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從Skype反思VoIP

薛寧 2006/06/12

　　無論傳統(tǒng)電信運營商愿意看到與否，以Skype為代表的VoIP軟件已經在全球擁有越來越多的擁躉。Skype的工作原理究竟是什么？為什么會掀起如此巨大的波瀾？從技術角度看它究竟有哪些優(yōu)勢？電信運營商在VoIP領域下一步該如何發(fā)展？

　　Skype與 P2P

　　所謂P2P（Peer to Peer），其最本質的含義即“對等”，該技術最早是用于網絡中對等節(jié)點之間的資源和信息共享的技術，通常人們所知道的是將P2P技術用在文件下載過程中，即網絡上的對等終端在下載共享文件的同時又作為一個“種子”為其他對等終端提供資源和信息。后來，Skype在網絡通話業(yè)務系統(tǒng)中靈活應用了該技術。由于沖擊了傳統(tǒng)通信領域，Skype在引起很多爭議的同時也使人耳目一新，可以說，Skype是發(fā)展和演進了的P2P應用。目前對于P2P技術還沒有規(guī)范的定義，結合其已有的應用，就更廣泛的意義而言， P2P技術是指網絡中的所有節(jié)點都動態(tài)參與到路由、信息處理和帶寬增強等工作中，而不是單純依靠服務器來完成這些工作。

　　Skype是P2P技術演進到混合模式后的典型應用，它結合了集中式和分布式的特點，在網絡的邊緣節(jié)點采用集中式的網絡結構，而在超級節(jié)點之間采用分布式的網絡結構，混合模式的P2P網絡模型如圖1所示。

　　從網絡模型來看，這種混合模式的P2P是經過多年的發(fā)展和演進而來的，嚴格講，這已經不是純粹的對等網絡結構了，只能稱做發(fā)展了的P2P。下面就介紹一下采用混合模式P2P網絡模型的Skype的通信原理。

　　Skype的通信原理

　　1. Skype網絡結構

　　與常規(guī)的電信業(yè)務網絡不同的是，Skype的網絡中除了注冊服務器，沒有其他任何集中的服務器，只是將用戶節(jié)點分為普通節(jié)點和超級節(jié)點。Skype的系統(tǒng)連接結構如圖2所示。

　　注冊服務器是Skype惟一需要維護的設備，它負責完成客戶端的注冊，存儲并管理用戶名和密碼信息，當用戶登錄系統(tǒng)時，對用戶進行身份認證。注冊服務器還需要檢驗并保證用戶名的全球惟一性。

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

　　超級節(jié)點實際上是滿足某些要求的普通節(jié)點，這些要求包括：具有公網地址、具有足夠的CPU、存儲空間足夠大、具有足夠的網絡帶寬。也就是說，任何符合條件的主機終端都可以成為超級節(jié)點，當然前提是加載了Skype應用。

　　2. 通信流程

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

　�。�1）啟動流程

　　Skype的用戶終端啟動時，采用HTTP協(xié)議連接到注冊服務器，用戶初次安裝的啟動流程中攜帶“installed”的參數(shù)，使用時啟動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（認證）流程

　　注冊（認證）流程可能是Skype所有流程中最復雜的一個，用戶啟動Skype后，首先需要連接到超級節(jié)點，通過超級節(jié)點向注冊服務器發(fā)送身份認證信息，注冊服務器驗證用戶名和密碼的合法性，然后向其他對等節(jié)點及其好友發(fā)送在線信息，同時還需要判斷該終端所在私網的NAT和防火墻類型。如果該終端先前默認的超級節(jié)點已不可用，則還要查找具有公網地址的Skype節(jié)點來作為該終端的超級節(jié)點，從而維持該終端與Skype網絡的連接。

　　一旦超級節(jié)點都不可用，Skype的客戶端采用了盡力而為的方式進行注冊，即先用UDP包試注冊，不成功超時則用TCP（80端口），再不成功則用TCP（443端口）。通常為防止其超級節(jié)點不可用，客戶端必須建立一個可選連接節(jié)點列表，并定期維護該列表。

　　對于該流程通常會產生下面幾點疑問：

　　● 初次登錄時如何連接到超級節(jié)點？

　　我們發(fā)現(xiàn)，用戶初次安裝了Skype客戶端軟件后，該客戶端的主機緩存中就已經初始化了一個包含至少7個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節(jié)點。

　　● 如何向好友發(fā)送在線信息？

　　由于Skype采用路由緩存機制，即用戶查找其好友的過程中會在中間的超級節(jié)點緩存其路由信息（緩存72小時），因此用戶登錄后，其狀態(tài)信息可以通過其超級節(jié)點通知到好友終端，并將好友的狀態(tài)返回給用戶。一旦緩存超時，需要通過其他超級節(jié)點查找用戶路由，這充分體現(xiàn)了Skype的用戶路由信息動態(tài)分布式存儲的特點。

　　● 如何判斷NAT和防火墻類型？

　　客戶端軟件采用各種STUN協(xié)議與超級節(jié)點之間交換信息，從而判斷終端所處私網的NAT和防火墻類型，客戶端軟件還采用定期刷新機制來保證任何時候都能穿越NAT和防火墻。

　�。�3）查找用戶

　　Skype采用了一種稱做全球索引（Global Index）的技術來查找用戶，該技術結合前面所述的分層網絡，超級節(jié)點之間采用全分布式的連接，每個超級節(jié)點具有最小時延前提下所有可用的用戶和資源的全部信息。具體來說，Skype采用了下面兩種機制來保證順利完成用戶的查找。

　　● 啟動后向所有列表中的用戶發(fā)送其上線信息，其他用戶響應各自的信息；

　　● 在中間節(jié)點緩存查找到的用戶信息

　　對于有公網地址的客戶端，其查找用戶的過程如下：點擊發(fā)送要查找的用戶信息－>通過SN獲取四個節(jié)點地址－>不成功－>報告SN－>獲取八個節(jié)點地址－>……－>成功（或失敗返回）。

　　對于那些位于私網內的受限客戶端，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內的客戶端。

　�。�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用戶可以隨時與在線的好友進行呼叫。經過了稍微復雜的認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。用戶位于公網和位于私網內部的情況會有所不同，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，當有任何一方用戶位于限制UDP包的防火墻內時，媒體流就會采用TCP封裝。另外當Skype用戶至少有一方位于私網內時，所有的信令和媒體消息都經過一個或多個中間節(jié)點轉發(fā)。此時無需擔心用戶通話的媒體流因為經過中間節(jié)點轉發(fā)而被竊聽，因為Skype采用了對消息進行端到端加密的機制。

　　Skype的技術優(yōu)勢

　　Skype之所以引起了不小的轟動，是因為它的互聯(lián)網特性，即免費、開放和較好的業(yè)務質量。事實上，Skype最大的意義在于，它開創(chuàng)了將P2P技術引入到話音通信的先河。也就是說，采用了網絡中的所有節(jié)點都動態(tài)參與到路由、信息處理和帶寬增強等工作中的機制，而不是單純依靠服務器來完成這些工作，因此其管理成本大大降低，同時又保證了語音質量。

　　從具體技術的角度來看，Skype的優(yōu)勢有下面幾點：

　�。�1） 較強的NAT和防火墻穿越能力。首先識別NAT和防火墻類型，然后通過動態(tài)的選擇信令和媒體代理，從而輕松實現(xiàn)NAT和防火墻的穿越。

　�。�2） 快速路由機制，Skype采用了全球索引（Global Index）技術提供快速路由，其用戶路由信息分布式存儲于網絡節(jié)點中。

　�。�3） 結合互聯(lián)網特點的語音編解碼算法。Skype通過與Global IP Sound公司合作，引入語音質量增強軟件，專門針對互聯(lián)網的特點，從而降低了業(yè)務對帶寬的要求。

　�。�4） 很低的運行成本。很顯然，Skype將很多工作下放給網絡節(jié)點去完成，大大地降低了中心服務器的負擔，進而減少了維護和管理的成本。

　�。�5） 開放性。Skype采取開放的機制，鼓勵互聯(lián)網用戶自己開發(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絡條件，都不會影響用戶使用Skype提供的業(yè)務。第2條和第3條則保證了Skype較好的業(yè)務服務質量。第4條使得Skype可以輕松面對挑戰(zhàn)。而第5條則給了Skype更強大的生命力，使其更加靈活，具有更高的可擴展性。

　　Skype給電信運營帶來的思考

　　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全球注冊用戶數(shù)已達2.5億，每天增加的會員有15.5萬人，而到2005年3月14日為止，Skype在全球的通話量累計已經達到60億分鐘。Skype仍在迅速向各個國家滲透，最新的統(tǒng)計表明：使用Skype技術呼叫的分鐘數(shù)已經占到美國VoIP分鐘數(shù)的46.2%，這部分用戶基本是“免費”享用電話業(yè)務的。

　　Skype畢竟是一種互聯(lián)網服務，而不是真正的電信服務，它也存在一些問題，比如網絡的無管理性使得它只能通過這種免費的方式走向市場，企業(yè)用戶也會因為擔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)界對于VoIP的新的思考，傳統(tǒng)電信運營商決不可忽視其挑戰(zhàn)。

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

　　技術的進步往往是不可阻擋的，尤其是互聯(lián)網帶來的開放時代，給了新技術更廣闊的發(fā)展空間，你不發(fā)展，別人會發(fā)展，因此國內電信運營商應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技術的利弊：一旦將P2P技術引入可運營的VoIP系統(tǒng)，在降低運營成本、具有更高的網絡可靠性（不依賴于集中的服務器）的同時，是否會帶來不可預知的壞影響？另外，VoIP并不代表人們通常所理解的“低收費就一定提供低質量服務”，電信運營商可以結合IP網絡的特點，引入相應的技術，來保證可靠的服務質量。最后，VoIP完全可以開發(fā)并向用戶提供更豐富的業(yè)務形式。

計算機世界網(www.ccw.com.cn)


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