第一章 PSTN與VoIP

說起VoIP，也許大家對“網路電話”這個詞更熟悉一些。其英文原意是Voice Over IP，即承載於IP網上的語音通訊。大家熟悉家庭用來上網的ADSL吧，也許有些人還記得前些年用過的吱吱叫的老“貓”。技術日新月異，前面的技術都是用電話線上網，現在，VoIP技術使我們可以在網上打電話，生活就是這樣。

所謂溫故而知新，在學習任何新東西以前，我們都最好了解一下其歷史，以做到心中有數。在瞭解VoIP之前，我們需要先看一下PSTN，那麼，在PSTN之前呢？

PSTN起源

PSTN（Public Switched Telephone Network）的全稱是公共交換電話網，就是我們現在打電話所使用的電話網路。

第一次語音傳輸是蘇格蘭人亞歷山大·貝爾(Alexander Granham Bell)在1876年用振鈴電路實現的。在那之前，普遍認為烽火臺是最早的遠端通訊方式。其實峰火臺不僅具備通訊的完整要素(通訊雙方，通訊線路及中繼器)，而且還屬於無線通訊呢。當時沒有電話號碼，相互通話的使用者之間必須有物理線路連線；並且，在同一時間只能有一個使用者可以講話(半雙工)。發話方通過話音的振動激勵電炭精麥克風而轉換成電訊號，電訊號傳到遠端後通過振動對方的揚聲器發聲，從而傳到對方的耳朵裡。

由於每對通話的個體之間都需要單獨的物理線路，如果整個電話網上有10個人，而你想要與另個9個人通話，你家就需要鋪設9對電話線。同時整個電話網上就需要 10×(10-1)/2=45 對電話線。

當電話使用者數量增加的時候，為每對通話的家庭之間鋪設電話線是不可能的。因此一種稱為交換機（Switch）的裝置誕生了。它位於整個電話網的中心，用於連線每個使用者。使用者想打電話時，先拿起電話連線到管理交換機的接線員，由接線員負責接通到對方的線路。這便是最早的電話交換網。

隨著技術的進步，電子交換機替代了人工交換機，便出現了現代意義的PSTN。隨著通訊網路的進一步擴大，便出現了許許多多的交換機。交換機間通過中繼線（Trunk）相連。有時一個使用者與另一個使用者通話需要穿越多臺交換機。

後來出現了行動電話（當行動電話小到可以拿在手裡的時候就開始叫“手機”），專門用於對行動電話進行交換的通訊網路稱移動網，而原來的程控交換網則叫固定電話網，簡稱固網。簡單來說，移動網就是在普通固網的基礎上增加了許多基站（Base Station，可以簡單理解為天線），並增加了歸屬位置暫存器（HLR，Home Location Register）和拜訪位置暫存器（VLR，Visitor Location Register），以記錄使用者的位置（在哪個天線的覆蓋範圍內）、支援異地漫遊等。移動交換中心稱之為MSC（Mobile Switch Center）。

隨著下一代網路（NGN）技術的成熟及下一代行動通訊時代的到來，大眾對多媒體業務的需求越來越強烈。因而運營商又部署了IMS系統（IP Multimedia Subsystem）。 它執行於標準的IP網路上，使用一種基於第三方夥伴計劃（3GPP）的SIP標準的VoIP實現方式。IMS的目標不僅是在現網基礎上提供新的業務，而且它還要能提供現在以及未來因特網上能夠承載的所有的業務。現代最新的無線通訊標準是LTE（Long Term Evolution，長期演進），為現代的手機及其它移動裝置提供高速的資料通訊手段。

模擬與數字訊號

現實生活中的一切都是模擬的。模擬量（Analog）是連續的變化的，如溫度、聲音等。早期的電話網是基於模擬交換的。模擬訊號對於人類交流來講非常理想，但它很容易引入噪聲。如果通話雙方距離很遠的話，由於訊號的衰減，需要對訊號進行放大。問題是訊號中經常混入線路的噪音，放大訊號的同時也放大了噪音，導致訊雜比（訊號量與噪聲的比例）下降，嚴重時會難以分辨。

數字（Digital）訊號是不連續的（離散的）。它是按一定的時間間隔（單位時間內抽樣的次數稱為頻率）對模擬訊號進行抽樣得出的一些離散值。然後通過量化和編碼過程將這些離散值變成數字訊號。根據抽樣定理[^1-1]，當抽樣頻率是最高模擬訊號頻率的兩倍時，就能夠完全還原原來的模擬訊號。

[^1-1]: 又稱取樣定理或奈奎斯特·夏農定理，見 http://zh.wikipedia.org/wiki/取樣定理 。

PCM

PCM（Pulse Code Modulation）的全稱是脈衝編碼調製。它是一種通用的將模擬訊號轉換成以0和1表示的數字訊號的方法。

一般來說，人的聲音訊率範圍在 300*Hz* ~ 3400*Hz* 之間， 通過濾波器對超過 4000*Hz* 的頻率過濾出去，便得到 4000*Hz* 內的模擬訊號。然後根據抽樣定理，使用 8000*Hz* 進行抽樣，便得到離散的數字訊號。

通過使用壓縮演算法（實際為壓擴法，因為有的部分壓縮有的是擴張的。目的是給小訊號更多的位元位數以提高語音質量），可以將每一個抽樣值壓縮到8個位元。這樣就得到 8×8000=64000*bit* 的訊號。通常我們就簡稱為64*kbit/s*（注意，通常來說，對於二進位制數，1*kbit*=1024*bit*，但此處的k=1000）。

PCM通常有兩種壓縮方式：A律和μ律。其中北美使用μ律，我國和歐洲使用A律。這兩種壓縮方法很相似，都採用8bit的編碼獲得12*bit*到13*bit*的語音質量。但在低訊雜比的情況下，μ律比A律略好。A律也用於國際通訊，因此，凡是涉及到A律和μ律轉換的情況，都由使用μ律的國家負責。

我國電話網結構

圖中主體部分為一地市級電話網的結構。通常，話機（如c）通過一對電話線連線到距離最近的交換機上，該交換機稱為端局交換機（一般以區或縣為單位）。端局交換機通過局間中繼線連線到匯接局。為了保證安全，匯接局通常會成對出現，平常實行負荷分擔，一臺匯接局出現故障時與之配對的匯接局承擔所有話務。長途電話需要通過長途局與其它長途局相連。但根據話務量要求，匯接局也可以直接與其它長途局開通高速直達中繼。為節省使用者線，在一些人口比較集中的地方（如學校、小區），端局下會再設模組局或接入網，使用者則就近接入到模組局上。

智慧網一般用於實現電話卡、預付費或400/800類業務，前幾年新佈署的NGN（Next Generation Network，下一代網路，一般指軟交換）則支援更靈活、更復雜的業務。

但是技術發展很快，響應國家“光進銅退”^1-2的號召，直接光纖到戶，就全網都能IP化了。新技術代替舊技術，給使用者帶來了五彩斑瀾的業務，但老舊的技術永遠有讓人值得懷念的地方，那就是原來的電話線是帶電的，家裡停電不影響打電話。但光纖是不能饋電的，因而沒有了銅線，停電以後使用者就不能打電話了（除非加UPS）。

分時多工與局間中繼

分時多工

通過將多個通道以分時多工的方式合併到一條電路上，可以減少局間中繼線的數量。通過將32個64*k*的通道利用分時多工合併到一條2M（ 64*k* × 32 = 2.048*M* ，通俗來說就直接叫一個2M）電路上，稱為一個E1（在北美和日本，是24個64k複用，稱為T1，速率是1.544*M*）。在E1中，每一個通道稱作一個時隙。其中，除0時隙固定傳同步時鐘，其它31個時隙最多可以同時支援31路電話（有時候會使用第16時隙傳送信令，這時最多支援30路電話）。

局間中繼

這些連線交換機(局)的2M電路就稱為局間中繼。隨著話務量的增加，交換機之間的電路越開越多，目前通常的做法是將63個2M合併到一個155M（2×63+P=155，其中P是電路複用的開銷）的光路（光纖）上，在SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字傳輸體系）技術中稱為STM-1（Synchronous Transfer Module，同步傳輸模組）。

信令

使用者裝置（如話機）與端局交換機之間，以及交換機與交換機之間需要進行通訊。這些通訊所包含的資訊包括（但不限於）使用者、中繼線狀態，主、被叫號碼，中繼路由的選擇等。我們把這些訊息稱為信令（Signaling）。

信令分類

信令主要有以下幾種分類方式：

按信令的功能分

• 線路信令：具有監視功能，用來監視主被叫的摘、掛機狀態及裝置忙閒。
• 路由信令：具有選擇功能，指主叫所撥的被叫號碼，用來選擇路由。
• 管理信令：具有操作功能，用於電話網的管理和維護。

按信令的工作區域分

• 使用者線信令：是使用者終端與交換機之間的信令。它包括使用者狀態（摘、掛機）訊號及使用者撥號（脈衝、 DTMF ）所產生的數字訊號，以及交換機向使用者終端傳送的訊號（鈴流、訊號音）。

• 局間信令：是交換機和交換機之間的信令，在局間中繼線上傳送，用來控制呼叫接續和拆線。

使用者線信令少而簡單，中繼線信令多而複雜。

按信令的通道分

• 隨路信令：信令和話音在同一條話路中傳送的信令方式。
• 公共通道信令：是以時分方式在一條高速資料鏈路上傳送一群話路的信令的信令方式。

隨路信令信令傳送速度慢，資訊容量有限（傳遞與呼叫無關的信令能力有限）。而公共信令傳送速度快、容量大、具有改變或增加信令的靈活性，便於開放新業務。

其它分類

其它的分類方式有帶內信令與帶外信令、模擬信令和數字信令、前向信令和後向信令、線路信令和記發器信令等，我們在這裡就不多解釋了。有興趣的讀者可以自行搜尋相關的關鍵詞進一步學習。

使用者線信令

使用者線信令是從使用者終端（通常是話機）到端局交換機之間傳送的信令。對於普通的話機，線路上傳送的是模擬訊號，信令只能在電話線路上傳送，這種信令稱為帶內信令。話機通過電壓變化來傳遞摘、掛機訊號；通過DTMF（Dual Tone Multi Frequency，雙音多頻。話機上每個數字或字母都可以傳送一個低頻和一個高頻訊號相結合的正弦波，交換機經過解碼即可知道對應的話機按鍵）傳送要撥叫的電話號碼。另外，也可以通過移頻鍵控（FSK, Frequency Shift-keying）技術來支援“主叫號碼顯示”，俗稱“來電顯示”（Caller ID或CLIP，Caller Line Identification Presentation，主叫線路識別提示）。

與普通電話不同，ISDN（Integrated Service Digital Network，綜合業務數字網）在使用者線上傳送的是數字訊號。它的基本速率介面（BRI，Base Rate Interface）使用144k的2B+D通道---兩個64k的B通道及一個16k的D通道。其中B通道一般用來傳輸話音、資料和影像，D通道用來傳輸信令或分組資訊。

2B+D的ISDN最初為了解決使用者線上的語音與資料與同步傳輸問題，野心勃勃。但事實上，2B+D的ISDN並不像傳說中的那麼美，而且需要專門的NT1終端裝置，在我國並沒有發揮出它應有的作用，後來很快被ADSL技術取代了。

局間信令

局間信令主要在局間中繼上傳送。一般一條信令鏈路通常只佔用一個64k的時隙。一條信令訊息通常只有幾十或上百個位元組，一條64*k*的電路足以容納成千上萬路電話所需要的信令。但隨著技術的進步，話務量的上漲以及更多增值業務的出現，完成一次通話需要更多的信令訊息，因此出現了2M速率的信令鏈路，即整個E1鏈路上全部傳送信令。

目前常見的局間信令有ISDN PRI(Primary Rate Interface，基群速率介面）信令和七號信令。PRI是在跟話路同一個E1上傳送的，通常使用第16時隙，而0時隙傳同步訊號，其它30個時隙可傳輸通話資訊，因此又稱為30B+D（與上面的2B+D相對）。

與PRI信令不同，七號信令除可以與話路在同一個E1上傳送外，還可以在專門的用於傳送信令鏈路的E1中繼上傳送的，因而它組網更加靈活，支援更大的話務量。我國的電話網路中有專門的七號信令網。

但支援七號信令的每個通訊裝置都需要有一個全域性唯一信令點編碼，而信令點編碼資源是比較有限的。因而，七號信令主要在運營商的裝置上使用，而執行商與使用者裝置（如PBX）一般使用PRI信令對接。

七號信令

七號信令（SS7，Signaling System No. 7）是目前我國使用的主要的信令方式，用於局間通訊。

使用者a          A交換機        B交換機         使用者b
   |             |             |             |
   |   摘機              
   |------------>|             |             |
   |   撥號音              
   |<------------|             |             |
   |   撥號            IAM              
   |------------>|------------>|             |
   |   回鈴音          ACM           振鈴
   |<------------|<------------|------------>|
   |   通話            ANC           接聽
   |<------------|<------------|<------------|
   |    <========== 通    話 ==========>     |

-------------------------------------------------------

   |   主叫掛機        CLF           送催掛音   
   |------------>|------------>|------------>|
   |                  RLG
   |             |<------------|             | 

-------------------------------------------------------

   |    <========== 通    話 ==========>     |
   |   送催掛音        CBK           被叫掛機   
   |<------------|<------------|<------------|
   |                  CLF                    |
   |             |------------>|             |
   |             |    RLG      |             |
   |             |<------------|             | 

我們來看一次簡單的固定電話的通話流程。如上圖。使用者a摘機，與其相連的A交換機根據電壓、電流的變化檢測到A摘機後，即送撥號音，同時啟動收號程式。a開始撥號，待A交換機號碼收齊後，即查詢路由，傳送IAM（Initial Address Message，初始地址訊息）給B交換機。B向A發ACM（Adress Complete Message，地址全訊息）並通知話機b振鈴，A向a送回鈴音。這時如果b接聽電話，則B向A傳送ANC（Answer Charge，應答計費訊息），a與b開始通話，同時A對a計費^1-3。

通話完畢，如果主叫掛機，則本端交換機A向對端B傳送CLF（前向釋放訊息），B向A回RLG（Rlease Gard，釋放監護訊息），並向b送催掛音（嘟嘟嘟 ...）。

如果被叫掛機，則B向A傳送CBK（Clear Backword，後向釋放訊息），A回送CLF，最後B回RLG。

上面在交換機A與B之間傳遞的為七號信令中的TUP（Telephone User Part，電話使用者部分）部分。目前，由於ISUP（ISDN User Part，ISDN使用者部分）能與ISDN互聯並提供比TUP更多的能力和服務，已基本取代TUP而成為我國七號信令網上主要的信令方式。ISUP信令與TUP互通時的對應關係如下：

   端局A       匯接局TM        端局B
   |   ISUP      |    TUP      |
   |             |             |
   |  IAM(IAI)   |    IAM      |
   |------------>|------------>|
   |   ACM       |    ACM      |              
   |<------------|<------------|
   |   ANM       |    ANC      |
   |<------------|<------------|
   |  <====== 通   話 ======>  |

-------------------------------------------------------

   |   REL       |    CLF      | <-- 主叫掛機
   |------------>|<------------|
   |   RLC       |    RLG      |
   |<------------|-------------|

-------------------------------------------------------

   |  <====== 通   話 ======>  |
   |   REL            CBK      | <-- 被叫掛機
   |<------------|<------------|
   |   RLC            CLF      |
   |------------>|------------>|
   |             |    RLG      |
   |             |<------------|

以上為端局A與端局B經過匯接局TM匯接通訊中ISUP與TUP信令轉換的例子。ISUP信令的初始地址訊息有IAM和IAI（IAM With Additional Information，帶附加資訊的IAM）兩種，後者能提供更多的資訊（如主叫號碼等）。另外ISUP信令的拆線訊號不分前向後向，只有REL（Release，翻譯）和RLC（Release Complete，釋放完成）。

電路交換與分組交換

電路交換

傳統的電話都是基於電路交換。由於電路交換在通訊之前要在通訊雙方之間建立一條被雙方獨佔的物理通路（由通訊雙方之間的交換裝置和鏈路逐段連線而成），因而有以下優缺點。

優點：

• 由於通訊線路為通訊雙方使用者專用，資料直達，所以傳輸資料的時延非常小。
• 通訊雙方之間的物理通路一旦建立，雙方可以隨時通訊，實時性強。
• 雙方通訊時按傳送順序傳送資料，不存在失序問題。
• 電路交換既適用於傳輸模擬訊號，也適用於傳輸數字訊號。
• 電路交換的交換的交換裝置（交換機等）及控制均較簡單。

缺點：

• 電路交換的平均連線建立時間對計算機通訊來說較長。
• 電路交換連線建立後，物理通路被通訊雙方獨佔，即使通訊線路空閒，也不能供其他使用者使用，因而通道利用率低。
• 電路交換時，資料直達，不同型別、不同規格、不同速率的終端很難相互進行通訊，也難以在通訊過程中進行差錯控制。

分組交換

我們熟悉的IP交換就採用分組交換的方式。它仍採用儲存轉發傳輸方式，但將一個長報文先分割為若干個較短的分組，然後把這些分組（攜帶源、目的地址和編號資訊）逐個地傳送出去，因此分組交換除了具有報文的優點外，與報文交換相比有以下優缺點：

優點：

• 加速了資料在網路中的傳輸。因為分組是逐個傳輸，可以使後一個分組的儲存操作與前一個分組的轉發操作並行，這種流水線式傳輸方式減少了報文的傳輸時間。此外，傳輸一個分組所需的緩衝區比傳輸一份報文所需的緩衝區小得多，這樣因緩衝區不足而等待傳送的機率及等待的時間也必然少得多。
• 簡化了儲存管理。因為分組的長度固定，相應的緩衝區的大小也固定，在交換結點中儲存器的管理通常被簡化為對緩衝區的管理，相對比較容易。
• 減少了出錯機率和重發資料量。因為分組較短，其出錯機率必然減少，每次重發的資料量也就大大減少，這樣不僅提高了可靠性，也減少了傳輸時延。
• 由於分組短小，更適用於採用優先順序策略，便於及時傳送一些緊急資料，因此對於計算機之間的突發式的資料通訊，分組交換顯然更為合適些。

缺點：

• 儘管分組交換比報文交換的傳輸時延少，但仍存在儲存轉發時延，而且其結點交換機必須具有更強的處理能力。
• 分組交換與報文交換一樣，每個分組都要加上源、目的地址和分組編號等資訊，使傳送的資訊量大約增大5%～10%，一定程度上降低了通訊效率，增加了處理的時間，使控制複雜，時延增加。
• 當分組交換採用資料包服務時，可能出現失序、丟失或重複分組，分組到達目的結點時，要對分組按編號進行排序等工作，增加了麻煩。若採用虛電路服務，雖無失序問題，但有呼叫建立、資料傳輸和虛電路釋放三個過程。

總之，若要傳送的資料量很大，且其傳送時間遠大於呼叫時間，則採用電路交換較為合適；當端到端的通路有很多段的鏈路組成時，採用分組交換傳送資料較為合適。從提高整個網路的通道利用率上看，報文交換和分組交換優於電路交換，其中分組交換比報文交換的時延小，尤其適合於計算機之間的突發式的資料通訊。

VoIP

維基百科上是這樣說的:

IP電話（簡稱VoIP，源自英語Voice over Internet Protocol；又名寬頻電話或網路電話）是一種透過網際網路或其他使用IP技術的網路，來實現新型的電話通訊。過去IP電話主要應用在大型公司的內聯網內，技術人員可以複用同一個網路提供資料及語音服務，除了簡化管理，更可提高生產力。隨著網際網路日漸普及，以及跨境通訊數量大幅飆升，IP電話亦被應用在長途電話業務上。由於世界各主要大城市的通訊公司競爭日劇，以及各國電信相關法令鬆綁，IP電話也開始應用於固網通訊，其低通話成本、低建設成本、易擴充性及日漸優良化的通話質量等主要特點，被目前國際電信企業看成是傳統電信業務的有力競爭者。詳細內容參見維基百科上的IP電話^1-4。

目前，VoIP呼叫控制協議主要有SIP、H323，以及MGCP與H.248/MEGACO等。H323是由ITU-T（國際電信聯盟）定義的多媒體資訊如何在分組交換網路上承載的建議書。它是一個相當複雜的協議，使用起來很不靈活。而SIP則是IETF（網際網路工程任務組）開發的（RFC3261），它是一種類似HTTP的基於文字的協議，很容易實現和擴充套件，被普遍認為是VoIP信令的未來。