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VoIP工作原理与架构通信网络

来源: 作者: 2019-02-27 21:29:07

VoIP工作原理与架构 - 通信/络 - 电子工程

由Voice over IP的字面意义,可以直译为透过IP络传输的语音讯号或影像讯号,所以VoIP就是一种可以在IP络上互传模拟音讯或视讯的一种技术。简单地说,它是藉由一连串的转码、编码、压缩、打包等程序,好让该语音数据可以在IP络上传输到目的端,然后再经由相反的程序,还原成原来的语音讯号以供接听者接收。

进一步来说,VoIP大致透过5道程序来互传语音讯号,首先是将发话端的模拟语音讯号进行编码的动作,目前主要是采用ITU-T G.711语音编码标准来转换。第二道程序则是将语音封包加以压缩,同时并添加址及控制信息,如此便可以在第三阶段中,也就是传输IP封包阶段,在浩瀚的 IP络中寻找到传送的目的端。到了目的端,IP封包会进行译码还原的作业,并转换成喇叭、听筒或耳机能播放的模拟音讯。

在一个基本的VoIP架构之中,大致包含4个基本元素:

(1)媒体关器(Media Gateway):主要扮演将语音讯号转换成为IP封包的角色。

(2)媒体关控制器(Media Gateway Controller):又称为Gate Keeper或Call Server。主要负责管理讯号传输与转换的工作。

(3)语音服务器:主要提供不通、占线或忙线时的语音响应服务。

(4)信号关器(Signaling Gateway):主要工作是在交换过程中进行相关控制,以决定通话建立与否,以及提供相关应用的增值服务。

虽然VoIP拥有许多优点,但绝不可能在短期内完全取代已有悠久历史并发展成熟的PSTN电路交换,所以现阶段两者势必会共存一段时间。为了要让两者间能相互沟通,势必要建立一个互通的接口及管道,而媒体关器与关管理器即扮演了中介的色角,因为他们具备将媒体数据流及IP封包转译成不同络所支持的各类协议。

其运作原理是,媒体关器先将语音转换为IP封包,然后交由媒体关控制器加以控制管理,并决定IP封包在络中的传送路径。至于信号关器则负责将SS7信号格式转换为IP封包。

络若要走向符合企业级营运标准,必须达到以下几个基本要求:

1.服务品质(QoS)之保证:这是由PSTN过渡到VoIP、IP PBX取代PBX的基本要求。所谓QoS就是要保证达到语音传输的延迟率(400毫秒)及封包遗失率(%),如此通话品质才能达到现今PSTN的基本要求及水准,否则VoIP的推行将成问题。

2.99.9999%的高可用性(High Available;HA):虽然络已成今后的必然趋势,但与发展已久的PSTN相较,其成熟度、稳定度、可用性、可管理性,乃至可扩充性等方面,仍有待加强。尤其在电信级的高可用性上,VoIP必须像现今PSTN一样,达到6个9(99.9999%)的基本标准。目前VoIP是以负载平衡、路由备份等技术来解决这方面的要求及问题,总而言之,HA是VoIP必须达到的目标之一。3.开放性及兼容性:传统PSTN是属封闭式架构,但IP络则属开放式架构,如今VoIP 的课题之一就是如何在开放架构下,而能达到各家厂商VoIP产品或建设的互通与兼容,同时地造成各家产品在整合测试及验证上的困难度。目前的解决方法是透过国际电信组织不断拟定及修改的标准协议,来达到不同产品间的兼容性问题,以及IP与传统的互通性。

4.可管理性与安全性问题:电信服务包罗万象,包括用户管理、异地漫游、可靠计费系统、认证授权等等,所以管理上非常复杂,VoIP营运商必须要有良好的管理工具及设备才能因应。同时IP络架构技术完全不同于过去的PSTN 电路,而且长久以来具开放性的IP络一直有着极其严重的安全性问题,所以这也形成络今后发展上的重大障碍与首要解决的目标。

5.多媒体应用:与传统PSTN相比,络今后发展上的特色及区别,恐怕就在多媒体的应用上。在可预见的未来,VoIP将可提供交互式电子商务、呼叫中心、企业传真、多媒体视讯会议、智能代理等应用及服务。过去,VoIP因为价格低廉而受到欢迎及注目,但多媒体应用才是VoIP今后蓬勃发展的促因,也是各家积极参与的动力。

主宰VoIP走向的三大主流协定

在浩瀚的IP络中要如何正确的寻找到要通话的对方并建立对答,同时也能依照彼此资料的处理能力来传送语音数据,这中间必须藉由国际电信组织所拟定的标准协议才能达到。如今,市面上的络大致都会遵循H.323、MGCP及SIP等3种标准协议。虽然目前产品仍以支持H.323为多,但SIP的支持将会成为今后主流。

1.H.323

ITU-T 国际电联第16研究组首先在1996年通过H.323版的制定工作,同时并在1998年完成第二版协议的拟定。原则上,该协议提供了基础络(Packet Based Networks;PBN)架构上的多媒体通讯系统标准,并为IP络上的多媒体通讯应用提供了技术基础。

H.323并不依赖于络结构,而是独立于操作系统和硬件平台之上,支持多点功能、组播和频宽管理。H.323具备相当的灵活性,可支持包含不同功能节点之间的视讯会议和不同络之间的视讯会议。

H.323并不支持群播(Multicast)协议,只能采用多点控制单元(MCU)构成多点会议,因而同时只能支持有限的多点用户。H.323也不支持呼叫转移,且建立呼叫的时间也比较长。

早期的视讯会议多半支持H.323协议,例如微软NetMeeting、Intel Internet Video Phone等都是支持H.323协议的视讯会议软件,亦为现今VoIP的前辈。

不过H.323协议本身具有一些问题,例如采用H.323协议的IP络在接入端仍要经过当地的PSTN电路交换。而之后制定出的MGCP等协议,目的即在于将H.323关进行功能上的分解,也就是划分成负责媒体流处理的媒体关(MG),以及掌控呼叫建立与控制的媒体关控制器(MGC)两个部分。

虽然如今微软的Windows Mesenger则已改采SIP标准,且SIP标准隐隐具有取代H.323的势头。但目前仍有许多络产品依旧支持H.323协定。

P(Session Initiation Protocol)

SIP是由IETF所制定,其特性几乎与H.323相反,原则上它是一种比较简单的会话初始化协议,也就是只提供会话或呼叫的建立与控制功能。SIP协议可支持多媒体会议、远程教学及Internet等领域的应用。

SIP同时支持单点播送(Unicast)及群播功能,换句话说,使用者可以随时加入一个已存在的视讯会议之中。在络OSI属性上,SIP属于应用层协议,所以可透过UDP或TCP协议进行传输。

SIP另一个重要特点就是它属于一种基于文本的协议,采用SIP规则资源定位语言描述(SIP Uniform Resource Locators),因此可方便地进行撰改或测试作业,所以比起H.323来说,其灵活性与扩展性的表现较好。

SIP的URL甚至可以嵌入到Web页面或其它超文本连结之中,用户只需用鼠标一点即可发出呼叫。所以与H.323相比,SIP具备了快速建立呼叫快与支持号码之传送等特点。

CP

原则上,MGCP协定与前两者皆不同,H.323和SIP协议是专门针对络及IP络所提出的两套各自独立的标准,两者间并不兼容及互通。反观MGCP协议,则与IP络无关,而只牵涉到关分解上的问题,也因为如此,该协议可同时适用于支持H.323或SIP协议的络系统。

MGCP协议制定的主要目的即在于将关功能分解成负责媒体流处理的媒体关(MG),以及掌控呼叫建立与控制的媒体关控制器(MGC)两大部分。同时MG在MGC的控制下,实现跨域的多媒体电信业务。

由于MGCP更加适应需要中央控管的通讯服务模式,因此更符合电信营运商的需求。在大规模络中,集中控管是件非常重要的事情,透过MGCP则可利用MGC统一处理分发不同的服务给MG。

4.其它重要协议及技术

除了上述3大协议之外,还有许多左右VoIP通话品质及传输效率的重要协议与技术。在语音压缩编码技术方面,主要有ITU-T定义的G.729、 G.723等技术,其中G.729提供了将原有64Kbit/s PSTN模拟语音,压缩到只有8Kbit/s,而同时符合不失真需求的能力。

在实时传输技术方面,目前络主要支持RTP传输协议。RTP协议是一种能提供端点间语音数据实时传送的一种标准。该协议的主要工作在于提供时间标签和不同数据流同步化控制作业,收话端可以藉由RTP重组发话端的语音数据。除此之外,在络传输方面,尚包括了TCP、UDP、关互联、路由选择、络管理、安全认证及计费等相关技术。

VoIP各项产品及设备的类型

和许多早期络设备一样,VoIP早是以软件的形态问世的,也就是纯粹PC to PC功能的产品。为了能贴近过去传统模拟的使用习惯及经验,之后才渐渐有形态的产品出现。对于企业而言,为了追求成本、语音及络的整合、多媒体增值功能、更方便的集中式管理,而陆续出现了VoIP关、IP PBX或其它整合型的VoIP设备等解决方案。以下就这几种类型的VoIP产品做一简单介绍。

IP软件

VoIP软件不但是络的原始形态,更是开启免费通话新世纪到来的开路先锋。对于熟悉计算机及络操作的人而言,只要发收双方计算机上安装VoIP软件,即可穿越因特相互通话,这实在是件既神奇又方便的事。更重要的是,透过VoIP软件,不论是当地PC to PC的对话,抑或跨国交谈都几乎免费,同时上并有许多免费的VoIP软件提供下载,也因为如此,.VoIP才能紧紧锁住一般消费者乃至企业用户的目光。

但对于绝大多数的使用者而言,必须克服计算机软件安装及操作的门坎,还要安插耳机及麦克风,更要面对系统不稳定或当机的可能性,所以透过PC来打不但是件麻烦事,而且是一种与既有通话习惯不符的奇怪行径。

不论如何,VoIP软件背后所潜藏的无限商机,不但吸收了许多人的目光,同时成为VoIP兵家必争的焦点。从早期的视讯会议软件,到实时通讯软件,再到今日造成风潮的Skype都是明显的例子。不论是Wintel阵营中的微软、Intel,抑或Yahoo、AOL、Google、PC Home Online等入口站、甚或ISP厂商,全都卯足全劲进行各种抢摊作业。

其中,许多ISP并推出整合VoIP软件及USB话机的销售方案,例如SEEDNet的Wagaly Walk及PC Home Online的「PChome Touch-1」USB话机。至于外型上与一般无异的USB话机,就是为营造出一种与传统外观及使用习性相同的一种解决方案。

IP络

一般而言VoIP络的又分成有线、无线VoIP络,以及提供影像输出的VoIP视讯会议设备等不同类型的产品。由于VoIP络机上具备RJ45络接口端口,所以不需藉由计算机主机,即可透过宽频、连结IP络进行通话,同时使用习性上与传统一样,一般人很难分辨出其中的差异。

VoIP络较少用于个人家庭或SOHO市场,但却经常做为企业VoIP络建设中的终端设备。但由于目前VoIP络的价格仍高,所以仍不普遍,虽然之前,拜SARS之赐,促进了些VoIP视讯会议设备的销售业绩,但整体而言成长幅并不太大。

此外,微软特别在Win CE 5.0中新增VoIP功能,除了强化与Exchange Server的整合性外,并提供讯息整合及身份管理等功能,届时藉由WinCE开发出来的VoIP,将提供多人共享,但每人皆有私人专属账号的功能。

IP关器

除了VoIP软件之外,VoIP关器可说是普遍常见的络设备。不论是家用或商用领域中,VoIP关器可说扮演了由传统PSTN络转输到IP络的接口,换句话说,透过它即可用传统的设备(乃至PBX交换系统)来打络。

IP PBX

在电信级的络架构中,IP PBX语音交换机扮演了相当重要的角色,其不但需要接手传统语音交换机的位置及功能,还要居中成为语音与信息整合的媒介。IP PBX功能强大且多样化,能透过Web-Based接口提供使用者一个简单容易的操作环境。

依据思科常久在IP PBX的经验指出,在IP络架构中,IP PBX是一个可促使语音流量顺利传至所指定终端的设备。IP将语音讯号转换为IP封包后,由IP PBX透过讯号控制决定其封包的传输方向。当此通终点为一般时,其IP PBX便将IP封包送至VoIP关器,然后由VoIP关器转换IP封包,再回传到一般TDM的PSTN电路交换。

总之,对于企业而言,IP PBX具备降低基础建设成本、减低管理成本及增加工作效率之综合运用、降低转移至IP系统的风险等优点。

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