SKYPE原理分析

不管傳統電信運營商願意看到與否，以Skype爲表明的VoIP軟件已經在全球擁有愈來愈多的擁躉。Skype的工做原理到底是什麼？爲何會掀起如此巨大的波瀾？從技術角度看它究竟有哪些優點？電信運營商在VoIP領域下一步該如何發展？ 
Skype與 P2P 
所謂P2P（Peer to
Peer），其最本質的含義即「對等」，該技術最先是用於網絡中對等節點之間的資源和信息共享的技術，一般人們所知道的是將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做爲一個「種子」爲其餘對等終端提供資源和信息。後來，Skype在網絡通話業務系統中靈活應用了該技術。
因爲衝擊了傳統通訊領域，Skype在引發不少爭議的同時也令人耳目一新，能夠說，Skype是發展和演進了的P2P應用。目前對於P2P技術尚未規範
的定義，結合其已有的應用，就更普遍的意義而言，
P2P技術是指網絡中的全部節點都動態參與到路由、信息處理和帶寬加強等工做中，而不是單純依靠服務器來完成這些工做。 Skype是P2P技術演進到混合模式後的典型應用，它結合了集中式和分佈式的特色，在網絡的邊緣節點採用集中式的網絡結構，而在超級節點之間採用分佈式的網絡結構，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是通過多年的發展和演進而來的，嚴格講，這已經不是純粹的對等網絡結構了，只能稱作發展了的P2P。下面就介紹一下采用混合模式P2P網絡模型的Skype的通訊原理。 
Skype的通訊原理 
1. Skype網絡結構 
與常規的電信業務網絡不一樣的是，Skype的網絡中除了註冊服務器，沒有其餘任何集中的服務器，只是將用戶節點分爲普通節點和超級節點。Skype的系統鏈接結構如圖2所示。 

註冊服務器是Skype唯一須要維護的設備，它負責完成客戶端的註冊，存儲並管理用戶名和密碼信息，當用戶登陸系統時，對用戶進行身份認證。註冊服務器還須要檢驗並保證用戶名的全球唯一性。 
普通節點即普通主機終端，只須要下載了Skype的應用，就具備提供語音呼叫和文本消息傳送的能力。 
超級節點其實是知足某些要求的普通節點，這些要求包括：具備公網地址、具備足夠的CPU、存儲空間足夠大、具備足夠的網絡帶寬。也就是說，任何符合條件的主機終端均可以成爲超級節點，固然前提是加載了Skype應用。 
2. 通訊流程 
Skype的通訊流程分爲：啓動、註冊（認證）、查找用戶、呼叫和釋放的過程。其中註冊流程只是在用戶初次安裝了Skype的客戶端軟件後進行註冊，後期使用的過程當中該步驟就變成認證過程。 
（1）啓動流程 
Skype的用戶終端啓動時，採用HTTP協議鏈接到註冊服務器，用戶初次安裝的啓動流程中攜帶「installed」的參數，使用時啓動流程則在消息中攜帶「getlatestversion」參數，具體流程分別見圖3和圖4。 


（2）註冊（認證）流程 
註冊（認證）流程多是Skype全部流程中最複雜的一個，用戶啓動Skype後，首先須要鏈接到超級節點，經過超級
節點向註冊服務器發送身份認證信息，註冊服務器驗證用戶名和密碼的合法性，而後向其餘對等節點及其好友發送在線信息，同時還須要判斷該終端所在私網的
NAT和防火牆類型。若是該終端先前默認的超級節點已不可用，則還要查找具備公網地址的Skype節點來做爲該終端的超級節點，從而維持該終端與
Skype網絡的鏈接。 一旦超級節點都不可用，Skype的客戶端採用了盡力而爲的方式進行註冊，即先用UDP包試註冊，不成功超時則用TCP（80端口），再不成功則用TCP（443端口）。一般爲防止其超級節點不可用，客戶端必須創建一個可選鏈接節點列表，並按期維護該列表。 
對於該流程一般會產生下面幾點疑問： 
● 初次登陸時如何鏈接到超級節點？ 
咱們發現，用戶初次安裝了Skype客戶端軟件後，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表明的即是初始的超級節點。 
● 如何向好友發送在線信息？ 
因爲Skype採用路由緩存機制，即用戶查找其好友的過程當中會在中間的超級節點緩存其路由信息（緩存72小時），所以
用戶登陸後，其狀態信息能夠經過其超級節點通知到好友終端，並將好友的狀態返回給用戶。一旦緩存超時，須要經過其餘超級節點查找用戶路由，這充分體現了
Skype的用戶路由信息動態分佈式存儲的特色。 ● 如何判斷NAT和防火牆類型？ 
客戶端軟件採用各類STUN協議與超級節點之間交換信息，從而判斷終端所處私網的NAT和防火牆類型，客戶端軟件還採用按期刷新機制來保證任什麼時候候都能穿越NAT和防火牆。 
（3）查找用戶 
Skype採用了一種稱作全球索引（Global
Index）的技術來查找用戶，該技術結合前面所述的分層網絡，超級節點之間採用全分佈式的鏈接，每一個超級節點具備最小時延前提下全部可用的用戶和資源的
所有信息。具體來講，Skype採用了下面兩種機制來保證順利完成用戶的查找。 ● 啓動後向全部列表中的用戶發送其上線信息，其餘用戶響應各自的信息； 
● 在中間節點緩存查找到的用戶信息 
對於有公網地址的客戶端，其查找用戶的過程以下：點擊發送要查找的用戶信息－>經過SN獲取四個節點地址－>不成功－>報告SN－>獲取八個節點地址－>……－>成功（或失敗返回）。 
對於那些位於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須要查找的用戶信息發送給其SN，而後由SN完成查找後返回給私網內的客戶端。 
（4）呼叫創建和釋放 
查找到但願鏈接的用戶後，能夠將其加入好友列表，Skype用戶能夠隨時與在線的好友進行呼叫。通過了稍微複雜的認證
過程和用戶查找過程，呼叫創建和釋放的過程就變得簡單了。用戶位於公網和位於私網內部的狀況會有所不一樣，兩種狀況下的呼叫創建和釋放流程分別見圖5和圖6
所示。 


從上述流程圖可見，Skype的呼叫信令都採用TCP封裝，而媒體流則使用UDP封裝，當有任何一方用戶位於限制
UDP包的防火牆內時，媒體流就會採用TCP封裝。另外當Skype用戶至少有一方位於私網內時，全部的信令和媒體消息都通過一個或多箇中間節點轉發。此
時無需擔憂用戶通話的媒體流由於通過中間節點轉發而被竊聽，由於Skype採用了對消息進行端到端加密的機制。 Skype的技術優點 
Skype之因此引發了不小的轟動，是由於它的互聯網特性，即免費、開放和較好的業務質量。事實上，Skype最大的
意義在於，它開創了將P2P技術引入到話音通訊的先河。也就是說，採用了網絡中的全部節點都動態參與到路由、信息處理和帶寬加強等工做中的機制，而不是單
純依靠服務器來完成這些工做，所以其管理成本大大下降，同時又保證了語音質量。 從具體技術的角度來看，Skype的優點有下面幾點： 
（1） 較強的NAT和防火牆穿越能力。首先識別NAT和防火牆類型，而後經過動態的選擇信令和媒體代理，從而輕鬆實現NAT和防火牆的穿越。 
（2） 快速路由機制，Skype採用了全球索引（Global Index）技術提供快速路由，其用戶路由信息分佈式存儲於網絡節點中。 
（3） 結合互聯網特色的語音編解碼算法。Skype經過與Global IP Sound公司合做，引入語音質量加強軟件，專門針對互聯網的特色，從而下降了業務對帶寬的要求。 
（4） 很低的運行成本。很顯然，Skype將不少工做下放給網絡節點去完成，大大地下降了中心服務器的負擔，進而減小了維護和管理的成本。 
（5） 開放性。Skype採起開放的機制，鼓勵互聯網用戶本身開發插件，目前此類開發如雨後春筍，在互聯網上遍地開花。 
其中第1條保證了通訊無障礙，不管終端處於何種網絡條件，都不會影響用戶使用Skype提供的業務。第2條和第3條則
保證了Skype較好的業務服務質量。第4條使得Skype能夠輕鬆面對挑戰。而第5條則給了Skype更強大的生命力，使其更加靈活，具備更高的可擴展
性。 Skype給電信運營帶來的思考 
Skype的出現無疑給傳統電信業帶來一股強烈的衝擊波，它從2003年下半年出現以來便廣爲流傳，截至目
前，Skype全球註冊用戶數已達2.5億，天天增長的會員有15.5萬人，而到2005年3月14日爲止，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，最新的統計代表：使用Skype技術呼叫的分鐘數已經佔到美國VoIP分鐘數的46.2%，這部分用戶基本是「
免費」享用電話業務的。 Skype畢竟是一種互聯網服務，而不是真正的電信服務，它也存在一些問題，好比網絡的無管理性使得它只能經過這
種免費的方式走向市場，企業用戶也會由於擔憂它的安全隱患而不採用等。可是不管如何，Skype的理念極可能給傳統的電信市場帶來突破性的變革，也引發業
界對於VoIP的新的思考，傳統電信運營商決不可忽視其挑戰。 首先，對於VoIP的態度問題，該積極應對仍是消極迴避？答案已經很是明顯——微軟公司的總裁曾說過這樣的話：即
使沒有Skype，也會有另外一個提供互聯網電話的企業出現。我國在上個世紀90年代末成功地開展了VoIP的電信運營，到如今市場基本穩定，普通用戶對
IP電話已經再也不陌生，然而幾年來VoIP的電信運營卻沒有繼續發展，幾乎有點停滯不前了。事實上，VoIP應該具備更廣闊的空間和更靈活的表現形式。
技術的進步每每是不可阻擋的，尤爲是互聯網帶來的開放時代，給了新技術更廣闊的發展空間，你不發展，別人會發展，所以國內電信運營商應該積極地邁出這一步。 
VoIP的發展能夠採起開放的思路，Skype的成功也有一些可借鑑之處。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，在下降運營成本、具備更高的網絡可靠性（不依賴於集中的服務器）的同時，是否會帶來不可預知的壞影響？另
外，VoIP並不表明人們一般所理解的「低收費就必定提供低質量服務」，電信運營商能夠結合IP網絡的特色，引入相應的技術，來保證可靠的服務質量。最
後，VoIP徹底能夠開發並向用戶提供更豐富的業務形式。