基于Asterisk的VoIP开发指南——Asterisk 模块编写指南(1)

原文:基于Asterisk的VoIP开发指南——Asterisk 模块编写指南(1)

1 开源项目概述

Asterisk是一个开源的软件包，通常运行在Linux操作系统平台上。Asterisk可以用三种协议来实现VoIP，同时可以与目前电话使用的标准硬件进行交互通信，Asterisk在实现VoIP时，不需要任何附加硬件，本文所采用的也是这种使用方式。但是，如果企业没有与VoIP语音网关运营商建立合作关系，想要自己构建这样的一个平台，那么要和数字电话设备与模拟电话设备进行交互通信，Asterisk需要一个PCI硬件的支持，这个硬件生产商中最著名的是Digium平台提供的。

Asterisk 的结构基本上是十分简单，但是它不同于大多数的电话产品。基本上，Asterisk担任的是一个中间件的功能，它连接了底层的电话技术和上层的电话应用。所以，Asterisk 具有很大的柔韧性，特殊的API接口都围绕着PBX核心系统。这个核心处理着PBX内部之间的相互联系。每一部分都是清晰来自于协议、编码或内部电话使用的硬件接口的抽象。这些抽象的接口使Asterisk可以与任何的硬件和技术以及将来的硬件和软件技术完美的结合。从图2.5可以看出，Asterisk由内部核心和外围动态可加载模块组成。内部核心由以下六个部分组成：PBX交换核心模块(PBX Switching Core)、调度和I/O管理模块(Scheduler and I/O Manager)、应用调用模块(Application Launcher)、编解码转换模块(Codec Translator)、动态模块加载器模块(Dynamic Module Loader)和CDR生成模块(CDR Core) 。

图1  Asterisk结构图

2           Asterisk二次开发概述

Asterisk是一个开源的PBX架构；但它并不是一个成品。通常情况下，由于企业应用的多样性，很难有一个成型的PBX产品可以满足企业的各种需求。传统的PBX成品，要么功能和灵活性不足，要么配置和维护复杂；而且都具有一个致命的缺点，那就是开放性、可扩展性。

Asterisk具有传统PBX无法比拟的优点，那就是其灵活性，可扩展能力；Asterisk的扩展能力是通过开放相应的架构和接口来实现的。这就意味着Asterisk是一个组件而不是一个成型的产品，Asterisk的核心提供了一个基本的可运行环境，而外围相应的能力则可以通过加载和配置相关的插件和模块来实现。

Asterisk是一个开源的PBX架构；但它并不是一个成品。Asterisk的扩展能力是通过开放相应的架构和接口来实现的。这就意味着Asterisk是一个组件而不是一个成型的产品，Asterisk的核心提供了一个基本的可运行环境，而外围相应的能力则可以通过加载和配置相关的插件和模块来实现。

因此，使用Asterisk，一定会面临二次开发问题，这些二次开发主要围绕以下几个方面：

（1）内部核心模块

①开发扩展编解码能力模块

②开发扩展相应的通道模块

（2）外围动态可加载模块

①开发应用部分

②开发外围管理部分

一般来说，Asterisk使用者很少需要去开发编解码能力模块和通道模块等内部核心模块；而需要开发最多的情况则是外围动态可加载模块，即外围管理部分和应用开发，本文也是指这些方面的开发。

3           Asterisk通道模型与呼叫流程

3.1 什么是asterisk通道？

Asterisk通道是指通过asterisk建立起来的一路通话。这类通话都包含一个incoming连接和一个outbound连接。每个电话都是通过一种通道驱动程序建立起来的，比如SIP,ZAP,IAX2等等。每一类的通道驱动，都拥有自己私有的通道数据结构，这些私有的结构从属于一个通用的Asterisk通道数据结构中，具体定义在channel.h和channel.c中。

3.2 基本的呼叫流程

Asterisk PBX呼叫流程如图3所示。

（1）通过Asterisk的一个电话呼叫在一个通道驱动接口上到达，如SIP Socket。

（2）通道驱动在该通道上创建一个PBX通道并启动一个pbx线程

（3）拨号方案被执行，拨号方案在一些地方通过dial应用(查看app_dial.c)

强制Asterisk创建一个呼出呼叫，一旦呼出，Asterisk会有以下两个动作将发生。

（1）Dial创建一个呼出的PBX通道并请求一种通道驱动创建一个呼叫

（2）当呼叫被应答时，Asterisk桥接媒体流，于是在第一个通道上的主叫可以和在第

二个通道也就是呼出通道上的被叫通话。

图3 Asterisk PBX呼叫流程

4 RADIUS协议的概述

（1）Radius协议在协议栈中的位置

Radius是一种流行的AAA协议，同时其采用的是UDP协议传输模式，AAA协议在协议栈中位置如图3所示。

图3 Radius协议在协议栈中的位置

（2）Radius协议选择UDP作为传输层协议

①NAS和Radius服务器之间传递的是几十上百个字节长度的数据，且Radius要求特别的定时器管理机制，用户可以容忍几十秒的验证等待时间。

②当处理大量用户,服务器端采用多线程，UDP简化了服务器端的实现过程。

③TCP是必须成功建立连接后才能进行数据传输的，这种方式在有大量用户使用的情况下实时性不好。Radius要有重传机制和备用服务器机制，它所采用的定时，TCP不能很好的满足。由于数据包可能会在网络上丢失，如果客户没有收到响应，那么可以重新发送该请求包。多次发送之后如果仍然收不到响应，RADIUS客户可以向备用的RADIUS服务器发送请求包。

④Radius依靠自身协议保证报文重传和服务器备份机制以确保计费可靠性。

5 认证计费功能概述

IP-PBX呼叫控制功能，主要是VoIP终端用户的认证计费控制过程，是VoIP系统商业化运营的核心模块。

Radius Client端，也叫NAS，主要的任务就是根据VoIP终端的呼叫请求携带的各种属性，包括账户ID、被叫号码、通话时间等，封装成标准的Radius数据包发送到Radius Server端，达到账户信息实时更新的效果。整个NAS端程序主要由两个模块构成：认证模块和计费模块，并把这两个模块整合到开源IP-PBX项目 Asterisk中。

5.1 标准RADIUS协议分析

（1）Radius Packet

RADIUS数据包被包装在UDP数据报的数据块（Data field)）中，其中的目的端口为1812，RADIUS协议包结构如图4所示。

0                   1                   2                   3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|     Code      |  Identifier   |            Length             |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|                                                               |

|                         Authenticator                         |

|                                                               |

|                                                               |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|  Attributes ...(不定长)

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-

Attribute：

0                   1                   2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|     Type      |  Length       |  Value …(不定长)

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图4  RADIUS协议包结构图

（2）对Radius Packet格式各个域解释

①Code：包类型，一个字节长，指示RADIUS包的类型，包含不合法的Code的Radius包将被直接丢弃，code域主要包含了以下值类型。

1）code=1  Access-Request——认证请求数据包

本文AAA功能就是构建code＝1的认证请求数据包。

2）code=2  Access-Accept——认证响应数据包

3) code=3  Access-Reject——认证拒绝数据包

4）code=4  Accounting-Request——计费请求数据包

本文Asterisk的AAA功能另外一个重点任务就是构建code=4的计费请求数据包，Accounting-Request 数据包中的两种状态类型（Acct-Status-Type）的计费请求数据包：Start（Value=1）：Client开始对指定用户提供服务，计费开始;Stop（Value=2）：Client停止对指定用户提供服务，计费结束。

5）code=5  Accounting-Response——计费响应数据包

因为是要更新账户信息，所以目前本文不需要处理计费响应数据包。

②Identifier：包标识符，一个字节长，用于匹配请求包和响应包，同一组请求包和响应包的Identifier应相同。协议规定：

1) 在任何时间，发给同一个RADIUS服务器的不同包的Identifier域不能相同，如果出现相同的情况，RADIUS将认为后一个包是前一个包的拷贝而不对其进行处理。

2) Radius针对某个请求包的响应包应与该请求包在Identifier上相匹配（相同）。

③Length：包长度，两个字节长，说明数据包的长度，是code、identifier、length、authenticator attribute fields的长度总和，有效范围是20~4096，超出范围的数据将被视为附加数据（Padding）或直接被忽略。

④Authenticator：验证字，16字节长，用于验证消息的负载,对包进行签名，该验证字分为两种。

1) 请求验证字---Request Authenticator,用在请求报文中,必须为全局唯一的随机值。

2) 响应验证字---Response Authenticator,用在响应报文中，用于鉴别响应报文的合法性。响应验证字＝MD5(Code+ID+Length+请求验证字+Attributes+Key)。

⑤Attributes:Type指示了Atribute的类型，通用的有几十种，在系统中使用到的，如表4.1所示。Asterisk AAA模块的构建主要是构建表1列出的这些属性值的RADIUS数据包。

表1 Atribute的属性列表

属性值	属性名称	属性意义
1	User-Name	用户账户ID
2	User-Password	用户密码
4	Nas-IP-Address	Nas的ip地址
5	Nas-Port	用户接入端口号
6	Service-Type	服务类型
7	Framed-Protocol	协议类型
8	Framed-IP-Address	为用户提供的IP地址
11	Filter-Id	过滤表的名称
27	Session-Timeout	通知NAS该用户可用的会话时长 （时长预付费）
32	NAS-Identifier	标识NAS的字符串
40	Acct-Status-Type	计费请求报文的类型
41	Acct-Delay-Time	Radius客户端发送计费报文耗费的时间
44	Acct-Session-Id	计费会话标识
45	Acct-Authentic	在计费包中标识用户认证通过的方式
46	Acct-Session-Time	通话时长(用户在线时长）
49	Acct-Terminate-Case	用户下线原因

5.2   选择一个合适的Radius Client API

上个小节介绍的RADIUS数据包格式，是构建应用协议层数据包的封装所关注的，在Asterisk中如果需要亲自把标准RADIUS数据包的发送、接收等过程从零开始写起，那本文就把重点放在了RADIUS UDP数据包与服务器通信过程的编写中了，实际本文关注的是在Asterisk中根据VoIP通信中的业务需求，构建RADIUS认证计费模块，重点是业务应用层的开发，即如何组织认证包、计费包的数据结构等，而RADIUS数据包传输层直接调用现成的开源API，目前主要有两种这样的开源项目。

（1）pam_radius

一个PAM模块提供了RADIUS客户端的功能。它是从开源项目Freeradius中提取出来的，如果要使用需要对代码做大量的修改、打补丁后才能使用。

（2）radiusclient-ng

相对比PAM的pam_radius模块而言，radiusclient-ng的动态库代码不用修改就可以拿过来使用，只需安装radiusclient-ng的动态库，然后根据配置文件、开放的API接口修改Asterisk代码就可以完成Asterisk AAA模块的构建。

所以在本文使用radiusclient-ng开源软件包。