IP电话网络与产品浅析

江西省数据通信局刘勇1IP电话网络与产品浅析一、IP电话网的网络模型IP电话网通过网关/关守及其他支持系统将现有公用电话交换网与现有IP网进行互联，利用IP网在技术及经济上的优势，最大限度使用IP网资源，实现电话业务在两网中互通。IP电话网的构成如图1所示。由上图可见，IP电话网主要由三部分构成，即：网关、关守和支持系统。它们的主要功能定位如下：网关（Gateway,以下简写为GW）功能为：语音编码转换、通信协议转换、呼叫建立/拆除、为电话用户提供IVR、单独或与GK配合完成计费。GW相当于在IP网络和电话网之间的“桥”，完成电路交换与分组交换之间的协议转换，对于不同的话音传送格式和不同的通信规程进行翻译。关守（Gatekeeper,以下简写为GK）功能为：为GW提供路由、呼叫认证/授权控制、带宽控制和管理、域管理、采集原始计费信息。GK是GW的管理者，控制GW完成呼叫接续过程。GK应完成用户信息、GW信息的收集与管理、GW路由策略的构造与实施、GW状态管理等内容的域管理；与认证中心配合进行用户身份认证及授权控制；在总体上进行服务质量管理，如呼叫允许控制、带宽管理等。为了加快呼叫建立时间，GW上亦可具备地址转换缓存功能。支持系统主要包括认证、计费、网管及业务管理中心。认证中心负责存储用户在基本数据，完成用户的身份认证；计费中心负责计费信息的采集及处理并最终产生计费话单；网管中心负责网络设备的监控及故障处理；业务管理中心负责业务管理。二、IP电话的主要开发组织与标准IP电话的国际标准化组织主要有国际电信联盟标准化部门ITU－T、欧洲电信标准协会（ETSI）、Internet工程任务组（IETF）和国际多媒体电子会议协会（IMTC）等；国内标准化组织为新成立的中国IP标准研究组等，简要介绍如下：（1）ITU－T：国际电信联盟侧重于从电信的角度制定IP电话网的标准。其下属的SG15、SG16研究组最主要的工作就是制定H.323系列建议。PSTNPSTNIPNetworkGW/GKGW/GK支持系统图1IP电话网的构成江西省数据通信局刘勇2（2）IETF：Internet工程组作为IP网络各类标准的制定者，在IP电话标准的开发过程中起着举足轻重的作用。由于IP电话技术涉及电信和IP两方面，人们在开发相关标准时，往往同时提交给ITU-T和IETF。IETF制订的会话初始协议（SIP）用于使Internet和PSTN两个网络互通。IETF的IPTEL工作组负责制定相关协议和杠架文件，包括呼叫处理语法等。MMUSIC工作组负责开发电子会议会话标准，并起草SIP协议。（3）ETSI：欧洲电信标准协会侧重于IP电话网的商业实现，其下属的TIPHONE工程组的主要目标是规定一套业务互通性要求，确定接口和功能方面的体系结构，对呼叫控制程序，信息流和协议进行规定，研究端到端服务质量参数，E.164地址与IP地址之间的转换，同时规定计费和安全方面的问题。（4）IMTC：侧重于解决各厂家的产品互通性问题。它由来自北美、欧洲和亚太地区的150多个成员组成。宗旨是建立开放的国际标准，推动交互式多媒体远程会议的解决方案的应用和实现。IMTC的VOIP论坛不定期地进行一些活动来制订标准，促进IP电话业务。它的I.NOW!工作组由Vocaltec和Lucent、Cisco等IP电话行业的先导者、大厂商们所创立，主要致力于各厂商产品的互通性工作。（5）中国IP标准研究组：经信息产业部批准，中国IP标准研究组于99年7月14日成立。它的首批成员包括中国电信、中国联通、吉通公司、清华大学、北京邮电大学及上海贝尔等27个单位。这一研究组的成立，对于规范和推进我国的IP业务发展具有重大意义。它的主要任务是：组织研究组各成员单位对IP业务应用及网络设备技术标准展开研究；编制标准专业体系；组织标准草案的起草、推荐；组织开展IP标准的研讨、交流。目前，该研究组正在致力于制定一个符合中国国情的IP电话网络的标准体制。三、IP电话的核心协议目前各标准化组织对在IP网络上承载实时业务（话音、视频等）的方式均相同，都是利用源自IEIF的RTP协议，但是在呼叫建立和控制方面则有着不同的方案，主要可分为两大类：H.323协议和SIP协议，它们是关系到IP电话网质量好坏的核心协议。另外，近期随着IP电话在全世界开始大规模商用，又出现了第三类适应电信级要求的协议：MGCP协议。（1）H.323协议：近期关于H.323协议介绍的文章很多，下面就不详细阐述了，仅作简单归纳。H.323属于ITU多媒体通信协议系列H.32x，提供基于分组网络的话音、视频、数据和控制等协议。H.323协议是一个基于包交换的协议，它主要是说明多媒体终端在一个不保证服务质量的数据包交换网络中是如何运行的。从H.323协议的定义可以看出，实际上该协议并不依赖于IP网络，但现实中几乎所有的H.323工具都是基于IP网络开发的。H.323最基本的服务单元是一个域（ZONE），它的系统结构包括：H.323终端、网关（Gateway）、关守（Gatekeeper）、多点控制单元（MCU）。H.323支持点对通信及在MCU支持下的点对多点通信协议，H.323作为一个协议框架，提供了系统及组成部分描述、呼叫方式描述以及呼叫信令程序。H.323相关的协议包括H.263、H.261视频编码标准和G.711、G.723、G.722、G.728音频编码标准；T.120多点数据会议系列标准；T.38实时传真标准；H.225.0分组和同步标准；H.245系统控制标准等。（2）SIP协议：SIP是由IETF推出的会话初始化协议，是种基于文本的协议，采用SIP规则资源定位语言描述。它不象H.323提供了所有的通信协议，而是只提供了呼叫的建立与控制功能。它应用于IP电话，与H.323建议相比，具有简单、灵活的特点，不象H.323非常复杂。SIP协议目前还处于IETF的标准化阶段，支持的厂家很少。（3）MGCP协议：因为H.323协议和SIP协议都没有很好的处理好与PSTN网信令（尤其是与七号信令）的接口，所以为了解决这一问题人们对H.323协议中的H.GCP协议进行了加强，开发了MGCP协议，以支持未来电信业的大规模应用。MGCP协议又称为媒体网关控制协议，它把网关逻辑地分为三个部分：媒体网关控制器江西省数据通信局刘勇3（MGC）、信令网关（SG）、媒体网关（MG）。其中，①媒体网关控制器用于对媒体网关和呼叫进行控制，并和关守接口。②信令网关用于负责连接七号信令网，在PSTN信令和包信令之间提供中介。③媒体网关用于提供PSTN和IP之间的媒体映射与编码转换功能。MGCP协议正式形成于99年5月，虽然该协议比较新，但由于它是专门为大规模应用而开发的，目前已有多家设备生产商宣称已经在设备上进行了实现。四、IP电话语音的编码方案话音编码标准的选择是影响IP电话通信质量的重要方面，也是进行IP电话网络业务量设计的重要依据之一。较高速率的编码标准对话音质量较易保证，但占用网络资源大；较低速率的编码标准对话音质量较难保证，但占用网络资源小。目前ITU已经公布了一系列话音编码标准，如G.711、G.722、G.728、G.729、G.723.1等，这些标准采用不同的算法，其特点如下表：编码标准算法速率（kbps）G.711PCM48/56/64G.722SubbandADPCM48/56/64G.723.1MDE/ACELP5.3,6.3G.728LD-CELP16G.729ACELP8GSMGSM13.6为了测试以上标准在实际使用中的效果，电信总局在广东和湖北两地先后进行了试验。下面摘录广东局的部分测试结果如下：压缩标准数据率（Kbps）分组包含帧数每帧大小（K）VAD占用带宽(Kbps)(单程)GSM13.6220Off24.388320Off20.784G.7298110Off52.295310Off23.352130Off21.184G.723.16.3230Off13.800330Off10.175230on7.710由上面的试验结果可知：IP电话网中的话音分组包除了包含实际的语音信息（帧）外，还包括了帧头、帧尾、包头、包尾等开销，因此，任何一个语音压缩算法在IP电话网中所压缩的对象是话音分组包，而不是纯粹的话音信息包。所以压缩算法的实际压缩效率与话音分组包中所包含的话音帧数量及话音帧的大小有关：话音帧越大，实际压缩效率就越高；每个分组包所包含的话音帧的数量越多，实际压缩效率就越高。就上表而言，显然G.723.1标准的试验结果较为满意，可以作为标准的IP电话网语音压缩算法。但是根据通信理论，我们知道压缩率越大，则压缩时间就越长；即压缩率最高的算法，其压缩时延也最大。因此对于G.729、G.729a,由于其编码速率亦较低，而且其编码时延较G.723.1小，所以在IP电话网关中也应加以支持。另外从互通性方面考虑，IP电话网网关对其它的编码标准亦应全部或部分支持。五、IP电话网中的信令由IP电话网络模型可知：IP网关应支持网关与电话网互联的信令方式；由网关完成电话网的信令至H.323协议的转换。具体接口关系见图2。IP网关与市话汇接局之间的信令可采用No.7信令和R2信令，当市话汇接局为ISDN交换局时，市话汇接局与IP网关之间的信令还可采用DSS1信令。IP网关与移动关口局之间的信令可采用No.7信令和R2信令。IP网关与长途局之间的信令可采用No.7信令和R2信令。江西省数据通信局刘勇4随着通信技术的发展，No.7信令的应用领域已越来越广泛，由于No.7信令在缩短接续时延，提高通信质量、提高信道利用率等方面具有很大的优越性。因此，在可能的情况下，IP网关与市话汇接局、移动关口局及长途局之间的信令应优先采用No.7信令。若IP网关与市话汇接局、移动关口局及长途局之间的信令采用R2信令，为实现主叫类别IP电话的身份认证，IP网关必须具备接收主叫号码的功能。为便于主叫类别IP电话的身份认证，各本地网内的IP网关应具有在主叫号码前加发本地长途区号的功能。六、IP电话网的支持系统1、认证子系统用户使用IP电话业务时需进行身份认证，通过认证的用户经授权使用其业务，用户身份认证的关键技术问题涉及到认证方式、认证协议、用户数据库。与业务类型相适应，认证方式亦分成两种形式：①记账卡认证方式；②主叫号码认证方式。根据在认证过程中对RAS的采用与否，认证协议可分为两类：①采用H.225.0RAS：由GW收集用户信息后使用RAS通过GK到认证中心进行身份认证。GK与用户数据库间的认证协议可以在数据库接口、LDAP等方案中进行选择。这种方案需要对RAS的消息内容进行一些扩充，特别是在认证授权和认证拒绝等方面。②采用RADIUS协议：由GW收集用户信息后，GW作为RADIUSClient与认证中心设置的RADIUSServer进行交互完成身份认证。用户数据库存放用户信息及其帐户信息，是全网的业务核心之一。数据库的结构应进行良好的设计以满足业务需求和性能要求。数据库的容量应根据全网用户容量进行规划。2、计费子系统IP电话网的计费系统由计费信息采集点和计费中心组成。计费信息采集点负责计费信息的采集和上传，计费中心负责计费信息的处理。计费信息采集点采集呼叫详细记录（CDR，CallDetailRecord），然后将之送至计费中心进行计费处理，对于不同的用户类型，计费过程亦不同。①对于主叫号码用户，计费中心根据CDR按计费周期进行处理，生成清单下发。②对于记账卡用户，要求实时计费，并能实时断线。对于有余额限制的情况时，计费系统应具备计费监视功能。计费中心可以从用户数据库提取余额给计费信息采集点或折算成最大可能话时间传给计费点，计费点启动相应的定时器以免用户透支。GWGKGWPSTN/ISDN/GSMPSTN/ISDN/GSMGK认证、计费、网管等所用规程协议GK间互通协议与电话网互连信令与电话网互连信令IP协议H。323内协议（H.225.0,H.245）图2江西省数据通信局刘勇