第16章 IP电话技术.ppt

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1、第16章 IP电话技术,16.1 IP电话概述 16.2 IP电话基本工作原理 16.3 IP电话的相关技术标准 16.4 IP电话的服务质量及发展前景,16.1 IP电话概述,简单地说，所谓IP电话就是利用计算机互联网进行的一种语音传输业务，或者更通俗形象地说，IP电话就是网络电话。其最大的特点就是比我们所熟悉的普通电话收费便宜。,1995年2月，以色列的VocalTec公司推出了客户端Internet电话软件“InternetPhone”，率先成功地将IP电话推向市场，此后，IP电话在全球范围得到迅速发展。IP电话（IPPhone）是利用IP网（互联网）进行的一种通信服务。最初它是在Int

2、ernet上实现的，因此通常有人称之为Internet电话。另外，还有Iphone和VoIP（VoiceoverIP）的称谓，其实都是一个意思。不过，“IP电话”是现在使用最广、也最科学的提法。,*IP电话的萌芽期（利用计算机终端、及安装的软件、硬件）最初，IP电话的应用研究实验是在两台多媒体计算机上进行的，通过在计算机上安装相应的软件和硬件，由计算机完成对话音的采集、数/模转换、压缩/解压缩等的处理，通话双方在约定的时间同时上网，建立连接后，通过全双工的声卡，打包后通过Internet传送话音。这一阶段，是IP电话的萌芽期，使用者仅限于业余爱好者，用户必须利用PC机上网，并使用专用的Inte

3、rnet电话软件（如Internet Phone软件）才能实现。,这时也出现了一大批客户端软件开发商和相应的软件，比较有名的除了Vocal Tec开发的Internet Phone以外，还有微软的NetMeeting、IDT的Net2Phone、Netspeak的Web Phone和英特尔的Internet Video Phone等。但是，这种通信应用和公用电话通信有很大的差异，并且限定在Internet网内，所以有很大的局限性。,人们对它的认识也很肤浅，众多的公司都处于研究、跟踪和观望阶段。这种初级应用存在以下缺点：(1)话音质量较差；(2)不同公司开发的软件不兼容，双方必须使用同一种软件；

4、(3)由于属于联机应用，双方在通话前要预约；(4)用户只限于PC机用户，不利于IP电话作为一项业务开展。,*IP电话呼叫盒的出现 随着人们对IP电话认识的加深，很多电信公司对此有了兴趣，并加入到研究和开发队伍之中，而且将目光投向众多的PSTN电话用户，于是出现了采用在普通电话机端加装IP电话呼叫盒的工作方式。该方式通话时，呼叫方首先利用公用电话网连通到对方的呼叫盒（与打电话类似，属于线路连接），在获得对方的Internet所需的地址等信息后，呼叫盒自动拆线（即拆除连接线路），然后呼叫方根据被呼叫方的IP地址等信息经Internet重新建立双方的网络连接（IP连接），至此，通话双方开始通话。,*

5、IP电话网关的出现 上述方式虽然完成了电话到电话的通信，但由于没有标准，通话双方需要用同一个厂家的产品，这样，用户既要增加终端的投资，又受到呼叫盒型号不兼容的限制。为了克服这些缺点，出现了IP电话网关，它将PSTN与IP网连接起来，也就是说在普通电话和IP电话之间架起了一座桥梁，这样，普通的电话用户也可以打IP电话，而费用仅为本地电话费加上很少的服务费。IP网关的出现使IP电话进入迅速发展的阶段，,IP电话的软件、硬件新产品不断更新，功能也越来越强，业务提供商争相建立网络提供业务，IP电话业务已经在全球很多地方开展起来。在这一时期出现了一种新的业务提供商，被称作Internet电话业务提供商（

6、ITSP）。这些ITSP主要来自ISP、电信公司甚至有线电视公司。1997年7月，提供Internet上长途电话业务的美国Global Exchange Carrier公司和11个ISP宣布要建立一个全球的网络，提供IP电话业务。,这个网络覆盖很多个国家，包括美国、英国、瑞士、德国、澳大利亚、新西兰、日本、韩国和以色列等。同时，在1997年7月，为ITSP提供服务的Internet电话交换运营公司（ITXC）在美国成立，ITXC将建立自己的Internet，允许IP电话网关通过专用线与它连接。来自网关的话音信号经分组并通过ITXC的IP网络发送到距离被叫方最近的一个网关。由于话音在ITXC专门

7、传送IP话音业务的专用IP网络上传输，而不是在公共Internet上传输，因此话音信号的质量相对要好一些。,这一阶段IP电话发展的主要特点是：(1)网关出现；(2)IP电话产品市场和业务市场迅速发展；(3)话音质量不断改善；(4)大多数传统电话运营公司尚未涉足IP电话业务；(5)没有统一的标准，大部分厂商之间的产品不能兼容。,*IP电话逐渐进入成熟期（PSTN和Internet的互通）随着市场需求的不断增长和技术的飞速发展，今天的IP电话已经发展到：采用IP电话网关实现PSTN和Internet的互通，进而实现电话到电话、PC机到电话的实时通信。由于IP电话网络以PSTN作为用户端的连接，用I

8、P网络代替传统的长途传输网络，大大降低了通信费用。大的ISP以及电信公司都纷纷加入提供IP语音业务的行列，如AT&T、VocalTec、Global Exchange Carrier等。,IP电话是用高速数据网来支持包交换电话替代专用的HFC（混合光纤同轴网）电话设备，使用它可以在低成本构架下建立一个综合的、多功能数字语音传输平台，以代替使用PSTN网传输模拟话音信号，使得利用这一技术进行数字语音通信的IP电话服务方式成为了现实。IP电话将具有以下特点：(1)产品采用统一的标准，全球网络实现互通；,(2)话音质量近似于现有电话的质量；(3)大部分传统的电话运营公司提供IP电话业务，IP电话与P

9、STN电话成犄角之势，甚至有人估计可能在适当的时候取代PSTN电话。,16.2 IP电话基本工作原理,IP电话是利用Internet作为传输媒体实现计算机与计算机、普通电话与普通电话、计算机与普通电话之间进行语音通信的技术。IP电话的实现原理是：先将公共电话（PSTN，Public Switched Telephone Network）传来的电话语音转换为数字信号，经过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，,然后把这些语音数据按TCPIP标准进行打包，通过TCP/IP协议网络（包括Internet、Intranet、帧中继等）和其它种类的数据包（数据、Email、视像、图片等）一同传送，在接

10、收端经过重组把这些语音数据包串起来、解压、解码，转换为正常的实时语音，通过PSTN送到最终接收方。,16.2.1 IP电话的系统组成 IP电话系统由终端设备（TE）、网关（Gateway）、多点控制单元（MCU）和网闸（Gatekeeper）四个基本组件组成（图161）。,图161 IP电话组成示意图,图161 IP电话组成示意图,(1)终端设备:是指IP电话的客户终端，可以是软件（如Microsoft的Net meeting）或硬件（如电话机），它们直接连接在IP网上进行实时语音和多媒体通信。(2)网关:是一台专门的机器运行编码软件用于控制语音呼叫的打包、压缩和解压缩。它具备与PSTN或者P

11、BX相连的电路接口，以及配有与LAN相连的网络接口卡。此外还有专门的软件负责进程管理，网关与网关、网关与网闸（守）之间的通信。,网关通过模拟一个典型的电话网来欺骗PBX。当用户拨完号码开始呼叫时，信号被送到PBX，然后PBX将开始信息送到本地网关。之后，本地网关查表得到远端网关的IP地址，两个网关建立一个连接，而接收端的网关请求当地的PBX来完成这个呼叫，然后电话振铃，受话方摘机。随着电话接通，开始发话的网关将来话流量送入编码系统编码之后将这些包通过Intranet或者Internet发送到接收的网关。,接收的网关执行逆向的过程，重新排列并解压、封包，再将它们传送到接收者那里。*网关完成实时语

12、音压缩，将64kb/s的语音信号压缩成低码率语音信号；*网关具有路由管理功能，完成寻址和呼叫控制。它把各地区电话区号映射为相应的地区网关IP地址，这些信息存放在一个数据库中，数据接续处理软件将完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。,在用户拨打长途电话时，网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的IP地址，并将此IP地址加入IP数据包中，同时选择最佳路由，减少传输时延，IP数据包经Internet到达目的地的网关。在一些Internet尚未延伸到或暂时未设立网关的地区，可设置路由，由最近的网关通过长途电话网转接，实现通信业务。因此，网关是通过IP网络提供电话到电话、PC到电话的话音通信核心

13、与关键设备，是IP网络与PSTN/ISDN/PBX网络之间的接口设备。,决定IP电话质量的主要因素 决定IP电话质量的主要因素是时延和语音质量。*时延：指传输延时，它影响电话交谈的节奏，并且较长的时延会产生很强的回波，使网关回波消除电路的功能复杂化。目前，IP长途电话时延为235ms。但随着Internet数据信道的改善，IP电话数据包的传送延时和缓存延时将逐渐减少，将来总时延会减小到100ms左右。一般情况下，用户可接受的时延为250ms。*语音质量：指接收端合成语音的可懂度、自然度和清晰度，它反映了语音数据包所包括的内容，以及语音受干扰的程度。,语音质量受两个因素的影响：采用低比特率语音编

14、码器和语音分组丢失，造成的语音质量失真；长时延产生的会话动态损伤。随语音压缩编码处理技术的发展和光纤数字通信技术的大量应用，话音质量将得到极大改善。此外，由于Internet传输信道不能保证传输质量，通常在语音质量和时延之间有一个折中。为提高语音质量，可适当增加时延来等待网络中慢的数据包，但较大的时延又会给用户造成不便。,需要说明的是，IP电话采用的是分组交换方式，因此，它不可能提供像线路交换（PSTN）那样真正意义上的实时通信，它的实时性是相对的。也就是说，IP电话在本质上不是实时通信。IP网关提供了一种可伸展的、灵活且可靠的方法来解决电话网与IP网之间的互联。IP网关以8kb/s的带宽将话

15、音转换成数字信号，但是IP网络的开销通常会将带宽占用增加到17.5kb/s（需要附加内容）。现在已有一种静音抑制技术保障了只在通话双方讲话时才占用带宽。在安静的时候，,话音的带宽自动释放出来供其它数据传输使用，这种技术在典型情况下可将带宽的占用降低到7kb/s。一个性能优良的网关还应具备前向纠错功能，以最高限度地减少数据包的损失，同时它还使用高速缓存技术来减少IP网络的延迟。(3)MCU:使IP电话在IP网络中可实现多点通信，支持如网络会议的多点应用。,(4)网闸又称网络管理者或关守，负责用户的注册和管理。完成的功能：地址解析；呼叫验证和管理，对接入用户的身份进行认证，防止非法用户接入；呼叫记

16、录，使运营商有详细的数据进行收费；区域管理，多个网关可 由一个网闸来管理。,16.2.2 IP电话的实现方式 1.PC到PC 这是PC电话最早、也是目前最容易实现的一种方式，它相当于一种联机应用，用户使用专用客户端IP电话软件，再配备麦克风、音箱、声卡等设备就可通过IP网实现这种应用。,2.电话到电话 这是IP电话最主要的应用方式，IP电话市场收入的主要来源。这种应用需要通过网关将PSTN与IP网连接，网关的功能和质量至关重要。3.PC机到电话 它属于IP电话的附加应用，主要是为满足不同用户的需求，吸引更多用户而开展的。它需要客户端软件和网关双方的支持。,4.电话到PC 它也属于IP电话附加的

17、应用。但这种应用自身存在一些缺陷，开展较困难。主要是通话前要进行预约。而且预约非常不方便；本地网关与PC机上的应用软件之间互通不易实现。5.通过Web网页连接呼叫中心 实现方式是在Web网页上建立一个与电话中心连接的图标，用户只需点击这个图标就可以通过Internet连接到呼叫中心并实现通话。这种方式对那些有服务中心、技术支持和产品介绍的公司和企业来说非常有用，它加强了用户与企业之间的联系。,6.传真机到传真机 IP电话网关通常还带有传真功能，网关可以辨别呼叫是电话还是传真从而分别处理。对于IP电话的业务商来说，IP传真已成为一项非常重要的收入来源。,16.3 IP电话的相关技术标准,1.国际

18、标准化组织 IP电话的国际标准化组织主要有：ITUT（国际电联标准化部门）、ETSI（欧洲电信标准协会）、IETF（Internet工程任务组）和IMTC（多媒体远程会议集团）。ITUTSG16研究组。主要从事多媒体终端和安全问题的研究，研究组最主要的工作就是制定H.323系列建议。,ETSITIPHON工程组。主要任务是规定一套业务互操作性要求，确定接口和功能方面的体系结构，对呼叫控制程序、信息流和协议作出规定，研究端到端服务质量参数及E.164地址与IP地址之间的转换，同时规定计费和安全方面的问题。目的是向各类网络运营者提供面向业务的解决方案，其工作基于H.323和现有电路交换网标准。,I

19、ETF。主要工作是制定新的信令协议，包括会话初始协议（SIP）、Internet和PSTN的网络互通。其IPTEL工作组负责制定相关协议和框架文件，包括呼叫处理语法等。该工作组还写出了一些业务模型文件，描述由呼叫处理语法实现的业务，并讨论语法的使用方法。IMTC。该集团由来自北美、欧洲和亚太地区的150多个成员组成，旨在建立开放的国际标准，推动交互式多媒体远程会议解决方案的应用和实现。其VoIP论坛不定期地进行一些活动来制定标准，促进IP电话业务。,2.IP电话技术的协议和标准 主要分为H.323协议和SIP协议两大类，二者的主要区别在于呼叫建立和控制方面。目前各组织对IP网络上承载实时业务（

20、话音、视频等）的方式并无不同，均是利用了源自IETF的RTP协议。SIP比H.323简单、灵活，但尚处于IETF的标准化阶段，支持厂家很少。ITUT于1996年11月通过了H.323标准，目的是使得不同厂商的IP电话产品之间有良好的互连性。H.323标准描述了IP电话系统的基本构成和各部分功能。它支持点对点通信及在MCU支持下的多点通信协议。,（1）H.323协议。为使各厂家的IP电话能够相互通信，相应的国际标准应运而出。在Intel和Microsoft的倡导下，由ITU推荐的H.323协议作为IP电话的基础协议。目前许多公司已向H.323靠拢，它们的产品均支持H.323协议。我国采用H.23

21、2作为IP电话的国内标准。H.323协议是ITU多媒体通信协议族H.32x中的1个，它提供了窄带可视电话的技术要求，包括基于X.25网的语音、视频、数据和控制等协议。H.323协议支持点到点通信和点到多点通信。H.323包括如下子协议。,图像压缩解压协议：H.261、H.263。语音压缩解压协议：G.711、G.722、G.728、G.729、G.723、MPEG1。数据通信协议：T.120（资源共享）。呼叫控制协议：H.225（信令、注册、媒体同步、分组打包）。系统控制协议：H.245（打开和关闭呼叫功能协商）。图像压缩解压和数据通信协议不对IP电话作出要求，但它们处于H.32x同一标准框架

22、中。H.323本是通过与PSTN相连进行多媒体通信的LAN标准，对于不同带宽和不同时延的Internet，使用H.323协议，,使得其中许多部分成为无用成份。H.323协议规定的电话压缩解压协议是G.711，但G.711要求的6kb/s带宽对Internet来说无法实现。因此，带宽为8kb/s的G.729和5.3kb/s、6.3kb/s的G.723.1协议，更经常作为Internet的电话压缩解压协议，它们非常适合于Internet语音数据包的传输。H.323协议为IP电话提供了很好的协议基础，但它本身起源于计算机网络领域，在它的协议框架内，仍有许多地方需要改进。,H.323不支持呼叫转移，多

23、点间通信过程复杂。采用H.323协议的用户，只有先与MCU（多点控制单元）连接，才能进行多点通信，并且进行多点通信的用户数上限受限制。此外，端到端传送DTMF（DTMF信号不容易编码、打包、拆包和解码）信号的协议以及PSTN到Internet的用户呼叫等问题也未解决。,（2）VoIP论坛的协议。就上述H.323的不足，一些大公司，如Cisco、Microsoft、Dialogic等成立了VoIP（Voiceover Internet Protocal）论坛。VoIP立足于现有的H.32x协议系列和电路交换网协议，并对它们进行完善。H.32x的目标是规定和发展基于开放性和一致性的通信规则，用于保

24、证IP协议数据网上的，无缝电话通信设备间的互操作性和服务质量。,（3）SIP协议。H.323提供了窄带多媒体通信所需要的所有子协议，但它的控制协议非常复杂。而SIP只是简单的呼叫控制协议，仅提供了呼叫的建立、控制和拆除等功能。SIP工作在应用层上，可采用TCP或UDP作为其传输协议。由于SIP仅用于初始化呼叫，不涉及数据传输过程，因而造成的附加传输代价远远小于H.323。SIP是一种基于文本的协议，它由SIP规则资源定位语言描述，可嵌入web页面或其它超文本链接中，用户只需用鼠标一点就可发出一个呼叫。,SIP提供了其它协议类似的服务，但更简单，扩充性好，适合大规模应用，SIP还在不断完善之中。

25、但目前由于IP电话的互操作性及其它技术问题，尚未找到合适的解决方案，IP电话的普及应用尚待时日。许多组织，如ITU和IETF等，都在积极制定和完善相应的Internet电话协议和标准。,16.4 IP电话的服务质量及发展前景,目前，尽管IP电话已进入了商业运行，但仍有很多技术问题需要解决。主要包括有不断发展的IP电话标准的互通、网路的多域组织和网闸互通、业务功能模型、认证结构、路由、计费结构、服务的互操作性、安全、服务质量、设备容量与管理等。其中用户最关心的就是服务质量（QoS）问题。IP电话的QoS直接影响IP电话的推广应用。,由于IP网络采用的TCP/IP协议本身是为提供非实时数据业务而设

26、计的，IP协议负责主机间的数据传输，并不进行检错和纠错，因而IP电话必须解决QoS问题。影响QoS的因素主要有：编解码方法、时延、时延抖动、丢包、比特差错和协议处理。,运用IPPhone交换信息具有以下主要优点：(1)IP技术是通信领域的新潮流，它符合未来的发展方向，其市场潜力十分可观。(2)IPPhone的分组交换技术，可以实现信道的统计复用，使得网络资源的利用率更好，大大降低运营投入成本。(3)与传统传媒相比较，IPPhone具有它们的一切表现形式和特点，传播信息容量极大。形态多样，迅速方便，覆盖全球，打破了时空限制，打破了传统地缘政治、地缘经济、地缘文化的概念，形成了以传播信息为中心的跨

27、国界、跨文化、跨语言的全新的传媒方式。,(4)价廉。通过Internet打电话，没有长途的概念，是以数据流量或连接时间来计费的，每小时的费用只有几元，大大降低了长途费用。从产品开发上看，目前的IPPhone产品可分为以下两类：IPPhone终端和IPPhone网关。IPPhone终端多数是纯软件产品，它是基于多媒体PC可以实现PCtoPC或通过网关实现PCtoPhone的实时语音和多媒体通信。IPPhone网关是实现PhonetoPhone语音通信的关键设备，,目前开发的网关产品结构形式分三种：一是通过PC服务器内置通用语音卡或IPPhone专用DSP卡构成的网关；二是具有Ethernet或其

28、它类型的网络接口的独立网关设备；三是具有IPPhone能力的网络接口卡。上述三种不同结构形成的网关产品，其话音质量、延迟和可扩充性等性能方面各有不同特色。,在技术应用方面：(1)组建内部长途电话网。拥有自己的Intranet的单位，可以利用IPPhone来组建自己的内部电话网，这样不但降低了本单位内部电话费、传真费用，而且使许多长途电话变成了本地市话，大大节省了经费支出。(2)接入远地电话网。利用IPPhone接入远地电话网，变长途电话为本地电话，以求得较为廉价的服务。,(3)IPCallCompletion服务。一般在一条电话线上，当以拨号上网方式进行计算机通信时，就无法再听电话了。而IPP

29、hone提供的IPCallCompletion服务可以实现用户上网时，依然能够接通电话。(4)网上购物。IPPhone使网上购物具有更大的交互性，使商家与用户间可以通过IPPhone进行直接信息交流。,我国信息产业部1998年9月就计算机信息网络国际联网业务实行经营许可证制度等有关问题下发通知，加强业务管理，使其健康发展；1999年3月信息产业部电信管理局负责人就中国发展IPPhone指出，中国电信、中国联通、中国吉通三家公司发放正式经营许可证，使IPPhone业务在我国全面走向市场。,IP电话与PSTN（公共交换电话网）电话业务相融合是当前的发展趋势。PSTN经过百年发展，已成为世界上最庞大、最完善和最有效的网络。伴随移动通信、卫星通信和智能网等技术的发展，PSTN也成为寻呼网、移动电话网和数字用户环线的交换网络。因此，IP电话与PSTN相结合，能够更迅速、更有效地占领电话市场。在现阶段，由于Internet设施仍无法与PSTN相比，IP电话只能逐步分流传统电话业务，还不能完全取代。,