VoIP(1)-基本原理和发展历程

  VoIP（Voice Over Internet Protocol），即IP上传送语音，简单地说，就是实现了语音在IP上的实时传送，为了有效地利用IP带宽资源，通常在传送之前先要对语音数据进行压缩处理。真正的快速发展是在90年代以后，IP分组语音话音通信技术获得了突破性的进展和实际应用。1996年，ITU-T通过了著名的H.323协议，这一协议的推出，成为了VoIP的公共规范，极大地推动了VoIP的发展。随后，1999年IETF完成了MGCP协议(RFC2705)和SIP协议(RFC2543)；2000年ITU-T和IETF共同推出了H.248/Megaco协议。

        VoIP是通过语音分组实现的，在VoIP 中，数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）将语音信号封装成帧并储存在分组包中再进行传输。VoIP主要是一种软件解决方案，但需要在路由器上加装语音接口卡或语音模块提供语音接口来实现。目前，主要利用IP 电话网关来实现PSTN 和Internet 互通，同时PC到电话、电话到PC、电话到电话的技术已经成熟，话音的质量也大大得到改善，因此VoIP完全能够满足商用的要求。

2.1 基本原理

        传统的电话、传真业务，一般是通过接入电信局提供的PSTN实现的。这种类型的接入方式使用的是线路交换的方式，独占通信线路。当使用长途业务时，费用很高，如图2所示。

图2 传统电话网络示意图

        而我们的VoIP应用是使用IP网络取代其中一部分的PSTN网络功能进行语音数据的传输，使用的是包交换技术。下图3所示所示的就是基于H.232协议组构建的VoIP网络，在该架构中，总体框图如图？所示。

        由图2可知，接入网络中的H.323系统的组成部件称为H.323实体（entiy），它包括H.232终端、网关、网守、多点控制器(MC)、多点处理器(MP)和多点控制单元(MCU Muhipoint Control Unit)。关于这些实体的具体意义，这部分的内容会在第7节分析。

图3 基于H.232协议组的VoIP网络示意图

        综上所述，传统的电话网是以电路交换方式传输语音，所要求的传输宽带为64kbit/s。为了充分地利用网络带宽资源，VoIP通信中通常根据实际使用的要求采用各种压缩算法对原始的语音数据进行压缩处理，常用的有G.723.1、G.729等；然后才用网络技术将压缩后的语音数据进行打包处理，在运输层采用无连接的UDP的方式，其主要目的是为了保证语音数据的传输的实时性，然后将UDP数据报交由IP分组网络来进行传送；在将压缩数据传送至UDP之前，先用RTP/RTCP协议对压缩数据进行处理，RTP协议用以传送语音数据，而RTCP协议用以传送语音数据的控制信息。如图4左侧所示。 接收侧收到数据后，其处理过程与发送侧相反，如图4右侧所示。

图4 语音数据处理示意图

        通常每个网关，既要发送语音数据，又要接收语音数据，所以包含图3中的所有功能。实际上，网关的基本功能就是完成语音数据的压缩、解压缩和打包、解包处理。

        实际的传输网络可能是非常简单的局域网，也可能极其复杂的广域网，传输途径中包含各种网络设备，如网络交换机、路由器、ATM交换机、SDH等。

2.2 主要协议集

            在许多场合，VoIP技术仅指通过IP网络实现类似普通老式电话的功能。但是，在传统电话网的业务不断发展的情况下，VoIP的含义和设计目标也超越了其字面意义；也就是说VoIP技术不仅指提供双方会话的传统电话技术，而且是包含话音、图像和数据、支持各种智能业务的双方及多方多媒体通信技术。

VoIP的媒体编码技术包括流行的G.723.1、G.729、G.729A话音压缩编码算法和MPEG-II多媒体压缩技术，目前还有许多的编码技术，详细情况可参阅第4节的介绍。

VoIP涉及到的控制信令技术：包括ITU-T H.323和IETF会话初始化协议SIP[4]（Session Initation Protocol）两套标准体系，还涉及到进行实时同步连续媒体流传输控制的实时流协议TRSP。同时，还补充了MGCP协议，即MGCP协议实际上是一个补充的协议。在H.323协议和SIP协议中的网关设备，不仅要执行媒体格式的变换，如压缩和解压缩、RTP打包与解包等功能，而且还要进行信令的转换，在IP网络侧执行H.323或SIP协议，在PSTN侧执行电路交换的信令。这样网关的功能变得非常复杂，限制了每个网关设备的容量；而且，随着应用的不断普及，将有更多的网关终端进入用户，这类网关设备的由于成本较高，并存在网络安全等问题，严重影响VoIP系统应用。MGCP协议就可以解决这些问题，其基本思想就是将媒体变换功能和网关控制功能相分离。使网关只承担简单的媒体变换功能，称为媒体网关（MG：Media Gateway），复杂的网关控制功能则由网关之外的独立的控制实体来执行，该实体称为呼叫代理(CA：Call Agent)，两者之间的接口就采用MGCP协议来进行交互。

VoIP涉及到的分组传输技术：主要采用实时传输协议RTP。

VoIP涉及到的业务质量保障技术包括采用资源预留协议RSVP、服务质量Qos和用于业务质量监控的实时传输控制协议RTCP来避免网络拥塞，保障通话质量。

VoIP涉及到的网络传输技术主要是TCP和UDP。

此外还涉及到分组重建技术和时延抖动平滑技术、动态路由平衡传输技术、网关互联技术(包括媒体互通和控制信令互通)、网络管理技术(SNMP)、安全认证和计费技术、IVR交互式语音响应技术等等。

2.3 技术特点

VoIP应用在近几年得到了迅速的发展，与其许多独特的技术特点是分不开的。主要的特点有：

1．低成本

价格低廉曾经是VoIP技术得以发展的一个非常重要的因素。VoIP均会采用语音压缩技术，虽加上RTP/UDP/IP封装以及底层传输的开销，通常也只需要传统电路交换1/3~1/4左右的带宽；而且，利用VoIP技术来传输语音，本质上是分组统计复用的，这样，就可以在更大程度上提高网络带宽的利用率。同时，随着VoIP技术的迅猛发展，网关等设备的生产成本也迅速下降。低成本为VoIP技术的迅速推广应用奠定了坚实的基础。

2．容易实现增值业务

VoIP技术的优势绝非仅仅是价格低廉，灵活实现增值业务才是VoIP得以发展的真正动力。VoIP采用的是智能终端，IP网络是开放式的网络，其固有的分布式计算机环境很容易迅速推出新的业务。相对而言，电话网推出一项增值业务往往比较困难，有时受限于终端能力和网络互通能力，某些业务还无法提供。在局端系统中，传统电话网采用智能网技术来实现增值业务，而VoIP技术从本质上来讲，比智能网技术更加灵活，智能也更强大。

            下图就是传统PSTN网络和VoIP的比较。由图5可以明显看出，VoIP在通话成本上具有明显优势，通话质量略逊一筹，但其在不断发展与加强中。因此VoIP业务给传统通讯业带来巨大冲击，也给新兴运营商带来商机。 

图5 传统电话和VoIP电话技术比较