VoIP网络电话的工作原理

2024年1月9日发(作者：停车管理)

VoIP网络电话的工作原理

如果您从未听说过VoIP网络电话，那么请准备好，本文会转变您对长途电话的认识。VoIP(Voice over Internet Protocol)系统能够采集模拟音频信号（如在电话中听到的语音信号），并将这些信号转换为可在互联网上传输的数字数据。

这种转换有何用处？VoIP使标准的互联网连接具有拨打免费电话的功能。实际结果是，使用一些可拨打网络电话的免费VoIP软件，即可完全绕过电话公司进行通话（自然也不必交纳电话费了）。

VoIP是一项革命性的技术，有望使全世界的电话系统发生翻天覆地的变化。现在已经有了一些VoIP提供商（如Vonage），它们虽然出现不久，但正在稳步成长。包括AT&T在内的一些主要电信运营商已经开始在美国若干市场筹划VoIP电话业务，FCC（美国联邦通信委员会）也在密切关注VoIP服务的潜在发展方向。

最重要的是，从根本上说，VoIP是一项富于智慧的全新技术。本文将探讨VoIP的基本原理、应用，以及这项新技术的发展前景。有朝一日它很可能完全取代传统电话系统。

有意思的是，拨打VoIP电话的方法不止一种。现在常用的VoIP服务有三种类型：

ATA――最简单也最常用的方法，使用ATA（模拟电话适配器）设备。通过ATA可将标准电话连接到计算机或互联网上，以便使用VoIP。ATA是一种模数转换器。它从传统电话中采集模拟信号，然后将其转换为数字数据，以便在互联网上传输。Vonage和AT&T CallVantage等提供商在其服务中附赠了ATA。您只需从盒子中取出ATA，将原本接入墙上插座的电话线接入ATA，就可以拨打VoIP电话了。有些ATA可能另外附带软件，您需要将这些软件安装到主机进行配置；当然，安装过程是非常简单的。

IP电话――这些专用电话看起来与普通电话没什么两样，也有听筒、托架和按键。但是，与普通电话使用标准RJ-11电话连接器不同，IP电话使用RJ-45以太

网连接器。IP电话与路由器直接相连，并且集成了处理IP通话所必需的所有硬件和软件。很快，Wi-Fi IP电话将会付诸使用，注册用户可在任何无线热点（Wi-Fi hot spot）拨打VoIP电话。

计算机到计算机――这当然是使用VoIP的最简单方法。您甚至不必支付长途话费。一些公司提供免费或廉价的软件，可用于在计算机之间拨打VoIP电话。您所需要的只是这种软件、麦克风、扬声器、声卡和互联网连接，当然最好是快速连接（如通过电缆调制解调器或DSL调制解调器实现的连接）。对于计算机到计算机的通话，除了ISP每月收取的标准费用，无论通话距离多远，都不需要额外付费。

如果有兴趣尝试VoIP，您可以从互联网上寻找免费的VoIP软件。一般只需三五分钟即可下载并安装这种软件。邀请您的一位朋友也下载这个软件，您就可以使用VoIP，直观地了解它的工作方式了。您可以看看。

上述内容是写给对VoIP电话没有概念的新手，而您很可能已然是非VoIP电话不打长途的老用户了。您会对下面的内容更感兴趣。电话公司使用VoIP来优化其电话网络。通过将数千路电话经电路交换机路由到IP网关，可以大幅降低长途通话所占用的带宽。被叫方网关一旦接收到呼叫，即将其解压缩、重组并路由到本地电路交换机。

虽然这种做法的普及尚需时日，但可以肯定的是，现有的所有电路交换网络最终都将由分组交换技术（后文将详细介绍分组交换和电路交换技术）。从经济学和基础设施的要求来讲，IP电话都是可行之道。越来越多的企业开始安装VoIP系统，随着其在家用领域中的兴起，VoIP技术将越来越普及。

据Forrester Rearch Group预测，截止到2006年底，将有近五百万美国家庭使用VoIP电话服务。对于家庭用户而言，VoIP的最大吸引力可能在于价格和灵活性。

只要有宽带连接，在任何地方都可以拨打VoIP电话。因为IP电话或ATA是通过互

联网传输信息，所以在任何有网络连接的地方，提供商都可以对它们进行管理。因此，商旅人士可以随身携带他们的电话或ATA，可以随时和家人通话。此外，还有一种选择，即软电话。软电话是一种客户端软件，它将VoIP服务载入台式机或便携计算机中。在屏幕上，Vonage软电话的界面看起来很像传统电话。只要有耳机和麦克风，在有宽带连接的任何地方，您都可以在便携计算机上拨打电话。

大多数VoIP公司提供分钟费率方案，形式类似于手机帐单，每月低至30美元。此外，还有一些公司价格高些，提供每月79美元的包月资费方案。此类方案免除了非常规费用，还提供一系列免费功能，因此可以节省相当可观的资费。

大多数VoIP公司都提供传统电话公司需要额外收费才能使用的功能。VoIP提供：

来电显示

呼叫等待

呼叫转移

重拨

回拨

三方通话

部分运营商还提供高级的来电过滤功能。这些功能使用呼叫者的ID信息，允许您针对特定呼叫号码选择处理方式。您可以：

将呼叫转移至特定号码

将呼叫直接发送至语音信箱

向呼叫者提示忙音

播放“不在服务区”消息

将呼叫者转接至一个有趣的拒绝热线

许多VoIP服务还提供这样的功能，即通过网络查看语音信箱，或将消息附加到电子

邮件中，这些电子邮件被发送至您的计算机或手持设备。并非所有VoIP服务都提供所有上述功能。价格和服务都有差别，因此，如果您有兴趣，最好货比三家。

我们已初步了解VoIP，现在，让我们进一步了解实现这一系统的各个部分。为了确切理解VoIP的工作原理、搞清楚它相对传统电话的优异之处，我们应当先了解一下传统电话系统的工作原理。

传统电话系统和VoIP系统的对比

电路交换

现有电话系统的运作是通过称为电路交换的呼叫连接方法进行的，这种方法非常可靠，但效率较低。

电路交换是一个非常基础的概念，在电话网中已经应用了100多年。在两方通话过程中，他们之间一直保持为连接状态。因为两点之间为双向连接，这种连接称为回路。这就是公共交换电话网(PSTN)的基础。

下面是典型通话的工作原理：

1. 您拿起听筒，听到拨号音。这样您就知道已连接到电话运营商的本地电话局。

2. 您拨打所要呼叫的号码。

3. 这次呼叫通过本地运营商的交换机路由到被叫方。

4. 通过沿途的一系列互连交换机，您的电话和对方的线路之间建立了连接。

5. 被叫方电话铃响起，有人接起了电话。

6. 建立的连接接通电路。

7. 您们交谈一段时间，然后挂上电话。

8. 挂上电话后，电路即被断开，所占用的线路全部得到释放。

假设您们通话10分钟。在此期间，两部电话之间的电路是一直接通的。大约在1960年以前，在早期电话系统中，通话双方的每次通话过程都需要使用专用线路。因此在那

时，如果要从纽约打电话到洛杉矶，需要横贯美国，在这两个城市之间用交换机将一段段铜线连接起来。您只打10分钟电话，也要使用所有这些线路。您需要支付高昂的费用，原因是您在10分钟内实际占用4,827公里的铜线。

在目前的传统电话网上进行通话，效率有了一定提高，价格也有了大幅下降。您的语音经过数字化之后，与数千其他语音组合在一起，通过一条光缆走完大部分传输距离（即便如此，仍需要使用一段专用的入户铜线）。通话时双方都以固定速率64千比特每秒(Kbps)进行传输，因此总传输速率为128Kbps。由于1千字节(KB) 等于8千比特(Kb)，因此，电路接通后，传输速率等效为16KB每秒，即960KB每分钟。也就是说，在10分钟的通话中，总共传输9,600KB，约等于10兆字节（参阅位和字节了解这些转换）。通过对典型通话过程的分析，可以看到传输的数据中有很多是无用的数据。

您讲话时，对方在听，这意味着在任意给定时间内，您们都只使用了一半带宽。由此可以推测，我们完全可以将通话的数据量减半，下降至大约4.7兆字节，从而提高效率。另外，大多数通话中有大量时间是没有声音的――一次通话会有几秒钟的时间双方都没说话。如果能够除去这些无声间隔，通话数据量将更小。那么，如果不发送连续的字节流（包括无声和有声），而只是在说话时发送有声字节的包，情况会怎样？那就是电路交换的替代产品——分组交换电话网络的基础。

分组交换

数据网络不使用电路交换。如果在任意时间浏览网页时，您的互联网都一直与网页保持连接，连接速度会大大下降。相反，数据网络只在需要的时候发送和检索数据。另外，数据包沿大量可用路径在混沌网络中传输，而不是通过专用线路路由数据。这称为分组交换。

电路交换保持所有连接一直连通而不中断，而分组交换建立暂时的连接――只要能够将一小组数据（称为包）从一个系统发送到另一个系统即可。其工作原理如下：

1 发送方计算机将数据分解为小包，每个包上都携带一个地址，网络设备据此确定目的地址。

2 每个包内都是一个净荷。 净荷是电子邮件、音乐文件或在包内传送的文件的一部分。

3 发送方计算机将包发送到就近的路由器就算完成任务。就近的路由器将该包发送到另一台距接收方计算机更近的路由器。这台路由器再将包发送到另一台距目的地更近的路由器，如此继续进行。

4 接收方计算机最终接收到这些包（它们可能来自于完全不同的路径），使用包中的指令，将数据重建为原始状态。

分组交换的效率非常高。通过分组交换，网络会沿最通畅和最便宜的线路路由包。此外，由于不占用通信双方的计算机，使得这两台计算机也可以接收来自其他计算机的信息。

VoIP的优点和缺点

优点

VoIP技术使用互联网的分组交换功能来提供电话服务。相对于电路交换，VoIP有几点优势。例如，通过分组交换，多路电话所占用的空间量只是电路交换网中一路电话所占用的空间量。如果使用公共交换电话网，则前述10分钟通话会占用整整10分钟的传输时间，传输速度为128Kbps。而使用VoIP，同样的通话可能只占用3.5分钟的传输时间，传输速率为64Kbps，这3.5分钟内的64Kbps，以及剩余6.5分钟内的128Kbps是空闲的。根据这一简单估计，传统系统一路电话所用的空间中，VoIP很容易传送三或四路电话。本例中，还未考虑数据压缩，压缩可以进一步减小每次通话的数据量。

假设您和您的朋友都在使用某个VoIP提供商提供的服务。您们都已将模拟电话连接到了服务所提供的ATA。让我们再看看典型通话，但这次使用的是基于分组交换网络的

VoIP：

1 你拿起听筒，就会向ATA发送一个信号。

2 ATA接收到信号，发出拨号音。这样就表示你已连接到了互联网。

3 你拨打所要呼叫的电话号码。ATA将语音转换为数字数据并进行暂时存储。

VoIP 术语

中心呼叫处理器是一种硬件设备，它运行专用数据库/映射程序（称为软交换机）。请参见“软交换机”一节以了解更多信息。

4 电话号码数据以请求的形式发送至您的VoIP公司的呼叫处理器。呼叫处理器检查这些数据，确认是否为有效格式。

5 呼叫处理器确定将电话号码映射至何人。在映射时，电话号码转换为IP地址（后文将详细介绍）。软交换机连接通话双方的两个设备。在另一端，一个信号发送至您朋友的ATA，通知它令所连接的电话振铃。

6 您的朋友一接起电话，您们的计算机之间就建立了一个会话。也就是说，每个系统都知道要从对方系统接收数据包。在计算机之间，普通的互联网基础设施用处理电子邮件或网页的方式处理通话。两个系统必须使用相同的协议才能通信。作为会话的一部份，系统实现两个通道，每个方向使用一个通道。

7 您们进行通话。在交谈中，有数据要传送时，您们双方的系统就在两个方向传输包。每一端的ATA接收到这些包时，都将包转换为您们所听到的模拟音频信号。您的ATA和对方的IP主机之间传送包时，它和您的模拟电话之间的电路保持接通。

8 您们结束通话，挂上电话。

9 挂上电话后，就断开了电话和ATA之间的电路。

10 ATA向连接通话的软交换机发送一个信号，终止会话。分组交换最吸引人的优势之一，可能是数据网络对这项技术现成的支持。转而利用这项技术，电话网络立刻可以像计算机一样通信。

通信公司全部转为使用VoIP至少还得十年时间。与所有新技术一样，还存在一些需要解决的难题。

难题

现有的公共交换电话网在传输通话方面，是很稳健并且相当安全的系统。电话很好用，我们已经习惯依赖它。相反，计算机、电子邮件和其他相关设备仍然是新鲜事物。我们得面对事实――电子邮箱瘫痪30分钟，很少有人会真的惊惶失措。人们认为这种情况很正常。另一方面，半个小时听不到拨号音，人们很容易觉得恐慌。公共交换电话网的可靠性弥补了低效率的弱点。互联网复杂得多，因此，运行中出现差错的可能性更大。所有这些因素，构成了VoIP的最大缺陷：可靠性差。

1 首先，VoIP依赖于普通电源。现在的电话使用来自中心局线路所提供的幻像电源。即使您断电了，电话（无绳电话除外）一样可以正常工作。而对于VoIP，没有电就打不了电话。因此，必须为VoIP应用稳定的电源。

2 还有一种情况，很多其他家用系统可以集成在电话线路中。数码摄像机、数字电视预订服务和家庭安全系统都使用标准电话线路实现其功能。目前，还没有办法将这些产品与VoIP集成在一起。业界正准备合作解决这一问题。

3 紧急电话也是VoIP面临的挑战。前面提到过，VoIP使用IP地址电话号码，而不是北美编号计划（NANP）规定的电话号码。地理位置和IP地址之间无法进行关联。因此，如果呼叫者不能将自己的位置告诉紧急电话接线员，接线员就无法知道应将紧急电话转接至哪个呼叫中心，也无法知道应由哪个急救服务（EMS）响应。要解决这个问题，可能需要在包中集成地理信息。

4 由于VoIP使用互联网连接，因此，家用宽带服务常见的不稳定很容易影响VoIP。以下所有因素都会影响通话质量：

延迟

不稳定

包丢失

如果出现传输错误，通话可能失真、混乱或丢失。VoIP真正取代传统电话之前，需要解决互联网数据传输的某些稳定性问题。

5 蠕虫、病毒和网络攻击容易影响VoIP，不过这样的情况并不多。VoIP开发人员正在致力于通过VoIP加密来应对这类问题。

6 VoIP的另一个相关问题是，电话系统依赖于不同规格和电源的PC。处理器资源耗尽会影响通话。假设您正在用软电话聊天，决定打开一个会耗尽处理器资源的程序，通话质量立刻明显下降。最糟糕时，系统可能会在重要通话过程中崩溃。在VoIP中，所有通话都受到计算机常规问题的影响。

将电话接收到的模拟音频信号转换为数据包是一个难题，这个难困不久前已经被解决。模拟音频是如何转换为包从而进行VoIP传输的？答案是编解码器。

编解码器、软交换机和协议

编解码器

编解码器将音频信号转换为压缩的数字形式，以便进行传输，然后转换回解压缩的音频信号，以便重放。这就是VoIP的精髓。从CD播放机到手机，以至于视频游戏控制台，都存在数模转换。

通过在音频信号中每秒采样几千次，编解码器完成这一转换。例如，G.711编解码器每秒采样音频64,000次。它将每一个采样数据都转换为数字化数据，然后压缩以便传输。这64,000个采样值进行重建时，采样值之间的音频损失非常小，人耳难以分辨，听起来和一秒钟的连续音频信号一样。VoIP有多种采样率，具体取决于所用的编解码器：

每秒64,000次

每秒32,000次

每秒8,000次

G.729A编解码器在VoIP中最常用，其采样率为每秒8,000次。它在音质和带宽效率之间取得很好的平衡。

编解码器采用高级算法来帮助音频数据的采样、分类、压缩和分包。CS-ACELP算法（CS-ACELP即共轭结构代数码激励线性预测）是VoIP中最流行的算法之一。CS-ACELP有助于组织和改善可用带宽。Annex B是CS-ACELP的一个方面，它规定的传输规则可概括为“如果无声，则不发送任何数据”。前面提到过，这一规则所创造的效率，是分组交换优于电路交换的最大优势之一。正是CS-ACELP算法的Annex B成就了VoIP的这一优势。

因此，编解码器利用这一算法进行转换和分类，但是，如果不知道数据的目的地，这一切都没有用处。在VoIP中，软交换机处理这一任务。

软交换机

E.164是北美编号计划(NANP)标准的名称。简单来说，电话网使用该编号系统，根据电话按键上输入的数字，即可知道呼叫目的地。这样，电话号码就像是地址：

(313)555－1212

313＝省/市/自治区

555＝市

1212＝街道地址

在示例中，交换机知道用“313”将呼叫路由至区号所代表的地区。根据“555”前缀，呼叫发送至中心局，电话网使用与特定位置关联的最后四位数，对呼叫进行路由。因此，通过这个系统，无论在世界上哪一个地方，“(313) 555”号码组合总是指向同一个中心局，该局的交换机知道哪部电话与“1212”关联。

VoIP面临的挑战，是基于IP的网络不能识别基于NANP的电话号码。IP网络使用的

是IP地址，如下所示：

192.158.10.7

IP地址对应于网络上的某个特定设备。它可以是计算机、路由器、交换机、网关或网络电话。更糟的是，IP地址是变化的。它们由网络上的DHCP（动态宿主配置协议）服务器分配，通常每次连接都分配不同的地址。因此，VoIP面临的挑战是寻求一种方法，将NANP电话号码转换为IP地址，然后确定被叫方号码的当前IP地址。这就是前面提到过的映射过程，它由运行软交换机的中心呼叫处理器处理。

IP映射

中心呼叫处理器是一种硬件设备，它运行专用数据库/映射程序（称为软交换机）。我们把用户和与其关联的电话或计算机视为一个整体，即人和机器。这个整体称为端点。软交换机连接端点。

软交换机知道：

端点在网络上的位置

端点的关联电话号码

分配给端点的当前IP地址

因此，使用VoIP拨打电话时，IP电话会向软交换机发送请求，询问所拨打的电话号码的关联端点，以及该端点的当前IP地址。软交换机包含一个数据库，其中存储用户和电话号码。如果其中没有所需信息，软交换机将这次请求发送至下游其他软交换机，直至找到可以应答请求的软交换机为止。软交换机一旦找到用户，就将该用户关联设备的当前IP地址放置在一个类似的请求序列中。它将所有相关信息反馈给软电话或IP电话，允许两个端点之间交换数据。

软交换机与网络上的设备协作，从而实现VoIP通话。所有这些设备必须以相同方式通信，才能协同工作。这种通信是最重要的因素之一，必须十分精确，才能真正实现VoIP。

目前，有三种协议用于这种通信。在下一节，我们将了解相关内容。

协议

正如我们看到的，在VoIP电话的每一端，都用模拟电话、软电话或IP电话作为用户接口，由ATA或客户端软件与编解码器协同工作，对数模转换进行处理，由软交换机映射呼叫。面对这些完全不同的软件和硬件，怎样才能使它们进行有效通信，从而完成全部任务？答案是应用协议。

现在，有几种协议应用于VoIP。这些协议规定设备（如编解码器）之间的连接方式，以及设备连接VoIP网络的方式。协议还包括音频编解码器的规范。应用最广泛的协议是H.323，这是由国际电信联盟(ITU)制定的标准。H.323是非常复杂的综合协议，最初是为视频会议设计的。它提供实时交互视频会议、数据共享和音频应用（如VoIP）的规范。H.323实际上是协议簇，包含很多为特定应用开发的单项协议。

H.323 协议簇

视频

H.261

H.263

音频

G.711

G.722

G.723.1

G.728

G.729

数据

T.122

T.124

T.125

T.126

T.127

传输

H.225

H.235

H.245

H.450.1

H.450.2

H.450.3

RTP

X.224.0

可以看到，H.323是相当大的协议和规范集合，这也是它被如此广泛应用的原因。H.323

的问题在于，它不是专为VoIP制定的。

随着会话发起协议(SIP)的开发，出现了H.323的替代协议。SIP是更为高效的协议，专为VoIP 的应用而被开发。SIP比H.323精炼，效率更高，它利用现有协议来处理VoIP通话过程的某些部分。媒体网关控制协议(MGCP)是第三种常用VoIP协议，它侧重于端点控制。MGCP适用于呼叫等待等功能。要详细了解这些协议的架构，请访问：Voice Over IP。

上述三种协议有时不兼容，这也是VoIP在全球范围应用所面临的挑战之一。VoIP电话在多个网络之间传输时，可能因为遇到协议冲突而受到阻碍。VoIP是相对较新的技术，因此，在管理机构制定VoIP的标准通用协议之前，兼容性问题会一直存在。

从总体上看，VoIP面临的难题是当前缺乏统一的标准。这涉及硬件和协议，实质上涉及系统的各个方面。总的来说，较之现有电话系统，VoIP在效率、成本和灵活性上取得了重大改进。与任何新技术一样，VoIP还需要解决一些问题，但可以肯定，开发人员会继续改进这项技术，直到它最终取代现有电话系统。