IP电话技术的发展与应用研究

摘要： 本文主要研究IP电话技术的发展与应用，对VoIP的发展现状中的新型高性能VoIP系统作了详细的分析。

关键词： VoIP 防火墙 IP

VoIP技术在国外发展很快，美国、加拿大、以色列等国家因拥有丰富的网络资源、简化的网络结构，所以VoIP应用广泛，已普遍用于集团用户、电信运营商及IP超市。国内的IP网络地址资源紧张。为满足爆炸式的用户需求，各种NAT(地址转换)设备被广泛使用，随之而来的安全问题使得FIREWALL(防火墙)设备被放置于关键的网络节点，从而使我国的IP网络结构更加复杂。基于目前的网络现状，国产化的和国外引进的无穿透防火墙能力的产品使用范围受到极大的限制，无法穿透防火墙，不能即插即通任意通，在话音质量、可靠性及系统容错等方面，都存在不同程度的技术问题，进一步限制了VoIP在国内的发展。此外，终端产品的价格还偏高，功能单一，如网络电话的价格，从低端的400元到高端的2000元，使普通消费者难以接受［１］。

1. VoIP的基本原理

传统的电话网是以电路交换方式传输语音，而VoIP是以IP分组交换网络为传输平台，对模拟的语音信号进行压缩、打包等一系列的特殊处理，使之可以采用无连接的UDP协议进行传输。我们可以将VoIP的传输过程分为下列五个阶段。

1.1 语音数字转换。

语音信号是模拟波形，通过IP方式来传输语音。不论是实时应用业务还是非实时应用业务，首先要对语音信号进行模拟数字转换，也就是对模拟语音信号进行8位或6位的量化，然后送入到缓冲存储区中。缓冲器的大小可以根据延迟和编码的要求选择。许多低比特率的编码器是采取以帧为单位进行编码，典型帧长为10―30ms。考虑传输过程中的代价，语音包通常由60、120或24Ores的语音数据组成。数字化可以使用各种语音编码方案来实现，目前采用的语音编码标准主要有ITU-T G.711。源和目的地的语音编码器必须使用相同的算法。这样目的地的语音设备才可以还原模拟语音信号。

1.2 原数据IP转换。

一旦语音信号进行数字编码，下一步就是对语音包以特定的帧长进行压缩编码。大部分的编码器都有特定的帧长，若一个编码器使用15ms的帧，则把第一个来的60ms的包分成4帧，并按顺序进行编码。每个帧合120个语音样点(抽样率为8k/Hz)。编码后，将4个压缩的帧合成一个压缩的语音包送入网络处理器。网络处理器为语音添加包头、时标和其它信息后通过网络传送到另一端点。语音网络简单地建立通信端点之间的物理连接(一条线路)，并在端点之间传输编码的信号。IP网络不像电路交换网络，它不形成连接，要求把数据放在可变长的数据报或分组中，然后给每个数据报附带寻址和控制信息，并通过网络发送，一站一站地转发到目的地。

1.3 传送。

在这个通道中，全部网络被看成一个从输入端接收语音包，然后在一定时间(t)内将其传送到网络输出端。t可以在某个范围内变化，反映了网络传输中的抖动。网络中的节点检查每个数据报附带的寻址信息，并使用这个信息把该数据报转发到目的地路径上的下一站。网络链路可以是支持IP数据流的任何拓扑结构或访问方法。

1.4 IP包―数据转换。

目的地的VoIP设备接收这个IP数据，并开始处理。网络提供一个可变长度的缓冲器，用来调节网络产生的抖动。该缓冲器可容纳许多语音包，用户可以选择缓冲器的大小。小的缓冲器产生延迟较小，但不能调节大的抖动。解码器将经编码的语音包解压缩后产生新的语音包，这个模块也可以按帧进行操作，完全和解码器的长度相同。若帧长度为15ms，则60ms的语音包被分成4帧。然后它们被解码还原成60ms的语音数据流送入解码缓冲器。在数据报的处理过程中，去掉寻址和控制信息，保留原始的原数据，然后把这个原数据提供给解码器。

1.5 数字―模拟语音转换。

播放驱动器将缓冲器中的语音样点取出送入声卡，通过扬声器按预定的频率(例如8kHz)播出。

简而言之，语音信号在IP网络上的传送要经过从模拟信号到数字信号的转换、数字语音封装成IP分组、IP分组通过网络的传送、IP分组的解包和数字语音还原到模拟信号等过程。

2. VoIP的主要设备组成

就基于SIP协议的VOIP系统而言，一般由IP―PBX、网关(Gateway)、IP电话三部分组成，它们通过PSTN和IP网络为用户提供语音、传真、数据和视频等多种通信方式，从而将IP语音技术融合到企业的日常工作中。值得一提的是，随着VoIP技术的发展，部分产品已将IP-PBX和网关融合在一起，为使各设备的功能更清晰地表达，下面分开介绍。

2.1 IP―PBX。

它也称IP语音服务器或交换机，由语音包处理模块、电话信令网关模块、网络协议模块、网络管理模块组成。IP―PBX是一种基于VoIP的企业电话系统，通过IP网络连接到具有IP功能的电话机，除具有传统PBX的通话、管理、配置和维护等工作外，还能实现语音邮件、传真组发、数据传输等传统PBX无法实现的附加业务，能将PSTN和IP网络统一成一个整体，实现局域网内的电子办公平台。因为IP―PBX具有强大的开放性和可编程性，所以它能与计算机无缝结合成为集成通信系统，为全球各地办公地点和员工建立统一话音和数据网络。

2.2 网关。

网关的功能是为PSTN和IP网络之间的转换提供接口，是它们的连接桥梁。网关既能在PSTN和IP网络间提供平滑的语音、传真服务，又能从电话对电话、电话对计算机、计算机对电话、传真机对传真机等提供没有限制的长距离通信。用户通过PSTN连接到IP网络的网关，网关负责把模拟信号转换为数字信号并压缩打包，成为可以在互联网上传输的语音信号，然后通过互联网传送到被叫用户的网关端，由被叫端的网关对IP数据包进行解包、解压和解码，还原为可被识别的模拟语音信号，再通过PSTN传到被叫方的终端。

2.3 IP话机。

也称作数字电话机，其外观和传统的模拟电话机类似，但是接口形式是以太网而非模拟电话接口。它可以使用SIP协议进行呼叫控制，并通过以太网连接IP-PBX工作。相对于传统的模拟电话机，它具有非常高的灵活性，尤其在语音传输、多媒体会议、拨号加密、数据共享、WEB浏览及PDA等功能上有着模拟电话机无法比拟的技术优势。IP话机本身就是一种计算机设备，由CPU、存储器、操作系统、应用程序等组成，IP话机接入局域网就像计算机一样需要进行设置一个IP地址。这个IP地址可以是静态的，也可以是动态的。IP话机除了提供RJ-45接口与交换机连接外，新型的IP话机更提供了USB接口与计算机连接。

3.系统设计方案

为了使VoIP电话系统为大众所接受，成为主流，甚至最终取代传统的电话服务，有两个条件必须满足：第一，话音通信的质量至少要达到POTS同样的标准；第二，必须有信令的支持，就像PSTN中有No.7信令一样。本系统采用H.323信令标准。系统包括VoIP低成本话机(含VoIP网关)、VoIP网守两大主要部分［2］。

3.1 VoIP网关硬件。

网关硬件由语音处理模块CODEC、INTERNET接口模块、UART模块、处理器CPU等模块组成。其中，INERNET接口模块负责网络连接，UART提供监测调试串行接口，CODEC处理实时的语音信号压缩及编、解码，其余所有的工作都由主机CPU完成。

3.2 VoIP网关系统软件。

网关系统软件采用开放式结构和模块化系统设计，其中语音处理模块主要完成语音编、解码，语音分组封装、解封等功能；呼叫处理模块完成电话网信令到分组网信令的转换。其主要功能为完成电话号码到IP地址的转换、终止电话信令协议并提取信令信息、将电话信令信息映射成Internet信令报文的格式，以及在分组网上建立会话通信。分组处理模块主要处理语音和信令分组。在分组提交给IP层以前，增加合适的头部信息，完成分组的实时传递。网络管理模块主要提供管理功能，完成故障处理、计费管理、配置管理、认证安全性管理、地址映射管理等功能。

3.3 VoIP网守系统软件。

网守系统主要有RAS模块、H.255.0呼叫模块、H.245控制信令等几个功能模块。RAS模块完成端点注册、地址转换、接入许可控制、带宽控制和网关管理等功能。通过控制网关登记，以及简化网关拨号程序，一个网守可保障整个VoIP服务；H.255.0呼叫模块主要完成与呼叫有关的功能；H.245控制信令模块主要完成与媒体控制信令有关的功能；其它功能模块主要完成H．323协议标准以外的功能，如记费等。

4.系统实现中所采用的关键技术

4.1 网络拓扑结构的自动探测及穿透防火墙。

VoIP系统终端(VoIP话机和VoIP网关)和VoIP网守服务器协同工作。在终端设备向网守的注册过程中，采用智能搜索算法将终端所遍历网络中的NAT和Fireware设备一一列出，记录在终端设备的网络结构链表中。系统根据网络节点上的设备类型采用相应的策略来穿透防火墙。

4.2 低成本高效能终端。

VoIP网络终端高成本的主要原因是其实现功能的高复杂度。本系统将高复杂度的大部分功能转移集中在服务器上实现，而终端本身尽量作成简单的用户与服务器间的交互界面，从而大大降低了终端装置的成本，同时还可通过服务器的升级和设置灵活地提供各种丰富且不断更新的服务内容。

4.3 超高效率，高可靠性，系统容错结构。

目前系统容错技术是以提高系统集成单元组任意时可用率为目标的。该技术依赖瞬间故障探测及模块切换。由于故障探测不可能，几乎不可能达到传统交换系统的可靠性指标。此外，采用“1+1”冷热备份方式对CPU时钟资源的利用率少于50%。本系统将任意“N”个同类模块分为一组，组内各模块相互对称备份，故障时，失效模块任务由其它组员分担，CPU时钟资源的利用率高于90%［3］［4］。

5.结语

本系统是一种利用因特网特性，采用高可靠、高容错技术和防火墙安全穿透技术；可在不改变网络设置的情况下，即插即通、高可靠、高容错运行的VoIP电话系统；能进行语音、数据、多媒体业务通信并具有多种商务功能；操作简便，可为用户节省巨额的通信费用。经实际测试，本系统所采用的技术切实可行，能实现可靠通信，并将给社会带来深远的经济效益。

参考文献：

［1］李辉，赵晖.传统PSTN与VoIP的比较研究.电子科技大学学报，2004.2.

［2］白选之，黄永峰，李星.H.323网关实现中的难点分析及解决方案.计算机应用，2003.10.

［3］张海燕，阮方.IP电话系统网守的研究与实现.电讯技术，2003.2.

［4］陈桦，陈昱.IP电话网关与网守的通信.计算机工程，2003.13.