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标题: IP电话概述 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 12:30
标题: IP电话概述
一、IP电话概述

　　IP电话(IP Phone)，又称VoIP (Voice over IP)，是随着Internet的迅速发展而出现的一门新兴的通信技术，指将语音进行编码和打包等处理，通过IP网络进行传输，然后在接收端还原出语音的一种语音传输方式[1-3]，即通过Internet传送声音信号，从广义上讲是通过Internet传送多媒体信息。IP电话是以IP为标志的分组网络和以多媒体为目标的综合业务网络两大主流技术融合的结果。

　　IP电话与传统电话具有明显区别。首先，传统电话使用公众电话网作为语音传输的媒介；而IP电话则是将语音信号在公众电话网和Internet之间进行转换，对语音信号进行压缩封装，转换成IP包，同时，IP技术允许多个用户共用同一带宽资源，改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式，节省了用户使用单独信道的费用。其次，由于技术和市场的推动，将语音转化成IP包的技术已变得更为实用、便宜，同时，IP电话的核心元件之一数字信号处理器的价格在下降，从而使电话费用大大降低，这一点在国际电话通信费用上尤为明显，这也是IP电话迅速发展的重要原因。

　　早在上个世纪中期Intenret开始流行的时候，VoIP技术就被提上日程，通过互联网传输语音被业界认为是一个前途无量的应用。而到九十代末，VoIP技术更是被炒作得异常火爆，但受限于当时的网络条件，通过互联网传输语音几乎不具多少实用价值。此后的数年中，都无法突破网络带宽狭窄的瓶颈，语音质量差、声音延迟的缺陷依然限制着VoIP技术的应用。近年来，随着Internet的飞速发展和语音编码技术的发展，IP分组话音通信技术获得了突破性的进展和实际应用。VoIP技术已经成为IT领域的一项热门技术，在不断发展进步中日益成熟，行业标准越来越规范，在这种形势下，IP电话应运而生。

　　IP电话以其经济、高效率和超时代的技术发展等特点，自1995年以来得到了迅猛发展，目前己成为数据语音通信中最有竞争力的技术之一，对传统的电信业务造成了巨大的冲击。许多国家开通了IP电话的运营业务。我国的IP电话试运营工作也己经起步，IP电话技术正呈现出蓬勃的生命力，必定推动信息产业的进一步发展。

　　从90年代初发展至今，已由初期的IP电话软件时期进入到IP电话网关时期。网络设备及通信设备厂商竞相在这个市场中取得立足之地，将VoIP功能尽可能地内置到每个网络设备中。目前的VoIP技术已从具有语音服务的PC初级产品和仅限定在IP网络内部范围，发展到多业务、高可靠性以及较好服务质量的含话音、传真、数据传送功能的电信业务等。

　　如今各国电信运营商都积极投入到VoIP网络系统的建设中，而正在发展的下一代网络标准更是将VoIP应用提高到决定性的高度，将在一个IP网络上同时实现视频/语音通讯以及数据业务，把传统的电话网络和IP数据网络合而为一，这也能够大幅度降低运营商的营运成本。

　　1.1 IP电话的基本原理

　　IP电话是在因特网上采用IP包(分组)为单位的包交换方式传送的语音业务，采用分组交换技术，其基本原理[4-10]是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送语音的目的。IP电话系统把普通电话的模拟信号转换成计算机可联入因特网传送的IP数据包，同时也将收到的IP数据包转换成声音的模拟电信号。经过IP电话系统的转换及压缩处理，每个普通电话传输速率约占用8~11kbit/s带宽，因此在与普通电信网同样使用传输速率为64kbit/s的带宽时，IP电话数是原来的5~8倍[11-13]。

　　图2-1是IP电话的典型应用。IP电话供一体化的语音和数据服务，LAN是用于连接工作站和电话的企业内部网络。

　　图2-1 IP电话的典型应用

　　IP电话的话音利用基于路由器/分组交换的IP( Intemet/Intranet)数据网进行传输。由于Internet中采用“存储一转发”的方式传递数据包，并不独占电路，并且对语音信号进行了很大的压缩处理，再加上分组交换的计费方式与距离的远近无关，自然大大节省了长途通信费用[14-15]。IP电话以Internet作为主要传输介质进行语音传送。首先，语音信号通过公用电话网络被传输到IP电话网关；然后网关再将话音信号转换压缩成数字信号传递进入Internet。而这些数字信号通过遍及全球而成本低廉的网络将信号传递到对方所在地的网关，再由这个网关将数字信号还原成为模拟信号，输入到当地的公共电话网络，最终将语音信号传给被叫方。IP语音分组的基本处理过程包括五个阶段：语音道数据的转换、原数据到IP语音包的转换、传送、IP包到数据的转换、数字语音转换为模拟语音。整个过程如图2-2所示。

　　图2-2 IP电话的语音传输原理

　　1.2 IP电话的基本结构

　　IP电话的系统一般由三个部分组成：电话终端(Phone Terimanl)、网关(Gatewav)和用户管理系统和关守(Gatekeeper)组成。

　　(1) 电话终端(PhoneTerminal)

　　终端是一个IP电话客户终端，可以是软件(如VocalTec公司的Internet Phone和microsoft公司的Netmeeting)或者是硬件(如专用的Interne七Phone)，可以直接连接在IP网上进行实时的语音或者多媒体通信。

　　终端的功能主要完成：音频解码器发送麦克风的音频信号编码，并将收到的信号解码输出到扬声器；系统控制单元终端提供信令控制。它提供对呼叫控制、功能交换、传送指令、描述逻辑通路等功能的支持，将音频、数据和控制信息流分组封装成消息输出到网络接口，并将从网络接口收到的消息还原成音频、数据和控制信息流，实现逻辑帧、顺序编号、检错和纠错功能。IP 电话终端也是本文将要实现的部分，将在后续中加以详细论述。

　　(2)网关 (Gateway)

　　网关是通过IP 网络提供电话到电话，完成话音通信的关键设备，即Internet网络与电话网、一线通SDN网之间的接口设备。网关的一边连接到传统的电路交换网，如PSTN，可以与外部的任意一台电话机通信；当网关完成当地电话网与Internet的接入与转换处理等。网关接收到标准电话信号以后，经数字化、编码、压缩处理，按IP 打包到Internet上，根据传输路由，通过Internet发送到接收端网关；反之，网关接收到Internet传送来的IP包，经解压缩处理后还原成模拟语音信号再转往电话网系统。网关可以同时接入和转出电话语音信号，实现全双工通信。网关的基本组成模块包括数据处理主机、语音模块、数据处理模块、数据接续模块和管理软件模块等。网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号映射为相应地区网关的IP地址，这些信息存放在一个数据库中。数据接续模块完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。在用户拨打长途电话时，网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的IP地址，并将此IP地址加入IP数据包中，同时选择最佳路由以减少传输延迟，IP数据包经Internet到达目的网关。在一些Internet尚未延伸到或暂时未设立网关的地区，可设置路由，由距离最近的网关通过长途电话网进行转接。

　　(3)用户管理系统

　　用户管理系统是为网络管理员提供的一种管理工具，IP 电话网络管理员可以通过它对各种组件进行管理，这些组件包括终端、网关、网守等。管理的功能包括设备控制、参数配置、端口配置、状态监测、拨号方案设置、均衡、鉴权及安全管理等。同时收集用户每一次呼叫产生的详细记录并上传到本地数据库，形成计费信息。负担对通话费用进行记录和整理，自动生成计费清单并为用户提供收费单据。

　　(4)关守 (Gatekeeper)

　　关守(G atekeper)是一个任选部件，但是对于实际运行的公用网上的IP电话系统来说，关守是一个不可缺少的重要部件。在逻辑上，关守是一个独立于端点的功能单元，然而在物理实现时，它可以装备在终端、MCU或网关中。关守相当于是网络中的虚拟交换中心，其功能是向节点提供呼叫控制服务。

　　1.3 IP电话的分类

　　IP电话有4种：电话到电话、电话到PC、PC到电话和PC到PC。

　　(1) PC到PC

　　最初IP电话方式主要是PC到PC，利用IP地址进行呼叫，通过语音压缩、打包传送方式，实现因特网上PC机间的实时话音传送，话音压缩、编解码和打包均通过PC上的处理器、声卡、网卡等硬件资源完成，这种方式和公用电话通信有很大的差异，且限定在因特网内，所以有很大的局限性。

　　(2)电话到电话

　　电话到电话即普通电话经过电话交换机连到IP电话网关，用电话号码穿过IP网进行呼叫，发送端网关鉴别主叫用户，翻译电话号码/网关IP地址，发起IP电话呼叫，连接到最靠近被叫的网关，并完成话音编码和打包，接收端网关实现拆包、解码和连接被叫。

　　)电话到PC

　　到PC是由网关来完成IP地址和电话号码的对应和翻译，以及话音编解码和打包。

　　)PC到电话

　　PC到电话也是由网关来完成IP地址和电话号码的对应和翻译，以及话音编解码和打包。

　　1.4 IP电话的关键技术

　　传统的IP网络主要是用来传输数据业务，采用的是尽力而为的、无连接的技术，因此没有服务质量保证，存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。数据业务对此要求不高，但话音属于实时业务，对时序、时延等有严格的要求。因此必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。IP电话的关键技术包括：信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量(QoS)保证技术、以及网络传输技术等。

　　(1) 信令技术

　　信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，目前被广泛接受的VoIP控制信令体系包括ITU－T的H.323系列和IETF的会话初始化协议SIP。

　　ITU的H.323系列建议定义了在无业务质量保证的因特网或其它分组网络上多媒体通信的协议及其规程。H.323标准是局域网、广域网、INTRANET和Internet上的多媒体提供技术基础保障。H.323是ITU－T有关多媒体通信的一个协议集，包括用于ISDN的H.320，用于B-ISDN的H.321和用于PSTN终端的H.324等建议。其编码机制，协议范围和基本操作类似于ISDN的Q.931信令协议的简化版本，并采用了比较传统的电路交换的方法。相关的协议包括用于控制的H.245，用于建立连接的H.225.0（注意标点符号的全角、半角！），用于大型会议的H。332，用于补充业务的H。450。1、H。450。2和H。450。3，有关安全的H。235，与电路交换业务互操作的H。246等。H。323提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性。它不依赖于网络结构，独立于操作系统和硬件平台，支持多点功能、组播和带宽管理。H。323具备相当的灵活性，支持包含不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。H。323建议的多媒体会议系统中的信息流包括音频、视频、数据和控制信息。信息流采用H。225。0建议方式来打包和传送。

　　H。323呼叫建立过程涉及到三种信令：RAS信令(R=注册：Registration、A=许可：Admission和S=状态：Status)，H。225。0呼叫信令和H。245控制信令。其中RAS信令用来完成终端与网守之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状态和脱离解除等过程；H。225。0呼叫信令用来建立两个终端之间的连接，这个信令使用Q。931消息来控制呼叫的建立和拆除，当系统中没有网守时，呼叫信令信道在呼叫涉及的两个终端之间打开；当系统中包括一个网守时，由网守决定在终端与网守之间或是在两个终端之间开辟呼叫信令信道；H。245控制信令用来传送终端到终端的控制消息，包括主从判别、能力交换、打开和关闭逻辑信道、模式参数请求、流控消息和通用命令与指令等。H。245控制信令信道建立于两个终端之间，或是一个终端与一个网守之间。

　　虽然H。323提供了窄带多媒体通信所需要的所有子协议，但H。323的控制协议非常复杂。此外，H。323不支持多点发送(Multicast)协议，只能采用多点控制单元（MCU）构成多点会议，因而同时只能支持有限的多点用户。H。323也不支持呼叫转移，且建立呼叫的时间比较长。与H。323相反，SIP是一种比较简单的会话初始化协议。它不像H。323那样提供所有的通信协议，而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能。SIP可以应用于多媒体会议、远程教学及Internet电话等领域。SIP既支持单点发送(Unicast)也支持多点发送，会话参加者和媒体种类可以随时加入一个已存在的会议。SIP可以用来呼叫人或机器设备，如呼叫一个媒体存储设备记录一个会议，或呼叫一个点播电视服务器向会议播放视频信号。

　　SIP是一种应用层协议，可以用UDP或TCP作为其传输协议。与H。323不同的是：SIP是一种基于文本的协议，用SIP规则资源定位语言描述(SIP Uniform Resource Locators)，这样易于实现和调试，更重要的是灵活性和扩展性好。由于SIP仅作于初始化呼叫，而不是传输媒体数据，因而造成的附加传输代价也不大。SIP的URLL甚至可以嵌入到web页或其它超文本链路中，用户只需用鼠标一点即可发出一个呼叫。与H。323相比，SIP还有建立呼叫快，支持传送电话号码的特点。

　　(2) 编码技术

　　话音压缩编码技术是IP电话技术的一个重要组成部分。目前，主要的编码技术有ITU－T 定义的G.729、G.723(G.723。1)等。其中G.729可将经过采样的64kbit/s话音以几乎不失真的质量压缩至8kbit/s。由于在分组交换网络中，业务质量不能得到很好保证，因而需要话音的编码具有一定的灵活性，即编码速率、编码尺度的可变可适应性。G.729原来是8kbit/s的话音编码标准，现在的工作范围扩展至6。4～11。8kbit/s，话音质量也在此范围内有一定的变化，但即使是6。4kbit/s，话音质量也还不错，因而很适合在VoIP系统中使用。G723。1采用5。3/6。3k bit/s双速率话音编码，其话音质量好，但是处理时延较大，它是目前已标准化的最低速率的话音编码算法。

　　(3) 实时传输技术

　　实时传输技术主要是采用实时传输协议RTP。RTP是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。RTP包括数据和控制两部分，后者叫RTCP。RTP提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制，可以让接收端重组发送端的数据包，可以提供接收端到多点发送组的服务质量反馈。

　　(4) 服务质量(QoS)保证技术

　　IP电话中主要采用资源预留协议(RSVP)以及进行服务质量监控的实时传输控制协议RTCP来避免网络拥塞，保障通话质量。

　　(5) 网络传输技术

　　IP电话中网络传输技术主要是TCP和UDP，此外还包括网关互联技术、路由选择技术、网络管理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议RTP提供具有实时特征的、端到端的数据传输业务，因此IP电话中可用RTP来传送话音数据。在RTP报头中包含装载数据的标识符、序列号、时间戳以及传送监视等，通常RTP协议数据单元是用UDP分组来承载，而且为了尽量减少时延，话音净荷通常都很短。IP、UDP和RTP报头都按最小长度计算。VoIP话音分组开销很大，采用RTP协议的IP电话格式，在这种方式中将多路话音插入话音数据段中，这样提高了传输效率。此外，静音检测技术和回声消除技术也是IP电话中十分关键的技术。静音检测技术可有效剔除静默信号，从而使话音信号的占用带宽进一步降低到3.5Kbit/s左右；回声消除技术主要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大回声干扰，保证通话质量。

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