IP电话技术

前 言

。。在20世纪的最后五年中，我们目睹了电话网络的发展，它们将影响我们的生活直到进入新的千年。工业界不断取得的大量成就，使得集成化的服务和多媒体最终进入家庭—完全根据您的需要、而且价格也可以接受的日子越来越近了。在20世纪的绝大部分时间，名声显赫的普通旧式电话服务（Plain Old Telephone Service, POTS）正在退出历史舞台，取而代之的是现代化、服务集成，以及语音和数据这两种根本不同的技术的结合。

　　就像我们这么多年来知道的那样，公用交换电话网络（Public Switched Telephone Network，PSTN）的语音传输质量和可靠性都没有任何问题。相反地，它是稳定性和安全性的典范，我们当中知道其复杂细节的人都对这么庞大、复杂的系统如何运行得如此可靠和完善感到惊叹！但是电话交谈的质量看来已经给其他优先级更高的服务让路，它不再是网络现代化的惟一驱动因素。商业电话和住宅电话市场需求的改变需要全新的电话特性和能力，但是对于服务供应商而言，在PSTN架构上实现这些要求既困难代价又高。这与电话公司目前的生存现实形成了对照。他们已经接近这样一种状况，那就是如果没有极大的开销和相当的延时，他们连提供一个简单的新特性的能力都不具备。在标准的5类服务平台上提供服务和新特性成了一个相当难于处理而且实现非常昂贵的问题。因此，当市场需求和服务供应商的需要达成一致以后，只要很短的时间就可以明显地看出，PSTN不得不以革命的方式、而不是演化的方式来改变和步入现代化。但是我们认同的新的PSTN是否真的会更好呢？谁该来为这个“好”下一个定义呢？所有这些现代化的开销该由谁来承担呢？这三个问题都既有简单的答案，又有复杂的答案。

　　在90年代中期，当我开始在总部之外的地方进行咨询时，通过电子的方式和客户通信变得必不可少。128Kbps 的ISDN BRI服务可以提供足够的数据带宽来进行Web访问，以适度的等待时间收发10Mb+的电子邮件附件，但是ISDN服务从来都没有成为日常的电话产品。实际上，要求PSTN现代化的部分原因就在于服务供应商不可能在合理的价位上提供足够的带宽，因为增加和升级现有的网络设备需要他们花费太多的钱。即使他们这样做以后，我们还是不能享受集成的服务和多媒体功能，原因很简单，128Kbps的带宽不可能合成语音、图像和数据服务。世界上最聪明的人们都在寻找合理而又经济的解决方案，在过去的几年中作出的很多重大决策正在领导着网络革命朝着明确的方向发展。

　　有关按照客户前提提供集成的电话服务的需求，在过去的几年中已经有很多这方面的文章问世，它们提供了很多信息，但是由于某种原因，它们仍然没有完全描绘出应用全景。部分原因可能是事物改变太快—在本书写作时也是一样。另一个原因是，人们对什么是集成的电话服务的观点不可能总是包含新的公用网络的所有方面。如果不熟知通信技术，那么要形成对公用网络细节的完整的观点将很困难，但我相信，即使以简化的形式描绘高级别的应用全景也是值得的。因此，让我们来简单地看看今天的PSTN是什么，在新的世界中改变的是什么，不变的是什么；这些变化是如何实现的，为这些变化选取参照点的原因又是什么。如果要深入到PSTN结构的每个细节，那么可能需要好几百页、甚至更多页的篇幅，但是我希望一个简化的描述会使读者更容易理解整个应用全景 。

　　为什么PSTN需要改变

　　PSTN是所有的交换设备和网络设备的集合，它们都是那些参与提供网络服务的信息运送者。当谈到PSTN时，指的主要是有线电话网络以及它和蜂窝电话、PCS和卫星通信等无线网络的接入点。请求者通过大的语音交换机访问PSTN有线网络，这些交换机放在电话公司的中央局，通过普通的模拟电话或数字PBX系统带给我们基本的电话服务。这种访问既可以通过有线电话也可以通过无线网络实现。

　　在从家庭中的电话机传送到中央局的过程中，语音要么以基本服务的模拟形式存在，要么在通过PBX访问时以数字形式存在。但是，一旦到达中央局以后，语音在PSTN上都是以数字形式存在—每路都是64Kbps的时分多路复用通道，传送脉冲编码调制语音采样信号。在TDM网络上拨打电话时永远不会经历语音质量之类的困惑，而且呼叫的语音质量也是个不容商量的参数。但是，这种语音质量传输的代价是服务供应商的巨大开销，不管交谈双方实际使用的带宽是多少，都要在整个呼叫过程中绑定网络资源。即使用基本的爱尔朗模型进行的简单流量分析也显示出网络资源和网络所服务的人群数量之间的线形依赖关系。进一步讲，过去几年中，Web访问的巨大吸引力在TDM网络中引起了更大的问题—网络资源。很明显，对于电话公司而言，这是种很不经济的情况。他们发现在当前的公用网络结构中无法增强网络性能、无法提供附加的其他服务。罪魁祸首被公认为是缺少语音和数据的集成，以及在“最后一里”中的模拟线路的低带宽。

　　如何解决这个问题呢？这是个很困难的问题，而且代价相当昂贵。从本世纪80年代中期以来，人们普遍认为应该用通用的、无处不在的基于包的网络节点和链路来代替TDM公用网络，这种网络的带宽可以按照用户的要求在传输的整个过程中以动态的方式管理。这个承诺的一部分看来已经由ATM技术实现。ATM技术现在仍然是修补网络使之实现应用合成的关键。但是当ATM技术人员花了好多年开发了正确而又广泛的、支持公用网络新时代的标准时，因特网却面临着爆炸性的增长，也带来集成和合成服务到底是什么样子的概念，前提是只要我们可以合并各种技术和得到假定的足够的带宽。因特网网际协议—我们最钟爱的IP协议，现在是所有网络协议之首。虚拟地提高到该协议的层次，所有的应用看起来都可能成为新的合成网络的一部分。首当其冲的是语音电话和数据应用。尽管如此，语音电话呼叫和要求带宽管理的数据应用的简单合成也被证明不是个轻松的任务。不同的需求经常发生冲突，合成网络的早期的专有实现最终都必须在公用网络中变成互相可操作的，这样才能赢得客户的广泛接受。与此同时，每个供应商都试图在市场份额上获得飞跃。这些问题是所有问题的核心，解决这些问题的努力也一直在进行着。

　　即使是在今天的公用网络机制中，双方在模拟电话上的简单呼叫也不简单。第一点，也是最重要的一点是，PSTN中实际上只有两个“网络云”：一个传送信号，另一个传送语音带宽数据。在当前的网络结构中合并服务的部分问题在于本地访问基本服务的信号是基于硬件的，主要为语音电话定制，同时也对ISDN线路上的点到点的语音信号作了一些基本的考虑，这些考虑主要是针对那些可以支付得起费用的人。这是个严重的限制，也是实施变化的很好的原因。第二点是将交互式多媒体应用，如远程教学，带入家庭存在困难。信号传输和带宽不够都是严重的限制。按需的娱乐和网络购物的方便性也是网络现代化的驱动力量。在新的电话服务中，不很昂贵的全彩色、全动感的带有白板能力的电视会议也将为期不远。所有这些新性能带来的副作用可能使我们花费很多，但是它们的确为我们带来巨大的好处，那就是使我们可以用一种以前从来没有经历过的方式来方便地交换信息。

　　公用网络中，什么东西以什么样的方式在改变

　　如果假定可以解决接入的带宽问题，那么其他技术问题将引发成堆的问题。从住宅客户要求出发，为了完成服务合并，信令和介质传输必须全部重新配置。本地的模拟信号循环将成为过去，语音将以端到端的数字信号存在。

　　新的结构上的包技术正在IP协议的基础上制定，不同连接层上将提供新的连通性，如ATM。简单的信令技术还没有确定，但是三个先驱，MGCP、SIP和H.323，在所有新的设备和服务设计中都占有一席之地。这意味着我们一开始就在设备的包层次上带有信号的不兼容性，但是，如果不发信号，就不可能建立呼叫。这种潜在的不可行性可以通过伴随即将到来的新的电话服务的自然惯性而避免。既然提供基于包的电话服务要如此大的开销，服务供应商所做的第一步就是分“片”提供。最近几年的工作正在研究第一片，它可以提供直到中央局的集成服务。现在这是个重新配置的5类系统，它提供了TDM网络中的大多数普通的电话特性，但是它是基于IP技术实现的。这一步完成以后，从客户可感知的电话服务质量的观点，我们将更清楚我们的处境；现在供应商开始在基本电话服务中加入新的特性的前景已经清晰起来。

　　介质传输是基于包的，无论用于建立呼叫的协议是什么，VoIP服务选择的方法都是实时协议（Real Time Protocol，RTP），这一点似乎不存在争议。但是这儿将出现一个PSTN中不存在的令人头疼的问题。在我们为更有效地合并服务和管理带宽努力的同时，压缩语音电话服务将开始影响住宅电话服务。这在市场上存在着相当大的分歧，因为传输语音质量的客观测量只是在最近才变得可行。实际上，语音质量的测量也是本书的一个主要论题。这个问题不可避免地把我们带到服务质量(Quality of Service，QoS)分类的下一步讨论中。在今后的几年中，合成网络的QoS领域内还有很多工作要做，只有时间和实际数据可以告诉我们，有关新的公用网络的设计的开销和努力是否正确。

　　一旦我们离开5类域开始进入主干网络，真正的问题就出现了。在PSTN中，所有的载波都通过SS7发送信号和PCM语音编码，它们是相互可操作的。普通而又简单。但是，用一个未经测试的、不一致的包网络代替核心PSTN，可能远远超过了承诺的范畴，服务供应商和设备供应商都看到了这一点。因此，PSTN还有望存在一段时间，新的基于包的5类域将成为语音电话到PSTN上的网关。这意味着基于包到SS7的信号互连和介质编码转换将成为必要。它的代价可能是语音质量的降低，但是将带来的直接好处是在完全不同的基于包的VoIP技术和TDM网络之间的相互可操作性。毕竟，如果我们不能使用我们一直都可以用的电话呼叫，新的技术又有什么好处呢？

　　即使PSTN夹杂在中间的服务集成也仍然是强有力的。新的5类域也将成为数据网络和因特网间的网关。它在其中作为过滤器和集成器。任何一个都不是最终的解决方案，但是在传输合成服务的启动阶段还是很有意义的。要注意的第一件事情是ISP拨号图中的变化，它带来了快速的无处不在的服务访问、服务的高度可移动性以及更多特性集的更多的固定和移动电话。

　　所有这一切意味着，新的基于包的5类域将把所有的东西都当成数据—包数据，但是有一些数据包之间会更为相似。实际上，主干网中PSTN的不断出现减轻了合成一个单一网络潜在的问题，因为在以后的某天我们将无须决定如何处理数据通过简单路由点时的不同优先级。正如我们在新网络中使用服务的出现模式中所得知的那样，在将PSTN的一部分放到单一的基于IP的主干网络时作出的所有决策，在那时候都将更有理由。

　　还有几个重要问题与网络现代化进程相关。第一个问题是处理安全性。PSTN由于与外部世界完全隔开，所以非常安全。对基于IP的网络却不能这么说，但是过去几年的教训已经提高了对安全领域的关心程度；像IPsec这样的协议也有望起到重要作用。即便如此，新的网络还是可能在相同的链路商发送信号和传输介质，这必然会受到那些合成PSTN的人的怀疑。

　　第二个潜在的问题是对在目前的TDM网络中正常工作的应用的持续支持。最大的应用就是传真了，传真占了公司话费的30%～40%，对电话公司而言也是个较大的收入来源。商业用户的需要是降低发送传真的费用，同时至少保持目前的性能和用户使用的整体感受。这种商业需求已经导致了多种方法的出现，它们都可以按照可变的需求和预算将基于IP的传真带给用户。

　　另一个潜在的问题是有很多保护POTS服务和设备的联邦法律。很难相信这些法律不会改变，但是在目前，要预知客户和服务供应商会在多大程度上受到影响还为时尚早。

　　最后，不要忘记国际电话网络，我们要使用它们接入PSTN。全球的网络都变成基于包的网络还需要一段时间，这将要求在新的网络现代化的过程中保持国际间相互合作。

　　我们将把电话服务作为合成网络中的哪个部分，而不管使用什么样的载波实现我们的目标。这个短期的方案图由基于包网络和PSTN相连组成，提供无处不在的电话服务。相同载波的用户之间的呼叫可以通过它们自己的PSTN部分建立路由，也可以不经过PSTN，直接由包结构实现。长期的观点和需要是一个包网络以一种兼容的方式连接所有的载波和服务，但是基于目前的应用现状，要实现这一点还要好多年。但是总有一天，它将成为现实。

　　新的公用网络中存在技术问题吗

　　为了使VoIP成为合成网络的先驱，新的服务必须保留用户双方进行简单的POTS电话呼叫的特性。但是，业界一直为这个问题争论不休，即任何一种基于包的技术都将在语音流中引入延时，在用户通话过程中经常可以感受到，其结果将导致用户的不满。公用网络中的VoIP技术必须克服这个潜在的问题，并把延时降低到不可觉察的级别。另一个因素是VoIP语音质量传输和最新的语音压缩技术的结合。如果存在潜在的延时问题，同时又有语音压缩带来的不可避免的语音质量降低，那么结果也将是用户的感受变坏。现在可以用客观的方式测量语音质量，其间的差异也可以用更多的来自实践经验的可用数据、信息和知识来弥补。

　　最后，电话服务还要根据服务供应商的网络鲁棒程度来测量。服务可用性也是FCC规定的参数之一。PSTN是个“五个九”的网络，指定的可用性是99.999%，事实上可能更多。如果降到“四个九”或者“三个九”，那么将意味着消费者的频繁的抱怨和不满意。这就是为什么在革新PSTN之前，要慢慢进入核心网络，同时保证所有的质量特性。

　　经济因素：对各方来说，到底存在什么问题

　　在所有的幻想之后，有个明显的事实，即由谁来负担革新公用网络的设备和劳力的巨大开销。当IP上的语音电话第一次出现在因特网上时，公众普遍感到很兴奋，因为免费拨打长途电话成为了可能。时下还是有人把VoIP和数据网络上的免费电话服务关联在一起，但是新的服务不会是免费的，当一些人面对这些新的服务带来的帐单时，他们会感到失望。因此，该由谁来支付这场革新的开销？消费者就是最好的答案。实际上我们将享受到合并网络的好处，信息将以更高的速度奔跑在信息超级高速公路上，而其价格确是可以支付得起的。服务供应商有朝一日也会享受到一个统一的、多种服务网络的好处，更灵活的升级性将能保证他们的经济持续增长。所有的好处包括极大的信息流和可用性、非常方便的和安全的电子商务、简化的远程教学以及其他我们从没有想过的应用。

　　本书范围

　　本书是本技术书籍。我们不会讨论来自公用网络现代化的商业、社会问题，而是集中在新的VoIP服务中的主要技术方面，以阐述相关问题和可能的解决方案。前三章中，我们将讨论新的公用网络和企业界中的新的信号协议，以及在相似和不相似的网络域中介质传输的细节问题。我们将在一个很高的抽象级别上介绍PSTN中的SS7信令协议，但是也会有足够的细节来说明对于集成的VoIP信令存在哪些变化；同时我们也将看到本文中出现的每个定义在同构、异构网络拓扑结构中的调用流程图。读者应该熟悉IP协议以及TCP、UDP，但是对于理解概念而言，却没有必要深入到其中的每个细节。在本书中，我们显示了好几个IP信令包，它们是用HP Agilent公司的Internet Advisor捕获到的实时情形。

　　第4章中，我们讨论可感知语音编码、语音质量测量的技术，并详细地讨论了感知语音质量测量算法（Perceptual Speech Quality Measurement，PSQM），它用AP Agilent公司的语音质量测试仪（Voice Quality Tester，VQT）实现。第4章也讨论了与语音质量相关的、影响用户感受的网络参数，如回声等。第5章中，我们进入实验室构造一个简单的参考网络，测量其语音质量，并讨论该环境中的延时和清晰度问题。这是我们第一次看到网络损耗和语音压缩以客观的语音质量测量结果的形式出现。最后，第6章中，将讨论IP网络对传真的支持，并以对V.34传真协议的讨论结束全文，该协议看来可能是PSTN中模拟设备发送传真使用的最终协议。

第1章 IP语音和交互应用的协议