VoIP工作原理與架構

1、VoIP工作原理與架構2007-04-03 16:36:17由Voice over IP的字面意義，可以直譯為透過IP網絡傳輸?shù)恼Z音訊號或影像訊號，所以VoIP就是一種可以在IP網絡上互傳模擬音訊或視訊的一種技術。簡單地說，它是藉由一連串的轉碼、編碼、壓縮、打包等程序，好讓該語音數(shù)據可以在IP網絡上傳輸?shù)侥康亩?，然后再經由相反的程序，還原成原來的語音訊號以供接聽者接收。進一步來說，VoIP大致透過5道程序來互傳語音訊號，首先是將發(fā)話端的模擬語音訊號進行編碼的動作，目前主要是采用ITU-T G.711語音編碼標準來轉換。第二道程序則是將語音封包加以壓縮，同時并添加址及控制信息，如此便可以在第三階

2、段中，也就是傳輸IP封包階段，在浩瀚的 IP網絡中尋找到傳送的目的端。到了目的端，IP封包會進行譯碼還原的作業(yè)，最后并轉換成喇叭、聽筒或耳機能播放的模擬音訊。在一個基本的VoIP架構之中，大致包含4個基本元素：(1)媒體網關器（Media Gateway）：主要扮演將語音訊號轉換成為IP封包的角色。(2)媒體網關控制器（Media Gateway Controller）：又稱為Gate Keeper或Call Server。主要負責管理訊號傳輸與轉換的工作。(3)語音服務器：主要提供電話不通、占線或忙線時的語音響應服務。(4)信號網關器（Signaling Gateway）：主要工作是在交換過

3、程中進行相關控制，以決定通話建立與否，以及提供相關應用的增值服務。雖然VoIP擁有許多優(yōu)點，但絕不可能在短期內完全取代已有悠久歷史并發(fā)展成熟的 PSTN電路交換網，所以現(xiàn)階段兩者勢必會共存一段時間。為了要讓兩者間能相互溝通，勢必要建立一個互通的接口及管道，而媒體網關器與網關管理器即扮演了中介的色角，因為他們具備將媒體數(shù)據流及IP封包轉譯成不同網絡所支持的各類協(xié)議。其運作原理是，媒體網關器先將語音轉換為IP封包，然后交由媒體網關控制器加以控制管理，并決定IP封包在網絡中的傳送路徑。至于信號網關器則負責將SS7信號格式轉換為IP封包。網絡電話若要走向符合企業(yè)級營運標準，必須達到以下幾個基本要求：1

4、.服務品質（QoS）之保證：這是由PSTN過渡到VoIP、IP PBX取代PBX的最基本要求。所謂QoS就是要保證達到語音傳輸?shù)淖畹脱舆t率（400毫秒）及封包遺失率（5-8%），如此通話品質才能達到現(xiàn)今 PSTN的基本要求及水準，否則VoIP的推行將成問題。2.99.9999的高可用性（High Available；HA）：雖然網絡電話已成今后的必然趨勢，但與發(fā)展已久的PSTN相較，其成熟度、穩(wěn)定度、可用性、可管理性，乃至可擴充性等方面，仍有待加強。尤其在電信級的高可用性上，VoIP必須像現(xiàn)今PSTN一樣，達到6個9（99.9999%）的基本標準。目前VoIP是以負載平衡、路由備份等技術來解決

5、這方面的要求及問題，總而言之，HA是VoIP必須達到的目標之一。3.開放性及兼容性：傳統(tǒng)PSTN是屬封閉式架構，但IP網絡則屬開放式架構，如今VoIP的最大課題之一就是如何在開放架構下，而能達到各家廠商VoIP產品或建設的互通與兼容，同時地造成各家產品在整合測試及驗證上的困難度。目前的解決方法是透過國際電信組織不斷擬定及修改的標準協(xié)議，來達到不同產品間的兼容性問題，以及IP電話與傳統(tǒng)電話的互通性。4.可管理性與安全性問題：電信服務包羅萬象，包括用戶管理、異地漫游、可靠計費系統(tǒng)、認證授權等等，所以管理上非常復雜，VoIP營運商必須要有良好的管理工具及設備才能因應。同時IP網絡架構技術完全不同于過

6、去的PSTN電路網，而且長久以來具開放性的IP網絡一直有著極其嚴重的安全性問題，所以這也形成網絡電話今后發(fā)展上的重大障礙與首要解決的目標。5.多媒體應用：與傳統(tǒng)PSTN相比，網絡電話今后發(fā)展上的最大特色及區(qū)別，恐怕就在多媒體的應用上。在可預見的未來，VoIP將可提供交互式電子商務、呼叫中心、企業(yè)傳真、多媒體視訊會議、智能代理等應用及服務。過去，VoIP因為價格低廉而受到歡迎及注目，但多媒體應用才是VoIP今后蓬勃發(fā)展的最大促因，也是各家積極參與的最大動力。主宰VoIP走向的三大主流協(xié)定在浩瀚的IP網絡中要如何正確的尋找到要通話的對方并建立對答，同時也能依照彼此資料的處理能力來傳送語音數(shù)據，這中

7、間必須藉由國際電信組織所擬定的標準協(xié)議才能達到。如今，市面上的網絡電話大致都會遵循H.323、MGCP及SIP等 3種標準協(xié)議。雖然目前產品仍以支持H.323為多，但SIP的支持將會成為今后主流。1.H.323ITU-T 國際電聯(lián)第16研究組首先在1996年通過H.323第一版的制定工作，同時并在1998年完成第二版協(xié)議的擬定。原則上，該協(xié)議提供了基礎網絡（Packet Based Networks；PBN）架構上的多媒體通訊系統(tǒng)標準，并為IP網絡上的多媒體通訊應用提供了技術基礎。H.323并不依賴于網絡結構，而是獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺之上，支持多點功能、組播和頻寬管理。H.323具備相當?shù)?/p>

8、靈活性，可支持包含不同功能節(jié)點之間的視訊會議和不同網絡之間的視訊會議。H.323并不支持群播（Multicast）協(xié)議，只能采用多點控制單元（MCU）構成多點會議，因而同時只能支持有限的多點用戶。H.323也不支持呼叫轉移，且建立呼叫的時間也比較長。早期的視訊會議多半支持H.323協(xié)議，例如微軟NetMeeting、Intel Internet Video Phone等都是支持H.323協(xié)議的視訊會議軟件，亦為現(xiàn)今VoIP的前輩。不過H.323協(xié)議本身具有一些問題，例如采用H.323協(xié)議的IP電話網絡在接入端仍要經過當?shù)氐腜STN電路交換網。而之后制定出的MGCP等協(xié)議，目的即在于將H.323

9、網關進行功能上的分解，也就是劃分成負責媒體流處理的媒體網關（MG），以及掌控呼叫建立與控制的媒體網關控制器（MGC）兩個部分。雖然如今微軟的Windows Mesenger則已改采SIP標準，且SIP標準隱隱具有取代H.323的勢頭。但目前仍有許多網絡電話產品依舊支持H.323協(xié)定。2.SIP（Session Initiation Protocol）SIP是由IETF所制定，其特性幾乎與H.323相反，原則上它是一種比較簡單的會話初始化協(xié)議，也就是只提供會話或呼叫的建立與控制功能。SIP協(xié)議可支持多媒體會議、遠程教學及Internet電話等領域的應用。SIP同時支持單點播送（Unicast）及

10、群播功能，換句話說，使用者可以隨時加入一個已存在的視訊會議之中。在網絡OSI屬性上，SIP屬于應用層協(xié)議，所以可透過UDP或TCP協(xié)議進行傳輸。SIP另一個重要特點就是它屬于一種基于文本的協(xié)議，采用SIP規(guī)則資源定位語言描述（SIP Uniform Resource Locators），因此可方便地進行撰改或測試作業(yè)，所以比起H.323來說，其靈活性與擴展性的表現(xiàn)較好。SIP的URL甚至可以嵌入到Web頁面或其它超文本連結之中，用戶只需用鼠標一點即可發(fā)出呼叫。所以與H.323相比，SIP具備了快速建立呼叫快與支持電話號碼之傳送等特點。3.MGCP原則上，MGCP協(xié)定與前兩者皆不同，H.323和

11、SIP協(xié)議是專門針對網絡電話及 IP網絡所提出的兩套各自獨立的標準，兩者間并不兼容及互通。反觀MGCP協(xié)議，則與IP電話網絡無關，而只牽涉到網關分解上的問題，也因為如此，該協(xié)議可同時適用于支持H.323或SIP協(xié)議的網絡電話系統(tǒng)。MGCP協(xié)議制定的主要目的即在于將網關功能分解成負責媒體流處理的媒體網關（MG），以及掌控呼叫建立與控制的媒體網關控制器（MGC）兩大部分。同時MG在MGC的控制下，實現(xiàn)跨網域的多媒體電信業(yè)務。由于MGCP更加適應需要中央控管的通訊服務模式，因此更符合電信營運商的需求。在大規(guī)模網絡電話網中，集中控管是件非常重要的事情，透過MGCP則可利用MGC統(tǒng)一處理分發(fā)不同的服務給

12、MG。4.其它重要協(xié)議及技術除了上述3大協(xié)議之外，還有許多左右VoIP通話品質及傳輸效率的重要協(xié)議與技術。在語音壓縮編碼技術方面，主要有ITU-T定義的G.729、G.723等技術，其中G.729提供了將原有64Kbit/s PSTN模擬語音，壓縮到只有8Kbit/s，而同時符合不失真需求的能力。在實時傳輸技術方面，目前網絡電話主要支持RTP傳輸協(xié)議。RTP協(xié)議是一種能提供端點間語音數(shù)據實時傳送的一種標準。該協(xié)議的主要工作在于提供時間標簽和不同數(shù)據流同步化控制作業(yè)，收話端可以藉由RTP重組發(fā)話端的語音數(shù)據。除此之外，在網絡傳輸方面，尚包括了TCP、UDP、網關互聯(lián)、路由選擇、網絡管理、安全認證

13、及計費等相關技術。51Testing軟件測試網0aZ y;l3BMHBVy7t3I0nOs0VoIP各項產品及設備的類型和許多早期網絡設備一樣，VoIP最早是以軟件的形態(tài)問世的，也就是純粹PC to PC功能的產品。為了能貼近過去傳統(tǒng)模擬電話的使用習慣及經驗，之后才漸漸有電話形態(tài)的產品出現(xiàn)。對于企業(yè)而言，為了追求成本、語音及網絡的整合、多媒體增值功能、更方便的集中式管理，而陸續(xù)出現(xiàn)了VoIP網關、IP PBX或其它整合型的VoIP設備等解決方案。以下就這幾種類型的VoIP產品做一簡單介紹。1.VoIP軟件VoIP軟件不但是網絡電話的原始形態(tài)，更是開啟免費通話新世紀到來的開路先鋒。對于熟悉計算機

14、及網絡操作的人而言，只要發(fā)收雙方計算機上安裝VoIP軟件，即可穿越因特網相互通話，這實在是件既神奇又方便的事。更重要的是，透過 VoIP軟件，不論是當?shù)豍C to PC的對話，抑或跨國交談都幾乎免費，同時網上并有許多免費的VoIP軟件提供下載，也因為如此，.VoIP才能緊緊鎖住一般消費者乃至企業(yè)用戶的目光。但對于絕大多數(shù)的使用者而言，必須克服計算機軟件安裝及操作的門坎，還要安插耳機及麥克風，更要面對系統(tǒng)不穩(wěn)定或當機的可能性，所以透過PC來打電話不但是件麻煩事，而且是一種與既有通話習慣不符的奇怪行徑。不論如何，VoIP軟件背后所潛藏的無限商機，不但吸收了許多人的目光，同時成為 VoIP兵家必爭的

15、焦點。從早期的視訊會議軟件，到實時通訊軟件，再到今日造成風潮的Skype都是明顯的例子。不論是Wintel陣營中的微軟、 Intel，抑或Yahoo、AOL、Google、PC Home Online等入口網站、甚或ISP廠商，全都卯足全勁進行各種搶攤作業(yè)。其中，許多ISP并推出整合VoIP軟件及USB話機的銷售方案，例如 SEEDNet的Wagaly Walk及PC Home Online的PChome Touch-1USB話機。至于外型上與一般電話無異的USB話機，就是為營造出一種與傳統(tǒng)電話外觀及使用習性相同的一種解決方案。2.VoIP網絡電話一般而言VoIP網絡電話的又分成有線、無線Vo

16、IP網絡電話，以及提供影像輸出的 VoIP視訊會議設備等不同類型的產品。由于VoIP網絡電話機上具備RJ45網絡接口端口，所以不需藉由計算機主機，即可透過寬頻、連結IP網絡進行通話，同時使用習性上與傳統(tǒng)電話一樣，一般人很難分辨出其中的差異。VoIP網絡電話較少用于個人家庭或SOHO市場，但卻經常做為企業(yè)VoIP網絡建設中的終端設備。但由于目前VoIP網絡電話的價格仍高，所以仍不普遍，雖然之前，拜SARS之賜，促進了些VoIP視訊會議設備的銷售業(yè)績，但整體而言成長幅并不太大。此外，微軟特別在Win CE 5.0中新增VoIP功能，除了強化與Exchange Server的整合性外，并提供訊息整合及身份管理等功能，屆時藉由WinCE開發(fā)出來的VoIP電話，將提供多人共享，但每人皆有私人專屬賬號的功能。3.VoIP網關器除了VoIP軟件之外，VoIP網關器可說是最普遍常見的網絡電話設備。不論是家用或商用領域中，VoIP網關器可說扮演了由傳統(tǒng)PSTN網絡轉輸?shù)絀P網絡的接口，換句話說，透過它即可用傳統(tǒng)的電話設備（乃至PBX交換系統(tǒng)）來打網絡電話。4.VoIP PBX在電信級的網絡電話架構中，IP PBX語音交換機扮演了相當重要的角色，其不但需要接手傳統(tǒng)語音交換機的位置及功能，還要居中成為語音與信息整合的媒介。IP PBX功能強大且多樣化，能透過