基于VoIP技術的新一代話音業務

2019-11-03 09:05:56

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供稿：網友

常新杰

　　摘要本文簡要介紹了Voip技術框架，并從VoIP的技術優點以及當前存在的問題兩個方面論述了其發展現狀。

引言

　　長期以來，電信服務供應商提供的話音業務都是建立于公眾電話交換網（PSTN）體系結構之上的。經過多年的發展完善，PSTN已可以提供非常高質量的話音傳輸，并具有高連接可靠性與低丟話率等特點。然而，在每一個通話過程中，PSTN網需要為通話的雙方建立獨占的端到端鏈路，并分配一定的帶寬資源。隨著話音業務量的增長，就網絡連接的可用帶寬以及設備的承載能力而言，當前的PSTN網絡負載已達到了接近飽和的狀態。電信服務供應商曾試圖投入巨資以增加可用帶寬資源與更新設備以提高業務處理能力。但是，由于經濟低迷和投資回報率減低，由此所帶來的高昂運營成本使得服務供應商在日益激烈的電信服務市場競爭中難以為繼。電信服務供應商也曾嘗試利用VoATM技術將話音業務加載于ATM骨干網絡之上，然而，一方面ATM技術的信令過程非常復雜，大大增加了網絡運營管理與維護的難度；另一方面ATM技術由于自身的限制而僅能應用于骨干網絡，難于推廣到用戶桌面，無法全面取代PSTN提供端到端的話音業務。

　　近年來，Internet得到了飛速發展與普及應用，而作為其核心技術的IP協議體系在數據網絡架構中的統治地位已得到了廣泛認同。同時，隨著IP技術框架中匯聚網絡研究的發展和VoIP（Voice over IP）技術的提出，數據網絡運營商已開始進入傳統的話音業務領域。目前，VoIP在話音數據傳輸中主要有以下三個應用：對于個人用戶的長途電話卡業務；對于企業內部的IP電話業務；不同地理范圍的PSTN子網之間的骨干連接。值得說明的是，在這些應用中，VoIP技術仍只是作為一種低成本低質量的替代方案存在的，其整體話務量還遠無法與PSTN相比。盡管如此，由于PSTN網絡已相當老化，而進一步的發展又存在著很大的技術瓶頸，發展和完善VoIP技術以全面取代PSTN則成為當前的一個研究熱點。這里需要解決的主要問題包括如何在維持低廉成本的同時提供 1）與PSTN相當的話音業務質量；2）與PSTN相當的網絡承載能力以支持數量龐大的話音業務數據流；3）靈活的業務創新支持。由于IP技術是建立在無連接的，“盡力而為”的傳輸方式基礎上的，而話音數據對諸如傳輸時延，網絡負載以及網絡安全可靠性等相當敏感，因此全面取代PSTN就需要一個完善的端到端VoIP解決方案。另外，電信服務供應商在PSTN網絡上已有巨額的投入，而基于PSTN的話音業務目前仍是電信服務供應商的一個重要利潤來源，從PSTN向VoIP的演進將是一個逐步遷移的過程，兩種技術將可能共存一段時間，因此在當前的VoIP解決方案中還需要考慮與PSTN兼容以及互連互通的問題。

VoIP網絡構架

　　下面圖1中顯示了一個典型的VoIP網絡結構。在圖中可以看到，當前的VoIP需要通過信令網關與連接匯聚網關與PSTN互連互通，同時還需要支持已有的PSTN終端設備如POTS電話機和程控交換機（IP PBX）。VoIP中新增的終端設備則包括支持SIP協議的IP電話以及個人電腦上模擬的軟件電話等。這里顯示的是有三個服務供應商參與的VoIP網絡。其中，服務供應商1提供終端用戶的網絡接入，服務供應商2則象IXC一樣提供網絡連接與遠距離傳輸，服務供應商3則與服務供應商1相似，為另一端的終端用戶提供網絡接入。

　　圖1中還顯示了VoIP方案中的供應商網絡上的重要網絡設備，下面我們分別加以介紹。

　　呼叫代理（Call Agent）呼叫代理是VoIP網絡中的主要設備，也稱為媒介網關控制器（Media Gateway Controller）或軟交換機（Soft Switches），負責通話前邏輯連接的建立與控制，并維護每一通通話的連接狀態。呼叫代理根據用戶的服務需求而可以支持諸如呼叫顯示，呼叫等待等增值業務。另外，由于呼叫代理上存有每一通話的狀態數據，它還負責為計費系統提供原始數據。呼叫代理通過其上運行的信令協議來交換有關設備與連接的控制信息，目前主要的信令協議有SIP，H.323。

圖1 VoIP 網絡結構

　　應用服務器（application Server）呼叫代理相當于一個增值業務緩存器，自身所能支持的增值業務有限，其它的增值業務如語音信箱，電話會議等則由應用服務器來提供。應用服務器為每一增值業務提供業務邏輯與應用支持，增值業務將不能支持的業務轉向應用服務器。

　　媒介服務器（Media Server）媒介服務器主要是在呼叫代理與應用服務器的控制下完成增值業務的附加功能，如話音編碼的轉換，話音信號的探測，交互式語音服務的支持以及傳真業務的支持等。媒介服務器上運行的控制協議包括如H。248或媒介網關控制協議（MGCP）。

　　帶寬管理器（Bandwidth Manager）帶寬管理器負責運營商網絡內的QoS策略控制。它根據網絡的帶寬資源決定每一呼叫的接入控制，并為接受的呼叫進行帶寬的分配與釋放。同時，它還負責控制策略的生成以及向邊界路由器的加載。

　　邊界路由器（Edge Router）邊界路由器負責在各個IP網絡之間，包括用戶網絡與供應商網絡之間，不同的供應商網絡之間，以及供應商的不同子網之間的路由與基于策略的連接控制。

　　信令網關（Signaling Gateway）信令網關是VoIP網絡與PSTN連接的接口設備之一，負責在呼叫代理的信令協議與PSTN的SS7信令協議之間進行轉換，以保證VoIP網與PSTN網的兼容。另外，信令網關還可以完成不同包交換網絡之間必要的信令轉換。

　　連接匯聚網關（Trunking Gateway）連接匯聚網關也是VoIP網絡與PSTN連接的接口設備之一，負責將IP網絡的語音數據流匯聚到基于TDM的PSTN網絡，并完成相應的數據格式轉換。它是由呼叫代理與媒介服務器的H。248或媒介網關控制協議（MGCP）控制的。

　　接入網關（access Gateway）負責提供VoIP網絡對傳統的POTS電話機的支持。

　　接入匯集器（Access Concentrator）是業務供應商的VoIP網絡邊界設備，負責對用戶端的網關或路由器設備提供接入。

　　在用戶端的設備則主要包括邊界路由器以及負責進行用戶匯集和連接轉換的用戶網關（Subscriber Gateway）等。

VoIP網絡中主要的協議包括：

　　用于設備控制的協議如MGCP，H.248

　　用于服務接入的信令協議如SIP，H.323

　　用于網絡服務的信令協議如SIP，SIP-T，BICC等。

VoIP的技術問題

　　前面介紹了VoIP網絡中話音業務鐵提供的基本構架，這些只是解決了話音在IP網絡中傳輸的基礎性問題。PSTN已經經歷了幾十年的發展，不僅能提供話音傳輸，在諸如網絡的安全性，可靠性，服務質量（Qos），計費系統，運營支持系統等方面也有豐富的功能。為了能夠全面取代PSTN，VoIP方案在這些技術細節性也需要有類似的表現。

安全性

　　由于采用了基于SS7的帶外信令（out-of-band signaling）機制，PSTN網絡具備很高的安全性。相對來說，基于IP技術的VoIP網絡的安全則容易受到如DoS攻擊，服務盜用以及隱私入侵等的影響。DoS攻擊是指惡意用戶通過向網絡設備發送大量的偽造控制或信令信息流，從而使得設備忙于處理這些信息而無法處理正常用戶的信息，在嚴重的情況下這甚至可能造成網絡整體的癱瘓。服務盜用指的是在避免付費的條件下使用網絡業務。比如，惡意用戶可以盜用合法用戶的IP地址從而冒充合法用戶而使用網絡業務；或者惡意用戶可以通過繞過呼叫代理而直接建立連接，從而避開計費系統。因為網絡中的帶寬資源是有限而寶貴的，惡意用戶所占用的帶寬資源將會影響到合法用戶的業務質量，同時也影響了業務供應商的投資回報。從通話隱私的保護來看，PSTN因為為每一通話都建立獨占的電路連接，具有較高的私密性。而IP公眾網絡中數據流往往是共享網絡連接的，其私密性則還需要諸如加密，用戶認證等輔助手段。

QoS

　　由于PSTN為每一通話都建立獨占的電路連接并分配所需的帶寬資源，對話音業務的QoS保證也非常有利。而IP網絡是采用了無連接的“盡力而為”的傳輸方式，難以保證音頻數據流對傳輸時延，時延變化以及包丟失率。雖然有基于IP報頭的ToS位而定義不同優先級別的服務等級（CoS）質量保證，通過為話音數據定義高于數據業務的優先級來保證其優先傳輸，因為這一方案僅作用于網絡節點設備上，而各設備廠商在具體實施上的差異使得其難以真正提供端到端的全局質量保證。目前，有關VoIP中的QoS解決方案有基于集成業務模型的IntServ，基于差分業務模型的DiffServ以及基于MPLS流量工程的MPLS-TE等幾種。

可靠性

　　可靠的網絡是指網絡中節點或連接的故障不會影響到業務的性能。PSTN具有高達99。999%的可靠性，即一年中只有不超過5分鐘的總故障時間。相對來說，IP網絡自身的可靠性則相差很多，為了提供與PSTN類似的高可靠性，則需要如設備冗余以及負載均衡等技術。網絡中的重要設備如呼叫代理，網關，應用服務器，媒介服務器等要有硬件冗余保護，并支持熱拔插（Hot-Swap）及無業務中斷的軟件升級，網絡連接要有備份連接保護并具備連接中斷的自修復能力（如重路由及快速的連接切換）。另外，通過網絡流量的全局規劃，合理地將數據流分布到網絡內所有的連接上，從而避免任一單點故障引起的數據重傳而導致的網絡崩潰。

服務計費

　　PSTN已有幾十年的應用歷史，經過多年的發展已建立了相當完善的計費系統，可以為用戶提供詳細的通話記錄與收費清單，同時也可以完成業務供應商之間的收費結算。另外，業務供應商不僅可以按通話對鏈路的占用時間收費，還可以根據用戶通話的時段，地理位置等進行多種收費方式，如包月制，低流量時段的優惠收費，大業務量用戶的折扣等。而長期以來，基于IP技術的數據網絡多是采用了按接入速度與距離而與業務量無關的固定收費體制，不適用于話音業務的收費。盡管呼叫代理可以記錄每一話音連接的狀態參數，由于IP網絡的資源復用特性，這些原始數據還需要進一步被轉化為適用于IP網絡的相應流量參數。另外，有關IP話音業務的計費體制也需要從基于網絡接入的收費向基于業務量的收費轉移。

業務運營支持系統

　　除了服務計費，PSTN擁有完善的業務運營支持系統還可以為運營賞提供諸如自動的業務創建，故障檢測及報警，鏈路測試，網絡性能監控等能力。由于IP技術的開放性，網絡中運行的協議及設備具有多樣化的特點，這就為集成的業務運營支持增加了難度。目前，多數的VoIP運營商往往需要購買及維護多個具有不同功能模塊的子系統。由于缺乏一個通用的體系框架，這些子系統往往不能直接相互兼容，因此VoIP運營商還需要投入大量的人力物力來實現各個子系統之間的互連互通。隨著SNMP，CORBA等技術標準的推廣應用，這一局面有望得到改善。

VoIP的技術優點

　　VoIP技術目前還沒有完全成熟，VoIP在IP話音業務提供中的應用也還處在初始階段，其所能提供的話音業務在諸多方面還遠無法與PSTN相比較。然而，憑借其靈活開放性及良好的發展勢頭，VoIP技術也展示了PSTN所無法比擬的鮮明特點。

　　首先，通過VoIP技術的應用可以大大降低運營商在網絡管理與維護上的投入，也降低了業務成本，用戶從而可以享受更為低廉的服務價格。這是因為，一方面，IP設備的價格低于程控交換機，而傳輸速度則超出程控交換機，這降低了設備的投入。另一方面，IP網絡中可以有效的實現話音與數據的共同傳輸，從而使得業務運營商不必同時維護兩個獨立的網絡。這不僅直接降低了管理成本，也間接地降低了運營商的人力資源成本。

　　其次，基于VoIP技術的IP網絡可以支持更多的新型增值業務，為運營商創造新的業務來源。例如，話音與EMAIL的結合，話音與演示板結合的網絡實時演示，綜合話音，數據以及視頻的遠程視頻會議等。另外，由于IP設備的靈活結構，其在網絡中投入使用的周期大為縮短，使得業務供應商可以在新業務開發出來后迅速地推向市場并吸引用戶。

　　第三，與程控交換機設備不同，IP設備具有較高的可擴展性。這樣，運營商可以在初始階段投入少量資金而建立一個適于小業務量的網絡，并隨著業務量的增長而逐步擴展網絡設備的處理能力。例如，多個IP路由器可以以堆疊或菊花鏈的方式連接起來模擬成一個大型路由器而工作。這樣就降低了初始投資風險，保護了運營商的利益。

　　最后，在PSTN網絡中用戶的呼叫獨占一個連接，這樣即使在一段時間內這一連接上并無話音信息通過（如對話中的沉默），資源仍不能為其它用戶所用，而呼叫用戶也仍需為其總連接時間付費。在VoIP網絡中，一方面可以通過話音信息的壓縮而有效地降低資源占用量；另一方面，不同用戶通過復用的方式共享資源，沉默的連接所占用的資源可以為其它連接利用，這就大大提高了資源利用率。同時，壓縮后的話音信息以IP 數據包的形式在網絡中傳遞，業務供應商可以按照實際的數據流量收費而不是按照連接時間的長短收費，有利于降低用戶的通話費用。

結束語

　　綜合前面的論述可以看出，IP技術為話音與數據信息流提供了一直的傳輸平臺。建立于這一基礎上的VoIP解決方案為業務供應商在降低運營成本，提供靈活的新業務創新以及提高投資回報率等方面顯示了良好的應用前景。盡管VoIP在許多技術細節問題上還需要進一步的改進，性能還有待進一步提高，我們有理由相信，隨著VoIP技術標準的不斷發展和完善，其必將在新一代電信網絡中得到成功應用。

參考文獻

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[3] Steve McQuerry, Kelly McGrew, Stephen Foy, "Cisco Voice Over Frame Relay, ATM and IP," Cisco Press, April 2001, 517 pages.

原創