VOIP详解

VOIP技术详述

作者：聂元丁 　4月9日　　12:05

　　前言：本文将从以下几个方面对VOIP技术进行阐述：基本概念、技术标准、基本形式、系统结构、工作原理、质量指标以及QoS保障等。希望通过本文可以使大家对VOIP技术有一个全面详尽的认识和理解。

1. VOIP技术概述

   电话在人们的日常生活当中无疑扮演着非常重要的角色，而传统电话特别是长途电话的费用却居高不下，随着近些年网络技术、处理器技术的飞速发展，网络通信的速度以几何级的速度提高，同时通信费用也在大幅度的降低。众所周知，巨大的市场需求促进了相关技术的高速发展。一种为业界广为关注的技术---VOIP技术在近期得到了极大的发展。

   VOIP又称IP电话或IP网络电话，是Voice Over IP的缩写，这种技术通过对语音信号进行编码数字化、压缩处理成压缩帧，然后转换为IP数据包在IP网络上进行传输，从而达到了在IP网络上进行语音通信的目的。IP电话极大的改进了网络带宽的利用率，大大降低了通信的费用，它的广泛应用也促进了宽带多媒体应用的发展。

2. VOIP相关技术标准

   为了在现有通信网络上进行多媒体应用，国际电信联盟(ITU－T)制定了H.32x多媒体通信系列协议，下面就其中主要几个标准做简单说明：

H.320，在窄带可视电话系统和终端(N－ISDN) 上进行多媒体通信的标准;

H.321，在B－ISDN上进行多媒体通信的标准;

H.322，在有QoS保证的局域网上进行多媒体通信的标准;

H.323，在无QoS保证的包交换网络上进行多媒体通信的标准;

H.324，在低比特率通信终端(PSTN和无线网络)上进行多媒体通信的标准。

上述标准当中，H.323标准定义的网络是目前应用最为广泛的，例如以太网、令牌网，FDDI网等。基于H.323标准的应用也理所当然成为市场的热点，所以下面我们会重点介绍一下H.323。

H.323建议中定义了四个主要的组件:即终端、网关、网关管理软件（也叫关守或网闸）和多点控制单元。

（1） 终端(Terminal)--所有的终端都必须支持语音通信，视频和数据通信能力是可选的。所有的H.323终端也必须支持H.245标准，H.245标准用于控制信道使用情况和信道性能。

H.323对语音通信中的语音编解码器主要参数做如下规定：

ITU建议 语音带宽/KHz 传输比特率/Kb/s 压缩算法 注释

G.711 3.4 56,64 PCM 简单压缩，应用于PSTN中

G.728 3.4 16 LD-CELP 语音质量同G.711，应用于低比特速率传输

G.722 7 48,56,64 ADPCM 语音质量高于G.711，应用于高比特速率传输

G.723.1G.723.0 3.4 6.35.3 LP-MLQ 语音质量可以接受，G.723.1为VOIP论坛采用

G.729G.729A 3.4 8 CS-ACELP 时延低于G.723.1，语音质量高于G.723.1

（2） 网关(Gateway)--这是H.323系统的一个可选件。网关能把不同系统所用的协议、音频、视频编码算法以及控制信号进行变换以适应系统终端互通。如基于PSTN的H.324系统和基于窄带ISDN的H.320系统与H.323系统进行通信，就需要配置网关；

（3） 关守(Gatekeeper)--这是H.323系统的一个可选组件，是由软件来完成管理功能。它主要有两个功能：第一是对H.323应用的管理；第二是对终端通过网关通信（如呼叫建立、拆除等）的管理。管理员可以通过关守，进行地址转换、带宽控制、呼叫认证、呼叫记录、用户注册、通信域管理等功能。一个H.323通信域可以有多个网关，但只能有一个关守工作。

（4） 多点控制单元(Multipoint Control Unit)--MCU实现了在IP网络上进行多点通信，点到点的通信并不需要。通过MCU使整个系统形成一个星型的拓扑结构。MCU包含两个主要部件：多点控制器MC 和多点处理器MP，也可以不包含MP。MC处理终端间的H.245控制信息，建立一个音频和视频处理的最小公共命名器。MC并不直接处理任何媒体信息流，而将它留给MP来处理。MP对音频、视频或数据信息进行混合、切换和处理。

当前在业界IP电话有两种并列的体系结构，一种是以上介绍的ITU－T H.323协议，另一种是由互联网工程任务组（IETF）最近提出的SIP协议（RFC2543），SIP协议更适用于智能化终端。由于我国已经采用H.323协议作为IP电话的标准。所以我们只介绍H.323，如果读者对于SIP感兴趣，可查阅RFC2543。

3. VOIP的基本应用模式及组成结构

（1） PC-PC

在PC机上配置双声道声卡，送、受话器以及IP电话软件如Microsoft的NetMeeting、Net2Phone公司的Net2Phone等。要求双方网络互通，主叫方通过软件呼叫另一方，便可进行通信。

（2）PC-电话

主叫用户通过PC接入IP电话网关，呼叫在PSTN网络中的另一方。

（3）电话-电话

本方式应用最为普遍。通信双方都是公用电话网（PSTN）的用户，主叫方通过本地PSTN拨打IP电话网关（大部分情况是网关通过账号、密码进行身份认证）来呼叫异地PSTN网络中的另一方

4. VOIP的工作原理

我们将以应用最为普遍的电话-电话模式为例进行阐述。需要说明的一点是系统中的核心设备IP电话网关并不是我们上面介绍H.323中所提到的网关。IP电话网关实现了以电话交换为主的PSTN网与以包交换为主的IP网的互联，主要包括地址变换、协议转换、提供网络接口、语音编解码、压缩解压缩以及计费管理等；而H.323中的网关只是实现各个网络中的不同

终端的互通。

北京（010）用户1呼叫上海（021）用户2，工作流程如下：

（1） 用户1拨打当地IP电话网关1的特服号码（如179**），一般情况下，IP电话网关1通过提示音提示用户1输入账号和密码进行身份认证，认证通过以后网关将给出二次拨号音提示用户1输入需要拨打的电话号码，此时用户1输入"02168888888"；

（2） IP电话网关可根据前缀识别国际和国内电话；根据国家代码识别哪个国家；根据长途区号识别哪个城市。本例中网关1识别到前缀"021"以后，通过查找电话区号与IP地址的对应表把电话地址转换为IP地址；

（3） 网关1根据目的地IP地址通过自己所在路由器的路由表进行路由选择，获得一条到达IP网关2的路由，利用TCP报头封装IP数据包（包括用户2的电话号码等）发送，获取传输的可靠性；

（4） IP网关2通过上海PSTN2网络呼出号码"68888888"，同时利用TCP封装IP包向用户1发送回铃音；

（5） 用户2摘机，双方通话。此时两个网关间IP包的封装改为UDP，以保证传输的实时性。话音信号在发话端的网关进行编码、压缩后打成IP数据包，经由IP网络传送至受话端网关，网关进行解码，解压缩后还原成的语音通过受话端的PSTN送到受话人；

（6） 通话完毕，双方挂机，网关传送挂机信号，PSTN拆线，整个通话过程结束。

5. VOIP的质量指标

衡量IP电话语音质量主要有以下四个指标：

（1） 平均意见分

平均意见分指标应用比较普遍，它是大量用户对电话通话质量主观评价的平均分数。可以组织评测者按照统一的标准对IP电话的语音质量进行评测，得到平均意见分，确定通话质量等级。4-5分为长途通话质量，3-4分为一般通话质量，小于3分为合成通话质量；

（2） 语音延迟

语音传输要求实时传输。如果单向通话时延超过300ms，通话人就会感到不习惯，通话质量就会难以接受。

语音迟延的产生来自两个方面。一是处理延迟：包括语音编码、解码、压缩、解压缩等语音处理，这与所采用的处理器的速度和编码解码器的规格算法有关系；二是网络延迟：与IP电话网关之间的路由节点数以及网络上传送的数据量有关系，可以通过实时传输协议（RTP）和实时传输控制协议（RTCP）去弥补，下面QoS小节中我们会讨论到；

（3） 回波

即通话人在听筒中听到自己的回音，这也大大降低了通话质量。由于长途线路采用4线制，本地线路采用2线制，在两者的切换当中造成了不匹配，从而使发话人的话音返回。解决方法可以通过回波抵消器，但是不能完全消除；

（4） 包丢失率

由于IP网络自身的特点，当网络中数据量过大时，产生网络拥塞时，一些数据包可能会被丢弃。当数据包丢弃率大于5%时，会使语音听不清楚。解决此问题可以采用优先级划分或者资源预留协议（RSVP）。

6. VOIP的QoS保障

关于VOIP的QoS保障问题是业界很热门的话题。

为了配合H.323终端的使用，实时传输多媒体信号，达到理想的效果，可以采用以下几个协议标准：

（1） UDP--在有多个音频流传输的系统中，用基于UDP传输的IP多点广播来处理音频信息。每个UDP包加上一个包含时间标志和序号的报头。在接收端加上缓冲，接受端就可以利用时间标志和序号信息"复原、再生"数据包、记录丢失包、同步语音数据以改善效果。

（2） 优先级划分。对于要求实时传输的数据包给予较高的优先级，通过网络时可以优先通过或尽量不丢失，但是一些IP网络不支持优先级；

（3） RTP/RTCP--实时传输协议/实时传输控制协议。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，可以用来传送声音和活动图像数据，在这项数据传输业务中包含了装载数据的标识符、序列号、时戳以及传送监视。通常RTP的协议数据单元是用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。RTP工作于IP多点广播的顶层。实时传输控制协议RTCP监视服务质量以及与正在进行的会话者传送信息，并将包含服务质量信息的控制信息包定期分发给所有节点，提供端到端的实时数据流传输业务。由于H.323基于RTP/RTCP，因此它可在Internet多点广播骨干网或具有多点广播能力的Internet虚拟网上运行，并支持音频、视频和数据多媒体通信。

（4） RSVP--资源预留协议。在现有IP网络上为实时性话音和视频业务保留必须的带宽，并设置队列管理方法。虽然RSVP不是H.323标准的正式组成部分，但大多数H.323产品都必须支持它，因为带宽的预留对IP网络上多媒体通信的运行至关重要。RSVP协议一出现，便获得广泛的认同，较好地解决了资源预留的问题。但由于实现起来比较复杂，因此该种策略在实际应用中还没有普及。

文章来源：电脑爱好者