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視頻電話技術及在寬帶IP網(wǎng)絡上的應用

山東通信公司泰安分公司 泰安271000 張亮 2003/05/12

　　摘 要 介紹視頻電話系統(tǒng)的基本工作原理，以及所常用的協(xié)議族H.323標準，并結合寬帶網(wǎng)絡現(xiàn)狀，有針對性地探討寬帶視頻電話系統(tǒng)的具體解決方案。

1 引言

　　目前，以IP為核心的分組化已成為電信網(wǎng)絡演進的主流方向。采用分組交換技術替代傳統(tǒng)電路交換技術傳送話音業(yè)務的IP電話（Voice over IP）也不斷發(fā)展。早在1995年Internet在中國起步之時，各家運營商、廠商就涉足探討IP電話各種技術，并嘗試推廣，但都因為當時窄帶網(wǎng)絡環(huán)境限制而停滯。今天，全國IP寬帶網(wǎng)絡已形成一定規(guī)模，寬帶用戶大量發(fā)展，IP視頻電話技術的標準逐漸成熟。由于視頻設備的價格低位化以及IP視頻電話的各種潛在應用優(yōu)勢，使得許多國內(nèi)外企業(yè)重新又開始關注IP可視電話市場。IP視頻電話走向家用化已成為IP網(wǎng)絡行業(yè)新的市場發(fā)展亮點。本文探討了視頻電話系統(tǒng)的原理、應用協(xié)議及其在IP網(wǎng)絡上的應用。

2 VoIP（Voice over IP）的工作原理

　　在狹義上，IP電話是指在IP網(wǎng)上承載語音業(yè)務，而在廣義上則是指在各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上承載數(shù)據(jù)、語音、傳真和視頻等多媒體業(yè)務。其基本工作原理是：通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關協(xié)議進行打包，經(jīng)過IP網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏�，再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓處理后，恢復成原來的語音信號，從而達到由IP網(wǎng)絡傳送語音的目的。IP電話系統(tǒng)把普通電話的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可聯(lián)入因特網(wǎng)傳送的IP數(shù)據(jù)包，同時也將收到的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成聲音的模擬電信號。

3 H.323協(xié)議介紹

　　視訊技術隨著視訊協(xié)議、芯片器件、視訊傳輸網(wǎng)絡的發(fā)展而不斷發(fā)展。目前國內(nèi)外主流的視訊設備都采用基于H系列協(xié)議的國際標準。H.323協(xié)議視訊技術基于TCP/IP技術，它涵蓋了包交換網(wǎng)絡上的音頻、視頻、數(shù)據(jù)通信，解決了點對點以及多點視頻會議中諸如呼叫與會話控制、多媒體與帶寬控制等問題。H.323具有以下主要優(yōu)點：（1）H.323協(xié)議被設計成運行在通用的網(wǎng)絡體系結構之上，具有網(wǎng)絡獨立性。（2）其協(xié)議提供了網(wǎng)絡帶寬管理功能，能夠?qū)W(wǎng)絡中并發(fā)的H.323連接數(shù)和H.323應用可獲得的帶寬總量進行限制。（3）提供了連接基于電路交換或ISDN的視頻會議的手段。并且支持多點會議和多播（multicast）功能。（4）H.323實現(xiàn)了不同廠商的多媒體產(chǎn)品和應用的互操作等。

　　典型的H.323協(xié)議體系涉及到終端設備、視頻、音頻和數(shù)據(jù)傳輸、通信控制、網(wǎng)絡接口方面的內(nèi)容，還包括了組成多點會議的多點控制單元（MCU）、多點控制器（MC）、多點處理器（MP）、網(wǎng)關（GW）以及關守（GK）等設備。

　�。�1）H.323視頻終端包括：可軟件升級的 H.323編解碼板、攝像機、話筒、MeetingPoint軟件等等。

　�。�2）網(wǎng)關的主要功能是信令處理、 H.323協(xié)議功能、 語音編碼和解碼以及路由協(xié)議處理等功能。對外分別提供與PSTN連接的中繼接口以及和IP網(wǎng)絡連接的接口。

　　（3）網(wǎng)守的主要功能是用戶認證，地址解析，帶寬管理，路由管理，安全管理和區(qū)域管理。

　�。�4）多點控制單元（MCU）用于支持三個以上端點設備的會議。在H.323系統(tǒng)中，一個多點控制單元由一個多點控制器（MC）和幾個多點處理器（MP）組成，但也可以不包含MP。

　　在H.323協(xié)議棧結構中，下三層是分組網(wǎng)的底層協(xié)議，其中的網(wǎng)絡層在IP網(wǎng)絡中就是IP。

4 視頻業(yè)務應用實例

　　IP電話主要有四種形式：PC-to-PC、PC-to- Phone、Phone-to-PC和Phone-to-Phone via Internet。其中PC-to-PC是最早發(fā)展起來的。我們以PC-to- PC方式作介紹。

　　1. PC桌面視頻電話系統(tǒng)

　　在視頻業(yè)務應用中，最簡單的應用就是在多媒體計算機上安裝USB接口的攝像頭，運行Windows自帶的符合H.323標準的客戶終端Netmeeting作為應用軟件（也可以是硬件如專用的Internet Phone,它提供了實時的雙向傳輸，用以傳送聲音），然后使用網(wǎng)上設置的目錄服務器，或者直接呼叫對方固定的IP地址，即可與在線網(wǎng)友進行可視通話，還可以召開多點參加的視頻會議。這種應用簡單易行，投資很少，當然在效果上不能和專業(yè)設備媲美，適用于非關鍵業(yè)務和娛樂，比如家庭用戶等。

　　2. 商用寬帶視頻會議系統(tǒng)

　　如果需要在寬帶IP上建設商業(yè)運行的視頻會議系統(tǒng)，目前已經(jīng)有十分成熟的解決方案。

　　假設公司在城區(qū)范圍內(nèi)有10個業(yè)務部門，均通過寬帶IP網(wǎng)絡進行了連接，在公司總部安裝Videocon MCS-1000設備作為MCU，在每個會議點的在線多媒體計算機上安裝VideoCon D150視頻會議終端，即可進行高質(zhì)量的視頻會議。VideoCon D150配合VideoCon 多點會議控制器可以召開多點視訊會議，控制方式可以是主席控制、指定發(fā)言或語音激活。提供完善的會議功能：主席發(fā)言時廣播至各遠端分會場，主席選看任意分會場，也可配置為同時選看多個分會場；分會場發(fā)言時畫面廣播至其他會場。支持四分屏。這種解決方案選用專業(yè)設備，穩(wěn)定可靠，初期設備投資在20萬元以內(nèi)，適用于中等規(guī)模的公司業(yè)務需求。

5 IP寬帶城域網(wǎng)實現(xiàn)視頻電話系統(tǒng)的局限性及相應的解決辦法

　　1. 不同視頻會議設備存在不兼容性。

　　從視頻會議設備產(chǎn)品現(xiàn)狀來看，各廠商都能完成H.323協(xié)議規(guī)定的主要功能。但由于對協(xié)議的理解不一致，或協(xié)議本身規(guī)定性不強，各廠商在協(xié)議實現(xiàn)中有很多獨特的思路和實現(xiàn)方式。一方面使 H.323視頻會議系統(tǒng)豐富多樣，各有所長；另一方面也使各廠商的產(chǎn)品互連互通能力不強。這就只能限制了在IP寬帶網(wǎng)絡上可實現(xiàn)客戶視頻會議系統(tǒng)專網(wǎng)，而對于構建世界范圍的H.323視頻會議系統(tǒng)網(wǎng)絡會造成不便。針對此問題，可行的解決方案是在電信業(yè)務體系基礎上，建立一個電信級的綜合視頻會議業(yè)務平臺。在這一平臺上可以進行集中的視頻會議業(yè)務管理、用戶管理、計費管理、賬務管理等一系列運營服務。這樣，不僅用戶可擁有電信級的高穩(wěn)定性和可靠性、全開放性與高擴展性的綜合視頻會議業(yè)務平臺，而且通信公司運營商通過這種商務運作模式可獲得有效盈利。

　　2. 隨著網(wǎng)上多媒體通信，如網(wǎng)絡會議、網(wǎng)絡電話等應用的迅速普及，一些現(xiàn)存網(wǎng)絡的沖突也突顯了出來。比如當前一些網(wǎng)絡實體限制端到端的分組（包）通過，這些實體指的就是網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換器和防火墻。

　�。�1）網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換器對視頻電話業(yè)務的阻礙

　　隨著Internet的快速膨脹，IPv4地址空間將處于嚴重耗盡的境況。為解決這個問題，人們設計出了網(wǎng)址轉(zhuǎn)換器（NAT）。NAT是置于兩網(wǎng)間的邊界，其功能是將外網(wǎng)可見的IP地址與內(nèi)網(wǎng)所用的地址相映射，這樣，每一受保護的內(nèi)網(wǎng)可重用特定范圍的IP地址（例如192.168.x.x），而這些地址是不用于公網(wǎng)的。從外網(wǎng)來的含公網(wǎng)地址信息的數(shù)據(jù)包先到達NAT，NAT使用預設好的規(guī)則（其組元包含源地址、源端口、目的地址、目的端口、協(xié)議）來修改數(shù)據(jù)包，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)接受點。對于流出內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)包也須經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)換處理。從安全性上來看，NAT提供了對外隱藏內(nèi)網(wǎng)拓撲的一個手段，但也給VoIP應用帶來巨大的麻煩。H.323等語音視頻協(xié)議消息包一般是在特定區(qū)段中內(nèi)嵌IP地址和端口號，而不是放置在IP包頭，這樣如果僅僅使用NAT，協(xié)議里的IP和端口號不能指向正確的地方。雖然可以利用應用層網(wǎng)關（ALG）等類似的技術尋求解決方案，但是針對H.323這種采用的是ASN.1 PER編碼格式的協(xié)議來說，需要支付非常高昂的代價。目前Internet上的主流語音通信軟件，Netmeeting、Net2Phone都不支持穿越防火墻和NAT。

　　目前由于山東省內(nèi)網(wǎng)絡路由架構中采用了策略路由，IP地址尋訪不通過NAT轉(zhuǎn)換設備，因此省內(nèi)寬帶用戶可無屏障地進行視頻電話通信。而對于采用私網(wǎng)地址的寬帶用戶在與省外用戶進行通信中，必然經(jīng)過NAT地址轉(zhuǎn)換設備，因此目前還無法享受視頻電話業(yè)務。針對此種問題，省通信公司已申請了足夠的公網(wǎng)IP地址，屆時所有的IP寬帶用戶私網(wǎng)地址全部改成公網(wǎng)地址，視頻電話互通將不成問題。

　�。�2）防火墻對視頻電話業(yè)務發(fā)展的阻礙

　　通常，企業(yè)為使內(nèi)部的計算機不受外部網(wǎng)絡的攻擊影響，都部署了防火墻，其主要目的是通過防火墻可以限定進入網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)包類型和流量（這種限定可以基于源IP地址、目的IP地址或端口號等簡單的規(guī)則）。更復雜些的規(guī)則（如FTP、HTTP）的限定則需要在防火墻上分析OSI的高層協(xié)議，因此付出性能上的代價。在防火墻上如果要設定信令流通過，是非常簡單的， 例如要保證SIP的信令通過，只需在防火墻上開放5060端口即可；對于H.323協(xié)議，需要開放的端口為1718或1719（發(fā)向網(wǎng)守的RAS消息所用端口）、1720（呼叫信令消息所用端口）。但是這樣的設定并不能完整地解決VoIP應用穿越防火墻的問題，主要原因是語音的媒體流需要通過RTP來傳輸，而傳輸所需要的源端口和目的端口是動態(tài)確定的。因此通過防火墻上的簡單設定是無法完成的。為解決其內(nèi)部局域網(wǎng)終端與外界實現(xiàn)視頻電話業(yè)務，目前有不少廠家提供了相應的軟硬件產(chǎn)品，企業(yè)可通過簡單的網(wǎng)絡升級改造即可。

6 視頻業(yè)務前景展望

　　基于城域?qū)拵ЬW(wǎng)絡的視頻業(yè)務突破了以往固有的限制，有十分廣闊的應用前景，視頻交互可以在遠程教育、遠程醫(yī)療、可視會議方面大大縮短空間距離帶來的限制。而遠程視頻監(jiān)控在安全防盜、防火、交通監(jiān)管、環(huán)保檢測、銀行監(jiān)控、設備監(jiān)控、員工考勤等方面大幅度地節(jié)省人力，提高效率。視頻應用在寬帶網(wǎng)絡普及后，必將成為最熱門的應用�？梢哉f，現(xiàn)在缺乏的不是帶寬，而是缺乏在具體實踐中使用帶寬的想象力，視頻應用就是充分發(fā)揮想象力的領域之一。

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