VOIP培训资料之基础知识和技术演进篇

1、1.IP 电话的概念IP 电话通常被称作Internet 电话或网络电话，顾名思义，就是通过Internet 打 电话。从广义上说，它应被称为 Internet 电信，因为它包括语音、传真、视频传输等多种电信业务。2. IP 电话的基本原理IP 电话的话音是利用基于路由器分组交换的IP（ Internet 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，因此 IP 电话占用带宽仅为 8kbit S 10kbit S，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。In

2、ternet 是由众多各种不同的计算机网络互联组成的，遍布世界各地。Internet的出现和普及极大地改变了人们的交流和通信方式。Internet使用标准的 TCPIP 协议来实现各计算机之间的相互通信和数据交换。TCP IP 协议则负责将要传输的 IP 数据分组排队发送到网络上。 每个分组均包含地址及数据重组信息，以确保数据安全和数据分组交换正确无误。IP Telephony就是以 Internet 作为主要传输 介质进行语音传送的。首先，语音信号通过公用电话网络被传输到IPTelephony 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

3、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收话人。3. IP 电话系统的关键设备 -网关设在各地的网关由一个独一的IP地址表示，它是架通两种通信传输方式的一座桥梁，是Internet上的交换局 ”，以实现远程电话间的互联和通信，。在一边，网关连接传统的电路交换网（Circuit switched Network ）如公共交换电话网（PSTN ），可和外部的任意一部电话通信。在另一边，网关连接分组交换网（ Packet Switched Network ）如 Internet 、 Intranet 等，可

4、和接入网络的任 意一台计算机通信。在整个 Internet Phone 系统中，网关分布在世界各地，处理当 地的 PSTN 网与 Internet 的接入和转换理。网关接收标准电话信号，经数字化与大幅度地压缩后，使用 IP 协议进行分组送到 Internet ，找出传输路由，通过 Internet 发往目的地。反之，接收Internet 传输过来的数据分组，并转往电话网络系统。接入和转出电话网络系统可同时进行，实现全双工（双向）通话。例如在北京拨打一个到旧金山的长途电话，在北京，一个普通的公共电话通过PSTN 接入本地网关，本地网关对数据进行特定的压缩算法处理，组织成包含主、被叫号码、时间、通

5、话信息等数据的IP 分组，并分析被叫号码，根据路由表，把它映射成为一个IP 地址，通过路由选择，发往该IP 地址（如旧金山）对应的远端网关。而在被叫方旧金山，远端网关接收北京本地网关传输过来的IP 数据分组， 进行相反过程的解压缩，再发往其本地端的PSTN 网。这样，就实现了两地的实时通信。而其所包含的通信费用仅为北京本地普通电话费+Internet 通信费 + 旧金山本地电话费。由于 Internet 的通信费是较低的，所以长途电话费用大大下降。4. IP 电话话音质量话音质量基本取决于两个因素：一是上网通信线路的速度;二是 Internet本身 是否繁忙。 IP 电话话音质量与普通电话话音

6、质量相比主要有两个方面的差别：一、是话音滞后，二、有时略有失真现象。凡是使用过 IP 电话的人，普遍认为话音质量比想象的好，一般来讲介于普通电话与移动电话之间。为了提高话音质量，最直接的方法是扩大Internet 的接入速率，使用良好的Internet接入线路。5. IP 电话系统中的几个关键技术和标准(1)* IP 电话的基本标准Internet 电话的标准采用ITU T H.323 标准。 H.323 是 ITU 的多媒体通信协议 系列 H.32x 中的一个。 H.323 提供了基于IP 网络（包括 Internet ）的传送声音、 视频和数据的基本标准，它是一个框架协议，与之相关的传输、

7、控制及声音、视频压缩等标准见下表（表中还包含了多媒体在其余网络（ ISDN 、 PSTN ）中的系列协议）。H.323 定义了网络传输中的四种基本的构成单元：终端、网关、关守和多点控制器（ MCU ）。* 网络协议标准一般说来， Internet电话的呼叫建立和控制大多建立在TCP 基础上，而音频 流的传送则建立在UDP 基础上，为保证传送的实时性，IETF增加了几个重要的协议： RSVP （ ResourceReservationProtocol ）：一般说来，在 IP 网络上保留足够的带宽用于多媒体的传送是十分困难的，为此IEtF ，定义了资源预留协议（ RSVP ）。 RSVP 允许接收

8、者申请特定数量的带宽用以进行数据传输，有了RSVP ， 传统的无 QoS （ Qualityof Service ）保证的 IP 网络获得了 QoS保证。要能够使用 RSVP ，H.323的终端、网关、 MCU 等必须支持， IP 网络上的路由器等也必须支持，RSVP 在 RFC2205 RFC2209中定义。RTP RTCP （ Real TimeProtocol Real-Time ControlProtocol ）： RTP 是 IETF 定义的用以传送音频、视频流的协议，RTP 建立在 UDP 上，在 RTP 的头部，定义了一个时间戳（ TimeStamp ），使得音视频的实时传送及同

9、步得到保证。RTCP 则是控制和监视 RTP 及其 Qos 的协议。 H.323 是建立 RTP 基础上的。 RTP RCt 协议见 RFC1889和 C1890 。6. IP 电话系统中的几个关键技术和标准(2)* 语音编码标准 H.323 中定义了多种话音的传送，IETF 成立了 AVT （ Audio VideoTransport ）工作组用以进行话音传送的研究。目前，Internet 电话中常用的语音编码比特流速率如下：G.71164Kbit/s, G722 48 64kbit/s ， G.728 16kbit/s,G.723和 G.723.15.3kbit S 或 6.3kbit S

10、 ， G.729 和 G.729A8 或 13kbit s 。 在通话双方不说话时不传送话音数据能有效地节约带宽，但为防止静音压缩时通话听起来时断时续的感觉，建议在静音过程中加上背景噪声，IMTC 的 VoIP 论坛提出了可变参数的背景噪声传递方法。 *控制模块 H.323 的系统控制包括： H.245控制、 Q.931 呼叫信号控制和RAS 控制。 H.245控制信道是一个可信通道，用来承载控制信息用以对H.323 实体的操作。这些控制包括：性能交换、打开或关闭逻辑通道、优先级请求、流程控制信息以及基本的命令的指示等。呼叫信号通道利用Q.931 在两个终端间建立连接。RAS 信号通道完成注册

11、、访问权限、带宽改变及状态更新等。RAS 信号通道一般在终端和关守间建立，如果关守不存在，那么就没有了RAS 通道。IP 电话技术的演进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，目前已成为数据语音通信中最有竞争力的技术之一。全球许多国家开通了I P 电话的运营业务，我国的IP 电话试运营工作也已经半年有余，IP 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，IP 电话的发展，历经了两个初级阶段，目前正在高速地向第三个阶段演进统一融合。1 技术积累阶段在技术积累阶段，CTI 领域的专家提出语音传输的分组设想：所有的分组语音系统都遵循一种通用的

12、模式，分组语音传输网络可以采用IP 、帧中继或 ATM 。在这些网络的边缘设置称为“语音代理 ”的设备或部件，其任务是将语音信息从传统的语音格式转换为适用于分组传输的格式，然后通过上述网络将分组数据发送到目的地的语音代理设备上。语音代理连接模式在分组语音网络传输系统中需要解决两个问题，才能使分组语音服务满足用户的需要。首先是语音编码的转换， 即如何将语音信息转换为数字信号；另一个问题是信令转换，它主要是鉴别呼叫方所呼叫的对象，以及呼叫方在网络中的位置。人类的语言都是以模拟信号形式表示的，早期的电话模拟信号可以描述为平滑的“正弦波 ”，虽然模拟通信技术已相当发达，但是传输的效率不高，当传输衰减导

13、致模拟信号变弱时，要将复杂的模拟语音信息和传输噪声区分开来是很困难的。数字信号只有 “1和”“0两”种状态，易于同噪声区分开，而且不易发生畸变。因此，全球的通信系统已转换为数字传输格式，称为脉冲编码调制（PCM ）， PCM 将模拟语音转换为数字格式。 标准电话 PCM 使用 8位代码和8000 秒采样频率， 所以每一路电话占用64kb s 信道带宽，另一种称为自适应微分P CM （ ADPCM ）的电话语音标准将语音转换为4 位代码，因此仅占用32kbs ， ADPCM 通常用于长途线路。正是基于这样的技术，人们研制成功了第一代IP 电话设备，利用计算机上的声卡语音采集原理，将64kb s

14、的模拟语音转换为ADPCM 数字信号， 在 I nternet 上实现计算机到计算机的初级IP 电话功能。 这种系统由于主要是利用计算机来完成语音的压缩和控制，所以，一般只能实现一路话音的实时通信。例如，在 PII233 的计算机系统上最多只能完成4个话路的语音通信。在这灰系统中，比较实用的IP 电话系统有很多，如 Vocaltec 的 IPhone 、Microsoft的 Netmeeting 系统等。第一代 IP 系统的研制成功，激起了人们对 I P 电话系统的极大兴趣，从而，推动了IP 电话技术的应用研究，人们希望像一般电话系统一样来使用IP 电话系统。2 实用阶段IP 电话的第二个发展

15、阶段是在第一个阶段的基础上的飞跃，它不但可以实现像PSTN 系统一样使用 IP 电话系统进行通信，而且也可以实现大话务量的呼叫。利用目前的P STN 交换系统，进行IP 电话的通信的阶段称为 “实用阶段 ”。实用阶段的 IP 电话主要是一个网络接入设备，它完成数据网络传输和PSTN 的转接功能。一个实用的I P 电话接入终端系统（我们称之为Gateway ），一般包括五个部分：建立和控制电话的接续、通话和拆线工作语音压缩和数据编码处理数据网络传输和控制：系统维护部分用户信息管理这类系统仍是组建在计算机系统上的，但它不是终端用户设备。所以，对一般用户来说，只需要一个电话机，即可实现IP 通信。下

16、面我们来研究各部分的功能及实现方法。2.1 建立和控制电话的接续、通话和拆线建立和控制电话的接续、通话和拆线是 IP 电话系统和 PSTN 的信息交换界面， 也是目前的一般电话系统向Internet Intranet 转换的出入网关。 这部分的工作主要是通过对电话卡（例如 E1卡）的编程控制来实现。由于 E1 卡可以接受 PSTN信息，并去掉有关的信令，录制成为纯数字语音信号，所以，信令的转换工作基本上由 E1卡来完成。 但在一个完整的I P 电话网关中， 各个部件之间必须相互交流信息，协调工作。E1卡和语音压缩卡之间，语音压缩卡和网卡（NIC ）之间，以及各部件和用户界面之间，都需要充分的信

17、息交换。这些信息的交换，可以通过状态机的行为来控制。2.2 电话的接续和拆线工作首先，由 PSIN 上的主叫用户 A 摘机，发端 Capitel收到主叫用户的摘机信号后，向主叫用户送拨号音或）IVR （交互式语音应答）提示。主叫用户听到拨号音，开始拨号，将被叫号码送到A 端交换机 Capitel 。A 端 Capitel根据被叫号码选择IP 地址和最佳路径，并在选择好的路径上向B 端 Capitel 发送通道占用信号，即由 A 端 Capitel的出信号占用 B端 Capitel 的入信号。然后由A 端的 Capitel 将被叫号码送往B 端的 Capitel 。（注：本系统以北京邮电通信设备

18、厂的Capitel IP 电话系统为例）。B 端的 Capitel根据被叫号码，将纯数字信号转化为PCM 信号送到 B 端的 PSTN 上，接通被叫用户。被叫用户摘机应答，并将摘机信号送到 B 端的 Capitel上，再由 B 端 Capitel 转发给 A 端 Capitel ，双方开始通话。 当通话结束时，若 A 端用户先挂机，则主叫用户向Capitel 送复原或拆线信号，并由B 端 Capitel将此信号发送给 B端的PSTN ；若 B 端用户先挂机，则B 向 A 端 Capitel 送复原或拆线信号，一切复原。2.3 语音压缩的数据处理语音压缩主要是对语音信号进行压缩处理，常用的语音处

19、理方法有：G.711 、G.722 、 G.729 和 G.723 ，这些压缩算法必须在硬件上处理完成，否则，就不可能实现大话务量的呼叫任务。本部分可以利用程序来控制语言压缩卡，使它根据我们的需要对语音信号进行实时的处理。当语音数据采集完成后，必须放人内存中，在采集的过程中。第一步必须采集无压缩的数字信号，然后经压缩处理后，按要求的结构送到指定的内存，并在C PU 的控制下，利用DSP 中的算法，进行相应的数据压缩处理。经过压缩处理后的语音信号，再经过分组和编码，形成标准的数据包，然后将这些封包的数据按流的形式送到网络中进行传输。2.4 数据编码处理数据编码处理是H.323 模块所要完成的主要

20、工作，它是涉及语音数据发送格式能否在互异系统上相互接收的关键，该协议于1996 年 5 月 2 8 日由 ITU 公布，目前已广泛用于多媒体数据通信中，它是使用在综合业务数字网（ISDN ）中的一个多媒体通信协议。具体的协议标准包括：H.255.0（呼叫处理协议），H.245 （控制处理协议），H.261和H.263 （视频处理协议），T.12O （数据处理协议）。在IP电话系统中，这部分工作主要完成如下任务：实时音频编码处理控制协议数据传输协议2.5 网关之间的数据交换网关之间的数据交换，是IP电话系统发展中十分重要又非常困难的技术。尽管IP电话生产厂家都声称他们的设备满足H.323标准协议

21、的基本要求，但在H .225和 H.245及 Q.931的具体处理过程中，每个厂家有各自的处理方法。就 IP电话的创始厂家 Vocaltec 和北京邮电通信设备厂的Capitel IP 交换机系统对比来说，这两家的产品都满足H.323的规范，但在 H.323协议中 G 集的处理上却截然不同，因为 H.323中没有明确说明 G 集的处理方法。 Vocaltec 公司采用了三步的编码方式来进行H.323包的封装，而 Capitel IP交换机系统则采用了中国标准的八步编码方式来进行H.323包的封装，这样，在两家的产品进行相互通信时，由于 H.323 包的封装方法不同，对收到的H .323包的解释

22、不同，就出现了不兼容的情况。序号 要求网关支持 G.729A 和 G.723 的多媒体数字信号编解码器协议。G.729A 优先支持，其次，支持G.723.1网关支持 DTMF 和 MF 解码和编码（呼出时），最终用哀悼可以使用IVR 系统 关口支持与交换中心的关口的互通 关口支持协议 H.323 V2 中的 “快速建立设置 ”关口和网关之间可以传递端到端的信息记录代码关口可以利用结算系统和来自结算系统的运营商的呼叫确认，进行认证呼叫详细记录可以实时产生并实时传递到结算中心 销售符合 iNOW ！2.0 版本的网关及关口，首先必须要利用iNOW ！的权威组织，圆满地完成 iNOW ！组织的认证程

23、序对于结算中心的呼叫，通过结算中心和终端的信号，iNOW ！平台提供兼容能力 提供关口和结算系统的互通功能可以传送关口路由呼叫信令和终端路由呼叫信令至少 24小时内，本地关口时钟可与准确、可信的时间源保持同步利用下列算法，可以在结算系统CDR 中生成终端源代码：H.323+1000 Q.931 网关支持 T.38传真协议。强制支持TCP UDP IP 和 V.21 ， V.27 V.17有关结算系统呼叫，关口将保证信息的完整性针对目前无通用国际标准的情况，在1999 年 1月由 Lucent 、Itexc 和 Vocaltec 三家公司联合制定了 IP 电话工业标准 iNow! 协议，该协议主

24、要包括五个方面的内容：Gateway 到 Gateway 的互通要求Gatekeeper到 Gatekeeper的互通要求 Gatekeeper 到结算中心的互通要求Phone 到 Phone 的服务要求FAX 到 FAX的服务要求在满足上述要求的同时， 信息交互处理过程必须在结算中心的控制下完成。不同区域的 IP电话运营商，可通过结算中心完成各种认证和交换工作。在iNow! 协议中，接续和拆线的处理过程也有严格的定义，从而保证了不同厂家的产品在接续和拆线的处理上, 可以相互兼容。 iNow! 协议在规定算法和信息交换规范的同时，也规定了各种详细的报文格式。这样不同厂家应用该协议的时候，不会产

25、生异议，使各 I P 电话生产厂家的产品可以相互兼容。然而，美好的愿望不等于现实，INOW! 协议自从其诞生以来，就存在着许多问题。首先它是对H.323 协议的补充，它没有定义新的协议，它仍然局限在H.323 协议的范围内。 H.323 协议在网络层的不完整性和对传输的无保证性等方面的不足，iNOW! 协议也不可能解决。其次， iNOW! 协议为行业标准，目前还没有得到I TU 的支持。所以，尽管 iNOW! 协议推出一年多来，有许多厂家支持该协议，但声称支持该协议的厂家的产品也不相互兼容。中国 IP 电话系统，经过半年多的试运营，针对目前 IP 电话系统存在的问题，在信息产业部的组织下，结合我国的网络情况和用户反映的问题，制订出了中国的 I P 电话兼容性标准和性能要求，并在有关单位的配合下，进行了IP 电话设备的入网测试和认证工作，取得了良好的效果。3 技术融合网络的发展正向宽带化、智能化方向演进，目前电路交换和分组交换的相互融合，正是这种趋势发展的必然结果，由于分组交换传输效率高、费用低，它将逐步代替目前的电路交换网络。多种接入网络（无线、xDSL 、Cable 、光接入等）将成为一个统一包交换的骨干网络。在未来的网络架构中，7 号信令系统将和IP网络并存一定的时间，它将在IP 网络中扮演重要的角色。在各种网络融合的趋势中，一个明显的变化就是，过去电路交换机强大的功能，正在