3.1.8　IP电话技术

IP电话技术又叫做VoIP技术，是利用IP网络实现语音通信的一种先进通信手段，是基于IP网络的语音传输技术。它利用电话网关服务器之类的设备将电话语音数字化，将数据压缩后打包成数据包，通过IP网络传输到目的地；目的地收到这一串数据包后，将数据重组、解压缩后再还原成声音。这样，网络两端的人就可以听到对方的声音。

1．IP电话的实现

VoIP技术问世以来，在技术上逐步成熟。短短几年内，它已由最初的PC-to-PC发展到更实用的Phone-to-Phone，并逐渐走入电信市场。

（1）PC-to-PC

这是初期采用的一种方式，它以多媒体技术为基础，在技术上较容易实现，但对于用户的要求比较高。通话双方的计算机均需登录到网络上，还要有全双工声卡、话筒等设备，并安装相同的电话软件。通话时两台计算机均要上网，登录到相应的网络服务器上，并运行网络通话软件。由于它的技术背景比较简单，使用方法比较复杂，因而效果不好，仅适合于网络爱好者个人使用，不能作为公用电话服务的手段推广使用。早期的Internet Phone就是此类产品的代表。

（2）PC-to-Phone

作为主叫方的计算机必须上网，被叫方使用普通电话即可。通话时，主叫方登录到与对方电话网相连的IP电话网关服务器。主叫方的呼叫信号通过Internet到达服务器后，自动转接到被叫方的电话上。建立链路后，双方即可像普通电话一样交谈。运行VoIP软件时，要预先登记用户名、口令及对方的电话号码。而且，要使用它，通常需预付一定的费用或提供信用卡号码。Net2Phone是此类产品的代表。

（3）Phone-to-Phone

这种形式出现得比较晚，是使用最简便、最容易被人们接受的方式，也是技术背景最复杂的一种。如今，这种产品的种类很多，实际性能差别也很大，可分为如下3种类型。

·双方电话各配置一个类似调制解调器的设备，通话双方通过它登录到Internet上，首次通话时要注册，每次通话只需进行简单的操作便能像普通电话一样交谈。它的优点是用户不必直接操作计算机。例如，美国的AplioInc.公司生产的Aplio/Phone系列产品，体积如同普通电话机大小，有Internet账户的用户可以利用它通过Internet进行交谈。

·两端都没有计算机与电话连接，而是通过称为“桥接器”的设备进行通话，它可以把普通模拟电话的音频信号流转换成分组数据，送入Internet传输。桥接器可直接插入Internet/Intranet。有些桥接器本身还具有小型交换机的功能，是一种小型智能IP电话系统。目前已有很多公司介入桥接器市场。例如美国的TouchWareInc，它研制的IP电话产品WebSwitch是含有PBX功能的智能IP电话系统，可直接插入公司的LAN或Internet。

·利用IP电话网关服务器进行通话。网关服务器一端与Internet相连，另一端与当地的PSTN相连。用户不需要申请Internet账号，打电话时只需拨某个特殊电话号码（接入号）即可连到服务器。它使用起来就像国内的201卡一样，经过身份验证后，即可直接输入对方的电话号码。服务器收到被叫号码后，通过Internet与被叫方的相关服务器建立连接。对方服务器收到呼叫后立刻接通本地被叫电话号码。现在市场上已经有多种此类产品出现，比较成熟的设备有Dialogic公司开发的DM3/IPLINK、NATURAL公司开发的Micro System Fusion2等。珠海斯瑞捷工程服务有限公司生产的NPS电话集成系统也属于此类产品。

不管如何分类，所有IP电话的用途只有一个，即利用Internet传送语音（VoIP）。从IP电话的现状和发展趋势看，使用基于IP电话网关服务器的IP电话技术对于用户来说是最便捷的方式，是IP电话发展的最佳途径。

在IP电话技术的实现过程中，主要采用了新的设备——电话网关服务器，使长途电话通信由传统的电路交换发展到通过Internet的包交换方式，只要通过普通的电话就可以使用Internet上提供的电话服务，其用户端操作和传统电话一样，非常简单、方便。

假设用户要从北京打国际长途到纽约，首先要拨打本地最近的网关服务器的普通电话号码或800免费电话号码，而这个服务器直接和Internet相连。一旦接通网关服务器，将会有自动语音提示，这时只要拨入在纽约的被叫号码即可。这时网关服务器将完成两项工作：把语音信号转变成数据包，并把数据包传送到Internet，同时根据被叫的电话完成Internet的IP寻址。在纽约的网关服务器以同样的协议标准把Internet传来的数据包再还原为原来的语音信号，并通过本地电话网呼叫被叫用户，从而完成整个通信过程。

2．IP电话的系统组成

IP电话系统有终端设备、网关、多点控制单元和网守4个基本组件。

·终端设备（Terminal）是一个IP电话客户终端，可以是软件，如VocalTec公司的IPPhone、Microsoft公司的Netmeeting；也可以是硬件，如专用的InternetPhone。

·网关是通过IP网络提供PC-to-Phone、Phone-to-PC、Phone-to-Phone语音通信的关键设备，是IP网络和PSTN网络之间的接口设备。

·多点控制单元（Multipoint Control Unit，MCU）的功能在于利用IP网络实现多点通信，使得IP电话能够支持诸如网络会议这样的多点应用。

·网守（Gatekeeper）主要负责用户的注册和管理等。

除了上述4个基本组件外，IP电话系统还包括网管服务器、记账服务器等其他组件。网管服务器是为网络管理人员提供的管理工具，可以使网络管理人员进行对IP电话网络体系中各种组件的管理工作。网管服务器能够提供良好的用户界面，使网络管理人员可以方便地控制所有的系统组件，包括网关、网守等。

VoIP系统采用网关技术，网关的一边连接到传统的电路交换网，如PSTN，可与外部的任意一台电话机通信；网关的另一边连接到IP包交换网，如Internet、Intranet、Extranet等。在整个IP电话系统中，网关设立在世界上的各个地区，完成当地电话网与Internet的接入与转换处理等。网关接收到标准电话信号以后。经数字化、编码、压缩处理，按IP打包到Internet上，根据传输路由，通过Internet发送到接收端网关；反之，网关接收到了Internet传来的IP包，经解压处理后还原成模拟语音信号再转往电话网系统。网关可同时接入和转出电话语音信号，实现全双工通信。

（1）终端

终端是IP电话网络的组成部分，也是直接和用户接触的产品。IP电话的终端可以有多种类型，其中包括传统的语音电话、ISDN终端、多媒体PC等。由于不同种类的终端产生的数据源结构是不同的，因此要在同一个网络上传输数据就要由网关或者是通过一个适配器进行数据转换，以形成统一的IP数据包。因此，未来终端的发展趋势应当是标准和规格统一，以减少数据转换带来的开销。

电话是最常见的终端设备，它通过PSTN接入IP电话系统。它的功能比较简单，主要是在发送端将人的声音信号转换成电信号，并在接收端把电信号还原成声音信号。电话的种类很多，基本上可分为模拟固定电话、数字固定电话、模拟移动电话和数字移动电话。

（2）网关

网关是IP电话系统的关键设备。网关在传统的电话交换网和Internet之间架起一座桥梁，把IP电话的优越性带给世界上最通用、最便宜、流动性最强、操作最简单的终端——标准电话。网关也克服了Internet另一个非常明显的问题——寻址。在通常的IP电话中，为了确定一个多媒体PC，必须知道其IP地址。而用网关来确定一个远端用户，只需知道他的电话号码。IP电话网关把语音和数据融合在同一个网络上，从而提供了一系列的应用系统。

1）基本原理

IP语音网关的出现使IP电话的通信方式得以丰富和简化。通过一个网关可以实现PC-to-Phone、Phone-to-PC的通信，通过两个网关可以实现Phone-to-Phone的通信。网关在电路交换的网络（电话网）上是连接终端与LAN/WAN终端的桥梁。网关从网络的角度看是一个H.323设备，从PSTN的角度看，它又像是PSTN上的一个终端。网关是IP电话的关键设备。

目前，可以使Phone-to-Phone通话的IP电话，使用的主要是VoIP网关。VoIP网关把电话网的6.4kHz模拟声音信号压缩、编码成数字信号，装入IP分组送给Internet。对方的VoIP网关则进行相反的工作。压缩编码的方法和装入IP分组的方法由ITU-T建议的H.323规定。

利用这种结构，IP电话服务的工作原理便变得非常简单。拨打IP电话，先接通IP电话经营者在访问点上设置的VoIP网关，在该网关做出回答之后，再输入通话对方的电话号码，即可进行通话。

2）功能

IP电话网关具有以下基本功能。

·号码查询。当发送方IP网关接收到用户的呼叫请求后，首先寻找被请求号码的IP地址或传递呼叫的合作网关的IP地址。这种寻找工作可以通过查找内置于IP网关的或存储在某个集中的索引目录服务器上的一张号码表来进行。一般来说，号码表的查询时间较短。

·建立通信连接。原始IP网关负责和目的IP网关建立通信连接，完成呼叫设置、兼容性检查和安全硬件握手等工作。

·信号调制。对于来自模拟电话的语音呼叫信号，IP网关将其数字化，并转化为一定的脉冲信号调制编码。

·信号压缩和解压。模拟语音信号被转化为PCM编码后，需要经专门的DSP芯片进行数据压缩，以减少它在IP网络上的传输带宽。解压缩步骤是针对目的IP语音网关而言的。接收原始IP网关传送来的语音分组后，目的网关要进行解压工作。

·路由寻址。IP网关之间的通信也存在目的寻址和路由选择的问题。当GK给网关返回一个可以连接的目标网关地址时，本地网关就对该地址进行解析，并寻找合适的路由与远端的目的网关建立通信连接。

（3）网守

VoIP网关必须根据输入的对方电话号码来决定应该往哪里发送IP分组，也就是说，通过被叫号码确定对方VoIP网关。确定对方VoIP网关的实现方法随不同的产品而有所不同，以利用名为“网守”的服务器产品居多。VoIP网关根据对方的电话号码，向网守查询应往其发送IP分组的VoIP网关地址。

网守是一个中央控制实体，在VoIP网中起管理作用。它是网络中的消息控制中心，它可以进行呼叫控制、地址解析、呼叫授权、身份验证、集中账务、计费管理和保留呼叫详细记录等操作，并且可以和网关紧密地结合在一起。网守还可以像实时网管一样监控网络、平衡负载、管理带宽及提供与现有系统的接口。这些功能对实现公众网至关重要。很多IP电话供应商都将网守看做是他们IP电话系统中的重要组成部分。

目前，大部分厂家的网守产品提供对PC-to-PC、PC到IP网关、IP网关到IP网关这3类终端业务的支持。当呼叫到来时、网守对呼叫终端进行验证，符合业务要求的呼叫才被允许通过，并被给予一个可连接网关的地址。

3．IP电话技术的协议

目前，国际上IP网络通信的主要标准有H.323和SIP，两者都对IP电话系统信令提出了完整的解决方案。但两者的设计方式各有不同，H.323采用的是传统电话信令模式，包括一系列协议；而SIP借鉴互联网协议，采用基于文本的协议。

H.323是属于国际电信联盟（ITU）的标准，以H.323为标准构建的多媒体通信网很容易与传统PSTN电话网兼容，从这点上看，H.323更适合于构建电信级大网。国际上几乎所有的商业性IP电话网或视频会议网都是以H.323为基础的。而且，不同版本的H.323协议通过不断升级和扩展，已经日趋完善，为基于H.323的IP多媒体业务提供了很好的保障。

SIP则是由一些Internet爱好者提出的，协议相对简单，但功能也相对简单。而且，对SIP的更新相对于H.323协议也较为落后。目前，有许多运营商正在利用SIP构建试验网，但若想利用SIP构建电信级大网，必须对它进行补充、完善，这样一来SIP也不可避免地变得复杂起来。事实上，SIP的发展趋势正是如此。SIP的普遍使用也能够推动下一代网络的演进。

4．IP电话的优点和缺点

与传统的电话比较，IP电话具有如下优点和缺点。

（1）优点

IP电话与传统电话比较具有很多优势，主要表现在以下几个方面。

·节省带宽。电路交换电话消耗的带宽为64Kbit/s。而IP电话只需6～8Kbit/s（甚至低于2.4Kbit/s），从而节省了带宽，降低了成本。

·通话费用低。成本的降低，使通话费用随之下降，尤其是长距离通信。

·可以方便地集成智能。IP电话网继承了计算机网的智能模块，可以灵活地控制信令和连接，有利于各种增值业务的开发。

·开放的体系结构。IP电话的协议体系是开放式的，有利于各个厂商产品的标准化和互相连通。

·多媒体业务的集成。IP电话网络同时支持语音、数据、图像的传输，为将来全面提供多媒体业务打下了基础。

（2）缺点

IP电话价格低廉，但有一些尚未有效解决的技术问题而引起语音质量不够好，使用不方便。

·IP交换引起的传输时延无法确定。时延是影响IP电话质量的主要原因。由于现在的硬件处理和软件算法都非常优秀，语音压缩和解压还原只需要几十毫秒甚至更短时间；信息本身是以光速传输的，因而对语音应用时延亦可忽略不计；各种处理，如路由、排队等迟滞，则是造成IP传输时延的主要原因。

·无法提供QoS保证，造成语音效果无法接受。在网络传输中，成千上万的分组包同时涌入一个路由节点，由于互联网IP业务遵循“尽力服务”的原则，以“先来先服务”的方式逐个处理。分组包在每个节点不得不排队等待被发送，并且包从源到目的地要经过十几“跳”，引起几十到几百毫秒的延迟。对语音传输而言，时延实在太大了。何时利用专用网，或者加大骨干网带宽，加强路由交换节点处理能力，还是无法彻底解决这个问题。

·语音这种实时性应用实现业务优先传输关键在于引入一种服务质量机制（QoS），允许网络将不同类型的业务置于特定的QoS队列之中，使得语音业务的传输优先级高于数据业务，从而降低了队列延时，实时性得到保障。

·带宽限制了应用，接入手段需要极大的改善。

·软件标准H.323的争议颇多。

5．IP电话的关键技术

IP电话的工作原理是先将语音信号进行模数转换、编码、压缩和打包，然后通过Internet网络传输，到接收端则相应进行拆包、解压、译码和数模转换，从而恢复出语音信号。与IP电话通话质量有关的关键技术可以归纳为以下7个方面。

（1）语音压缩技术

IP电话的技术基础是语音压缩技术。在语音压缩的技术标准方面，1972年制定了64Kbit/sPCM（脉冲编码调制）方式；1986年制定了32Kbit/sADPCM（自适应差分脉冲编码调制）方式；1991年制定了16Kbit/sLD-CELP（低延时码激励线性预测）方式；1995年11月，经过较长时间的研究，ITU（国际电联）批准了语音压缩标准G.729，采用8Kbit/sCS-ACELP（对称结构代数码激励线性预测）方式。目前用于IP电话的标准是G.723.1，速率为5.3/6.3Kbit/s。

（2）静噪抑制技术

静噪抑制技术又称语音激活技术，是指检测到通话过程中的安静时段即停止发送语音包的技术。大量研究表明，在一路全双工电话交谈中，只有36%～40%的信号是活动的或有效的。当一方在讲话时，另一方在听，而且讲话过程中有大量显著的停顿。通过静噪抑制技术，可以大大节省网络带宽。

（3）回声消除技术

在程控交换机PBX或局用交换机侧，有少量电能未被充分转换而沿原路返回，形成回声。如果打电话者离程控交换机PBX或局用交换机不远，回声返回很快，人耳听不出来，但当回声返回时间超过10ms时，人耳就可以听到明显的回声了。为了防止回声，一般采用回声抵消技术。因为一般IP网络的延时很容易达到40～50ms，所以回声抵消技术对IP电话系统十分重要。

（4）语音抖动处理技术

IP网络的一个特征就是网络延时与网络抖动，它们可以导致IP通话质量明显下降。网络延时是指IP包在网络上传输的平均时间，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超过200ms时，通话双方更倾向于采用半双工通信。另一方面，如果网络抖动较严重，那么有的话音包因迟到而被丢弃，会产生话音的断续及部分失真，严重影响语音质量。为了防止这种抖动，采用抖动缓冲技术，即在接收端设置一个缓冲池，语音包到达时首先进行缓存，然后系统以稳定平滑的速率将语音包从缓冲池中取出并处理，再播放给受话者。

（5）语音优先技术

语音通信对实时性要求较高，在带宽不足的IP网络中，一般需要语音优先技术，即在IP网络路由器中必须设置语音包的优先级最高。这样，网络延时和网络抖动对语音的影响均将得到明显改善。

（6）IP包分割技术

有时候网络上数据包比较长，一个包上千字节，这样的长包如果不加以限制，在某些情况下也会影响语音质量。为了保证IP电话的通话质量，应将IP包的大小限制为不超过256字节。

（7）VoIP前向纠错技术

为了保证语音质量，有些先进的VoIP网关采用信道编码以及交织等技术。IP包在传送过程中有可能损坏或被丢失，采用前向纠错技术可以减少传输过程中的错码积累。当然，对丢、错包率均较低的内部网络，可以不必采用该技术。