭進(jìn)行壓縮。

ROHC是IETF專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線(xiàn)鏈路的特點(diǎn)而提出的穩(wěn)健報(bào)頭壓縮技術(shù)，可通過(guò)選擇profile的形式針對(duì)IP、UDP、RTP進(jìn)行壓縮。其功能實(shí)體分為兩個(gè)部分：壓縮端和解壓縮端[5]。當(dāng)壓縮端收到一個(gè)IP分組時(shí)，首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，采集報(bào)頭信息存入上下文中，同時(shí)將該信息傳送給解壓端，解壓縮端接收到后，解壓縮出報(bào)頭信息并存入上下文[6-7]。雙方建立好上下文后開(kāi)始進(jìn)行壓縮傳輸。

ROHC協(xié)議在協(xié)議棧中的位置處于鏈路層和IP層之間，對(duì)每個(gè)分組流都分配一個(gè)唯一的上下文標(biāo)識(shí)（CID）用于唯一識(shí)別，去掉了冗長(zhǎng)的IP報(bào)頭和UDP報(bào)頭，換成了簡(jiǎn)短的多的ROHC壓縮報(bào)頭。

ROHC可工作在無(wú)反饋信道（U模式）、弱反饋信道（O模式）、強(qiáng)反饋信道（R模式）三種模式，基于衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)鏈路反饋時(shí)間長(zhǎng)、信道資源緊張的特點(diǎn)，適合采用U模式。壓縮方采用樂(lè)觀逼近和周期性則進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。該模式下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

圖2 U模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

U模式下初始進(jìn)入IR（初始化）狀態(tài)，在發(fā)送N包后自動(dòng)切換為FO（復(fù)位有序）狀態(tài)，進(jìn)而在發(fā)送一段N包后，切換到SO（完全有序）狀態(tài)，在用戶(hù)定時(shí)周期到后切換回IR狀態(tài)。在U模式下不采用反饋信道，包只沿著一個(gè)方向傳輸，即從壓縮端到解壓縮端，雖然壓縮率相對(duì)O模式和R模式較低，但應(yīng)用在不可靠的衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)鏈路環(huán)境下，可有效避免可能的反復(fù)確認(rèn)，鑒于話(huà)音通信的特點(diǎn)，在合理調(diào)整回退周期時(shí)間后，基本不影響話(huà)音通信質(zhì)量。

4 整體流程

使用上述方案合理配合以形成完整的RTP話(huà)音識(shí)別、壓縮、傳輸流程。具體流程如下：

1.接收到UDP包；

2.判斷是否是SIP端口（5060）發(fā)來(lái)消息，若不是進(jìn)入第9步；

3.判斷是否是INVITE消息或其應(yīng)答，若不是進(jìn)入第6步；

4.判斷會(huì)話(huà)記錄總條數(shù)是否滿(mǎn)，若滿(mǎn)則替代最舊那條記錄，否則增加一條會(huì)話(huà)記錄；

5.傳送該包，流程結(jié)束；

6.若SIP端口接收到的是CANCEL、BYE消息或其應(yīng)答，解析得到會(huì)話(huà)數(shù)據(jù)；

7.在會(huì)話(huà)列表中刪除該條記錄；

8.跳轉(zhuǎn)到第5步；

9.接收到非SIP端口UDP數(shù)據(jù)，判斷是否符合上述RTP特征，若不符合跳轉(zhuǎn)到第5步；

10.檢查會(huì)話(huà)列表中是否有符合的會(huì)話(huà)，若未找到，跳轉(zhuǎn)到第5步；

11.送IP包給ROHC壓縮器進(jìn)行壓縮；

12.跳轉(zhuǎn)到第5步。

在接收方，接收到正常IP數(shù)據(jù)包不做處理，直接轉(zhuǎn)發(fā)；接收到ROHC數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行解壓縮處理，然后轉(zhuǎn)發(fā)。如出現(xiàn)無(wú)線(xiàn)鏈路不可靠造成的上下文丟失，則該包丟棄，直到下一個(gè)周期來(lái)到，重建上下文。

圖3 RTP識(shí)別、壓縮、傳輸流程

5 結(jié)語(yǔ)

基于SIP會(huì)話(huà)的RTP話(huà)音識(shí)別及壓縮方法在寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中得到了很好的應(yīng)用，有效解決了空中傳輸VoIP話(huà)音資源占用過(guò)多問(wèn)題，顯著提高了有限帶寬條件下話(huà)音接入數(shù)量。隨著我國(guó)海洋運(yùn)輸、海域管理的蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星VoIP會(huì)話(huà)業(yè)務(wù)需求不斷增長(zhǎng)，衛(wèi)星終端的成本逐漸降低，該方式應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。同時(shí)也可以推廣到其他類(lèi)型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中使用。