混合网络间SIP协议的应用研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.35MB 60 页 15积分

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摘要

随着网络技术的迅猛发展，人们需要能够随时随地接入互联网进行相互通讯，

于是越来越多的终端设备有了接入网络的需要。但是对于如此庞大的网络地址空

间的需求，最初所设计的 IPv4 网络协议的地址空间容量完全无法满足这种需求，

因此后来科学家研究出了 IPv6 网络体系来应对这个难题。但是实际上在一种相对

老的技术逐渐被新的技术取代的过程中，最难的问题并不是如何进行新技术的研

究开发，而是如何用更经济节约的代价去实现新旧技术的完美的过渡。这样既能

降低企业的过渡成本，又能实现人类所拥有资源的最大效率的使用，避免产生不

必要的浪费。

下一代网络的另一个标准是 SIP 协议，在 VOIP 领域 SIP 协议技术因其易用性

和可扩展行好的特点，基本已经成为原先 H.323 协议技术的众望所归的取代技术。

然而当前主要的 SIP 协议的通信主要基于 IPv4 网络，而且大多数的 SIP 终端设备

以及通信服务器还没有开始兼容 IPv6 网络协议。同时由于 IPv4 网络协议与 IPv6

协议是两个相对独立不兼容的协议，因此即使新的设备开始支持 IPv6 协议后也只

能是实现 IPv6 网络内的通信，无法实现 SIP 终端之间直接进行 IPv4 网络与 IPv6

网络间的会话通信。况且当前世界上的大多数设备目前只支持 IPv4 协议。一个可

扩展性好，而且非常节约成本的解决方案就成为必要。

本文基于当前的这种需要，构建一种 SIP 通信桥接服务系统，来桥接终端在

混合网络之间的通信数据。通过对 SIP 协议和 IPv6 协议的研究，并且结合当前技

术发展的现状来给出这个解决方案。本文中对该方案的具体设计架构和实现思路

都进行了详细阐述，同时也给出了在实际应用中进行大规模部署的额外建议，是

一个比较完善的解决方案。

关键词：IPv6 SIP 通信桥接

ABSTRACT

With the rapid development of network technology, people need to be able to

communicate with each other anytime, anywhere on the Internet , so more and more

terminal equipment need to access the Internet. However, the initially designed IPv4

network protocol system do not have so great the address space capacity to satisfy the

such demand, scientists have researched IPv6 network system to deal with this problem.

Actually in the progress of a relatively old technology gradually replaced by the new

one, the most difficult problem is not how to conduct the research and development of

new technology, but how to find a perfect solution to realize the transition with less

expense .Only in this way we can not only control the cost of such transition in a

enterprise , but also to achieve maximum efficiency in the use of the human resources,

avoid unnecessary waste.

Another standard in Next-generation network standard is SIP protocol, because of

its ease of use and scalability, SIP protocol is generally replacing the original H.323

protocol in VOIP field .However, the most current SIP protocol communications is

based on the IPv4 network, and most of the SIP terminal equipment and

communications server has not yet compatible with the IPv6 network protocol.

Meanwhile the IPv4 network protocol and the IPv6 network protocol are relatively

independent and incompatible , even if the new equipment supports the IPv6 protocol

they can only communicate with each other within the IPv6 network , cannot directly

talk to other SIP endpoints in IPv4 network. Moreover, most of the equipment in the

world currently only supports IPv4 protocol. It is very necessary to find a scalable and

economic transition solution.

Based on such needs, after study practical application of the IPv6 network protocol

and SIP protocol, I have constructed a SIP communication bridge system to forward the

communication data of the terminals between heterogeneous networks. This paper

presents a low-cost and scalable transition solution, elaborates the whole architecture of

my design and implementation of ideas, and meanwhile gives a demo to show how to

deploy such solution in a large-scale network environment. so it is a good solution to

solves such problem.

Key Words：IPv4, IPv6, SIP

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

§1.1 研究的目的与意义 ......................................................................................... 1

§1.2 研究内容 ......................................................................................................... 2

§1.3 论文的组织结构 ............................................................................................. 3

第二章核心技术 ......................................................................................................... 5

§2.1 SIP 概述 ........................................................................................................... 5

§2.1.1 SIP 通信模型介绍 ................................................................................ 6

§2.1.2 混合网络中的 SIP 通信 ....................................................................... 7

§2.2 IPv6 概述 .......................................................................................................... 8

§2.2.1 IPv6 协议简介 ....................................................................................... 8

§2.2.2 IPv6 协议地址范围 ............................................................................. 10

§2.2.3 IPv6 协议与 IPv4 协议的区别 ........................................................... 10

§2.3 关于通信中的负载均衡 ............................................................................... 12

§2.3.1 通信负载的均衡技术 ........................................................................ 12

§2.3.2 负载均衡的主要应用 ......................................................................... 14

§2.4 本章小结 ....................................................................................................... 16

第三章 SIP 通信桥接服务系统设计与实现 ............................................................ 17

§3.1 引言 ............................................................................................................... 17

§3.2 SIP 通信桥接服务系统的设计 ..................................................................... 17

§3.3 环境的搭建 .................................................................................................... 18

§3.3.1 所需的设备以及关键配置 ................................................................ 18

§3.3.2 环境的实现 ........................................................................................ 19

§3.4 本章小结 ....................................................................................................... 21

第四章 SIP 协议通信模块的设计 ............................................................................ 22

§4.1 需求 ............................................................................................................... 22

§4.2 功能设计 ....................................................................................................... 22

§4.3 SIP 协议通信模块的具体实现 ..................................................................... 27

§4.3.1 B2BUA 框架的导入 ........................................................................... 27

§4.3.2 SIP 关键代码 ...................................................................................... 31

§4.4 本章小结 ....................................................................................................... 34

第五章 RTP 流转发模块的设计与实现 ................................................................... 35

§5.1 需求 ............................................................................................................... 35

§5.2 关于 RTP 协议和 RTCP 协议 ...................................................................... 35

§5.3 Gstreamer 多媒体框架 .................................................................................. 37

§5.4 RTP 流转发模块的设计与实现 .................................................................... 41

§5.5 本章小结 ....................................................................................................... 43

第六章其他模块设计以及运行效果 ....................................................................... 45

§6.1 负载均衡模块的设计 ................................................................................... 45

§6.2 核心控制模块的设计 ................................................................................... 47

§6.3 运行效果的演示 ........................................................................................... 49

§6.4 本章小结 ....................................................................................................... 51

第七章总结与展望 ................................................................................................... 53

§7.1 写作总结 ....................................................................................................... 53

§7.2 对下一步工作的展望 ................................................................................... 54

参考文献 ....................................................................................................................... 55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 57

致谢 .............................................................................................................................. 58

第一章绪论

§1.1 研究的目的与意义

随着科学技术的不断进步与发展，越来越多的设备有了接入互联网的需要。

最初互联网设计的时候没有充分意识到网络的发展会如此迅猛，因此设计 IP 地址

的第四代版本即 IPv4 的时候，只将地址的长度设计为 32 bit，也就是说 IPv4 的地

址容量总共为 2的32 次方。但是随着互联网用户数量的激增和物联网的发展,越来

越多的设备需要通过互联网连接起来，IPv4 协议已经远不能满足发展的需要。而

且在 2011 年元月，IANA 表示可供分配的 IPv4 地址空间已经耗尽。这种 IPv4 地

址紧张的已经到了必须面对的程度。

为了解决这一突出的问题，各国科学家都提出了一些不同的方案：

1) 网络地址转换（NAT）

NAT 是指在一个的机构的网络中，每台设备不需要申请单独全球的地址，而

是通过共享一小部分的全球地址的方式来解决全球通信的需要。网络内部的设备

只拥有与外部 Internet 无关的内部私有地址，当网络内部的设备之间需要相互通信

时只需要用私有地址就可以实现。而当内部网络的通信设备有与外部 Internet的通

信设备通信的需要时，需要向通向 Internet 的内部网关发出 NAT 请求，网关就会

将该设备的内部地址映射到网关上的一个端口，外部 Internet上的设备只需要将数

据包发给该网关的这个端口就可以与这个内部网络的设备进行通信。从而实现其

外部 Internet 通信的要求，实现 IPv4 地址的复用。一般一大型公司或机构比较倾

向于采用这种方案。

2) 动态共享拥有的 IPv4 地址

一般对电信运营商来说，接入网络的用户不是时时刻刻都有网络通信的需

要，因此运营商使用 IPv4 地址动态共享的方式为客户提供服务。当用户有互联网

接入需求时，运营商从自己申请的全球的地址池中则分配一个地址给客户供其使

用，满足其与 Internet 上设备通信的需求，而当其没有通信需要断开网络时，运营

商就会将该地址收回，重新放入地址池，以便提供给下一个有 Internet通信需求的

客户，从而实现其 IPv4 全球地址的复用。这样的话，没有必要根据接入网络客户

的数量来，申请对等的全球 IPv4 地址，运营成本就会大大降低。

3) IP 地址的扩展

混合网络间 SIP 协议的应用研究

IPv6 网络协议的方案将 IP 地址的长度由原先的 32 位增加为 128 位，也就是

说网络地址容量变成了 2的128 次方也就是说 IPv6 地址空间容量是原先 IPv4 地址

容量的 79228162514264337593543950336 倍，如此庞大的地址空间已经完全能够

胜任当前设备接入 Internet的需要。IPv6的解决方案据说“能够让地球上的每一粒

沙子都拥有一个唯一的全球 IP 地址”[1]，方便当前的各种应用。

但事实以上的两种解决方案只能暂时缓解 IPv4 地址枯竭的趋势，但无法从根

本上解决 IPv4 协议的弊端，因此如果想从根本上解决这个问题，就需要能够重新

采用新的网络地址格式。因此 APNIC 重申，“IPv6 是应对 Internet 持续增长的唯

一手段” [2]。

当前世界各国都开始了 IPv6实验网络的建设，从 2003年开始美国的一些科技

巨头就提出了建设北美最大的 IPv6 网络 “Moon v6”，之后不断有美国一些国家

实验室，美国国防部加入，并为该网络提供技术和资金的支持。而日本基本在

1997 年就有运营商开始 IPv6 试验网络的建设，在 2000 年已经能够给欧洲提供高

质量的 IPv6 商用网[3]。在 IPv4 的时代，网络的发展几乎完全是由美国主导，其他

各国特别是我国处于一种非常落后的状态。因此在 IPv6 实验网的建设上我国也开

始不遗余力，不断在上面加大投入，加速 IPv6 网络的研究与建设。2003 我国就开

始了下一代互联网示范工程(CNGI)的建设，开展了大规模的相关研究，目前已经

建设完毕 6个核心骨干网和 2个国际互联交换中心,申请了多项技术专利，提出了

多个国际标准草案。我国的 IPv6 骨干网现在已经成为世界上最大的 IPv6 实验网之

一[4]。

但是 IPv6 的一个问题是其无法与当前广泛采用的 IPv4网络直接互通，因此接

入IPv6 必须耗费巨资重新购买大量的新型设备，这对于世界各国来讲，都不太现

实。

§1.2 研究内容

当前世界上的主体网络还是 IPv4网络，而 IPv6 网络的部署又是大势所趋。因

此对于如何让 IPv4 网络与 IPv6网络互联互通，已经是一个非常突出的问题。当前

已经有许多不同的解决方案，但是大多成本较高，而且会很大程度上影响当前已

有的网络体系，对商业应用来说不是很合适。

本课题旨在提出针对 VOIP 领域 SIP通信应用来讲更加成本低廉的一种解决方

案。通过构建一套拥有 IPv4/IPv6 双栈网络的 SIP 桥接服务系统，以实现 SIP 通信

在IPv4 与IPv6 之间的互通。处在纯 IPv4 网络与纯 IPv6 网络的通信双方不需要改

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摘要随着网络技术的迅猛发展，人们需要能够随时随地接入互联网进行相互通讯，于是越来越多的终端设备有了接入网络的需要。但是对于如此庞大的网络地址空间的需求，最初所设计的IPv4网络协议的地址空间容量完全无法满足这种需求，因此后来科学家研究出了IPv6网络体系来应对这个难题。但是实际上在一种相对老的技术逐渐被新的技术取代的过程中，最难的问题并不是如何进行新技术的研究开发，而是如何用更经济节约的代价去实现新旧技术的完美的过渡。这样既能降低企业的过渡成本，又能实现人类所拥有资源的最大效率的使用，避免产生不必要的浪费。下一代网络的另一个标准是SIP协议，在VOIP领域SIP协议技术因其易用性和可扩展行好的...

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