VOIP技术详解

宽带网络中，除了进行传统数据通讯外，语音电话服务也成为一个趋势，在此基础上就有了计算机IP电话的出现和发展。目前，IP电话的所占的比重在语音电话业务中越来越大，发展IP电话已成为势不可挡的潮流，特别在广电宽带综合信息网中IP电话是将来必不可少的组成部分。IP电话是建立于Internet基础上的新型数字化传输技术，是IP网上通过TCP／IP协议实现的一种电话应用。这种应用包括PC对PC连接、PC对话机连接、话机对话机连接，其业务主要有Internet或Intranet上的语音业务、传真业务（实时和存储／转发）、web上实现的IVR（交互式语音应答）业务等等，另外还包括E-mail、实时电话、实时传真等多种通信业务。VoIP是透过封包交换网络传输语音采样。通常有三种VoIP业务类型，今天最常见的一种是透过IP电话卡来进行的通话，一般用于长途语音通讯，使用者可能永远都不知道他的通话是采用VoIP技术。 第二种是PC至电话(或PC至PC)通话，是利用PC上执行的软件电话来进行。第三种是设备至电话业务，其中将标准电话插入模拟电话配接器(ATA)/语音路由器中，或采用实际IP电话，用户借助宽频连接通话。无需用PC来实现通话，且用户体验类似于常规电话业务，因而使其成为迄今VoIP技术供货商最感兴趣的市场。   VoIP应用现状       VoIP发展成为主流消费性业务将推动电话业务向设备至电话的模式进行大规模转移，且将随着低成本、具有丰富特性的VoIP设备推出而获得大量应用。而这决定于设备厂商能否提供满足市场需求的价格点、特性及功能的组件，而要满足这些要求还有待时日。 有意思的是，企业对VoIP的采用却相对广泛，这是因为企业中通常普及了以太网络联接，且采用VoIP能大幅减少电话开销。IT经理们通常已经拥有专用数据网络，且能方便地利用该网络实现VoIP业务。特别是与专用封包交换机(PBX)解决方案相较，IP电话平均可将企业的服务成本降低20%。不仅能大幅减少通话成本，且VoIP所采用的会话发起协议(SIP)还能使通话双方设定除语音以外的其它应用，包括语音、视讯和实时消息等。在服务品质(QoS)方面，VoIP在企业比在家庭中更容易得到满足，因为数据网络是一种封闭系统及受控环境，且客户端管理也比较简单，只需将电话插入现有数据网络中即可。VoIP还为区域内通话漫游提供了一种移植到无线局域网络语音(VoWLAN)的途径。      今天的企业市场主要由少数几家供货商(如Cisco、Avaya等)主导，但包括主要电话公司在内的其它设备与服务供货商也正转向VoIP，以占领SOHO市场，它们首先推出不受通话时数限制的月费计划，并开放市场来让大家竞争。如果能得到低成本及高性能设备厂商的支持，同样的电话业务供货商甚至还能利用其设备及基础设备投资来进入大众市场。更低的成本以及增强特性，例如统一消息、个人(与位置无关)电话号码、电话簿/目录、呼叫转移、会议以及其它特性，将有助于创造更多用户需求。       目前，三种VoIP平台都已经出现潜在的应用。第一种是将VoIP功能增加到路由器或DSL/缆线调制解调器中，因此可称为ATA、客户端设备(CPE)或整合接取设备(IAD)。ATA平台是其中最基本的一种，它能在一边提供宽频或以太网络连接，而在另一边则提供RJ11连接(亦称为外部交换业务或FXS)，因而使得任何常规电话都能充当IP电话使用。尽管这是一种最简单的配置，但目前业界开始转向更高整合方案，譬如将VoIP功能与多端口有线或无线路由器整合的VoIP路由器等。更高整合度的解决方案甚至还包含VoIP ADSL路由器，它将所有三种功能都整合在一个可提供宽频接取、LAN连接、电话配接器甚至拨号连接的设备盒中。未来这种设备盒还将增加视讯、储存及其它周边电路。      由于部署及协调所有业务将面临很多挑战，在很多情况下将涉及到多种业务及内容供货商，因此这种平台的最终上市还须待时日。尽管ATA盒是目前普通消费者选用的设备，但它们很可能最终将转变为IP电话及WiFi手机，以实现高级IP业务并取代无线电话。 第二种VoIP平台是目前主要用于中小型企业的IP电话/网络接取设备。IP电话外观及使用的体验类似常规电话，唯一的区别是它们与LAN连接而不是与PSTN线连接。透过IP电话/网络接口，人们即可用同样的终端来存取数据业务、实时消息甚至网络浏览器。几乎以同样的方式，随着服务供货商开始在其无线语音网络上增加数据业务，行动电话已经发展成为一种多功能通讯平台。第三种VoIP平台是无线局域网络(WLAN)，亦称为WiFi手机，它将行动性及可能的漫游功能与统一的消息传送功能相结合。当越来越多的宽频接取家庭采用无线接取点时，就可用来实现这种无线手机业务。所有可用数据业务都能被无线手机存取，因而使其实现地址簿、电子日历、浏览器等多功能整合。WLAN手机具有可行动、易配置及部署成本相对较低的特点。今天，WLAN手机主要部署在一些垂直细分市场，如医院、大型商店及校园等。 要使家庭及SOHO WiFi手机应用成为现实，其价格必须低于50美元。IEEE 802.11e标准的最终敲定，也为WLAN语音传输提供了必要的QoS保证。In-Stat MDR预计，全球WiFi手机的出货量将从2003年的6万部成长到2007年的350万部，到2008年将达到550万部。 最新的一种平台可能是同时具有蜂巢式及WLAN功能的双模式手机。蜂巢式网络厂商可能将WLAN嵌入到手机中，使其既能作为采用WLAN的VoIP手机，又能作为常规手机使用。这样厂商将获得更多利益，因为这样一来，在用户密集地区只需增加网络频宽而无需扩大整个蜂巢式基础设备，降低了通讯实现成本。这种电话具有充分的智能，如果有可用的接取点，它即会将IP通话透过成本较低的WLAN，否则透过蜂巢式网络来传输语音通讯。这种平台的主要设计挑战是：两种模式共处而不互相干扰；可无缝地从一种模式切换到另一种模式；基于WLAN的VoIP通话能满足QoS要求。 据In-Stat资料，这些平台的市场预计将从去年的1100万部迅速成长至2007年的3600万部，将为技术供货商及ODM提供广阔的市场机会。与IP电话相较，配接器盒将继续拥有更大的出货量，因为它们是一种能扩展路由器功能及采用传统电话的更为直接的VoIP实现途径。但这些数字却没有考虑整合WLAN/蜂巢式手机所具有的巨大成长潜力，预计到2007及2008年手机市场规模将达到6亿部，以如此巨大的市场基数，即使仅10%至20%的手机整合了WLAN，其市场潜力也十分巨大。 尽管目前已有好几种整合解决方案，但它们主要适合于企业IP电话市场。而在VoIP迄今仍主要作为DSL、缆线调制解调器或路由器附加功能的消费市场，大多数设备厂商一直在等待设备特性要求能早点固定，以便提供相关的SoC解决方案。对于大众消费市场而言，在很大程度上模块化比整合更为重要，因为其目标是以几种选项来在单个设计中实现带或不带语音的多个不同类产品，同时等待特性要求固定以及VoIP成为主流。 VOIP技术实现    VoIP将标准的语音信号转换成经过压缩的数据包后在数据网络而非传统的电话网上进行传输。语音信号被封装进可以在本地IP网络或由以太网、帧中继、ATM及SONET承载的IP网络中传输的IP数据包。现在，可以进行互操作的VoIP架构都是基于H.323规范的。H.323定义了网关（电话网与IP网的网间接口）和关守（内部交换组件），并对如何建立、路由和中止一次IP电话呼叫给出了建议。“时延”是从发话人开始讲话到受话人听到讲话所经过的时间。时延超过了限度会使人感到不自然，一般来说，时延超过了250ms，就会感到难于忍受。传统的电话通信通话人是觉察不出时延的。而IP电话要把通话人说话的声音信号变换为数字的编码信号，要把数字化的信号“分组”、打“包”，还要用“存储—转发”的方式传送；在接收端还要解码、合成、复原等等，因此增加了很多时延（例如编、解码的时延、缓存的时延等）。如果遇到电路拥挤的情况，等待转发可能导致很长的时延，甚至还会造成数据分组丢失，使收话人听不清或听不懂发话人的说话。因此VoIP技术要求尽量减少时延。IP网络最初用来处理局域网间的流量，通过网络的许多数据报都是长达1500字节的信息包。在低速链路上（低于T1/E1），语音信息包必须等在这些大型信息包后面，增加的延迟将达数十微秒甚至上百微秒。技术需要分割开这些“大型信息包”，并在其中插入语音流量，从而减少时延和抖动。 VoIP实现的语音处理涉及的主要技术： · 配置语音压缩技术 利用已成为标准的语音压缩技术，此类技术理论上可以将语音压缩至8K，并保障语音质量。 · 配置IP包头压缩技术减少数据包对带宽的需求 因为Voice over IP是将语音封装成IP的包来进行传输的，为了保证传输的低时延，不可能将语音封装为大的数据包，因此传输语音从包的数量上就会增加。将语音封装成IP包，IP要在每个包前增加40字节包头，这样一来将大大占用传输的带宽。在此进行配置，采用IP包头压缩技术将IP的包头压缩至2-3个字节，从而可以大大节省带宽。 · 采用IP包分割技术 在一个IP网络中，往往一个数据包会较大，占有整个网络带宽，同时时间较长，这样会导致语音传输的时延较大。因此在此需要采用IP包分割技术，将大的IP包分割为较小的包，便于将语音的包插入到线路中，保证语音的低时 · 配置IP优先级技术减少延迟 在IP网络中，所有的IP数据包会争用有限的带宽，这样将无法保证语音的质量。因此在语音网络中，将通过配置将语音的优先级设高，从而满足语音传输低延迟的要求。 · 配置RSVP和WFQ（加权的公平队列）保证语音传输带宽，当一路语音的IP包在网络上传输，网络上的带宽很容易会被其他数据包占用，因此影响语音质量。在网络中，将配置RSVP来保障每一路传输语音的质量，使其在传输时可以在各个路由器上申请出一定资源，建立传输有保障的带宽。 · 集中化的语音控制中心 设置语音质量控制中心，对整个网络的语音及编址进行统一管理，同时可以根据网络状况决定是否建立语音连接，保证整个网络的已有语音连接通讯质量。　在语音传输中，准备采用以上的技术通过配置来实现VOIP并保障语音传输的质量。   VOIP的安全性 安全的 VoIP可利用大部分目前数据通信已有的安全性组件。当前互联网安全基础设施的关键功能之一就是传输数据的完整性。该组件既保证两实体之间的消息不被破坏，又确保接收方进行确认。与此类似的组件是对不可否认性的支持，即排斥数字签名消息(通过安全钥匙)，从而避免收费。互联网安全的保密度可确保只有消息的接收方和传输方才能看到该消息的内容。安全组件集(security element suite)的认证功能可保证网络用户只有在身份得到满意确认后才能访问特定的网络。 根据最终用户或服务供应商对安全关心的程度不同，可要求多种不同级别的安全特性。一个共有特性就是语音有效负载自身的加密。另一安全级别则要求建立电话呼叫的信令消息必须加密。 IP 安全工具包与相关标准，包括加密/解密算法及其相关密钥是解决消息机密性的常用工具。加密算法有很多种，算法中还有各种模式，密钥实施类型也各不相同，这就使可能的实施配置数目繁多。先进的加密标准 AES和三重数据加密标准(3DES)是两种常见的加密方案。消息摘译是使用密钥创建消息认证码(MAC)并提取预编码信息进行消息完整性及认证的算法。消息摘译5(MD5)和安全散列算法1(SHA-1)是两种用于认证的常见算法。公共密钥交换和密钥分配(如用于上述加密和认证方案)对整体安全系统至关重要。ITUx.509 标准定义了获得密钥数字签名的格式，这就为密钥认证提供了权限。 IETF 通过 IP 安全协议(IPsec)来解决互联网数据应用的安全性问题。该协议层的目的在于提供密码安全服务，可通过协议栈中立即运行于IP 层之上的网络层安全性灵活地支持认证、完整性、访问控制和机密性的结合。IPSec 为传输控制协议(TCP)或Unigram数据协议(UDP)层及以上提供了安全性，它包括两个子协议：IPsec 封装安全有效负载(ESP)与IPsec认证报头(AH)。ESP 是上述二种协议中更常见的一个，它通过保证任何跟随在分组报头之后内容的安全性实现了认证、完整性、回放保护(replay protection)和机密性。AH 可实现认证、完整性和回放保护，但不具机密性。  除使用 UDP 之外，VoIP解决方案通常采用实时协议(RTP)传输电话有效负载，采用实时控制协议(RTCP)用于消息控制。安全RTP(SRTP)是当前IETF的一项草案，为 RTP 提供了安全配置文件(security profile)，向数据包添加了机密性、消息认证及分组回放保护，专门解决了互联网上的电话技术应用问题。SRTP 的目的在于只保证 RTP 和 RTCP 流的安全性，而不提供完全的网络安全架构。SRTP 使用RTP/RTCP报头信息与 AES 算法，得到代数方法上适用于 RTP/RTCP 有效负载的密钥流。SRTP 可调用基于散列的消息认证码(HMAC)——将可 SHA1 算法用于认证功能。  VoIP和P2P技术     SIP(Session Initiation Protocol，会话初始协议)其定位是将企业从PBX的垄断之中解脱出来，不用支付更高的维护费用，承担昂贵的硬件，或忍受由私有环境分类的有限选项。自从SIP引入以后情况发生了很大改变，但有一点一直没变:大多数企业仍和从前一样，紧紧束缚在昂贵的后端通话服务器上。一个新的互联网草案:P2P(Peer-to-Peer，对等协议)版本的SIP，将有望改变这种状况。通过丢掉SIP的后端需求，将可以更容易配置安装以更低的成本来运行SIP协议。这将使SIP请求扩展到低端消费市场，并帮助其与P2P互联网电话业务供应商Skype竞争。它还能够扩展大型企业可利用的弹性选项范围。目前的P2P SIP仍然处于萌芽阶段。虽然SIP已获得很多成功，这其中包括被微软、IBM和其他电信运营商采纳，但其日常开支也限制了它在这些市场上的认同度。由于使用私有的接口，Skype的成功已经迅速引起标准组织褒贬不一的注意。P2P SIP的出现会与Skype的“标准”保持平衡。虽然P2P SIP需要对SIP堆栈进行细微的补充，但由于允许现有SIP设备供应商只通过升级其SIP软件就可完成，这些补充也是名义上的。不仅最终用户可在很多兼容的软件电话和常规电话之中进行选择，后端终端也能够从竞争中获利。SIP通话连接到PSTN上。在企业世界中，P2P SIP目标定位于适当的应用。该协议特别适合需要低廉开支和快速建立的通信应用，例如用户希望进行小规模通信的特别会谈。协议对于中小型的远程办公室和缺少IT员工的公司也具备很大吸引力，通过在少数Wi-Fi电话和热点之间建立P2P SIP，可以为临时应用迅速构建一个通信网络，例如快速响应和新闻突发事件的应用场合。而当大型企业的大型办公场所出现代理故障时，该协议还可作为一种廉价冗余的机制，来保证设备的正常运行。    P2P SIP原理P2P SIP草案规范了一个真正的无服务器网络。但很明显，实际上很多P2P网络是混合配置的，拥有用来进行注册和地址空间管理的服务器。Skype就是混合P2P网络的一个典型例子，今天的SIP网络实质上也是一个混合网络。由于在网络中没有任何服务器，纯P2P网络有望变成规模可变的同时对故障拥有高度抵抗力的网络。但是其性能会成为另一个问题。早期的P2P网络可能会为寻找某个源文件而向多台机器产生搜索查询。即使其中一台返回了正确的结果，其他对等机器还可能在运行查询，这将消耗可贵的CPU周期。同时P2P文件共享网络也以其过度的带宽消耗而闻名，像目前广泛流行的MP3和MPEG共享应用。P2P SIP采取一些措施来防止这些问题的发生。一个用户在远程节点存储的数据量，目前被限制在节点经过的ID和一个IP地址之间的映射中。甚至好友列表、配置参数和其它参量也被同样存储，但是这些信息不能超过几千字节。更重要的一点是，与一台设备向所有其他设备盲目发出查询不同的是，查询要求会转交给一台具有搜索细化功能的机器。这是通过一个DHT(Distributed Hash Table，分布式复述列表)实现的，通过每个节点的IP地址产生一个唯一的编码来指向数据。在这种情况下，一般会使用通常用于数字签名的SHA-1复述函数。产生了整个网络的DHT之后，在P2P SIP网络的所有节点中分配DHT，每个节点可维护其中一部分列表。P2P技术回归互联网对等的本质，在视频直播领域已经取得了巨大的成功。P2P和VoIP的结合使得Skype取得了巨大的成功，接下来这一块将成为一个发展的巨大热点。Skype之所以引起了不小的轰动，是因为它的互联网特性，即免费、开放和较好的业务质量。事实上，Skype最大的意义在于，它开创了将P2P技术引入到话音通信的先河。也就是说，采用了网络中的所有节点都动态参与到路由、信息处理和带宽增强等工作中的机制，而不是单纯依靠服务器来完成这些工作，因此其管理成本大大降低，同时又保证了语音质量。 从具体技术的角度来看，Skype的优势有下面几点： 　　（1） 较强的NAT和防火墙穿越能力。首先识别NAT和防火墙类型，然后通过动态的选择信令和媒体代理，从而轻松实现NAT和防火墙的穿越。 　　（2） 快速路由机制，Skype采用了全球索引（Global Index）技术提供快速路由，其用户路由信息分布式存储于网络节点中。 　　（3） 结合互联网特点的语音编解码算法。Skype通过与Global IP Sound公司合作，引入语音质量增强软件，专门针对互联网的特点，从而降低了业务对带宽的要求。 　　（4） 很低的运行成本。很显然，Skype将很多工作下放给网络节点去完成，大大地降低了中心服务器的负担，进而减少了维护和管理的成本。 　　（5） 开放性。Skype采取开放的机制，鼓励互联网用户自己开发插件，目前此类开发如雨后春笋，在互联网上遍地开花。 　　其中第1条保证了通信无障碍，无论终端处于何种网络条件，都不会影响用户使用Skype提供的业务。第2条和第3条则保证了Skype较好的业务服务质量。第4条使得Skype可以轻松面对挑战。而第5条则给了Skype更强大的生命力，使其更加灵活，具有更高的可扩展性。 　　Skype给电信运营带来的思考 　　Skype的出现无疑给传统电信业带来一股强烈的冲击波，它从2003年下半年出现以来便广为流传，截至目前，Skype全球注册用户数已达2.5亿，每天增加的会员有15.5万人，而到2005年3月14日为止，Skype在全球的通话量累计已经达到60亿分钟。Skype仍在迅速向各个国家渗透，最新的统计表明：使用Skype技术呼叫的分钟数已经占到美国VoIP分钟数的46.2%，这部分用户基本是“免费”享用电话业务的。 　　Skype毕竟是一种互联网服务，而不是真正的电信服务，它也存在一些问题，比如网络的无管理性使得它只能通过这种免费的方式走向市场，企业用户也会因为担心它的安全隐患而不采用等。但是无论如何，Skype的理念很可能给传统的电信市场带来突破性的变革，也引起业界对于VoIP的新的思考，传统电信运营商决不可忽视其挑战。 　　首先，对于VoIP的态度问题，该积极应对还是消极回避？答案已经非常明显——微软公司的总裁曾说过这样的话：即使没有Skype，也会有另一个提供互联网电话的企业出现。我国在上个世纪90年代末成功地开展了VoIP的电信运营，到现在市场基本稳定，普通用户对IP电话已经不再陌生，然而几年来VoIP的电信运营却没有继续发展，几乎有点停滞不前了。事实上，VoIP应该具有更广阔的空间和更灵活的表现形式。 　　技术的进步往往是不可阻挡的，尤其是互联网带来的开放时代，给了新技术更广阔的发展空间，你不发展，别人会发展，因此国内电信运营商应该积极地迈出这一步。 VoIP 的发展可以采取开放的思路， Skype 的成功也有一些可借鉴之处。首先，积极研究 P2P 技术的利弊：一旦将 P2P 技术引入可运营的 VoIP 系统，在降低运营成本、具有更高的网络可靠性（不依赖于集中的服务器）的同时，是否会带来不可预知的坏影响？另外， VoIP 并不代表人们通常所理解的“低收费就一定提供低质量服务”，电信运营商可以结合 IP 网络的特点，引入相应的技术，来保证可靠的服务质量。最后， VoIP 完全可以开发并向用户提供更丰富的业务形式。