VOIP打造高效通信网加速数字化校园建设.docx
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VOIP打造高效通信网加速数字化校园建设
VOIP打造高效通信网，加速数字化校园建设
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北京交通大学电子信息工程学院通信0X0X班
摘要：
VOIP将模拟声音讯号数字化，以数据封包的形式在IP数据网络上做实时传递，集语音信令技术、语音编码压缩技术、网络传输技术、QOS技术、实时传输等技术为一体，是当前通讯行业最热门、发展最快的领域之一，基于IP网络的VOIP通话方式为人们的远距离交流提供了一种价廉的途径。
本文在介绍VOIP基本原理和流程的基础上,从VOIP技术的先进技术模式出发,分析了VOIP应用和VOIP语音系统的优缺点,探究了VOIP技术的出现对现有的校园网络的影响,进而分析VOIP技术在校园网络体系中的应用。
关键词：
VOIP；校园；数字化；通信
近年来，网络教育给高校师生学习带来了获取知识和信息的便利，宽带多媒体语音、视频、数据的融合趋势使今天的高校校园实现融合通信成为可能，校园是培养人才的地方，更应该尽早地应用领先的技术以便使师生体验科技带来的利益。
随着用户需求、科技发展这两大推动力推动高校校园网络的快速发展，使高校师生对通信的需求也由原来的语音变为对数据、图像、语音的综合需求，需求将更为复杂、更为丰富、更加个性化、更为智能化。
可以说，高校用户在等待数字化校园网络提供新一代的通信服务，而基于IP网络的VOIP通话方式便可实现这一梦想。
1VOIP发展的历史背景
随着互联网全球化、标准化、商用化的发展，人们开始希望通过互联网进行电话、传真等服务。
1995年，以色列VocalTec公司的InternetPhone因特网电话软件研制成功，它可使联机用户通过因特网进行相互通话。
这一技术上的突破，在IT界引起了巨大的震动。
随后，1996年7月美国IDT公司发布Net2phone单工测试版，标志着全球第一款Internet语音传输软件的诞生，IT巨头Microsoft公司的Netmeeting，Intel公司的InternetVideoPhone等各种因特网电话软件也相继问世。
由于是通过互联网传送语音通话，网络电话被认为是对传统电话业务的一项颠覆性替代业务。
据了解，根据国际上公认的分类方式，VOIP有四种实现方式：
Phone-Phone、Phone-PC、PC-Phone和PC-PC。
而我国信息产业部颁布的《电信业务分类目录》中，把Phone-Phone以及PC-Phone的IP电话明确确定为第一类基础电信业务，目前阶段只有几大基础电信运营商有资格运营。
与此同时，近年来一些网络电话“话吧”在学校、居民住宅区、工业区等迅速兴起。
网络电话的运营成本更为低廉，且进入门槛更低。
由于像平常打电话一样方便，网络“话吧”迅速占据中低收入和外来打工人员的市场，并对传统电话业务形成冲击。
随着VOIP技术成熟及各种人为管制的放松，VOIP进入了一个新的发展时期。
中国VOIP的运营也逐渐呈现竞争发展的局面。
在互联网与传统电信业务领域融合的过程中，VOIP以其技术优势推进电信市场朝更加开放和多样化的阶段发展。
另外，在一些国家，IP电话业务放开经营，不需要许可，如奥地利、荷兰、瑞典、德国等。
在另一些国家，如英国和日本一开始就将IP电话纳入现有的管理体系，如日本要求IP电话经营者满足5条规定，包括固定场所、确保品质、由本公司提供线路、实现紧急呼叫、具备号码规划。
还有些国家将IP电话与传统电话同等对待，只有部分电信运营商获准经营，如澳大利亚、法国等。
另有一些国家禁止提供互联网语音服务，如捷克和匈牙利。
然而，鉴于互联网的全球特性，通过某一国家的政策法规来限制IP电话的发展是非常困难的。
将VOIP作为战略转型和寻求新业务增长点的方向，以IP技术为核心的分组化和以移动通信为核心的无线化已经取代电路交换技术而成为电信网络发展的主流方向。
国际上许多标准化组织积极制定了相关的系统标准。
当前，在IP电话系统中应用最广泛也最成熟的标准是H.323协议。
它与相关的H.225、H.245、H.450和H.341等支持协议一起，为多媒体信息的编码、通信过程中呼叫和媒体信道的控制以及媒体流的传输方式等内容制定了统一的规范。
H.323协议是一种兼顾传统呼叫流程和IP网特点发展而来的成熟的开放标准体制。
另一个在IP电话领域中应用较广泛的协议是SIP协议。
SIP协议得到了多家厂商尤其是微软公司的支持。
2数字化校园的特征
数字化校园是指利用多媒体、网络技术，将学校的主要信息资源数字化，并实现数字化信息管理方式和沟通传播方式，从而形成高度信息化人才培养环境。
其网络通信的主要特征为：
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2.1多媒体化
目前通信带宽的制约将随着网络的不断建设而逐渐消失，人们需要在语音沟通的同时得到更加丰富的信息。
例如可视电话在人们进行语音交流的同时，还可以看到对方的相貌和表情。
通过网络举行网络会议的人们，不需要专业的设备，计算机加上摄像头以及终端软件就可以进行远程视频会议。
目前，网上视频点播已经广泛地开展，将来通过网络收看电视节目和电视教学也将被广泛地应用。
多媒体特性的另一个表现为语音识别和语音文本的双向转换，人们可以从电话中收听E—mail，也可以将会议的录音直接转换为文本进行存贮。
下一代网络业务中发展最快的特性将是多媒体特性，同时多媒体特性也是其最基本最明显的特性。
2.2开放性
随着新一代数字化校园网络的建设，高校师生可以更加广泛地利用网络，同时对网络内容的要求也越来越多。
除了正常上网查资料、浏览网页的普遍方式之外，应该有越来越多的专业化内容为特定用户群提供量身定做的个性化服务，而这一点恰恰是对高校在网络内容上的补充，这就需要网络具有标准的、开放的接口。
这种开放性将给校园网络带来更丰富的业务应用。
2.3个性化
个性化是指针对某一个特殊群体甚至个人的服务，例如国外某网站的护照服务可以使用户在服务提供商的服务器上存储自己的电子邮件地址、住址和喜好等个人的个性化信息。
当用户访问服务提供商的网站时，只需登录一次，就可以在不同的网址、服务器，甚至不同合作伙伴的网站上畅行无阻，这些个人信息将时刻紧密相随。
目前有相当多的用户是这种技术的受益者，其中大部分是邮箱用户。
2.4智能化
新一代数字化校园应具有多样化、智能化的特点，网络业务和终端特性结合起来可以提供更加智能化的业务。
同时用户可以将多种业务组合起来，形成新的业务。
用户也可以通过业务门户进行简单的选择和配置生成个性化的业务。
在开放式办公环境中，教工的座位并不固定，教工在上班时通过网络设置办公桌的电话号码以及电话的特性。
这样无论他坐在哪个办公桌都可以使用个人固定的电话号码，他也可以设定自己喜爱的通信方式，如可视电话或PCPHONE等。
用户也可以根据需要设定不同时间段采用不向的通信方式，或者在某个时间段将呼叫转接给他人处理，这类个人路由策略业务将在未来的数字化校园中被广泛应用。
2.5虚拟化
虚拟高校实验室、虚拟高校现实、虚拟数字化图书馆、虚拟学生社区的出现极大地丰富和方便了师生的生活。
网络虚拟化技术使学校增加了网络资源的利用率，并充分加强了对资源及其分配的更多控制。
学校还能在资源的规划中获得弹性和速度。
通过虚拟化减少一个网络中物理设备的数目，显著地降低了开销与管理网络基础设施的复杂程度。
3目的及意义
大学校园是一个很大的社会消费群体，特别是随着社会进步，网络的发展，学校教学环境、教学设施也不断得到改善。
网络电话作为一个新兴的通讯产品，已逐步进入校园。
在校学生经济承受能力很低，但善于接受新生事物，现在校园中IP电话超市的悄然兴起，已逐步迎合了同学的这种消费需求，网络电话这种低话费的通讯手段已经在校园中得到应用。
目前，在宿舍、网吧上网的时间越来越多，在上网的同时使用网络电话，能充分利用网络，增大同学们与外界沟通和交流的机会，降低同学、学校的通讯费用开支，这种通讯方式使用方便，并且符合同学们个性化通讯的特点，尤其是通话时间长、费用低廉。
目前大学校园都已经建立了较为完备的校园计算机网络和电话通信网络，但存在校园网和电话网两网并存的情况，这既不符合“三网合一”的发展趋势，也不利于统一管理，不能发挥二者的整合作用，同时网络的重复建设也造成了资金和人员的极大浪费。
而且随着网络应用需求的不断提高以及网络通信的多样化发展趋势，需要在学校内部建立多媒体通信网络来满足不断增长的需求。
因此，本课题通过对学校现有计算机网络和电话网络的现状进行分析，同时充分结合学校网络应用的实际情况，在现有校园网的基础上，通过对相应的网络结构、硬件设备、通信软件和网络管理方面的研究，提出一种基于校园网的VOIP解决方案。
本课题的研究针对现有网络的不足，充分挖掘现有网络潜力，提高网络的利用率，从而降低开销和网络成本，在校园网的改造方面具有非常重要意义。
同时通过将校园网和电话网的整合，实现两网合一，并通过统一的网络管理减少网络维护成本，对学校的网络建设和维护具有十分重要的现实意义。
4VOIP推动数字化校园通信
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4.1VOIP概述
VOIP（VoiceOverIP）互联网电话是现阶段一个闪亮的名词，是利用因特网传递数字信号实现通话的一种先进的通信方式。
VOIP的基本原理就是通过语音压缩的设备对我们的话音进行压缩编码处理，然后把这些语音数据根据相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到目的地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送话音的目的。
广义上说，它包括语音、传真、视频传输等多种业务。
4.2VOIP基本原理
利用电话网关设备将电话语音信号数字化,通过语音压缩算法对语音信号进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按TCP/IP标准进行打包，经过网络把数据包发送到接收地;接收端把这些语音数据包串起来，经过解码、解压缩处理后恢复成原来的语音信号，从而达到由互联网传送语音的目的。
基本原理流程如下图所示：
图1VOIP基本原理流程
在相同的带宽下能传输的电话数，IP电话是传统的5-8倍。
最简单形式的网络由两个语音网关组成，这两个语音网关通过一个IP网络连接。
语音网关设备的功能是起到一个桥接作用。
通话发起方的语音网关把语音信号转换成IP数据流，通过IP网络把这些数据流传输到被叫方的语音网关，接着被叫方语音网关把IP数据流转换回语音信号。
4.3VOIP的优势
4.2.1成本优势
随着PC的普及和网络的高速发展，学校配备宽带上网已不是一件难事。
与此同时，大部分学校还在为大量的电话费而困扰。
VOIP技术的到来正是为解决网上视频点播已经广泛这些问题，它利用网络传输语音通话业务，从而消除长途呼叫费用，进而节省大量的电话费用。
另外，学校要增加内部的电话还不是很方便，又要布线、又要扩充容量；在一个城市或一个省的各个学校、教委之间通信量比较大，采用传统的电话会比较贵，而利用现有的宽带教育城域网可以采用VOIP的方式实现通信。
采用VOIP我们可以节省大量的通信费用、减少设备投入，是学校可以选择的一个性价比高的解决方案。
只需利用现有的网络，既减少投资，又发挥了网络的最大效能。
更重要的是节省通话费用，降低成本。
另外，与传统PBX（俗称：
程控交换机）局域网电话用户群提供量身定做的个性化服务，而这一点恰恰是对高系统相比，VOIP标准更为开放。
起初，VOIP的运用与IP电校在网络内容上的补充，这就需要网络具有标准的、开放话和PBX的替代品联系着，后者曾是语音中心的解决方案。
VOIP与PBX一样都重视降低成本，而随着VOIP解决方案的引入，以传统PBX为主导的办公交换市场注定会发生变革。
4.2.2效率优势
工作人员可以通过统一用户界面设定自己的工作状态，查看到对方的工作状态，如果对方不便接听电话，可以发送消息到对方的话机或平台软件；如果对方可以接听电话，点击他的名字，摘机就可以接通他的电话。
有传真时，系统自动发出消息通知或语音通知接收人，并可以将传真转发到用户的电子邮箱。
此外，工作人员还可以通过这个系统同时向多个内部人员发送传真，并可以设定传真发送计划。
传真件可以是扫描后的图片，也可以通过Word、Excel、Photoshop等所有应用软件直接发送。
系统还可以直接使用其他系统中记录的电话或传真信息，如形成新MicrosoftWindows通讯录中的信息，并可以运行于多种操作系统之上。
4.4VOIP的关键技术
在传统电话网的业务不断发展的情况下，VOIP的含义和设计目标也超越了其字面意义；也就是说VOIP技术不仅指提供双方会话的传统电话技术，而且是包含话音、图像和数据、支持各种智能业务的双方及多方多媒体通信技术。
由于IP是一种无连接的传输技术，在其上构建多媒体通信系统时，就必须考虑信号处理技术、信令技术、服务质量（QoS）保证技术等关键技术。
VOIP的关键技术包括：
控制信令技术，包括ITU-TH.323和IETF会话初始化协议SIP两套标准体系，还涉及到进行实时同步连续媒体流传输控制的实时流协议TRSP；媒体传输技术，主要采用实时传输协议RTP；业务质量保障技术，采用资源预留协议RSVP、服务质量QoS和用于业务质量监控的实时传输控制协议RTCP来避免网络拥塞，保障通话质量；语音压缩编码和解码技术，包括流行的G.723.1、G.729、G.729A话音压缩编码算法和MPEG-II多媒体压缩技术；网络传输技术主要是TCP和UDP。
此外还涉及到分组重建技术和时延抖动平滑技术、动态路由平衡传输技术、网关互联技术（包括媒体互通和控制信令互通）、网络管理技术（SNMP）、安全认证和计费技术、IVR交互式语音响应技术等等。
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4.4.1控制信令技术
信令技术是VOIP技术体系中，重要的组成部分之一。
在传统的语音通信网络中，信令技术的主要任务是建立一种连接。
在IP电话网络中，由IP网络电话的控制信息实现传统电信网建立维护，结束通信会话的整个过程。
通常有三种类型的信令技术：
一是从网守到路由器的信令技术；二是IP电话网络中各路由器之间的信令技术；三是从路由器到网守的信令技术。
一般来说从网守到企业内部网络的信令技术可以选择中继线内使用的通用信令。
路由器内部，把从网守接收的拨号数字映射为IP地址，并向该IP地址的站点发送Q.931通知建立请求信号。
同时，系统使用控制信道建立实时语音流，并使用RSVP协议请求服务质量。
这样，信令技术就可以保证电话呼叫的顺利实现和语音质量。
由于信令的重要性，因此相关的协议均采用TCP作为传输层协议，用发送控制分组的形式实现信令的功能。
目前广泛采用的VOIP控制信令体系包括ITU-T的H.323系列、IETF的会话初始化协议（SIP）和媒体网关控制协议（MGCP）。
4.4.2媒体传输技术
利用UDP传输媒体，无法作到避免数据包丢失和确保数据包有序，同时语音业务又具有实时性特点。
通过配合使用RTP和RTCP可以较好地解决上述问题。
实时传输技术主要采用实时传输协议（RTP）。
RTP提供端到端（包括音频在内）的实时数据传输。
RTP的主要功能是对于己经编码的媒体分组加盖时间戳，对媒体包编制序列号并且标识出媒体分组中的数据类型和编码方式。
该协议分为数据和控制两部分，后者为实时传输控制协议（RTCP）。
RTCP的功能主要是用来传送实时信号的传递的质量参数，并提供QoS监测机制。
RTP本身不提供任何可靠性机制，而由传输层协议或应用程序来保证传输的可靠性。
因此，RTP一般在传输层协议之上作为应用程序的一部分加以实现。
4.4.3业务质量保障技术
由于IP电话对实时性的要求比较高，而作为承载的IP网络是面向无连接的分组交换网络，对时延的控制比较差。
因而如何保证服务质量（QoS）是IP电话技术的一个十分重要的问题。
一般来说对于语音通讯质量影响最大的三个因素是带宽、延时和抖动。
因此提高服务质量应从保证带宽、减少延时并使延时变化最小三个方面着手努力。
QoS（QualityofService）是现阶段VOIP面临的主要挑战之一。
目前主要的解决方法包括RSVP（资源预留）、语音优先技术和标记交换等。
（l）资源预留协议（RSVP）
该协议是一种针对集成业务提供资源预留并加以控制的信令协议，旨在为IP网络提供类似于电路仿真的业务。
目前RSVP是QoS技术中最复杂的协议。
它允许网络节点为实时性视频/音频业务预留带宽，并设置队列管理的方法。
当终端需要在一条路径上预留带宽时，向目的端发出一条报文。
该报文作用于路径上的所有节点，并含有数据流信息，包括平均速率、突发数据包长度等。
当路径上的节点收到报文后，分析数据流信息，决定应保留多少带宽。
如果此时可用带宽不足则拒绝申请，否则设置队列管理方法，同时将报文问下一个节点传送。
因此RSVP可以为应用提供有保障的带宽，有效减少了传输延迟和抖动，保证信息传输的实时性和可靠性。
（2）语音优先技术
在广域网带宽不足的IP网络上，一般需要语音优先技术。
这种优先级技术多用于企业级IP网中。
实际上，对IP语音分组采取优先级规则，在WAN上有机地结合数据与语音通信，是对WAN带宽的更充分有效的利用。
（3）多协议标签交换（MPLS）
该技术提供了一种将第三层数据流映射入第二层的方法。
它为每个IP数据分组增加包含特定路由信息的标签，并使路由器为不同的业务流预先分配好不同的路径，以保证这些业务的服务质量。
由于标签就意味着路径，所有路由器转发数据分组时无需做路由判断，从而提高了IP的转发速度。
4.4.4语音压缩编码和解码技术
话音压缩编码技术是VOIP技术的重要组成部分。
目前通过采用合理的编解码标准来提高VOIP语音的质量和传输效率是一个重要的手段。
为了很好地保证业务质量，降低带宽的使用，语音压缩编码技术是语音得以在分组IP网络上传输的前提。
在话音编码时，需要使编码速率、编码尺度等具有可变和适应性。
目前，业界比较认可的企业级编解码技术主要有ITU-T定义的G.729、G.729.a、G.723.1等。
其中，G.729将经过采样的64kbit/s话音以几乎不失真的质量压缩至8kbit/s;G.723.1采用5.3/6.3kbit/s双速率话音编码，其话音质量好，但处理时延较大，它是目前已标准化的最低速率话音编码算法。
4.4.5网络传输技术
VOIP网络传输技术主要是传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP），此外还包括网关互联技术、网络管理技术、路由选择技术、VPN（VirtualPrivateNetwork）技术、穿透NAT（NetworkAddressTranslation）及防火墙技术等。
传输控制协议TCP是TCP/IP协议栈中的传输层协议，它通过三次握手机制、序列确认以及数据包重发机制提供面向连接的、可靠的、基于字节流的虚拟连接服务。
大多数VOIP方案利用UDP进行传输。
5总结与展望
校园的对内对外沟通中，语音、数据、视频等通信方式占据着重要的位置。
以往的通信方式是相互独立的，语音通信独立于IP网络，校园的通信管理成本比较大，并且原有的通信模式无法满足校园各部门群组内部和外部的通信。
为了实现校园的IP融合通信技术和网络互联互通的平台，充分利用校园已有的计算机网络，节约成本，构建校园VolP网络将成为新一代数字化校园建设中重点考虑的内容。
通过本课题，我对VOIP领域所涉及的网络技术、多媒体技术及相关的大量信令协议有了广泛的接触和深入的了解，看到了未来网络演进和发展的广阔空间。
在网络电话系统的设计实现中，进一步认识和理解了如何将VOIP的理论和技术运用于实际应用系统的构建中，在分析设计及编程能力上受益非浅。
而本文提出的方案和实现也具有较强的现实意义和较大的后续研究价值。
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