ＩＰ電話技術的發展與應用研究

摘要： 本文主要研究IP電話技術的發展與應用，對VoIP的發展現狀中的新型高性能VoIP系統作了詳細的分析。

關鍵詞： VoIP 防火墻 IP

VoIP技術在國外發展很快，美國、加拿大、以色列等國家因擁有豐富的網絡資源、簡化的網絡結構，所以VoIP應用廣泛，已普遍用于集團用戶、電信運營商及IP超市。國內的IP網絡地址資源緊張。為滿足爆炸式的用戶需求，各種NAT(地址轉換)設備被廣泛使用，隨之而來的安全問題使得FIREWALL(防火墻)設備被放置于關鍵的網絡節點，從而使我國的IP網絡結構更加復雜。基于目前的網絡現狀，國產化的和國外引進的無穿透防火墻能力的產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，在話音質量、可靠性及系統容錯等方面，都存在不同程度的技術問題，進一步限制了VoIP在國內的發展。此外，終端產品的價格還偏高，功能單一，如網絡電話的價格，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

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

1.1 語音數字轉換。

語音信號是模擬波形，通過IP方式來傳輸語音。不論是實時應用業務還是非實時應用業務，首先要對語音信號進行模擬數字轉換，也就是對模擬語音信號進行8位或6位的量化，然后送入到緩沖存儲區中。緩沖器的大小可以根據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行編碼，典型幀長為10—30ms。考慮傳輸過程中的代價，語音包通常由60、120或24Ores的語音數據組成。數字化可以使用各種語音編碼方案來實現，目前采用的語音編碼標準主要有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備才可以還原模擬語音信號。

1.2 原數據IP轉換。

一旦語音信號進行數字編碼，下一步就是對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼。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絡處理器。網絡處理器為語音添加包頭、時標和其它信息后通過網絡傳送到另一端點。語音網絡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網絡不像電路交換網絡，它不形成連接，要求把數據放在可變長的數據報或分組中，然后給每個數據報附帶尋址和控制信息，并通過網絡發送，一站一站地轉發到目的地。

1.3 傳送。

在這個通道中，全部網絡被看成一個從輸入端接收語音包，然后在一定時間(t)內將其傳送到網絡輸出端。t可以在某個范圍內變化，反映了網絡傳輸中的抖動。網絡中的節點檢查每個數據報附帶的尋址信息，并使用這個信息把該數據報轉發到目的地路徑上的下一站。網絡鏈路可以是支持IP數據流的任何拓撲結構或訪問方法。

1.4 IP包—數據轉換。

目的地的VoIP設備接收這個IP數據，并開始處理。網絡提供一個可變長度的緩沖器，用來調節網絡產生的抖動。該緩沖器可容納許多語音包，用戶可以選擇緩沖器的大小。小的緩沖器產生延遲較小，但不能調節大的抖動。解碼器將經編碼的語音包解壓縮后產生新的語音包，這個模塊也可以按幀進行操作，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的語音數據流送入解碼緩沖器。在數據報的處理過程中，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數據，然后把這個原數據提供給解碼器。

1.5 數字—模擬語音轉換。

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

簡而言之，語音信號在IP網絡上的傳送要經過從模擬信號到數字信號的轉換、數字語音封裝成IP分組、IP分組通過網絡的傳送、IP分組的解包和數字語音還原到模擬信號等過程。

2. VoIP的主要設備組成

就基于SIP協議的VOIP系統而言，一般由IP—PBX、網關(Gateway)、IP電話三部分組成，它們通過PSTN和IP網絡為用戶提供語音、傳真、數據和視頻等多種通信方式，從而將IP語音技術融合到企業的日常工作中。值得一提的是，隨著VoIP技術的發展，部分產品已將IP-PBX和網關融合在一起，為使各設備的功能更清晰地表達，下面分開介紹。

2.1 IP—PBX。

它也稱IP語音服務器或交換機，由語音包處理模塊、電話信令網關模塊、網絡協議模塊、網絡管理模塊組成。IP—PBX是一種基于VoIP的企業電話系統，通過IP網絡連接到具有IP功能的電話機，除具有傳統PBX的通話、管理、配置和維護等工作外，還能實現語音郵件、傳真組發、數據傳輸等傳統PBX無法實現的附加業務，能將PSTN和IP網絡統一成一個整體，實現局域網內的電子辦公平臺。因為IP—PBX具有強大的開放性和可編程性，所以它能與計算機無縫結合成為集成通信系統，為全球各地辦公地點和員工建立統一話音和數據網絡。

2.2 網關。

網關的功能是為PSTN和IP網絡之間的轉換提供接口，是它們的連接橋梁。網關既能在PSTN和IP網絡間提供平滑的語音、傳真服務，又能從電話對電話、電話對計算機、計算機對電話、傳真機對傳真機等提供沒有限制的長距離通信。用戶通過PSTN連接到IP網絡的網關，網關負責把模擬信號轉換為數字信號并壓縮打包，成為可以在互聯網上傳輸的語音信號，然后通過互聯網傳送到被叫用戶的網關端，由被叫端的網關對IP數據包進行解包、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。

也稱作數字電話機，其外觀和傳統的模擬電話機類似，但是接口形式是以太網而非模擬電話接口。它可以使用SIP協議進行呼叫控制，并通過以太網連接IP-PBX工作。相對于傳統的模擬電話機，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、數據共享、WEB瀏覽及PDA等功能上有著模擬電話機無法比擬的技術優勢。IP話機本身就是一種計算機設備，由CPU、存儲器、操作系統、應用程序等組成，IP話機接入局域網就像計算機一樣需要進行設置一個IP地址。這個IP地址可以是靜態的，也可以是動態的。IP話機除了提供RJ-45接口與交換機連接外，新型的IP話機更提供了USB接口與計算機連接。

3.系統設計方案

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

3.1 VoIP網關硬件。

網關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接口模塊負責網絡連接，UART提供監測調試串行接口，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CPU完成。

3.2 VoIP網關系統軟件。

網關系統軟件采用開放式結構和模塊化系統設計，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信令到分組網信令的轉換。其主要功能為完成電話號碼到IP地址的轉換、終止電話信令協議并提取信令信息、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。網絡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、認證安全性管理、地址映射管理等功能。

3.3 VoIP網守系統軟件。

網守系統主要有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、地址轉換、接入許可控制、帶寬控制和網關管理等功能。通過控制網關登記，以及簡化網關撥號程序，一個網守可保障整個VoIP服務；H.255.0呼叫模塊主要完成與呼叫有關的功能；H.245控制信令模塊主要完成與媒體控制信令有關的功能；其它功能模塊主要完成H．323協議標準以外的功能，如記費等。

4.系統實現中所采用的關鍵技術

4.1 網絡拓撲結構的自動探測及穿透防火墻。

VoIP系統終端(VoIP話機和VoIP網關)和VoIP網守服務器協同工作。在終端設備向網守的注冊過程中，采用智能搜索算法將終端所遍歷網絡中的NAT和Fireware設備一一列出，記錄在終端設備的網絡結構鏈表中。系統根據網絡節點上的設備類型采用相應的策略來穿透防火墻。

4.2 低成本高效能終端。

VoIP網絡終端高成本的主要原因是其實現功能的高復雜度。本系統將高復雜度的大部分功能轉移集中在服務器上實現，而終端本身盡量作成簡單的用戶與服務器間的交互界面，從而大大降低了終端裝置的成本，同時還可通過服務器的升級和設置靈活地提供各種豐富且不斷更新的服務內容。

4.3 超高效率，高可靠性，系統容錯結構。

目前系統容錯技術是以提高系統集成單元組任意時可用率為目標的。該技術依賴瞬間故障探測及模塊切換。由于故障探測不可能，幾乎不可能達到傳統交換系統的可靠性指標。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%。本系統將任意“N”個同類模塊分為一組，組內各模塊相互對稱備份，故障時，失效模塊任務由其它組員分擔，CPU時鐘資源的利用率高于90%［3］［4］。

5.結語

本系統是一種利用因特網特性，采用高可靠、高容錯技術和防火墻安全穿透技術；可在不改變網絡設置的情況下，即插即通、高可靠、高容錯運行的VoIP電話系統；能進行語音、數據、多媒體業務通信并具有多種商務功能；操作簡便，可為用戶節省巨額的通信費用。經實際測試，本系統所采用的技術切實可行，能實現可靠通信，并將給社會帶來深遠的經濟效益。

參考文獻：

［1］李輝，趙暉.傳統PSTN與VoIP的比較研究.電子科技大學學報，2004.2.

［2］白選之，黃永峰，李星.H.323網關實現中的難點分析及解決方案.計算機應用，2003.10.

［3］張海燕，阮方.IP電話系統網守的研究與實現.電訊技術，2003.2.

［4］陳樺，陳昱.IP電話網關與網守的通信.計算機工程，2003.13.