視頻電話(huà)技術(shù)及在寬帶IP網(wǎng)絡(luò )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(huà)系統的基本工作原理，以及所常用的協(xié)議族H.323標準，并結合寬帶網(wǎng)絡(luò )現狀，有針對性地探討寬帶視頻電話(huà)系統的具體解決方案。
1 引言
目前，以IP為核心的分組化已成為電信網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)的主流方向。采用分組交換技術(shù)替代傳統電路交換技術(shù)傳送話(huà)音業(yè)務(wù)的IP電話(huà)（Voice over IP）也不斷發(fā)展。早在1995年Internet在中國起步之時(shí)，各家運營(yíng)商、廠(chǎng)商就涉足探討IP電話(huà)各種技術(shù)，并嘗試推廣，但都因為當時(shí)窄帶網(wǎng)絡(luò )環(huán)境限制而停滯。今天，全國IP寬帶網(wǎng)絡(luò )已形成一定規模，寬帶用戶(hù)大量發(fā)展，IP視頻電話(huà)技術(shù)的標準逐漸成熟。由于視頻設備的價(jià)格低位化以及IP視頻電話(huà)的各種潛在應用優(yōu)勢，使得許多國內外企業(yè)重新又開(kāi)始關(guān)注IP可視電話(huà)市場(chǎng)。IP視頻電話(huà)走向家用化已成為IP網(wǎng)絡(luò )行業(yè)新的市場(chǎng)發(fā)展亮點(diǎn)。本文探討了視頻電話(huà)系統的原理、應用協(xié)議及其在IP網(wǎng)絡(luò )上的應用。
2 VoIP（Voice over IP）的工作原理
在狹義上，IP電話(huà)是指在IP網(wǎng)上承載語(yǔ)音業(yè)務(wù)，而在廣義上則是指在各種數據網(wǎng)絡(luò )上承載數據、語(yǔ)音、傳真和視頻等多媒體業(yè)務(wù)。其基本工作原理是：通過(guò)語(yǔ)音壓縮算法對語(yǔ)音數據進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語(yǔ)音數據按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )把數據包傳輸到接收地，再把這些語(yǔ)音數據包串起來(lái)，經(jīng)過(guò)解碼解壓處理后，恢復成原來(lái)的語(yǔ)音信號，從而達到由IP網(wǎng)絡(luò )傳送語(yǔ)音的目的。IP電話(huà)系統把普通電話(huà)的模擬信號轉換成計算機可聯(lián)入因特網(wǎng)傳送的IP數據包，同時(shí)也將收到的IP數據包轉換成聲音的模擬電信號。
3 H.323協(xié)議介紹
視訊技術(shù)隨著(zhù)視訊協(xié)議、芯片器件、視訊傳輸網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展而不斷發(fā)展。目前國內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(shù)基于TCP/IP技術(shù)，它涵蓋了包交換網(wǎng)絡(luò )上的音頻、視頻、數據通信，解決了點(diǎn)對點(diǎn)以及多點(diǎn)視頻會(huì )議中諸如呼叫與會(huì )話(huà)控制、多媒體與帶寬控制等問(wèn)題。H.323具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：（1）H.323協(xié)議被設計成運行在通用的網(wǎng)絡(luò )體系結構之上，具有網(wǎng)絡(luò )獨立性。（2）其協(xié)議提供了網(wǎng)絡(luò )帶寬管理功能，能夠對網(wǎng)絡(luò )中并發(fā)的H.323連接數和H.323應用可獲得的帶寬總量進(jìn)行限制。（3）提供了連接基于電路交換或ISDN的視頻會(huì )議的手段。并且支持多點(diǎn)會(huì )議和多播（multicast）功能。（4）H.323實(shí)現了不同廠(chǎng)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、音頻和數據傳輸、通信控制、網(wǎng)絡(luò )接口方面的內容，還包括了組成多點(diǎn)會(huì )議的多點(diǎn)控制單元（MCU）、多點(diǎn)控制器（MC）、多點(diǎn)處理器（MP）、網(wǎng)關(guān)（GW）以及關(guān)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(huà)筒、MeetingPoint軟件等等。
（2）網(wǎng)關(guān)的主要功能是信令處理、 H.323協(xié)議功能、 語(yǔ)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(luò )連接的接口。
（3）網(wǎng)守的主要功能是用戶(hù)認證，地址解析，帶寬管理，路由管理，安全管理和區域管理。
（4）多點(diǎn)控制單元（MCU）用于支持三個(gè)以上端點(diǎn)設備的會(huì )議。在H.323系統中，一個(gè)多點(diǎn)控制單元由一個(gè)多點(diǎn)控制器（MC）和幾個(gè)多點(diǎn)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(luò )層在IP網(wǎng)絡(luò )中就是IP。
4 視頻業(yè)務(wù)應用實(shí)例
IP電話(huà)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(lái)的。我們以PC-to- PC方式作介紹。
1. PC桌面視頻電話(huà)系統
在視頻業(yè)務(wù)應用中，最簡(jiǎn)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(hù)終端Netmeeting作為應用軟件（也可以是硬件如專(zhuān)用的Internet Phone,它提供了實(shí)時(shí)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(wù)器，或者直接呼叫對方固定的IP地址，即可與在線(xiàn)網(wǎng)友進(jìn)行可視通話(huà)，還可以召開(kāi)多點(diǎn)參加的視頻會(huì )議。這種應用簡(jiǎn)單易行，投資很少，當然在效果上不能和專(zhuān)業(yè)設備媲美，適用于非關(guān)鍵業(yè)務(wù)和娛樂(lè )，比如家庭用戶(hù)等。
2. 商用寬帶視頻會(huì )議系統
如果需要在寬帶IP上建設商業(yè)運行的視頻會(huì )議系統，目前已經(jīng)有十分成熟的解決方案。
假設公司在城區范圍內有10個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)，均通過(guò)寬帶IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了連接，在公司總部安裝Videocon MCS-1000設備作為MCU，在每個(gè)會(huì )議點(diǎn)的在線(xiàn)多媒體計算機上安裝VideoCon D150視頻會(huì )議終端，即可進(jìn)行高質(zhì)量的視頻會(huì )議。VideoCon D150配合VideoCon 多點(diǎn)會(huì )議控制器可以召開(kāi)多點(diǎn)視訊會(huì )議，控制方式可以是主席控制、指定發(fā)言或語(yǔ)音激活。提供完善的會(huì )議功能：主席發(fā)言時(shí)廣播至各遠端分會(huì )場(chǎng)，主席選看任意分會(huì )場(chǎng)，也可配置為同時(shí)選看多個(gè)分會(huì )場(chǎng)；分會(huì )場(chǎng)發(fā)言時(shí)畫(huà)面廣播至其他會(huì )場(chǎng)。支持四分屏。這種解決方案選用專(zhuān)業(yè)設備，穩定可靠，初期設備投資在20萬(wàn)元以?xún)龋m用于中等規模的公司業(yè)務(wù)需求。
5 IP寬帶城域網(wǎng)實(shí)現視頻電話(huà)系統的局限性及相應的解決辦法
1. 不同視頻會(huì )議設備存在不兼容性。
從視頻會(huì )議設備產(chǎn)品現狀來(lái)看，各廠(chǎng)商都能完成H.323協(xié)議規定的主要功能。但由于對協(xié)議的理解不一致，或協(xié)議本身規定性不強，各廠(chǎng)商在協(xié)議實(shí)現中有很多獨特的思路和實(shí)現方式。一方面使 H.323視頻會(huì )議系統豐富多樣，各有所長(cháng)；另一方面也使各廠(chǎng)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(luò )上可實(shí)現客戶(hù)視頻會(huì )議系統專(zhuān)網(wǎng)，而對于構建世界范圍的H.323視頻會(huì )議系統網(wǎng)絡(luò )會(huì )造成不便。針對此問(wèn)題，可行的解決方案是在電信業(yè)務(wù)體系基礎上，建立一個(gè)電信級的綜合視頻會(huì )議業(yè)務(wù)平臺。在這一平臺上可以進(jìn)行集中的視頻會(huì )議業(yè)務(wù)管理、用戶(hù)管理、計費管理、賬務(wù)管理等一系列運營(yíng)服務(wù)。這樣，不僅用戶(hù)可擁有電信級的高穩定性和可靠性、全開(kāi)放性與高擴展性的綜合視頻會(huì )議業(yè)務(wù)平臺，而且通信公司運營(yíng)商通過(guò)這種商務(wù)運作模式可獲得有效盈利。
2. 隨著(zhù)網(wǎng)上多媒體通信，如網(wǎng)絡(luò )會(huì )議、網(wǎng)絡(luò )電話(huà)等應用的迅速普及，一些現存網(wǎng)絡(luò )的沖突也突顯了出來(lái)。比如當前一些網(wǎng)絡(luò )實(shí)體限制端到端的分組（包）通過(guò)，這些實(shí)體指的就是網(wǎng)絡(luò )地址轉換器和防火墻。
（1）網(wǎng)絡(luò )地址轉換器對視頻電話(huà)業(yè)務(wù)的阻礙
隨著(zhù)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(gè)問(wèn)題，人們設計出了網(wǎng)址轉換器（NAT）。NAT是置于兩網(wǎng)間的邊界，其功能是將外網(wǎng)可見(jiàn)的IP地址與內網(wǎng)所用的地址相映射，這樣，每一受保護的內網(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(lái)的含公網(wǎng)地址信息的數據包先到達NAT，NAT使用預設好的規則（其組元包含源地址、源端口、目的地址、目的端口、協(xié)議）來(lái)修改數據包，然后再轉發(fā)給內網(wǎng)接受點(diǎn)。對于流出內網(wǎng)的數據包也須經(jīng)過(guò)這樣的轉換處理。從安全性上來(lái)看，NAT提供了對外隱藏內網(wǎng)拓撲的一個(gè)手段，但也給VoIP應用帶來(lái)巨大的麻煩。H.323等語(yǔ)音視頻協(xié)議消息包一般是在特定區段中內嵌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(guān)（ALG）等類(lèi)似的技術(shù)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(lái)說(shuō)，需要支付非常高昂的代價(jià)。目前Internet上的主流語(yǔ)音通信軟件，Netmeeting、Net2Phone都不支持穿越防火墻和NAT。
目前由于山東省內網(wǎng)絡(luò )路由架構中采用了策略路由，IP地址尋訪(fǎng)不通過(guò)NAT轉換設備，因此省內寬帶用戶(hù)可無(wú)屏障地進(jìn)行視頻電話(huà)通信。而對于采用私網(wǎng)地址的寬帶用戶(hù)在與省外用戶(hù)進(jìn)行通信中，必然經(jīng)過(guò)NAT地址轉換設備，因此目前還無(wú)法享受視頻電話(huà)業(yè)務(wù)。針對此種問(wèn)題，省通信公司已申請了足夠的公網(wǎng)IP地址，屆時(shí)所有的IP寬帶用戶(hù)私網(wǎng)地址全部改成公網(wǎng)地址，視頻電話(huà)互通將不成問(wèn)題。
（2）防火墻對視頻電話(huà)業(yè)務(wù)發(fā)展的阻礙
通常，企業(yè)為使內部的計算機不受外部網(wǎng)絡(luò )的攻擊影響，都部署了防火墻，其主要目的是通過(guò)防火墻可以限定進(jìn)入網(wǎng)內的數據包類(lèi)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(jiǎn)單的規則）。更復雜些的規則（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(jià)。在防火墻上如果要設定信令流通過(guò)，是非常簡(jiǎn)單的， 例如要保證SIP的信令通過(guò)，只需在防火墻上開(kāi)放5060端口即可；對于H.323協(xié)議，需要開(kāi)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(wèn)題，主要原因是語(yǔ)音的媒體流需要通過(guò)RTP來(lái)傳輸，而傳輸所需要的源端口和目的端口是動(dòng)態(tài)確定的。因此通過(guò)防火墻上的簡(jiǎn)單設定是無(wú)法完成的。為解決其內部局域網(wǎng)終端與外界實(shí)現視頻電話(huà)業(yè)務(wù)，目前有不少廠(chǎng)家提供了相應的軟硬件產(chǎn)品，企業(yè)可通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )升級改造即可。
6 視頻業(yè)務(wù)前景展望
基于城域寬帶網(wǎng)絡(luò )的視頻業(yè)務(wù)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、遠程醫療、可視會(huì )議方面大大縮短空間距離帶來(lái)的限制。而遠程視頻監控在安全防盜、防火、交通監管、環(huán)保檢測、銀行監控、設備監控、員工考勤等方面大幅度地節省人力，提高效率。視頻應用在寬帶網(wǎng)絡(luò )普及后，必將成為最熱門(mén)的應用。可以說(shuō)，現在缺乏的不是帶寬，而是缺乏在具體實(shí)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(lǐng)域之一。
中國通信網(wǎng)(www.c114.net)—中國數據通信
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