VoIP 工作原理

很有可能您在拨打长途电话时已经在进行 VoIP 通话了。电话公司利用 VoIP 来精简其网络。通过将数千个电话呼叫通过电路交换机路由到 IP 网关，他们可以大大减少长途传输所需的带宽。一旦呼叫被另一端的网关接收，它就会被解压缩、重新组装并路由到本地电路交换机。

虽然还需要一些时间，但您可以肯定，最终所有当前的电路交换网络都将被分组交换技术取代（稍后将详细介绍分组交换和电路交换）。IP 电话在经济和基础设施要求方面都具有意义。越来越多的企业正在安装 VoIP 系统，随着这项技术进入我们的家庭，其普及度将持续增长。对于正在转向 VoIP 的家庭用户来说，最大的吸引力或许是价格和灵活性。

使用 VoIP，您可以在任何有宽带连接的地方拨打电话。由于 IP 电话或 ATA 通过互联网广播其信息，因此提供商可以在任何有连接的地方对其进行管理。因此，商务旅行者可以在旅行中随身携带他们的电话或 ATA，并始终访问他们的家庭电话。另一种替代方案是软电话。软电话是客户端软件，可将 VoIP 服务加载到您的台式机或笔记本电脑上。Vonage 软电话在您的屏幕上有一个看起来像传统电话的界面。只要您有耳机/麦克风，您就可以在任何宽带连接的世界中通过笔记本电脑拨打电话。

大多数 VoIP 公司提供的按分钟计费的套餐，其结构类似于手机账单，每月低至 30 美元。在高端，一些公司提供每月 79 美元的无限流量套餐。随着取消不规范收费以及这些套餐中包含的一系列免费功能，这可以节省相当多的费用。

大多数 VoIP 公司提供的功能，在添加到您的服务计划时，普通电话公司会收取额外费用。VoIP 包括：

一些运营商还提供高级呼叫过滤选项。这些功能利用来电显示信息，让您可以选择如何处理来自特定号码的呼叫。您可以：

通过许多 VoIP 服务，您还可以通过网络查看语音邮件，或将消息作为附件发送到您的计算机或手持设备。并非所有 VoIP 服务都提供上述所有功能。价格和服务各不相同，因此如果您感兴趣，最好多比较一下。

既然我们已经对 VoIP 有了大致的了解，那么让我们更深入地了解构成该系统工作的组件。要理解 VoIP 真正的工作原理以及为什么它比传统电话系统有所改进，首先了解传统电话系统的工作原理会有所帮助。

现有的电话系统由一种非常可靠但有些低效的呼叫连接方法驱动，该方法称为电路交换。

电路交换是一个非常基本的概念，电话网络已经使用了 100 多年。当两方之间进行呼叫时，连接在通话期间一直保持。因为您是在两个方向上连接两个点，所以这种连接被称为电路。这是公共交换电话网络（PSTN）的基础。

典型电话呼叫的工作原理如下：

假设您通话了 10 分钟。在此期间，两部电话之间的电路持续保持开通状态。在早期的电话系统中，直到 1960 年左右，每次通话都必须有一条专用的线路从通话的一端延伸到另一端，并持续整个通话时间。因此，如果您在纽约想给洛杉矶打电话，纽约和洛杉矶之间的交换机将连接整个美国的铜线。您将使用所有这些铜线进行您长达 10 分钟的通话。您为这次通话支付了高昂的费用，因为您实际上拥有了一根 3,000 英里长的铜线 10 分钟。

如今传统电话网络上的电话通话效率更高，成本也更低。您的声音被数字化，您的声音以及其他数千个声音可以合并到一根光纤电缆上进行大部分传输（尽管仍然有一段专用的铜线连接到您的家中）。这些通话以每方向 64 千比特每秒 (Kbps) 的固定速率传输，总传输速率为 128 Kbps。由于一千字节 (KB) 中有 8 千比特 (Kb)，这意味着电路每开通一秒，传输 16 KB；每开通一分钟，传输 960 KB。在 10 分钟的通话中，总传输量为 9,600 KB，大约等于 10 兆字节（请参阅位和字节的工作原理以了解这些转换）。如果您查看典型的电话通话，会发现传输的许多数据都被浪费了。

接下来我们将讨论分组交换。

分组交换电话网络是电路交换的替代方案。它的工作原理如下：当您通话时，对方正在听，这意味着在任何给定时间只有一半的连接在使用。基于此，我们可以推断为了效率，我们可以将文件大小减半，降至约 4.7 MB。此外，在大多数对话中，相当长的时间是静默的——一次持续几秒钟，双方都没有说话。如果我们可以消除这些静默间隔，文件会更小。那么，与其发送连续的字节流（包括静默和有噪声的），不如只在您创建它们时发送有噪声的字节包呢？

数据网络不使用电路交换。如果您的互联网连接始终保持与您正在查看的网页的连接，那么您的互联网连接速度会慢很多。相反，数据网络只在您需要时发送和检索数据。而且，数据包不是通过专用线路路由，而是通过一个混沌网络沿数千条可能的路径流动。这被称为分组交换。

电路交换保持连接持续开放，而分组交换则打开一个短暂的连接——刚好足够将一小块数据（称为数据包）从一个系统发送到另一个系统。它的工作原理如下：

分组交换非常高效。它允许网络沿着最不拥堵和最便宜的线路路由数据包。它还释放了相互通信的两台计算机，以便它们也可以接受来自其他计算机的信息。

接下来，我们将探讨使用 VoIP 的优势。

VoIP 技术利用互联网的分组交换能力来提供电话服务。VoIP 比电路交换有几个优势。例如，分组交换允许几个电话呼叫占用电路交换网络中一个呼叫所占用的空间。使用 PSTN，我们之前提到的 10 分钟电话呼叫以 128 Kbps 的成本消耗了 10 分钟的完整传输时间。使用 VoIP，同样的呼叫可能只以 64 Kbps 的成本占用了 3.5 分钟的传输时间，为那 3.5 分钟留下了另外 64 Kbps 的空闲，再加上剩余 6.5 分钟的额外 128 Kbps。基于这个简单的估算，另外三到四个呼叫可以很容易地容纳在传统系统单个呼叫所使用的空间中。而且这个例子甚至还没有考虑到使用数据压缩，这会进一步减小每个呼叫的大小。

假设您和您的朋友都通过 VoIP 提供商获得服务。你们都将模拟电话连接到服务提供商的 ATA。让我们再次看看典型的电话呼叫，但这次是在分组交换网络上使用 VoIP：

分组交换最引人注目的优势之一可能是数据网络已经理解这项技术。通过迁移到这项技术，电话网络立即获得了像计算机一样通信的能力。

通讯公司至少还需要十年才能完全转向 VoIP。与所有新兴技术一样，VoIP 也有一些必须克服的障碍。我们将在下一节中探讨这些问题。

目前的公共交换电话网络是一个强大且相当可靠的电话呼叫系统。电话就是能用，我们都对此习以为常。另一方面，计算机、电子邮件及其他相关设备仍然有些不稳定。让我们面对现实吧——很少有人会因为电子邮件中断 30 分钟而真正恐慌。这种情况时有发生。但另一方面，半小时没有拨号音却能轻易让人陷入恐慌。因此，PSTN 在效率上可能有所欠缺，但在可靠性上却弥补了这一点。然而，构成互联网的网络要复杂得多，因此其错误容限也大得多。所有这些加起来就是 VoIP 的一个主要缺陷：可靠性。

很久以前克服的障碍之一是将电话接收到的模拟音频信号转换为数据包。模拟音频是如何转换为用于 VoIP 传输的数据包的？答案是编解码器。

编解码器（英文全称 coder-decoder）将音频信号转换为压缩的数字形式进行传输，然后将其转换回未压缩的音频信号进行回放。它是 VoIP 的核心。

编解码器通过每秒对音频信号进行数千次采样来实现转换。例如，G.711 编解码器以每秒 64,000 次的频率对音频进行采样。它将每个微小样本转换为数字化数据并进行压缩以便传输。当 64,000 个样本重新组装时，每个样本之间缺失的音频片段非常小，以至于人耳听起来就像一秒钟连续的音频信号。VoIP 中有不同的采样率，具体取决于所使用的编解码器：

一个G.729A 编解码器的采样率为每秒 8,000 次，是 VoIP 中最常用的编解码器。

编解码器使用高级算法来帮助采样、排序、压缩和数据包化音频数据。CS-ACELP 算法（CS-ACELP = 共轭结构代数码激励线性预测）是 VoIP 中最普遍的算法之一。CS-ACELP 组织并简化了可用带宽。附件 B 是 CS-ACELP 的一个方面，它创建了传输规则，该规则基本规定“如果无人讲话，则不发送任何数据”。这条规则所产生的效率是分组交换优于电路交换的最大方式之一。CS-ACELP 算法中的附件 B 负责 VoIP 通话的这方面。

编解码器与算法协同工作，将所有内容转换和分类，但如果不知道将数据发送到哪里，它就毫无用处。在 VoIP 中，这项任务由软交换机处理。

E.164 是北美编号计划（NANP）标准的名称。这是电话网络用来根据拨打的号码知道将呼叫路由到何处的编号系统。电话号码就像一个地址：

交换机使用“313”将电话呼叫路由到区号的区域。“555”前缀将呼叫发送到中心局，网络使用后四位数字路由呼叫，这些数字与特定位置相关联。基于该系统，无论您身在世界何处，号码组合“(313) 555”始终将您置于同一个中心局，该中心局有一个交换机，知道哪个电话与“1212”相关联。

VoIP 面临的挑战是，基于 IP 的网络不读取基于 NANP 的电话号码。它们查找 IP 地址，其形式如下：

IP 地址对应于网络上的特定设备，例如计算机、路由器、交换机、网关或电话。然而，IP 地址并非总是静态的。它们由网络上的 DHCP 服务器分配，并随每次新连接而改变。VoIP 的挑战在于将 NANP 电话号码转换为 IP 地址，然后找出请求号码的当前 IP 地址。此映射过程由运行软交换机的中央呼叫处理器处理。

中央呼叫处理器是运行名为软交换机的专用数据库/映射程序的硬件。将用户和电话或计算机视为一个整体——人与机器。这个整体称为端点。软交换机连接端点。

软交换机知道：

接下来我们将详细讨论软交换机和协议。

软交换机包含一个用户和电话号码的数据库。如果它没有所需的信息，它会将请求向下游传递给其他软交换机，直到找到一个可以响应请求的交换机。一旦找到用户，它会在一系列类似的请求中定位与该用户关联的设备的当前 IP 地址。它将所有相关信息发回给软电话或 IP 电话，从而实现两个端点之间的数据交换。

软交换机与网络设备协同工作，使 VoIP 成为可能。为了使所有这些设备协同工作，它们必须以相同的方式进行通信。这种通信是 VoIP 取得成功所必须完善的最重要方面之一。

协议

正如我们所见，在 VoIP 通话的每一端，我们都可以有模拟电话、软电话或 IP 电话作为用户界面，ATA 或客户端软件与编解码器配合处理数字到模拟的转换，以及软交换机进行呼叫映射的任意组合。您如何让所有这些完全不同的硬件和软件高效通信以完成所有这些工作？答案是协议。

目前有几种协议用于 VoIP。这些协议定义了编解码器等设备如何使用 VoIP 相互连接以及连接到网络的方式。它们还包括音频编解码器的规范。最广泛使用的协议是 H.323，这是一个由国际电信联盟（ITU）创建的标准。H.323 是一个全面且非常复杂的协议，最初是为视频会议设计的。它提供了实时、交互式视频会议、数据共享和音频应用（如 VoIP）的规范。H.323 实际上是一套协议，它包含了许多为特定应用开发的独立协议。

H.323 协议套件

视频

音频

数据

传输

如您所见，H.323 是一个庞大的协议和规范集合。这使其能够用于如此多的应用。H.323 的问题在于它并非专门为 VoIP 量身定制。

随着会话发起协议 (SIP) 的发展，一种替代 H.323 的方案出现了。SIP 是一种更精简的协议，专门为 VoIP 应用开发。SIP 比 H.323 更小巧高效，它利用现有协议来处理过程中的某些部分。媒体网关控制协议 (MGCP) 是第三种常用的 VoIP 协议，专注于端点控制。MGCP 适用于呼叫等待等功能。您可以在Protocols.com: Voice Over IP上了解更多关于这些协议的架构。

VoIP 在全球范围使用面临的挑战之一是这三种协议并非总是兼容。VoIP 通话在多个网络之间传输时，如果遇到冲突的协议，可能会遇到问题。由于 VoIP 是一项相对较新的技术，在某个管理机构为 VoIP 创建一个标准通用协议之前，这种兼容性问题将持续存在。

VoIP 在效率、成本和灵活性方面都比目前的电话系统有了巨大的改进。与任何新兴技术一样，VoIP 也有一些挑战需要克服，但很明显，开发人员将继续完善这项技术，直到它最终取代当前的电话系统。

VoIP 具有其独特的优势和劣势。VoIP 最大的优势是价格，而最大的劣势是通话质量。对于部署 VoIP 电话网络的企业——特别是那些运营繁忙的呼叫中心（客户服务、技术支持、电话营销等）的企业——通话质量问题既不可避免又不可接受。为了分析和解决通话质量问题，大多数这些企业都使用一种名为VoIP 通话监控的技术。

VoIP 通话监控，也称为质量监控 (QM)，使用硬件和软件解决方案来测试、分析和评估通过 VoIP 电话网络进行的通话的整体质量 [来源：ManageEngine]。通话监控是企业整体服务质量 (QoS) 计划的关键组成部分。

通话监控硬件和软件使用各种数学算法来测量 VoIP 通话的质量并生成分数。最常见的分数称为平均意见分数 (MOS)。MOS 的衡量标准是 1 到 5 分，尽管从技术上讲，VoIP 网络上可能达到的最高分是 4.4 [来源：TestYourVoIP.com]。MOS 达到 3.5 或以上被认为是“良好通话”[来源：ManageEngine]。

为了得出 MOS，通话监控硬件和软件分析了几个不同的通话质量参数，最常见的有：

呼叫监控有两种不同类型：主动和被动。主动（或主观）呼叫监控发生在公司部署其 VoIP 网络之前。主动监控通常由设备制造商和网络专家进行，他们专门使用公司的 VoIP 网络进行测试 [来源：VoIP Troubleshooter.com]。一旦 VoIP 网络部署并员工开始使用系统，就无法进行主动测试。

被动呼叫监控在实际用户进行 VoIP 通话时实时分析它们 [来源：VoIP Troubleshooter.com]。被动呼叫监控可以检测网络流量问题、缓冲器过载和其他故障，网络管理员可以在网络停机期间修复这些问题。

另一种呼叫监控方法是录制 VoIP 电话通话以供日后分析。然而，这种分析仅限于通话中听到的内容，而非实际网络中发生的情况。这种监控通常由人工而非计算机完成，被称为质量保证。

接下来我们将讨论如何使用手机拨打 VoIP 电话。

双模手机同时包含常规蜂窝无线电和 Wi-Fi (802.11 b/g) 无线电。Wi-Fi 无线电使手机能够通过无线路由器连接到无线互联网网络。如果您家中有一个无线互联网路由器，或者您正在星巴克享受无线互联网接入，您可以使用您的手机拨打 VoIP 电话。工作原理如下：

与双模手机类似的是Wi-Fi 电话。Wi-Fi 电话严格来说并非手机，因为它们只有 Wi-Fi 无线电，没有蜂窝无线电。Wi-Fi 电话看起来像手机（小巧、轻便的听筒），但只有连接到无线互联网网络时才能拨打电话。这意味着所有 Wi-Fi 电话通话都是 VoIP 通话。

Wi-Fi 电话在拥有自己的广泛无线网络的大公司和办公室中非常有用。随着市政 Wi-Fi 市场的扩大，它可能成为下一个大热点 [来源：Dr. Dobb's Portal]。想象一下，您的整个城市都被高速无线网络覆盖。这意味着无论您走到哪里，都可以拨打廉价（如果不是免费）的 VoIP 电话。

在英国，一家名为 和记 3G（简称 3）的公司已与流行的 VoIP 服务 Skype 合作，推出了 3 Skypephone。Skypephone 允许用户免费拨打手机给其他 Skype 用户。该手机也可以向非 Skype 用户拨打常规手机电话，并收取正常费用。工作原理如下：

3 Skypephone 目前在美国尚不可用。

将业余无线电，或火腿无线电，看作是互联网的早期版本。通过一个由无线电塔、天线和收发器组成的全球网络，业余无线电爱好者能够与全球各地的同好进行交流，有时通过语音，有时通过摩尔斯电码。

业余无线电受无线电波传输距离的限制。将信号发送到世界的另一端需要精确的计时和一些运气。例如，每隔 11 年，太阳黑子数量会达到峰值，这会增加一种叫做电离层传播的强度 [来源：国际太阳地球物理计划]。通过将无线电信号高高地反射到电离层中，火腿无线电用户可以发送长距离消息。在非高峰年份，这要困难得多。

现在业余无线电爱好者正在使用 VoIP 技术连接全球用户。工作原理如下：火腿无线电一直依赖于 FM 中继器，即充当从家中访问无线电网络基站的大型无线电塔。通过将连接互联网的电脑连接到这些中继站，人们可以使用 VoIP 与中继器通信。

几位业余无线电爱好者开发了特殊软件，帮助将家用无线电收发器连接到互联网。用户可以将他们的火腿无线电收发器连接到电脑声卡，并使用计算机软件搜索全球可用的中继站 [来源：ARRL]。火腿无线电爱好者不再局限于最近的中继站。如果您住在印第安纳州，您可以立即呼叫莫桑比克的中继站，并与当地的业余无线电爱好者聊天。

还有一些软件程序允许您直接从您的电脑与G其他业余无线电用户通信，而无需实际的火腿无线电 [来源：ARRL]。一些火腿无线电纯粹主义者不会称之为业余无线电，而另一些人则希望这项新技术能吸引更多年轻人加入这项爱好。

有关 VoIP、业余无线电和相关主题的更多信息，请查看以下链接。