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常新杰
摘要 本文簡要介紹了VoIP技術(shù)框架，并從VoIP的技術(shù)優(yōu)點以及當前存在的問題兩個方面論述了其發(fā)展現(xiàn)狀。
引言
長期以來，電信服務供應商提供的話音業(yè)務都是建立于公眾電話交換網(wǎng)（PSTN）體系結(jié)構(gòu)之上的。經(jīng)過多年的發(fā)展完善，PSTN已可以提供非常高質(zhì)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(wǎng)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(yè)務量的增長，就網(wǎng)絡連接的可用帶寬以及設備的承載能力而言，當前的PSTN網(wǎng)絡負載已達到了接近飽和的狀態(tài)。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(yè)務處理能力。但是，由于經(jīng)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(shù)將話音業(yè)務加載于ATM骨干網(wǎng)絡之上，然而，一方面ATM技術(shù)的信令過程非常復雜，大大增加了網(wǎng)絡運營管理與維護的難度；另一方面ATM技術(shù)由于自身的限制而僅能應用于骨干網(wǎng)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(yè)務。
近年來，Internet得到了飛速發(fā)展與普及應用，而作為其核心技術(shù)的IP協(xié)議體系在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡架構(gòu)中的統(tǒng)治地位已得到了廣泛認同。同時，隨著IP技術(shù)框架中匯聚網(wǎng)絡研究的發(fā)展和VoIP（Voice over IP）技術(shù)的提出，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡運營商已開始進入傳統(tǒng)的話音業(yè)務領(lǐng)域。目前，VoIP在話音數(shù)據(jù)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(yè)務；對于企業(yè)內(nèi)部的IP電話業(yè)務；不同地理范圍的PSTN子網(wǎng)之間的骨干連接。值得說明的是，在這些應用中，VoIP技術(shù)仍只是作為一種低成本低質(zhì)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(wǎng)絡已相當老化，而進一步的發(fā)展又存在著很大的技術(shù)瓶頸，發(fā)展和完善VoIP技術(shù)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?shù)脑捯魳I(yè)務質(zhì)量；2）與PSTN相當?shù)木W(wǎng)絡承載能力以支持數(shù)量龐大的話音業(yè)務數(shù)據(jù)流；3）靈活的業(yè)務創(chuàng)新支持。由于IP技術(shù)是建立在無連接的，“盡力而為”的傳輸方式基礎(chǔ)上的，而話音數(shù)據(jù)對諸如傳輸時延，網(wǎng)絡負載以及網(wǎng)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(wǎng)絡上已有巨額的投入，而基于PSTN的話音業(yè)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(shù)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(wǎng)絡構(gòu)架
下面圖1中顯示了一個典型的VoIP網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在圖中可以看到，當前的VoIP需要通過信令網(wǎng)關(guān)與連接匯聚網(wǎng)關(guān)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(xié)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(wǎng)絡。其中，服務供應商1提供終端用戶的網(wǎng)絡接入，服務供應商2則象IXC一樣提供網(wǎng)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(wǎng)絡接入。
圖1中還顯示了VoIP方案中的供應商網(wǎng)絡上的重要網(wǎng)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(wǎng)絡中的主要設備，也稱為媒介網(wǎng)關(guān)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(tài)。呼叫代理根據(jù)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(yè)務。另外，由于呼叫代理上存有每一通話的狀態(tài)數(shù)據(jù)，它還負責為計費系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)。呼叫代理通過其上運行的信令協(xié)議來交換有關(guān)設備與連接的控制信息，目前主要的信令協(xié)議有SIP，H.323。
圖1 VoIP 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
應用服務器（Application Server） 呼叫代理相當于一個增值業(yè)務緩存器，自身所能支持的增值業(yè)務有限，其它的增值業(yè)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(yè)務提供業(yè)務邏輯與應用支持，增值業(yè)務將不能支持的業(yè)務轉(zhuǎn)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(yè)務的附加功能，如話音編碼的轉(zhuǎn)換，話音信號的探測，交互式語音服務的支持以及傳真業(yè)務的支持等。媒介服務器上運行的控制協(xié)議包括如H。248或媒介網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議（MGCP）。
帶寬管理器（Bandwidth Manager） 帶寬管理器負責運營商網(wǎng)絡內(nèi)的QoS策略控制。它根據(jù)網(wǎng)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(wǎng)絡之間，包括用戶網(wǎng)絡與供應商網(wǎng)絡之間，不同的供應商網(wǎng)絡之間，以及供應商的不同子網(wǎng)之間的路由與基于策略的連接控制。
信令網(wǎng)關(guān)（Signaling Gateway） 信令網(wǎng)關(guān)是VoIP網(wǎng)絡與PSTN連接的接口設備之一，負責在呼叫代理的信令協(xié)議與PSTN的SS7信令協(xié)議之間進行轉(zhuǎn)換，以保證VoIP網(wǎng)與PSTN網(wǎng)的兼容。另外，信令網(wǎng)關(guān)還可以完成不同包交換網(wǎng)絡之間必要的信令轉(zhuǎn)換。
連接匯聚網(wǎng)關(guān)（Trunking Gateway） 連接匯聚網(wǎng)關(guān)也是VoIP網(wǎng)絡與PSTN連接的接口設備之一，負責將IP網(wǎng)絡的語音數(shù)據(jù)流匯聚到基于TDM的PSTN網(wǎng)絡，并完成相應的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。 它是由呼叫代理與媒介服務器的H。248或媒介網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議（MGCP）控制的。
接入網(wǎng)關(guān)（Access Gateway） 負責提供VoIP網(wǎng)絡對傳統(tǒng)的POTS電話機的支持。
接入?yún)R集器（Access Concentrator） 是業(yè)務供應商的VoIP網(wǎng)絡邊界設備，負責對用戶端的網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)換的用戶網(wǎng)關(guān)（Subscriber Gateway）等。
VoIP網(wǎng)絡中主要的協(xié)議包括：
用于設備控制的協(xié)議如MGCP，H.248
用于服務接入的信令協(xié)議如SIP，H.323
用于網(wǎng)絡服務的信令協(xié)議如SIP，SIP-T，BICC等。
VoIP的技術(shù)問題
前面介紹了VoIP網(wǎng)絡中話音業(yè)務鐵提供的基本構(gòu)架，這些只是解決了話音在IP網(wǎng)絡中傳輸?shù)幕A(chǔ)性問題。PSTN已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，不僅能提供話音傳輸，在諸如網(wǎng)絡的安全性，可靠性，服務質(zhì)量（Qos），計費系統(tǒng)，運營支持系統(tǒng)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(shù)細節(jié)性也需要有類似的表現(xiàn)。
安全性
由于采用了基于SS7的帶外信令（out-of-band signaling）機制，PSTN網(wǎng)絡具備很高的安全性。相對來說，基于IP技術(shù)的VoIP網(wǎng)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(wǎng)絡設備發(fā)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(wǎng)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(wǎng)絡業(yè)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(wǎng)絡業(yè)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(tǒng)。因為網(wǎng)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(yè)務質(zhì)量，同時也影響了業(yè)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(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流往往是共享網(wǎng)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(yè)務的QoS保證也非常有利。而IP網(wǎng)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(shù)據(jù)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(yōu)先級別的服務等級（CoS）質(zhì)量保證，通過為話音數(shù)據(jù)定義高于數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)先級來保證其優(yōu)先傳輸，因為這一方案僅作用于網(wǎng)絡節(jié)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(zhì)量保證。目前，有關(guān)VoIP中的QoS解決方案有基于集成業(yè)務模型的IntServ，基于差分業(yè)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(wǎng)絡是指網(wǎng)絡中節(jié)點或連接的故障不會影響到業(yè)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(wǎng)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(shù)。網(wǎng)絡中的重要設備如呼叫代理，網(wǎng)關(guān)，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(yè)務中斷的軟件升級，網(wǎng)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(wǎng)絡流量的全局規(guī)劃，合理地將數(shù)據(jù)流分布到網(wǎng)絡內(nèi)所有的連接上，從而避免任一單點故障引起的數(shù)據(jù)重傳而導致的網(wǎng)絡崩潰。
服務計費
PSTN已有幾十年的應用歷史，經(jīng)過多年的發(fā)展已建立了相當完善的計費系統(tǒng)，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(yè)務供應商之間的收費結(jié)算。另外，業(yè)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(jù)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(yōu)惠收費，大業(yè)務量用戶的折扣等。而長期以來，基于IP技術(shù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡多是采用了按接入速度與距離而與業(yè)務量無關(guān)的固定收費體制，不適用于話音業(yè)務的收費。盡管呼叫代理可以記錄每一話音連接的狀態(tài)參數(shù)，由于IP網(wǎng)絡的資源復用特性，這些原始數(shù)據(jù)還需要進一步被轉(zhuǎn)化為適用于IP網(wǎng)絡的相應流量參數(shù)。另外，有關(guān)IP話音業(yè)務的計費體制也需要從基于網(wǎng)絡接入的收費向基于業(yè)務量的收費轉(zhuǎn)移。
業(yè)務運營支持系統(tǒng)
除了服務計費，PSTN擁有完善的業(yè)務運營支持系統(tǒng)還可以為運營賞提供諸如自動的業(yè)務創(chuàng)建，故障檢測及報警，鏈路測試，網(wǎng)絡性能監(jiān)控等能力。由于IP技術(shù)的開放性，網(wǎng)絡中運行的協(xié)議及設備具有多樣化的特點，這就為集成的業(yè)務運營支持增加了難度。目前，多數(shù)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(tǒng)。 由于缺乏一個通用的體系框架，這些子系統(tǒng)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(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的互連互通。隨著SNMP，CORBA等技術(shù)標準的推廣應用，這一局面有望得到改善。
VoIP的技術(shù)優(yōu)點
VoIP技術(shù)目前還沒有完全成熟，VoIP在IP話音業(yè)務提供中的應用也還處在初始階段，其所能提供的話音業(yè)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(fā)展勢頭，VoIP技術(shù)也展示了PSTN所無法比擬的鮮明特點。
首先，通過VoIP技術(shù)的應用可以大大降低運營商在網(wǎng)絡管理與維護上的投入，也降低了業(yè)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(wǎng)絡中可以有效的實現(xiàn)話音與數(shù)據(jù)的共同傳輸，從而使得業(yè)務運營商不必同時維護兩個獨立的網(wǎng)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(shù)的IP網(wǎng)絡可以支持更多的新型增值業(yè)務，為運營商創(chuàng)造新的業(yè)務來源。例如，話音與EMAIL的結(jié)合，話音與演示板結(jié)合的網(wǎng)絡實時演示，綜合話音，數(shù)據(jù)以及視頻的遠程視頻會議等。另外，由于IP設備的靈活結(jié)構(gòu)，其在網(wǎng)絡中投入使用的周期大為縮短，使得業(yè)務供應商可以在新業(yè)務開發(fā)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(yè)務量的網(wǎng)絡，并隨著業(yè)務量的增長而逐步擴展網(wǎng)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(wǎng)絡中用戶的呼叫獨占一個連接，這樣即使在一段時間內(nèi)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(wǎng)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(shù)據(jù)包的形式在網(wǎng)絡中傳遞，業(yè)務供應商可以按照實際的數(shù)據(jù)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(jié)束語
綜合前面的論述可以看出，IP技術(shù)為話音與數(shù)據(jù)信息流提供了一直的傳輸平臺。建立于這一基礎(chǔ)上的VoIP解決方案為業(yè)務供應商在降低運營成本，提供靈活的新業(yè)務創(chuàng)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(shù)細節(jié)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(shù)標準的不斷發(fā)展和完善，其必將在新一代電信網(wǎng)絡中得到成功應用。
參考文獻
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原創(chuàng)
