1
VoIP
2
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
3
电话网和 IP网的基本概念
电话网最早的点对点电话点对点电话的问题－扩展性差
4
电话网和 IP网的基本概念
电话网自动交换 — 电话交换机引入交换 — 接线员电路交换
5
电话网和 IP网的基本概念
电话网电话交换的一个例子端局 端局汇接局
6
电话网和 IP网的基本概念
分组交换分组交换
Packet 分组
IP = Internet Protocal 是指网络间的互连基于 IP技术的网络是应用最广泛的分组网络
7
电话网和 IP网的基本概念
分组交换分组网
1
24
3
5
Internet 是最大的 IP网络
IP的最大特点是“尽力而为”（ Best Effort）
8
电话网和 IP网的基本概念
电话网与 IP网的比较
电话网像铁路交通
线路专用
有保证
可能效率低
面向连接
9
电话网和 IP网的基本概念
电话网与 IP网的比较
IP网像公路交通
线路公用
没有保证
效率高一些
不面向连接
10
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
11
VoIP的基本定义和结构
Name confusion,commonly used
interchangeably
Internet telephony
Voice-over-IP (VoIP)
IP telephony
12
VoIP的基本定义和结构
VoIP的定义
狭义的 IP电话 就是指在 IP网络上打电话。所谓,IP
网络”就是“使用 IP 协议的分组交换网”的简称。
(Telephony services over IP-based packet
switched networks)
广义的 IP电话 则不仅仅是电话通信，而且还可以是在 IP网络上进行交互式多媒体实时通信（包括话音、
视像等），甚至还包括即时通知 IM(Instant
Messaging)。
13
VoIP的基本定义和结构
VoIP的话音传输
Low-pass filter
Sampling &
A/D convert
Silent
detection Compression
RTP packet
encapsulation
RTP packet
decapsulationDecompression
Timing
reconstructD/A convert
Internet
电话交换机电话交换机
IP电话网关
IP电话网关电话机电话机低通滤波采用模数转换 静音检测 压缩封装
14
VoIP的基本定义和结构
VoIP的连接方式之一,PC to PC
因特网
PC 到 PC
15
VoIP的基本定义和结构
VoIP的连接方式之二,PC to Telephone
公用电话网
IP电话网关因特网
PC 到普通电话机注意 IP电话网关的连接
16
VoIP的基本定义和结构
VoIP的连接方式之二,Telephone to
Telephone
公用电话网
IP电话网关 公用电话网
IP电话网关因特网普通电话机到普通电话机注意 IP电话网关的连接
17
VoIP的基本定义和结构
VoIP系统需要的设备
终端（ Terminal ）
软终端和硬终端
网关（ Gateway ）
网守（ Gatekeeper）
网管、计费及增值业务服务器
18
VoIP的基本定义和结构
终端
软终端
通过运行多媒体终端上相应的 IP电话软件来实现语音通信的设备，如 PC
硬终端
一类采用专用 DSP芯片及嵌入式操作系统的 IP电话机，
如 H.323协议终端,SIP协议终端
19
VoIP的基本定义和结构
网关
IP电话网关是连接 IP网络和 PSTN网络，实现
PSTN-IP-PSTN语音通信的关键设备。
语音分组和号码查询
语音编码和打包
呼叫控制
信令协议的转换
……
20
VoIP的基本定义和结构
网守
是多点 IP电话系统组成的主要组件，相当于网络中的智能集线器，它把多个终端及网关智能的结合在一起，统一进行管理、维护、配置和开发。
呼叫控制
地址翻译
带宽管理
拨号计划管理、网络管理和维护
……
21
VoIP的基本定义和结构
网管、计费及增值业务服务器
管理服务器是网络管理人员提供的一种管理工具，
采用开放式结构，可以对各种组件进行管理。
各种组件包括：终端、网关、网守等，管理功能包括设备控制、参数控制、端口控制、状态监测、拨号方案设置、负载均衡、鉴权及安全管理等。
计费服务器主要利用网守提供的标准、开放的数据接口，收集用户每一次呼叫产生的详细记录并上传到本地数据库，形成计费信息； ……
22
VoIP的基本定义和结构
我国 IP电话网一般采取两级结构，即顶级网守和一级网守，业务量的还可以增加第三级结构，
即二级网守。
23
VoIP的基本定义和结构
参考模型
24
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
25
VoIP的标准
VoIP系统协议栈
RTP/RTCP
IP
MGCP
呼叫控制信令 网关控制信令 Media
H.225
Q.931
H.323
TCP
RAS
UDP
SIPH.245
Audio/
Video
SIP,Session Initiation Protocol
MGCP,Media Gateway Control Protocol
RTP,Real-time Transport Protocol
RTCP,RTP Control Protocol
26
VoIP的标准
H.323协议
H.323 是 ITU-T 于 1996 年制订的一个名称很长的建议书,1998 年的第二个版本改用的名称是
“基于分组的多媒体通信系统”。
H.323 包括系统和构件的描述，呼叫模型的描述，
呼叫信令过程，控制报文，复用，话音编解码器，
视像编解码器，以及数据协议等，但不保证服务质量 QoS。
27
VoIP的标准
H.323协议栈
28
VoIP的标准
H.323协议栈
29
VoIP的标准
H.323 标准指明的 4种构件
H.323 终端
网关
网关连接到两种不同的网络，使 H.323 网络可以和非
H.323 网络进行通信。
网守 (gatekeeper)
所有的呼叫都要通过网闸，因为网闸提供地址转换、授权、
带宽管理和计费功能。
多点控制单元 MCU (Multipoint Control Unit)
MCU 支持三个或更多的 H.323 终端的音频或视频会议。
30
VoIP的标准
H.323 网关用来和非 H.323 网络进行连接因特网 公用电话网网关网守
H.323 终端多点控制单元
MCU
31
VoIP的标准
SIP,Session Initiation Protocol
IETF SIP Working Group提出，应用层信令协议，其中定义了在用户间发起、修改和终止多媒体通信会话；
SIP是一套较为简单且实用的标准，目前已成为因特网的建议标准。
SIP 协议以因特网为基础，把 IP电话视为因特网上的新应用。
SIP 协议只涉及到 IP 电话的信令和有关服务质量问题，而没有提供像 H.323那样多的功能。
SIP没有指定使用 RTP 协议，但实际上大家还是选用 RTP
和 RTCP 作为配合使用的协议。
32
VoIP的标准
SIP 系统的构件
SIP 系统的两种构件是 用户代理 和 网络服务器 。
用户代理包括 用户代理客户 和 用户代理服务器,前者用来发起呼叫，而后者用来接受呼叫。
网络服务器分为 代理服务器 和 重定向服务器 。
33
VoIP的标准
SIP 系统的构件
Redirect
Server
34
VoIP的标准
用户代理,User Agent
发起、接收和终止会话的应用
用户代理客户端 (UAC,User Agent Clients)—发起会话的实体
用户代理服务器 (UAS,User Agent Server)—接收会话的实体
UAC和 UAS都能够终止会话
35
VoIP的标准
代理服务器 (Proxy Server)
能够同时作为服务器或者客户端，当为客户端时，可代表其它客户生成请求
对于接收到的请求或者自己处理，或者转发给其它服务器，
在转发时可能先进行转换、改写
重定向服务器 (Redirect Server)
接受 SIP请求，将消息的下一跳地址信息 (服务器或者 UAS)
返回给客户端
与代理服务器不同，重定向服务不会发起自己的 SIP请求
与 UAS不同，重定向服务器不接受或者终止会话
36
VoIP的标准
注册服务器 (Registar)
接受注册请求
可以支持认证
通常与代理或者重定向服务在一起，可以提供位置服务
定位服务 (Location Service)
Location service是一个抽象概念，提供保存用户
SIP地址和当前位置 (用 SIP或者 SIPS URI来表示 )
的绑定信息的数据库服务
37
基于 SIP的 VoIP系统
CDR Server(s)Feature
Server(s)
Provisioning
Server(s)
3rd Party Billing
System
RADIUS
SNMP
Network
Manager
Clearing
House
Internet
SIP proxy ServerSIP proxy Server
PSTN
Gateway
SIP proxy Server
SIP IP Phone MGCP Device
MGCP/SIP
Translator
SIP proxy Server
H.323/SIP
Translator
SIP proxy Server
H.323
Terminal
SIP based
38
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
39
VoIP的关键技术
语音压缩编解码
静音检测
回声抵消
延迟和抖动
40
VoIP的关键技术
语音压缩编解码
ITU-T
协议号 算法 全称 (英文 ) 全称 (中文 ) 带宽
G.711 PCM Pulse Code Modulation 脉冲编码调制 64kb/s
G.722 SB-ADPCM
Sub-Band Adaptive
Differential Pulse Code
Modulation
子带自适应差分脉冲编码调制 64/56/
48kb/s
G.726 ADPCM Adaptive Differential PCM 自适应 PCM 32kb/s
G.728 LD-CELP Low-delay Code-Excited Linear Prediction 低延时码激励线性预测 16kb/s
G.729 CS-ACELP
Conjugate Structure-
Algebraic Code Excited
Linear Prediction
共轭结构代数码激励线性预测 8kb/s
G.723.1
MP-MLQ Multipulse –Maximum Likelihood Quantization 多脉冲最大似然量化 6.3kb/s
ACELP Algebraic Code Excited Linear Prediction 代数码激励线性预测 5.3kb/s
41
VoIP的关键技术
静音检测
电话统计表明，用户时间在通话过程中实际占用通信线路的时间 <40%
静默状态：当用户的话音信号的能量低于给定门限值时，不再发送话音分组
静音检测的两个问题
背景噪声：如何在较大的背景噪声中检测静音
前后沿剪切问题：用户开始讲话到编码器检测到话音信号之间由于有判定门限，因此存在着延迟，也就是说话音波形的开始和结束部分会被作为静音丢掉，解决方法是在突发话音分组的前面或者后面增加一个话音分组进行平滑
42
VoIP的关键技术
回声抵消
如果通话双方有一方在电话网络中，则将会产生回音问题
主要原因是因为在电话网络中，涉及到混合线圈的 2/4
转换电路，如果和混合线圈的阻抗不完全平衡，那么会有一部分信号漏到对端的 IP电话
回波抵消：通过自适应方法估计回波信号的大小，
然后在接收到的信号中减去估计值，该功能由网关完成网关PC
回波
43
VoIP的关键技术
延迟和抖动（ 1）
延迟,ITU G.114 要求单程延迟在 150 ms~200
ms是可接受的
IP网络延迟变化很大
GPRS Backbone
IP Network
IP based network
variable delay
20~300 or more ms
44
VoIP的关键技术
延迟和抖动（ 2）
抖动：数据到达速率的变化
Hi How a re y ou
Hi Ho,..w a re y ou
J it ter
se n d e r
rece iv e
Hi How a re y ou
< 1 5 0 ~
2 0 0 m s
J it ter buff e r
/ S moot he r
p lay b a ck
45
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
46
What is Skype？
A peer-to-peer (P2P) overlay
network for VoIP and other
applications,developed by Niklas
Zennstrom and Janus Friis,who
founded KaZaA
For users,it’s an Instant
Messaging (IM) software that
supports VoIP
Free on-net VoIP service and a
fee-based off-net SkypeOut
service that allows calling to PSTN
and mobile phone
47
More about Skype
http://www.china-
sip.com/products/Skype/What%20is%20Sky
pe.htm
请查阅资料
VoIP
2
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
3
电话网和 IP网的基本概念
电话网最早的点对点电话点对点电话的问题－扩展性差
4
电话网和 IP网的基本概念
电话网自动交换 — 电话交换机引入交换 — 接线员电路交换
5
电话网和 IP网的基本概念
电话网电话交换的一个例子端局 端局汇接局
6
电话网和 IP网的基本概念
分组交换分组交换
Packet 分组
IP = Internet Protocal 是指网络间的互连基于 IP技术的网络是应用最广泛的分组网络
7
电话网和 IP网的基本概念
分组交换分组网
1
24
3
5
Internet 是最大的 IP网络
IP的最大特点是“尽力而为”（ Best Effort）
8
电话网和 IP网的基本概念
电话网与 IP网的比较
电话网像铁路交通
线路专用
有保证
可能效率低
面向连接
9
电话网和 IP网的基本概念
电话网与 IP网的比较
IP网像公路交通
线路公用
没有保证
效率高一些
不面向连接
10
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
11
VoIP的基本定义和结构
Name confusion,commonly used
interchangeably
Internet telephony
Voice-over-IP (VoIP)
IP telephony
12
VoIP的基本定义和结构
VoIP的定义
狭义的 IP电话 就是指在 IP网络上打电话。所谓,IP
网络”就是“使用 IP 协议的分组交换网”的简称。
(Telephony services over IP-based packet
switched networks)
广义的 IP电话 则不仅仅是电话通信，而且还可以是在 IP网络上进行交互式多媒体实时通信（包括话音、
视像等），甚至还包括即时通知 IM(Instant
Messaging)。
13
VoIP的基本定义和结构
VoIP的话音传输
Low-pass filter
Sampling &
A/D convert
Silent
detection Compression
RTP packet
encapsulation
RTP packet
decapsulationDecompression
Timing
reconstructD/A convert
Internet
电话交换机电话交换机
IP电话网关
IP电话网关电话机电话机低通滤波采用模数转换 静音检测 压缩封装
14
VoIP的基本定义和结构
VoIP的连接方式之一,PC to PC
因特网
PC 到 PC
15
VoIP的基本定义和结构
VoIP的连接方式之二,PC to Telephone
公用电话网
IP电话网关因特网
PC 到普通电话机注意 IP电话网关的连接
16
VoIP的基本定义和结构
VoIP的连接方式之二,Telephone to
Telephone
公用电话网
IP电话网关 公用电话网
IP电话网关因特网普通电话机到普通电话机注意 IP电话网关的连接
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VoIP的基本定义和结构
VoIP系统需要的设备
终端（ Terminal ）
软终端和硬终端
网关（ Gateway ）
网守（ Gatekeeper）
网管、计费及增值业务服务器
18
VoIP的基本定义和结构
终端
软终端
通过运行多媒体终端上相应的 IP电话软件来实现语音通信的设备，如 PC
硬终端
一类采用专用 DSP芯片及嵌入式操作系统的 IP电话机，
如 H.323协议终端,SIP协议终端
19
VoIP的基本定义和结构
网关
IP电话网关是连接 IP网络和 PSTN网络，实现
PSTN-IP-PSTN语音通信的关键设备。
语音分组和号码查询
语音编码和打包
呼叫控制
信令协议的转换
……
20
VoIP的基本定义和结构
网守
是多点 IP电话系统组成的主要组件，相当于网络中的智能集线器，它把多个终端及网关智能的结合在一起，统一进行管理、维护、配置和开发。
呼叫控制
地址翻译
带宽管理
拨号计划管理、网络管理和维护
……
21
VoIP的基本定义和结构
网管、计费及增值业务服务器
管理服务器是网络管理人员提供的一种管理工具，
采用开放式结构，可以对各种组件进行管理。
各种组件包括：终端、网关、网守等，管理功能包括设备控制、参数控制、端口控制、状态监测、拨号方案设置、负载均衡、鉴权及安全管理等。
计费服务器主要利用网守提供的标准、开放的数据接口，收集用户每一次呼叫产生的详细记录并上传到本地数据库，形成计费信息； ……
22
VoIP的基本定义和结构
我国 IP电话网一般采取两级结构，即顶级网守和一级网守，业务量的还可以增加第三级结构，
即二级网守。
23
VoIP的基本定义和结构
参考模型
24
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
25
VoIP的标准
VoIP系统协议栈
RTP/RTCP
IP
MGCP
呼叫控制信令 网关控制信令 Media
H.225
Q.931
H.323
TCP
RAS
UDP
SIPH.245
Audio/
Video
SIP,Session Initiation Protocol
MGCP,Media Gateway Control Protocol
RTP,Real-time Transport Protocol
RTCP,RTP Control Protocol
26
VoIP的标准
H.323协议
H.323 是 ITU-T 于 1996 年制订的一个名称很长的建议书,1998 年的第二个版本改用的名称是
“基于分组的多媒体通信系统”。
H.323 包括系统和构件的描述，呼叫模型的描述，
呼叫信令过程，控制报文，复用，话音编解码器，
视像编解码器，以及数据协议等，但不保证服务质量 QoS。
27
VoIP的标准
H.323协议栈
28
VoIP的标准
H.323协议栈
29
VoIP的标准
H.323 标准指明的 4种构件
H.323 终端
网关
网关连接到两种不同的网络，使 H.323 网络可以和非
H.323 网络进行通信。
网守 (gatekeeper)
所有的呼叫都要通过网闸，因为网闸提供地址转换、授权、
带宽管理和计费功能。
多点控制单元 MCU (Multipoint Control Unit)
MCU 支持三个或更多的 H.323 终端的音频或视频会议。
30
VoIP的标准
H.323 网关用来和非 H.323 网络进行连接因特网 公用电话网网关网守
H.323 终端多点控制单元
MCU
31
VoIP的标准
SIP,Session Initiation Protocol
IETF SIP Working Group提出，应用层信令协议，其中定义了在用户间发起、修改和终止多媒体通信会话；
SIP是一套较为简单且实用的标准，目前已成为因特网的建议标准。
SIP 协议以因特网为基础，把 IP电话视为因特网上的新应用。
SIP 协议只涉及到 IP 电话的信令和有关服务质量问题，而没有提供像 H.323那样多的功能。
SIP没有指定使用 RTP 协议，但实际上大家还是选用 RTP
和 RTCP 作为配合使用的协议。
32
VoIP的标准
SIP 系统的构件
SIP 系统的两种构件是 用户代理 和 网络服务器 。
用户代理包括 用户代理客户 和 用户代理服务器,前者用来发起呼叫，而后者用来接受呼叫。
网络服务器分为 代理服务器 和 重定向服务器 。
33
VoIP的标准
SIP 系统的构件
Redirect
Server
34
VoIP的标准
用户代理,User Agent
发起、接收和终止会话的应用
用户代理客户端 (UAC,User Agent Clients)—发起会话的实体
用户代理服务器 (UAS,User Agent Server)—接收会话的实体
UAC和 UAS都能够终止会话
35
VoIP的标准
代理服务器 (Proxy Server)
能够同时作为服务器或者客户端，当为客户端时，可代表其它客户生成请求
对于接收到的请求或者自己处理，或者转发给其它服务器，
在转发时可能先进行转换、改写
重定向服务器 (Redirect Server)
接受 SIP请求，将消息的下一跳地址信息 (服务器或者 UAS)
返回给客户端
与代理服务器不同，重定向服务不会发起自己的 SIP请求
与 UAS不同，重定向服务器不接受或者终止会话
36
VoIP的标准
注册服务器 (Registar)
接受注册请求
可以支持认证
通常与代理或者重定向服务在一起，可以提供位置服务
定位服务 (Location Service)
Location service是一个抽象概念，提供保存用户
SIP地址和当前位置 (用 SIP或者 SIPS URI来表示 )
的绑定信息的数据库服务
37
基于 SIP的 VoIP系统
CDR Server(s)Feature
Server(s)
Provisioning
Server(s)
3rd Party Billing
System
RADIUS
SNMP
Network
Manager
Clearing
House
Internet
SIP proxy ServerSIP proxy Server
PSTN
Gateway
SIP proxy Server
SIP IP Phone MGCP Device
MGCP/SIP
Translator
SIP proxy Server
H.323/SIP
Translator
SIP proxy Server
H.323
Terminal
SIP based
38
主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
39
VoIP的关键技术
语音压缩编解码
静音检测
回声抵消
延迟和抖动
40
VoIP的关键技术
语音压缩编解码
ITU-T
协议号 算法 全称 (英文 ) 全称 (中文 ) 带宽
G.711 PCM Pulse Code Modulation 脉冲编码调制 64kb/s
G.722 SB-ADPCM
Sub-Band Adaptive
Differential Pulse Code
Modulation
子带自适应差分脉冲编码调制 64/56/
48kb/s
G.726 ADPCM Adaptive Differential PCM 自适应 PCM 32kb/s
G.728 LD-CELP Low-delay Code-Excited Linear Prediction 低延时码激励线性预测 16kb/s
G.729 CS-ACELP
Conjugate Structure-
Algebraic Code Excited
Linear Prediction
共轭结构代数码激励线性预测 8kb/s
G.723.1
MP-MLQ Multipulse –Maximum Likelihood Quantization 多脉冲最大似然量化 6.3kb/s
ACELP Algebraic Code Excited Linear Prediction 代数码激励线性预测 5.3kb/s
41
VoIP的关键技术
静音检测
电话统计表明，用户时间在通话过程中实际占用通信线路的时间 <40%
静默状态：当用户的话音信号的能量低于给定门限值时，不再发送话音分组
静音检测的两个问题
背景噪声：如何在较大的背景噪声中检测静音
前后沿剪切问题：用户开始讲话到编码器检测到话音信号之间由于有判定门限，因此存在着延迟，也就是说话音波形的开始和结束部分会被作为静音丢掉，解决方法是在突发话音分组的前面或者后面增加一个话音分组进行平滑
42
VoIP的关键技术
回声抵消
如果通话双方有一方在电话网络中，则将会产生回音问题
主要原因是因为在电话网络中，涉及到混合线圈的 2/4
转换电路，如果和混合线圈的阻抗不完全平衡，那么会有一部分信号漏到对端的 IP电话
回波抵消：通过自适应方法估计回波信号的大小，
然后在接收到的信号中减去估计值，该功能由网关完成网关PC
回波
43
VoIP的关键技术
延迟和抖动（ 1）
延迟,ITU G.114 要求单程延迟在 150 ms~200
ms是可接受的
IP网络延迟变化很大
GPRS Backbone
IP Network
IP based network
variable delay
20~300 or more ms
44
VoIP的关键技术
延迟和抖动（ 2）
抖动：数据到达速率的变化
Hi How a re y ou
Hi Ho,..w a re y ou
J it ter
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rece iv e
Hi How a re y ou
< 1 5 0 ~
2 0 0 m s
J it ter buff e r
/ S moot he r
p lay b a ck
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主要内容
电话网和 IP网的基本概念
VoIP的基本定义和结构
VoIP的标准
VoIP的关键技术
一个 VoIP软件实例,Skype
46
What is Skype？
A peer-to-peer (P2P) overlay
network for VoIP and other
applications,developed by Niklas
Zennstrom and Janus Friis,who
founded KaZaA
For users,it’s an Instant
Messaging (IM) software that
supports VoIP
Free on-net VoIP service and a
fee-based off-net SkypeOut
service that allows calling to PSTN
and mobile phone
47
More about Skype
http://www.china-
sip.com/products/Skype/What%20is%20Sky
pe.htm
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