VoIP原理.pdf

内部资料 1 一一 VoIP 原理概述原理概述 VoIP Voice over Internet Protocol 中文就是 通过 IP 数据包发送实现的 语音业务 利用 IP 网络传送语音 通过语音设备将模拟的声音讯号进行压缩编 码处理 然后再把这些语音数据根据相关的协议进行压缩与封包 以数据封包的 形式在 IP 网络进行语音讯号的传输 送到目的地后再把这些语音数据包串起来 经过解压解码处理后 恢复成原来的语音信号 从而达到由 IP 网络发送语音的 目的 二二 VoIP 的传输过程的传输过程 传统的电话网是以电路交换方式传输语音 所要求的传输宽带为 64kbit s 而所谓的 VoIP 是以 IP 分组交换网络为传输平台 对模拟的语音信号进行压缩 打包等一系列的特殊处理 使之可以采用无连接的 UDP 协议进行传输 为了在一个 IP 网络上传输语音信号 要求几个元素和功能 最简单形式的 网络由两个或多个具有 VoIP 功能的设备组成 这一设备通过一个 IP 网络连接 VoIP 模型的基本结构图如图示 从图中可以发现 VoIP 设备是如何把语音信号转 换为 IP 数据流 并把这些数据流转发到 IP 目的地 IP 目的地又把它们转换回到 语音信号 两者之音的网络必须支持 IP 传输 且可以是 IP 路由器和网络链路的 任意组合 因此可以简单地将 VoIP 的传输过程分为下列几个阶段 接收器 模数 压缩 IP封装 接收器 解压缩 数模 播放器 分 组 内部资料 2 1 语音 数据转换 语音信号是模拟波形 通过 IP 方式来传输语音 不管是实时应用业务还是非实 时应用业务 首先要对语音信号进行模拟数据转换 数字化可以使用各种语音编 码方案来实现 2 原数据到 IP 转换 IP 网络不像电路交换网络 它不形成连接 它要求把数据放在可变长的数据包 或分组中 然后给每个数据包附带寻址和控制信息 并通过网络发送 一站一站 地转发到目的地 3 传送 在这个通道中 全部网络被看成一个从输入端接收语音包 然后在一定时间 t 内将其传送到网络输出端 网络中的同间节点检查每个 IP 数据附带的寻址信息 并使用这个信 息把该数据报转发到目的地路径上的下一站 网络链路可以是支 持 IP 数据流的任何拓扑结构或访问方法 4 IP 包 数据的转换 目的地 VoIP 设备接收这个 IP 数据并开始处理 在数据报的处理过程中 去掉寻 址和控制信息 保留原始的原数据 然后把这个原数据提供给解码器 5 数字语音转换为模拟语音 语音信号在 IP 网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换 数字语音封 装成 IP 分组 IP 分组通过网络的传送 IP 分组的解包和数字语音还原到模拟信 号等过程 最后转换成喇叭 听筒或耳机能播放的模拟音讯 三三 VoIP 的优势的优势 VoIP 最大的优势是能广泛地利用 IP 互连的环境 网络必须支持 IP 传输 且 可以是 IP 路由器和网络链路的任意组合 开放性及兼容性 传统 PSTN 是属封闭式架构 但 IP 网络则属开放式架构 采用国际电信组织不断拟定及修改的标准协议 来达到不同产品间的兼容性问 题 以及 IP 电话与传统电话的互通性 与传统的 PSTN 相比 VoIP 发展上的最大特色及区别 就是在多媒体的应 用上 在可预见的未来 VoIP 将可提供交互式电子商务 呼叫中心 企业传真 多媒体视讯会议 智能代理等应用及服务 提供更多 更好的服务 内部资料 3 四四 VoIP 的的系统构成系统构成 在一个基本的 VoIP 架构之中 大致包含 4 个基本元素 媒体网关器 Media Gateway 主要扮演将语音讯号转换成为 IP 封包的角色 具 备将媒体数据流及 IP 封包转译成不同网络所支持的各类协议 媒体网关控制器 Media Gateway Controller 又称为 Gate Keeper 或 Call Server 主要负责管理讯号传输与转换的工作 语音服务器 主要提供电话不通 占线或忙线时的语音响应服务 信号网关器 Signaling Gateway 主要工作是在交换过程中进行相关控制 以 决定通话建立与否 以及提供相关应用的增值服务 媒体网关 MG 又分为 AG 接入网关 TG 中继网关 和 SG 信令网关 网关常见的语音接口 FXS Foreign eXchange Station 外部交换站模拟接口 该接口可以接标准电话 机 传真机等传统语音终端设备 FXO Foreign eXchange Office 外部交换局模拟接口 通常连接到交换机的模 拟电话口 FXO 接口就象一个标准电话一样 要求拨号音来进行呼叫 E M Ear Mouth 接口 该接口支持模拟 E M 信令 提供挂机和摘机信号 并使干扰较小 E M 之间可互连 一般与 PBX 相连 FXS 适合接入少量话机的场合 FXO EM 适用于接入 PBX 的场合 E 数字语音接口 数字传输 可靠信高 中继容量大 连接 PBX 的 E1 中继 支持 30 路话音 内部资料 4 五五 VoIP 处理技术处理技术 语音编解码语音编解码 有效载荷格式 定义速率 打包速率 ms 有效载荷 字节 所需带宽 kbps G 711A u 64K 20 160 85 6 G 729 8K 20 20 29 6 G 723 1 5 3K 5 3K 30 20 19 8 G 723 1 6 3K 6 3K 30 24 20 8 注 IP 包头大小为 42 字节 RTP 包头为 12 字节 所需带宽 包括 IP 和 RTP 包头大小 带宽计算 160 12 42 8 1000 20 85 6Kbps 网络协议网络协议 VoIP 是以 IP 分组交换网络为传输平台 对模拟的语音信号进行压缩 打包等一 系列的特殊处理 使之可以采用无连接的 UDP 协议进行传输 VOIP 信令协议 用于建立和取消呼叫 传输用于定位用户以及协商能力所需的信息 目前 存在 一些 VOIP 协议栈 它们源于各种标准团体和提供商 如 H 323 ITU T 标准 SIP IETF 标准 MGCP Cisco 和 Telcordia 标准 和 MEGACO H 248 IETF 和 ITU T 共同标准 静音压缩 VAD 语音缓冲区动态调整 语音丢包补偿技术 内部资料 5 六六 世纪网通的世纪网通的 VoIP 典型组网方案典型组网方案 卫星应急通信卫星应急通信案例案例 1 应用环境 卫星数据通信系统 Ku 频段 C 频段 一般由中心站 企业站 远端站 含海 上远端站 便携站及车载站的卫星通信设备 组成 2 需求分析 1 总体需求分析 在现有的卫星数据通信网上搭建 IP 语音通信系统 总体需求如下 各级采用 Ku 频段卫星数据通信传输 实现中心站 企业站 远端站之间免费通话 电话接入方式含有直线接入 数字或模拟中继接入 并能电信运营商出局互联 实现原有的号码不改变 原有的拨号习惯不改变 现有网络拓扑和设备资源不改 变 实现一机双号 支持智能路由和断电保护 能提供丰富的 VoIP 呼叫多业务 满足未来通信话务量增长需求 并且能方便地对系统进行升级或扩容 2 拓扑结构要求 话音采取网状网的拓扑结构 企业站与中心站之间可以通过地面线路或卫星线路 进行连接 远端站通过卫星单跳可以与中心站及网内任意一个企业站连接 远端 站间可通过卫星以单跳或双跳连接 如下图所示 内部资料 6 3 话路特性要求 话音编码方式 应支持 G711 G 723 G 729 编码方式 传真业务 支持 G3 类传真 4 8 7 2 9 6 12 0 14 4 Kbps 本地号码分析能力 具备 用户接口及信令 提供 RJ11 接口并支持 DTMF 信令 中继接口及信令 提供 E1 接口并支持 ISDN PRI 中国一号信令 中心站及企业站 120 欧姆平衡 远端站 75 欧姆非平衡 传输链路支持 TDM 方式 统计复用方式 支持多链路负载均衡及自动重路由 支持线路提取时钟和内部时钟 2 种方式 内部时钟精度高于 1PPM 4 接口能力 中心站支持话音路数 30 路 FXS 或 E1 企业站支持话音路数 12 路 具备 FXS FXO 远端站支持话音路数 2 路 网络接口 LAN 口 数量 1 5 网络功能 IP 业务 支持 编解码时延 端到端时延 不包括卫星传输时延 G 729 编码 150ms G 723 编 码 200ms VLAN 符合 802 1Q 标准 6 传输方式 支持卫星单跳数据传输 说明实现方式 支持卫星单跳话音传输 说明实现方式 7 系统安全 存取控制 具有防止非法存取和越权行为的措施 包括鉴别技术与措施 应具备 NMS 用户鉴权和 VSAT 用户鉴权方式 信息安全 具备信息安全功能 可以进行加密 传输安全 可以通过跳频来防止信号被捕获 支持对 VLAN 的划分 达到各虚拟子网之间逻辑的隔离 8 接口标准化 用户数据接口 话音接口 室外射频接口 中心站 RJ45 100 10BaseT 自适应 E1 或 FXS FXO 无 企业站 RJ45 100 10BaseT 自适应 E1 或 FXS FXO L 频段 50 75W 远端站 RJ45 100 10BaseT 自适应 FXS RJ11 二线环路 接电话 单机 L 频段 50 75W 内部资料 7 9 中心站需求分析 设计容量 可以管理的小站数 5000 可以容纳的最大的逻辑分组 如 VLAN VPN 小站组等 数目 应大于 50 每一个逻辑分组可以容纳的实际设备的数目应大于 1000 可以支持的远程操作台的数目 25 具有扩展至 70 个的能力 可以管理的转发器的数量 10 响应速度 配置操作完毕至配置生效的时延应不大于 5s 被管设备变更至网管对这些变更同步完毕的时延应不大于 3s 用户的统计 查询操作至结果呈现给用户的时延应不大于 6s 用户在各个操作界面间切换的时延不大于 1s 号码处理 建立并存储系统内的用户号码 能对系统内的用户指配电话号码 可对用户号码定义优先级别 存储 分析的号码长度应不少于 20 位 网管功能 拓扑管理 故障管理 配置管理 计费管理 性能管理 安全管理 升级 加载管理 信令管理 测试管理 备份与负载均衡 信道板 或模块 备份为 M N 切换时间不大于 30 秒 数据库具备实时备份能力 并可随时进行切换 负责系统内电话的呼叫控制及处理 当与公网联系中断时 系统内部电话之间应能正常通信 中继网关应支持以多个局向与公网的关口局连接 分别疏通 不同业务或对话务进行负荷分担 10 企业站需求分析 企业站网管权限及功能应由中心站网管分配 可将所辖区内远端站看成一个独立的网络进行管理 与其它非所辖远端站实现逻 辑上隔离 可对所辖远端站进行配置 可对所辖远端站的电话号码和 IP 地址进行分配和管理 可对远端站外接的话音网关交换机进行管理 可对所辖远端站进行 VLAN 划分 11 远端站需求分析 应具备在恶劣供电环境下进行正常工作的能力 电压适应范围 交流 100 240 远端站功耗低 2W ODU 忙时功耗 60W 闲时功耗 30W 具有收发电缆错接及接地保护措施 内部资料 8 机壳应在保证散热的情况下 尽量封闭 机壳材料应可抵抗盐雾的侵蚀 工作温度 IDU 0 40 ODU 30 55 散热方式 自然散热或风扇散热 组播能力 不仅支持中心站到远端站的组播 还支持远端站到企业站及各远端站 的组播功能 遥闭 中心站网管 或企业站网管 紧急情况下 可以将远端站发射载波关闭 使 其停止工作 告警 可通过 LED 指示灯 特殊鸣音或其它方式进行告警 本地显示 通过本地接口读取或可通过液晶屏显示信噪比 编码方式等参数 3 解决方案 1 方案拓扑 2 拓扑说明 根据业务需求 建立由中心站 企业站 远端站组成的二级树状卫星网络拓扑结 构 企业站与中心站间可以通过地面线路或卫星线路进行连接 远端站通过卫星单跳 可以与中心站及网内任意一个企业站连接 远端站间可通过卫星以单跳或双跳连 接 各远端站 企业站均与中心构成星状连接 中心站说明 放置软交换和 SmartBilling 计费系统两套 主从备份 软交换管理和分配远端站 企业站的号码和呼叫权限 主要作用是与全网各站进 行通信 进行全网的监控管理 完成主要话音业务的交换 SmartBilling 计费系统管理远端站 企业站的通话权限 通话记录及查询 以及 内部资料 9 话费分级核算和统计 CNView 网管服务器针对整个接入网关进行远程维护 方便管理 数字中继网关采用 E1 跟数字交换机对接 世纪网通 CNG3000 E1 网关 除了具有常规 FXS 口 还具有 E1 LAN 口 可以 作为卫星线路备份 通过 E1 线路传输语音数据 企业站说明 企业站用于分担中心站的业务压力 完成部分话音业务交换 对所属远端站进行 业务和资源管理及监控 有数字中继 PBX 的企业站 采用 CNG8000 中继网关的 E1 连接 对于需要 E1 线路作为卫星线路备份的企业站 可以采用世纪网通 CNG3000 E1 的 E1 LAN 口与中心站相应设备连接 通过 E1 线路传输语音数据 针对线路要求比较少的 又配有交换机的 采用 FXO 口连接 PSTN 直线或虚拟 网 对应的 FXS 口连接交换机的进线口 远端站说明 远端站可与中心站 企业站通过单跳或双跳通信 对于有 PSTN 线路的远端站 采用 FXO 口连接 PSTN 直线或虚拟网 对应的 FXS 口连接话机 CNG 系列接入网关具有数据交换功能 根据需要 可以作为传统的网络交换机 使用 4 设备选型 软交换系统 基于标准 VoIP 协议的软交换在系统中承担合法性认证 地址解析 监控 管理的任务 是管理 维护 配置 VoIP 内部电话系统必备的核心设备 计费系统 SmartBilling 计费系统可以对 VoIP 电话系统网内的每一台网关的呼叫进行统计管理 可以限 制所有端口的呼叫权限 可以保存所有呼叫清单 并可以按照时间段 呼叫区间 主被叫号码等通过 WEB 页面分类查询 CNView 网管系统 对网络中的 IP 语音设备进行拓扑管理 故障管理 配置管理 性能管理 安全管理 升级 加载管理 信令管理 测试管理等 CNG8000 中继网关 提供 E1 中继接口 实现 VoIP 和传统 PSTN 互通 支持 1 32 个 E1 每个 E1 支持 30 路语音 CNG 系列语音网关 CNG1000 CNG3000 CNG3000 含有 1 2 4 8 16 24 32 几种端口选型 是专门 针对卫星应急通信定制的产品 作为卫星线路的备份 CNG 系列网关支持 H 323 SIP 协议 语音传输效果清晰 舒适 是 VoIP 电话系 内部资料 10 统的终端接入网关 5 方案特点 为了确保在卫星通信网环境下 确保 IP 电话系统的通信不间断 无故障 世纪 网通软交换平台支持 1 1 备份功能 CNG 系列接入网关实现智能路由 断电保 护等功能 1 软交换智能备份及灾难后恢复说明 世纪网通软交换系统支持 1 1 数据同步备份 同时做到异地同步数据备份 2 接入网关灾难后的不间断通信说明 如图 对于有 PSTN 的线路的站点 可以采用 FXS FXO 的设备 在 IP 电话系统项目 中 如果出现网络不通 或断电等灾难性情况 世纪网通接入网关 内置智能路 由 断电保护 以及 O 口逃生功能 保证内部的正常通话 PSTN 直线或虚拟网连接 FXO 口 对应的 FXS 口连接电话机 实现一机双号功能 从 PSTN 直线或虚拟网拨入 或从其他 IP 电话拨入 同一 部话机接听 世纪网通的接入网关具有 O 口逃生 断电保护功能 当停电时 PSTN 拨入 电 话机同样能接听 摘机后 采用原有 PSTN 直线或虚拟网拨打电话 世纪网通的接入网关支持智能路由功能 当数据网络不通时 根据内置的网络不 通自动走 PSTN 线或虚拟网功能 自动走 PSTN 线或虚拟网拨打 世纪网通的接入网关同时支持主服务器 备份服务器的 IP 地址和端口设置 当 主服务器出现故障时 自动调转到备份服务器 通过备份服务器实现 IP 电话拨 打和接听 3 CNG 系列网关在卫星环境突出优点 占用超低带宽 经卫星调制解调器处理每路通话可控制在 8k 以下 NOB 可以解决卫星延时问题 延时达到 1000ms 时 实现传真功能 网关可以多次呼叫促使卫星建链 端口的固定方便 qos 保障 短时间断网 不需挂机 网络恢复可以恢复正常通话 EMC 电磁屏蔽 达到 10kb 以下 通话更安全 512 条大容量路由 方便应用于卫星的网状