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VoIP

VoIP

VoIP（全称：Voice over Internet Protocol），中文名称为网络语音。它是一种利用IP网进行语音传输的技术。VoIP通过既定的语音压缩算法，借助网际IP协议促成多媒体会议与语音通话关系的形成，执行语音数据的编码与处理，并在TCP/IP标准的作用下，更改语音数据的实际传输形式，实现对互联网通信环境的合理维护。

1995年，VOCALTEC公司推出IP电话软件实现了通过Internet互联的PC-to-PC的通话。1996年，美国公司采用Internet传送国际长途电话业务，用户可以只用普通电话机就能使用Interne长途电话，真正意义上的IP电话出现。1999年1月，保证IP电话互连互通的iNOW!协议（即interoperablilty NOW!协议）被发布，iNOW!协议基于ITU的协议H.323标准和H.225.0标准。从全球通信网络设备市场来看，VoIP主要应用于运营商VoIP市场和企业VoIP市场。

VoIP架构由媒体网关器、媒体网关控制器、语音服务器和信号网关器四部分组成，涉及信令技术、语音编码技术、实时传输技术和QoS保障技术等关键技术以及H.323、SIP、Megaco和MGCP四大常用协议，VoIP能够节约成本、降低风险，具有高度扩展性，可以应用于远程办公等场景中，方便人们的生活，但同时也存在着安全、法律等争议。

发展历程

技术萌芽阶段

1995年，以色列VocalTec公司推出一种可以利用个人计算机和相关附加设备通过Internet相互通话的软件，IP电话由此而来。IP电话通常被称作Internet电话或网络电话，包括语音、FAX、视频传输等多种电信业务。Internet Phone可以被认为是VoIP的第一个实例。随着DSP及相关技术的发展成熟，真正意义上的IP电话出现在1996年，美国公司采用Internet传送国际长途电话业务。用户不需要添置更多相应设备，只用普通电话机就能使用Internet长途电话，但通话费用却远远低于当时的国际长话费用。

1995年至1996年，IP电话处于技术萌芽阶段，在这一阶段，IP电话只是作为互联网上的一种应用，通信双方利用安装在电脑客户端软件实现在互联网上的实时语音通信。但是该技术主要是基于Internet网络，并且不够成熟，无法保证良好的语音通信质量。

电信运营商介入实验阶段

1997年之后，电信运营商开始介入IP电话实验阶段，尝试将互联网技术与PSTN网有机结合，促使了VoIP得以快速发展。1997年，改变了之前仅有个别公司研制生产IP电话产品的现状，国际著名的大厂商如微软等几十家厂商纷纷进行IP电话设备的研究和生产。同时，市场上开始出现网关设备，但还没有网守，未形成系统且标准也未统一。1997年，VoIP的总时数为6000万分钟，不到公用交换电话网（PSTN）的0.1%。1998年，Internet Phone与Microsoft Netmeeting合作开发互联网语音邮件应用程序。在这个时期，VoIP一词被创造出来。同年，VoIP领域内，xGCP (MGCP、SGCP和IPDC)等方面也在发展。1999年1月，为了确保IP电话的互连互通，Vocalac、朗讯和ITXC三家公司联合推出了iNOW!协议（即Interoperability NOW!协议）。该协议完全基于ITU的H.323标准和最新的H.225.0附件G，并得到了广泛支持。同年，网关技术也取得了进一步发展，网关和网守能够满足多个领域的需求。

技术成熟阶段

2003年，Skype推出支持通过互联网进行音频通话。用户使用该软件以名义通话率拨打固定电话和手机，并获得积分。渐渐地，诸如即时消息功能、免费对等呼叫等新功能被添加进来。2003年，VoIP的通话时数达到700亿分钟，相当于PSTN总时数的32%。VoIP朝着综合化、无线化和视频化等方向发展。电话技术使语音融合到Internet应用领域上，如网上呼叫中心、网上购物等。移动运营商提供一种基于voWiFi技术的手机上的VoIP服务，以免除用户的漫游费用。随着互联网带宽的越来越充足，保证了基于互联网网络视频服务的带宽要求，推动了视频通信技术的发展。2005-2006年，Calypso Wireless推出了世界上第一款具有WiFi连接的移动电话C1250i，同一时期，第一款移动VoIP应用TruPhone也被推出。2012年，VoIP电话的主流普及率每年增长17%。2015年，许多企业开始向VoIP语音呼叫过渡。2018年，VoIP成为一个价值200亿美元的行业，企业开始转向商业VoIP应用。在寻找价格合理的VoIP开发服务时，对定制VoIP开发以及白标服务的需求开始被纳入企业的检查表。2022年，VoIP的价值超过400亿美元，2023年至2032年，VoIP的复合年增长率将为10%。2026年，全球VoIP市场将增长到1025亿美元，VoIP已逐步进入技术成熟期。

原理及架构

原理

VoIP是一种通过互联网传输语音数据的技术。它基于语音相关的压缩算法对语音数据进行编码和处理，以实现数据的压缩。然后，按照TCP/IP标准，将语音数据进行分类并打包成数据包，利用现有的IP技术通过网络进行传输，以便将数据包发送到接收方。在接收方，数据包经过解压处理，将相关的语音数据包串联起来并整合，使得语音数据恢复到压缩之前的状态，最终实现了互联网传输语音数据的目的。IP网关在IP电话中扮演着关键的角色，是核心设备的一部分。它的主要作用是将不同地区的区号电话转换为相应地区的网关IP地址。相关信息被存储在一个数据库中，网关数据处理软件对各类数据进行分类管理，并处理数字语音的打包、处理呼叫信息功能和路由管理等设置。当用户拨打长途电话时，网关会自动筛选电话区号，并根据数据库中的资料对电话区号进行识别，最终得到相应的网关详细地址和IP号。这个IP地址被加入到IP数据包中，系统会自动选择最佳的路由路径，以减少传输延迟。最终，通过互联网的途径，IP数据包能够到达目标网关。然而，并非所有地区的互联网覆盖完善，有些地区的延伸不够，甚至还有一些地区没有设置网关。在这种情况下，可以通过分设路由途径和利用长途电话网转接的方式，在最近的网关之间实现通信。

架构

完整的VoIP架构一般由媒体网关器、媒体网关控制器、语音服务器和信号网关器四个部分组成。首先，媒体网关器（Media Gateway）负责将需要传送的语音信号进行打包处理，然后由媒体网关控制器（Media Gateway Controller）将打包后的语音信号在 IP 网络上进行传输，到达目的地后进行转换。检测建立通话的双方电话线路是否通畅问题则由语音服务器负责。信号网关器（信令 Gateway）负责控制在交换步骤中的语音信号，判定通话双方是否建立连接，同时提供多样的应用服务。

常用协议

VoIP常用的协议有H.323、SIP、Megaco和MGCP。

H.323

H.323协议是ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）制定的标准，是一个协议集。最初用于局域网（LAN）上的多媒体会议，后来扩展到覆盖VoIP。它既包括点对点通信，也包括多点会议功能。H.323定义了四个逻辑组件：终端（terminals）、网关（gateways）、关守（gatekeepers）和多点控制单元（MCU）。终端、网关和MCU都被视为终端点。H.323标准提供了一套协议和规范，用于在IP网络上进行语音、视频和数据通信。它定义了一系列用于建立、管理和终止通信会话的协议、编解码器和算法。H.323支持语音和视频的实时传输，并提供诸如带宽管理、呼叫控制、媒体协商和安全性等功能。H.323协议包括H.255、H.245、T.210系列、G.7xx、H.26x、RTP、RTCP以及RAS等一系列协议。

SIP

SIP（Session Initiation Protocol）是一种应用层控制协议，用于创建、修改和终止会话与一个或多个参与者之间的通信。SIP的结构与HTTP（超文本传输协议，客户-服务器协议）相似。客户端发送请求并将其发送到服务器，服务器处理这些请求并向客户端发送响应。每个请求和响应组成一次事务。SIP的功能分为用户定位、用户可用性确定、用户性能协商、会话建立和会话管理５个功能。

Megaco

媒体网关控制协议（Megaco）是由IETF（Internet工程任务组）和ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）共同努力的成果。Megaco/H.248是一种用于控制物理上分离的多媒体网关的协议，旨在实现呼叫控制与媒体转换的分离。Megaco/H.248定义了用于连接媒体网关（MG）和媒体网关控制器（MGC）的协议单元，以便转换电路交换语音到基于包的通信流量，并规定了该流量的服务逻辑。

MGCP

媒体网关控制协议（MGCP）是一种用于VoIP的协议，最初由思科和Telcordia提出。该协议定义了呼叫控制单元（也称为呼叫代理或媒体网关）与电话网关之间的通信服务。MGCP是一种控制协议，它允许中央控制台监测IP电话和网关的事件，并通知它们将内容发送到指定的地址。在MGCP的结构中，智能呼叫控制位于网关的外部，并由呼叫控制单元（呼叫代理）进行处理。呼叫控制单元之间保持同步，并向网关发送一致的命令。MGCP协议与H.323协议和SIP协议有所区别。H.323协议是针对VoIP电话的协议，而SIP协议是针对IP网络的协议。这些协议是相互独立的，彼此之间的产品和平台并不兼容，也无法互通。MGCP协议是与IP电话网络无关的协议。它专注于媒体网关控制，主要关注如何在分离的网关上实施控制。正因为如此，MGCP协议适用于支持H.323或SIP协议的网络电话系统。

关键技术

信令技术

信令指的是终端设备和网络设备之间、网络设备和网络设备之间传递的控制信号。为了实现电话呼叫的顺利进行和确保语音质量，VoIP网络采用了信令技术，主要采用的信令体系包括国际电信联盟远程通信标准化组（ITU-T）的H.323系列和互联网工程任务组（IETF）的会话初始化协议（Session Initiation Protocol，SIP）。从本质上看，H.323和SIP协议都是多媒体通信领域的应用层协议，它们都基于IP网络，并使用RTP（Real-时间 Transport Protocol，实时传送协议）来传输实时的音频和视频。不过，SIP协议的发展相对较晚，与IP网络的互通性更好，信令相对简单，而且具有较强的扩展性。相比之下，H.323协议推出较早，在与传统电信网络的互联互通方面具有优势，并且应用比较广泛。H.323协议的信令控制部分主要包括RAS（Registration，Admission，Status）协议、H.225.0呼叫信令以及H.245协议。

语音编码技术

语音编码技术在IP网络中传输语音信号扮演着关键角色。IP电话采用的主要话音压缩处理技术包括ITU-T定义的G.729和G.723/G.723.1。G.729采用了"对结构代数码激励线性预测"算法，是一种高质量的语音压缩标准。它能够将语音信号压缩至8kbit/s，并几乎不引入失真，非常适用于VoIP系统。这种算法提供了优异的压缩率，同时保持了较高的语音质量。G.723.1协议主要用于多媒体通信中的双速率语音编码，分别为5.3kbit/s和6.3kbit/s两种速率。G.723.1协议提供了较好的话音质量，但会引入较大的处理时延。

实时传输技术

实时传输协议（Real-time Transport Protocol，RTP）是一种用于端到端实时数据传输的协议，可用于传输语音、视频等实时数据。RTP协议允许接收端重新组装发送端发送的数据包，以实现实时的数据传输。RTP协议的控制部分被称为实时传输控制协议（Real-time Transport Control Protocol，RTCP）。RTCP协议用于监测和控制RTP会话的传输质量，并提供相关的统计信息。它允许参与者之间交换控制信息，例如接收端向发送端发送反馈信息以进行拥塞控制或同步校准。通过RTP和RTCP协议的配合使用，实时数据可以以可靠、高效的方式进行传输。RTP负责传输实时数据包，RTCP负责传输控制和监测信息，从而实现端到端的实时通信。

QoS保障技术

VoIP利用多种技术来实现服务质量（Quality of Service，QoS）。这些技术包括资源预留协议（RSVP）、区分服务（Differentiated Service）和多协议标签交换（MPLS）。资源预留协议（RSVP）通过为VoIP通话预留带宽资源来保障通话的质量，它允许网络中的设备向网络请求所需的带宽，并为VoIP通话分配足够的资源，从而避免因带宽不足而导致的语音质量下降。区分服务（Differentiated Service）是一种网络服务模型，通过对IP数据包进行分类和标记，为不同类型的数据包提供优先转发权。VoIP数据包可以被标记为高优先级，从而确保它们在网络中得到优先处理和传输，以减少延迟和丢包，提高语音质量。多协议标签交换（MPLS）技术结合了传统的IP路由和标签交换的优点，可以提供更好的路由功能和流量工程能力。通过在数据包头部添加标签，MPLS可以为VoIP流量指定特定的转发路径，以避免网络拥塞和延迟，并提供更稳定的语音通信。

主要特点

主要优点

节约成本

基于VoIP的系统与传统系统不同，它不需要中心交换机这样的核心交换设备。相反，基于VoIP的系统可以通过按需扩容的方式实现扩展，只需增加终端设备即可。这种灵活性使得系统的规模能够根据需求进行快速调整，而无需依赖于单一的中心设备。另一个与传统系统的区别是，传统系统通常需要专用的物理线路进行通信，而基于VoIP的系统可以通过IP网络传输各种数据和语音。这种综合传输的方式在效率和成本上都具有优势，节约了传输系统的投资，降低了传输成本。通过利用现有的IP网络基础设施，VoIP系统能够在同一网络上实现多种通信需求，使数据和语音的传输更加高效和经济。

降低风险

VoIP系统采用的是分布式架构，与传统的核心交换设备不同。在VoIP系统中，每个终端设备或席位都是智能的，没有单一的核心交换机。这种分布式架构使得系统具有更高的可靠性和故障容许度。在VoIP系统中，处理能力分散在各个终端设备上，而不是集中在一个核心交换机上。这意味着即使某个终端设备发生故障，整个系统仍然可以继续运行，不会导致系统范围的故障。在分布式架构下，有助于减少整个网络的传输负荷，使通话中的延迟被降低。系统单元可以在不影响用户正常通话的情况下动态的加载或删除，当某一单元发生故障或受到攻击，系统会自动调配其他的服务器接替故障机器的工作，进而降低了整个系统性故障的风险。

高度扩展性

VoIP技术基于IP网络传输，具备良好的发展潜力和可融合性，可以轻松地集成各种新的应用。这些新的应用可以快速而简单地与VoIP系统进行融合，包括文字消息、视频会议等。由于VoIP技术建立在IP网络之上，它能够与其他基于IP的应用和服务进行紧密集成。这种融合性使得VoIP系统具备了更广阔的功能扩展空间，可以满足不断变化的通信需求。例如，可以将即时文字消息和语音通话结合起来，使得用户在通话过程中可以方便地交换文字信息。同时，也可以将视频会议功能与VoIP系统相结合，实现实时的视觉沟通和协作。通过VoIP技术，还可以与其他信息系统进行集成。

主要缺点

VoIP相对于传统的地面通信模式存在的劣势之一就是时延问题。根据ED137标准，对于可接受的语音端到端总时延有了明确的规定，时延限制为130毫秒，其中包括接入系统、网络和终端设备等三个部分的时延，分为传输时延、处理时延和打包时延。传输时延是指在传输过程中发生的时延，其中包括传输时间、链路排队时间、接入时间和中继转发时间等。这些时延与网络拥堵情况有关，受传播距离和速度影响。处理时延和打包时延是在信号发送过程中发生的。它涉及到抽样、量化、编码和解码等处理步骤，不同的编码和解码算法会导致不同的时延。打包时延是指将经过编码处理的语音数据帧进行打包所需要的时间。利用IP网络进行语音数据传输时，需要对编码处理后的语音数据帧进行打包处理。这些问题会对日常生活造成一定的麻烦。例如，会出现数据包顺序出错、丢失的问题出现。

主要应用场景

基于物联网的VoIP

将物联网技术与VoIP相结合，可以实现智能办公室的概念。物联网技术的引入使得不同类型的设备，例如摄像头和麦克风，能够相互通信，从而提供更出色的视频会议体验。这意味着在视频会议期间，摄像头可以自动调整角度和焦距，以便更好地捕捉与会人员，并实现自动对焦和人脸识别等功能。麦克风也可以进行自动降噪和定向拾音，以提供更清晰的语音传输。通过物联网与VoIP技术的结合，智能办公室的概念得以实现。各种设备之间的互联和智能化将提升办公室的效率和便利性。

与统一通信集成

将统一通信（UC）整合各种通信工具，如VoIP、电子邮件、即时消息和视频会议集成到一个统一的平台中。这种集成使用户能够在同一个平台上轻松切换不同的通信渠道，包括语音和视频通话。VoIP与UC解决方案的紧密集成为用户带来更多便利。用户可以通过统一的界面或工具进行语音和视频通信，而无需切换不同的应用程序或平台。此外，VoIP与UC的集成还使得企业能够更好地管理其通信渠道。通过集中管理和监控不同通信渠道，企业可以实现更精确的资源分配和调度，提高生产力和协作能力。

远程办公

通过采用VoIP系统，团队可以轻松地进行远程电话会议或切换到视频会议，以促进更好的合作。VoIP系统的实施使得团队成员可以方便地通过电话会议进行实时沟通，无论他们身处何处。无论是在不同的办公室、远程办公还是国际间的合作，VoIP系统都提供了快速、高质量的通信渠道。团队成员可以随时加入电话会议，共享想法、解决问题，并推动项目的进展。此外，VoIP系统还支持视频会议，通过视频会议，团队成员可以看到彼此的面部表情、身体语言和非语言信号，这有助于更好地理解和交流。这种沟通方式使得远程团队能够更紧密地协作，增强合作效果。对于企业而言，VoIP系统方便了员工招聘服务。通过远程沟通和面试，企业可以扩大招聘范围，吸引来自全球各地的人才。

计算方法

VoIP的带宽=包长度*每秒包数

每秒包数=1/打包周期

包长度=Ethernet头+IP头+UDP头+RTP头+有效载荷=208bit+160bit+64bit+96bit+有效载荷=528bit+打包周期(秒)*每秒的比特数

VoIP的带宽=（528bit+打包周期(秒)*每秒的比特数）*（1/打包周期）=（528/打包周期）+每秒比特数

争议

安全争议

2023年1月9日，江西萍乡市市民罗某接到经过VoIP设备转换的一则诈骗电话。对方冒称保监会工作人员，以京东白条利息高，影响征信为由，骗取了罗某共计27万余元。萍乡警方于2023年1月30日捣毁两个隐藏在宾馆客房内的VoIP电诈犯罪窝点，抓获犯罪嫌疑人9人，查获VoIP设备14台。犯罪团伙通过架设VoIP设备，利用宾馆座机电话线将境外号码转换为本地电话，协助境外诈骗分子实施诈骗。

法律争议

2023年，高新公安分局在宜昌市公安局一周内快速打掉一协助境外电诈集团架设VoIP设备的犯罪团伙，抓获犯罪嫌疑人3名，缴获语音网关8台、带固话光猫路由器60台、笔记本电脑1台、网线若干，涉案金额达240余万元。犯罪嫌疑人程某为缓解经济压力，在某社交软件兼职群发现“帮牵电话线，躺着日入过万”的广告后，铤而走险，召集了自己的两位朋友，用他们的身份信息租赁房屋、注册公司、安装宽带、申请大量固定号码，帮助境外诈骗集团实施诈骗，仅一天就获得了3万元的“好处费”。VoIP因为成本低廉，市场广阔，成为一种“暴利”的投资项目，但由于没有政策支持，因此仍然存在运营和管理上的漏洞，网络电话业务还处于“灰色地带”，而市面上出现的网络电话“话吧”也并没有营业执照。

2024年5月，朝阳区公安分局花家地派出所民警在辖区开展爱心走访时，发现辖区居民王大爷家被冒充宽带公司工作人员的犯罪嫌疑人安装了VOIP语音网关设备，该设备可以实现将境外网络信号转化为本市固话信号，通电连接就能自动进入持续工作状态，安装在居民家中，十分隐蔽。被安装VOIP设备的家庭，电诈团伙会利用这些VOIP设备悄无声息地从事诈骗活动。市民接到的境外诈骗电话，经过VOIP的信号转换，会显示为010开头的市内固定电话，接电话的人就会降低警惕性。在小区物业人员的帮助下，民警很快获取了嫌疑男子的体貌特征。当嫌疑人再次出现在小区，准备上门进行“网络维护”时，被民警当场抓获。经民警调查，一个月的时间，该嫌疑人已上门安装了几十台VOIP设备，获利近万元，受害对象以老年人居多。该嫌疑人已被朝阳警方依法刑事拘留，案件正在进一步调查中。民警提醒，如接到宽带客服人员的电话或有工作人员直接敲门，以信号检修、升级网速等为由提供免费服务的，应第一时间拨打官方客服电话进行业务核实，如发现家中被安装了可疑“黑盒子”，应立即报警求助。