VoIP技术应用中存在的问题的分析研究
生活随笔
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VoIP技术应用中存在的问题的分析研究
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摘? 要 ?VoIP技術(shù)是由原來(lái)的一種互聯(lián)網(wǎng)上的增值應(yīng)用發(fā)展成為一種得到廣泛應(yīng)用的通信技術(shù),較傳統(tǒng)的PSTN通信具有明顯優(yōu)勢(shì),但在實(shí)際應(yīng)用中也面臨諸多問 題。文章簡(jiǎn)述了VoIP基本原理及其分析研究了實(shí)際應(yīng)用中VoIP技術(shù)現(xiàn)存問題,并提出了相應(yīng)的解決方法,最后討論了VoIP技術(shù)的發(fā)展方向和研究趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞 ?VoIP;QoS;攻擊;語(yǔ)音編碼?
1 ?引言
??? VoIP 又稱 IP電話或IP網(wǎng)絡(luò)電話,是Voice over IP的縮寫,這種技術(shù)通過對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行編碼數(shù)字化、壓縮處理成壓縮幀,然后轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸,從而達(dá)到了在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行語(yǔ)音通信 的目的。IP電話極大地改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率,大大降低了通信的費(fèi)用,它的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了寬帶多媒體應(yīng)用的發(fā)展。VoIP可以在IP網(wǎng)絡(luò)上便宜地傳送 語(yǔ)音、傳真、視頻和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù),如統(tǒng)一消息、虛擬電話、虛擬語(yǔ)音/傳真郵箱、查號(hào)業(yè)務(wù)、Internet呼叫中心、Internet呼叫管理、電視會(huì)議、 電子商務(wù)、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和各種信息的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)等。VoIP對(duì)于傳統(tǒng)的電信業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)有很大的優(yōu)勢(shì),但是由于傳統(tǒng)的電信業(yè)務(wù)使用電路交換技術(shù),而VoIP采用 IP包交換技術(shù),因此VoIP技術(shù)與電路交換技術(shù)相比有些問題需要解決。2 ?VoIP基本原理
2.1 ?VoIP電話基本原理
圖1? 語(yǔ)音數(shù)據(jù)處理示意圖
??? 傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換方式傳輸語(yǔ)音。而VoIP方式是以IP分組交換網(wǎng)為傳輸平臺(tái),對(duì)模擬的語(yǔ) 音信號(hào)進(jìn)行壓縮、打包等一系列的處理,并采用無(wú)連接的UDP協(xié)議,在IP分組交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。VoIP設(shè)備需要把語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)流,并把這些數(shù) 據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到IP目的地,IP目的地又把它們轉(zhuǎn)換回到語(yǔ)音信號(hào),它們之間的網(wǎng)絡(luò)必須支持IP傳輸。VoIP技術(shù)語(yǔ)音數(shù)據(jù)處理如圖1所示。 ??? 目前,VoIP系統(tǒng)一般由IP電話終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守、網(wǎng)管系統(tǒng)、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等幾部分組成。IP電話終 端包括傳統(tǒng)的語(yǔ)音電話機(jī)、PC、IP電話機(jī),也可以是集語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像于一體的多媒體業(yè)務(wù)終端。由于不同種類的終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是不同的,要在同一個(gè) 網(wǎng)絡(luò)上傳輸,就要由網(wǎng)關(guān)或者是適配器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,形成統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)包。2.2 ?VoIP的信令協(xié)議
??? 在傳統(tǒng)電話系統(tǒng)中,一次通話從建立系統(tǒng)連接到拆除連接都需要一定的信令來(lái)配合完成。同樣,在IP電 話中,如何尋找被叫方、如何建立應(yīng)答、如何按照彼此的數(shù)據(jù)處理能力發(fā)送數(shù)據(jù),也需要相應(yīng)的信令系統(tǒng),一般稱為協(xié)議。目前被廣泛接受的VoIP控制信令體系 包括ITU-T的H.323系列和IETF的會(huì)話啟動(dòng)協(xié)議SIP。3 ?VoIP技術(shù)在應(yīng)用中面臨的問題
3.1 ?延時(shí)與抖動(dòng)
??? 在電路交換的方式下,語(yǔ)音的傳輸延時(shí)取決于信號(hào)在線路上的傳輸速率,我們可將銅線上信號(hào)的傳輸速率 近似地看為光速。而且信號(hào)是均勻傳輸?shù)?#xff0c;因此不存在抖動(dòng)的問題。對(duì)于VoIP所采用的包交換方式來(lái)說(shuō),語(yǔ)音被封裝在IP報(bào)文中通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),有多種因素造 成延時(shí)。造成延時(shí)的原因如表1。在實(shí)際應(yīng)用中,由于經(jīng)常出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象,延時(shí)還會(huì)進(jìn)一步增大。 ??? 在發(fā)送方來(lái)說(shuō),某種編碼方式的語(yǔ)音幀是以基本恒定的速率產(chǎn)生的。但是在傳輸過程中每個(gè)報(bào)文受到的時(shí) 延是不均勻的,造成接收方并不是以與發(fā)送方相同的恒定速率與順序收到報(bào)文,這就是抖動(dòng)(Jitter)。如果我們按照接收的速率順序回放每個(gè)報(bào)文,就可能 聽到一團(tuán)雜音,從而影響了語(yǔ)音聆聽效果。?
表1 ?造成延時(shí)的原因| 延時(shí)值 | 原因 | 說(shuō)明 |
| ~20ms | 編碼延遲 | 編碼算法的限制,以G.729為例 |
| ~20ms | 打包延時(shí) | 以G729為例,每個(gè)RTP包需要2個(gè)10ms幀 |
| 1~2ms | 送入發(fā)送隊(duì)伍 | |
| <10ms | 發(fā)送隊(duì)列延時(shí) | 遇到擁塞、或由于隊(duì)列算法的影響 |
| ~10ms | 發(fā)送至鏈路層 | 鏈路層速率越慢,延時(shí)越大 |
| <70ms | 主干網(wǎng)延時(shí) | 受到光速的限制 |
| <10ms | 從鏈路層接收 | 鏈路層速率越慢,延時(shí)越大 |
| 1~2ms | 移入接收隊(duì)列 | |
| 20~40ms | Jitter Buffer延時(shí) | 由于平滑語(yǔ)音的需要設(shè)置Jitter Buffer引起 |
| 0ms | 解碼延時(shí) | 如G729編碼方式 |
?
3.2 ?丟包
??? 丟包現(xiàn)象主要是報(bào)文的延時(shí)引起的。在設(shè)置了一定的抖動(dòng)緩沖(Jitter Buffer)深度后,當(dāng)報(bào)文由于擁塞等問題被延時(shí)后,到達(dá)的時(shí)間晚于當(dāng)前的抖動(dòng)緩沖深度,我們就必須將該報(bào)文丟棄。也就是說(shuō)在輸出隊(duì)列中填滿了等待傳輸 的數(shù)據(jù)包,沒有更多的空間可以用來(lái)存儲(chǔ)入站數(shù)據(jù)包,這種情況被稱為輸出隊(duì)列已滿。對(duì)于數(shù)據(jù)包進(jìn)行排隊(duì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備別無(wú)選擇,只能丟棄數(shù)據(jù)包。大多數(shù)丟包都是 由于這個(gè)問題引起的。3.3 ?降低帶寬占用
??? 用于媒體傳輸?shù)膶?shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)在頭部壓縮前與壓縮后的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖2所示: ? 圖2? RTP與cRTP報(bào)文結(jié)構(gòu)?
??? 其中假設(shè)數(shù)據(jù)鏈路層使用PPP協(xié)議,則頭部為6字節(jié);IP頭部最小為20字節(jié);UDP頭為8字 節(jié);RTP頭部最小為12字節(jié);PayLoad部分假設(shè)使用G.729編碼方式,每個(gè)RTP報(bào)文包含2個(gè)幀,為20字節(jié)。我們發(fā)現(xiàn)實(shí)際數(shù)據(jù)部分為20字 節(jié),但是頭部卻占了46字節(jié),實(shí)際的有效帶寬占用為約30%。如果我們RTP的載荷(PayLoad)使用PCM編碼方式,這部分將占用64K帶寬。3.4 ?帶寬的保證
??? 傳輸通道滿足語(yǔ)音帶寬需求實(shí)際上還是不能完全保證語(yǔ)音的連續(xù)和平滑。在以下情況會(huì)出現(xiàn)語(yǔ)音斷續(xù)的情況: ??? (1)隊(duì)列中大量其它數(shù)據(jù)需要傳輸,導(dǎo)致無(wú)法以正常的頻率轉(zhuǎn)發(fā)語(yǔ)音報(bào)文。 ??? (2)在低速鏈路上同時(shí)存在超長(zhǎng)的IP報(bào)文需要發(fā)送,如一個(gè)19200bps的串行鏈路發(fā)送一個(gè) 1920字節(jié)的FTP報(bào)文需要約0.8秒時(shí)間。假設(shè)在該鏈路上存在一條FTP數(shù)據(jù)流,每10秒發(fā)送一個(gè)如上所述的報(bào)文,則FTP占用約1.6K帶寬;同時(shí) 進(jìn)行一次采用CRTP及G.731.1 5.3K編碼方式的語(yǔ)音會(huì)話,總帶寬占用率不到11K,似乎應(yīng)該能聽到良好的通話效果??墒强紤]每次發(fā)送FTP報(bào)文時(shí),需要延時(shí)0.8秒,這時(shí)隊(duì)列中的 RTP報(bào)文也就被延時(shí)了0.8秒。用戶會(huì)每隔10秒就會(huì)有0.8秒聽不到聲音,這種通話效果是用戶無(wú)法忍受的。3.5 ?VoIP的安全問題
??? 由于 IP 網(wǎng)絡(luò)的開放性所致,VoIP 系統(tǒng)中的所有設(shè)備都能夠在網(wǎng)絡(luò)上被隨處分配,因而出現(xiàn)了一些安全威脅。主要的安全威脅有如下四點(diǎn): ??? 1)包竊聽/呼叫截取 ??? VoIP 語(yǔ)音服務(wù)的傳輸與安全機(jī)制與傳統(tǒng)電話服務(wù)截然不同。由于 IP 協(xié)議本身并沒有防范攻擊的能力,因而未加密的語(yǔ)音數(shù)據(jù)流量在傳輸時(shí)極易被截取或偵聽。盡管目前來(lái)看,數(shù)據(jù)包偵聽在 VoIP 安全事件中所占的比例并不高,但由于這種偵聽方式技術(shù)難度不大,因此,在 VoIP 逐漸成為語(yǔ)音服務(wù)的主流之后,語(yǔ)音數(shù)據(jù)包偵聽可能會(huì)成為 VoIP 的一個(gè)主要安全威脅。IP 具有的移動(dòng)性和靈活性使得它容易受到“中間人攻擊”,即地址解析協(xié)議(ARP)被用來(lái)強(qiáng)制流量通過某臺(tái) PC 傳輸,然后就能獲取這些流量。 ??? 2)拒絕服務(wù)攻擊(DoS) ??? 拒絕服務(wù)攻擊一直是黑客在網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)四處尋求下手目標(biāo)或企業(yè)網(wǎng)站的慣用手法,隨著VoIP 的普及,黑客當(dāng)然會(huì)將同樣手法施展在 VoIP 上。黑客可以對(duì) IP呼叫處理服務(wù)器、語(yǔ)音網(wǎng)守等不同目標(biāo)進(jìn)行 DoS 攻擊。一般來(lái)說(shuō),要建立 VoIP 通話,必須將語(yǔ)音訊號(hào)轉(zhuǎn)變成網(wǎng)絡(luò)封包,若在傳送過程中想中斷通話,系統(tǒng)就必須傳送特定訊號(hào)來(lái)中斷聯(lián)機(jī),因此黑客可以透過不斷傳送中斷訊號(hào)封包的方式攻擊 VoIP,使其通話質(zhì)量大受影響,如果攻擊量夠大,還可能造成斷話的情形,因此,VoIP 網(wǎng)絡(luò)對(duì)于 DoS 攻擊特別敏感。 ??? 3)非授權(quán)訪問 ??? 非授權(quán)訪問攻擊并不是指某種類型的攻擊,它指的是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的多數(shù)攻擊。如果某人想攻擊 Telnet登錄,他/她必須首先獲得系統(tǒng)上的Telnet提示。連接到Telnet端口上之后,將顯示以下信息:“只有經(jīng)過授權(quán)才能使用這種資源。”如 果黑客繼續(xù)試圖接入,他/她的操作將變成“非授權(quán)操作”。這些攻擊可以從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和外部發(fā)起。黑客可能以不良企圖對(duì)語(yǔ)音服務(wù)進(jìn)行非授權(quán)訪問。 ??? 4)垃圾語(yǔ)音 ??? 垃圾語(yǔ)音(Spam over Internet Telephony;SPIT)非??赡艹蔀?VoIP 應(yīng)用上最嚴(yán)重的安全問題,其嚴(yán)重程度甚至可與垃圾郵件相提并論。攻擊者偽造一個(gè)虛假的呼叫,發(fā)送給每一位用戶,因?yàn)榇蠖鄶?shù)VoIP 系統(tǒng)都被設(shè)計(jì)成同時(shí)處理很多鏈接請(qǐng)求,這也會(huì)使系統(tǒng)過載從而完全癱瘓。還有一些非常狡詐陰險(xiǎn)的攻擊方式,比如偽造一個(gè)假的數(shù)字聲音消息,甚至連專業(yè)的聲音 分析器都識(shí)別不出來(lái)。此外,可能會(huì)在真正的通話中插入混淆詞匯,從而徹底改變了通話的內(nèi)容和上下文。另外一種攻擊會(huì)使用 sniffer 程序,在用戶的 PC 上或 VoIP 提供方服務(wù)器上竊取 VoIP 的通話內(nèi)容,當(dāng)通話結(jié)束時(shí),存下來(lái)的.wav 等聲音文件就會(huì)被發(fā)送給入侵者。一旦企業(yè)開始全面投入 VoIP 的外部通訊,垃圾語(yǔ)音(SPIT) 將成為 VoIP 安全性的最大問題來(lái)源,因?yàn)?VoIP 是透過公開的網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端對(duì)端通訊,所以 IP 地址將被公開,換句話說(shuō),黑客可以輕易查找到受話者的 IP 地址,并展開巨量的垃圾語(yǔ)音攻擊。4 ?VoIP技術(shù)應(yīng)用中存在問題的解決方法
??? VoIP 是有自身的不足的,它兼有IP網(wǎng)絡(luò)和話音網(wǎng)絡(luò)的一些弱點(diǎn)。IP 分組 IP 網(wǎng)絡(luò)的性能無(wú)法達(dá)到電路交換網(wǎng)的水平,其網(wǎng)絡(luò)安全脆弱性加大了寬帶電話的安全風(fēng)險(xiǎn)。面對(duì)這些不足也有其相應(yīng)的解決方法。4.1 ?延時(shí)與抖動(dòng)的解決方法
??? 經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)延時(shí)在150ms以下時(shí),通話雙方幾乎不能感覺到延時(shí)的存在,而當(dāng)延時(shí)在400ms以下時(shí),也是用戶能夠接受的,當(dāng)延時(shí)進(jìn)一步增大后,達(dá)到800ms以上,正常的通話就無(wú)法進(jìn)行。 ??? 1)延時(shí)的解決方法 ??? 從表1中可以發(fā)現(xiàn)隊(duì)列延時(shí)最小,幾乎可以忽略;而編碼的延時(shí)是由算法決定的不可能減小;在骨干網(wǎng)絡(luò) 中的傳輸延時(shí)也是不可改善的。我們可能對(duì)鏈路層延時(shí)或抖動(dòng)緩沖(Jitter Buffer)延時(shí)進(jìn)行改善。如果我們?cè)谑褂玫退俅墟溌愤M(jìn)行傳輸,那么可以采用IP/UDP/RTP頭部壓縮策略來(lái)減小鏈路層報(bào)文大小,從而降低鏈路層 延時(shí)。 ??? 2)抖動(dòng)的解決方法 在接收方收到語(yǔ)音幀報(bào)文由于擁塞及多個(gè)路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)后往往會(huì)產(chǎn)生不均勻的延時(shí)。這時(shí),我們可以在接收方設(shè)置一個(gè)Jitter Buffer,將收到的報(bào)文在Jitter Buffer中排序,當(dāng)Jitter Buffer 中的連續(xù)報(bào)文達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)才開始回放報(bào)文中包含的語(yǔ)音幀。但是考慮到Jitter Buffer造成的延時(shí),我們需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)到的語(yǔ)音傳輸情況動(dòng)態(tài)的調(diào)整Jitter Buffer的深度。采用一個(gè)良好的Jitter Buffer 算法可在盡可能小的延時(shí)下,向用戶提供盡可能平滑的語(yǔ)音流。4.2 ?丟包的解決方法
由于語(yǔ)音編碼方式的采樣率往往是非常高的,通常為8000Hz,因此對(duì)連續(xù)的數(shù)個(gè)語(yǔ)音幀來(lái)說(shuō),它們之間的差異是非常小的。所以我們無(wú)法從Jitter Buffer中繼續(xù)取得語(yǔ)音幀時(shí),可以將剛處理過的語(yǔ)音幀重用一次,當(dāng)然如果無(wú)限制地重用一定會(huì)造成語(yǔ)音失真。對(duì)于G.729或G723.1來(lái)說(shuō),我們?cè)O(shè) 定的重用次數(shù)是2次。丟包還可以通過QoS、資源預(yù)留等策略來(lái)改善。4.3? 降低帶寬占用的解決方法
可用以下3種策略解決以上問題。 4.3.1壓縮實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(CRTP ) 如果RTP報(bào)文在采用CRTP后,可以將報(bào)文頭部壓縮至PPP頭部的6字節(jié),CRTP頭部2字節(jié),這樣帶寬利用率提高到約71%。目前CRTP使用于2M 以下的串行鏈路,主要在FR、HDLC、PPP協(xié)議上使用。假設(shè)采用G.723.1 5.3k編碼方式,在不使用CRTP的情況下,帶寬占用在18K左右,而使用CRTP后可以降低到低于9K。 4.3.2壓縮編碼方式 可以使用一系列的低帶寬壓縮編碼方式代替脈沖編碼模式(PCM),如表2所示。 表2? 不同壓縮編碼方式所占用的帶寬| 編碼方式 | 帶寬(kbps) |
| G726ADPCM | 32 |
| G728LD-CELP?? | 16 |
| G729CS-ACELP | 8 |
| G729aCS-ACELP | 8 |
| G723.1MP-MLQ? | 6.3 |
| G723.1ACELP?? | 5.3 |
5 ?總結(jié)
從VoIP 未來(lái)的發(fā)展角度出發(fā),出于節(jié)省成本的考慮,固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商都將會(huì)逐步地在自己的核心網(wǎng)絡(luò)上通過IP 提供話音業(yè)務(wù),并將IP 化從核心網(wǎng)向邊緣網(wǎng)推進(jìn)。目前運(yùn)營(yíng)商用軟交換替代電路交換機(jī)的趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯,VoIP 向網(wǎng)絡(luò)融合的遠(yuǎn)景邁出了一大步。雖然VoIP技術(shù)在應(yīng)用中存在一些問題,但是伴隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,存在的諸多問題都會(huì)迎刃而解。VoIP多媒體業(yè)務(wù)將會(huì) 得到快速的發(fā)展和廣泛的利用,我們有理由相信無(wú)論是在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi),作為給用戶提供的一種選擇,VoIP電話業(yè)務(wù)尤其是多媒體業(yè)務(wù)必將得到迅猛發(fā)展。總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的VoIP技术应用中存在的问题的分析研究的全部?jī)?nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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