IP电话的原理结构

1、IP电话的原理结构及其关键技术 随着光网络的飞速进展和数字传输技术的应用，原来在数据通信网中被视为应用“瓶颈”的带宽和服务质量等问题一一得到解决，推动了IP技术的飞速进展，带动各种应用向IP靠拢， IP电话（又称IP PHONE或VoIP）业务确实是其中一个典型的应用 HYPERLINK 。一、IP电话的概念 IP电话是一种利用Internet技术或网络进行语音通信的新业务。从网络组织来看，目前比较流行的方式有两种：一种是利用Internet网络进行的语音通信，我们称之为网络电话；另一种是利用IP技术，电信运行商之间通过专线点对点联结进行的语音通信，有人称之为经济电话或廉价电话。两者比较，前者

2、具有投资省，价格低等优势，但存在着无服务等级和全程通话质量不能保证等重要缺陷。该方式多为计算机公司和数据网络服务公司所采纳。后者相关于前者来讲投资较大，价格较高，但因其是专门用于电话通信的，因此有一定的服务等级，全程通话质量也有一定保证。该方式多为电信运行商所采纳。 IP电话与传统电话具有明显区不。首先，传统电话使用公众电话网作为语音传输的媒介；而IP电话则是将语音信号在公众电话网和Internet之间进行转换，对语音信号进行压缩封装，转换成IP包，同时，IP技术同意多个用户共用同一带宽资源，改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式，节约了用户使用单独信道的费用。其次，由于技术和市场的推动，

3、将语音转化成IP包的技术已变得更为有用、廉价，同时，IP电话的核心元件之一数字信号处理器的价格在下降，从而使电话费用大大降低，这一点在国际电话通信费用上尤为明显，这也是IP电话迅速进展的重要缘故。 二、IP电话的差不多原理 IP电话（又称IP PHONE或VoIP）是建立在IP技术上的分组化、数字化传输技术,其差不多原理是：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IP等相关协议进行打包,通过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,通过解码解压处理后,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。IP电话系统把一般电话的模拟信号转换成计算机可联入

4、因特网传送的IP数据包,同时也将收到的IP数据包转换成声音的模拟电信号。通过IP电话系统的转换及压缩处理,每个一般电话传输速率约占用11kbit/s带宽,因此在与一般电信网同样使用传输速率为64kbit/s的带宽时,IP电话数是原来的58倍。 IP电话的核心与关键设备是IP电话网关。IP电话网关具有路由治理功能,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,有关处理软件完成呼叫处理、数字语音打包、路由治理等功能。在用户拨打IP电话时,IP电话网关依照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

5、据包经因特网到达目的地IP电话网关。关于因特网未延伸到或临时未设立网关的地区,可设置路由,由最近的网关通过长途电话网转接,实现通信业务。 三、IP电话的差不多结构 IP电话的差不多结构由网关（GW）和网守（GK）两部分构成。网关的要紧功能是信令处理、H.323协议处理、语音编解码和路由协议处理等，对外分不提供与PSTN网连接的中继接口以及与IP网络连接的接口。网守的要紧功能是用户认证、地址解析、带宽治理、路由治理、安全治理和区域治理。一个典型的呼叫过程是：呼叫由PSTN语音交换机发起，通过中继接口接入到网关，网关获得用户希望呼叫的被叫号码后，向网守发出查询信息，网守查找被叫网守的IP地址，并依

6、照网络资源情况来推断是否应该建立连接。假如能够建立连接，则将被叫网守的IP地址通知给主叫网关，主叫网关在得到被叫网关的IP地址后，通过IP网络与对方网关建立起呼叫连接，被叫侧网关向PSTN网络发起呼叫并由交换机向被叫用户振铃，被叫摘机后，被叫侧网关和交换机之间的话音通道被连通，网关之间则开始利用H.245协议进行能力交换，确定通话使用的编解码，在能力交换完成后，主被叫方即可开始通话。 四、IP电话的优点 IP电话是语音数据集成与语音/分组技术进展结合的经济优势，从而迎来一个新的网络环境，那个新环境提供了低成本、高灵活性、高生产率及效率的增强应用等优点。IP电话的这些优点使企业、服务供应商和电信

7、运营商们看到了许多美好的前景，把语音和数据集成在一个分组交换网络中的契机是由以下因素推动的： (1)通过统计上的多路复用而提高的效率。 (2)通过语音压缩和语音活动检测（安静抑制）等增强功能而提高的效率。 (3)通过在私有数据网络上传送电话呼叫而节约长途费用。 (4)通过联合基础设施组件降低治理成本。 (5)利用计算机电话集成的新应用的可能性。 (6)数据应用上的语音连接。 (7)有效使用新的宽带WAN技术。 分组网络提高的效率和在统计学上随数据分组多路复用语音数据流的能力，同意公司最大限度地得到在数据网络基础设施上投资的回报。而把语音数据流放到数据网络上也减少了语音专用线路的数目，这些专用线

8、路的价格往往专门高。LAN，MAN和WAN环境中吉位以太网、密集波分多路复用和Packet over SDH等新技术的实现，以更低的价位为数据网络提高更多的带宽。同样，与标准的TDM连接相比，这些技术提供了更好的性价比。 五、IP电话的种类 IP电话就有4种：电话到电话、电话到PC、PC到电话和PC到PC。具体如下： （1）PC到PC：最初IP电话方式要紧是PC到PC,利用IP地址进行呼叫,通过语音压缩、打包传送方式,实现因特网上PC机间的实时话音传送,话音压缩、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专门大的差异,且 限定在因特网内,因此有专门大的

9、局限性。（2）电话到电话：电话到电话即一般电话通过电话交换机连到IP电话网关,用电话号码穿过IP网进行呼叫,发送端网关鉴不主叫用户,翻译电话号码/网关IP地址,发起IP电话呼叫,连接到最靠近被叫的网关,并完成话音编码和打包,接收端网关实现拆包、解码和连接被叫。 （3）电话到PC ：电话到PC是由网关来完成IP地址和电话号码的对应和翻译,以及话音编解码和打包。 （4）PC到电话：PC到电话也是由网关来完成IP地址和电话号码的对应和翻译,以及话音编解码和打包。 六、IP电话的关键技术 传统的IP网络要紧是用来传输数据业务,采纳的是尽力而为的、无连接的技术,因此没有服务质量保证,存在分组丢失、失序到

10、达和时延抖动等情况。数据业务对此要求不高,但话音属于实时业务,对时序、时延等有严格的要求。因此必须采取专门措施来保障一定的业务质量。IP电话的关键技术包括：信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量（QoS）保证技术、以及网络传输技术等。 1信令技术 信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量,目前被广泛同意的VoIP操纵信令体系包括ITUT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因特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、INTRANET和Internet上的多媒体提供技术基础保障。H.323是I

11、TUT有关多媒体通信的一个协议集,包括用于ISDN的H.320,用于ISDN的H.321和用于PSTN终端的H.324等建议。其编码机制,协议范围和差不多操作类似于ISDN的Q.931信令协议的简化版本,并采纳了比较传统的电路交换的方法。相关的协议包括用于操纵的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.235,与电路交换业务互操作的H.246等。H.323提供设备之间、高层应用之间和提供商之间的互操作性。它不依靠于网络结构,独立于操作系统和硬件平台,支持多点功能、组播和带宽治理。H.323具备

12、相当的灵活性,支持包含不同功能的节点之间的会议和不同网络之间的会议。H.323建议的多媒体会议系统中的信息流包括音频、视频、数据和操纵信息。信息流采纳H.225.0建议方式来打包和传送。 H.323呼叫建立过程涉及到三种信令：S信令（R=注册：Registration、A=许可：Admission和S=状态：Status）,H.225.0呼叫信令和H.245操纵信令。其中S信令用来完成终端与网守之间的登记注册、授权许可、带宽改变、状态和脱离解除等过程；H.225.0呼叫信令用来建立两个终端之间的连接,那个信令使用Q.931消息来操纵呼叫的建立和拆除,当系统中没有网守时,呼叫信令信道在呼叫涉及的

13、两个终端之间打开；当系统中包括一个网守时,由网守决定在终端与网守之间或是在两个终端之间开发呼叫信令信道；H.245操纵信令用来传送终端到终端的操纵消息,包括主从判不、能力交换、打开和关闭逻辑信道、模式参数请求、流控消息和通用命令与指令等。H.245操纵信令信道建立于两个终端之间,或是一个终端与一个网守之间。 尽管H.323提供了窄带多媒体通信所需要的所有子协议,但H.323的操纵协议特不复杂。此外,H.323不支持多点发送（Multicast）协议,只能采纳多点操纵单元（）构成多点会议,因而同时只能支持有限的多点用户。H.323也不支持呼叫转移,且建立呼叫的时刻比较长。与H.323相反,SIP

14、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操纵功能。SIP能够应用于多媒体会议、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能够随时加入一个已存在的会议。SIP能够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。 SIP是一种应用层协议,能够用UDP或TCP作为其传输协议。与H.323不同的是：SIP是一种基于文本的协议,用SIP规则资源定位语言描述（SIP Uniform Resource Locators）,如此

15、易于实现和调试,更重要的是灵活性和扩展性好。由于SIP仅作于初始化呼叫,而不是传输媒体数据,因而造成的附加传输代价也不大。SIP的URLL甚至能够嵌入到web页或其它超文本链路中,用户只需用鼠标一点即可发出一个呼叫。与H.323相比,SIP还有建立呼叫快,支持传送电话号码的特点 2编码技术 话音压缩编码技术是IP电话技术的一个重要组成部分。目前,要紧的编码技术有ITUT 定义的G.729、G.723(G.723.1)等。其中G.729可将通过采样的64kbit/s话音以几乎不失确实质量压缩至8kbit/s。由于在分组交换网络中,业务质量不能得到专门好保证,因而需要话音的编码具有一定的灵活性,即

16、编码速率、编码尺度的可变可适应性。G.729原来是8kbit/s的话音编码标准,现在的工作范围扩展至6.411.8kbit/s,话音质量也在此范围内有一定的变化,但即使是6.4kbit/s,话音质量也还不错,因而专门适合在VoIP系统中使用。G723.1采纳5.3/6.3K bit/s双速率话音编码,其话音质量好,然而处理时延较大,它是目前已标准化的最低速率的话音编码算法。 3实时传输技术 实时传输技术要紧是采纳实时传输协议RTP。RTP是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。RTP包括数据和操纵两部分,后者叫RTCP。RTP提供了时刻标签和操纵不同数据流同步特性的机制,能够让接收端重

17、组发送端的数据包,能够提供接收端到多点发送组的服务质量反馈。 4服务质量（QoS）保证技术 IP电话中要紧采纳资源预留协议(RSVP)以及进行服务质量监控的实时传输操纵协议RTCP来幸免网络 拥塞,保障通话质量。5网络传输技术 IP电话中网络传输技术要紧是TCP和UDP,此外还包括网关互联技术、路由选择技术、网络治理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议RTP提供具有实时特征的、端到端的数据传输业务,因此IP电话中可用RTP来传送话音数据。在RTP报头中包含装载数据的标识符、序列号、时刻戳以及传送监视等,通常RTP协议数据单元是用UDP分组来承载,而且为了尽量减少时延,话音净荷通常都专

18、门短。IP、UDP和RTP报头都按最小长度计算。VoIP话音分组开销专门大,采纳RTP协议的IP电话格式,在这种方式中将多路话音插入话音数据段中,如此提高了传输效率。此外,静音检测技术和回声消除技术也是IP电话中十分关键的技术。静音检测技术可有效剔除静默信号,从而使话音信号的占用带宽进一步降低到3.5bit/s左右；回声消除技术要紧利用数字滤波器技术来消除对通话质量阻碍专门大回声干扰,保证通话质量。 七、IP电话需要解决的问题 IP电话向本地的转移还有专门多的问题需要解决。会有专门多政策方面的问题要解决，比如运营许可证。还有像号码资源、网络之间互通互连如此跨技术和政策领域的问题需要解决。撇开这

19、些问题，在技术上还有专门多地点需要突破。 事实上这些技术问题也并非仅仅存在于以后的IP市话方面。现在国内运营商的长途VoIP网，多建设在专用通信网上。IP地址、安全如此的问题并不突出。然而专网的方式怎么讲只是一个过渡方式，从三网融合的角度看，IP电话必定要融入到公共IP网当中。要达到这一目标，不管是长途网依旧本地网，这些问题都必须解决。 1网络地址 关于如此大规模的一个IP电话网络，IP地址资源的匮乏是首先要解决的问题。事实上这也是困扰着中国宽带接入进展的一个问题，只是在IP电话通信方面会更明显。采纳私有地址是运营商特不不情愿看到的情况，运营商不可能在每一个地点都采纳私有地址，如此在构建全国网

20、络时就专门不方便。而整个大网采纳私有地址，在网间互联也难以幸免相应的问题。采纳私有地址自然要涉及到NAT的问题，关于Web扫瞄和收发电子邮件一般的NAT设备都能够支持，然而专门多NAT不能支持IP电话双向通信。同样的问题在PC to PC和PC to Phone形式的IP电话服务方面也存在着。比如，假如按照现在ISP提供的拨号上网方式，上网的PC机一般只能获得一个动态分配的IP地址，用户只能拨出，对方不能确切的明白主叫方的位置，结果是无法呼入。 IPv6自然是最佳的结果，然而现在还不能特不确切地明白在什么时刻IPv6会在全球推广使用，即使开始推广，必定需要一定的时刻。有些人认为现时期依旧应该在

21、NAT上面下些功夫，比如支持更多种的应用，像IP电话通信。 2安全问题 IP电话的安全问题也是亟待解决的问题。安全的问题分为两方面，一是关于IP网和承载它的以太网在信息安全方面有先天的缺陷，而作为一种通信服务必须能保证用户的个人隐私和商业安全。另一方面，是关于运营商的，如何保证自己业务的安全性，不受欺诈。在没有安全保证的情况下，假如有人将其IP电话网关接入某运营商的网络，通过运营商的网守获得该运营商网关的IP地址信息，神不知鬼不觉地实现IP电话的“落地”并非是骇人听闻的故事。 H.235是人们谈论颇多的安全解决方案，利用H.235是否就真能保证安全性，而相应带来的成本、操纵问题都需要认真考虑。

22、另外，采纳了保密措施的IP电话设备，不同厂商在互操作性方面可能又需要一个协调的过程。 3服务质量 除了地址和安全，另一个特不重要的问题是服务质量。现在的IP网在对实时业务的服务质量支持方面有先天的缺陷，要解决IP电话的服务质量，一定要解决IP网的质量问题。人们把专门大的希望寄予在IP DiffServe、MPLS等技术上，独立资源的IP电话VPN方案也被认为是一种专门好的解决方案。光通信，特不是DWDM技术，使通信网带宽的增长速率远远超过摩尔定律，有人认为利用无限的带宽能够解决IP网的服务质量。但流量工程仅仅能够改善服务质量，不能完全解决服务质量的问题，分类服务是方向。电信级的IP电话网应该引

23、入新的思路和新的概念。解决IP电话的服务质量，不能仅仅依靠于IP网的改善，应该同时在IP电话自身查找解决的方法。 4供电问题 传统的电话在馈电方面历经百年风雨差不多特不成熟，在发生市电断电的情况下，电话线仍能保证与外界的通信。语音通信作为大多数国家的差不多电信业务，专门大程度上扮演着生命线的角色。在企业的IP PBX中，Cisco、Avaya等公司差不多能够通过在以太网交换机上增加供电模块，通过5类线解决馈电的问题，而像Cisco最早能够实现馈电的交换机Catalyst6500系列，有多个冗余的电源来保证不间断电源的供应。然而，类似的方案能够满足以后IP市话的要求，而且利用以太网线对话机和网关

24、供电的标准还没有出来。除了少数的厂家以外，我们大多能见到的终端还做不到这一点，需要另加电源。另外，关于这些终端设备来讲，功耗问题也待解决。 应该讲，供电的问题在以太网接入领域是不可回避的问题，许多放置在楼头的交换机都直接通过市电供电，出于成本的考虑，许多交换机没有冗余的电源，即使有，当市电断掉以后一切通信也就必须结束。从通信的角度看，我们能够实现三网融合，从供电的角度看，有人认为，依旧不能把RJ11的双绞线融合掉。 事实上不仅仅是供电的问题，关于新生的IP电话技术，设备的可靠性、稳定性也是人们关注的焦点。一些厂商在网守和软交换设备进行的努力。网守和软交换的呼叫服务器，都基于通用的计算机平台。电

25、信级产品一般都采纳像Unix如此特不稳定的运算平台，多台服务器互为热备份，有的厂商在他们软交换的解决方案中还集成了Cluster、负载均衡等技术，采纳各种技术幸免单点的故障对通信的阻碍。在计算机行业的眼中采取的措施可谓是登峰造极。然而关于一些传统电信领域的人来讲，大概依旧难以让人足够信服。 假如把这一问题扩大，在整个IP网上，网络设备的稳定性、可靠性都不能让人们中意，至少让人怀疑。而可治理性、可维护性也是IP网需要解决的问题。 5网络融合 如何与现有PSTN网络互通，智能网互通，IP电话智能网业务的开发，不管在长途依旧在本地网差不多上需要解决的问题。现在在IP电话网与固定电话网的互通上还有专门

26、多的问题需要解决。比如IP电话的号码资源问题。而倘若IP电话获得了电话号码的资源，两个网络是否呼叫得通呢？据了解，国内产业界正在加紧研究，同时制定相关的标准来解决如此的问题。 6软交换 在传统的电路交换电话网中，给用户提供的各项业务都直接与交换机有关，业务和操纵都由交换机来完成的。交换机需要提供的功能和交换机提供的新业务都需要在每个交换结点来完成。如要增加新业务，需要先修订标准再对交换机进行改造，每提供一项新业务都需要较长的时刻周期。 而新时代的网络将是一个开放的分层次的结构。这种网络拓扑结构能够使用基于包的承载传送，是一个开放端点的拓扑结构，能同样好地传送话音和数据业务。网络的承载部分与操纵部分分离，同意它们分不演进，有效地打