VoIP基本原理与应用

1995年以色列VocalTec公司所推出的Internet Phone，不但是VoIP网络电话的开端，也揭开了电信IP化的序幕。人们从此不但可以享受到更便宜、甚至完全免费的通话及多媒体增值服务，电信业的服务内容及面貌也为之剧变。
一开始的网络电话是以软件的形式呈现，同时仅限于PC to PC间的通话，换句话说，人们只要分别在两端不同的PC上，安装网络电话软件，即可经由IP网络进行对话。随着宽频普及与相关网络技术的演进，网络电话也由单纯PC to PC的通话形式，发展出IP to PSTN（公共开关电话网络）、PSTN to IP、PSTN to PSTN及IP to IP等各种形式，当然他们的共通点，就是以IP网络为传输媒介，如此一来，电信业长久以PSTN电路交换网网络为传输媒介的惯例及独占性也逐渐被打破。
VoIP的原理、架构及要求
由Voice over IP的字面意义，可以直译为透过IP网络传输的语音讯号或影像讯号，所以VoIP就是一种可以在IP网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网络上传输到目的端，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网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，最后并转换成喇叭、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)媒体网关器（Media Gateway）：主要扮演将语音讯号转换成为IP封包的角色。
(2)媒体网关控制器（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：主要提供电话不通、占线或忙线时的语音响应服务。
(4)信号网关器（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电路交换网，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，而媒体网关器与网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封包转译成不同网络所支持的各类协议。
其运作原理是，媒体网关器先将语音转换为IP封包，然后交由媒体网关控制器加以控制管理，并决定IP封包在网络中的传送路径。至于信号网关器则负责将SS7信号格式转换为IP封包。
网络电话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的最基本要求。所谓QoS就是要保证达到语音传输的最低延迟率（400毫秒）及封包遗失率（5-8%），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）：虽然网络电话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网络则属开放式架构，如今VoIP的最大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电话与传统电话的互通性。
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网络架构技术完全不同于过去的PSTN电路网，而且长久以来具开放性的IP网络一直有着极其严重的安全性问题，所以这也形成网络电话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，网络电话今后发展上的最大特色及区别，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今后蓬勃发展的最大促因，也是各家积极参与的最大动力。
主宰VoIP走向的三大主流协定
在浩瀚的IP网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，市面上的网络电话大致都会遵循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第一版的制定工作，同时并在1998年完成第二版协议的拟定。原则上，该协议提供了基础网络（Packet Based Networks；PBN）架构上的多媒体通讯系统标准，并为IP网络上的多媒体通讯应用提供了技术基础。
H.323并不依赖于网络结构，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网络之间的视讯会议。
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电话网络在接入端仍要经过当地的PSTN电路交换网。而之后制定出的MGCP等协议，目的即在于将H.323网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网关（MG），以及掌控呼叫建立与控制的媒体网关控制器（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。但目前仍有许多网络电话产品依旧支持H.323协定。
2.SIP（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电话等领域的应用。
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。在网络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电话号码之传送等特点。
3.MGCP
原则上，MGCP协定与前两者皆不同，H.323和SIP协议是专门针对网络电话及IP网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电话网络无关，而只牵涉到网关分解上的问题，也因为如此，该协议可同时适用于支持H.323或SIP协议的网络电话系统。
MGCP协议制定的主要目的即在于将网关功能分解成负责媒体流处理的媒体网关（MG），以及掌控呼叫建立与控制的媒体网关控制器（MGC）两大部分。同时MG在MGC的控制下，实现跨网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。在大规模网络电话网中，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。
In-Stat China电信分析师李敏:VoIP-破坏性技术
2006-6-9 16:22:38
中国目前的VoIP还存在着很多问题，而国内市场又迫切需要发展VoIP这种更加廉价的通信方式。很显然，发展VoIP对于传统运营商、新兴电信运营商和互联网企业，都带来了巨大的挑战和机遇，也将影响电信产业的格局。
In－Stat China电信分析师李敏：
各位朋友下午好，我今天演讲的题目是“Steady Growth Ahead for VoIP market”。这一个题目可能国内的一些VoIP运营，包括设备厂商并不是很喜欢，因为稳定增长好象不太好，他们希望是快速增长。但是呢，VoIP作为一种语音通讯新的传输的技术，它绝对可以称得上是破坏性的技术。所谓的VoIP市场实际上是从传统运营商语音里面瓜分，而不是制造一个增量市场。所以，必然会受到运营商一个强烈的抵制。因此，VoIP在中国的发展实际上是传统运营商和新兴的包括一些设备厂商，包括一些虚拟运营商之间的博弈。最后的结局是看谁能够撑到最后。
实际上，IP技术并不是新的技术，因为我们知道，互联网就是一种平等、开放的平台，就是基于IP的机制。同时呢，IP本身它有很多包括传输，包括控制，包括业务方面的一些优势。所以在电信网当中，会很快引入到互联网络里面来，互联网和电信网是两回事。今天我们讲到VoIP实际上是在互联网的情况下，互联网的模式下来做这样一个商业模式。但是电信网它要突出的是一个很强的管理能力。但是它也不能忽视IP技术很强优势，包括业务开展的灵活性。
这一张图上，左边的是固定通信的发展，右边是移动通信发展路线。实际上在宽带和GPRS已经把IP技术引入进来了，GPRS有两个运营。包括目前，中国的电信运营商和全球电信运营商正在做的软交换和升级，目的是希望把传统的语音业务架构在IP网络上来，也就是说，IP网络已经显示了强大的生命力。
所以发展到最后，IP要统治整个电信网络，不仅仅是统治互联网。最后的结局是，基于IP的平台来灵活地开展运营商的业务。因此，我们说VoIP不是新的技术，在未来，是所有的业务，无论是语音或者是多媒体或者是数据，它都要走IP网络。但是，这一定要注意，这里面所讲IP是电信网的IP。
我们讲到为什么中国包括全球VoIP虚拟运营商存在这些机会，实际上从带宽发展来看有一个统计，In－Stat在全球统计了一下宽带市场接入的情况，我们看得出来，05年达到了两个亿，09年的时候接近3亿左右。但是，宽带接入发展和内容提供的发展，并不是很匹配。所以说，我们国内的这一些宽带接入，从上面来看，我们和窄带接入业务模式没什么太大变化。从我个人来看，我们使用的业务和窄带有很大相似，没有很大的变化，就是浏览网页和收发邮件，我们需要基于IP技术提供一些新业务出来。否则，这一个带宽就是浪费的。但是，这一种新兴的技术，包括这一种新兴业务的开展，因为损害了运营商的利益，破坏了这一个商业模式，所以受到了他们的抵制。我们这一张图可以看的出来，在VoIP本地接入当中，中国因为政策限制，在亚洲地区占的份额很少，在04年基本上是0.6%，因为日本开放了VoIP的市场，而且在VoIP终端编码方面比较完善，所以发展比较迅速。但是在09年的时候，中国本地VoIP用户的数量将会占到整个亚洲地区的22％。我想，这是一个很好的消息和发展的趋势，对国内VoIP的参与者来说，存在着很大的机会。
这一个是我们In－Stat对中国VoIP发展的预测。从这张图能够看得出来发展比较平稳。国内长途业务占据了很大的一部分份额，这一种本地和国际的业务占的还是比较少。如果说，想寻找机会还要在国内长途市场里面来寻找合适的切入点。
我们觉得，实际上，VoIP对运营商，对固网运营商的影响是最严重的，因为固网运营商它本身受到移动号的替代，同时，又要接受VoIP的威胁。所以说，固网运营商的处境应该说是最被动的。所以说，在以后VoIP的发展过程当中，固网运营商从中获得利润非常少。但是固网运营商不得不采用新兴的技术，比如说中国网通或者中国电信这样的，他们会在对方领土上开展新的尝试和使用新的技术，其中就有VoIP。因为VoIP这一个东西有一个很强的竞争优势。所以说，运营商一方面要抵制，同时也需要，有一点割舍不下的状态。
我们刚才讲到，因为受到政府的政策上的限制，实际上，在个人用户市场，发展VoIP的阻碍还是比较大。因为涉及到网络的落地，这会使用到电信的终端。所以会碰到很大的阻力。但是，我们觉得，在商业领域，这一个形式可能会稍微明显一点，机会也可以看得更加清楚一点。
这是我们In－Stat公司对全球的PBX出货量的统计，因为我们是分了三种类型，一种是传统的PBX，IP PBX的出货量逐渐增加。这一个市场，机会更加明显，也会更好做。亚太地区占到出货量的17％，北美地区是43％。实际上在固网线路里面渗透率里面亚太地区是占到了40％，北美是20％，在IP PBX比例是反过来的。因此，带亚太地区很低，因为存在很多机会。像国外的IP PBX提供商在中国动作非常大，也说明了，渗透率比较低的地方，尤其是中国这一个地方，存在着很多大量的金矿
这里面，可以看得出来，针对设备上来看，我们分成两个阵营。一个阵营是，以数据见长的供应商，还有一个是传统的设备供应商。在IP PBX发展过程当中，传统设备上，慢慢地会落到了后面。也就是说，IP技术的像思科这样的公司专注在互联网里面，因此占据了很多的优势。传统电信包括运营商包括设备商这样的力量正在向数据IP领域转移。实际上，在这种情况下，包括很多做IT和做软件和数据公司存在很大机会，可以进入通讯的领域来。这是我们对IP PBX的预测。我们统计的时候，增长率基本上达到了32％左右。可以说，这是非常高的数率。但是呢，我们从整个PBX市场来看，包括传统和IP PBX增长率不是很高，复合增长是6.6％。说明，它本身也在传统的PBX市场里面瓜分市场。我们VoIP的市场也是一样，从传统的市场里面瓜分。我们做IP PBX市场的时候，受到一些抵制很少。基于IP PBX做VoIP的话，遇到阻力会更少一点。
刚才我们是基于全球的数据，目前我们In－Stat公司正在对中国的VoIP市场进行全面的研究，也就是说，如果大家有什么可以讨论的问题，或者是需要一些什么信息或者数据，可以私下和我联系。希望我今天带来信息能够对大家业务有所帮助，谢谢。