VoIP培訓資料之基礎知識和技術演進篇
1.IP電話的概念
IP電話通常被稱作Internet電話或網路電話，顧名思義，就是通過Internet打 電話。從廣義上說，它應被稱為Internet電信，因為它包括語音、傳真、視頻傳輸等多種電信業務。
2. IP電話的基本原理
IP電話的話音是利用基於路由器／分組交換的IP（Internet／Intranet）資料 網進行傳輸。由於Internet中採用“存儲一轉發”的方式傳遞資料包，並不獨佔電
路，並且對語音信號進行了很大的壓縮處理，因此IP電話佔用帶寬僅為8kbit／S－ 10kbit／S，再加上分組交換的計費方式與距離的遠近無關，自然大大節省了長途
通信費用。 Internet是由眾多各種不同的電腦網路互聯組成的，遍佈世界各地。Inte rnet的出現和普及極大地改變了人們的交流和通信方式。Internet使用標準的TCP ／IP協定來實現各電腦之間的相互通信和資料交換。
TCP／IP協定則負責將要傳 輸的IP資料分組排隊發送到網路上。每個分組均包含位址及資料重組資訊，以確保 資料安全和資料分組交換正確無誤。 IP Telephony就是以Internet作為主要傳輸 介質進行語音傳送的。首先，語音信號通過公用電話網絡被傳輸到IPTelephony網 關；然後閘道再將話音信號轉換壓縮成數位信號傳遞進入Internet；而這些數位信
號通過遍及全球而成本低廉的網路將信號傳遞到對方所在地的閘道，再由這個閘道 將數位信號還原成為類比信號，輸入到當地的公共電話網絡，最終將語音信號傳給 收話人。
3. IP電話系統的關鍵設備--閘道
設在各地的閘道由一個獨一的IP位址表示，它是架通兩種通信傳輸方式的一座 橋樑，是Internet上的‘交換局”，以實現遠端電話間的互聯和通信，。
在一邊，閘道連接傳統的電路交換網（Circuit－switched
Network）如公共 交換電話網（PSTN），可和外部的任意一部電話通信。在另一邊，閘道連接分組交換網（Packet－Switched Network）如Internet、Intranet等，可和接入網路的任 意一台電腦通信。在整個Internet Phone系統中，閘道分佈在世界各地，處理當 地的PSTN網與Internet的接入和轉換理。 閘道接收標準電話信號，經數位化與大幅度地壓縮後，使用IP協議進行分組送
到Internet，找出傳輸路由，通過Internet發往目的地。反之，接收Internet傳輸 過來的資料分組，並轉往電話網路系統。接入和轉出電話網路系統可同時進行，實 現全雙工（雙向）通話。 例如在北京撥打一個到三藩市的長途電話，在北京，一個普通的公共電話通過 PSTN接入本地閘道，本地閘道對資料進行特定的壓縮演算法處理，組織成包含主、被叫號碼、時間、通話資訊等資料的IP分組，並分析被叫號碼，根據路由表， 把它映 射成為一個IP位址，通過路由選擇，發往該IP位址（如三藩市）對應的遠端閘道。 而在被叫方三藩市，遠端閘道接收北京本地閘道傳輸過來的IP資料分組，進行相反過程的解壓縮，再發往其本地端的PSTN網。這樣，就實現了兩地的即時通
信。而其 所包含的通信費用僅為北京本地普通電話費+Internet通信費+三藩市本地電話費。
由於Internet的通信費是較低的，所以長途電話費用大大下降。
4. IP電話話音品質
話音品質基本取決於兩個因素：一是上網通信線路的速度;二是Internet本身
是否繁忙。IP電話話音品質與普通電話話音品質相比主要有兩個方面的差別： 一、是話音滯後，二、有時略有失真現象。凡是使用過IP電話的人，普遍認為話音品質 比想像的好，一般來講介於普通電話與移動電話之間。為了提高話音品質，最直 接的方法是擴大Internet的接入速率，使用良好的Internet接入線路。
5. IP電話系統中的幾個關鍵技術和標準(1)
* IP電話的基本標準 Internet電話的標準採用ITU－T H.323標準。H.323是ITU的多媒體通信協定 系列H.32x中的一個。H.323提供了基於IP網路（包括Internet）的傳送聲音、視頻和資料的基本標準，它是一個框架協議，與之相關的傳輸、
控制及聲音、視頻 壓縮等標準見下表（表中還包含了多媒體在其餘網路（ISDN、PSTN）中的系列協定）。
H.323定義了網路傳輸中的四種基本的構成單元：終端、閘道、關守和多點控 制器（MCU）。 * 網路協定標準 一般說來，Internet電話的呼叫建立和控制大多建立在TCP基礎上，而音頻 流的傳送則建立在UDP基礎上，為保證傳送的即時性，IETF增加了幾個重要的協 議： RSVP（ Resource Reservation Protocol）：一般說來，在IP網路上保留
足夠的帶寬用於多媒體的傳送是十分困難的，為此IEtF，定義了資源預留協議 （RSVP）。RSVP允許接收者申請特定數量的帶寬用以進行資料傳輸，有了RSVP， 傳統的無QoS（Quality of Service）保證的IP網路獲得了QoS保證。要能夠使用
RSVP，H.323的終端、閘道、MCU等必須支援， IP網路上的路由器等也必須支援， RSVP在RFC2205－RF C2209中定義。 RTP／RTCP（ Real－Time Protocol／Real-Time ControlProtocol）：RTP 是IETF定義的用以傳送音頻、視頻流的協定，RTP建立在UDP上，在RTP的頭部，
定義了一個時間戳（Time Stamp），使得音視頻的即時傳送及同步得到保證。 RTCP則是控制和監視RTP及其Qos的協定。H.323是建立RTP基礎上的。RTP／RCt 協議見RFC1889和C1890。
6. IP電話系統中的幾個關鍵技術和標準 (2)
* 語音編碼標準 H.323中定義了多種話音的傳送，IETF成立了AVT（ Audio／Video Trans port）工作組用以進行話音傳送的研究。目前，Internet電話中常用的語音編碼
位元流速率如下： G.711 64Kbit/s G722 48－64kbit/s， G.728 16kbit/s G.723和G.723.1 5.3kbit／S或6.3kbit／S， G.729和G
IP電話技術的演進
——IP電話以其經濟、高效率和超時代的技術發展等特點，自1995年以來得到了迅猛發展，目前已成為資料語音通信中最有競爭力的技術之一。全球許多國
家開通了I P電話的運營業務，我國的IP電話試運營工作也已經半年有餘，IP技術正呈現出蓬勃的生命力，必定推動資訊產業的進一步發展，IP電話的發展，歷經了兩個
初級階段，目前正在高速地向第三個階段演進
——統一融合。
1 技術積累階段
——在 技術積累階段， CTI領域的專家提出語音傳輸的分組設想：所有的分組語音系統都遵循一種通用的模式，分組語音傳輸網路可以採用IP、幀中繼或ATM。在這些網路的邊緣設 置稱為 “語音代理”的設備或部件，其任務是將語音資訊從傳統的語音格式轉換為適用於分組傳輸的格式，然後通過上述網路將分組資料發送到目的地的語音代理設備上。
——語音代理連接模式在分組語音網路傳輸系統中需要解決兩個問題，才能使分組語音服務滿足用戶的需要。首先是語音編碼的轉換，即如何將語音資訊轉換為數位信號；另一個問題是信令轉換，它主要是鑒別呼叫方所呼叫的對象，以及呼叫方在網路中的位置。
——人類的語言都是以類比信號形式表示的，早期的電話類比信號可以描述為平滑的“正弦波”，雖然模擬通信技術已相當發達，但是傳輸的效率不高，當傳輸衰減導致類比信號變弱時，要將複雜的類比語音資訊和傳輸雜訊區分開來是很困難的。
——數位信號只有“
——正 是基於這樣的技術，人們研製成功了第一代IP電話設備，利用電腦上的音效卡語音採集原理，將64kb／s的類比語音轉換為ADPCM數位信號，在I nternet上實現電腦到電腦的初級 IP電話功能。這種系統由於主要是利用電腦來完成語音的壓縮和控制，所以，一般只能實現一路話音的即時通信。例如，在PII233的電腦系統上最多只 能完成4 個話路的語音通信。在這灰系統中，比較實用的IP電話系統有很多，如Vocaltec的IPhone、Microsoft的Netmeeting系統等。 第一代IP系統的研製成功，激起了人們對I P電話系統的極大興趣，從而，推動了IP電話技術的應用研究，人們希望像一般電話系統一樣來使用IP電話系統。
2 實用階段
——IP電話的第二個發展階段是在第一個階段的基礎上的飛躍，它不但可以實現像PSTN系統一樣使用IP電話系統進行通信，而且也可以實現大話務量的呼 叫。利用目前的P STN交換系統，進行IP電話的通信的階段稱為“實用階段”。實用階段的IP電話主要是一個網路接入設備，它完成資料網路傳輸和PSTN的轉接功能。一個 實用的I P電話接入終端系統（我們稱之為Gateway），一般包括五個部分：
——.建立和控制電話的接續、通話和拆線工作
——.語音壓縮和資料編碼處理
——.資料網路傳輸和控制：
——.系統維護部分
——.用戶資訊管理
——這類系統仍是組建在電腦系統上的，但它不是終端用戶設備。所以，對一般用戶來說，只需要一個電話機，即可實現IP通信。下面我們來研究各部分的功能及實現方法。
2.1 建立和控制電話的接續、通話和拆線
——建立和控制電話的接續、通話和拆線是IP電話系統和PSTN的資訊交換介面，也是目前的一般電話系統向Internet／Intranet轉換的出入閘道。這部分的工作主要是通過對電話卡（例如 E1卡）的編程控制來實現。
——由於E1卡可以接受PSTN資訊，並去掉有關的信令，錄製成為純數位語音信號，所以，信令的轉換工作基本上由E1卡來完成。但在一個完整的I P電話閘道中，各個部件之間必須相互交流資訊，協調工作。E1卡和語音壓縮卡之間，語音壓縮卡和網卡（NIC）之間，以及各部件和用戶介面 之間，都需要充分的資訊交換。這些資訊的交換，可以通過狀態機的行為來控制。
2.2 電話的接續和拆線工作
——首先，由PSIN上的主叫用戶A摘機，發端Capitel收到主叫用戶的摘機信號後，向主叫用戶送撥號音或）IVR（互動式語音應答）提示。主叫用戶聽到撥號音，開始撥號，將被叫號碼送到 A端交換機Capitel。
——A端Capitel根據被叫號碼選擇IP位址和最佳路徑，並在選擇好的路徑上向B端Capitel發送通道佔用信號，即由A端Capitel的出信
號佔用B 端Capitel的入信號。然後由A端的Capitel將被叫號碼送往B端的Capitel。（注：本系統以北京郵電通信設備廠的Capitel IP電話系統為例）。
——B端的Capitel根據被叫號碼，將純數位信號轉化為PCM信號送到B端的PSTN上，接通被叫用戶。被叫用
戶摘機應答，並將摘機信號送到B 端的Capitel上，再由B端Capitel轉發給A端 Capitel，雙方開始通話。當通話結束時，若A端用戶先掛機，則主叫用戶向Capitel送復原或拆線信號，並由B端Capitel將此信號發送給B 端的PSTN；若B端用戶先掛機，則B向A端Capitel送復原或拆線信號，一切復原。
——2.3 語音壓縮的資料處理
——語音壓縮主要是對語音信號進行壓縮處理，常用的語音處理方法有：G.711、G.722、 G.729和G.723，這些壓縮演算法必須在硬體上處理完成，否則，就不可能實現大話務量的呼叫任務。本部分可以利用程式來控制語言壓縮卡，使它根據我們
的需要對語音信號進行即時的處理。當語音資料獲取完成後，必須放人記憶體中，在採集的過程中。第一步必須採集無壓縮的數位信號，然後經壓縮處理後，按要求的 結構送到指定的記憶體，並在C PU的控制下，利用DSP中的演算法，進行相應的資料壓縮處理。經過壓縮處理後的語音信號，再經過分組和編碼，形成標準的資料包，然後將這些封包的資料按流
的形式送到網路中進行傳輸。
——2.4 資料編碼處理
——資料編碼處理是H.323模組所要完成的主要工作，它是涉及語音資料發送格式能否在互異系統上相互接收的關鍵，該協議於1996年5月2 8日由ITU公佈，目前已廣泛用於多媒體資料通信中，它是使用在綜合業務數位網（ISDN）中的一個多媒體通信協定。
——具體的協議標準包括：H.255.0（呼叫處理協議），H.245（控制處理協議），H.261和
H.263（視頻處理協定），T.12O（資料處理協定）。在IP電話系統中，這部分工作主要完成如下任務：
——.即時音頻編碼處理
——.控制協議
——.資料傳輸協議
——2.5—閘道之間的資料交換
——閘道之間的資料交換，是IP電話系統發展中十分重要又非常困難的技術。儘管IP電話生產廠家都聲稱他們的設備滿足H.323標準協議的基本要求，但 在H .225和H.245及Q.931的具體處理過程中，每個廠家有各自的處理方法。就IP電話的創始廠家Vocaltec和北京郵電通信設備廠的 Capitel IP交換機系統對比來說，這兩家的產品都滿足H.323的規範，但在H.323協議中G集的處理上卻截然 不同，因為H.323中沒有明確說明G集的處理方法。Vocaltec公司採用了三步的編碼方式來進行H.323包的封裝，而Capitel IP交換機系統則採用了中國標準的八步編碼方式來進行H.323包的封裝，這樣，在兩家的產品進行相互通信時，由於H.323包的封裝方法不同，對收到的 H .323包的解釋不同，就出現了不相容的情況。
序號 要求
1 閘道支持G
2 閘道支援DTMF和MF解碼和編碼（呼出時），最終用哀悼可以使用IVR系統
3 關口支持與交換中心的關口的互通
4 關口支援協定H.323 V2中的“快速建立設置”
5 關口和閘道之間可以傳遞端到端的資訊記錄代碼
6 關口可以利用結算系統和來自結算系統的運營商的呼叫確認，進行認證
7 呼叫詳細記錄可以即時產生並即時傳遞到結算中心
8 銷售符合iNOW！2.0版本的閘道及關口，首先必須要利用iNOW！的權威組織，圓滿地完成 iNOW！組織的認證程式
9 對於結算中心的呼叫，通過結算中心和終端的信號，iNOW！平臺提供相容能力
10 提供關口和結算系統的互通功能
11 可以傳送關口路由呼叫信令和終端路由呼叫信令
12 至少24小時內，本地關口時鐘可與準確、可信的時間源保持同步
13 利用下列演算法，可以在結算系統CDR中生成終端源代碼：H.323+1000 Q.931
14 閘道支持T.38傳真協定。強制支持TCP／UDP／IP和V.21，V.27 V.17
15 有關結算系統呼叫，關口將保證資訊的完整性
——針對目前無通用國際標準的情況，在1999年1月由Lucent、Itexc和Vocaltec三家公司聯合制定了IP電話工業標準－iNow!協定，該協定主要包括五個方面的內容：
——.Gateway到Gateway的互通要求
——.Gatekeeper到Gatekeeper的互通要求
——.Gatekeeper到結算中心的互通要求
——.Phone到Phone的服務要求
——.FAX到FAX的服務要求
——在滿足上述要求的同時，資訊交互處理過程必須在結算中心的控制下完成。不同區域的 IP電話運營商，可通過結算中心完成各種認證和交換工作。在iNow!協議中，接續和拆線的處理過程也有嚴格的定義，從而保證了不同廠家的產品在接續和拆
線的處理上 可以相互相容。iNow!協定在規定演算法和資訊交換規範的同時，也規定了各種詳細的報文格式。這樣不同廠家應用該協議的時候，不會產生異議，使各I P電話生產廠家的產品可以相互相容。
——然而，美好的願望不等於現實，INOW!協議自從其誕生以來，就存在著許多問題。首先它是對 H.323協定的補充，它沒有定義新的協議，它仍然局限在H .323協議的範圍內。H.323協定在網路層的不完整性和對傳輸的無保證性等方面的不足，iNOW!協議也不可能解決。其次，iNOW!協議為行業標 准，目前還沒有得到I TU的支援。所以，儘管iNOW!協定推出一年多來，有許多廠家支援該協定，但聲稱支援該協定的廠家的產品也不相互相容。
——中國IP電話系統，經過半年多的試運營，針對目前IP電話系統存在的問題，在資訊產業部的組織下，結合我國的網路情況和用戶反映的問題，制訂出了中
國的I P電話相容性標準和性能要求，並在有關單位的配合下，進行了IP電話設備的入網測試和認證工作，取得了良好的效果。
3 技術融合
——網路的發展正向寬頻化、智慧化方向演進，目前電路交換和分組交換的相互融合，正是這種趨勢發展的必然結果，由於分組交換傳輸效率高、費用低，它將逐
步代替目前的電路交換網路。多種接入網路（無線、x DSL、Cable、光接入等）將成為一個統一包交換的骨幹網路。在未來的網路架構中，7號信令系統將和IP網路並存一定的時間，它將在IP網路中扮演重 要的角色。在各種網路融合的趨勢中，一個明顯的變化就是，過去電路交換機強大的功能，正在不斷地分解，而且介面正在標準化。M GCP（Media Gateway Control Protocol）協定使IP網路和PSTN網路之間的介面口有了統一的規範，IPST（Internet Protocol Standard Transmit）協定使電路交換的信令在IN網路中有了統一的實施方法。這就使在IP電話領域中的分散式呼叫處理結構成為可能，為 IP電話系統在目前和未來的應用奠定了堅實的網路基礎。這一階段發展起來的IP電話系統我們稱為“統 一階段”的IP電話系統。
——統一階段IP電話最顯著的特點就是：各種IP電話設備相互相容，將電路交換思想延伸到整個網路中，運營商可以在整個IP網路上進行無障礙的交換。以 M GCP和IPST為代表的協議，統一了H.323和iNOW！協定的規範，並對IP網路和PSTN網路之間的介面信令進行了標準化（IPST協議）。我們 知道，I P電話系統一般分為三層結構，即：連接層、控制層和業務管理層。
——連接層負責建立和實現物理層的連接，它在IP 網路和PSTN網路之間完成資訊交換的同時，負責將編碼後的語音信號傳送到控制系統。控制層完成呼叫請求連接。該層的相關協議有： H.323、H.GCP和SIP等，這些協議的主要任務是完成對語音信號的封裝，並建立適當的承載連接。業務管理層主要完成運營商的業務控制，例如用戶管
理、計費、結算和用戶授權等功能。該層必須支援A 介面（智慧型網路介面），所以，該層也與H.GCP（MGCP）協議密切相關。
——MGCP是為所有介於PSTN和IP網路之間的各種閘道所定義的協定標準。最為典型的應用就是IP電話網關和撥號接入伺服器。因此，IP電話網關與 撥號接入伺服器未來的結構有著很大的相似性。所不同的是，I P電話網關完成對PSTN話路資源和RTP會話資源的捆綁，而撥號接入伺服器則完成對PSTN話路資源和IP會話的捆綁。因此，未來的撥號接入伺服器將能 夠自動識別I P接入、IP 電話（或傳真）接入，做到按需動態實現通道分配和資源捆綁。
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