基于VoIP技术的新一代话音业务

2019-11-03 09:05:56

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供稿：网友

常新杰

　　摘要本文简要介绍了Voip技术框架，并从VoIP的技术优点以及当前存在的问题两个方面论述了其发展现状。

引言

　　长期以来，电信服务供应商提供的话音业务都是建立于公众电话交换网（PSTN）体系结构之上的。经过多年的发展完善，PSTN已可以提供非常高质量的话音传输，并具有高连接可靠性与低丢话率等特点。然而，在每一个通话过程中，PSTN网需要为通话的双方建立独占的端到端链路，并分配一定的带宽资源。随着话音业务量的增长，就网络连接的可用带宽以及设备的承载能力而言，当前的PSTN网络负载已达到了接近饱和的状态。电信服务供应商曾试图投入巨资以增加可用带宽资源与更新设备以提高业务处理能力。但是，由于经济低迷和投资回报率减低，由此所带来的高昂运营成本使得服务供应商在日益激烈的电信服务市场竞争中难以为继。电信服务供应商也曾尝试利用VoATM技术将话音业务加载于ATM骨干网络之上，然而，一方面ATM技术的信令过程非常复杂，大大增加了网络运营管理与维护的难度；另一方面ATM技术由于自身的限制而仅能应用于骨干网络，难于推广到用户桌面，无法全面取代PSTN提供端到端的话音业务。

　　近年来，Internet得到了飞速发展与普及应用，而作为其核心技术的IP协议体系在数据网络架构中的统治地位已得到了广泛认同。同时，随着IP技术框架中汇聚网络研究的发展和VoIP（Voice over IP）技术的提出，数据网络运营商已开始进入传统的话音业务领域。目前，VoIP在话音数据传输中主要有以下三个应用：对于个人用户的长途电话卡业务；对于企业内部的IP电话业务；不同地理范围的PSTN子网之间的骨干连接。值得说明的是，在这些应用中，VoIP技术仍只是作为一种低成本低质量的替代方案存在的，其整体话务量还远无法与PSTN相比。尽管如此，由于PSTN网络已相当老化，而进一步的发展又存在着很大的技术瓶颈，发展和完善VoIP技术以全面取代PSTN则成为当前的一个研究热点。这里需要解决的主要问题包括如何在维持低廉成本的同时提供 1）与PSTN相当的话音业务质量；2）与PSTN相当的网络承载能力以支持数量庞大的话音业务数据流；3）灵活的业务创新支持。由于IP技术是建立在无连接的，“尽力而为”的传输方式基础上的，而话音数据对诸如传输时延，网络负载以及网络安全可靠性等相当敏感，因此全面取代PSTN就需要一个完善的端到端VoIP解决方案。另外，电信服务供应商在PSTN网络上已有巨额的投入，而基于PSTN的话音业务目前仍是电信服务供应商的一个重要利润来源，从PSTN向VoIP的演进将是一个逐步迁移的过程，两种技术将可能共存一段时间，因此在当前的VoIP解决方案中还需要考虑与PSTN兼容以及互连互通的问题。

VoIP网络构架

　　下面图1中显示了一个典型的VoIP网络结构。在图中可以看到，当前的VoIP需要通过信令网关与连接汇聚网关与PSTN互连互通，同时还需要支持已有的PSTN终端设备如POTS电话机和程控交换机（IP PBX）。VoIP中新增的终端设备则包括支持SIP协议的IP电话以及个人电脑上模拟的软件电话等。这里显示的是有三个服务供应商参与的VoIP网络。其中，服务供应商1提供终端用户的网络接入，服务供应商2则象IXC一样提供网络连接与远距离传输，服务供应商3则与服务供应商1相似，为另一端的终端用户提供网络接入。

　　图1中还显示了VoIP方案中的供应商网络上的重要网络设备，下面我们分别加以介绍。

　　呼叫代理（Call Agent）呼叫代理是VoIP网络中的主要设备，也称为媒介网关控制器（Media Gateway Controller）或软交换机（Soft Switches），负责通话前逻辑连接的建立与控制，并维护每一通通话的连接状态。呼叫代理根据用户的服务需求而可以支持诸如呼叫显示，呼叫等待等增值业务。另外，由于呼叫代理上存有每一通话的状态数据，它还负责为计费系统提供原始数据。呼叫代理通过其上运行的信令协议来交换有关设备与连接的控制信息，目前主要的信令协议有SIP，H.323。

图1 VoIP 网络结构

　　应用服务器（application Server）呼叫代理相当于一个增值业务缓存器，自身所能支持的增值业务有限，其它的增值业务如语音信箱，电话会议等则由应用服务器来提供。应用服务器为每一增值业务提供业务逻辑与应用支持，增值业务将不能支持的业务转向应用服务器。

　　媒介服务器（Media Server）媒介服务器主要是在呼叫代理与应用服务器的控制下完成增值业务的附加功能，如话音编码的转换，话音信号的探测，交互式语音服务的支持以及传真业务的支持等。媒介服务器上运行的控制协议包括如H。248或媒介网关控制协议（MGCP）。

　　带宽管理器（Bandwidth Manager）带宽管理器负责运营商网络内的QoS策略控制。它根据网络的带宽资源决定每一呼叫的接入控制，并为接受的呼叫进行带宽的分配与释放。同时，它还负责控制策略的生成以及向边界路由器的加载。

　　边界路由器（Edge Router）边界路由器负责在各个IP网络之间，包括用户网络与供应商网络之间，不同的供应商网络之间，以及供应商的不同子网之间的路由与基于策略的连接控制。

　　信令网关（Signaling Gateway）信令网关是VoIP网络与PSTN连接的接口设备之一，负责在呼叫代理的信令协议与PSTN的SS7信令协议之间进行转换，以保证VoIP网与PSTN网的兼容。另外，信令网关还可以完成不同包交换网络之间必要的信令转换。

　　连接汇聚网关（Trunking Gateway）连接汇聚网关也是VoIP网络与PSTN连接的接口设备之一，负责将IP网络的语音数据流汇聚到基于TDM的PSTN网络，并完成相应的数据格式转换。它是由呼叫代理与媒介服务器的H。248或媒介网关控制协议（MGCP）控制的。

　　接入网关（access Gateway）负责提供VoIP网络对传统的POTS电话机的支持。

　　接入汇集器（Access Concentrator）是业务供应商的VoIP网络边界设备，负责对用户端的网关或路由器设备提供接入。

　　在用户端的设备则主要包括边界路由器以及负责进行用户汇集和连接转换的用户网关（Subscriber Gateway）等。

VoIP网络中主要的协议包括：

　　用于设备控制的协议如MGCP，H.248

　　用于服务接入的信令协议如SIP，H.323

　　用于网络服务的信令协议如SIP，SIP-T，BICC等。

VoIP的技术问题

　　前面介绍了VoIP网络中话音业务铁提供的基本构架，这些只是解决了话音在IP网络中传输的基础性问题。PSTN已经经历了几十年的发展，不仅能提供话音传输，在诸如网络的安全性，可靠性，服务质量（Qos），计费系统，运营支持系统等方面也有丰富的功能。为了能够全面取代PSTN，VoIP方案在这些技术细节性也需要有类似的表现。

安全性

　　由于采用了基于SS7的带外信令（out-of-band signaling）机制，PSTN网络具备很高的安全性。相对来说，基于IP技术的VoIP网络的安全则容易受到如DoS攻击，服务盗用以及隐私入侵等的影响。DoS攻击是指恶意用户通过向网络设备发送大量的伪造控制或信令信息流，从而使得设备忙于处理这些信息而无法处理正常用户的信息，在严重的情况下这甚至可能造成网络整体的瘫痪。服务盗用指的是在避免付费的条件下使用网络业务。比如，恶意用户可以盗用合法用户的IP地址从而冒充合法用户而使用网络业务；或者恶意用户可以通过绕过呼叫代理而直接建立连接，从而避开计费系统。因为网络中的带宽资源是有限而宝贵的，恶意用户所占用的带宽资源将会影响到合法用户的业务质量，同时也影响了业务供应商的投资回报。从通话隐私的保护来看，PSTN因为为每一通话都建立独占的电路连接，具有较高的私密性。而IP公众网络中数据流往往是共享网络连接的，其私密性则还需要诸如加密，用户认证等辅助手段。

QoS

　　由于PSTN为每一通话都建立独占的电路连接并分配所需的带宽资源，对话音业务的QoS保证也非常有利。而IP网络是采用了无连接的“尽力而为”的传输方式，难以保证音频数据流对传输时延，时延变化以及包丢失率。虽然有基于IP报头的ToS位而定义不同优先级别的服务等级（CoS）质量保证，通过为话音数据定义高于数据业务的优先级来保证其优先传输，因为这一方案仅作用于网络节点设备上，而各设备厂商在具体实施上的差异使得其难以真正提供端到端的全局质量保证。目前，有关VoIP中的QoS解决方案有基于集成业务模型的IntServ，基于差分业务模型的DiffServ以及基于MPLS流量工程的MPLS-TE等几种。

可靠性

　　可靠的网络是指网络中节点或连接的故障不会影响到业务的性能。PSTN具有高达99。999%的可靠性，即一年中只有不超过5分钟的总故障时间。相对来说，IP网络自身的可靠性则相差很多，为了提供与PSTN类似的高可靠性，则需要如设备冗余以及负载均衡等技术。网络中的重要设备如呼叫代理，网关，应用服务器，媒介服务器等要有硬件冗余保护，并支持热拔插（Hot-Swap）及无业务中断的软件升级，网络连接要有备份连接保护并具备连接中断的自修复能力（如重路由及快速的连接切换）。另外，通过网络流量的全局规划，合理地将数据流分布到网络内所有的连接上，从而避免任一单点故障引起的数据重传而导致的网络崩溃。

服务计费

　　PSTN已有几十年的应用历史，经过多年的发展已建立了相当完善的计费系统，可以为用户提供详细的通话记录与收费清单，同时也可以完成业务供应商之间的收费结算。另外，业务供应商不仅可以按通话对链路的占用时间收费，还可以根据用户通话的时段，地理位置等进行多种收费方式，如包月制，低流量时段的优惠收费，大业务量用户的折扣等。而长期以来，基于IP技术的数据网络多是采用了按接入速度与距离而与业务量无关的固定收费体制，不适用于话音业务的收费。尽管呼叫代理可以记录每一话音连接的状态参数，由于IP网络的资源复用特性，这些原始数据还需要进一步被转化为适用于IP网络的相应流量参数。另外，有关IP话音业务的计费体制也需要从基于网络接入的收费向基于业务量的收费转移。

业务运营支持系统

　　除了服务计费，PSTN拥有完善的业务运营支持系统还可以为运营赏提供诸如自动的业务创建，故障检测及报警，链路测试，网络性能监控等能力。由于IP技术的开放性，网络中运行的协议及设备具有多样化的特点，这就为集成的业务运营支持增加了难度。目前，多数的VoIP运营商往往需要购买及维护多个具有不同功能模块的子系统。由于缺乏一个通用的体系框架，这些子系统往往不能直接相互兼容，因此VoIP运营商还需要投入大量的人力物力来实现各个子系统之间的互连互通。随着SNMP，CORBA等技术标准的推广应用，这一局面有望得到改善。

VoIP的技术优点

　　VoIP技术目前还没有完全成熟，VoIP在IP话音业务提供中的应用也还处在初始阶段，其所能提供的话音业务在诸多方面还远无法与PSTN相比较。然而，凭借其灵活开放性及良好的发展势头，VoIP技术也展示了PSTN所无法比拟的鲜明特点。

　　首先，通过VoIP技术的应用可以大大降低运营商在网络管理与维护上的投入，也降低了业务成本，用户从而可以享受更为低廉的服务价格。这是因为，一方面，IP设备的价格低于程控交换机，而传输速度则超出程控交换机，这降低了设备的投入。另一方面，IP网络中可以有效的实现话音与数据的共同传输，从而使得业务运营商不必同时维护两个独立的网络。这不仅直接降低了管理成本，也间接地降低了运营商的人力资源成本。

　　其次，基于VoIP技术的IP网络可以支持更多的新型增值业务，为运营商创造新的业务来源。例如，话音与EMAIL的结合，话音与演示板结合的网络实时演示，综合话音，数据以及视频的远程视频会议等。另外，由于IP设备的灵活结构，其在网络中投入使用的周期大为缩短，使得业务供应商可以在新业务开发出来后迅速地推向市场并吸引用户。

　　第三，与程控交换机设备不同，IP设备具有较高的可扩展性。这样，运营商可以在初始阶段投入少量资金而建立一个适于小业务量的网络，并随着业务量的增长而逐步扩展网络设备的处理能力。例如，多个IP路由器可以以堆叠或菊花链的方式连接起来模拟成一个大型路由器而工作。这样就降低了初始投资风险，保护了运营商的利益。

　　最后，在PSTN网络中用户的呼叫独占一个连接，这样即使在一段时间内这一连接上并无话音信息通过（如对话中的沉默），资源仍不能为其它用户所用，而呼叫用户也仍需为其总连接时间付费。在VoIP网络中，一方面可以通过话音信息的压缩而有效地降低资源占用量；另一方面，不同用户通过复用的方式共享资源，沉默的连接所占用的资源可以为其它连接利用，这就大大提高了资源利用率。同时，压缩后的话音信息以IP 数据包的形式在网络中传递，业务供应商可以按照实际的数据流量收费而不是按照连接时间的长短收费，有利于降低用户的通话费用。

结束语

　　综合前面的论述可以看出，IP技术为话音与数据信息流提供了一直的传输平台。建立于这一基础上的VoIP解决方案为业务供应商在降低运营成本，提供灵活的新业务创新以及提高投资回报率等方面显示了良好的应用前景。尽管VoIP在许多技术细节问题上还需要进一步的改进，性能还有待进一步提高，我们有理由相信，随着VoIP技术标准的不断发展和完善，其必将在新一代电信网络中得到成功应用。

参考文献

[1] Paul Drew, Chris Gallon, “Next-Generation VoIP Network Architecture”, Multi-Service Switching Forum(MSF, http://www.msforum.org), Technical Report MSF-TR-ARCH-001-FINAL, March,2003.

[2] Uyless D. Black, "Voice Over IP (2nd Edition)," PRentice Hall, January 2002, 400 pages.

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

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