IP语音通信技术.docx
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IP语音通信技术
IP语音通信技术
石晶林
1IP语音通信发展
随着互联网络覆盖范围的急剧扩大和使用领域的拓展，基于互联网络的IP语音通信也呈现出一派生机蓬勃的景象。
2003年，互联网电话业务占国际长话市场的36％，互联网电话已经对大型的电话公司构成重大威胁。
据行业分析公司IDC预测，截止2007年，VoIP设备市场总额将达到151亿美元，年复合增长率为44％。
据GartnerDataquest预测，截止2007年，服务供应商的VoIP服务市场总额有望达到113亿美元，平均年复合增长率达到27.2%。
而据Frost&Sullivan关于IP语音的市场数据显示，2001年通过批发、零售方式销售的分组语音通话时间达60~150亿分钟，预测2007年分组语音通话量将达到全部通话量的75%。
另据CCID相关数据显示，2005年亚太地区（不包括日本）IP语音市场规模将达69亿美元。
另据IDC预测，美国互联网电话市场将从2003年的2.81亿美元增长到2007年67亿美元；著名咨询公司Analysys也预测，2007年西欧的互联网电话业务收入至少可以达到25亿欧元，占电信市场业务收入的15%；该机构还指出，互联网电话将取代传统交换系统，话音质量最终也可以与传统话音质量相媲美，甚至更好。
在亚洲，日本互联网电话业务发展也非常迅速，YahooBB的业务模式受到全球关注。
中国互联网电话网络规模和流量在全球来说也名列前茅，且中国对互联网电话的重视程度很高。
目前我国各大电信运营商都已开通互联网电话业务，提供IP语音服务并向规模化的方向发展，这对于每个电信运营商及众多设备厂商来说，无疑是一个巨大的市场契机。
为什么IP语音的发展会有那么迅速呢？
这除了归功于高速带宽技术的突破外，另一个基本原因是互联网电话通话费低廉，同时可以保证一定的语音质量。
实质上这说明互联网网络利用率和自愈恢复能力要比电路交换网强，除此外，互联网电话可以：
⏹以近乎无限的方式，轻松实现系统扩容。
除了通过网络扩容，还可按需要，通过给IP语音网关添加额外的端口来实现。
⏹通过标准计算机轻松处理数据格式的语音数据。
分段传送电话，保存或转发被叫端的应答信息或语音邮件。
⏹通过软件来实现基于IP的PBX功能。
这意味着无需很大开支就能实现其它功能，如电话会议、转发和录音电话。
⏹用标准PC组件来设计并部署基于PC的PBX，比传统方式有更大价格优势。
本文将详细介绍IP语音的实现技术、通信控制管理、IPv4向IPv6过渡中的实现方案，最后简单地介绍一下中科院计算所信息网络室在IP语音通信方面所做的工作。
2当前的IP语音实现技术
IP语音通信根据承载方式的不同，其实现方式也不尽相同。
目前主要有两种：
VoIP和TDMoIP。
其中，VoIP是应用最广的一种IP网上语音通信传输的实现方式。
2.1VoIP
传统的语音通信是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为64kbit/s。
而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，然后采用IP数据报的逐跳路由方式进行传输。
主要处理过程是：
通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理（采用的语音编码标准主要是ITU-TG.711），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。
在VoIP业务的网络环境中，主要有互联网电话终端、网关（Gateway）、网（关）守（Gatekeeper）等几部分组成。
互联网电话终端包括传统的语音电话机、PC、互联网电话机，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。
互联网电话网关提供IP网络和电话网之间的接口，用户通过PSTN本地环路连接到IP网络的网关，网关负责把模拟信号转换为数字信号并压缩打包，成为可以在互联网上传输的IP分组语音信号，然后通过互联网传送到被叫用户的网关端，由被叫端的网关对IP数据包进行解包、解压和解码，还原为可被识别的模拟语音信号，再通过PSTN传到被叫方的终端。
这样，就完成了一个完整的电话到电话的互联网电话通信过程。
关守实际上是互联网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、集中帐务管理、数据库管理和备份、网络管理等等。
在实现方式上，VoIP有电话机到电话机、电话机到PC、PC到电话机和PC到PC等４种方式。
最初VoIP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，实现互联网上PC机间的实时语音传送，语音压缩、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，且限定在互联网内，所以有很大的局限性。
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，发起互联网电话呼叫，连接到最靠近被叫的网关，并完成语音编码和打包。
接收端网关实现拆包、解码和连接被叫。
对于电话到PC或是PC到电话的情况，是由网关来完成IP地址和电话号码的对应和翻译，以及语音编解码和打包。
从理论上讲，在IP网络上传输语音看起来并不难：
数字化后的语音信号只是一种数据，可以和其它数据一样由分组网络传输。
电话网络的主要技术成就，如最低成本路由方法，在IP网络中都可以找到与之相对应的部分。
然而，如果想与TDM网络进行竞争，VoIP必须切实解决两个主要问题：
即QoS和信令。
⏹服务质量（QoS）服务质量对于数据业务和语音业务有着完全不同的含义。
数据要求正确传输，对时延要求不高；但语音则对时延十分敏感，丢失几毫秒的信息对语音应用产生的影响倒不易察觉。
语音的这个要求与IP网络的原意完全相左。
除此以外，有关语音质量的其它技术，如回声抑制、语音压缩，并不是数据网的固有功能，需要对IP网络进行改造才能满足这些方面服务质量的要求。
⏹信令当前几乎所有在VoIP领域的研发努力都集中在解决QoS问题上，而对信令问题的研发几乎是空白。
这里所说的信令问题是指打电话时除了语音之外所需的交换信息。
如摘机、震铃等基本的功能，接通正确的号码和记帐所需的更高级的功能，来电显示、呼叫转移、电话会议等复杂的功能，以及目前智能网络新增的功能。
这样的功能包括几千种，再加上几十个国家和地区的细微差别，更增加了复杂程度。
2.2TDMoIP
TDMoIP技术是在IP网络上进行的线路扩展，它将IP网络作为原有TDM网络的一种插入式替换，通过附加适当的报头，用IP包封装每个T1或E1帧后进行传输。
它可以与所有的现有设备，如传统PBX和交换机，实现无缝接入，从而提供电话通信服务。
TDMoIP技术不做任何数据解释,透明地传输TDM帧，从而在接收端可以方便地提取TDM内的传输内容。
这样，TDMoIP就可以用来传输任意的T1/E1服务，即使有些通道本来是用来传送数据的，或整个帧都是非结构化的数据流。
与VoIP相比，TDMoIP更简单，因为它对语音、数据信令和协议是透明的，即使这些协议都是专用的。
而VoIP则面临新协议带来的麻烦并且要实现信令格式的转换。
VoIP的确承诺支持新的协议，但TDMoIP自动使用了现存PBX和CTI功能所具备的优势。
至于带宽优化，VoIP使用DSP进行语音压缩和静音抑制从而满足带宽要求。
但这是以降低通信质量和增加延迟为代价的。
尽管如此，TDMoIP和VoIP实质上还是互补的。
从用户端到运营商POP之间通过IP网络透明扩展TDM主干，使运营商在有资源的POP开发更大的、可扩展的VoIP网关和软交换变得简单容易，并为用户在用户端提供简单的TDMoIP网络终端单元NTU。
这些TDMoIP电路可比VoIP提供更多的服务，如通常的PSTN接入、中央交换机、帧中继和ISDN。
3IP语音通信的控制管理
3.1VoIP
IP语音通信的服务质量保障和信令问题除了要解决连续性信号码流分组和还原以及编码压缩/还原的媒体网关外，关键是码流的信令控制和服务质量。
信令控制方面迄今存在着多种很难互操作的制式。
总的说来，VoIP信令协议大体上可分为三种，即
（1）H.323网守，沿袭LAN上多媒体会议通信协议，提供呼叫控制、呼叫管理和会议功能等；
（2）MGCP媒体网关控制协议，控制媒体网关状态并指示它们传送媒体到指定地址；（3）SIP，用客户/服务器分布式呼叫控制和能力协商。
⏹H.323协议集
ITU的H.323系列建议定义了在无业务质量保证的互联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、内联网（intranet）和互联网上的多媒体提供技术基础保障。
它是支持局域网上进行视频（多媒体）通信的一组协议。
1996年公布的第一版中，协议集规范了终端、网关、网守和多点控制单元4个组成部分的功能。
由于H.323标准留下很大的释义余地，所以不能确保不同系统间互操作能力。
为了改进操作效率，1998年初公布了H.323第二版本，把寻址能力推广到非H.323的域名查号和域名访问协议以及验证授权功能；此后于1999年公布了面向大范围网络应用的H.323第三版本，包括带宽管理和QoS功能。
H.323很大程度上是基于ITU以前的有关多媒体的协议，包括用于ISDN的H.320，用于B-ISDN的H.321和用于G.STN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，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.325，与电路交换业务互操作的H.246。
总的说，H.323协议规范已很成熟，但由于H.323当初并非专门针对电话业务特性设计的，协议的媒体管理采用了ISDN的Q.931信令（DSS1），在寻址（E.164电话号码编号转换到IP地址的寻址过程）建立呼叫和入网登记（RAS）过程中，终端和网关/网守间协商操作需要数十次往返交换消息，操作耗时。
而且网络规模愈大，寻址过程愈复杂，难于满足语音实时通信的要求。
⏹MGCP协议
Arango和Huitema提出了VoIP的新的体系结构。
体系结构中涉及三部分：
信令网关（SignalGateway,SG），媒体网关（MediaGateway,MG）和媒体网关控制（MediaGatewayControl,MGC）。
这个体系结构的先进之处在于实现了呼叫控制和承载控制分离，而在这两个分离的单元之间需要定义新的协议，MGCP就是这个接口上的一个较通用的协议，后来IETFMeGaCo工作组和ITU-T 16研究组在MGCP的基础上提出了H.248协议，对MGCP进行了扩展。
MGCP属于应用层控制协议，主要完成MGC对MG的控制，以实现网络中MG之间的连接，并且处理MG与MGC的交互。
为了简化操作和改进信令控制效率，IETF又提出了MeGaCo信令协议标准，MeGaCo是MGCP的进一步开发，它与MGCP在结构上和MG/MGC间交互动用关系上相似。
但是在MeGaCo场合，信令网关直接管理着MG码流的出/入和起/止以及各种码流间的组合关系，从而简化了MG和MGC之间交互操作，提高了效率。
MeGaCo的设计思想是把智能集中在服务器上，既能容纳面向连接（CO）的媒体如TDM和ATM，又能容纳IP那样的无连接（CL）媒体，因此选用的媒体网关类型更广，而且网关规模有更大随意性。
MeGaCo协议尚在试验阶段。
⏹SIP协议
SIP是由IETF提出来的一个应用控制（信令）协议。
它可用来创建、修改以及终结多个参与者参加的多媒体会话进程。
参与会话的成员可以通过组播方式、单播连网或者两者结合的形式进行通信。
SIP是立足于WEB的客户机/服务器环境中主机间的会晤启动协议，用服务器或代理方式提供各种服务。
SIP通过有层次的定位符（URL）识别用户进行寻址，并用服务描述协议指明所要求的服务特性。
SIP使用登记报文对SIP服务器登记，用请求命令起动呼叫，报文直接送至客户机或服务器，后者取代了H.323网守的功能。
SIP不是段管理协议，只是段的起动和拆除，不涉及段内部的通信细节。
SIP协议一方面借鉴了其他互联网的标准和协议的设计思想，在风格上遵循互联网一贯坚持的简练、开放、兼容和可扩展等原则，另一方面，它也考虑了对传统公众电话网的各种业务，包括IN智能网业务和ISDN综合业务数字网业务的支持，它也支持“个人移动”。
SIP协议是互联网多媒体通信和控制协议体系的一个部分，其他协议包括用于预留网络带宽资源的RSVP、用于多媒体数据传输并提供语音反馈的RTP/RTCP、用于多媒体流数据分发控制的RTSP、用于描述会话属性的SDP以及用于通告会话的SAP，而且将来随着该体系结构的不断发展和完善，还会有其他新的协议产生，加入该协议体系。
但是SIP协议所规范的操作以及相应的功能独立于其它协议。
3.2TDMoIP
TDMoIP中解决IP网络与电话网络互连时随之产生的信令是通过三种不同的方式：
带内信令、CAS和CCS来实现的。
带内信令与语音在相同的声音频带内传送。
它的形式有呼叫进程音，如拨号音或回铃，DTMF音、用于呼入确认的FSK，北美的MFR1或欧洲的MFCR2等。
因为这些都是能听见的音调，它们被编码到TDM时隙中，自动被TDMoIP传输。
VoIP系统使用的语音压缩算法通常不能很好传输这些信令。
因此VoIP系统需要音频转发协议来确保带内信令正确工作。
最常见的CAS，即随路信令，与语音信号在相同的T1或E1帧中传送，但不在语音频带内。
T1通过保留位实现该信令，E1通过保留一个时隙为其余３０个通道每个通道承载４比特实现该信令。
因为CAS比特通过同样的T1或E1数据流传输，它们仍可自动地被TDMoIP传递。
VoIP系统需要发现CAS比特，根据相关的协议对其进行解释，使用某种信息协议在IP网络中传输这些信令，并在远端重新生成并组合成相应的信令。
SS7是一种CCS（即公共信道信令）方法。
SS7链路是56或64kbps的数据链路，通常占据一个TDM时隙。
在这种情况下，该信令自动被TDMoIP传送。
如果不是这种情况，可以从SS7信令网关得到所需的IP格式的信息，直接把它作为附加信息，不经过任何处理，通过网络传输。
目前为止，我们忽略了通常TDM网络中存在的另一功能——时间同步。
在公用交换电话网及SONET/SDH网络，主时钟的节点为从时钟的节点提供时间参考信号。
在网络中通常至少存在一个非常准确的基准参考时钟，精确到1011的量级。
该节点——其精确性被称为第一层——为第二精确层提供参考时钟，第二层为第三层节点提供参考时钟。
这种分层的时间同步对整个网络正常工作至关重要。
IP网络中的数据包以一个随机的延迟到达目的地，该延迟称作抖动。
当在IP网络上模拟TDM时，假设存在合适的时间参考，可通过使用缓冲区来平滑所接收的数据，克服这种随机性。
但大多数情况下，原始的时间参考信息就得不到了。
理论上在电话网络中集成TDMoIP有两种不同的层次。
在长途情形下，具有竞争力的运营商在中央交换局之间引入一个基于TDMoIP的替换链路。
因为上述讨论的价格优势，可以用比现有规定费用低的价格为用户提供“收费旁路”服务。
在这样的应用中，两端的TDMoIP设备可以从它们连接的中央局得到时间参考信号。
在整个网络的情形下，大部分的基础设施被TDMoIP替换，这就需要一个时间同步的方法。
IP网络通过NTP协议发布时钟信息；但除非IP网络全部是专有的并且全部供TDMoIP连接使用，否则在NTP时钟和所需的TDM时钟之间就不会有连接。
这个问题的一种解决方法是使用如原子钟或GPS接收器等为所有的TDMoIP设备提供时间标准，来减轻IP网络发送同步信息的负担。
3.3IP语音通信质量保障
我们知道互联网电话本质就是通过网络技术实现与互联网和PSTN电话网的互连，互联网电话通信质量的好坏与互联网有很大的关系。
制约IP语音质量的因素主要有：
⏹互联网的不可管理性：
互联网是一个全球性和开放性的基于TCP/IP技术的网络。
这个网络最大的特点就是不可管理和不可控制，因此很难对其性能进行控制，也无法确认其时延、抖动和丢包率是否能满足语音业务的需求。
⏹互联网面向无连接的特性：
由于采用面向无连接网络技术，每一个语音包在网络中传输时会经过很多路由器。
在每一个路由器中，所有的语音包都需要排队等待处理。
路由器查看每一个语音包的包头确定将该包送往目的地方向的下一个节点。
这样语音包的传送就可能会经历很长的时间，语音时延也可能达到无法容忍的地步。
同时，每一个包经历的路径不同，就会造成时延变化很大，即语音抖动很大。
另外，在网络拥塞的时候，一些包还会被丢弃或等待很长的时间才被处理。
由此可见，语音业务的传递密切依赖于网络情况，也即取决于路径跳数、链路类型、速率以及业务量的多少等因素。
⏹互联网采用的UDP协议：
在互联网中，语音业务以包的形式传送。
传送过程中会因物理线路、超时和网络拥塞等情况而引起丢包。
虽然语音业务对于丢包率具有较高的容忍度，但是互联网在网络拥塞的情况下会大量丢包，同时又由于语音业务采用UDP协议，不能进行纠错和重发，大量丢包会严重影响语音通信的质量。
⏹互联网路由机制：
互联网路由过程中的负载均衡机制和由于面向无连接引起的通话双方路径的不对称性，都会对语音通信的时延和抖动具有较大的影响。
负载均衡使去往同一目的地的业务可以分散在不同的路径上传输，这固然是互联网的一个优势，但是对语音业务来说，从源到目的地的语音包经过不同的路径传递，不同路径的时延有长有短，这样语音的抖动就无法控制。
另外，由于互联网面向无连接的特性决定通话的A、B双方，从A到B语音经过的路径与从B到A语音经过的路径不相同。
这样就有可能在一个方向上，语音包经过的路由器很少，物理电路非常好，语音时延非常小，语音质量也就非常好。
然而，在另外一个方向上，语音包有可能要经过许多路由器，而且网络非常拥塞，导致语音时延相当大而且大量丢包，语音质量到了不可接受的地步。
这样，正常的语音通信也无法实现。
针对上面这些问题，人们从信号处理和分组交换的调度控制管理方面进行了深入研究，并取得了长足的进步！
⏹信号处理
在信号处理方面，主要解决了语音压缩、静音抑制、回声消除与语音抖动等。
互联网电话技术的基础是语音压缩技术。
1995年11月，ITU（国际电联）批准了G.729语音压缩标准。
G.729标准采用的算法使得语音经过压缩后，仅用8Kbps传输其质量与32KbpsADPCM（G.724）相同。
G.729标准在1996年又得到了进一步的优化改进。
现在G.729是最重要的语音压缩标准。
其他的语音压缩技术还有几种，除G.729外还有G.723/G.723.1。
IP网络的一个特征就是网络延时与网络抖动较严重，这可能导致互联网电话音质下降。
网络延时是指一个IP包在网络上传输平均所需的时间，网络抖动是指IP包传输时间的长短变化。
当网络上的语音延时（加上声音采样、数字化、压缩、延时）超过200ms时，通话双方一般就倾向采用半双工的通话方式，一方说完后另一方再说。
另一方面，如果网络抖动较严重，那么有的语音包因迟到被丢弃，会产生语音的断续及部份失真，严重影响音质。
为了防止这种抖动，人们采用了抖动缓冲技术，即在接收方设定一个缓冲池，语音包到达时首先进入缓冲池暂存，系统以稳定平滑的速率将语音包从缓冲池中取出、解压、播放给受话者。
这种缓冲技术可以在一定限度内有效处理语音抖动，并提高音质。
⏹分组路由与交换管理
IP网络中分组传输原则上是采用“尽力而为”（BestEffort）方式，这种方式对于语音通信并不合适。
因此需要对语音包设定优先级。
通常当广域网带宽低于512Kbps时，一般在IP网络路由器中设定语音包的优先级为最高，这样，路由器一旦发现语音包，就会将它们插入到IP包队列的最前面优先发送。
从而使网络的延时与抖动情况对语音通信的影响得到改善。
这种优先级的设定是靠一种称之为资源预留协议（RSVP）的技术来实现。
另外，还采用前向纠错与IP包分割的技术进一步保证话音的质量。
不过人们认为RSVP虽然技术上比较成熟，但难于适应网络规模大小不同的要求，再则考虑到与ATM、FR网的兼容以及全光网络日益普及，最好是采用与动态选路相结合的信令，这样便于建立、保持、修改、中断连接，特别是IP路由协议可用于实时收集网络资源使用情况的信息，计算出节点间最佳通道。
正是为了满足这些要求，又产生了能充分利用IP灵活的动态路由功能的MPLS技术，其中主要采用了MPLS的CR-LDP来实现高清晰IP语音通信。
4向IPv6过渡过程中的IP语音解决方案
在向新一代网络演进的过程中，不仅网络层技术要从IPv4向IPv6过渡，网络业务和应用也有融合的发展趋势。
虽然IP语音通信已经成为当前IPv4网络中的一个重要应用业务，但正如上面分析的，它在IPv4网络还有大量的问题需要解决。
在IPv4向IPv6过渡的过程中，这些问题会变得更加复杂。
如何实现分别连接在IPv4和IPv6网络之上的传统电话业务之间及其与互联网电话业务的互通与综合对未来网络的发展是非常重要的。
就目前的技术来看，软交换比较适合于网络业务从今天分离的体系结构向未来完全集成开放体系结构演进的要求。
电话网络和互联网的业务节点可以独立发展，其间通过软交换等协调设备实现互联互通。
这类协调设备不仅交换语音、数据和其他业务，而且完成七号信令与IP的转换，解决两个网语音业务的融合和转移问题。
软交换可以提供实时业务的呼叫和连接控制、带宽管理、信令互操作等。
它支持H.323、H.248、SIP和媒体网关控制协议（MGCP）等协议。
由于具有开放的体系结构、标准结构和开放的应用编程接口，软交换不同于传统的交换，特别是其上面的应用层和媒体控制层已经与媒体层硬件分离，并纳入开放的标准的计算环境，大大加速了业务和新应用的开发、生成和部署。
软交换不但负责所在管理域中网关的选择与控制，而且与相邻域中的软交换通过BICC或SIP－T交换网关信息，实现不同域间的业务互通。
在IPv4与IPv6混合的网络中，主要有两种基于软交换的业务综合方法，即集成模式和叠加模式。
⏹集成模式
在集成模式中，IPv4域和IPv6域间的软交换设备需要同时支持IPv4和IPv6网络层协议。
软交换设备位于IPv4与IPv6网络的相邻边界，对于两种网络是公共的。
它要同时管理两个域的电话信令信息。
这种模式优势在于管理方便，具有统一的业务开发和控制平台。
但从IPv6与IPv4融合的角度考虑，其体系结构相对封闭，业务提供不灵活，用户化的新业务开发困难，在网络层互通方面受制于软交换设备制造商。
IPv4和IPv6软交换节点集成在一起，使网络发展受制。
因此缺乏长远的生命力。
⏹叠加模式
叠加模式中每个网络具有其各自的软交换业务与应用平台。
IPv4网络和IPv6网络可以独自开发其增值业务和应用。
软交换设备只需要支持一种网络层协议。
不过，软交换机须互通以交换各自所管理网络中的网关分布和状态信息，这可以通过IPv6与IPv4网络结合处的常规双栈路由器或地址翻译器来实现。
利用网络层的IPv6与IPv4互通技术，为应用层的信令协议建立通道。
这种模型比集成模型更灵活，但比集成模型略微复杂一些。
为了让IP网络更好地为用户提供不同质量要求的业务，人们又设计出了多协议标签交换技术MPLS。
该技术对上层应用是透明的，也就是它不关心上层是IPv4还是IPv6。
因此，我们也可以采用MPLS技术来实现IPv4向IPv6过渡
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