VoIP技术

一. 绪论

        首先一个概念就是"运营商级". 当我们描述一项技术为"运营商级"时,这就意味着这项技术已经非常的可靠和稳定了.这样的标准很难形成.

        VoIP就是应用IP进行语音业务的传输,这样的技术有着得天独厚的优势,它的设备的费用低,对于带宽的要求比较低,而且IP广泛可用的,等等等等但是由于各种各样的限制,实现运营级的VoIP还是一件很困难的事情,但是随着技术的不断发展以及硬件条件的不断加强,这绝不是一个空想.

        对于语音信息来讲,G.711是电话制定的标准但是许多其他的编码方案也是适用的,可以满足在不同的速率下进行语音信号的传输,如32kbit/s,16kbit/s等等.

        当然解决这样的一个问题,VoIP并不是唯一的解决方案,通过帧中继进行语音传输(VoFR),和通过ATM进行的语音传输(VoATM)都是很好的选择,不过IP比起帧中继网络与ATM来讲广泛性好了许多,这也成为VoIP技术发展的一个重要因素.

        做为一项技术,能不能发展,主要的因素还是在市场需求上.对于运营商与网络经营者来说,VoIP可以节省费用.我们也将慢慢分析到IP技术为什么会强过其他技术成为语音传输的主流技术.

        在ITU-T建议P.800中,音质等级分为5级,如下:
5  ---- 非常好
4  ---- 好
3  ---- 一般
2  ---- 差
1  ---- 非常差
        在语音的可靠性与话音质量上，要求需要钟声的音质，也就是说平均意见得分(Mean Opinion Score, MOS)要达到4.0分以上。

语音的质量要从以下四个方面来界定：
1. 延时状况
2. 抖动
3. 包丢失
4. 语音编码技术

        常用的一些编码技术有G.711, G.726, G.723, G.728, G.729, GSM Full Rate等.他们的MOS都在4.0左右。

        在VoIP的实现上，主要有基于IP的PBX解决方案，IP语音信箱，主机PBX解决方案，IP呼叫中心，IP用用户设备几个方面的问题。

二.使用IP传输语音

        IP协议是一个数据分组传输的路由协议，它必须和高层协议协作才能支持应用和服务的运行。在OSI7层模型中，IP协议作用于网络层。而TCP/UDP协议处于IP的上一层---传输层，保证数据的传输过程。IP本身在rfc791中进行了定义，并在rfc950,919,920中进行了修正。IP的报头的格式为:

    0                   1                   2                   3  
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                       Source Address                          |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Destination Address                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Version为当前IP的版本，当前是IPv4,以后为IPv6。
TTL表示在一个数据包丢弃之前在网络中的逗留时间。
Protocol表示上层是使用哪能个协议应用，是TCP还是UDP。TCP为6,UDP为7.

        路由器通过IP地址可以进行IP的路由选择，路由器可以构建路由表，通过RIP,IGRP,OSPF以及BGP等足够由协议进行路由选择。

        在上层，TCP协议是由rfc793进行协议规定，它的包的格式如下：

    0                   1                   2                   3  
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          Source Port          |       Destination Port        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        Sequence Number                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Acknowledgment Number                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
   | Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
   |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             data                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

        TCP端口号表示一个应用或者具体的实例，它是一个虚概念，表示了一个应用可以通过某个端口进行通讯，但是端口在物理上并不存在。
        序列号与确认号： 序列号是用来计算字节的，通过序列号，我们可以知道下一个分段号的节始数据号。确认号表示在一端我们期望得到的序列号。

        而URG,ACK,PSH,RST,SYN,FIN这些信就定义了TCP的各种不同包的标志信息.

        与TCP不同但与TCP同层的UDP是只执行简单的传输功能，但是并不进行包确认过程。

RTP协议
        RTP协议是在rfc1889中规定的。如上面所说，UDP是不确定的连接，在多媒体信息传输的时候，我们需要知道当前的网络传输状况如何，并对于传输过程进行优化，这样的话，才能充分利用带宽。

        RTP在包中加入了时间戳信息，利用时间戳，我们可以知道传输的抖动信息以及传输过程的问题。
 
        RTP包的定义在rfc1889中进行。RTP包含有不同的净荷，也就是说RTP中包含的数据类型是不确定的，所以在RTP报头中有一个净荷类型的标志来进行标记。
        对于不确定类型的数据，RTP中预留了一部分动态净荷类型标记，这些标记用于自定义。

RTP的报头格式如下：

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |V=2|P|X|  CC   |M|     PT      |       sequence number         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                           timestamp                           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           synchronization source (SSRC) identifier            |
   +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
   |            contributing source (CSRC) identifiers             |
   |                             ....                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

V为版本，当前为2
P表示在当前净荷中是否有一到多位的填充信息。
CC为CSCR的计数信息，
M为标记位，用于静态抑制。
PT为上面提到过的净荷类型。
序列号是在会话开始的时候设定的一个随机数，用序列号可以知道数据是否被收到。
时间戳是一个线性的时钟，用它来对于包的到达状况进行识别。
SSRC同步源，负责序列号和时间戳的值，这个标志符由发送方随机选取，这样就不会依赖于网络地址。
CSRC有用源，包含一个会话发起者的SSRC值。

RTCP协议
        RTCP共定义了五种不同的RTCP分组：
发送方报告（SR），接收方报告（RR），源描述（SDES），BYE, APP.

        一个会话双方进行RTP分组时使用SR。格式如下：
0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|V=2|P|    RC   |   PT=SR=200   |             length            | header
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         SSRC of sender                        |
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|              NTP timestamp, most significant word             | sender
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ info
|             NTP timestamp, least significant word             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         RTP timestamp                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     sender's packet count                     |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      sender's octet count                     |
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|                 SSRC_1 (SSRC of first source)                 | report
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ block
| fraction lost |       cumulative number of packets lost       |   1
-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           extended highest sequence number received           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      interarrival jitter                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         last SR (LSR)                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   delay since last SR (DLSR)                  |
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|                 SSRC_2 (SSRC of second source)                | report
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ block
:                               ...                             :   2
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|                  profile-specific extensions                  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

        这个分组格式与RTP包很相似，我们不再继续分析。

        RTCP接收方报告(RR),格式如下。它由一个会话参与者发出，它接收了RTP分组，但自己还没有发送过RTP包到任何一个其他的参与者。

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|V=2|P|    RC   |   PT=RR=201   |             length            | header
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     SSRC of packet sender                     |
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|                 SSRC_1 (SSRC of first source)                 | report
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ block
| fraction lost |       cumulative number of packets lost       |   1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           extended highest sequence number received           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      interarrival jitter                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         last SR (LSR)                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   delay since last SR (DLSR)                  |
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|                 SSRC_2 (SSRC of second source)                | report
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ block
:                               ...                             :   2
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|                  profile-specific extensions                  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

RTCP源描述分组(SDES)

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|V=2|P|    SC   |  PT=SDES=202  |             length            | header
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|                          SSRC/CSRC_1                          | chunk
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+   1
|                           SDES items                          |
|                              ...                              |
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|                          SSRC/CSRC_2                          | chunk
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+   2
|                           SDES items                          |
|                              ...                              |
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+

SDES提供有关会话参与者的身份认证和会话参与者的其他信息。

RTCP的BYE分组， 表示一个或更多的媒体源不再是处于激活的状态。s
    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |V=2|P|    SC   |   PT=BYE=203  |             length            |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                           SSRC/CSRC                           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   :                              ...                              :
   +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
   |     length    |               reason for leaving             ... (opt)
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

应用定义的RTCP(APP)分组

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |V=2|P| subtype |   PT=APP=204  |             length            |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                           SSRC/CSRC                           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                          name (ASCII)                         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                   application-dependent data                 ...
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

是对于RTCP的扩展过程。

        我们利用SR与RR的信息可以计算得到一个回路的时间比如A在T1发报告给B，B在T2时接收到这个报告，B在时间T3发送报告B，A在T4的时候接收到这个报告。这个回路的时间为T4-T3+T2-T1.

        同样的原理，可以计算抖动以及分组定时等等其他的功能。

下一节介绍语音编码的一些知识.

编者按：原文出自Jasonme的博客