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1、Skype网络电话技术研究报告,2009-8-31,目录,Skype介绍Skype产生与发展Skype基本原理介绍Skype关键技术及特点其他VoIP产品举例Skype的影响分析及对策,走近Skype,Skype的“世界通”套餐低至0.01元/分钟(SkypeOut)电信运营商的国际漫游资费为5.99元/分钟,千万,Skype正以每季度3500万用户的数目在增长Skype同时在线人数最高曾达1700万,2008年跨国语音通话时长,各电信运营商,Skype,330亿分钟,三个跨国语音运营商在300亿分钟下,2008年跨国语音比例,4.5亿,Skype成为全球最大的跨国语音通话服务商,Skype大
2、事记,2003年,Skype诞生：由KaZaA公司的创始人Niklas首次推出,2004年,推出SkypeOut业务 中国无线互联网门户TOM在线与Skype合作,2005年,10月，被电子商务网站eBay以41亿美元收购，成为其用户交易的通信工具11月，拟在中国推出SkypeOut业务,2008年,Skype向ITU申请国家码,成为全球最大的跨国语音通话服务商,2007年,目录,Skype介绍Skype产生与发展Skype基本原理介绍Skype关键技术及特点其他VoIP产品举例Skype的影响分析及对策,关于VOIP概念的解读,两种含义的VOIP：1、传统语音网络（CS网络）IP化（含VoB
3、B）；2、基于Internet技术的语音IP化,VOIP含义一：传统网络的IP化（含VoBB）,语音由IP包承载，但网络架构没有本质变化。只是底层承载由TDM改成了IP，整个呼叫模式，盈利模式都没有变化，还是属于传统通讯方式的范畴。用户需要为通话支付通话费用。,VOIP含义二：基于Internet技术的VOIP,语音由IP包承载，网络架构与传统网络有本质区别，呼叫模式为P2P。VOIP用户之间不再为通话支付费用，只需资费Internet接入费用；VOIP和传统终端之间需支付一定的费用（结算+盈利）。,Skype即属于基于Internet技术的VoIP的范畴。,PSTN/PLMN,Interne
4、t,voice,Skype的基本原理,网络中分为Ordinary host和super node两种类型的节点，Ordinary host就是安装了Skype软件的终端，Super node是按一定规则自动选举出来的任意一台具有公网IP的host。Skype只拥有Login Server，全球只有几个点。除了注册服务器外，没有中心Server，为全分布式架构。与传统电信网络的Client/Server架构完全不同。呼叫基于P2P模式；呼叫控制为私有协议，key的交互采用RSA加密；语音采用AES加密算法；信令采用TCP，语音视频等传输采用UDP（或者TCP）可以穿越NAT和防火墙（STUN，T
5、URN）；用户查找是基于全球范围的；缺乏合法监听的手段,注册流程：host连接到超级节点-登录到Login Server鉴权-给其他节点通告自己的信息-NAT/FW发现-发现拥有公网IP的超级节点Host Cache中保存超级节点列表及其IP地址；通过超级节点之间的泛洪、Global Index找到对端找到对端IP地址后，开始P2P的信令和媒体交互（直接交换或者选择forwarding节点交互）,业务流程,Skype网络架构,超级节点,P2P叠加网络,普通节点,语音编码：支持多达7种编码方式，其中最常用的是Global IP Sound 公司的iSAC和iLBC编码加密和打包：使用AES加密标
6、准对会话进行端到端加密，并通过网络检测机制动态调整发包速率和包的大小播放调度：采用FIFO机制调度丢包处理：接收端提供反馈给发送端，使其动态调整发包冗余度,Skype节点核心组件,网络架构结合集中式和分布式的特点，在网络的边缘节点采用集中式的网络结构，而在超级节点之间采用分布式的网络结构，形成混合模式的P2P网络模型节点类型普通节点：安装Skype软件的客户端，可以在它上面拨打语音电话以及发送即时消息。超级节点：超级节点之间以P2P方式互连，一个超级节点下面可连接多个普通节点，用于发送用户请求以及转发用户数据,任何一个普通节点都可以成为超级节点，只要其具有公共IP地址，以及足够的CPU，内存和
7、网络带宽等资源。普通节点必须连接到至少一个超级节点,P2P技术简介,P2P的定义通过在系统之间直接交换来共享计算机资源和服务的一种应用模式P2P分类混合式P2P：P2P和集中式的混合模式无结构P2P：以分布、松散的结构来组织网络，故称“无结构”有结构P2P：以准确、严格的结果来组织网络，并能高效的定位节点和数据,P2P与C/S,P2P的网络基本构成,Client,Server,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,P2P网络中没有中心服务器，网络中每个节点都是对等的，并可直接相连,P2P网络是一个构建在IP网络之上的叠加网络，节点之间的连接在两层可能会不一致,混合式P2P,无结构P2P,1,
8、2,3,4,5,6,7,8,有结构P2P,Skype的通话模式,Skype有三种会话模式PC-to-PC（完全免费）SkypeOut：PC-to-Phone（收费）SkypeIn：Phone-to-PC（收费）Skype的主要业务种类语音类业务视频业务文件传输类业务即时消息业务,PC-to-PC,Skype与Skype之间的通话，此种模式通话完全免费,SkypeOut,Skype打到固定电话或者手机，用户需要购买Skype点卡,SkypeIn,又称Online Number，Skype用户在Skype接听来自固定电话或者手机的呼叫（中国暂无此业务）,PC-to-PC语音通话流程,当被叫B不在A
9、的好友列表中时，流程图如左图所示，呼叫建立流程详述如下：主叫A向其所连接的超级节点发送呼叫请求A的超级节点利用P2P的查找算法，在P2P叠加网中查找被叫B的地址，并将地址返回给AA收到B的地址，与B建立通话连接当被叫B处于A的好友列表中时，意味着A已经知道B的地址，呼叫双方无需查询流程可直接建立连接，如图中绿色实线所示,主被叫都具有公网IP和端口,主被叫一方或者双方处于私网或者UDP受限的防火墙之后,SkypeOut语音通话流程,SkypeOut的被叫用户为固定电话或者手机，不在主叫A的好友列表中，其呼叫流程如下：主叫A发起呼叫该呼叫为SkypeOut，路由到相应运营商网络的入口网关在运营商的
10、网络中发起码号分析、路由等操作，最终呼叫到用户B,Internet,国外PSTN/PLMN,国内PSTN/PLMN,网关,交换设备,网关,交换设备,主叫 A,被叫B,被叫B,1 呼叫B,1 呼叫B,SkypeIn语音通话流程,用户在订购SkypeIn服务时需要先注册一个区号，然后会分到一个常用电话号码。这样即使用户到其他国家旅游，其他人仍可通过该常用号码与SkypeIn用户联络，而不必支付漫游费用。通话流程如下：手机或者固定电话拨打SkypeIn号码PSTN/PLMN中的交换设备根据码号机制将会话路由到接入到Internet的网关设备会话路由到Internet中，以下流程与PC-to-PC一样
11、。,主叫A,主叫A,国外PSTN/PLMN,网关,交换设备,Internet,被叫B,目录,Skype介绍Skype产生与发展Skype基本原理介绍Skype关键技术及特点其他VoIP产品举例Skype的影响分析及对策,Skype关键技术摘要,采用P2P技术P2P网络在一些方面优于传统的Client-Server模式的网络,这种网络可以无限的扩展，并且不会因为扩展而导致搜索时间的延长和费用的增加它利用终端用户机器的处理能力和网络带宽，非集中式网络的处理能力本身与此成正向比例，即每增加一个节点，P2P网络的处理能力和带宽都相应增加。编解码算法Skype支持7种编解码，其中最核心的是使用Globa
12、l IP Sound公司的iSAC/iLBC，这两个算法都结合了互联网的特点，对带宽要求较低。Skype可以根据双方的连接情况自动选则最佳的编码方式。语音通话的时候平均占用带宽大约是3-16KB/S。安全考虑所有的通讯都是以端对端的模式进行加密Skype采用了数字签名的方式，保证存储在P2P网络中的用户数据不被篡改NAT/防火墙穿越能力运用P2P技术,几乎可以在所有的防火墙或者NAT之后工作,Skype的特点,音质理论上，使用Skype可以听到所有人类可以听到的声音频率（508000Hz），而普通电话只能听到3003400Hz以内的声音资费提供免费的PC-to-PC通话支持最多10人的免费多方
13、会议SkypeOut和SkypeIn资费基本上少于0.5元/分钟跨平台性提供不同操作系统的发行版本，包括Windows、Linux、Mac OS以及多种手机终端开放性Skype采取开放的机制，鼓励互联网用户自己开发插件运行成本Skype将很多工作下放给网络节点去完成，大大地降低了中心服务器的负担，同时基于Internet组网，减少了维护和管理的成本,Skype安全性分析,Skype可能面临的安全威胁文件传输劫持即时消息劫持语音窃听Skype所采用的反跟踪技术为了防止恶意攻击者采用反向工程的方法对软件进行破解，Skype采用了许多反跟踪技术，如检测跟踪法、抑制跟踪中断、对程序分块加密执行等。所以
14、当使用编译器进行跟踪时，程序会抛出一系列异常。Skype的身份验证Skype网络中引入了中心注册服务器来解决用户身份验证的问题。通过验证所产生的数字签名就是Skype认证机制的基础。当会话开始时，Skype节点也需要数字签名来对它们的通信方进行身份验证。Skype的端到端加密在数据的传输过程中，Skype采用了端到端加密的方式，使得中间节点无法对会话中的数据进行窃听和篡改。在会话中所有的数据包都会通过256bit的AES算法进行加密,Skype性能分析,实验条件对两百万节点对的通话进行观察两种网络状况：节点有带宽限制和无带宽限制实验结果对于无带宽限制（图中绿线）：12%的会话MOS值低于3.6
15、，而质量为中和高的会话所占比例分布为16%（28%-12%）和72%对于有带宽限制（图中红线）：与绿线相隔很近结论从红线可以看出，大部分的Skype用户都能体验到自己满意的通话质量从绿线可以看出，即使当节点有带宽限制时，Skype仍能达到较好的通话质量,200万节点通话的MOS值累积分布图,MOS值语音对照表,Skype用户行为模型,实验条件对7000多个主机为期一个月每天一小时的监测UDP(TCP)E2E指的是PC-to-PC的通话UDP E2O指的是PC-to-Phone的通话Y坐标轴正数表示由这些主机呼出的通话数量Y坐标轴负数表示呼进的通话数量结论每小时PC-to-PC、PC-to-Ph
16、one的通话数量之和最大约为75个PC-to-PC通话占较大比例（因为PC-to-PC的通话是免费的）PC-to-Phone的通话时长90%都小于5min，而PC-to-PC的通话时长70%都会超过10min电话主要集中在工作日的白天，说明人们已经逐渐使用Skype进行商务会谈（晚上时间和周末通话数量则少了很多）,7000个用户每小时的通话数量统计图,通话时长累积分布函数图,Skype流量分析,Skype信令流量一般情况下，普通节点的信令消耗是非常小的，90%传输的信令消息为100bps；即使作为超级节点，传输的信令消息也只有1Kbps。Skype语音流量Skype支持多种编码方式，根据不同的
17、网络状态动态调整编码方法不同编码方式所需要的比特率，从11Kbps到230Kbps不等，一般只需要1116Kbps。Skype视频流量Skype视频缺省是采用iSAC编码方式，并采用UDP传输。其编码速率最大可达到800Kbps，一般情况下，视频速率则在200Kbps上下波动。,Skype语音流量统计图（不同语音编码方式）,目录,Skype介绍Skype产生与发展Skype基本原理介绍Skype关键技术及特点其他VoIP产品举例Skype的影响分析及对策,Google的GTalk,Google Talk是Google公司于2005年8月24日推出的一款IP电话及即时通讯的服务。与其他即时通讯服
18、务不同的是，Google Talk在即时通讯部分使用开放的XMPP协议。任何支持 Jabber/XMPP 的客户端都可连接到 Google Talk 服务。Google Talk 对语音信号传输和点对点通讯使用 XMPP 扩展协议。目前，Google Talk 支持下列标准语音编解码器：PCMA、PCMU、G.723、iLBC，还支持来自 Global IP Sound的编解码器：ISAC、IPCMWB、EG711U、EG711A。GTalk有可能支持SIP，有此计划。GTalk用于计算机与计算机间(PC-to-PC)的语音呼叫。Gtalk不支持E.911等紧急呼叫；不支持与传统语音电话之间的
19、互通。Gtalk完全免费。,腾讯 QQ,截止2008年底，QQ活跃用户数3.6亿，2009年2月，同时在线用户数突破5000万。2004年12月，QQ2004II正式版开始支持Global IP Sound 公司开发的GIPS语音引擎，大幅提升了VOIP的语音质量。（iLBC、ISAC等都属Global IP Sound公司）QQ 2004II正式版之后就支持了6方的语音会议功能。只支持QQ终端之间的语音/视频呼叫，不支持与传统电话的互通。QQ之间的语音/视频通话完全免费。不支持特服业务，如E911紧急呼叫。,目录,Skype介绍Skype的影响分析及对策无线宽带化和终端智能化加速VoIP发展
20、Skype进入中国的几种方式对Skype的流控和拦截方案中国移动的P2P网络DSN,网络宽带化和终端智能化加速VoIP发展，为Skype分流语音业务创造了更好的条件,固定终端：xDSL、LAN、WLAN、WiMax等等方式接入Internet；移动终端：HSDPA、GPRS、WiFi等等方式接入Internet即Skype终端可以在全球任何可以接入Internet的地方，使用任何接入方式接入Internet网，在任何地方享受到一模一样的VOIP服务。随着移动宽带、固定宽带的迅猛发展，Skype将快速分流现有的语音业务。,全球移动、固定宽带用户数趋势（OVUM）,2001-2006年,2007年
21、,TD-HSPA+DL:25.2MbpsUL:19.2Mbps,2010年,2008年,2009年,TD-HSDPA2.88.4Mbps,TD-HSUPA2.26.6Mbps,LTE-TDDDL:100MbpsUL:50Mbps,LTETDD+,EDGE200KbpS,GSM/GPRS,TD-SCDMA384KbpS,2009年以来，Skype向移动终端的渗透明显加快，全面占领个人移动终端：2009年年初，宣布支持Google的Androrid手机2009年3月31日，Skype宣布支持iPhone和iPodTouch;2009年5月起，支持黑莓手机Nokia的塞班、微软的WindowsMob
22、ile手机、索尼PSP游戏机、摩托Linux OX，2009年以前都已经支持Skype,目录,Skype介绍Skype的影响分析及对策无线宽带化和终端智能化加速VoIP发展Skype进入中国的几种方式对Skype的流控和拦截方案中国移动的P2P网络DSN,Skype进入中国的几种方式,Skype2SkypeSkypeOutSkypeInPhone2Phone over Skype,1、Skype2Skype,GPRS/EDGE/TD/HSPA/LTE,WLAN,xDSL/xPON/Cable,Internet接入费用,Skype用户可通过WLAN/运营商分组域无线接入/运营商固定接入访问Int
23、ernet，与其他Skype用户建立Skype2Skype2通话,分组域流量费率,SGSN/GGSN,2、SkypeOut,Internet,Skype呼转网关,免费,市话费率,IM message,Internet,Skype网关,二：个人/企业通过设置呼转网关设备实现SkypeOut,一：通过Skype网关与运营商网关互通实现SkypeOut,国外运营商,国内运营商,国内运营商A,国内运营商,ISC,GMSC,国内运营商B,GMSC,GMSC,GMSC,免费,市话费率,主叫号码为ISC号码,3、SkypeIn（1）,二：运营商利用SkypeID配置话务路由，与现网码号和话务路由混淆，不建议
24、采用,Internet,PSTN/PLMN,Skype网关,免费,Skype与运营商协商费率,一：运营商利用Skype分配的E.164号码（国家码）配置话务路由,VMSC:根据E.164配置路由,ICS:根据E.164(国家码）配置路由,Internet,PSTN/PLMN,Skype网关,免费,Skype与运营商协商费率,VMSC:根据SkypeID配置路由,GMSC:根据SkypeID配置路由,SkypeIn（2）,二：个人/企业通过设置呼转网关设备实现SkypeIn,Internet,Skype呼转网关与呼叫中心(CC)合设,免费,市话费率,一：运营商通过设置呼转网关设备实现SkypeI
25、n,1)呼叫CC2)通过USSD,CC回拨,4、Phone2Phone（利用Skype实现长途呼叫）,市话费率（免费）,市话费率,Skype呼转网关,DTMF,Skype呼转网关,IM message,免费（长途/国际）,一：利用SkypeOut实现长途呼叫,二：利用Skype实现长途呼叫转接,目录,Skype介绍Skype的影响分析及对策无线宽带化和终端智能化加速VoIP发展Skype进入中国的几种方式对Skype的流控和拦截方案中国移动的P2P网络DSN,对Skype的流控和拦截方案-Skype用户通过分组域无线接入,Vodafone、T-mobile等运营商均明确提出了P2P类业务的识别
26、与管控需求,Skype等P2P类业务特征不固定，且版本繁杂，无法通过传统IP五元组、七层URL等方式识别，识别难度较大Skype业务可以通过UDP传输、也可以通过TCP传输，在防火墙不允许的情况下，SKype还支持用HTTPS穿越防火墙进行登陆Skype 1.0中第一个报文有明显特征码；Skype 2.0中报文特征码不确定，需要检测同一个流的连续两个报文，对比报文净荷长度来识别；Skype 2.53.0则更是需要检测同一个流的连续多个报文，同时对比行为特征和报文大小来识别,基于DPI的P2P业务识别与管控部署策略（1/2）,根据不同粒度需求，引入具备P2P业务识别与管控功能的设备或模块,初期策
27、略,控制P2P类业务在总带宽中的比例，进行基于业务的粗粒度控制,适用场景,需要限制P2P业务速率，不需基于用户进行P2P流量控制,中远期策略,针对用户进行P2P业务流量识别、统计与管控，实现灵活的P2P业务资费策略,适用场景,有针对用户的P2P业务流量统计和行为分析需求，并且需要对用户进行P2P流量控制,基于DPI的P2P业务识别与管控部署策略（2/2）,P2P流量识别管控模块引入位置分析,两种方案对P2P业务的识别准确度及管控效果还有待验证,目录,Skype介绍Skype的影响分析及对策无线宽带化和终端智能化加速VoIP发展Skype进入中国的几种方式对Skype的流控和拦截方案中国移动的P
28、2P网络DSN,NGN和互联网新技术融合催生DSN,完美的体系架构，功能实体种类繁多：接口多、互操作复杂、性能上的降低设备多、成本高，易形成单点故障维护复杂,网络简单、成本低缺乏QoS保证会话不可控制，过程不可管理用户主机充当超级节点，用户代价大且系统稳定性不好支持业务种类单一,NGN技术,分布式技术的下一代网络,互联网技术,P2P技术,复杂,业务、管理,不可管,NGN,Skype类网络,DSN MMTel:10亿门无阻塞交换机,Data,Logic,均质化的网络功能节点分布式、一致性的数据存储节点单节点支持510万用户,原型Demo,单节点支持10万用户，60PC刀片或服务器，相当于600万
29、门交换机,BSS,BSC,BTS,BTS,LAN/WLAN,核心节点,2G A,2G/3G Iu-PS,Gm,RNS,RNC,NodeB,2G/3G Iu-CS,域1,域2,亿门级别的VoIP交换网，系统容量平滑扩展，;适配专网和互联网两种部署场景；网络核心节点支持通用计算平台，降低CAPEX；核心节点加入和退出，系统自动调整；静态和动态负载均衡结合应对灾难场景；IP网络拓扑感知，减少骨干间IP流量；,域3,信令面采用一跳路由算法,构成思想：一跳路由算法是在普通DHT的路由表之外，还建立一个面向全部节点的一跳路由表。一跳路由表的更新与同步由各省的SPM节点完成，SPM 由每个省K台强大的服务器
30、充当，彼此Full Mesh连接。当网络中节点失效时，其后继结点首先通知本地域的SPM，该SPM通知其余区域的SPM节点，所有的SPM负责主动更新该变动消息到本地域内的其他节点的一跳路由表。,用户面采用Relay机制,服务器,网络A,网络B,Relay节点,媒体流,网络检测,直连通信、通信质量检测,内网穿越,网络检测：搜集物理拓扑信息、检查NAT类型、延迟聚集,能直连,不能直连,质量不如意,穿越成功,穿越不成功,基于延迟聚集的网桥节点选择,基于物理拓扑的网桥节点选择,媒体流,Relay节点,可解决通话质量不高与NAT穿越问题,固定移动融合推动三屏合一,SN-C C,SN-C D,SN-C B,
31、UE A.1,UE A.2,UE A.3,UE D.1,UE D.3,UE D.2,SN-C A,2.查找资源,固定网络和移动网络统一进行组网。,1.发布资源,1.发布资源,数据共享,DHT,移动网络,固定网络,SN-C E,Internet,PC终端,移动终端,低码率流媒体,标清码率流媒体,流媒体融合方案：1.SVC(Scalable Video Coding):通过采用SVC技术，实现固定终端向移动终端的数据共享。SVC技术可以使得同一l频道的媒体数据同时包括高清、标清、低码率子流。2.通过将同一节目独立编码成不同码率的媒体流，当固定节点下载高码率的媒体流时，也顺带下载对应的低码率的媒体流
32、，用于向移动节点提供服务。,机顶盒/家庭网关,高清码率流媒体,基于FMC的流媒体架构,基于FMC可管可控,SS,CS,在移动终端节点下载数据的过程中，检测到电池电量或无线信号强度低于某个阀值，如总电量的10%时，停止数据的上传服务。,DSN VoIP和流媒体的融合架构,SN-C之间采用DHT实现资源索引的存储和发现,每个域由Portal、SS服务器、超级节点SN-C、CS缓冲服务器、终端节点构成。终端间采用P2P方式共享流媒体资源,VoIP、直播、点播、下载、上传使用同一个架构,域0为特殊全局域，域0的SS可向其它域的CS预分发内容。其它域依靠CS拉内容,VoIP,Streaming,VoIP
33、,Streaming,每个域独立管理，独立运营，用户可以上传内容（UGC能力）,通过物理层虚拟化技术实现跨业务的动态资源调度,DSN研究取得突破-推进核心网向超大容量、分布式和多业务的演进,DSN-打造通信服务的分布式网络环境,研制出基于P2P分布式技术的超大容量交换机系统（单台PC支持3.6万，整体可弹性支持10亿）,ITU-T DSN场景、需求、架构立项，分别完成了70%，50%，5%IETF：提出PPSP协议构想CCSA：推进P2P VoIP、P2P Streaming的行标,DSN基础研究、建模、仿真、实验工作全面展开,基于P2P和虚拟化技术在电信中的累计提交专利30完成大规模VoIP和Streaming用户行为统计模型;完成可支持百万量级用户和十万量级核心网节点和可支持千万量级用户和十万量级核心网节点仿真平台搭建全国性DSN协作平台，已经建立3个站点,One Core的分布式架构推进全网一个MSC的架构,通信服务中云计算环境,虚拟化、动态资源调度,新的网络开放形态，更丰富的网络能力,DSN获得国际广泛关注，合作伙伴超过20家，国际标准化工作全面进展完成近50%,分布式IMS-Evolution研究和标准化取得重大进展,谢谢,
