ＩＰ電話技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究

摘要： 本文主要研究IP電話技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對VoIP的發(fā)展現(xiàn)狀中的新型高性能VoIP系統(tǒng)作了詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞： VoIP 防火墻 IP

VoIP技術(shù)在國外發(fā)展很快，美國、加拿大、以色列等國家因擁有豐富的網(wǎng)絡(luò)資源、簡化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以VoIP應(yīng)用廣泛，已普遍用于集團(tuán)用戶、電信運營商及IP超市。國內(nèi)的IP網(wǎng)絡(luò)地址資源緊張。為滿足爆炸式的用戶需求，各種NAT(地址轉(zhuǎn)換)設(shè)備被廣泛使用，隨之而來的安全問題使得FIREWALL(防火墻)設(shè)備被放置于關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，從而使我國的IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。基于目前的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，國產(chǎn)化的和國外引進(jìn)的無穿透防火墻能力的產(chǎn)品使用范圍受到極大的限制，無法穿透防火墻，不能即插即通任意通，在話音質(zhì)量、可靠性及系統(tǒng)容錯等方面，都存在不同程度的技術(shù)問題，進(jìn)一步限制了VoIP在國內(nèi)的發(fā)展。此外，終端產(chǎn)品的價格還偏高，功能單一，如網(wǎng)絡(luò)電話的價格，從低端的400元到高端的2000元，使普通消費者難以接受［１］。

1. VoIP的基本原理

傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換方式傳輸語音，而VoIP是以IP分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺，對模擬的語音信號進(jìn)行壓縮、打包等一系列的特殊處理，使之可以采用無連接的UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。我們可以將VoIP的傳輸過程分為下列五個階段。

1.1 語音數(shù)字轉(zhuǎn)換。

語音信號是模擬波形，通過IP方式來傳輸語音。不論是實時應(yīng)用業(yè)務(wù)還是非實時應(yīng)用業(yè)務(wù)，首先要對語音信號進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，也就是對模擬語音信號進(jìn)行8位或6位的量化，然后送入到緩沖存儲區(qū)中。緩沖器的大小可以根據(jù)延遲和編碼的要求選擇。許多低比特率的編碼器是采取以幀為單位進(jìn)行編碼，典型幀長為10—30ms?？紤]傳輸過程中的代價，語音包通常由60、120或24Ores的語音數(shù)據(jù)組成。數(shù)字化可以使用各種語音編碼方案來實現(xiàn)，目前采用的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有ITU-T G.711。源和目的地的語音編碼器必須使用相同的算法。這樣目的地的語音設(shè)備才可以還原模擬語音信號。

1.2 原數(shù)據(jù)IP轉(zhuǎn)換。

一旦語音信號進(jìn)行數(shù)字編碼，下一步就是對語音包以特定的幀長進(jìn)行壓縮編碼。大部分的編碼器都有特定的幀長，若一個編碼器使用15ms的幀，則把第一個來的60ms的包分成4幀，并按順序進(jìn)行編碼。每個幀合120個語音樣點(抽樣率為8k/Hz)。編碼后，將4個壓縮的幀合成一個壓縮的語音包送入網(wǎng)絡(luò)處理器。網(wǎng)絡(luò)處理器為語音添加包頭、時標(biāo)和其它信息后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到另一端點。語音網(wǎng)絡(luò)簡單地建立通信端點之間的物理連接(一條線路)，并在端點之間傳輸編碼的信號。IP網(wǎng)絡(luò)不像電路交換網(wǎng)絡(luò)，它不形成連接，要求把數(shù)據(jù)放在可變長的數(shù)據(jù)報或分組中，然后給每個數(shù)據(jù)報附帶尋址和控制信息，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，一站一站地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

1.3 傳送。

在這個通道中，全部網(wǎng)絡(luò)被看成一個從輸入端接收語音包，然后在一定時間(t)內(nèi)將其傳送到網(wǎng)絡(luò)輸出端。t可以在某個范圍內(nèi)變化，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的抖動。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點檢查每個數(shù)據(jù)報附帶的尋址信息，并使用這個信息把該數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)到目的地路徑上的下一站。網(wǎng)絡(luò)鏈路可以是支持IP數(shù)據(jù)流的任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或訪問方法。

1.4 IP包—數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

目的地的VoIP設(shè)備接收這個IP數(shù)據(jù)，并開始處理。網(wǎng)絡(luò)提供一個可變長度的緩沖器，用來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抖動。該緩沖器可容納許多語音包，用戶可以選擇緩沖器的大小。小的緩沖器產(chǎn)生延遲較小，但不能調(diào)節(jié)大的抖動。解碼器將經(jīng)編碼的語音包解壓縮后產(chǎn)生新的語音包，這個模塊也可以按幀進(jìn)行操作，完全和解碼器的長度相同。若幀長度為15ms，則60ms的語音包被分成4幀。然后它們被解碼還原成60ms的語音數(shù)據(jù)流送入解碼緩沖器。在數(shù)據(jù)報的處理過程中，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數(shù)據(jù)，然后把這個原數(shù)據(jù)提供給解碼器。

1.5 數(shù)字—模擬語音轉(zhuǎn)換。

播放驅(qū)動器將緩沖器中的語音樣點取出送入聲卡，通過揚聲器按預(yù)定的頻率(例如8kHz)播出。

簡而言之，語音信號在IP網(wǎng)絡(luò)上的傳送要經(jīng)過從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音封裝成IP分組、IP分組通過網(wǎng)絡(luò)的傳送、IP分組的解包和數(shù)字語音還原到模擬信號等過程。

2. VoIP的主要設(shè)備組成

就基于SIP協(xié)議的VOIP系統(tǒng)而言，一般由IP—PBX、網(wǎng)關(guān)(Gateway)、IP電話三部分組成，它們通過PSTN和IP網(wǎng)絡(luò)為用戶提供語音、傳真、數(shù)據(jù)和視頻等多種通信方式，從而將IP語音技術(shù)融合到企業(yè)的日常工作中。值得一提的是，隨著VoIP技術(shù)的發(fā)展，部分產(chǎn)品已將IP-PBX和網(wǎng)關(guān)融合在一起，為使各設(shè)備的功能更清晰地表達(dá)，下面分開介紹。

2.1 IP—PBX。

它也稱IP語音服務(wù)器或交換機(jī)，由語音包處理模塊、電話信令網(wǎng)關(guān)模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊組成。IP—PBX是一種基于VoIP的企業(yè)電話系統(tǒng)，通過IP網(wǎng)絡(luò)連接到具有IP功能的電話機(jī)，除具有傳統(tǒng)PBX的通話、管理、配置和維護(hù)等工作外，還能實現(xiàn)語音郵件、傳真組發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)PBX無法實現(xiàn)的附加業(yè)務(wù)，能將PSTN和IP網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一成一個整體，實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的電子辦公平臺。因為IP—PBX具有強(qiáng)大的開放性和可編程性，所以它能與計算機(jī)無縫結(jié)合成為集成通信系統(tǒng)，為全球各地辦公地點和員工建立統(tǒng)一話音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)的功能是為PSTN和IP網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換提供接口，是它們的連接橋梁。網(wǎng)關(guān)既能在PSTN和IP網(wǎng)絡(luò)間提供平滑的語音、傳真服務(wù)，又能從電話對電話、電話對計算機(jī)、計算機(jī)對電話、傳真機(jī)對傳真機(jī)等提供沒有限制的長距離通信。用戶通過PSTN連接到IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并壓縮打包，成為可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)恼Z音信號，然后通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到被叫用戶的網(wǎng)關(guān)端，由被叫端的網(wǎng)關(guān)對IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包、解壓和解碼，還原為可被識別的模擬語音信號，再通過PSTN傳到被叫方的終端。

2.3 IP話機(jī)。

也稱作數(shù)字電話機(jī)，其外觀和傳統(tǒng)的模擬電話機(jī)類似，但是接口形式是以太網(wǎng)而非模擬電話接口。它可以使用SIP協(xié)議進(jìn)行呼叫控制，并通過以太網(wǎng)連接IP-PBX工作。相對于傳統(tǒng)的模擬電話機(jī)，它具有非常高的靈活性，尤其在語音傳輸、多媒體會議、撥號加密、數(shù)據(jù)共享、WEB瀏覽及PDA等功能上有著模擬電話機(jī)無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢。IP話機(jī)本身就是一種計算機(jī)設(shè)備，由CPU、存儲器、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等組成，IP話機(jī)接入局域網(wǎng)就像計算機(jī)一樣需要進(jìn)行設(shè)置一個IP地址。這個IP地址可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)的。IP話機(jī)除了提供RJ-45接口與交換機(jī)連接外，新型的IP話機(jī)更提供了USB接口與計算機(jī)連接。

3.系統(tǒng)設(shè)計方案

為了使VoIP電話系統(tǒng)為大眾所接受，成為主流，甚至最終取代傳統(tǒng)的電話服務(wù)，有兩個條件必須滿足：第一，話音通信的質(zhì)量至少要達(dá)到POTS同樣的標(biāo)準(zhǔn)；第二，必須有信令的支持，就像PSTN中有No.7信令一樣。本系統(tǒng)采用H.323信令標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)包括VoIP低成本話機(jī)(含VoIP網(wǎng)關(guān))、VoIP網(wǎng)守兩大主要部分［2］。

3.1 VoIP網(wǎng)關(guān)硬件。

網(wǎng)關(guān)硬件由語音處理模塊CODEC、INTERNET接口模塊、UART模塊、處理器CPU等模塊組成。其中，INERNET接口模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)連接，UART提供監(jiān)測調(diào)試串行接口，CODEC處理實時的語音信號壓縮及編、解碼，其余所有的工作都由主機(jī)CPU完成。

3.2 VoIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件采用開放式結(jié)構(gòu)和模塊化系統(tǒng)設(shè)計，其中語音處理模塊主要完成語音編、解碼，語音分組封裝、解封等功能；呼叫處理模塊完成電話網(wǎng)信令到分組網(wǎng)信令的轉(zhuǎn)換。其主要功能為完成電話號碼到IP地址的轉(zhuǎn)換、終止電話信令協(xié)議并提取信令信息、將電話信令信息映射成Internet信令報文的格式，以及在分組網(wǎng)上建立會話通信。分組處理模塊主要處理語音和信令分組。在分組提交給IP層以前，增加合適的頭部信息，完成分組的實時傳遞。網(wǎng)絡(luò)管理模塊主要提供管理功能，完成故障處理、計費管理、配置管理、認(rèn)證安全性管理、地址映射管理等功能。

3.3 VoIP網(wǎng)守系統(tǒng)軟件。

網(wǎng)守系統(tǒng)主要有RAS模塊、H.255.0呼叫模塊、H.245控制信令等幾個功能模塊。RAS模塊完成端點注冊、地址轉(zhuǎn)換、接入許可控制、帶寬控制和網(wǎng)關(guān)管理等功能。通過控制網(wǎng)關(guān)登記，以及簡化網(wǎng)關(guān)撥號程序，一個網(wǎng)守可保障整個VoIP服務(wù)；H.255.0呼叫模塊主要完成與呼叫有關(guān)的功能；H.245控制信令模塊主要完成與媒體控制信令有關(guān)的功能；其它功能模塊主要完成H．323協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以外的功能，如記費等。

4.系統(tǒng)實現(xiàn)中所采用的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動探測及穿透防火墻。

VoIP系統(tǒng)終端(VoIP話機(jī)和VoIP網(wǎng)關(guān))和VoIP網(wǎng)守服務(wù)器協(xié)同工作。在終端設(shè)備向網(wǎng)守的注冊過程中，采用智能搜索算法將終端所遍歷網(wǎng)絡(luò)中的NAT和Fireware設(shè)備一一列出，記錄在終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)鏈表中。系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的設(shè)備類型采用相應(yīng)的策略來穿透防火墻。

4.2 低成本高效能終端。

VoIP網(wǎng)絡(luò)終端高成本的主要原因是其實現(xiàn)功能的高復(fù)雜度。本系統(tǒng)將高復(fù)雜度的大部分功能轉(zhuǎn)移集中在服務(wù)器上實現(xiàn)，而終端本身盡量作成簡單的用戶與服務(wù)器間的交互界面，從而大大降低了終端裝置的成本，同時還可通過服務(wù)器的升級和設(shè)置靈活地提供各種豐富且不斷更新的服務(wù)內(nèi)容。

4.3 超高效率，高可靠性，系統(tǒng)容錯結(jié)構(gòu)。

目前系統(tǒng)容錯技術(shù)是以提高系統(tǒng)集成單元組任意時可用率為目標(biāo)的。該技術(shù)依賴瞬間故障探測及模塊切換。由于故障探測不可能，幾乎不可能達(dá)到傳統(tǒng)交換系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。此外，采用“1+1”冷熱備份方式對CPU時鐘資源的利用率少于50%。本系統(tǒng)將任意“N”個同類模塊分為一組，組內(nèi)各模塊相互對稱備份，故障時，失效模塊任務(wù)由其它組員分擔(dān)，CPU時鐘資源的利用率高于90%［3］［4］。

5.結(jié)語

本系統(tǒng)是一種利用因特網(wǎng)特性，采用高可靠、高容錯技術(shù)和防火墻安全穿透技術(shù)；可在不改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的情況下，即插即通、高可靠、高容錯運行的VoIP電話系統(tǒng)；能進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、多媒體業(yè)務(wù)通信并具有多種商務(wù)功能；操作簡便，可為用戶節(jié)省巨額的通信費用。經(jīng)實際測試，本系統(tǒng)所采用的技術(shù)切實可行，能實現(xiàn)可靠通信，并將給社會帶來深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

［1］李輝，趙暉.傳統(tǒng)PSTN與VoIP的比較研究.電子科技大學(xué)學(xué)報，2004.2.

［2］白選之，黃永峰，李星.H.323網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)中的難點分析及解決方案.計算機(jī)應(yīng)用，2003.10.

［3］張海燕，阮方.IP電話系統(tǒng)網(wǎng)守的研究與實現(xiàn).電訊技術(shù)，2003.2.

［4］陳樺，陳昱.IP電話網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)守的通信.計算機(jī)工程，2003.13.