作者：刘洪林,蒋昌茂,等
出版社：电子工业出版社
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IP语音通信原理、设计及组网应用试读：
前言
通信行业正处在一个新的转折时期，无论是技术、网络、业务，还是运营模式都在经历着一场前所未有的深刻变革。从技术的角度来看，电路交换技术与分组交换技术趋于融合，主要体现为话音技术与数据技术的融合、电路交换与分组交换的融合、传输与交换的融合、电与光的融合。这将不仅使话音、数据和图像这三大基本业务的界限逐渐消失，也将使网络层和业务层的界限在网络边缘变得模糊，网络边缘的各种业务层和网络层正走向功能上乃至物理上的融合，整个网络将向下一代融合网络演进，终将导致传统电信网、计算机网和有线电视网在技术、业务、市场、终端、网络乃至行业运营管理和政策方面的最终融合。从市场的角度来看，通信业务的竞争已达到了白热化的程度，各个通信运营商都在互相窥视着对方的传统市场。从用户的角度来看，各种新业务应运而生，从而使用户有了更多、更大的选择空间。但无论从哪个角度，在下一代的网络中，我们将看到三个世界：从服务层面上，看到一个IP的世界；从传送层面上，看到一个光的世界；从接入层面上，看到一个无线的世界。
在IT技术一日千里的信息时代，为了推进中国通信业的快速、健康发展，传播最新通信网络技术，推广通信网络技术与应用实践之经典案例，我们组织了一些当今正站在IT业前沿的通信专家和相关技术人员，以实用技术为主线，注重实际经验的总结与提炼，理论联系实际，策划出版了这套面向21世纪的《现代通信网实用丛书》。该丛书凝聚了他们在理论研究和实践工作中的大量经验和体会，以及电子工业出版社编书人的心血和汗水。丛书立足于现代通信中所涉及到的最新技术和成熟技术，以实用性、可读性强为其自身独有特色，注重读者最关心的内容，结合一些源于通信网络技术实践的经典案例，就现行通信网络的结构、技术应用、网络优化及通信网络运营管理方面的问题进行了深入浅出的翔实论述。其宗旨是将通信业最实用知识、最经典的技术应用案例奉献给业界的广大读者，使读者通过阅读本套丛书得到某种启示，在日常工作中有所借鉴。
本套丛书的读者群定位于IT业的工程技术人员、技术管理人员、高等院校相关专业的高年级学生、研究生，以及所有对通信网络运营感兴趣的人士。
在本套丛书的编辑出版过程中，我们受到了业界许多专家、学者的鼎力相助，丛书的编著者们为之付出了大量的心血，对此，我们表示衷心的感谢！同时，也热切欢迎广大读者对本套丛书提出宝贵意见，或推荐其他好的选题（E-mail：mariams＠phei.com.cn），以帮助我们在未来的日子里，为广大读者及时推出更多、更好的通信网络技术类优秀图书。
电子工业出版社通信分社前言
从2000年开始，网络电话（VoIP技术）在国内从神秘概念开始进入大规模的商用，特别是在民间，网络电话的应用进行得如火如荼、方兴未艾，各种新的技术和应用层出不穷，从当初的H.323协议到后来的MGCP协议，乃至SIP协议的应用都发挥得淋漓尽致。国内用户对网络电话的概念已经完全不陌生了，而且网络电话的普及也反过来促使国内的电信运营商打破传统的思维，利用网络通信的优点改造传统通信企业。到目前为止，电信运营商的通信承载网绝大部分已经完全IP化，电信运营平台也已经采用了NGN软交换平台，这为运营商进入3G的应用奠定了基础。
编写本书的目的，是在介绍网络电话基本理论知识的基础上，把编著者在实际应用过程中积累的知识和经验介绍给大家，使大家明白网络电话是怎样工作的，以及如何进行组网应用。所以，在阐述本书相关内容时采用了大量的实例作为支撑，这些实例大都可以从相关的网站下载DEMO版来安装、测试和使用，这和正版的使用完全一样，只是规模有所限制。
本书由刘洪林、蒋昌茂、张建永编著，其中第2～5章由蒋昌茂编写，第1章和第6～10章由刘洪林、张建永编写。在编写过程中，苏琼芳负责翻译了第3、7、8章有关英文技术文档资料，陈秀莲女士（桂林图书馆）在资料查寻中给予了帮助和支持，周小龙先生对本书中存在的问题给予了指导和建议，此外还得到刘荣、黄顺珍、刘洪斌、黄小军、陈长寿、莫云飞、张保忠、李飞林、李先谱和梁开泉等的支持和帮助，在此一并表示衷心感谢。
由于IP语音通信技术处于快速发展当中，新的理论和技术层出不穷，加上编著者的水平有限，书中难免会有一些观点和见解存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。
E-mail：glfax＠21cn.com
编著者
2009年8月第1章 VoIP概述及发展背景
本章要点
传统电话发展历史回顾
网络电话的概念及发展背景
网络电话国际、国内发展状况1.1 传统电话发展历史回顾1.1.1 电话交换技术的发展
自1876年美国贝尔发明电话以来，随着社会需求的日益增长和科技水平的不断提高，电话交换技术处于迅速的变革和发展之中，其历程可分为三个阶段：人工交换、机电交换、电子交换。
电子交换是随着半导体器件和计算机技术的诞生而迅猛发展起来的，正因为这种交换方式具有设备体积小、速度快、便于提供有效而可靠的服务等优点，引起了世界各国的极大兴趣，科研人员相继研制出各种类型的电子交换机，而存储程序控制交换机（简称程控交换机）就是其间发展起来的主流电子交换机。
程控交换机一般在话路部分中传送和交换的是数字语音信号，因而也习惯称之为程控数字交换机。随着数字通信与脉冲编码调制（PCM）技术的迅速发展和广泛应用，从20世纪60年代起，世界一些先进国家以极大的热情开始竞相研制程控数字交换机，而法国于1970年开通的世界上第一个程控数字交换系统E10，标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代，使电话交换跨上了一个新台阶，从而使开通非话业务，如数据、图文传真、用户电报（Teletax）、可视数据（Videotex）、图文传视力（Teletext）及电子邮件（Electronic Mail）、图像信息等，实现综合业务数字交换成为可能。1.1.2 综合业务数字交换网的发展
在数字程控交换机投入使用后的一段时间内，各种不同的公网是同时并存的，并分别提供不同的业务，造成相对独立的割裂状态。例如，电话网提供语音业务，用户电报网提供文字通信业务，电路和分组交换网提供数据传输业务，等等。而此时交换机的性能和功能已经可以通过单一的通信网络提供语音、文字、数据、图像等业务，这样综合业务数字网（Integrated Service Digital Network，ISDN）就孕育而生了。
ISDN是一种新型的广域网交换技术，是以综合数字电话网（IDN）为基础发展而成的，它能够提供端到端的数字连接。普通模拟电话网采用数字传输和交换以后就变成了IDN，但是在IDN中，从用户终端（如电话机）到电话局交换机之间仍是模拟传输，需要配备调制解调器才能传送数字信号。而作为全数字化网络技术的ISDN能将用户和电话局之间的用户线变成数字连接，这样它就可以使从一个用户终端到另一个用户终端之间的传输全部数字化，而不再需要调制解调器。
20世纪90年代以来，计算机和通信技术的迅速发展，使人类正在进入信息知识社会，一场以数字化为核心的信息技术革命正在迅速改变人类社会的面貌。数字化已经成为信息技术发展的潮流，数字化的生活方式已成为大势所趋。计算机应用的普及，数字相机、数字摄影机、VCD、数字视频广播（DVB）、数字声音广播（DAB）、可视电话、会议电视、数字仪器仪表、DVD光盘以及数字电视等数字化产品的不断出现，使得远程网络会议、远程网络医疗、电子商务、电子数据交换、电子商场、远程网络教育、居家办公、图文电视、网上理财和网上旅游等一些网上活动逐步走进了人们的生活，普通用户通过ISDN就能进入Internet（因特网），享受丰富的知识和文化信息，这时人们不再局限和满足于看和听的表达方式，网络电话技术就是因此发展起来的。1.2 网络电话的概念及发展背景
我们所说的网络电话通常称为IP电话，它是在以IP（Internet Protocol）为网络层协议的计算机网络中进行语音通信的系统，它采用的技术统称为VoIP（Voice over IP）。IP电话是将语音信号数字化后，再以数据封包（Data Packet）的形式在 IP 数据网络（IP Network）上进行实时传递，因此我们也称之为VoIP电话。目前所说的网络电话是分组交换技术和PSTN网络融合后的结果。1.2.1 网络电话的产生
Internet商业化以后，不但在世界发达国家迅速发展起来，在发展中国家也非常时兴。在一些国家（如美国），本地电话Internet接入采用包月制，不限时限量，因此Internet是近乎免费（Free）的，人们都希望能通过这种近乎免费的网络进行传统的电话和传真服务。
1995年初，以色列的VocalTec公司推出了客户端IP电话软件——Internet Phone。这是一款在PC上运行的软件，用户只要在多媒体PC上安装该软件，就可以通过Internet和任何地方安装同样软件的联机用户进行通话。这项技术上的突破引起了全世界的瞩目，其背后的无限商机也使许多公司进行此项技术的研究，从而使IP电话技术得到迅速发展，人们把这种在Internet上实现的电话业务称为Internet电话，应该说这是IP电话的雏形。尽管一开始VocalTec公司没能很好地诠释IP传送语音的概念，但它无疑是第一个成功地使IP电话商用化并推向市场的公司。
经过5年的发展，IP电话成为信息技术进步所带来的一项新型电话业务在全世界开展，并对传统电话业务形成越来越大的威胁。IP电话从当初的PC到PC，发展到今天的PC到PC、PC到电话、电话到电话等多种业务形式，但不论是现在还是将来，电话到电话的应用将拥有最大的市场。IP电话的承载网络可以是Internet，更多的是遵循TCP/IP协议的专用网或Intranet。因此对我们来说，IP电话／传真就是通过IP网络传送的电话／传真业务。IP网泛指基本TCP/IP协议的网络，包括因特网（Internet）和企业网（Intranet）。1.2.2 网络电话迅速发展的背景和原因
IP电话迅速发展的背景，从最初的Internet联网应用到可以利用普通电话实现通话，IP电话在短短的几年间得到了非常迅速的发展。IP电话为什么会在这样短的时间里引起全球电信界的关注，并且正在或将要对传统的通信方式产生巨大的冲击?这除了IP电话采用语音压缩和统计复用技术节约带宽从而造成运营成本降低外，还有以下两个原因：（1）电话业务历来都是各国管制最为严格的业务，但对于IP电话各国大多采取宽容甚至扶植的态度，如美国将IP电话归类为增值业务，从而不必承担长途电话公司所受的管制规定，这样IP电话提供长途电话业务时，不必向本地电话公司交纳占长途电话费40%左右的接入费。这样庞大的通信市场潜力，必然吸引众多传统和新型的电信公司加入到IP电话的研究、开发和经营的队伍中。（2）各国国际长途电话费存在着严重的不平衡性，且国际长途电话业务在很多国家都是垄断经营的。这样，国际话费低的国家电信运营者可以利用各国对IP电话的政策优惠，通过IP电话向国际话费高的国家渗透，直接或间接进入电信市场中尚未开放国家的国际长途业务经营领域；而资费高的国家可以降低IP电话同国际回叫业务争夺用户，同时开拓新的用户群；在国际电信业务垄断经营国家，新的电信或ISP运营者迫切希望进入这一高利润的垄断经营领域，IP电话的应运而生正好为其提供了一条有效途径。1.2.3 网络电话的发展历程
纵观IP电话的发展，从技术角度来看，迄今为止大致可以划分为以下三个阶段。
1.技术萌芽期（1995—1996）
这一阶段使用PC多媒体计算机作为通话终端。IP电话最早是作为Internet上的联机应用出现的，那时只要通过双方拥有同样的客户端应用软件就可以在Internet上进行实时通话了，当然语音质量存在很多问题。
自从VocalTec推出了软件“Internet Phone”后，很多软件公司相继推出了类似的软件，比如微软的NetMeeting、IDT的Net2Phone、NetSpeak的WebPhone、英特尔的Internet Video Phone等，用户只需在PC上安装客户端软件，并配合麦克风、声卡、音响等设备，就可以在IP网上与同样安装了这些软硬件的用户通话了。由于当时这种应用只限于在Internet上使用，因此那时人们通常将这种应用称为“Internet电话”。这一时期，使用者大多数是Internet上的网迷，语音质量基本没有保证，技术还不完全成熟，人们对它的了解也比较稚嫩。
2.技术发展期（1996—1999）
逐渐地，电信公司开始了解到利用Internet实现语音业务的巨大潜在市场，他们开始考虑如何将Internet和已有的PSTN结合起来，从而更加广泛地为普通电话用户提供业务。于是，用以连接Internet和PSTN的网关设备出现了，由于利用Internet代替传统的长途电话线路可以大大降低成本，许多产品制造商和业务商纷纷看好这一市场并开始制造设备和提供业务。可以说，这时IP电话进入快速的发展阶段。由于利用公司的Internet传输实时的语音存在很多不足，难以保证用户接受的语音质量，这对一项业务来说显然是不行的。因此很多业务商建立了专用的IP网或在Internet上构建VPN来提供语音业务，从而实现较好的语音质量，这时的IP电话也可以真正地称为IP电话了。
3.成熟期（2000至今）
经过前几个阶段的发展，可以说IP电话步入了一个成熟期，这时IP电话具有以下特点：
● 技术成熟；
● 统一标准；
● 全球网络实现互通；
● 语音质量良好；
● 所有的传统电信运营公司都已经开始提供IP电话业务；
● 向IP传输多媒体业务过渡。
目前，IP电话正逐步进入成熟期，各个设备制造商纷纷推出IP电话网关产品，众多电信运营公司也早已经营IP电话业务，IP电话正以强大的吸引力吸引着传统和新型的电信公司。1.3 网络电话国际、国内发展状况1.3.1 国内发展状况
自从2003年中国电信开始南北拆分后，网络电话进入大发展的高峰期。拆分后的南电信和北网通（现已并入新组建的中国联合网络通信集团有限公司）要想进入对方的腹地开展业务，采用传统的铺设线路的做法显然无法在短期内达到效果，而且投资巨大，特别是最后一公里的投资更是不堪重负，但采用宽带建设的模式，大力发展网络用户和利用对方宽带网络用户发展VoIP业务是双方竭力争夺的焦点。
出于保护运营商的目的，我国对VoIP网络电话业务采取了严格的管制，但自从网络电话（VoIP）的概念提出来后，就成为通信市场上的“香饽饽”，它的兴起给设备和软件供应商带来无限的喜悦，却给传统电信运营商带来了不小的麻烦。从2003年起，我国电信运营市场VoIP业务量增长趋势明显，VoIP利用自身的资费优势蚕食着电信运营商的利润。
统计数据显示，在长途电话市场，目前VoIP与PSTN国内通话已经基本持平，但VoIP业务增长率已经高于PSTN。
2006年，电信运营商可统计的IP通话时长为1099.31分钟，同比增长11.8%，占长途电话通话时长的比重为43.61%。专家预计，到2009年我国VoIP在长途通话市场所占的份额将等于或超过PSTN及移动（GSM、CDMA）长途业务的总和。
除了公开的可查的通话量以外，国内还有不少“地下”运营商（没有获得合法代理牌照，但一直从事和大型电信运营商相同的业务），其VoIP国际长途话务量没有纳入统计数据。据统计，2003—2006年，中国“地下”VoIP通话量一直以每年30%的速度增长，2006年VoIP地下国际话务量达到了5.5亿分钟，收入为4.9亿元，增长速度令人惊讶。
VoIP市场在高速发展的同时，其发展模式也在不断创新，规模化优势加上创新的发展模式，依靠更为低廉的价格和高质量的语音，VoIP的增长速度将更加惊人。
我国从VoIP网络电话业务出现初期就采取了严格的管制措施，当时的信息产业部（现为工业和信息化部）在2003年2月公布的《电信业务分类目录》中明确将IP电话业务列入基础电信业务范围，规定“只有具有基础电信业务经营资格的六大运营商才能经营VoIP公司”。
2005年9月，为探索VoIP这一新的商业模式，并为有序监管提供经验，经信息产业部正式批准，中国电信（集团公司）在深圳和江西上饶、中国网通（集团公司）在吉林长春和山东泰安的本地网范围内进行基于VoIP的网络电话试点，试验重点限制在电脑与电话（PC-Phone）的方式。同时，信息产业部强调，除批准试点的两大运营商在规定地区进行试验外，铁通、卫通、移动和联通等公司已经违规开通的PC-Phone语音业务须立即停止相关违规经营，对VoIP公司管制的严厉程度可见一斑。
但是，本已基本成熟的VoIP业务一试点就试了近3年，而被严管的VoIP网络电话公司在一片封杀声中仍在茁壮成长。信息产业部统计资料显示，VoIP业务2003—2006年出现了高速增长的势头，IP电话对传统长途电话业务的分流作用显著增大。显然VoIP网络电话的发展已达不可遏止之势。
由于我国迄今为止仍然把电话作为基础业务，把数据作为增值业务，因此目前我国对VoIP的政策管制还没有完全开放。业内专家侯自强表示：“只有将数据当做基础业务，语音作为增值业务，才能代表未来电信业的发展方向。目前之所以有关部门仍维持封杀VoIP业务，完全是出于保护运营商利益的目的。但是，这一政策却损害了消费者的利益。所以，这种反其道而行的政策不会持续太久。VoIP业务的合法化，时间不会很远。”
VoIP依靠低资费吸引了大量的个人用户，并在发展期成为进一步激发市场需求增长的重要原因。专家表示，从长远发展来看，低资费并不能成为VoIP市场持续发展的本质动力，但是VoIP将演变成家庭综合信息服务的一部分，成为家庭信息服务解决方案的一个基础组成部分。这个综合的家庭信息服务将会向用户提供包括语音通信、家庭娱乐、家庭安全等一系列服务。因此，未来家庭用户将会成为VoIP应用最大的市场用户。
有关专家表示，从美国的统计来看，VoIP业务大约有8%的家庭用户，其中宽带接入用户占到了60%左右。可以说，家庭用户在接入宽带之后，对VoIP的需求成为一个自然的衍生。
专家认为，由于受政策和运营商资质等影响，目前VoIP在中国家庭用户市场的开拓应该是处于一个暂缓期；可能要等到两大基础电信运营商重组，或全业务竞争实现之后，宽带接入市场开放，家庭用户VoIP市场才会快速增长。
从现实情况来看，在电信数据业务中，IP业务已占95%以上，可以说数据承载网业务已基本IP化。近来声讯业务有很好的发展趋势，绝大部分也是IP业务。可以看出，目前电信网中的业务除了传统电话业务外都是IP业务，而电话业务中的长途电话70%已是IP电话。网络的宽带化、IP化成为整个电信网发展的必然趋势。在不久的未来，IP电话将逐步取代传统电话并最终完全IP化，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。1.3.2 国外发展状况
VoIP电话概念已提出10年多了，根据国外咨询公司的统计，IP电话业务量已经占据了全球电话业务量的10%（180亿分钟），IP电话对长途电话的替代作用已经非常明显。然而，由于通话质量等各方面存在的缺陷，IP电话对始发呼叫的传统长途电话的替代作用并没有当初预测的那样乐观，端对端的VoIP电话并没有真正大范围地发展起来。
但最近这两年，随着宽带接入用户的增加，美国已经出现多家通过宽带接入网络提供基于SIP技术的端对端VoIP业务的运营商，而且得到了一批企业的追捧，业务开展也覆盖到全球多个国家。
目前的端对端VoIP电话业务是从PC to PC电话概念转移过来的。SIP类似于HTTP，但支持实时通信：用户可以自由地使用移动电话、普通电话、电脑、PDA（如Palm Pilots，Blackberry，iPAQ等）以及任何IP设备进行通信。SIP不仅支持VoIP通信，还支持即时留言、短信和多媒体会议。
从2001年开始，美国部分公司利用SIP协议提供端对端VoIP。目前，用户要获得服务必须具备两个条件：一是有宽带接入，整个电话接续都是通过宽带网络传送的；另外一个是要有模拟电话适配器（ATA，简称语音网关），通常由VoIP提供者来提供。如果是企业用户，还需要购买充当支持数百个同时呼叫的ATA关口。购买适配器后，用户进行注册，得到业务提供公司所提供的“电话号码”，系统在数据库内把该用户号码与IP地址绑定。客户端使用支持SIP协议的手提电话或者具有相关电话功能软件的电脑。当一端开始拨号时，系统将从数据库中获取与这个号码绑定的IP地址，接着双方就可以通过因特网直接通话。因此SIP电话用户拨打的用户只能是采用相同技术的SIP用户。对用户来说可以把自己的虚拟号码与自己传统的固定电话号码保持一致，便于记忆。对于运营商来说，如果要发展用户，就希望从管制机构申请到一个接入号码，便于用户识别。
刚开始提供端对端IP电话业务的公司基本上是小公司，包括8X8，Deltathree，Net2Phone，Vonage DigitalVoice等。这些公司从2001年或者2002年开始提供SIP电话，但是从2002年该业务才开始得到用户的认可。在这些先锋中，发展用户最好的是Pulver公司的FWD（Free World Dialup）业务，该公司到2003年7月时拥有4.3万用户，但此后半年时间内发展了10万用户，达到了14万户，而且业务范围涉及到178个国家和地区，其网站上有多种文字（包括中文）的介绍。该公司声称，按照现有的业务发展速度，到2004年后半年能够达到100万用户。
2003年延续了2002年SIP电话发展的热潮，多家公司加入到SIP电话业务领域。2003年7月，MP3的创始者Michael Robertson 创立的Lindows公司也加入到提供SIP电话的行列，推出了名为SIPphone的VoIP业务。Rorbertson认为，SIP技术出现的意义不亚于MP3的发明，MP3引发了音乐的数字化，而SIP所带来的就是语音数字化，因此说该技术将使得Internet语音高速增长。
2003年9月初，Skype公司声称开始在其网站上提供免费的宽带连接电话软件，与竞争对手不同的是，该公司除了提供增强安全的防火墙之外，还有网络地址翻译装置。
Skype是一款家喻户晓的网络电话软件，通话质量非常清晰。据悉，Skype全球注册用户已经超过了2亿人，同时在线人数逾1000万人大关。除了大量使用即时通信和网络电话的个人用户之外，许多企业用户使用Skype的SkypeOut服务拨打传统的电话机，大大减少了通信开支。
在欧洲，许多电信服务运营商为了提高运营效率，现在正在升级和采用以太网。当他们这么做的时候，肯定会将网络电话服务考虑进来，将这项服务也作为网络升级的一部分内容。而在日本，网络电话服务发展的动力不会来自电信服务运营商或者有线电视运营商，而是来自第三方宽带服务供应商，比如软银公司。
目前SIP电话的发展得益于宽带接入在家庭用户中的推广、业务质量的改善以及电话呼叫从传统的PC到电话机。对于提供者来说，SIP业务的优势是可以跟其他的宽带业务进行捆绑，包括E-mail、即时消息和视频会议等。相关设备提供商中的大公司认为，一些技术标准（如SIP标准）的出台，大大提高了VoIP电话的质量，达到了大规模发展的阶段。
SIP电话设备领域的佼佼者是北电和Cisco。微软准备在其XP操作系统的最新版本中支持SIP，使得用户能够方便地支持Internet呼叫。Norm Bogen公司预测，多媒体关口的销售额度将从2003年的8 830万美元增加到2006年度的27.4亿美元。
但很多人认为，SIP电话的发展还没有达到大范围发展的地步。笔者认为，美国网络电话发展前景的另外一个关键在于有线电视公司的介入程度。从现实情况看，美国的有线电视运营商虽然希望能够通过SIP电话业务将用户从传统运营商中争取过来，但是大部分有线电视公司的研究表明，SIP业务收入是缓慢增长的，还没有达到一定规模；另一方面，提供SIP电话业务比建设一条传统电话线成本并没有像宣传的那样下降了50%，而是在10%左右。因此，Cox和Comcast明确表示继续对该技术持保留态度。另外，有线电视公司所担心的是设备的可用性，他们认为目前的VoIP设备并不能保证大规模使用（例如，全国使用）。现提供的业务用户范围很小，同一时间内平均只有100个呼叫。
随着全球宽带接入用户的激增，通过宽带提供多种电信业务的趋势是必然的，在这种技术和市场发展的环境下，宽带电话的发展也必将从目前的国际长途电话逐渐走向其他电话服务领域。第2章 网络基本知识及网络电话原理的实现
本章要点
IP网络基础知识
网络电话工作原理及系统组成
网络电话设备功能实现及软硬件设计方法
本章主要介绍TCP/IP协议及实现过程，以及网络电话的工作原理和实现方法。2.1 IP网络基础知识2.1.1 关于计算机网络协议
计算机网络协议是一个非常重要的概念，它是指计算机之间进行通信的规则。为了使处于不同地点、不同网络、装有不同操作系统的计算机之间有效地通信，必须有一种为各类计算机认可的通信方法，任一方所表达的信息均能被其他各方所认同，这就需要指定一种标准：网络协议，它直接关系到网络的互通和传递性能，是网络实现标准化的核心内容。现代网络协议的特征是分层。
参照国际标准化组织（ISO）制定的计算机网络开放系统互连（OSI）参考模型，计算机网络被分成了7层，其定义和功能如下：
● 物理层：定义物理传输媒体及其机械、电气和物理接口。
● 数据链路层：主要功能是确保在相邻节点之间的链路上比特流的正确传送，其代表性的协议是高级数字链路控制协议（HDLC）。
● 网络层：负责将分组消息由主叫用户传送到被叫用户，其主要功能是寻址和线路选择，有一定的拥塞控制。
● 运输层：主要功能是根据用户需要提供端到端的差错控制和流量控制能力，保证分组消息传送的可靠性和有序性。
● 会话层：可提供全双工/半双工/单工会话方式、会话中断后的断点恢复等功能。
● 表示层：定义统一的语法，消除主被叫数据结构表示方法不一致带来的问题，最著名的就是I型抽象语法标记（ASN.1）协议。
● 应用层：定义各种具体应用。
OSI参考模型（OSI-RM）如图2.1所示。
从图2.1可见，下三层协议是相邻节点间执行的协议，解决分组的传送问题，称为低层协议。运输层及其以上各层协议是端到端的协议，解决分组的处理问题，称为高层协议。主机到路由器及通信子网内部只含低层协议，高层协议则位于主机中。
OSI参考模型提出来的分层结构思想和设计原则已被一致认同，有关术语也被广泛采用，但实际情况是没有一个协议是按照7层结构去实现的，其原因就是过于复杂，比如表示层和会话层就很少采用，而用于Internet的TCP/IP协议栈却获得了极大的成功。图2.1 OSI参考模型2.1.2 TCP/IP协议简介
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议／网际协议）是Internet最基本的协议，简单地说，就是由底层的IP协议和TCP协议组成的。
在Internet没有形成之前，各地已经建立了很多小型的网络，称为局域网，Internet的中文意义是“网际网”，它实际上就是将全球各地的局域网连接起来而形成的一个“网之间的网（即网际网）”。然而，在连接之前的各式各样的局域网却存在不同的网络结构和数据传输规则，将这些小型网络连接起来后各网之间要通过什么样的规则来传输数据呢?这就像世界上有很多个国家，各个国家的人说各自的语言，世界上任意两个人要怎样才能互相沟通呢?如果全世界的人都能够说同一种语言（即世界语），这个问题不就解决了吗?TCP/IP协议正是Internet上的“世界语”。
TCP/IP协议的开发工作始于20世纪70年代，是用于互联网的第一套协议。
TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对比如图2.2所示。
从图2.2可看出，TCP/IP的参考模型仅为4层：网络接入层、网际层、运输层和应用层。
1.网络接入层
网络接入层的主要功能如下：
● 主要参与在传输IP分组时建立和网络介质的物理连接；
● 本层包括局域网和广域网技术，以及OSI参考模型中的物理层和数据链路层；
● 接入层的功能包括IP地址与物理硬件地址的映射，以及将IP分组封装成帧。图2.2 TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对比
2.网际层（也称为Internet层）
网际层的主要功能如下：
● IP：提供无连接、尽力而为的分组传送路由；
● Internet控制消息协议（ICMP）：提供控制和消息传递能力；
● 地址解析协议（ARP）：已知IP地址，获取相应的数据链路层地址；
● 反向地址解析协议（RARP）：已知数据链路层地址（MAC地址），获取相应的IP地址，定义统一的网络层协议，解决分组穿越多个网络的路由问题在Internet中使用的就是IP协议。
3.运输层
运输层的主要功能如下：（1）提供从源主机到目的主机的传输服务。分段和重组上层应用程序发送的数据，并在端点之间重组成同一数据流。有两个协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。（2）定义主机应用程序之间端到端的连接。使用TCP，传输层可以提供以下服务，但如果是UDP，只提供前两个服务：
● 分段上层应用程序的数据；
● 把数据段从终端设备发送到其他终端设备；
● 建立端到端的操作；
● 通过滑动窗口提供流量控制；
● 通过序列号和确认信息提供可靠性。（3）支持源端主机和目的端主机间的端和端对话，在互联网上有两个协议，其中一个是传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP），这是一个支持可靠传送面向连接的协议，在会话之前首先要建立TCP连接，并具有校验和重发功能，主要用于数据和信令等要求高可靠性的应用，另外一个是用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP），此为不可靠的无连接协议，主要用于语音、视频等实时通信。
4.应用层
Internet定义该层的主要应用如下。（1）超文本传输协议（HTTP）：万维网（WWW）的基本协议，定义了信息的格式以及传输；（2）文件传输协议（FTP）：是可靠的、面向连接的服务，使用TCP协议在两个支持FTP的系统之间传输文件；（3）简单文件传输协议（TFTP）：基于用户数据报（UDP）的无连接服务；（4）网络文件系统（NFS）：由SUN公司开发的分布式文件系统协议集；（5）简单邮件传输协议（SMTP）：负责管理在计算机网络中电子邮件的传输；（6）终端仿真（Telnet）：提供远程访问其他主机的功能；（7）简单网络管理协议（SNMP）：提供监控网络设备的方法，以及配置管理、统计信息收集等；（8）域名系统（DNS）：在Internet中将域名转换成IP地址。
TCP/IP 4层参考模型因Internet的主要协议TCP/IP而得名。该模型也可以用于其他网络，只是网络层和运输层的协议不同而已。例如，过去常用的Novell网络，其网络层协议为IPX，运输层协议为NCP或SPX，网络接入层为各种LAN。
除了简捷之处，TCP/IP模型与OSI模型最大的不同点，在于它的网络层只提供无连接的服务，运输层则提供面向连接和无连接两种协议，目的是简化网络协议，提高路由对网络设备故障的自适应调整能力。而OSI模型的网络层则提供两类服务，运输层只支持面向连接的服务。2.1.3 TCP/IP协议的功能与特点
Internet是一个由众多网络互联而成的世界范围内的计算机网络。从通信的角度来看，Internet是一个以TCP/IP为统一的标准，将世界范围内多个国家的部门和机构的两层计算机子网联结而成的三层数据网。从资源角度来看，Internet是一个集各领域、各学科、各种应用等各种资源为一体的资源数据网。
Internet实现互联的关键是TCP/IP。在Internet内部，计算机之间互相发送信息包进行通信，TCP/IP协议对这种信息包的传输方式作了具体的规定。
Internet具有以下特点：（1）TCP/IP是Internet的基础与核心，网络的互联依靠TCP/IP来实现；（2）用户使用Internet时无须了解网络底层（物理层和链路层）的结构，十分方便；（3）随着Internet主干线路与接入带宽的不断拓展，Internet最终将取代现有的电话网、数据网和有线电视网，成为三网合一的综合多媒体业务网；（4）世界上没有对Internet上通信进行统一管理的机构，Internet上的许多服务和功能都是由用户开发、经营和管理的，因此从经营角度看Internet是一个用户的网络。
1.IP的功能和特点
IP定义在OSI-RM第三层——网络层，是Internet最重要的协议。在IP中规定了在Internet上进行通信时应遵守的规则，例如，IP数据包的组成、路由器如何将IP数据包送到目的主机等。
各种物理网络在链路层（第二层）所传输的基本单元为帧（MAC帧），帧格式随物理网络而异，各物理网络的物理地址（MAC地址）也随物理网络而异。IP协议的作用就是向传输层（TCP层）提供统一的IP包，即将各种不同类型的MAC帧转换为统一的IP包，并将MAC帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址（IP地址）。这样，这些不同物理网络MAC帧的差异对上层而言就不复存在了。正因为这一转换，才实现了不同类型物理网络的互联。
IP面向无连接，IP网中的节点路由器根据每个IP包的包头IP地址进行寻址。这样，同一个主机发出的属于同一报文的IP包可能会经过不同的路径到达目的主机。
IP主要有以下几部分功能。
1）寻址
TCP/IP中的每台计算机至少要有一个唯一的地址，严格地讲，不能说一台设备有一个地址，而是到网络的每一个连接点（或接口）有一个地址，这使得网络中的其他主机可以定位它。IP地址由网络部分和主机部分组成，为寻址提供了基础。寻址有Ipv4寻址和Ipv6寻址两种方案。
在IPv4寻址方案中，必须包括源网络和目的网络的标识符，通过使用目的网络标识符，IP可以向目的网络发送数据。当数据分组到达与目的网络相连接的路由器时，再定位与目的网络相连的主机。（1）地址划分：
● A类地址：第一个八位组标识网络部分，且第一位总是0；
● B类地址：前两个八位组标识网络部分，且前两位总是10；
● C类地址：用三个八位组标识网络部分，且前三位总是110；
● D类地址：组播地址，前四位总是1110；
● E类地址：研究使用，前四位总是1111；
● 公有IP地址：由Internet地址分配中心（IANA）统一分配，具有唯一性；
● 私有IP地址：是为了解决IP枯竭的问题，在局域网内部使用，在Internet上不能使用。（2）保留地址：
● 网络地址：用于标识网络本身。IP地址中主机位全0代表网络地址。
● 广播地址：用于向网络中的所有设备广播分组。IP地址中主机位全1代表广播地址。（3）子网划分
● 解决IP地址的另一种办法就是子网划分，可以将大的网络划分成小网络，充分利用IP资源。
● 使用子网划分，网络可以不再局限于标准的A、B、C类网络掩码，使得网络设计更加灵活。
● 子网地址包括A类、B类、C类的网络部分，加上子网字段和主机字段。
使用IPv4所面临的问题，一是剩余IPv4地址几近枯竭；二是Internet的迅猛发展，导致路由表快速增长，威胁到路由器的处理效率。解决以上两种问题的办法是CIDR（无类域间路由）和子网掩码，最终解决方案是使用IPv6地址。
2）路由选择
路由选择是以单个IP数据包为基础的，概括而言是确定某个IP数据包到达目的主机需经过哪些路由器。路由选择可以由源主机决定，也可以由IP数据包所途经的路由器决定。
在IP协议中，路由选择依靠路由表进行。在IP网上的主机和路由器中均保存了一张路由表，路由表指明下一个路由器（或目的主机）的IP地址。路由表由目的主机地址和去往目的主机的路径两部分组成。其中，去往目的主机的路径通常是下一个路由器的地址，也可是目的主机的IP地址。
3）分段和组装
IP数据包在实际传送过程中所经过的物理网络帧的最大长度可能不同，当长IP数据包需通过短帧子网时，需对IP数据包进行分段与组装。
IP实现分段和组装的方法是给每个IP数据包分配一个唯一的标志符，且报头部分还有与分段和组装相关的分段标记和位移。IP数据包在分段时，每一段需包含原有的标志符。为了提高效率，减轻路由器的负担，重新组装工作由目的主机来完成。
2.TCP的功能和特点
TCP位于OSI-RM的第四层——运输层，是一个端对端、面向连接的协议。该协议弥补了IP的某些不足，其中比较突出的有两个方面：一是TCP能够保证在IP数据包丢失时进行重发，能够删去重复收到的IP数据包，还能保证准确地按原发送端的发送顺序重新组装数据；二是TCP能区别属于同一应用报文的一组IP数据包，并能鉴别应用报文的性质，这一功能使得某些具有四层协议功能的高端路由器可以对IP数据包进行流量、优先级、安全管理、负荷分配和复用等智能控制。
TCP主要具有以下功能。
1）保证传输的可靠性
TCP协议是面向连接的。所谓连接，是指在进行通信之前，通信双方必须建立连接才能进行通信，而在通信结束后终止其连接。相对于面向无连接的IP而言，TCP具有高度的可靠性。
当目的主机接收到由源主机发来的IP包后，目的主机将向源主机回送一个确认消息，这是依靠目的主机的TCP来完成的。TCP中有一个重传记时器（RTO），当源主机发送IP包时即开始记时。如在超时之前收到确认信号，则记时器归零；如果记时器超时，则说明该IP包已丢失，源主机应进行重传。对于重传记时器，确定合适的记时时长是十分重要的，它由往返时间来决定。TCP能够根据不同情况自动调节记时时长。
需要说明的是，TCP所建立的连接是端到端的连接，即源主机与目的主机间的连接。Internet中每个转接节点（路由器）对TCP段透明传输。
总之，IP不提供差错报告和差错纠正机制，而TCP向应用层提供了面向连接的服务，以确保网络上所传送的数据包被完整、正确、可靠地接收。一旦数据有损伤或丢失，则由TCP负责重传，应用层不参与解决。
2）提供部分应用层信息的功能
在TCP之上是应用层协议（如FTP、SMTP、TELNET等），最终要依靠它们实现主机间的通信。TCP携带了部分应用层信息，可用来区别同一报文数据流的一组IP包及其性质。
TCP对这些应用层协议规定了整数标志符，称为端口序号。被规定的端口序号成为保留端口，其值在0～1 023范围内（如端口序号23，用于远程终端服务）。此外，还有自由端口序号，供个人程序使用，或者用来区分两台主机间相同应用层协议的多个通信，即两台主机间复用多个用户会话连接。
进行通信的每台主机的每个用户会话连接都有一个插口序号，它由主机的IP地址和端口序号组成。在Internet中插口序号是唯一的，一对插口序号唯一地标识了一个端口的连接（发端插口序号=源主机IP地址+源端口序号，收端插口序号=目的主机IP地址+目的端口序号）。利用插口序号可在目的主机中区分不同源主机对同一个目的主机相同端口序号的多个用户会话连接。
在TCP协议段的头部各域中具有码位项。其中，SYN码位为应用数据流的开始位（当SYN置1时，表示该IP数据包为某一应用报文的第一个数据包），FIN码位为应用数据流的结束位（当FIN置1时，表示此时数据包为某应用报文的最后一个数据包）。因此，可利用SYN和FIN两个码位来规定某一应用报文（或某一应用数据流）的开始与结束。
TCP就是利用端口序号和SYN/FIN码位来区分应用数据流并判断其性质的，从而使具有四层功能的高端路由器具有某些对应用数据流的控制功能。2.1.4 TCP/IP的工作原理
下面以采用TCP/IP传送文件为例，说明TCP/IP的工作原理，其中应用层传输文件采用文件传输协议（FTP）。
TCP/IP的工作流程如下：
● 在源主机上，应用层将一串应用数据流传送给运输层。
● 运输层将应用层的数据流截成分组，并加上TCP报头形成TCP段，送交网络层。
● 在网络层给TCP段加上包括源、目的主机IP地址的IP报头，生成一个IP数据包，并将IP数据包送交链路层。
● 链路层在其MAC帧的数据部分装上IP数据包，再加上源、目的主机的MAC地址和帧头，并根据其目的MAC地址，将MAC帧发往目的主机或IP路由器。
● 在目的主机，链路层将MAC帧的帧头去掉，并将IP数据包送交网络层。
● 网络层检查 IP 报头，若报头中校验和与计算结果不一致，则丢弃该 IP 数据包；若校验和与计算结果一致，则去掉IP报头，将TCP段送交运输层。
● 运输层检查顺序号，判断是否是正确的TCP分组，然后检查TCP报头数据。若正确，则向源主机发确认信息；若不正确或丢包，则向源主机要求重发信息。
● 在目的主机，运输层去掉TCP报头，将排好顺序的分组组成应用数据流送给应用程序。这样，目的主机接收到的来自源主机的字节流，就像是直接接收来自源主机的字节流一样。2.1.5 网络电话的语音编码技术
网络电话中的语音处理主要解决两个关键问题，一是在保证一定语音质量的前提下尽可能降低编码比特率，二是在IP网络环境中保证一定的通话质量。前者关注的是语音编码技术，包括静音检测技术；后者包括分组丢失补偿和回波抵消技术，这在第9章关于QoS一节中有详细的介绍。
采用电路交换的传统语音电话（PSTN）广泛使用的是PCM（脉冲编码调制）语音编码技术，即用户侧传输的是模拟信号，而局间传输的是数字信号，从模拟信号到局间数字信号采用PCM编码方式。PCM包括采样、量化、编码三个过程，比特率为64 kb/s，而且每次通话时都要在局端建立一个独享的64 kb/s信道，在通话过程中始终占据此信道，信道的数量决定了通话的路数。鉴于此，PCM编码虽然语音质量高，但由于效率低，设备价格较昂贵，所以不符合未来电话技术的发展方向。
而网络电话则是在基于IP的分组网络上传输语音，将模拟的语音信号转换为数字语音分组，采用存储转发的方法，以分组的形式在面向无连接的分组网络上传输。这就是分组语音技术，它的特点是占用带宽小，最小的采用G.723编码的带宽才5.3 kb/s或6.3 kb/s，网络利用率高，虽然语音质量较PCM编码差些，但通过一些技术手段也会使语音质量有较大的提升，满足客户的需求。
网络电话对语音的处理是在发送端首先将模拟信号转换为数字信号，这需要采用一定的语音编码算法对语音信号进行处理，如G.729、G.723、G.711等；在接收端，首先利用缓冲器来调节网络产生的抖动，然后经过解码器将语音分组解压缩，然后解码还原为模拟语音信号。
网络电话语音处理流程如图2.3所示。图2.3 网络电话语音处理流程
编码压缩方法由ITU-T统一制定标准。这里的编码压缩方法只是针对纯语音数据，不包括IP/UDP头。
IP电话采用的编码技术有ITU-T定义的G.729、G.723、G.711等，这些编码标准的对比如表2-1所示。表2-1 语音编码标准对比
可以看出，所采用的编码方案之间的权衡很明显，使用的带宽越多，则得到最好的MOS等级，且引入最少的延时。相反，ACELP等以增加处理要求、增加延时和稍低的MOS等级的代价提供更大的带宽节省。
注：语音质量是一个主观测量指标，不同的人对每个压缩技术有不同的反应。为了帮助量化一个技术的质量，研究出了平均意见得分（MOS）等级。为了得到MOS数值，对受话方进行测试，了解通过每个压缩技术发送的各种讲话模式的语音质量，等级为1～5，其中5为最佳。然后取结果的平均值，得到平均意见得分。2.1.6 常用语音编码技术
IP电话经常使用ITU定义的两个标准：G.723.1和G.729。它们采用的都是线性预测分析-合成编码和码本激励矢量量化技术，即混合编码的方法。
1.G.723协议
G.723协议是一个双速率语音编码标准，主要用于多媒体通信，其两种速率分别是 5.3 kb/s和6.3 kb/s。此协议是一个数字传输系统概况协议，适用于低速率多媒体服务中语音或音频信号的压缩算法，在低比特率条件下对多媒体服务中的语音或其他音频信号进行压缩，有很好的音质保证。作为完整的H.324系列标准的一部分，G.723主要配合低速率图像编码H.263标准。在IP电话网关中，G.723协议用来实现实时语音编码解码处理。
G.723.1语音编解码器是基于线性预测理论，采用合成分析、矢量量化等方法，以经过感觉加权后的残差信号能量最小为准则进行编码的。作为一种双比特率的语音编解码方案，G.723.1对语音或音频信号进行8 kHz采样、16 bit量化，可以提供5.3 kb/s或6.3 kb/s压缩数据输出；其高比特率编码输出能提供很好的语音质量，低比特率编码输出在提供较好语音质量的同时，可以为其他数据服务提供较好的机动性和可行性。G.723.1编、解码都支持这两种比特率，并且可以自由切换。G.723.1以30 ms的语音号作为一个处理帧，其两种编码比特[1]率可以在每个处理帧的基础上进行切换。
G.723.1 的编码过程如图2.4 所示，各部分功能如下：（1）进行高通滤波，去掉直流分量。（2）把1帧信号分成4个长度为60样点的子帧，分别进行10阶LPC分析，得到各子帧的LPC参数，并把最后一个子帧的LPC参数转化成线谱对（LSP）参数，进行矢量量化编码，然后将其送到解码器。利用未量化的LPC参数构造短时感知加权滤波器，对信号滤波后得到感知加权的语音信号。每两个子帧（120样点）搜索一个开环基音值，并以此为依据，为每一个子帧构造一个谐波噪声成形滤波器，对感知加权的语音信号进行滤波。每一子帧的LPC综合滤波器、感知加权滤波器和谐波噪声成形滤波器级联起来，构成一个复合滤波器，利用它的冲击响应和开环基音周期，对每一子帧进行闭环基音搜索，对开环搜索的结果进行修正。同时通过一个5阶基音预测器对信号进行预测，得到相应子帧的残差信号。（3）进行固定码本搜索，也就是对每一子帧的残差信号进行矢量量化，可以采用两种不同的方法，分别对应5.3 kb/s和6.3 kb/s两种不同的编码速率。5.3 kb/s编码器采用多脉冲最大似然量化技术（MP-MLQ），6.3 kb/s编码器采用代数码激励线性预测技术（ACELP）。
G.723.1的解码过程如下：读入一帧码流后，分别进行LSP参数、基音周期和激励脉冲信号解码，对LSP参数插值，然后转化成各子帧的线性预测系数，构成LPC综合滤波器。通过基音周期和激励脉冲得到每一子帧的残差信号e（n），经过基音后滤波，输入到 LPC 综合滤波器，可产生合成语音信号。在经过共振峰后滤波和增益控制后，形成高质量的重建语音信号。对30 ms的语音采样数据（单声道）480 Bytes的Headphone输出，重建信号输出分别为20 Bytes（5.3 kb/s）和24 Bytes（6.3 kb/s），压缩到原来的4.2%和5%。图2.4 G.723.1的解码过程
2.G.729协议
G.729是国际电信联盟ITU制定的一种高质量的语音压缩标准，该标准是采用“共轭结构-代数码激励线性预测（CS-ACELP）”算法，主要应用于 IP 电话、移动通信、多媒体网络通信和数字卫星通信等领域。
G.729使用混合编码算法，是对电话带宽的语音信号编码的标准，对输入的模拟语音信号用8 kHz采样、16 bit线性PCM量化。CS-ACELP是基于码激励线性预测（CELP）的编码模式，每80个样点为1个语音帧，对语音信号进行分析并提取各种参数（线性预测滤波器系数，自适应码本和固定码本中码本序号，自适应码矢量增益和固定码矢量增益），对其进行编码并发送。在解码端，将接收到的比特流进行解码，生成对应的参数：用自适应码矢量序号从自适应码本中得到自适应码矢，用固定码矢序号从固定码本中得到固定码矢，分别乘以它们的增益，按点相加后构成激励序列；用线性预测滤波器系数构成合成滤波器；用自适应码本方法实现长时或基音合成滤波，计算出合成语音后，用后置滤波器进一步增强音质。
1）G.729语音编码过程
在编码端需要进行线谱对（LSP）参数量化、基音分析、固定码本和增益量化4个主要处理步骤，具体流程如图2.5所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]