致 從Skype看VOIP的技術(shù)優(yōu)勢

Skype與 P2P

　　所謂P2P（Peer to Peer），其最本質(zhì)的含義即“對(duì)等”，該技術(shù)最早是用于網(wǎng)絡(luò)中對(duì)等節(jié)點(diǎn)之間的資源和信息共享的技術(shù)，通常人們所知道的是將P2P技術(shù)用在文件下載過程中，即網(wǎng)絡(luò)上的對(duì)等終端在下載共享文件的同時(shí)又作為一個(gè)“種子”為其他對(duì)等終端提供資源和信息。后來，Skype在網(wǎng)絡(luò)通話業(yè)務(wù)系統(tǒng)中靈活應(yīng)用了該技術(shù)。由于沖擊了傳統(tǒng)通信領(lǐng)域，Skype在引起很多爭議的同時(shí)也使人耳目一新，可以說，Skype是發(fā)展和演進(jìn)了的P2P應(yīng)用。目前對(duì)于P2P技術(shù)還沒有規(guī)范的定義，結(jié)合其已有的應(yīng)用，就更廣泛的意義而言， P2P技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都動(dòng)態(tài)參與到路由、信息處理和帶寬增強(qiáng)等工作中，而不是單純依靠服務(wù)器來完成這些工作。

　　Skype是P2P技術(shù)演進(jìn)到混合模式后的典型應(yīng)用，它結(jié)合了集中式和分布式的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)采用集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而在超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間采用分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，混合模式的P2P網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。


　　從網(wǎng)絡(luò)模型來看，這種混合模式的P2P是經(jīng)過多年的發(fā)展和演進(jìn)而來的，嚴(yán)格講，這已經(jīng)不是純粹的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)了，只能稱做發(fā)展了的P2P。下面就介紹一下采用混合模式P2P網(wǎng)絡(luò)模型的Skype的通信原理。

Skype的通信原理

　　1. Skype網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　與常規(guī)的電信業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)不同的是，Skype的網(wǎng)絡(luò)中除了注冊(cè)服務(wù)器，沒有其他任何集中的服務(wù)器，只是將用戶節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和超級(jí)節(jié)點(diǎn)。Skype的系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。


　　注冊(cè)服務(wù)器是Skype惟一需要維護(hù)的設(shè)備，它負(fù)責(zé)完成客戶端的注冊(cè)，存儲(chǔ)并管理用戶名和密碼信息，當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，對(duì)用戶進(jìn)行身份認(rèn)證。注冊(cè)服務(wù)器還需要檢驗(yàn)并保證用戶名的全球惟一性。

　　普通節(jié)點(diǎn)即普通主機(jī)終端，只需要下載了Skype的應(yīng)用，就具有提供語音呼叫和文本消息傳送的能力。

　　超級(jí)節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是滿足某些要求的普通節(jié)點(diǎn)，這些要求包括：具有公網(wǎng)地址、具有足夠的CPU、存儲(chǔ)空間足夠大、具有足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬。也就是說，任何符合條件的主機(jī)終端都可以成為超級(jí)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然前提是加載了Skype應(yīng)用。

　　2. 通信流程

　　Skype的通信流程分為：啟動(dòng)、注冊(cè)（認(rèn)證）、查找用戶、呼叫和釋放的過程。其中注冊(cè)流程只是在用戶初次安裝了Skype的客戶端軟件后進(jìn)行注冊(cè)，后期使用的過程中該步驟就變成認(rèn)證過程。

　　（1）啟動(dòng)流程

　　Skype的用戶終端啟動(dòng)時(shí)，采用HTTP協(xié)議連接到注冊(cè)服務(wù)器，用戶初次安裝的啟動(dòng)流程中攜帶“installed”的參數(shù)，使用時(shí)啟動(dòng)流程則在消息中攜帶“getlatestversion”參數(shù)，具體流程分別見圖3和圖4。





（2）注冊(cè)（認(rèn)證）流程

　　注冊(cè)（認(rèn)證）流程可能是Skype所有流程中最復(fù)雜的一個(gè)，用戶啟動(dòng)Skype后，首先需要連接到超級(jí)節(jié)點(diǎn)，通過超級(jí)節(jié)點(diǎn)向注冊(cè)服務(wù)器發(fā)送身份認(rèn)證信息，注冊(cè)服務(wù)器驗(yàn)證用戶名和密碼的合法性，然后向其他對(duì)等節(jié)點(diǎn)及其好友發(fā)送在線信息，同時(shí)還需要判斷該終端所在私網(wǎng)的NAT和防火墻類型。如果該終端先前默認(rèn)的超級(jí)節(jié)點(diǎn)已不可用，則還要查找具有公網(wǎng)地址的Skype節(jié)點(diǎn)來作為該終端的超級(jí)節(jié)點(diǎn)，從而維持該終端與Skype網(wǎng)絡(luò)的連接。

　　一旦超級(jí)節(jié)點(diǎn)都不可用，Skype的客戶端采用了盡力而為的方式進(jìn)行注冊(cè)，即先用UDP包試注冊(cè)，不成功超時(shí)則用TCP（80端口），再不成功則用TCP（443端口）。通常為防止其超級(jí)節(jié)點(diǎn)不可用，客戶端必須建立一個(gè)可選連接節(jié)點(diǎn)列表，并定期維護(hù)該列表。

　　對(duì)于該流程通常會(huì)產(chǎn)生下面幾點(diǎn)疑問：

• 初次登錄時(shí)如何連接到超級(jí)節(jié)點(diǎn)？
  
  　　我們發(fā)現(xiàn)，用戶初次安裝了Skype客戶端軟件后，該客戶端的主機(jī)緩存中就已經(jīng)初始化了一個(gè)包含至少7個(gè)IP地址和端口組的列表，這些地址和端口組所代表的便是初始的超級(jí)節(jié)點(diǎn)。
  
  
• 如何向好友發(fā)送在線信息？
  
  　　由于Skype采用路由緩存機(jī)制，即用戶查找其好友的過程中會(huì)在中間的超級(jí)節(jié)點(diǎn)緩存其路由信息（緩存72小時(shí)），因此用戶登錄后，其狀態(tài)信息可以通過其超級(jí)節(jié)點(diǎn)通知到好友終端，并將好友的狀態(tài)返回給用戶。一旦緩存超時(shí)，需要通過其他超級(jí)節(jié)點(diǎn)查找用戶路由，這充分體現(xiàn)了Skype的用戶路由信息動(dòng)態(tài)分布式存儲(chǔ)的特點(diǎn)。
  
  
  
• 如何判斷NAT和防火墻類型？
  
  　　客戶端軟件采用各種STUN協(xié)議與超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間交換信息，從而判斷終端所處私網(wǎng)的NAT和防火墻類型，客戶端軟件還采用定期刷新機(jī)制來保證任何時(shí)候都能穿越NAT和防火墻。

（3）查找用戶

　　Skype采用了一種稱做全球索引（Global Index）的技術(shù)來查找用戶，該技術(shù)結(jié)合前面所述的分層網(wǎng)絡(luò)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間采用全分布式的連接，每個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)具有最小時(shí)延前提下所有可用的用戶和資源的全部信息。具體來說，Skype采用了下面兩種機(jī)制來保證順利完成用戶的查找。

• 啟動(dòng)后向所有列表中的用戶發(fā)送其上線信息，其他用戶響應(yīng)各自的信息；
  
• 在中間節(jié)點(diǎn)緩存查找到的用戶信息

　　對(duì)于有公網(wǎng)地址的客戶端，其查找用戶的過程如下：點(diǎn)擊發(fā)送要查找的用戶信息－>通過SN獲取四個(gè)節(jié)點(diǎn)地址－>不成功－>報(bào)告SN－>獲取八個(gè)節(jié)點(diǎn)地址－>……－>成功（或失敗返回）。

　　對(duì)于那些位于私網(wǎng)內(nèi)的受限客戶端，其查找用戶的過程則是首先客戶端將需要查找的用戶信息發(fā)送給其SN，然后由SN完成查找后返回給私網(wǎng)內(nèi)的客戶端。

　　（4）呼叫建立和釋放

　　查找到希望連接的用戶后，可以將其加入好友列表，Skype用戶可以隨時(shí)與在線的好友進(jìn)行呼叫。經(jīng)過了稍微復(fù)雜的認(rèn)證過程和用戶查找過程，呼叫建立和釋放的過程就變得簡單了。用戶位于公網(wǎng)和位于私網(wǎng)內(nèi)部的情況會(huì)有所不同，兩種情況下的呼叫建立和釋放流程分別見圖5和圖6所示。





　　從上述流程圖可見，Skype的呼叫信令都采用TCP封裝，而媒體流則使用UDP封裝，當(dāng)有任何一方用戶位于限制UDP包的防火墻內(nèi)時(shí)，媒體流就會(huì)采用TCP封裝。另外當(dāng)Skype用戶至少有一方位于私網(wǎng)內(nèi)時(shí)，所有的信令和媒體消息都經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。此時(shí)無需擔(dān)心用戶通話的媒體流因?yàn)榻?jīng)過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而被竊聽，因?yàn)镾kype采用了對(duì)消息進(jìn)行端到端加密的機(jī)制。

Skype的技術(shù)優(yōu)勢

　　Skype之所以引起了不小的轟動(dòng)，是因?yàn)樗幕ヂ?lián)網(wǎng)特性，即免費(fèi)、開放和較好的業(yè)務(wù)質(zhì)量。事實(shí)上，Skype最大的意義在于，它開創(chuàng)了將P2P技術(shù)引入到話音通信的先河。也就是說，采用了網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都動(dòng)態(tài)參與到路由、信息處理和帶寬增強(qiáng)等工作中的機(jī)制，而不是單純依靠服務(wù)器來完成這些工作，因此其管理成本大大降低，同時(shí)又保證了語音質(zhì)量。

　　從具體技術(shù)的角度來看，Skype的優(yōu)勢有下面幾點(diǎn)：


　?。?） 較強(qiáng)的NAT和防火墻穿越能力。首先識(shí)別NAT和防火墻類型，然后通過動(dòng)態(tài)的選擇信令和媒體代理，從而輕松實(shí)現(xiàn)NAT和防火墻的穿越。

　?。?） 快速路由機(jī)制，Skype采用了全球索引（Global Index）技術(shù)提供快速路由，其用戶路由信息分布式存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。

　　（3） 結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)的語音編解碼算法。Skype通過與Global IP Sound公司合作，引入語音質(zhì)量增強(qiáng)軟件，專門針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，從而降低了業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的要求。

　?。?） 很低的運(yùn)行成本。很顯然，Skype將很多工作下放給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)去完成，大大地降低了中心服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而減少了維護(hù)和管理的成本。

　?。?） 開放性。Skype采取開放的機(jī)制，鼓勵(lì)互聯(lián)網(wǎng)用戶自己開發(fā)插件，目前此類開發(fā)如雨后春筍，在互聯(lián)網(wǎng)上遍地開花。

　　其中第1條保證了通信無障礙，無論終端處于何種網(wǎng)絡(luò)條件，都不會(huì)影響用戶使用Skype提供的業(yè)務(wù)。第2條和第3條則保證了Skype較好的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。第4條使得Skype可以輕松面對(duì)挑戰(zhàn)。而第5條則給了Skype更強(qiáng)大的生命力，使其更加靈活，具有更高的可擴(kuò)展性。

　　Skype給電信運(yùn)營帶來的思考

　　Skype的出現(xiàn)無疑給傳統(tǒng)電信業(yè)帶來一股強(qiáng)烈的沖擊波，它從2003年下半年出現(xiàn)以來便廣為流傳，截至目前，Skype全球注冊(cè)用戶數(shù)已達(dá)2.5億，每天增加的會(huì)員有15.5萬人，而到2005年3月14日為止，Skype在全球的通話量累計(jì)已經(jīng)達(dá)到60億分鐘。Skype仍在迅速向各個(gè)國家滲透，最新的統(tǒng)計(jì)表明：使用Skype技術(shù)呼叫的分鐘數(shù)已經(jīng)占到美國VoIP分鐘數(shù)的46.2%，這部分用戶基本是“免費(fèi)”享用電話業(yè)務(wù)的。

　　Skype畢竟是一種互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，而不是真正的電信服務(wù)，它也存在一些問題，比如網(wǎng)絡(luò)的無管理性使得它只能通過這種免費(fèi)的方式走向市場，企業(yè)用戶也會(huì)因?yàn)閾?dān)心它的安全隱患而不采用等。但是無論如何，Skype的理念很可能給傳統(tǒng)的電信市場帶來突破性的變革，也引起業(yè)界對(duì)于VoIP的新的思考，傳統(tǒng)電信運(yùn)營商決不可忽視其挑戰(zhàn)。

　　首先，對(duì)于VoIP的態(tài)度問題，該積極應(yīng)對(duì)還是消極回避？答案已經(jīng)非常明顯——微軟公司的總裁曾說過這樣的話：即使沒有Skype，也會(huì)有另一個(gè)提供互聯(lián)網(wǎng)電話的企業(yè)出現(xiàn)。我國在上個(gè)世紀(jì)90年代末成功地開展了VoIP的電信運(yùn)營，到現(xiàn)在市場基本穩(wěn)定，普通用戶對(duì)IP電話已經(jīng)不再陌生，然而幾年來VoIP的電信運(yùn)營卻沒有繼續(xù)發(fā)展，幾乎有點(diǎn)停滯不前了。事實(shí)上，VoIP應(yīng)該具有更廣闊的空間和更靈活的表現(xiàn)形式。

　　技術(shù)的進(jìn)步往往是不可阻擋的，尤其是互聯(lián)網(wǎng)帶來的開放時(shí)代，給了新技術(shù)更廣闊的發(fā)展空間，你不發(fā)展，別人會(huì)發(fā)展，因此國內(nèi)電信運(yùn)營商應(yīng)該積極地邁出這一步。

　　VoIP的發(fā)展可以采取開放的思路，Skype的成功也有一些可借鑒之處。首先，積極研究P2P技術(shù)的利弊：一旦將P2P技術(shù)引入可運(yùn)營的VoIP系統(tǒng)，在降低運(yùn)營成本、具有更高的網(wǎng)絡(luò)可靠性（不依賴于集中的服務(wù)器）的同時(shí)，是否會(huì)帶來不可預(yù)知的壞影響？另外，VoIP并不代表人們通常所理解的“低收費(fèi)就一定提供低質(zhì)量服務(wù)”，電信運(yùn)營商可以結(jié)合IP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，引入相應(yīng)的技術(shù)，來保證可靠的服務(wù)質(zhì)量。最后，VoIP完全可以開發(fā)并向用戶提供更豐富的業(yè)務(wù)形式。