基於VoIP的企業通信網實現及關鍵技術

論文類別:計算機論文 > 計算機網絡論文
論文標簽:企業通信論文
論文作者: 劉星沙1
上傳時間:2008/4/30 9:17:00

摘要 本文分析了數字电話技術VoIP的基本原理和系統組成,針對VoIP的幾個關鍵技術進行分析討論,在此基礎上根据企業網絡的不同構成情況,提出了兩種基本的企業VoIP技術解決方案,最後對企業VoIP的發展進行了展望。
   關鍵詞 VoIP;PSTN;LAN;PBX
0 引言
   近幾年,互聯網發展迅速,並逐渐滲入生活的各個領域,網絡新技术也不斷湧現,VoIP(Voice over Internet Protocal)就是其中之一。VoIP是一種數字電話技术,從字面意思理解就是通過IP網絡來傳輸語音信號。它集成了语音壓縮/解壓縮、數據存儲與交換及路由分配等多項信息處理技术,因其能利用現有網絡資源提供廉價甚至免費的語音服務,最近幾年得到廣泛的应用,成為傳統PSTN的强勁對手。在網上迅速走紅的Skype軟件就是最好的證明。如今,這項技術也引發了一輪企業通信革命。傳統企業一般采用PSTN來進行語音交流,采用LAN來傳送數據,這樣不僅會產生大量的通信費用,增加企業運營成本,而且會浪費巨大的網络資源。運用VoIP技術,通過技術整合,將傳統企業PSTN語音業務與傳統LAN數據業務合二為一,不僅大大降低了企業的通信成本,而且變革了企業內部的網络架構,進一步提高了企業的工作效率。本文根據企業網絡的不同構成情況,提出了兩种基本的企業VoIP技术解決方案。
1 基於VoIP的關鍵技術及體系結構
   傳統的電話網是以電路交換方式傳輸語音,一旦連接建立,這條電話將一直為這次通話服務,直到通話一方释放連接。而VoIP是以IP分組交換網絡為傳輸平臺,先把從終端取得的模擬信號轉換為數字信號,通過語音壓縮算法對語音數字信號进行壓縮編碼處理,然後把這些語音數據按TCP/IP標準進行打包,形成統一的IP數據包,经過網絡把語音數據送至接收端,接收端把這些語音數據按照時間先後串起來,經過解碼解壓縮後恢復成原來的語音信號,從而達到通過互聯網傳送語音的目的。傳輸使用的是無連接的UDP協議[1],使用盡力而為的方式。其數據傳送過程示意圖如圖1。
基于VoIP的企业通信网实现及关键技术
圖1 VoIP數據傳送模型圖
1.1 VoIP關鍵技術分析
   VoIP要實現的是通過網絡來傳輸語音,通過分組交換來傳送信息,不可避免的會出現分組丟失、失序到達和抖動等情况,造成語音質量下降,因此必须通過一定的技術來解決這些问題。在VoIP中,采用的關鍵技術主要有编碼技術、信令技術和QoS保障技術等。
1.1.1語音編碼
   在VoIP的通信過程中,語音壓縮编碼是至關重要的一環。它的作用就是把用户語音的PCM(脈沖編码調制)抽樣編碼成少量比特的語音帧,從而大大地節省了網絡的帶宽,而且使得語音在链路產生誤碼、網絡抖動和突發傳输時具有很強的健壯性。
   語音編碼算法需要考慮三個方面的問題:編碼比特率、語音質量和算法復雜度,但這些指標時互相影響的。比特率越低,線路利用率越高,但語音質量會受到影響;在同样比特率的情況下,算法設計越复雜,語音質量會有所提高,但延時會增加。實際的编碼方案和算法就是在上述三個指標中取得折中。
   目前應用於VoIP通信中的編碼技術主要是由ITU-T建議的應用於低速率多媒體服務中語音信號的壓縮算法,如G.723,G.729等。
1.1.2信令技術
   信令控制技术是保證VoIP 建立呼叫和傳輸數據等環节正常運行的基礎。信令在通信網中實現認證、資源分配和计費等功能,信令系統的體系結構和復雜程度在很大程度上決定了網絡的可擴展能力、互通能力和業務提供能力。目前。工業上主要采用的協議為ITU-T公布的H.323協議。
   H.323是有關“基於分組的多媒體通信系統”的系統协議簇,它涉及通信控制、網絡接口和終端設備等,實際上是一個框架性的系列協議。在信令控制方面,主要是通過H.225.0 和H.245實現的。H.225.0的作用是把要傳输的音頻、數據和控制流格式化成為消息輸出到網絡接口,同時還要從网絡接口輸入的消息中檢索出音頻、數據和控制流。而且,它還能實現適合於各媒體類型的邏輯成帧、序列編號等。H.245是多媒體控制協議,主要是用来傳送終端到終端的控制消息,包括打開和關閉邏輯信道、模式參數請求等。
1.1.3 QoS服務质量保障技術
   在VoIP的通信流程中,模擬的語音信号需要被壓縮編碼、打包、IP網上傳輸和語音恢复等。這些過程都是有一定延遲時間的。所有的這些延遲加起来就構成了VoIP的總時延。为了保證通話質量,VoIP系統的總時延要求在400ms以下。相比較而言,語音編解碼過程的時延较小,產生延遲的主要原因还是IP網絡上的傳輸延遲。为了防止網絡傳輸時延过大影響通話效果,目前常采用資源預留協議(RSVP)來減小時延。RSVP協議要求每臺參与VoIP業務的機器都必須預留必要的資源來保障VoIP性能。
   另一方面,語音包從源端傳送到目的端的传輸時間不同會引起通話時延抖動問題。這種時延抖動問題是由在接收端增加消抖動緩存器來解決的。在緩存器中延遲的時間要恰到好處,時間太短,一些語音包沒有到達,沒有起到消除抖動的目的;時間太長,這將會增加VoIP語音傳輸总的時延。所以通常采用自適應延迟算法,它是根據RTP報文中的時戳和丟包率來判斷當前網絡的抖动情況,自動調節每一個包的延遲。
   此外,IP網絡總是存在著阻塞現象,基於UDP傳輸協議的RTP語音包不可避免會存在傳輸丟包現象。通常情況下,都是單個丟包現象為主,两個或兩個以上包丟失的比率要比單包丟失的比率小得多,大量连續得丟包現象更是少見。對單包丟失情況可以采用前向糾錯法(FEC)來解決丟包引起得通话質量問題,即在每次傳輸時,都多攜帶前面一個或幾個的語音包的冗余信息,當接收端發現當前的包丟失時,就有可能利用後續到來的包攜帶的信息對当前包進行恢復[2]
   除了上述通過解决時延、抖動、丟包問題来保證VoIP服務質量外,,靜音檢測技術和回聲消除技術也十分關鍵。靜音檢測技术可以有效剔除靜默信號,減少話音信號占用帶寬。回聲消除技術主要利用數字濾波技術來消除對通話質量影響很大的回聲幹擾問題,以保證通話質量。
1.2VoIP體系結构
   一個典型的VoIP系統主要由終端、網守、網關等組成,簡單的可實現VoIP模型不具有QoS控制機制,从實用的角度出發,下面分析一種QoS增強的VoIP体系結構如圖2,並分析其具體實現。
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                     圖2 QoS增強的VoIP體系結構圖
   終端設備可以是普通的電話機、電腦,也可以是集語音、數據和图像於一體的多媒體業务終端。不同的終端產生的語音信號数據結構是不同的,而這些信號需要在同一個網络上按照同樣的標準傳輸,這就需要由網關或者一個適配器來進行數據轉換,形成统一的IP數據包。這種數據轉换包括模數轉換和壓縮編碼。VoIP電話系統中最重要的是網關,它提供IP網络和電話網及其它網絡之間的接口,例如H.323網關可連接H.323網絡和非H.323網絡,可以完成业務信道編碼的轉換及信令控制的转換、接續,確定被叫的接續位置,同時選擇最佳路由,以減少時延。網守類似於PSTN的程控交換機,它能夠為网絡中的終端和網關提供地址解析、訪問控制、安全檢查、呼叫控制信令以及呼叫管理功能[3]
   QoS控制器是實現QoS控制的關键部件,連接準入控制,對终端的優先級配置,對语音分組的IP優先服務及對MAC幀的優先級控制都由它直接決定。它的主要功能包括用戶界面、協議交互、遠程網絡設備配置及網絡性能測試等。当終端用戶發起呼叫時,QoS控制器將從網守處得到呼叫請求,它首先會根據呼叫終端和被呼叫終端的IP地址獲得网絡通信路徑,利用它所攜帶的帶寬和時延等測試工具獲得實時网絡性能,同時根據通信要求的基本QoS指標设定網絡可用性的QoS域值,與測得的實時網絡參數進行比較,若要求能被滿足,則返回連接準許消息,同時附帶所測網絡參數给終端用戶以指示。這樣可以避免進一步的網絡擁塞,同時很容易擴展為資源預留模型,用戶只需要把終端優先級設為最高優先級,QoS控制器就可以代替終端發起資源預留,根據兩端的IP地址建立保留路徑的消息,一旦路徑符合要求,将最快將資源轉給高優先級的終端。
2 企業VoIP技術解決方案
   現在大部分企業都使用兩個網絡,即PSTN和LAN。運用VoIP技術,通過技术整合,將傳統企業PSTN語音業务與傳統LAN數據業務合二為一,使之能
轉贴於 免費論文下載中心 http://www.hi138.com 夠在一個網絡上實現低成本的IP語音和IP 數據服務,這对於增強企業LAN網絡非IP呼叫處理能力、擴展其使用功能、降低企業對外經營業務成本費用(大量長途電話、传真、視頻會議、語音多媒體網絡信息服務等)具有非常重要的現实意義。下面就介紹幾種企業內VoIP的實現方案。
2.1 基於PBX的企業VoIP實現
   大部分企業具有PBX(專用分組交換機)交換系統,具有PBX交換系統的企業相当於是作為市話局的一個用戶端局接入了城市PSTN系統,使企業PBX交换系統占有PSTN市話系統獨立的中繼局向和若幹中繼號碼资源,以將企業內部話務量按一定比例集中分配到與市話網連接的中繼線上。這实際上是一種傳統的基於物理端口或電路交換形式的固定連接方式,它必须使PBX的每一部用戶分機與交換機的某一物理端口相關聯,在用戶位置發生變化時,用戶電纜的物理配置相应也要發生變化,這使网絡的擴展性與系統配置的靈活性受到了很大的限制,因而企業希望能夠通過VoIP網絡整合技术來解決此問題。
   在企業級VoIP系統中,終端設备之間的連接主要基於邏辑上的網絡結構,一個基於電路連接的物理端口可以對應於若幹個邏輯端口,邏輯端口數目可由關守定義,设備IP地址按邏輯信息進行标識,通過包交換形式,不僅同樣可以從PBX的前向話音時隙交換中分離出話音信號和呼叫控制信號,達到在LAN數據網絡上實现對語音信號的數字轉换和傳送的目的,同時,還可以通過呼叫服務器對設備的IP 地址進行管理(增加、刪除和修改),因此在網絡扩容或用戶變更時,不需要對交换機物理端口進行配置,僅需对部分或個別邏輯端口重新定義或对IP地址進行修改即可[4]
   VoIP網关+模擬話機的方案能兼容企業傳統的PSTN電話交换網絡,實現傳統電話網絡向IP網絡的逐步過渡。典型的VoIP網關+模擬话機系統由電話終端、網关、網守和多點接入控制單元等構成,基於H.323協议所定義的協議模型。其基本結構如圖3所示。
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图3 基於PBX的企業VoIP語音系統構成
   企業用戶通过話機發出呼叫後通過PBX接到网關上,網關根據呼叫的接入碼触發相應的業務流程,進而與用戶進行交互,獲得被叫號碼信息;網關在獲得被叫號碼信息後,與網關上已經設置好的路由數據進行比較,如果被叫號碼對應的號首已經有相應的路由數據,則網關直接核對端網關之間建立起IP通信,如果被叫號碼對應的號首枚有相應的路由數據,則呼叫失敗,網關可以提示用戶不能接通,並允許用戶重新撥打被叫号碼;兩個網關之間的呼叫建立起來後,被叫網關將向被叫用戶所在的PSTN交換機或PBX發起呼叫建立請求,如果被叫號碼存在且空闲,則被叫話機將振鈴;被叫在振鈴后摘機,主被叫用戶通过IP電話網關和IP電話網络可以通話,其中語音從交換機傳送到網關後,網關將對語音進行壓縮,然後將壓縮後的語音包打成IP包的形式並通過互聯網傳送到對方網關,恢復成壓縮後的語音包並進行解压,使其恢復成正常的語音包,并讓用戶能夠通話。
2.2 基於LAN的企業VoIP實現
   目前,局域網的主要應用是數據交換和信息共享服務,如果充分利用現有的LAN資源来實現傳統的PSTN語音服務,則可以为企業節約大量的通信費用,甚至有可能替代原有的企业內部電話總機。VoIP技術在網絡中得到了廣泛應用,許多關鍵技術和產品日漸成熟,系統設備的價格也越來越低,使得基於LAN的VoIP應用成為可能。
   在原有LAN設備基礎上增加LAN-PSTN網關(LPG)、LAN-WAN Exchange網關(LWEG)、系統管理服务器(SMS)和數字終端(DVT)即可構成LAN-VOIP電話系統。
   DVT在此系統中相當於傳統PSTN中的普通電話機,通常在LAN中有兩種方法可以實現DVT,一種是軟件方法,利用LAN中現有的計算机硬件資源,如聲卡、網卡等,並加上一定的软件來實現,稱之為“軟件模式”;另一種是“硬件模式”,使用專門的VoIP終端话機。它提供一個與传統話機一樣的撥號界面,并且提供一個以太網接口,用來接入LAN的HUB或交換機,具有語音壓縮與還原功能[5]
   基於LAN的IP電话系統中,SMS是十分重要的組成部分,它的作用如同PSTN中的PBX,它主要完成一下功能:呼叫連接管理、鑒權、語音信箱和系統功能維護。基於LAN的VoIP電話系統構成如圖4。
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                     圖4 基於LAN的企業VoIP語音系統構成
   圖中SMS服務器與LAN中的Switch HUB相連,LPG的一端與外部的PSTN網连接,另一端與HUB相連,DVT直接與LAN各級Switch HUB相連。
   當企業用戶通過DVT發出呼叫時,在DVT與SMS之間通過TCP協議交換控制信息,然後由SMS負責發起呼叫,LAN Switch HUB接到呼叫信息後,檢查信息頭部,选擇合適路由,並發送信息。如果被叫用戶是傳統PSTN用戶,則通過LPG,它負責LAN用戶與传統PSTN網的連接。如果被叫用戶是LAN用戶,則通過LWEG,它能實現LAN用戶與外部廣域網用戶之間的語音通信。
   論文介紹的兩種方案均是采用VoIP來實現語音通信,即語音數據均是通过IP網絡進行傳輸,但是二者也有不同之處。基于LAN的方式可以實现PC與PC和PC與普通PSTN電話終端之間的通信。其中PC與PC之間利用IP地址進行呼叫,这種方式和公用電話通信有很大的差異,且限定在因特網內。PC与普通PSTN電話終端之間的通信是由網關來完成IP地址和電話號碼的對应與翻譯,以及話音編碼與解包。基於PBX的方式只可以實現普通PSTN電話終端之間的通信,因為普通電話終端只能設計成呼叫PSTN号碼的形式,復雜的IP地址不能在上面進行呼叫。
   以上兩种方案主要是針對現在企业內部網絡的情況提出的,實際上企業網實施VoIP技術,組網方案還會有多種靈活选擇形式。重要的是在能夠保證系統所需功能及服務質量QoS的前提下,企業要能夠根據自身網絡的不同情況和不同需求,按网絡整合最低投資成本在眾多可供選擇的配套方案中做出最合理的選择,以避免給實施VoIP技術帶來盲目性。
3 結束語
   如果我們審視一下企业信息化的進程,就可以充分認識到企業VoIP通信與眾不同之處。隨著ERP和電子商務等IT應用深化到企業管理和生產之中,企業對其內部以及外部的通信模式提出了新的要求,即簡化网絡、降低管理成本和高效溝通,這就不難理解為什麽VoIP會成為今天企業信息化的新寵。
   但是現在企業信息化已不僅僅滿足於提供單纯的話音服務,在未來的VoIP業務中,除了单純語音業務外,一些增值業務的份額也將逐步增加,例如,數據傳真、視頻會議、遠程监控等方面,其中視頻會议將成為VoIP最具代表的優勢體現。無線局域網絡(Wi-Fi)與VoIP电話相結合也是一項重要的發展趨势。目前,VoIP的發展正處在一個多樣化的階段,技術也越來越成熟,我們有理由相信,在不遠的未來,VoIP將给人類帶來全新的通信概念。
參考文獻
[1] 靡正琨.IP網絡電話技術[M].人民郵電出版社,2000,6.
[2] Markopoulou A P,Tobagi,F A,Karam MJ,Assessing the quality of voice communitions over Internet backbones[J],IEEE/ACM Transactions on Networking,2003,11(5):747-760.
[3] 宋鐵成.IP電話的关鍵技術及其應用[J].電信技术,2001,(1):22-25.
[4] 高強,張月峰.VOIP技術-語音和數據的集成[J].中國有線電视,2003,(24):19-20.
[5] 謝海滔.VOIP技術的應用實例[J].铁道通信信號,2004,40(2):23-24.

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