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IP电话系统和呼叫路由技术（1）

作者：　发布时间：2007-07-19 00:16:16　来源：点击:24

本文首先介绍了IP电话系统的发展概况。然后对业界提出最早也最为成熟的IP电话标准H.323进行了介绍，包括H.323的协议组成、系统结构等。在对RAS协议及其作用进行了介绍后，分析了H.323 IP电话系统的域内呼叫路由过程。文章的最后给出了H.323呼叫路由技术的最新进展。

　1 引言

　　对分组话音技术的研究最早由美国国防部于20世纪70年代发起。受硬件、软件、网络技术发展的限制，当时并没有得到大规模的应用。进入20世纪90年代后，以TCP/IP为核心协议的因特网在全球范围内得到了迅猛发展。随着骨干网、接入网、局域网带宽的成倍增长，因特网的传送内容也从单纯的数据业务进入包括声音和图像在内的多媒体通信领域。基于IP的分组语音业务--IP电话应用就是在这样的背景下产生的[1]。

　　与传统话音技术相比，IP电话采用了压缩话音编码和分组统计复用技术，带宽利用率高，价格低廉。在基于IP这样的开放网络架构上，可以方便、快速、低成本地开展IP电话服务。这些特点使得IP电话在资费方面有天生的优势，其发展速度异常惊人。据报道，至2003年3月我国IP电话的通话时间已经开始超过普通长途电话业务的通话时间。

　　目前实现IP电话系统的技术有两种：H.323和SIP（Session Initiation Protocol）。其中H.323由ITU-T制定，1996年推出了协议的版本1，实现了通过局域网进行多媒体通信。后来ITU-T对H.323协议进行了修订和改进，并先后推出了版本2、3和 4[2]，可以支持广域网上的多媒体通信。与此同时IETF也在积极地制定基于IP网的多媒体通信协议，并于1999年推出了SIP的第1版本。在对SIP进行了修订后，又于2002年6月推出了第2版本[3]。

　　H.323经过多年的发展和完善，比较完备。目前全球商用的IP电话系统大都采用H.323技术。但其缺点是协议过于复杂，且版本太多。由于SIP简单高效得到了业界的普遍关注和认可，是IP电话技术发展的重要方向之一。

　　在IP电话系统中，话音和控制报文都是使用TCP / IP通过IP地址及端口号来寻址的。用户的标识可以使用满足E.164标准的电话号码，也可以使用因特网中常用的各种别名地址。其呼叫路由要比普通电话系统复杂得多。本系列讲座将对IP电话系统中的呼叫路由技术进行全面的阐述和分析。

2 H.323 IP电话系统

　　H.323标准是业界提出最早也最为成熟的IP电话标准。其设计目标是在分组网络上提供话音、数据和视频及其组合的多媒体通信服务。ITU-T于1996推出的H.323版本1的应用环境是局域网。1998年推出的版本2将应用环境扩展到了广域的分组网络。在版本2的基础上增加了快速连接、带宽管理等功能后，又于1999年推出了版本3，使H.323 IP电话系统的可扩展性得到了进一步提高。2000年推出的版本4加入了分离网关结构，并使用H.248协议来控制网关的行为。增加了H.323 IP电话系统与其他网络的互通性，并且顺应了向软交换架构演进的潮流。目前正在制定协议的第5个版本。

2.1 协议组成

　　H.323协议描述了在分组网上实现多媒体通信的系统定义和一般的控制过程。它需要一组协议的支持，包括呼叫控制协议、媒体控制协议和音视频编码协议等。它们和H.323组合起来构成了H.323系统的技术标准。

　　在H.323 IP电话系统中，话音编码使用ITU-T G系列建议，其中G.711为必备编码方式，其他的常用编码方式有G.723.1、G.729A等。视频编码采用H.260系列建议，比如H.261、H.263等。音频和视频编码后的信息都封装在RTP中通过UDP来传送。数据通信采用T.120建议，通过可靠的TCP来传送。

　　H.225.0[4]和H.245[5]是H.323系统的两个核心协议。H.225.0主要用于呼叫控制，而H.245用于控制媒体信道的建立、维护和释放。

　　在H.323系统中，一个呼叫可以同时包含多种媒体信息（音频、视频等），每种媒体信息在一个逻辑信道上传送。在发起呼叫时，首先使用H.225.0 呼叫控制协议在主被叫之间建立呼叫联系，同时建立H.245控制信道。然后使用H.245控制信道根据呼叫的特征建立不同的媒体信道（即逻辑信道），使得多媒体信息在不同的媒体信道上传送。

2.2 系统结构

　　H.323系统结构，其中包括终端（terminal）、网关（gateway）、网守（gatekeeper）、多点控制单元（MCU,Multipoint Control Unit）等功能实体。

　　终端是H.323系统中面向用户的设备，它可以与其他终端设备、网关或多点控制单元进行通信，支持语音、数据和视频信息的交互。其要完成的主要功能包括：音频编解码、视频编解码、多媒体信息封装传送、终端接入控制、呼叫控制、逻辑信道控制等。

　　网关是H.323系统与现有电路交换网的互通点。其核心功能是对不同系统的媒体信息和信令信息进行转换，以实现这些系统与H.323系统的互通。因此，除支持音视频编解码外，网关还要支持呼叫控制、逻辑信道控制等信令功能。由于网关的任务繁重，当容量要求较高时可以采用H.323版本4提出的分离网关结构，实现媒体信息和信令的分开处理。

　　网守是H.323系统中的管理实体，它提供对终端和呼叫的管理功能。其主要功能包括：地址翻译、呼叫接纳控制、带宽控制、区域管理、呼叫控制、呼叫鉴权、带宽管理等。H.323 IP电话系统中的呼叫路由就是由终端、网关和网守合作完成的。

　　多点控制单元（MCU）是H.323系统中实现会议通信的重要设备，它包含多点控制（MC）功能。通过H.245协议过程来实现对参加会议的多个成员进行控制。实现会议通信的另一个功能实体是多点处理（MP）功能，它接收参加会议成员的音视频信息，经过混合、交换等处理后回送给各成员。在集中式多点会议中，多点控制单元（MCU）应包含多点处理（MP）功能。

　　在H.323的功能实体中，与呼叫路由相关的功能实体包括了终端和网守。涉及到的协议主要是H.225.0中的RAS（Registration, Admission and Status）部分。因此，我们将在第3节对H.225.0的RAS协议及其作用进行介绍。 2.3 管理区和管理域

　　在H.323系统中，网守是网络的管理点。一个网守管理的所有终端、网关和MCU的集合称为一个管理区（zone）。一个管理区中的各网络单元通过下层的分组网络进行通信，因此管理区的物理拓扑可以是多种多样的。

　　在组网中，通常又将同属于一个运营机构管辖的H.323实体的集合称为一个管理域（domain）。在一个管理域中，可以包含多个管理区（即多个管理区），管理区间的终端通过各自所属的网守间的配合实现相互间的通信。不同管理域之间则通过边界网守实现业务互通。

3 RAS协议及作用

　　H.225.0是H.323系统的核心协议之一，它由三部分组成：呼叫控制、RAS和如何用RTP对音视频信号进行封装；H.225.0的呼叫控制信令源自Q.931，其功能是在H.323端点（包括终端和网关）之间建立呼叫联系，包括呼叫的建立和拆除等流程；RAS是端点和网守之间的协议，主要完成登记、定位、呼叫接纳等管理功能。它主要包含以下协议过程。

　　网守搜索：用于端点自动搜索其归属网守。使用的消息有GRQ（Gatekeeper Request）、GRJ（Gatekeeper Reject）、GCF（Gatekeeper Confirm）。端点采用多播地址发送GRQ寻找自己的归属网守，可用的归属网守以GCF回应。端点收到确认后，选择自己的网守，获得并记录网守的RAS地址供后续RAS消息使用。

　　端点登记：用于端点向归属网守登记/去登记其自身的信息，包括别名地址（E.164地址或H.323标识）和呼叫信令运输层地址。端点必须在登记后才能发起和接受呼叫，登记表明端点加入了某管理区。用于登记的消息有RRQ（Registration Request）、RCF（Registration Confirm）、RRJ（Registration Reject）。用于去登记的消息有URQ（Unregistration Request）、UCF（Unregistration Confirm）、URJ（Unregistration Reject）。端点使用RRQ向搜索到的归属网守登记，登记成功则网守以RCF回应。端点通过URQ向自己登记的归属网守去登记，去登记成功后网守以UCF响应。

　　呼叫接纳：用于网守控制端点的呼叫接入，包括用户接入认证、地址解析。使用的消息有ARQ（Admission Request）、ACF（Admission Confirm）、ARJ（Admission Reject）。当端点发起呼叫时，它首先向归属网守发送ARQ消息，包含认证信息、目的地地址和所要求的带宽等。网守对用户进行认证，对目的地址进行解析。如果网守同意发起此呼叫，就向端点回送ACF，包含允许分配的带宽和翻译后所得的被叫呼叫信令运输层地址或网守的呼叫信令运输层地址（取决于采用直选路由方式还是网守选路方式）。H.225.0呼叫控制协议就使用此呼叫信令运输层地址来发起呼叫。当端点收到入呼请求时，也要向其网守发送ARQ消息进行认证。如果网守同意端点接收该呼叫，就回送ACF，端点才可继续处理入呼流程。

　　定位功能：指请求网守提供地址翻译功能。使用的消息有LRQ（Location Request）、LCF（Location Confirm）、LRJ（Location Reject）。当端点或网守知道某一端点的别名地址，需要知道其呼叫信令运输层地址时，可向相应的网守发送LRQ消息。LRQ消息可以以单播或多播方式发送。当目标端点的网守收到LRQ消息后，通过LCF将该端点的呼叫信令运输层地址或该网守的呼叫信令运输层地址回送给请求者。回送哪个地址取决于呼叫信令是采用直接选路方式还是网守选路方式。

　　呼叫退出：用于端点或网守切断当前呼叫。使用的消息有DRQ（Disengage Request）、DCF（Disengage Confirm）、DRJ（Disengage Reject）。

　　带宽管理：用于端点或网守在呼叫中途改变呼叫接纳时确定的带宽。使用的消息包括BRQ（Bandwidth Request）、BCF（Bandwidth Confirm）、BRJ（Bandwidth Reject）。

　　状态功能：用于网守向端点查询呼叫或端点状态信息，端点也可以按照设置周期性地向网守报告状态信息。使用的消息包括IRQ（Info Request）、IRR（Info Request Response）、IACK（Info Request Ack）、INAK（Info Request Nak）。

　　资源功能：用于网关向网守报告其当前可用资源的情况，包括可用的容量、支持的协议及数据速率等信息。使用的消息包括RAI（Resource Availa- ble Indication）、RAC（Resource Available Confirm）。

4 域内呼叫路由

　　在一个管理域内部，终端间的呼叫路由相对来说比较容易实现。与现有普通电话网中通过静态配置局数据来实现呼叫路由不同。H.323系统管理域内的呼叫路由是通过端点的登记和地址解析过程来实现的。这种呼叫路由方式不仅可以对每个呼叫进行认证，还为将来提供终端的移动性支持打下了基础。

4.1 登记与地址解析过程

　　当端点（终端或网关）启动时，它先通过网守搜索过程寻找归属网守，并获取网守的RAS地址。然后向网守发起登记过程，将自己的别名地址、呼叫信令运输层地址等信息告知网守，将自己纳入网守的管理之下。

　　只有成功登记后，端点才可发起和接收呼叫。若端点要发起呼叫，必须先通过呼叫接纳过程来进行接入认证。将被叫地址和认证信息等发送给自己的网守，网守负责对端点进行认证并对被叫地址进行解析。认证成功后，端点通过H.225.0呼叫控制协议使用解析后的呼叫信令运输层地址发起呼叫。如果端点收到呼入请求，也要执行呼叫接纳过程。只有在得到网守的允许后，端点才能接收并处理呼入。

　　RAS的端点定位功能提供了另一种灵活的地址解析手段。端点定位请求LRQ可以由终端和网守以单播或多播方式发起。被解析端点的网守将以适当的呼叫信令运输层地址回应。在实际组网和使用过程中，端点定位功能可以灵活地加以运用。

4.2 区内呼叫路由

　　当主叫和被叫端点都属于同一个网守时，我们称之为区内呼叫。终端1（也可以是网关）和终端2启动时，它们都要使用RRQ来向网守登记，报告自己的别名地址和呼叫信令运输层地址。网守记录这些信息后以RCF确认终端登记成功。

　　当终端1向终端2发起呼叫时，它向网守发送ARQ，包含被叫终端2的别名地址和认证及其他信息。网守收到ARQ后发现终端2也属于本网守的管辖范围，就通过查找登记信息获取终端2的呼叫信令运输层地址。网守通过认证确认终端1可以发起呼叫，就回送ACF。如果采用直接选路方式，网守就将在ACF中包含终端2的呼叫信令运输层地址。如果采用网守选路方式，在ACF中包含网守自己的呼叫信令运输层地址。终端1得到网守的确认消息ACF后，就向解析得到的呼叫信令运输层地址发送Setup消息来发起呼叫。

4.3 区间呼叫路由

　　当主叫端点和被叫端点分属不同的网守时，就需要端点定位功能的支持。终端1和终端2在启动后分别向其所属的网守注册，收到网守的RCF后表明注册成功。终端才可发起和接收呼叫。

　　当终端1想要呼叫终端2时，它向自己的网守发送ARQ，请求接入认证和地址解析。网守1分析被叫地址发现终端2不在自己的管辖范围内，它无法解析地址，就发送LRQ消息。LRQ可以通过多播方式来发送，也可以经过单播方式来发送。LRQ可能需要多个中间网守的转发才能够到达终端2的网守。LRQ的转发路径H.323 未做规定，其最大转发跳数可以在LRQ消息中指定。当转发次数超过指定跳数时，将不再转发，而以LRJ回应。

　　当网守2收到LRQ后，发现自己可以解析终端2的地址，就将适当的呼叫信令运输层地址通过LCF回送给网守1（也可能经过多个中间网守的转发）。此LCF中包含的呼叫信令运输层地址可以是网守2的，也可以是终端2的，这与被叫端采用的呼叫选路模式相关。

　　网守1收到LCF后，得知端点定位成功。根据采用的呼叫选路模式通过ACF将自己的呼叫信令运输层地址或LCF中包含的呼叫信令运输层地址返回给终端1。终端1收到ACF后，获知被允许发起呼叫。就向ACF中包含的呼叫信令运输层地址发送Setup消息来发起呼叫。

4.4 实例介绍

　　在我国信息产业部颁布的“IP电话/传真业务总体技术要求”[6]中，规定了我国的H.323 IP电话网采用两级网守的体系结构，即顶级网守和一级网守，在业务量大的地区可增加第三级网守。为了体现层次化网守的概念，下级网守在启动时要向其上级网守注册。当需要解析位于不同网守的终端的地址时，主叫网守使用LRQ消息按照层次化的结构先上行后下行将消息发送给被叫网守。解析结果通过LCF按原路返回到主叫网守，从而实现了区间路由。

5 呼叫路由的发展

　　H.323最初是为局域网应用设计的，因此对大规模组网、互通等问题考虑较少。虽然从版本2开始，H.323可以用于广域网，但也没有明确规定网守之间的通信。由于RAS协议中的LRQ具备终端定位功能，它可以用于网守之间的地址解析。我国的IP电话技术要求就在ITU-T的标准中加入了网守间的登记过程，使用LRQ来进行区间的呼叫路由。

　　ITU-T于2002年11月正式通过并且发布的H.225.0 Annex G Version 2[7]标准可以用于区间和域间的通信。但在其示例应用中，仍沿用了Version 1使用LRQ进行区间通信的方法。如何将H.225.0 Annex G应用于区间通信仍需进一步研究和明确。

参考文献

[1] 糜正琨. IP网络电话技术, 北京:人民邮电出版社, 2000年6月

[2] ITU-T.Recommendation H.323 ( 2000 ), Packet-Based Multimedia Communications Systems

[3] IETF. RFC 3261: Session Initiation Protocol. June 2002

[4] ITU-T Recommendation H.225.0 ( 2000 ), Call Signalling Protocols and Media Stream Packetization for Packet Based Multimedia Communication Systems

[5] ITU-T.Recommendation H.245 ( 2000 ), Control Protocol for Multimedia Communication

[6] 中华人民共和国信息产业部. IP电话/传真业务总体技术要求（Version2）. 2001年

[7] ITU-T. Recommendation H.225.0, Revised Annex G ( Version 2 ) ( 2002 ), Communication between and within Administrative Domains

　　赵志峰，男，1975年3月出生。2002年获解放军理工大学通信工程学院通信与信息系统博士学位。现在浙江大学博士后科研流动站&&东方通信博士后科研工作站从事下一代网络技术的研究工作。研究方向为下一代网络、软交换技术、Ad hoc网络和移动网络技术。

　　杨永康，男，东方通信博士后科研工作站导师，东方通信网络通信研究所副总工程师。

　　仇佩亮，男，浙江大学博士后科研流动站导师，浙江大学信息科学与工程学院常务副院长，博士生导师。