IP电话在企业网中应用的关键问题

在企业网内IP电话应用将会迅速普及。已经有越来越多的企业在使用IP电话系统或者正在计划使用。据调查，已经使用的公司当中，半数以上都比较满意，并对其性能作出了正面的甚至是超出预期的评价。最满意的有以下几个方面。

   。 节省话费：这当然是IP电话带来的最直接也是最重要的益处。采用在IP网络上承载语音业务，企业内部的本地和长途电话的帐单都大量地削减，尤其对于办公地点分散的企业来说更是如此。

   。 降低维护成本：对于企业来说，语音和数据应用融合到同一个网络中，带来的是软硬件资源的节约以及维护成本的降低。在传统的语音网络中，一般很难想象管理大量员工的增加、迁移和删除这样的基本维护工作有多么烦杂。而在IP电话网络中，只要IP可达就可以很方便地实现这些基本的维护功能。

   。 应用多样化：一些传统的电话功能是不可或缺的，比如呼叫转移、呼叫等待、电话会议及三方通话等等，而IP电话的功能中还有许多新的创造，用以前的网络结构根本无法实现，尤其是那些涉及多媒体或者多站点的应用环境的新功能。因此IP电话符合未来的网络发展潮流，可以保证建设投入的长期有效。

   在企业网内决策是否使用IP电话之时，会存在很多共性的也是关键的问题，涉及到技术、投资回报等各方面的权衡。能否用IP电话系统来提供起关键作用的语音服务，每个企业都会比较慎重考虑。

   一、 语音质量

   在企业网中能否应用IP电话，语音质量是最关键的问题之一。对于不同的人、不同的企业，语音质量的需求会不一样。而且高语音质量的要求也必然会导致高网络成本。因此对于企业来说，应当提出合理的语音质量的要求，以满足自己的商业需求。

   有一系列的网络参数会影响语音质量。主要是IP网络的实时数据传输性能受时延、抖动和丢包率的影响。

   1. 时延形成的因素有很多，主要有在骨干网上的传输时延，即包括在线路上传输的时延还有在节点设备上的处理时延。为了减小这个传输时延，主要是尽量减少路由跳数，并尽量减少设备的处理时延，例如优化路由器上对时延影响大的设置，如访问列表、排队算法及传输的模式等。也可以为语音流量指定高优先级来减小队列时延。另一个主要的因素是语音包编解码及压缩算法的时延，例如，G.723会增加30ms的时延。再一个因素是抖动缓存大小。为了补偿网络抖动造成的影响，在语音网关中都有抖动缓存，用于在转发数据包之前先缓存一段时间的数据包以平滑数据包的传输，补偿包抖动、丢失、延时及其它不利影响。然而不利的一面就是会增加时延。抖动缓存的大小一般是预计数据包的到达时间的整数倍。缓存区设置的过小，则不一定能够克服网络的丢包和抖动的影响，降低声音的质量；设置的过大就会产生过大的时延。

   一般地讲，不包括IP电话终端产生的时延，网络的端到端时延参数为：

   ü 小于80ms的时延达到电路交换网络的话音质量；

   ü 80ms到180ms之间的时延达到一般商业要求的通话质量，已强于移动通信的话音质量，非常适合于多数企业；

   ü 超过180ms的时延仍旧是可以接受的，实际上在实验室测量的结果230ms的时延也是几乎察觉不到的。单向时延超过250ms会产生回音。ITU-T G.114建议对于语音通信，单向的时延门限在400ms；

   ü 超过400ms的时延是不可接受的，其实网络本身就已经难以保持正常的通信。

   对于网络时延的评估应当在建设IP电话系统之前实施。

   2.对于IP网络这样的尽力传送的网络来说，传送实时数据并不能保证数据包能够按时到达，到达间隔的不一致就产生了抖动。抖动值就是数据包到达间隔时间差的平均值。抖动值如果超过20ms（假设采用常见的设置，20ms产生一个数据包），就会产生可听出来的语音质量问题。过度抖动的效果与过大时延的效果很接近，因为当包抖动超过抖动缓存可以容忍的限度时同样会丢数据包。另外局域网设备的传送机制对抖动也有影响，因为数据交换的网络里面比共享式网络里的数据碰撞及重传的几率少，抖动产生的机率也就小。

   3.IP网络设计的初衷是保证数据的可靠传输，不能忍受数据的传输错误。对于语音来说，不能忍受数据包的时延，但是可以忍受少量的丢包。

   ü 小于1%的丢包率达到电路交换网络的话音质量；

   ü 1%到3%之间的丢包率达到一般商业要求的通话质量，已强于移动通信的话音质量，非常适合于多数企业；

   ü 大于3%的丢包率仍可以接受，但会干扰信号。

   对于企业网的语音质量的考虑是语音网络方案设计的一个重要方面。但是目前仍旧缺乏合适、严格的指标及检测方法来验证语音系统的性能。对于语音质量的常用评定方法是MOS（Mean Opinion Score），一种ITU（P.800）确定的主观评定方法，是目前使用得最广泛的，评分范围是1到5分，一般高质量的语音（例如G.711PCM编码方法）可以达到4分。还有PSQM（P.861 Perceptual Speech Quality Measurement）则是基于语音模型的计算机辅助测试工具，可以客观地评价语音质量，减少主观因素的影响。但这种方法更适用在电路交换的语音网络上，没有考虑对IP电话影响最大的抖动和丢包等问题。因此由BT公司开发了PAMS（Perceptual Analysis/Measurement system）的测试方法，是一种和MOS方法有很好可比性的测试方法。

   二、 内部局域网能否支持IP电话

   多数的局域网采用千兆骨干网及10/100Mbit/s以太网到桌面的方式来构建。这样的经典配置基本可以满足多业务的需求。但是内部局域网能否支持IP电话仍有几个方面的问题。

   对于语音应用占用局域网网络带宽的估算可以得到对局域网的容量及设备的规模要求，对于局域网的设计有指导意义。使用基于最坏情况下的带宽需求经验公式可以将现有的企业内部的语音话务量数据作为基础数据转换到对网络带宽的估测值。首先需要知道的是传统语音网络上使用的G.711编解码算法（64kbit/s）是最耗带宽但是能够提供最好的语音质量。如果按照多数语音网关的设置，每20毫秒的语音数据打成IP包，语音包在打成IP包时按IP/UDP/RTP顺序封装，考虑每个IP包要加入40字节的IP包头的原因，每个会话的带宽需求是80kbit/s.考虑忙时的话务量就可以知道网络带宽的需求量。如果采用G.729a算法，8kbit/s的语音比特率，同样每20毫秒数据打成IP包，每个会话的带宽是24kbit/s（很多人误解G.729a算法仅需要G.711的1/8的网络带宽，是因为没有考虑IP包封装头的影响）。如果再采用静音抑制技术，即考虑到通话的特点，同时一般只有一方在讲话，不讲话的一方不发送数据，据经验又可以节约大约50％的带宽。

   各种语音压缩编码的比特率、取样时间及MOS值评价见表1，对于各种方法的选择是各种考虑的折中。

   表1 对于ITU-T的语音压缩编码方法的MOS评价值

   语音压缩编码方法 比特率（kbit/s） 取样时间（ms） MOS值

   G.711PCM 64 0.125 4.1

   G.726ADPCM 32 0.125 3.85

   G.728LC-CELP 15 0.625 3.61

   G.729CS-ACELP 8 10 3.92

   G.729a CS-ACELP 8 10 3.7

   G.723.1 MP-MLQ 6.3 30 3.9

   G.723.1 ACELP 5.3 30 3.65

   为了保证语音业务的安全、可靠，从网络拓扑上讲要求整个局域网的保护措施要得力，比如说上连链路是否有备份保护。另外用户可能会希望IP电话也能够象普通电话那样能够远端供电。已经有某些品牌的以太网交换机可以实现远端供电，但是一般都是在小区范围内的，再远距离的供电仍难以实现。

   对于局域网内交换机的要求是可以划分VLAN，这样可以将语音流量和数据流量分离。网络的负载会十分影响语音的质量，当网络负载大的时候，尤其是在以太网中，数据碰撞会增加，抖动和丢包率都会迅速上升。因此网络设计时充分考虑网络负载的因素。另外应当检查一些交换机特性是否会影响网络性能，例如生成树算法本身对于2层网络变化有60秒的变化延时等。

   虽然时延、抖动和丢包率这些参数很少在局域网的使用中被提及，但对于语音应用仍必须用上述三个技术指标来衡量性能。对于局域网来说，分配到的参数指标应当比较严格，例如要求网络的延时不要超过150毫秒，最大的抖动不要超过20毫秒，丢包率应当是0，而从经验上讲丢包率只要小于1%就可以了。

   几乎全部企业网都采用了防火墙和NAT（地址转换）设备，它们都影响了IP电话系统的使用。因为IP电话通信时用到两条数据路径：信号路径和语音路径。信号路径传递摘挂机以及呼叫的信号，后端的处理呼叫的服务器完成这个任务。而语音流则直接在两个电话终端之间传送，SIP或者H.323协议都需要用IP地址、端口地址建立他们之间的通路。这样NAT就成为一个障碍，因为内部的私有地址在公网上不能路由，又因为RTP协议包将源和目的地址封装后NAT设备不能获取。而防火墙的问题是缺省状态下，它将阻挡所有流入而未经请求的数据包。而IP电话通信时必须的信号和语音数据又不是同源的，防火墙自然将阻挡它。由于端口是动态使用的，若要能够通信的话，除非打开所有可能用到的TCP端口，这又将减弱防火墙的作用。目前能够解决的方法一是使用具有应用层代理的防火墙，可以动态打开使用的IP电话端口；另一种是使用SIP或者H.323代理服务器。

   三、 广域网的考虑

   从广域网上必须考虑的问题是可靠、可扩展、可管理及能够保证足够的带宽。对于广域网来说，预测带宽将会复杂得多，受到使用的压缩协议以及WAN所使用的协议等诸多影响。

   选择数据包大小也是需要考虑的问题，大的数据包会显著增加传输效率，缩小整个带宽，但是增加了包处理的时延。语音包封装成IP包的包头消耗十分大，例如将语音流压缩到8kbit/s并每20ms发送一个语音包，这样每个语音包为20字节，但是封装到IP包的话，需要增加IP头20字节，UDP的头8字节和RTP的头12字节，总共需40字节的头来传输20字节的负荷，传送效率很低。有两种方法来解决，一个是增加语音包的大小，例如每40ms发送一个包，增加了一倍的有效负荷，提高了传送效率，但是数据包间隔的时间增加了，有可能超出时延预算。另一个是RTP包头压缩，这在低速的链路如PPP、FR或ISDN上经常采用，被称作CRTP（Compressed RTP）技术，可以将包头信息压缩到2个字节。

   在广域网上要能够实时传送语音包，必须为其划分高优先级，并能够保证端到端的优先级的统一。目前IP网络上尚不能实现QoS保证，最多能够实现CoS（Class of Service），而CoS仅是一种分类方法，并不能保证服务质量等级，只是可以通过排队机制等方法来改善时延等性能。常用的CoS模式有使用IP TOS（Type of Service）字节、或者使用IEEE 802.1 p/q标准。

   虽然可以使用标记和优先队列机制来给予语音包高于数据包的优先级，但是队列中大数据包的存在仍有增加语音包的串行延迟的可能性。为了减少时延，也许可以采用的方法是将较大的数据包分拆然后和较小的语音包交织发送，如调整MTU （Maximum Transmission Unit）这个参数到300字节与550字节之间（基于LAN的MTU值缺省为1500字节），但这样做的缺点是会增加开销并降低数据传送的效率。

   四、 IP电话的安全性

   语音、数据网络的融合增加了网络被攻击的风险。对于数据网络的攻击手段都会出现在语音和数据融合的网络中，例如拒绝服务攻击等。对于IP网络安全可靠性能的怀疑制约了IP电话的发展。最令人担心的安全问题是网络窃听。电路交换方式的话音通信相当于依靠物理隔离方法保证通信安全，而对于IP电话，使用常见的数据包截取软件就可以非法获取语音数据。破坏语音信箱服务、病毒攻击等等也是常见的攻击方法。系统管理员应当遵守一些基本的安全守则，并经常检查系统的安全性。另外，大多企业语音系统允许远程登录以方便那些出差的员工，这也造成了对系统安全的挑战。为了保证IP电话的安全性，最合适的办法是采用IPSec方式来加密。IPSec允许IP包用ESP（Encapsulated Security Payload）方式来加密，在IP包头增加了AH（Authentication Header）头来验证数据包的完整性。从最大程度上抵御来自网络的攻击，尤其对于语音、数据和视频环境来说更合适。但仅为了IP电话的安全来建立IPSec的架构是不经济的，系统过于复杂成本也过高。

   五、 是否外包

   这也是每个企业都会遇到的问题，究竟将IP电话系统的服务外包还是依靠自己的力量来维护。这也和企业的规模以及电话通信重要性等问题相关，毕竟电话通信和数据通信以前承载在不同的网络上几乎不可能同时中断，而融合后的网络凸显了网络可靠的重要性。企业选择外包服务也许是明智的，一般企业缺乏相应的技术人员，很难保证运营商那样的专业维护水平。尤其IP电话系统需要具有语音和数据都在行的技术人员，而且需要经常监视语音流量的带宽及语音安全等专业性很强的工作。但IP电话的可管理性也很强，一般性的维护工作例如增加、迁移、删除等工作不需要复杂的配置，这部分工作完全可以自行解决。

   六、 关于SIP协议

   IP电话将广泛使用SIP协议，SIP是IETF在90年代中期制定的协议，可以用IP网络来建立包括语音、视频或者即时通信等会话。在语音方面，SIP协议可以支持基本的呼叫控制任务，例如传递呼叫建立、呼叫音、呼叫结束以及各种附加功能等的信号，与电路交换中的7号信令以及IP电话中的H.323或MGCP协议的功能相似。另外还能建立语音和视频等混合通信业务。与HTTP类似，SIP是基于文本的协议，易于编写应用。例如建立“在线”列表或者是密友列表，随时可以沟通。与传统电话及H.323的哑终端相比，SIP带来更多终端的应用。SIP是IP电话市场成熟的关键，它将象以太网协议带来的冲击，便宜而且兼容性好，带来IP电话的快速发展。

   以上这些问题是在应用IP电话系统之前往往需要研究或者是选择的。有一个最重要的进展就是现在多数人研究的是怎样应用IP电话系统，而不是研究它是否行得通。大的方向已经确定， 对于需要新建IT系统的企业来说，应当优先考虑IP电话系统能够带来的各种好处。对于已有传统话音网络的企业来说，应当权衡其网络投资与收益的关系，以决定是否有必要重新构建其网络。