VoIP網絡電話的工作原理

2024年1月9日發(作者：停車管理)

VoIP網絡電話的工作原理

如果您從未聽說過VoIP網絡電話，那么請準備好，本文會轉變您對長途電話的認識。VoIP(Voice over Internet Protocol)系統能夠采集模擬音頻信號（如在電話中聽到的語音信號），并將這些信號轉換為可在互聯網上傳輸的數字數據。

這種轉換有何用處？VoIP使標準的互聯網連接具有撥打免費電話的功能。實際結果是，使用一些可撥打網絡電話的免費VoIP軟件，即可完全繞過電話公司進行通話（自然也不必交納電話費了）。

VoIP是一項革命性的技術，有望使全世界的電話系統發生翻天覆地的變化。現在已經有了一些VoIP提供商（如Vonage），它們雖然出現不久，但正在穩步成長。包括AT&T在內的一些主要電信運營商已經開始在美國若干市場籌劃VoIP電話業務，FCC（美國聯邦通信委員會）也在密切關注VoIP服務的潛在發展方向。

最重要的是，從根本上說，VoIP是一項富于智慧的全新技術。本文將探討VoIP的基本原理、應用，以及這項新技術的發展前景。有朝一日它很可能完全取代傳統電話系統。

有意思的是，撥打VoIP電話的方法不止一種。現在常用的VoIP服務有三種類型：

ATA――最簡單也最常用的方法，使用ATA（模擬電話適配器）設備。通過ATA可將標準電話連接到計算機或互聯網上，以便使用VoIP。ATA是一種模數轉換器。它從傳統電話中采集模擬信號，然后將其轉換為數字數據，以便在互聯網上傳輸。Vonage和AT&T CallVantage等提供商在其服務中附贈了ATA。您只需從盒子中取出ATA，將原本接入墻上插座的電話線接入ATA，就可以撥打VoIP電話了。有些ATA可能另外附帶軟件，您需要將這些軟件安裝到主機進行配置；當然，安裝過程是非常簡單的。

IP電話――這些專用電話看起來與普通電話沒什么兩樣，也有聽筒、托架和按鍵。但是，與普通電話使用標準RJ-11電話連接器不同，IP電話使用RJ-45以太

網連接器。IP電話與路由器直接相連，并且集成了處理IP通話所必需的所有硬件和軟件。很快，Wi-Fi IP電話將會付諸使用，注冊用戶可在任何無線熱點（Wi-Fi hot spot）撥打VoIP電話。

計算機到計算機――這當然是使用VoIP的最簡單方法。您甚至不必支付長途話費。一些公司提供免費或廉價的軟件，可用于在計算機之間撥打VoIP電話。您所需要的只是這種軟件、麥克風、揚聲器、聲卡和互聯網連接，當然最好是快速連接（如通過電纜調制解調器或DSL調制解調器實現的連接）。對于計算機到計算機的通話，除了ISP每月收取的標準費用，無論通話距離多遠，都不需要額外付費。

如果有興趣嘗試VoIP，您可以從互聯網上尋找免費的VoIP軟件。一般只需三五分鐘即可下載并安裝這種軟件。邀請您的一位朋友也下載這個軟件，您就可以使用VoIP，直觀地了解它的工作方式了。您可以看看。

上述內容是寫給對VoIP電話沒有概念的新手，而您很可能已然是非VoIP電話不打長途的老用戶了。您會對下面的內容更感興趣。電話公司使用VoIP來優化其電話網絡。通過將數千路電話經電路交換機路由到IP網關，可以大幅降低長途通話所占用的帶寬。被叫方網關一旦接收到呼叫，即將其解壓縮、重組并路由到本地電路交換機。

雖然這種做法的普及尚需時日，但可以肯定的是，現有的所有電路交換網絡最終都將由分組交換技術（后文將詳細介紹分組交換和電路交換技術）。從經濟學和基礎設施的要求來講，IP電話都是可行之道。越來越多的企業開始安裝VoIP系統，隨著其在家用領域中的興起，VoIP技術將越來越普及。

據Forrester Rearch Group預測，截止到2006年底，將有近五百萬美國家庭使用VoIP電話服務。對于家庭用戶而言，VoIP的最大吸引力可能在于價格和靈活性。

只要有寬帶連接，在任何地方都可以撥打VoIP電話。因為IP電話或ATA是通過互

聯網傳輸信息，所以在任何有網絡連接的地方，提供商都可以對它們進行管理。因此，商旅人士可以隨身攜帶他們的電話或ATA，可以隨時和家人通話。此外，還有一種選擇，即軟電話。軟電話是一種客戶端軟件，它將VoIP服務載入臺式機或便攜計算機中。在屏幕上，Vonage軟電話的界面看起來很像傳統電話。只要有耳機和麥克風，在有寬帶連接的任何地方，您都可以在便攜計算機上撥打電話。

大多數VoIP公司提供分鐘費率方案，形式類似于手機帳單，每月低至30美元。此外，還有一些公司價格高些，提供每月79美元的包月資費方案。此類方案免除了非常規費用，還提供一系列免費功能，因此可以節省相當可觀的資費。

大多數VoIP公司都提供傳統電話公司需要額外收費才能使用的功能。VoIP提供：

來電顯示

呼叫等待

呼叫轉移

重撥

回撥

三方通話

部分運營商還提供高級的來電過濾功能。這些功能使用呼叫者的ID信息，允許您針對特定呼叫號碼選擇處理方式。您可以：

將呼叫轉移至特定號碼

將呼叫直接發送至語音信箱

向呼叫者提示忙音

播放“不在服務區”消息

將呼叫者轉接至一個有趣的拒絕熱線

許多VoIP服務還提供這樣的功能，即通過網絡查看語音信箱，或將消息附加到電子

郵件中，這些電子郵件被發送至您的計算機或手持設備。并非所有VoIP服務都提供所有上述功能。價格和服務都有差別，因此，如果您有興趣，最好貨比三家。

我們已初步了解VoIP，現在，讓我們進一步了解實現這一系統的各個部分。為了確切理解VoIP的工作原理、搞清楚它相對傳統電話的優異之處，我們應當先了解一下傳統電話系統的工作原理。

傳統電話系統和VoIP系統的對比

電路交換

現有電話系統的運作是通過稱為電路交換的呼叫連接方法進行的，這種方法非常可靠，但效率較低。

電路交換是一個非常基礎的概念，在電話網中已經應用了100多年。在兩方通話過程中，他們之間一直保持為連接狀態。因為兩點之間為雙向連接，這種連接稱為回路。這就是公共交換電話網(PSTN)的基礎。

下面是典型通話的工作原理：

1. 您拿起聽筒，聽到撥號音。這樣您就知道已連接到電話運營商的本地電話局。

2. 您撥打所要呼叫的號碼。

3. 這次呼叫通過本地運營商的交換機路由到被叫方。

4. 通過沿途的一系列互連交換機，您的電話和對方的線路之間建立了連接。

5. 被叫方電話鈴響起，有人接起了電話。

6. 建立的連接接通電路。

7. 您們交談一段時間，然后掛上電話。

8. 掛上電話后，電路即被斷開，所占用的線路全部得到釋放。

假設您們通話10分鐘。在此期間，兩部電話之間的電路是一直接通的。大約在1960年以前，在早期電話系統中，通話雙方的每次通話過程都需要使用專用線路。因此在那

時，如果要從紐約打電話到洛杉磯，需要橫貫美國，在這兩個城市之間用交換機將一段段銅線連接起來。您只打10分鐘電話，也要使用所有這些線路。您需要支付高昂的費用，原因是您在10分鐘內實際占用4,827公里的銅線。

在目前的傳統電話網上進行通話，效率有了一定提高，價格也有了大幅下降。您的語音經過數字化之后，與數千其他語音組合在一起，通過一條光纜走完大部分傳輸距離（即便如此，仍需要使用一段專用的入戶銅線）。通話時雙方都以固定速率64千比特每秒(Kbps)進行傳輸，因此總傳輸速率為128Kbps。由于1千字節(KB) 等于8千比特(Kb)，因此，電路接通后，傳輸速率等效為16KB每秒，即960KB每分鐘。也就是說，在10分鐘的通話中，總共傳輸9,600KB，約等于10兆字節（參閱位和字節了解這些轉換）。通過對典型通話過程的分析，可以看到傳輸的數據中有很多是無用的數據。

您講話時，對方在聽，這意味著在任意給定時間內，您們都只使用了一半帶寬。由此可以推測，我們完全可以將通話的數據量減半，下降至大約4.7兆字節，從而提高效率。另外，大多數通話中有大量時間是沒有聲音的――一次通話會有幾秒鐘的時間雙方都沒說話。如果能夠除去這些無聲間隔，通話數據量將更小。那么，如果不發送連續的字節流（包括無聲和有聲），而只是在說話時發送有聲字節的包，情況會怎樣？那就是電路交換的替代產品——分組交換電話網絡的基礎。

分組交換

數據網絡不使用電路交換。如果在任意時間瀏覽網頁時，您的互聯網都一直與網頁保持連接，連接速度會大大下降。相反，數據網絡只在需要的時候發送和檢索數據。另外，數據包沿大量可用路徑在混沌網絡中傳輸，而不是通過專用線路路由數據。這稱為分組交換。

電路交換保持所有連接一直連通而不中斷，而分組交換建立暫時的連接――只要能夠將一小組數據（稱為包）從一個系統發送到另一個系統即可。其工作原理如下：

1 發送方計算機將數據分解為小包，每個包上都攜帶一個地址，網絡設備據此確定目的地址。

2 每個包內都是一個凈荷。 凈荷是電子郵件、音樂文件或在包內傳送的文件的一部分。

3 發送方計算機將包發送到就近的路由器就算完成任務。就近的路由器將該包發送到另一臺距接收方計算機更近的路由器。這臺路由器再將包發送到另一臺距目的地更近的路由器，如此繼續進行。

4 接收方計算機最終接收到這些包（它們可能來自于完全不同的路徑），使用包中的指令，將數據重建為原始狀態。

分組交換的效率非常高。通過分組交換，網絡會沿最通暢和最便宜的線路路由包。此外，由于不占用通信雙方的計算機，使得這兩臺計算機也可以接收來自其他計算機的信息。

VoIP的優點和缺點

優點

VoIP技術使用互聯網的分組交換功能來提供電話服務。相對于電路交換，VoIP有幾點優勢。例如，通過分組交換，多路電話所占用的空間量只是電路交換網中一路電話所占用的空間量。如果使用公共交換電話網，則前述10分鐘通話會占用整整10分鐘的傳輸時間，傳輸速度為128Kbps。而使用VoIP，同樣的通話可能只占用3.5分鐘的傳輸時間，傳輸速率為64Kbps，這3.5分鐘內的64Kbps，以及剩余6.5分鐘內的128Kbps是空閑的。根據這一簡單估計，傳統系統一路電話所用的空間中，VoIP很容易傳送三或四路電話。本例中，還未考慮數據壓縮，壓縮可以進一步減小每次通話的數據量。

假設您和您的朋友都在使用某個VoIP提供商提供的服務。您們都已將模擬電話連接到了服務所提供的ATA。讓我們再看看典型通話，但這次使用的是基于分組交換網絡的

VoIP：

1 你拿起聽筒，就會向ATA發送一個信號。

2 ATA接收到信號，發出撥號音。這樣就表示你已連接到了互聯網。

3 你撥打所要呼叫的電話號碼。ATA將語音轉換為數字數據并進行暫時存儲。

VoIP 術語

中心呼叫處理器是一種硬件設備，它運行專用數據庫/映射程序（稱為軟交換機）。請參見“軟交換機”一節以了解更多信息。

4 電話號碼數據以請求的形式發送至您的VoIP公司的呼叫處理器。呼叫處理器檢查這些數據，確認是否為有效格式。

5 呼叫處理器確定將電話號碼映射至何人。在映射時，電話號碼轉換為IP地址（后文將詳細介紹）。軟交換機連接通話雙方的兩個設備。在另一端，一個信號發送至您朋友的ATA，通知它令所連接的電話振鈴。

6 您的朋友一接起電話，您們的計算機之間就建立了一個會話。也就是說，每個系統都知道要從對方系統接收數據包。在計算機之間，普通的互聯網基礎設施用處理電子郵件或網頁的方式處理通話。兩個系統必須使用相同的協議才能通信。作為會話的一部份，系統實現兩個通道，每個方向使用一個通道。

7 您們進行通話。在交談中，有數據要傳送時，您們雙方的系統就在兩個方向傳輸包。每一端的ATA接收到這些包時，都將包轉換為您們所聽到的模擬音頻信號。您的ATA和對方的IP主機之間傳送包時，它和您的模擬電話之間的電路保持接通。

8 您們結束通話，掛上電話。

9 掛上電話后，就斷開了電話和ATA之間的電路。

10 ATA向連接通話的軟交換機發送一個信號，終止會話。分組交換最吸引人的優勢之一，可能是數據網絡對這項技術現成的支持。轉而利用這項技術，電話網絡立刻可以像計算機一樣通信。

通信公司全部轉為使用VoIP至少還得十年時間。與所有新技術一樣，還存在一些需要解決的難題。

難題

現有的公共交換電話網在傳輸通話方面，是很穩健并且相當安全的系統。電話很好用，我們已經習慣依賴它。相反，計算機、電子郵件和其他相關設備仍然是新鮮事物。我們得面對事實――電子郵箱癱瘓30分鐘，很少有人會真的驚惶失措。人們認為這種情況很正常。另一方面，半個小時聽不到撥號音，人們很容易覺得恐慌。公共交換電話網的可靠性彌補了低效率的弱點。互聯網復雜得多，因此，運行中出現差錯的可能性更大。所有這些因素，構成了VoIP的最大缺陷：可靠性差。

1 首先，VoIP依賴于普通電源。現在的電話使用來自中心局線路所提供的幻像電源。即使您斷電了，電話（無繩電話除外）一樣可以正常工作。而對于VoIP，沒有電就打不了電話。因此，必須為VoIP應用穩定的電源。

2 還有一種情況，很多其他家用系統可以集成在電話線路中。數碼攝像機、數字電視預訂服務和家庭安全系統都使用標準電話線路實現其功能。目前，還沒有辦法將這些產品與VoIP集成在一起。業界正準備合作解決這一問題。

3 緊急電話也是VoIP面臨的挑戰。前面提到過，VoIP使用IP地址電話號碼，而不是北美編號計劃（NANP）規定的電話號碼。地理位置和IP地址之間無法進行關聯。因此，如果呼叫者不能將自己的位置告訴緊急電話接線員，接線員就無法知道應將緊急電話轉接至哪個呼叫中心，也無法知道應由哪個急救服務（EMS）響應。要解決這個問題，可能需要在包中集成地理信息。

4 由于VoIP使用互聯網連接，因此，家用寬帶服務常見的不穩定很容易影響VoIP。以下所有因素都會影響通話質量：

延遲

不穩定

包丟失

如果出現傳輸錯誤，通話可能失真、混亂或丟失。VoIP真正取代傳統電話之前，需要解決互聯網數據傳輸的某些穩定性問題。

5 蠕蟲、病毒和網絡攻擊容易影響VoIP，不過這樣的情況并不多。VoIP開發人員正在致力于通過VoIP加密來應對這類問題。

6 VoIP的另一個相關問題是，電話系統依賴于不同規格和電源的PC。處理器資源耗盡會影響通話。假設您正在用軟電話聊天，決定打開一個會耗盡處理器資源的程序，通話質量立刻明顯下降。最糟糕時，系統可能會在重要通話過程中崩潰。在VoIP中，所有通話都受到計算機常規問題的影響。

將電話接收到的模擬音頻信號轉換為數據包是一個難題，這個難困不久前已經被解決。模擬音頻是如何轉換為包從而進行VoIP傳輸的？答案是編解碼器。

編解碼器、軟交換機和協議

編解碼器

編解碼器將音頻信號轉換為壓縮的數字形式，以便進行傳輸，然后轉換回解壓縮的音頻信號，以便重放。這就是VoIP的精髓。從CD播放機到手機，以至于視頻游戲控制臺，都存在數模轉換。

通過在音頻信號中每秒采樣幾千次，編解碼器完成這一轉換。例如，G.711編解碼器每秒采樣音頻64,000次。它將每一個采樣數據都轉換為數字化數據，然后壓縮以便傳輸。這64,000個采樣值進行重建時，采樣值之間的音頻損失非常小，人耳難以分辨，聽起來和一秒鐘的連續音頻信號一樣。VoIP有多種采樣率，具體取決于所用的編解碼器：

每秒64,000次

每秒32,000次

每秒8,000次

G.729A編解碼器在VoIP中最常用，其采樣率為每秒8,000次。它在音質和帶寬效率之間取得很好的平衡。

編解碼器采用高級算法來幫助音頻數據的采樣、分類、壓縮和分包。CS-ACELP算法（CS-ACELP即共軛結構代數碼激勵線性預測）是VoIP中最流行的算法之一。CS-ACELP有助于組織和改善可用帶寬。Annex B是CS-ACELP的一個方面，它規定的傳輸規則可概括為“如果無聲，則不發送任何數據”。前面提到過，這一規則所創造的效率，是分組交換優于電路交換的最大優勢之一。正是CS-ACELP算法的Annex B成就了VoIP的這一優勢。

因此，編解碼器利用這一算法進行轉換和分類，但是，如果不知道數據的目的地，這一切都沒有用處。在VoIP中，軟交換機處理這一任務。

軟交換機

E.164是北美編號計劃(NANP)標準的名稱。簡單來說，電話網使用該編號系統，根據電話按鍵上輸入的數字，即可知道呼叫目的地。這樣，電話號碼就像是地址：

(313)555－1212

313＝省/市/自治區

555＝市

1212＝街道地址

在示例中，交換機知道用“313”將呼叫路由至區號所代表的地區。根據“555”前綴，呼叫發送至中心局，電話網使用與特定位置關聯的最后四位數，對呼叫進行路由。因此，通過這個系統，無論在世界上哪一個地方，“(313) 555”號碼組合總是指向同一個中心局，該局的交換機知道哪部電話與“1212”關聯。

VoIP面臨的挑戰，是基于IP的網絡不能識別基于NANP的電話號碼。IP網絡使用的

是IP地址，如下所示：

192.158.10.7

IP地址對應于網絡上的某個特定設備。它可以是計算機、路由器、交換機、網關或網絡電話。更糟的是，IP地址是變化的。它們由網絡上的DHCP（動態宿主配置協議）服務器分配，通常每次連接都分配不同的地址。因此，VoIP面臨的挑戰是尋求一種方法，將NANP電話號碼轉換為IP地址，然后確定被叫方號碼的當前IP地址。這就是前面提到過的映射過程，它由運行軟交換機的中心呼叫處理器處理。

IP映射

中心呼叫處理器是一種硬件設備，它運行專用數據庫/映射程序（稱為軟交換機）。我們把用戶和與其關聯的電話或計算機視為一個整體，即人和機器。這個整體稱為端點。軟交換機連接端點。

軟交換機知道：

端點在網絡上的位置

端點的關聯電話號碼

分配給端點的當前IP地址

因此，使用VoIP撥打電話時，IP電話會向軟交換機發送請求，詢問所撥打的電話號碼的關聯端點，以及該端點的當前IP地址。軟交換機包含一個數據庫，其中存儲用戶和電話號碼。如果其中沒有所需信息，軟交換機將這次請求發送至下游其他軟交換機，直至找到可以應答請求的軟交換機為止。軟交換機一旦找到用戶，就將該用戶關聯設備的當前IP地址放置在一個類似的請求序列中。它將所有相關信息反饋給軟電話或IP電話，允許兩個端點之間交換數據。

軟交換機與網絡上的設備協作，從而實現VoIP通話。所有這些設備必須以相同方式通信，才能協同工作。這種通信是最重要的因素之一，必須十分精確，才能真正實現VoIP。

目前，有三種協議用于這種通信。在下一節，我們將了解相關內容。

協議

正如我們看到的，在VoIP電話的每一端，都用模擬電話、軟電話或IP電話作為用戶接口，由ATA或客戶端軟件與編解碼器協同工作，對數模轉換進行處理，由軟交換機映射呼叫。面對這些完全不同的軟件和硬件，怎樣才能使它們進行有效通信，從而完成全部任務？答案是應用協議。

現在，有幾種協議應用于VoIP。這些協議規定設備（如編解碼器）之間的連接方式，以及設備連接VoIP網絡的方式。協議還包括音頻編解碼器的規范。應用最廣泛的協議是H.323，這是由國際電信聯盟(ITU)制定的標準。H.323是非常復雜的綜合協議，最初是為視頻會議設計的。它提供實時交互視頻會議、數據共享和音頻應用（如VoIP）的規范。H.323實際上是協議簇，包含很多為特定應用開發的單項協議。

H.323 協議簇

視頻

H.261

H.263

音頻

G.711

G.722

G.723.1

G.728

G.729

數據

T.122

T.124

T.125

T.126

T.127

傳輸

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是相當大的協議和規范集合，這也是它被如此廣泛應用的原因。H.323

的問題在于，它不是專為VoIP制定的。

隨著會話發起協議(SIP)的開發，出現了H.323的替代協議。SIP是更為高效的協議，專為VoIP 的應用而被開發。SIP比H.323精煉，效率更高，它利用現有協議來處理VoIP通話過程的某些部分。媒體網關控制協議(MGCP)是第三種常用VoIP協議，它側重于端點控制。MGCP適用于呼叫等待等功能。要詳細了解這些協議的架構，請訪問：Voice Over IP。

上述三種協議有時不兼容，這也是VoIP在全球范圍應用所面臨的挑戰之一。VoIP電話在多個網絡之間傳輸時，可能因為遇到協議沖突而受到阻礙。VoIP是相對較新的技術，因此，在管理機構制定VoIP的標準通用協議之前，兼容性問題會一直存在。

從總體上看，VoIP面臨的難題是當前缺乏統一的標準。這涉及硬件和協議，實質上涉及系統的各個方面。總的來說，較之現有電話系統，VoIP在效率、成本和靈活性上取得了重大改進。與任何新技術一樣，VoIP還需要解決一些問題，但可以肯定，開發人員會繼續改進這項技術，直到它最終取代現有電話系統。