第10章IP电话

1、本章提要：IP电话是建立在Internet基础上的新型数字化传输语音的技术。其基本原理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TCPIP标准进行封装打包，经过IP网络把数据包送至接收地，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，从而达到由互联网传送语音的目的。IP电话通常使用RTP,RTCP和RSVP等协议来保证语音对传输实时性的要求。IP电话系统由终端、网关、关守、网管服务器和计费服务器等组成。在路由器上配置IP电话的基本步骤是：完成拨号号码规划及IP电话网络拓扑图；配置语音端口；配置Voice over IP的有关参数。10.1 IP电话

2、的基本原理与技术随着Internet的深入应用与发展，各种数据业务持续快速增长。可以预见，目前数据通信的主导技术IP将成为未来信息通信的基础。各种业务可由IP包来承载（Everything over IP），而IP信息流又可以在各种传输媒体中传送（IP over Everything），并以IP网为基础，最终实现数据、话音、图像业务融合和网络融合。传统的电话网络采用模拟技术，专网专用，呼叫建立后通话双方之间的线路被独占。所以传统电话业务的成本较高，且用户费用随距离增加而增多。VoIP (Voice over Internet Protocol)也称为网络电话，IP电话，IP Phone，Int

3、ernet Telphone等等，它是建立在Internet基础上的新型数字化传输技术，是Internet网上通过TCPIP协议实现的一种电话应用。这种应用包括PC对PC连接、PC对电话连接、电话对电话的连接，其业务主要有Internet或Intranet上的语音业务、传真业务（实时和存储转发）、Web上实现的IVR（交互式语音应答）业务等等，另外还包括Email、实时电话、实时传真等多种通信业务。本章主要介绍IP电话的基本原理，并举例说明Cisco路由器在构建IP电话系统方面的应用。IP电话的基本原理是：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TCPIP标准进行打包，

4、经过IP网络把数据包送至接收地，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，从而达到由互联网传送语音的目的。VoIP的核心与关键设备是IP网关。网关具有路由管理功能，它把各地区电话区号映射为相应的地区网关IP地址。这些信息存放在一个数据库中，数据接续处理软件将完成呼叫处理、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，以减少传输时延，IP数据包经Internet到达目的地的网关。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，由最近的网关通过长

5、途电话网转接，实现通信业务。IP电话充分利用了数据业务交换成本低的优势，降低了每次呼叫和通话的成本。通过数据业务网络，使用语音压缩和静音抑制技术，能够提供廉价的、通话质量也还不错的电话业务。10.1.2 IP电话的工作过程和关键技术无论哪种形式的IP电话，其工作过程都是在源端把语音信号转换成数字信号，然后在IP网络上传输，再在目标端接收。1. IP电话的实现过程IP电话的实现过程涉及下列阶段,如图10.1所示：图10.1 IP电话的工作过程语音到数据信号的转换数据的IP封装打包传送IP数据包的拆封数字语音转换为模拟语音。其中数字信号与模拟信号之间的转换过程，在本书中不做讨论。对数字信号进行压缩

6、编码，IP打包的过程以及对IP包进行解压还原成原始数据信号的过程，为IP电话的关键技术之一媒体编码技术。而IP包在IP网中的数据传输过程，就是IP电话的另一项关键技术话音分组传输技术。在IP电话中要使摘机、拨号、通话等等传统电话的基本业务乃至其他增值业务能够顺利实现，则需要第三项关键技术控制信令技术。IP网络与电路交换网络不同，它不形成连接，它要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报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。所以IP电话相对于传统PSTN网络电话的缺点就在于它的实时性，怎样保证语音信号的清晰、连贯和话音的质量成为要解决的技术难点。控制信令技术中的

7、媒体实时传输技术和业务质量保障技术为此提供了有效的保障。2. 实现IP电话的关键技术1）媒体编码技术为了节约带宽，保证话音质量，对原始语音数据必须进行高效率的压缩编码。通常采用以码本激励线性预测（CELP）原理为基础的G.729、G.723（G.723.1）话音压缩编码技术。话音压缩编码技术是IP电话技术的重要组成部分。2）话音分组传输技术在IP网络传输层有两个协议：TCP和UDP。TCP是面向连接的、提供高可靠性服务的协议；UDP是无连接的、提供高效率服务的协议。高可靠性的TCP用于一次传输要交换大量报文的情况，高效率的UDP用于一次交换少量的报文或实时性要求较高的信息。通常的话音数据单元是

8、用UDP分组来承载的。而且为了尽量减少时延，话音净荷通常都很短。3）控制信令技术媒体的传输技术保证了话音的传输，而控制信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，并且可以实现各种高级的电话业务，如类似PSTN上的智能网（IN）业务，综合业务数字网（ISDN）上的补充业务。目前被广泛接受的VoIP控制信令体系包括ITU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Internet或其他分组网络上多媒体通信的协议及其规程。这些分组网络主宰了当今的桌面网络系统。因此，H.323标准为局域网、广域网、Intranet和Internet上的多媒体提供技

9、术基础保障。b. SIPSIP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。c. RTP/RTCPRTP是提供端到端的实时数据（包括音频和视频）传送的协议，可以用于媒体点播以及交互式通信等方面。RTP包括数据和控制两部分，后者叫RTCP。RTCP支持In

10、ternet内任何规模大小的实时会议。RTCP监测服务质量并传送会议参加者的信息，它不支持不同媒体之间的同步。需要指出的是，RTP本身并不提供任何机制保证及时传送，也不保证任何服务质量，而是依赖于低层协议提供这些服务。从这种意义上讲，RTP似乎名不符实。但是应该知道，Internet本身是一种不保证服务质量的网络，目前还没有一种端到端的协议可以保证及时传送。d. RSVP资源保留协议（RSVP）为IP路由器提供保证服务质量（QoS）的方法。传统的IP路由器只负责包转发，通过路由协议获得邻近路由器的地址，而RSVP则类似于电路交换系统的信令协议一样，为一个数据流通知其所经过的每个节点（IP路由器

11、），预示各个节点所要接收的数据包流的属性，如带宽、最大突发量等，与端点协商为此分组流提供质量保证。10.2 IP电话的组成IP电话系统由一系列组件构成，分别完成各阶段的工作，其中包括：终端网关关守网管服务器计费服务器1.终端（Terminal）IP电话终端完成的工作是语音/数据转换和数据压缩编码。IP电话的终端可以有多种类型，其中包括传统的语音电话,ISDN终端,PC。也可以是集语音、数据和图像于一体的多媒体业务终端。由于不同种类的终端产生的数据源结构是不同的，要在同一个网络上传输，这就要由网关或者是通过一个适配器进行数据转换，形成统一的IP数据包。在未来，终端的发展趋势应当是标准和规格统一的

12、，以减少数据转换带来的开销。2.网关(Gateway)这里的网关是指Internet 电话网关。由于传统电话网络PSTN的存在的广泛性和使用的普遍性，在相当长的时间内，IP电话系统要充分发挥其优势，就必须考虑与PSTN的互通问题。这就要在IP网与PSTN交换机之间配置IP电话网关，以实现媒体流与控制信令的互连互通。网关负责提供IP网络和传统的PSTN接口，从而提供廉价的长途通信业务。网关可以支持多种电话线路，包括模拟电话线、数字中继线和PBX连接线路，并提供语音编码压缩、呼叫控制、信令转换、动态路由计算等功能。网关负责IP包/数据包之间的转换以及控制信令的生成，是整个系统的关键设备。Cisco

13、 2600系列路由器就可以充当这样的网关，配置见后。3. 关守（Gatekeeper）关守实际上是IP电话网的智能集线器，是整个系统的服务平台，负责系统的管理、配置和维护。关守提供的功能有拨号方案管理、安全性管理、集中账务管理、数据库管理和备份、网络管理等等。4. 管理服务器管理服务器是为网络管理人员提供的管理工具，可以实现对IP电话网络体系中各种组件的管理工作。网管服务器提供良好的用户界面，使网管人员可以方便地控制所有的系统组件，包括网关、关守等。网管服务器的功能包括：设备的控制及配置，数据配给，拨号方案管理及负载均衡、远程监控等。5. 计费服务器计费服务器的功能是对用户的呼叫进行费用计算，

14、并提供相应的单据和统计报表。计费服务器可以由IP电话的制造商提供，也可以由第三方厂商制作，但是要IP电话制造商开放其软件的数据接口才行。 10.3 Internet 电话网关及其通信流程Internet电话网关（Internet Telephony Gateway，ITG）负责提供IP网络和传统的PSTN接口，它在网络中的位置如图10.2所示。由于ITG对于呼叫方和被叫方都是本地电话，因而ITG可以使Internet 电话费用低的优点扩展到普通的PSTN用户。ITG与市话局交换机或本地PBX的中继线相连，市话网的用户可以通过一个特服号码拨入ITG，本地的ITG通过Internet “

15、呼叫"远方的ITG，远方的ITG再呼叫本地的PSTN用户。ITG除了完成电话网与Internet 的硬件接口外，还承担着信令转换、话音处理、呼叫应答与提示、路由寻址等功能。ITG真正实现了PSTN与Internet 的有机结合。ITG实际上也扩展了计算机用户的话音通信范围。通过ITG可以实现PSTN到PSTN，PSTN到PC，PC到PSTN的全方位通信。用户甚至可以把他的电话号码加入到他的网页，访问者只要用鼠标一点即可通过Internet 与其通信。这一功能对于一些公司提供热线咨询、技术支持及用户服务等特别具有吸引力。这种结构形成了四种通信方式：主机到主机主机到电话电话到主机电话到电

16、话在主机到主机的通信过程中，可以采用纯软件的方式。这种方式实现起来较为简单，其语音编解码、回波消除、呼叫处理可以在主机CPU上完成，并未涉及到电话网关。电话系统的实际通信过程在ITG电话系统的四种通信方式即主机到主机的通信过程中，电话到电话的通信过程最为复杂，其具体的通信流程如图10.3所示。1. 呼叫建立用户首先拨入特服号码以访问源ITG，与其建立连接，源ITG的PSTN中继接口收到该呼叫信息后，将选择空闲的通道建立连接。然后源ITG将要求用户输入其帐户（包括用户名、密码等信息）。当源ITG收到用户的输入后，将这些信息传送给认证中心以完成对用户身份的认证。若认证失败，则终止用户的会话请求；否

17、则，源ITG将要求用户输入受话方的电话号码。源ITG将用户输入的电话号码传送给认证中心，完成电话号码到IP地址的翻译，并将获得的IP地址返送给源ITG。然后源ITG利用该IP地址与目的ITG建立连接（连接的建立是由TCP协议完成的），且将目的电话号码、口令等信息传送给目的ITG。当目的ITG收到该连接请求后，将验证源ITG的身份，检查可得到的线路资源，然后根据获得的信令帧形成信令信号，传递给本地市话局的交换机，由交换机传送振铃信息给用户，并建立与用户的交换电路。这样，在呼叫方和受话方间建立起了通信，双方可以进行实际的语音通信了。图10.3 ITG电话系统的通信流程2. 语音传输在连接建立之后，

18、ITG将与目的ITG协商一组语音参数（如语音的抽样率、信道数、每个抽样所用的比特数、所使用的数据压缩技术等）。此后，双方可以进行实际的语音通信。首先，PSTN中继接口从PSTN中获取用户的语音信息（若没有数字化，则首先将其数字化）；然后，采用协商的压缩编码算法进行压缩，填入时间标记，形成IP分组以便在Internet网上传输。在接受方，从网卡上来的语音信息首先排序、解压缩，然后形成语音信息，传送给受话方。3. 呼叫终止当通信的一方初始化传送呼叫终止信号，相应的Internet电话网关将释放所占用的干线通道，并向通信的另一网关发送终止信号。接收方网关收到终止信号后，也将释放所占用的干线通道。此后

19、，断开两个网关之间的TCP连接。整个会话过程到此结束。以上流程总结如下：用户提起话筒, 话机发出一个“摘机”信号到路由器的Voice over IP信号请求处理程序。Voice over IP的会话应用程序发出一个拨号音等待用户拨号。用户拨号, 此号码被会话应用程序累积并存储。在数字个数(号码位数)累积到足够符合已经配置的条件时，通过一个拨号计划图将电话号码映射到一个IP主机，该IP主机与目标电话号码或一个PBX直接连接。会话应用程序运用H.323会话协议, 为通过IP网络的每个方向建立传送和接收通道。若该呼叫是由某个PBX处理的话，该PBX将呼叫向前传送到目标的电话机；若已经配置了RSVP，

20、则RSVP备用启用，为路由器提供服务质量保证。连接两端的CODECs激活, 使用RTP/UDP/IP作为协议栈，开始通话。当某一方挂断电话，RSVP备用关闭，会话结束。各端成为空闲。下一次的“摘机”则触发开始另一次的通话。Internet电话网关负责连接PSTN和Internet，支持主机与电话之间、电话与电话之间的通信，使得长途通话费用与市话费用一样便宜。尽管当前Internet电话还存在许多问题，如延时大长、存在抖动现象、分组丢失、呼叫建立的时间比较长等，但其作为一门新技术的出现仍然具有强大的生命力，相信随着技术的进步，新标准（如H.323V2，RSVP，IPV6）的出现和完善，上述问题必

21、将逐步得到解决，Internet电话技术将成为人们语音通信的重要工具。下面将以Cisco 2600系列路由器为例，说明电话网关的配置以及VoIP系统的配置方法。VoIP 服务供应商可以采用Cisco AS5300,Cisco 3600和Cisco 2600系列产品来构建IP电话系统。Cisco 2600和Cisco3600系列路由器支持ISDNBRI信号类型，因此既可以通过ISDN电话网络，也可以通过PBX/key通信系统上的数字端口提供语音访问。语音或数据都可以通过由路由器连结的IP网络。这样，就能对拨入的PSTN 或 ISDNBRI电话进行路由，或通过IP网络发出数字传真和语音通话。通常把

22、档次较高的Cisco AS5300用做骨干节点，而把 Cisco 3600和Cisco 2600则分别作为大、小型分支机构的客户端处理设备。Cisco 2600和Cisco 3600系列路由器系统上具有H.323关守软件功能。该关守除提供策略管理功能外，还提供地址分辨、带宽管理、用户鉴别以及账户记录等。H.323关守在局域网和广域网上均可实现对基于H.323的语音、视频及数据会议流量的策略管理。要实现Voice over IP，在Cisco 2600系列路由器上必须安装语音网络模块VNM。VNM可以支持两块或四块语音接口卡 (VIC) ，每块卡被定义为某特殊的信号类型的语音端口。对Cisco

23、2600系列路由器进行Voice over IP配置, 可以按以下步骤进行：完成拨号号码规划及IP电话网络拓扑图配置语音端口配置Voice over IP首先，在现有网络的基础上规划实施IP电话网络拓扑的细节，计划好IP电话号码，尽可能使用规范的号码体系，避免在不同的路由器或访问服务器上明显不同。其次，应尽量避免从第二个交换机拨第二次号，联络PBX供应商得到有关如何再次配合合适的PBX接口的信息等。2. 配置语音端口安装语音网络模块VNM和相应的语音接口卡后，就可以配置语音端口了。语音端口配置的项目主要包括：端口IP地址启用要路由的协议3. 配置Voice over IP配置Voice ove

24、r IP 的步骤：1) 配置服务质量 (QoS)为了使IP网络能够用于传送实时的语音数据流，应选择和配置合适的QoS工具以对在网络上的语音传输进行优化, 这些工具包括RSVP，RTP Header Compression，Multilink PPP with Interleaving，Custom Queuing和Weighted Fair Queuing等。2）用num-exp命令配置号码扩展 (Number Expansion)若电话网络已经配置，就可只拨全部E.164电话号码中的一个扩展号码连接到目标。3) 使用dial-peer voice命令定义拨号对等及切换动拨号对等配置模式每个拨

25、号对等（Dial Peer）与单个呼叫段相关联。一个端到端呼叫包含4个呼叫过程，其中两个是从源访问服务器发出的，另外两个是从目标访问服务器发出的。拨号对等用于为呼叫定义属性，并用来定义源呼叫及目标呼叫。有两类不同的拨号对等，POTS拨号对等和VoIP拨号对等。a. POTS拨号对等POTS拨号对等描述了传统的电话网络连接特性，POTS对等指向位于一个语音网络设备的特定语音端口。要配置一个POTS拨号对等，至少需要配置这两个参数：相应的目标电话号码和逻辑端口。配置时：使用destination-pattern命令指定相应的电话号码带上一个POTS对等；使用port命令指定一个逻辑端口带上一个PO

26、ST对等。此外, 还可以使用direct-inward-dial命令为一个POTS对等指定直接内部拨号。VoIP拨号对等描述了IP网络的连接特性，VoIP对等指向特定的VoIP设备。要配置一个VoIP 对等，至少需要配置这两个参数：相应的目标电话号码及目标IP地址。配置时：使用destination-pattern命令以定义目标电话号码和相应的VoIP对等。使用session-target命令为一个VoIP对等指定一个目标IP地址。此外, 还可以使用VoIP对等来定义某些特性，如：使用ip precedence命令定义IP优先；使用req-qos或acc-qos命令配置QoS参数(当启用RSV

27、P协议时)；使用vad命令以停止语音活动侦测和静音数据的传送。4) 配置路由器使之支持语音端口语音端口配置命令定义相应的语音端口的信号类型。 Cisco 2600系列路由器的语音端口支持三种基本的语音信号类型：FXO外部交换局端口FXS外部交换站端口E&M“Ear and Mouth”(“听说”)端口或”Receive and Transmit”（“收发”）端口配置FXO和FXS端口, 可使用语音端口命令的默认值，配置E&M端口，则需要配置特定的语音端口值。使用路由器配置IP电话系统，实现方式很多，下面举一个简单的FXS to FXS 连接的配置。有关IP电话系统的其他细节，请

28、参阅有关专业书籍。在如图10.7所示IP电话网络系统中，路由器RouterA和RouterD均配置成一个POTS对等和一个VoIP对等；路由器RouterB和RouterC则建立了两个Intranet之间的广域网连接。试配置路由器，使模拟电话1与模拟电话2能通过IP网络实现通话。1. 配置路由器RouterA配置在全局模式下进行:hostname routera/命名路由器dial-peer voice 1 voip/建立VoIP拨号对等1Destination-pattern +71666688 /定义相应的目标电话号码req-qos guaranteed delay/请求RSVP dial-peer voice 3 pots/建立POTS拨号对等3Destination-pattern +7186668800/定义相应的目标电话号码port 1/0/0/定义相应的目标语音端口interface serial 0/0no ip mroute-cacheip rtp header-compression/配置RTP报头压缩ip rtp compression-connections 25ip rsvp bandwidth 96 96/ 在该端口上启用RSVPfair-queue 64 256 36clock rate 640002. 配置路由器RouterBhos