VoIP系統及相關協議簡略說明

VoIP系統及相關協議簡略說明

當今VoIP技術正在世界範圍內迅速替代傳統的固話語音技術，本文從VoIP應用形式、簡單的呼叫模型、主要的VoIP協議、技術發展歷程等方面進行介紹，全面展示VoIP技術的現狀。

VoIP（網絡電話）是指將模擬的聲音訊號經壓縮與封包後，以數據封包的形式在IP網絡環境中進行語音訊號的傳輸。

目前，國外很多基於互聯網運營的VoIP電話系統都已取得成功，其巨大的市場潛力也吸引了衆多國際著名廠商，力圖在VoIP網絡電話市場搶佔先機。現以H.323協議爲模型，對VoIP系統的原理進行簡單說明。

1、典型的VoIP網絡構成及呼叫過程

（1）網絡構成

VoIP網絡主要由主、被叫接入終端；主叫網關、網守；被叫網關、網守組成，如圖1所示。

      圖1 VoIP系統結構（以H.323協議爲模型）

①網關的主要功能是實現PSTN網到IP網的轉換，包括ISDN信令處理、H.323協議功能、語音編解碼和路由協議處理功能等。對外分別提供與PSTN網連接的中繼接口以及和IP網絡連接的接口。很多網關都支持PPP/PPPOE廣域網接入功能，並支持基於WEB的管理方式和具有內建的IP路由、NAT、NAT穿透功能，且很多網關也提供FXS接口，可直接接入普通電話。另外，若主叫本身就是網絡電話類的智能終端，一般也都提供支持PP-POE接入的能力，則不再需要源網關。

②網守的主要功能是用戶認證、地址解析、帶寬管理、路由管理、安全管理和區域管理。

（2）呼叫過程

呼叫由PSTN發起，通過中繼接口接入到網關，也可能是網關直接連接的普通電話發起。網關獲得用戶希望呼叫的被叫號碼後，向網守發出接入請求，申請地址解析，網守根據被叫號碼查找被叫網關的IP地址，並根據網絡資源情況來判斷是否應該建立連接，若可建立連接，則將被叫網關的IP地址通知給主叫網關。主叫網關在得到被叫網關的IP地址後，通過IP網絡與對方網關建立起呼叫連接，被叫側網關向PSTN網絡發起呼叫並由交換機向被叫用戶振鈴。被叫摘機後，被叫側網關和交換機之間的話音通道被連通。　

2、VoIP應用形式

VoIP的應用形式豐富，目前主要是以下幾種：

（1）PCTOPHONE

PCTOPHONE就是主叫方是PC終端上網，利用VoIP語音軟件進行通話，被叫方是普通電話用戶。這種應用形式在國外相當流行，代表軟件有Net2Phone、VoxBar、Skype等。其特點是發話端是互聯網用戶，受話端是PSTN電話用戶，即“INTERNET+PSTN”形式。需要說明的是，目前已出現了很多功能很好的網絡電話機，電話機本身即提供PPPOE撥號功能、配置靜態IP地址功能和動態獲得IP地址功能。只要接入INTERNET就可以打電話，這種情況也還算此類應用範疇。

（2）PHONETOPHONE

PHONETOPHONE就是主、被叫方均爲PSTN電話用戶，主叫用戶需撥打短號碼並進行卡號和密碼認證。這種應用形式出現較早，當前各大電信運營商都提供此類服務，如IP電話卡等。特點是發、受話端均是PSTN電話用戶，在主、被叫端之間經有IP網絡（既可是專用IP網也可是互聯網），即“PSTN+IP網絡+PSTN”形式。

（3）PCTOPC

PCTOPC就是主、被叫方均爲PC終端上網，利用即時通訊軟件的語音功能進行語音通話。代表軟件有QQ、MSN、ICQ、Skype等。

（4）企業用戶的應用方式

當總部城市A的員工需要撥叫企業分部城市B的本地電話時，總部語音網關首先將呼叫轉移到分部城市B的語音網關，再由分部城市B網關通過連接在其上的本地PSTN通路發起對被叫方的呼叫。也就是說，若企業所在地安裝了VoIP語音網關設備，全國範圍內，只要在有分支機構的城市，企業中的任何一人需要給企業有分支機構的任何城市用戶打電話，企業所要付出的只是當地的電話費。

我國現有很多擁有自己專網的行業和較多分支機構的大企業，如金融、能源、政府機構、跨國公司等，利用電信運營商提供的DDN、幀中繼、ATM等網絡組網或通過INTERNET建造自己的IP×××網絡實現內部通話。它們目前也正是中國VoIP市場的主力，已擁有一套運營級的VoIP網絡。

3、VoIP協議介紹

語音通信仍是電信運營商的主要業務，只有通過爲用戶提供更個性化、更多樣的業務，才能創造新的業務增長點，爲企業創造更多利潤。本着技術服務於市場的原則，下一代VoIP的發展方向需按業務個性化和多樣性的特點發展。選擇什麼技術，應具備怎樣的特點，是運營者必須關注的重點。目前，可用來實現VoIP的協議有H.323、SIP、H.248、MGCP、P2P類語音協議等。

（1）H.323協議簇

國內早期運營商的VoIP網絡幾乎全部基於H.323協議集構建的。H.323協議集是ITU-T爲基於分組交換網絡而開發的多媒體通信系統。呼叫控制是其中的重要組成部分，可用以建立點到點的媒體會話和多點間媒體會議，主要應用於視頻會議系統。它並不是一個獨立的協議，而是由多種協議組成，包括H.225、H.245、RTP、RTCP等。H.323定義了4個主要部件構築基於網絡的通信系統：終端、網關、網守、多點控制單元（MCU）。

H.323定義了介於電路交換網和分組交換網之間的H.323網關、用於地址翻譯和訪問控制的網守、以及後臺認證、計費等支撐系統組成。在VoIP系統中，沒涉及H.323協議的多點會議控制功能部分功能。網關是完成協議轉換和媒體編解碼的主要設備，而網守則是完成網關之間的路由交換、用戶認證和計費的控制層設備。H.323協議集的設計本身就是從電信級網絡的角度出發的，易於構建大規模網絡，網絡的可運營、可管理性及不同廠商設備之間的互通性較好。H.323在分組網絡上模擬了PSTN的結構，本身也是分層、主從、集中式的控制方式。

（2）SIP協議

SIP（初始會話協議）是IETFSIP工作組提出的基於文本編碼的IP電話/多媒體會議應用層控制協議。用於建立、修改並終止多媒體會話。SIP協議還可用於發起會話或邀請成員加入已用其他方式建立的會話。

自3GPP在Release5的IMS（IP多媒體子系統）中宣佈以SIP爲核心協議，及ETSI在其NGN體系中採用IMS以來，SIP協議就成爲關注熱點。最初只有國外的小廠商將SIP協議開發和使用在企業的小型網絡中，以提供電話業務。第二版本發佈後，SIP協議得到了更廣泛的應用，基於該協議開發的系統，用戶終端無論在何處接入互聯網，都可通過域名找到其歸屬的服務器，以進行語音和視頻通信。

SIP協議的特點如下：

①既可支持點到點的話音通信或視頻通信，也可支持多點參與的話音或視頻會議等。

②透明地支持名字映射和重定向服務，便於實現ISDN，智能網及個人移動業務。

③可用MCU或全互聯的方式代替組播發起多方呼叫，與PSTN相連的IP電話網關也可用SIP協議來建立普通電話用戶之間的呼叫。

④採用基於文本的UTF-8編碼方式和ISO10646字符集，易於實現，易於調試、靈活和擴展性好。這種方式理解容易、實現簡單，方便設備商的產品開發。

⑤對個人移動業務提供了很好的支持。對主叫發出的請求，被叫可以重定向到多個點位，這些點位可以是任意一個URL，並且電話類型（移動、固定）、應用類型（商用、家用）和被叫優先級列表等附加信息將被傳回主叫方，這使得主叫方可以靈活地選擇與哪一個點位通話。

⑥採用Client/Server結構的消息機制，將UA分爲兩個部分：呼叫方發出邀請（或呼叫）；被叫方接受或拒絕邀請（或呼叫）。這種Client/Server的關係不固定，其工作方式對等，當A向B發送請求消息時，A作爲Client，B作爲Server。反之，當B向A發起請求時，它們之間的Client-Server關係又相反。

⑦低層協議可爲SIP協議層提供可靠或非可靠業務，也可爲分組或字節流業務。Internet環境下，SIP協議層可使用UDP協議或TCP協議，它首選UDP協議，當不能使用UDP協議時，使用TCP協議。

⑧SIP協議的可擴展性主要體現在：不可識別的頭域可以忽略；用戶可指示SIP服務器必須理解的消息內容；新的頭域容易引入；狀態碼採用分層編碼方式進行編碼。

可見，SIP協議沿用了計算機網絡設計的思想。協議設計靈活，可很方便地開展新業務。SIP協議完全傳承了Internet的特點，終端高度智能化，網絡結構相對簡單。智能化有很多智能化的優點：開發衆多業務、進行呼叫控制和信令處理、使網絡控制簡單；但終端智能化也存在缺點：成本高、使用相對複雜、網絡控制簡單的代價是網絡本身不可靠性。

（3）Skype協議

盧森堡Skype網絡電話公司開發了一種集語音和IM功能於一體私有P2P應用協議，又因其在國外提供了廉價的網絡電話服務，語音通話質量較好、使用方便，所以它一出現便廣爲流傳，業務增長迅速，受到業界的普遍關注。從技術上講，Skype使用P2P原理傳輸語音，能夠輕鬆通過NAT/防火牆，採用的語音編解碼算法具有較高的效率，使用安全性極高的私有加密方法對端到端語音信息加密。

Skype以P2P的方式提供四類服務：“PCTOPC”；“PCTO PHONE”；“PHONE TO PC”；“語音信箱”。Skype網絡結構是一個由普通主機和超級節點、Skype登陸服務器組成。

一個Skype客戶端通過監聽特殊的端口來接受打入電話，維護一個稱作主機緩存的節點表。所謂得主機緩存就是一個超級節點和其開放端口，被定期刷新的列表。使用多種方式的語音編碼方式，在本機保留一個好友列表，對信息進行端到端的加密。當Skype客戶端被執行後，首先要判斷出是否自己在NAT設備，若在，則按不同方式去應對NAT連接造成的問題，Skype客戶依據主機緩存地址和端口發送UDP包到超級節點。若UDP包被NAT設備限制，則轉而使用TCP協議跨過NAT設備，若採用端口連接無效，就試圖分別採取80端口（HTTP端口）和443端口（HTTPS端口）躲過防火牆的干預。Skype被人稱道的是其使用AES算法對每個電話和即時信息使用256bit加密，使用1536bit～2048bit RSA去協商對稱AES密鑰。用戶的公鑰在進行登陸服務認證時鑑定。

Skype使用其全局索引技術來搜索Skype用戶，並宣稱這種技術是分佈式的，若用戶存在且在最近72小時登陸過，就保證能夠查找到。

Skype語音信令使用TCP協議來傳輸，宣稱其通信佔用帶寬只有3Kbit/s～16Kbit/s。不同的主、被叫用戶的位置情況不同，Skype採用的技術方式也不同，分爲：　

①主、被叫用戶都使用公網IP地址，信令使用TCP方式連接，媒體流使用UDP方式。

②主叫用戶在端口受限的NAT設備後，接收者是一個公網IP用戶，通過已在線的公網的其他Skype節點，以TCP方式轉發信令、媒體流，轉發信令，以UDP方式轉發媒體流。

③主、被叫用戶都在端口受限的NAT設備後，則通過已在線的公網其他Skype節點，以TCP方式來轉發信令、媒體流。

由於其隨機連接其他Skype節點，使用隨機IP地址和端口連接Skype網絡，有時還使用知名端口（80或443）跳過防火牆聯接，因此鑑別Skype流量是很困難的。

（4）H.248和MGCP協議

H.248和MGCP不能成爲獨立的VoIP協議，只是軟交換的網絡中的一種承載控制協議，一種主從協議。所謂軟交換，其核心思想是控制、承載和業務分離，採用軟交換做控制，不同媒體網關做媒體處理來提供話音、數據、視訊等多媒體業務的實現方式。其核心協議是ITU-T制定的H.248和IETF制定的MGCP。

MGCP是爲媒介網關和語音IP終端設備提供信令和呼叫控制的主從設備控制協議（MGC控制MG），是簡單網關控制協議和IP設備控制規範的結合。H.248/MeGaCo是MGCP的後繼協議和最終替代者，但協議概念完全不同，隨NGN的不斷髮展，MGC與MG之間的媒體控制協議將逐步統一到H.248。

4、結束語

目前，VoIP技術還處在關鍵的發展階段，並正迅速地向下一代VoIP技術演化。現階段，以軟交換爲基礎的NGN網絡技術得到業界的廣泛關注，因此軟交換的技術能夠實現很多基於IP電話的補充和增值業務，發揮好這種技術優勢，大力開發增值業務，纔是這一階段的核心價值。而如何整合數據網絡、融合移動業務則是下一階段的技術核心問題，運營商將在IPDiffServe、MPLS、SIP等技術方面進行大量研究實踐爲下一步發展做好技術儲備。

運營商目前大部分的長途VoIP網、NGN網絡等都建設在專用通信網上。IP地址、安全、服務質量這樣的問題並不突出。專網的方式只是一個過渡方式，隨着三網融合的趨勢，IP電話必然要融入到公共IP網當中。無論是長途網還是本地網，這些問題都必須解決。語音網絡將變得越來越具有開放性、豐富性，而不僅僅是從電路交換域變爲IP交換域。而在享受VoIP技術帶來豐富、廉價的同時，如何從政策、技術等層面更好的控制引導便成爲VoIP技術發展中應把握的重點。