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。
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)
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
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。