| 出版日期：2001-03-29 总期号：1006 本年期号：21 |
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IP电话开创业务新领域
糜正琨 Internet助IP电话赢得市场 IP电话的问世最早可追溯到70年代，当时美国已开始基于ARPANET网络平台进行计算机网络上的话音通信研究，并于1974年首次在东海岸和西海岸之间开通IP实验电话。1977年，IETF据此发布了最早的IP电话通信协议讨论文稿RFC741。尽管由于网络带宽所限，话音质量不能令人满意，但实验至少表明，在基于TCP/IP的计算机网络上进行话音通信是可行的。 其后二十余年，主要是在局域网范围进行相关的理论研究。直至90年代后期，由于Internet在全球范围内的兴起和话音编码技术的完善，IP电话技术获得了突破性的进展和实际应用。其先驱者当属以色列的VocalTec公司，它是最早推出电信级IP电话网关设备的厂商。与此同时，以Dialogic公司为代表的电路制造商推出了PSTN中继电路板、信令链路板、支持各种话音编码的数字信号处理板，这些专用电路板的问世，推动了网关产品的集成开发。1996年，ITU－T SG16不失时机地制订了著名的H.323协议第1版本，极大地推动了IP电话的发展，使之进入公众服务。我国三大网络公司也从1999年起部署进行IP电话试验，2000年正式运营后取得了良好的市场业绩。 IP电话基于的技术统称为VoIP，它属于分组话音通信的范畴。和广泛应用于公众电话网（PSTN）的电路交换技术相比，分组交换的最大特点：一是通过网络资源的统计复用，可以极大地提高网络带宽利用率；二是借助灵活的动态路由选择机制，可以有效地保证通信的可靠性。 
图1 IP电话应用模式 上述技术特点决定了IP电话的诸多应用优势。首先是价格低廉，尤其是国际长途呼叫和传真具有明显的价格优势，这是IP电话进入市场的原始推动力；其次是有利于运营商开拓新的市场，可以为ISP提供新的业务空间，促进电信市场的开放和改造；再次是有助于数据网和电话网合一的综合服务企业网的建立，特别是对于跨地域分布的大型企业，不但能显著地提高协同工作效率，而且能有效地降低运营成本；另外，由于IP网络的开放性和IP终端的高度智能性，IP电话应具有更加灵活的提供各种增值业务的潜在能力，这将是IP电话得以发展的真正动力。 和VoIP并行的另一种分组话音通信技术，就是众所周知的VOA，即ATM话音传送技术。至90年代中期为止，ATM一直以其理想的传送模式、优异的服务质量和完备的技术标准在未来通信网技术中独占鳌头。但是由于ATM技术复杂、终端接入昂贵、缺乏开放性等诸多原因，ATM始终缺乏市场动力。VOA技术更是未见实际应用。相反，由于WWW的问世，Internet在全球范围内以惊人的速度获得超乎寻常的大发展。事实上已形成的遍及全球的IP网络使IP电话赢得了市场。 当然，由于IP技术的无连接特性，IP电话的时延和丢包率指标还难以满足公众网话音通信的要求，如何提高IP电话的QoS，或者更一般地说，如何在IP网上实现包括实时通信业务在内的综合业务通信，是当前IP领域的一个研究热点，也是通信网发展面临的一个巨大挑战。 IP电话应用方式 图1示出话音通信的5种基本情况。除了①为普通电话呼叫外，其余4种均属于IP电话范畴。 其中，方式②为经由Internet或Intranet的PC-PC通信。这里，PC泛指装有IP电话软件的计算机或IP电话终端。早期这类通信完全由终端实现，只要在终端上安装相应的软件并进行适当的配置后就可以支持二方或多方通信。这种简单的方式还不能支持IP电话的公众应用。90年代后期推出的标准则包含一系列网络结构和协议，支持包括寻址、呼叫控制和网络管理在内的完善的PC-PC通信，它们构成了IP电话的技术基础。 方式③为经由IP网络的电话-电话通信。由于涉及不同网络，因此需要设置互通功能（IWF），即网关设备，其功能为媒体交换、信令适配和媒体在线控制。这是应用最广泛的IP电话组网方式。 方式④为PC—电话通信，亦包含互通功能。这是IP电话进一步发展后需要支持的应用。它要解决的技术问题包括电话至PC的寻址、E.164地址至IP地址的变换、漫游IP电话用户的处理以及经不同网络后的QoS保证等。 
图2 IP-PBX应用 方式⑤为经PSTN的PC-PC通信，此类情况尚未见实际应用背景。 各国电信运营商和新兴网络公司提供的IP电话服务均属于方式③。该方式用IP网取代长途电信网，从而获得低廉的成本。 另一种值得重视的应用是，IP电话的大用户服务，也就是利用IP网络完成PBX的外线呼叫。其结构如图2所示。其中，PBX通过PRI和网关相连，网关通过DDN专线与IP网络相连。PBX用户和外界通信有PSTN和IP两条通路。PBX可以设置灵活的选路方式，如规定市话选择PSTN，长话选择IP；或者由用户加拨指定接入码选定IP电话系统；也可以设定传真机终端一律使用IP系统，话音通信可以选用PSTN或IP。再进一步，当IP网络服务质量低于预定门限值时，还可以自动返回PSTN。上述过程对于PBX用户来说均是透明的。 IP电话关键技术 IP电话是一项涉及计算机网络、信令协议、数字信号处理等多个领域的综合性技术，和其直接相关的关键技术有如下四项。 1．话音处理技术 主要解决两个问题。一是在保证一定话音质量的前提下，尽可能降低编码比特率，以提高网络带宽利用率，充分发挥分组通信的优越性。二是在IP网络环境下保证一定的通话质量。前者主要是低比特率编码技术，包括静音检测；后者包括丢包补偿和回波抵消技术。 话音编码需要考虑三个方面的问题：编码比特率、话音质量和算法复杂度。一般说来，这些指标是有矛盾的。一个有效的编码算法，实际上是在给定的应用环境下，针对性能要求确定上述指标的某种折衷组合。PSTN中广泛应用的是波形编码类型的PCM话音编码，IP电话采用的主要是参数编码，称作声码器技术。这种技术虽然早就提出，但是由于其算法复杂，直至90年代微电子业推出DSP专用芯片后才得以实用。目前，IP电话推荐使用的二种ITU-T定义的低比特率编码标准是：8kb/s的G.729A和5.3/6.3kb/s的G.723.1编码。它们都是中低复杂度编码算法，话音分组长度在30ms以下，话音质量较好。高性能的DSP芯片和高速时分总线是实现高密度大容量IP电话网关设备的关键。 在IP网络中，由于线路误码、路由故障和网络拥塞等原因造成分组丢失是不可避免的。在基于线路预测编码原理的声码器中，一般采用内插的方法导出并插入丢失分组的近似估计值，以提高通话的可懂度。在IP电话涉及IP网络和PSTN互通的情况下，回波抵消技术至关重要，特别在长途通信时，由于固有的参数编码算法时延再加上路由器的转发时延，单向时延一般可达150ms以上，高性能的网关应具有此功能。 2．网络通信协议 统一的协议是IP电话实现全网互通、走向商用的关键。从功能上划分，应定义如下四类协议。 首先是呼叫控制协议，相当于电信网中的信令，其目的是控制呼叫的建立和释放，用于传送地址信息、用户状态信息和DTMF信号等，这些信号以控制分组形式发送，要求采用可靠的传送方式传递，如果发生差错可通过重发机制校正。 其次是承载控制协议，其目的是控制话音承载通道的建立和释放。对于无连接的IP网络来说，呼叫方之间并无物理连接存在，通道建立实际上就是交换端口号码、端口类型、话音编码和速率等媒体传送信息。 再次是实时控制协议。由于话音分组需要实时传送，不允许有大的时延，因此均采用较简单的UDP作为运输层协议，实时控制协议介于话音净荷和UDP之间，其作用类似ATM适配话音仿真通信的AAL1。例如可传送分组的时间戳、分组序号等信息，以支持QoS监视和接收端对错序话音分组的重排序功能，并提供多个媒体流复用传送机制。IP电话采用IETF定义的RTP协议适配分组话音数据。 最后是会议电话控制协议。和传统电话网相比，IP电话用于会议电话特别有利，它在任一时刻只需要传送当前讲话者的话音分组，从而获得很高的网络资源利用率，因此定义会议控制协议对于IP电话十分必要。 3．网络管理和安全技术 IP网络一般只提供基于SNMP的简单管理，当IP电话用于公众网络服务时，则必须根据网络运营的要求提供完善的管理功能。首先是直接和呼叫相关的管理功能，包括带宽管理、用户登记和状态管理以及互通环境下的地址翻译功能。其次是网络运营管理，包括灵活的计费功能、话务统计功能、故障管理功能和运营商间互操作功能。这些功能实现应充分借鉴已有的通信网管理技术。 安全管理是IP电话有别于传统电话的一项重要功能，由于IP网是一个开放式网络，因此必须防止网络资源被无偿地欺骗使用、网络受到恶意攻击以及用户业务信息被泄漏等情况，其功能包括用户鉴权、授权、信息加密和不可抵赖性保护等。 4．终端技术 除了基于PC的IP终端以外，随着宽带接入网的发展和家庭局域网的普及，IP电话网有望直接到户，此时有必要开发能直接接入以太网的专用IP电话机。它具有内建的话音编解码和协议处理功能，同时具有很强的价格竞争力。 除此之外，有两类IP网络技术对于保证IP话音通信服务质量至关重要。一是QoS技术，最值得重视的是区分服务（diffserv）技术，通过合理的业务分类、调度和排队为不同优先级的数据流提供不同等级的服务。IP电话业务应赋予高优先级，同时也应支付较高的费用。二是IP光传送技术，包括IP over SDH和IP over DWDM，通过加大网络基础带宽减少话音分组丢失和传送时延。这两项技术虽然并非IP电话的专项技术，但却是IP电话能够作为公众基础服务所必须的。 IP电话网络协议H.323 著名的IP电话网络协议就是ITU-T SG16研究开发的H.323协议族。它由呼叫控制、媒体控制、端点管理、会议通信和网络安全等一系列协议组成，不但支持IP电话应用，而且支持IP视频和数据应用以及多媒体会议应用，其主要目的是实现位于不同网络中的终端之间的音视交互通信。这些网络可以是具有QoS保证的（如PSTN，Intranet）也可以是没有QoS保证的（如LAN，Internet）。 H.323定义的网络结构主要包括终端、网关（GW）和网闸（GK）三类实体，前二类又通称为端点。H.323终端是在分组网中遵从H.323标准进行实时通信的端点设备，它可以集成在PC中，也可以是一个独立的设备。网闸又称为网守或关守，为H.323端点提供地址翻译和接入控制服务，还可以提供带宽管理和网关定位等服务。网闸是网络的管理点，一个网闸管理的所有终端和网关的集合，称为一个管理区（zone）。通常又将属于同一个运营机构管辖的H.323实体的集合称为一个管理域（domain）。在一个管理域中可含有多个网闸。不同管理区的终端通过各自所属网闸间的配合，实现相互间通信；不同管理域之间通过代理网闸实现业务互通。网关是H.323终端和非IP网络中的音视终端通信时的互通设备，其作用就是完成二种转换功能：媒体信息编码转换和信令转换。后者视网关的应用环境和容量的不同，可以是用户信令或7号信令至H.323控制协议的转换。 H.323的协议结构由一系列协议组成，最主要的是H.225.0和H.245协议。其中，H.225.0呼叫控制协议用于在端点（终端或网关）之间建立呼叫，协议沿用了ISDN的Q.931建议的消息定义和信令过程。H.245协议用于在IP网中建立端到端的IP承载，称之为逻辑信道。协议支持逻辑信道的打开和关闭、能力协商（如所支持的编解码器）和流量控制等。上述二类控制消息都采用TCP/IP可靠信道传递。为了加快呼叫建立的速度，目前正在考虑采用UDP/IP方式传递。H.225.0 RAS协议定义的是H.323端点和网闸之间的接入信令。其最基本的功能是端点登记。所有处于工作状态的端点应向网闸登记其别名地址和呼叫控制信道运输层地址，网闸借此更新其地址翻译表。当其他端点发起呼叫时，通过网闸就能获知目的端点的运输层地址，从而启动呼叫建立信令过程。对于网关来说，登记的别名地址就是其负责接入的PSTN号码范围。RAS协议的其它功能还包括呼叫接纳、带宽管理、状态查询等。H.323规定话音编码采用ITU-T相应的G系列建议，其中Ｇ.711（PCM）为必备编码方式。实时音频编码信号封装在RTP协议分组中，以提高定时信息和分组序号，封装后的报文经UDP层传送。RTP协议中另有一部分功能称为RTCP协议，提供QoS监视能力。IP网络中的传真传送协议则为T.38。 H.323协议新进展 还需要指出两点。一是H.323协议任选参数太多，不同厂商的设备往往很难互通，为此，ITXC、朗讯和VocalTec公司于1998年发起制订基于H.323的IP电话工业标准，旨在解决互通问题，称作iNOW！，现已得到国际标准化组织的重视。二是H.323协议源于电信网，带有明显的电路交换信令的痕迹，用于IP网显得过于复杂。IETF正在定义之中的基于SIP协议的IP电话体系，从技术上来说更适合于IP网络，应引起充分重视。但是，由于市场的需要，当前网络部署和设备开发必须支持H.323。 在目前部署的IP电话系统中，网关是关键设备。H.323定义的是全功能的集成式网关，虽然网络结构简洁，但是难以满足电信级网关的要求。为此，人们提出了分离网关结构，即按功能将其分解为媒体网关（MG）、信令网关（SGW）和媒体网关控制器（MGC）三个部分，并分别位于不同的物理实体之中。该结构的重要特点是将控制智能集中到网络中来，也就是集中设置的少量MGC中，以利于快速引入新业务，其思路和电信网中的智能网类似。同时，由于功能简化，媒体网关容量可以显著增加，解决了扩展性的问题。MGC－MG之间现有的接口协议称为MGCP，以此为基础，ITU－T和IETF共同制订了标准化协议，称为H.248/MEGACO，对应于SGW，则定义了支持7号信令在IP网中传送的协议簇，统称为SIGTRAN。 IP电话新发展 笔者认为，IP电话技术将在以下几个方面继续深化和发展。 引入智能网机制，提供丰富的增值业务 目前IP电话的优势只是停留在低廉的价格，从长远来说，IP电话的竞争力在于其增值业务的多样性和灵活性，尤其是这些新业务应与Web应用相结合。作为第一步，首先应积极部署为IP用户提供服务的新一代智能网，提供PSTN/Internet互通（PINT）业务，实现IP电话和智能网互通，其次可研究IP网中的分布式SCP控制结构，有文献称之为Web-IN，同时应积极关注IETF基于SIP和CPL（呼叫处理语言）的业务控制策略。 引入软交换体系，采用分层网络结构。 软交换是信息业界最近提出的传统电信网和数据网融合的热点技术方案，作为IP网和电话网结合的首要业务，IP电话自然应充分考虑与软交换体系的一致性。在目前分布式网关基础上演进的一种4层IP电话网络结构，如图3所示。由于其具有良好的开放型和API支持，因此能有效地实现IP电话和各种网络的融合。 采用宽带IP网络技术，提高业务的QoS。 这是IP电话成为公众网络普遍服务的必要条件。除了在IP电话骨干网上配备足够的带宽和引入区分服务技术外，还必须建立完备的接纳控制机制和基于服务等级合约（SLA）的计费策略。 综合多领域新技术，建立IP多点多媒体通信网络。 这应是IP电话发展的最终目标，代表了未来应用的方向。 |
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