Voice over IP : Protocols and Standards
Rakesh Arora, arora@cis.ohio-state.edu
Abstract This paper first discusses the key issues that inhibit Voice over IP (VOIP) to be popular with the users. Then I discuss the protocols and standards that exist today and are required to make the VOIP products from different vendors to interoperate. The main focus is on H.323 and SIP (Session Initiation Protocol), which are the signaling protocols. We also discuss some hardware standards for internet telephony. See Also: Voice over IP - Products, Services and Issues | Voice over IP (Lecture by Dr Jain) | Voice over ATM | H.323
and Associated Protocols | VOIP References | Books on Voice over IP and IP Telephony
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TABLE OF CONTENTS
1. Introduction
❍ 1.1 Main Issues
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2. H.323 Standard
❍ 2.1 Components of H.323
❍ 2.2 H.323 Protocol Stack
❍ 2.3 Definitions
❍ 2.4 Control and Signaling in H.323
❍ 2.5 Call Setup in H.323
●
3. Session Initiation Protocol (SIP)
❍ 3.1 Components of SIP
❍ 3.2 SIP Messages
❍ 3.3 Overview of SIP Operation
❍ 3.4 Sample SIP operation
●
● 4. Comparison of H.323 with SIP
5. Supporting Protocols
❍ 5.1 Media Gateway Access Protocol
❍ 5.2 RTP and RTCP
❍ 5.3 Real Time Streaming Protocol
❍ 5.4 Resource Reservation Protocol
❍ 5.5 Session Description Protocol
❍ 5.6 Session Announcement Protocol
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● 6. Hardware Standards
Voice Over IP : Protocols and Standards
http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/cis788-99/voip_protocols/index.html (1 of 20) [2/7/2000 10:47:54 AM]
❍ 6.1 SCBus
❍ 6.2 S.100
● 7. Summary
● Appendix A: Functions of the key protocols and standards
● References
● List of Acronyms
INTRODUCTION
Voice over IP (VOIP) uses the Internet Protocol (IP) to transmit voice as packets over an IP network. So VOIP can be achieved on any data network that uses IP, like Internet, Intranets and Local Area Networks (LAN). Here the voice signal is digitized, compressed and converted to IP packets and then transmitted over the IP network. Signaling protocols are used to set up and tear down calls, carry information required to locate users and negotiate capabilities.One of the main motivations for Internet telephony is the very low cost involved. Some other motivations are:
● Demand for multimedia communication
● Demand for integration of voice and data networks
1.1 Main Issues For VOIP to become popular, some key issues need to be resolved. Some of these issues stem from the fact that IP was designed for transporting data while some issues have arisen because the vendors are not conforming to the standards. The key issues are discussed below [Munch98]: Quality of voice As IP was designed for carrying data, so it does not provide real time guarantees but only provides best effort service. For voice communications over IP to become acceptable to the users, the delay needs to be less than a threshold value and the IETF (Internet Engineering Task Force) is working on this aspect. To ensure good quality of voice, we can use either Echo Cancellation, Packet Prioritization (giving higher priority to voice packets) or Forward Error Correction [Micom] .
● Interoperability In a public network environment, products from different vendors need to operate with each other if voice over IP is to become common among users. To achieve interoperability, standards are being devised and the most common standard for VOIP is the H.323 standard, which is described in the next section.
● Security This problem exists because in the Internet, anyone can capture the packets meant for someone else. Some security can be provided by using encryption and tunneling. The common tunneling protocol used is Layer 2 Tunneling protocol and the common encryption mechanism used is Secure Sockets Layer (SSL).
● Integration with Public Switched Telephone Network(PSTN) While Internet telephony is being introduced, it will need to work in conjunction with PSTN for a few years. We need to make the PSTN and IP telephony network appear as a single network to the users of this service.
● Scalability As researchers are working to provide the same quality over IP as normal telephone calls but at a much lower cost, so there is a great potential for high growth rates in VOIP systems. VOIP systems needs to be flexible enough to grow to large user market and allow a mix of private and public services.
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Voice Over IP : Protocols and Standards
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2. H.323 STANDARD This is the ITU-Trsquo;s (International Telecommunications Union) standard that vendors should comply while providing Voice over IP service. This recommendation provides the technical requirements for voice communication over LANs while assuming that no Quality of Service (QoS) is being provided by LANs. It was originally developed for multimedia conferencing on LANs, but was later extended to cover Voice over IP. The first version was released in 1996 while the second version of H.323 came into effect in January 1998. The standard encompasses both point to point communications and multipoint conferences. The products and applications of different vendors can interoperate if they abide by the H.323 specification.
2.1 Components of H.323 H.323 defines four logical components viz., Terminals, Gateways, Gatekeepers and Multipoint Control Units (MCUs). Terminals, gateways and MCUs are known as endpoints. These are discussed below [DataBeam]:
2.1.1 Terminals These are th
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IP语音通讯协议和标准
摘要
本文首先讨论了IP语音（VOIP）受到用户欢迎的关键问题。 然后，我将讨论现在存在的协议和标准，使得不同供应商的VOIP产品能够相互操作。 主要关注的是信令协议H.323和SIP（会话发起协议）。 我们还讨论了互联网电话的一些硬件标准和相关协议。
介绍
IP语音（VOIP）使用互联网协议（IP）通过IP网络传输语音作为数据包。 因此，可以在使用IP的任何数据网络（如Internet，Intranet和局域网（LAN））上实现VOIP。 这里语音信号被数字化，压缩转换成IP数据包，然后通过IP网络传输。 信令协议用于建立和删除呼叫，携带定位用户所需的信息。互联网电话的主要动机之一是涉及非常低的成本。 其他一些动机是：
●多媒体通信需求
●语音和数据网络的整合需求
1.1主要问题是VOIP变得流行起来，一些关键问题需要解决。其中一些问题来自于为了传输数据而设计的产品的知识产权，而出现了这些问题，因为供应商不符合标准。关键问题将在下面讨论：语音质量由于IP是为承载数据而设计的，因此不提供实时保证，但会提供尽可能的服务。对于IP网络上的语音通信，用户是可以接受的，延迟需要小于阈值，IETF（互联网工程任务组）在这方面正在开展工作。为了确保良好的语音质量，我们可以使用回声消除，分组优先级（给予语音分组更高的优先级）或前向纠错。
●在公共网络环境下，如果IP语音在用户中变得普遍，不同供应商的产品需要相互操作。为了实现这种相互操作性，正在制定标准，VOIP的最常见标准是H.323标准，这在下一节中有所描述。
●安全性问题的存在是因为在互联网中任何人都可以捕获到其他人的数据包。所使用的通用隧道协议是第2层隧道协议，所使用的通用加密机制是安全套接字层（SSL）。通过使用加密和隧道可以提供一些安全性。
●当公共交换电话网络（PSTN）的集成在互联网电话引入时，需要与PSTN一起工作几年。我们需要使PSTN和IP电话网络作为单一网络，显示给该服务的用户。
●可扩展性由于研究人员正在努力通过IP网络提供与普通电话相同的质量，而且成本低得多，所以VOIP系统的优化提升率很高。 VOIP系统需要具有足够的灵活性，以大量扩展到用户市场，并允许私有和公共服务的混合。
●
IP语音：协议和标准
2. H.323标准
这是供应商在提供IP语音服务时应遵守的ITU-T（国际电信联盟）标准。该建议提供了LAN上的语音通信的技术要求，同时假设LAN没有提供服务质量（QoS）。它最初是为LAN上的多媒体会议而开发的，后来被扩展到覆盖IP语音。第一版于1996年发布，第二版H.323于1998年1月生效。该标准包括点对点通信和多点会议。如果符合H.323规范，不同厂商的产品和应用可以互操作。
2.1 H.323
H.323的组件定义了四个逻辑组件，即终端，网关，关守和多点控制单元（MCU）。终端，网关和MCU被称为端点。这些将在下面讨论
2.1.1终端
这些是提供实时双向通信的LAN客户端端点。所有H.323终端必须支持H.245，Q.931，注册接纳状态（RAS）和实时传输协议（RTP）。 H.245用于允许使用信道，呼叫信令需要Q.931和建立呼叫，RTP是在RAS与网守进行交互时携带语音数据包的实时传输协议。这些协议将在本文后面讨论。 H.323终端还可以包括T.120数据会议协议，视频编解码器和对MCU的支持。 H.323终端可以与另一个H.323终端，H.323网关或MCU进行通信。
2.1.2网关
H.323网关是网络上的端点，用于在IP网络上的H.323终端与基于交换网络的其他ITU终端或另一个H.323之间实现双向通信。 323网关。它们执行“转换器”的功能，即它们执行不同传输格式之间的转换，例如从H.225到H.221。它们还能够在音频和视频编解码器之间进行翻译。网关是PSTN和Internet之间的接口。他们从电路交换机PSTN发出声音，并将其放在公共互联网上，反之亦然。网关是可选的，因为单个LAN中的终端可以直接相互通信。当网络上的终端需要与其他网络中的端点进行通信时，则通过网关使用H.245和Q.931协议进行通信。
2.1.3守门员
这是H.323系统中最重要的组成部分，并且负责“管理者”的职责。它作为其区域内所有呼叫的中心点（A区域是关守和注册的端点的聚合），并向注册的端点提供服务。网守提供的一些功能如下：
地址转换：将别名地址翻译成传输地址，是使用注册消息更新的翻译表完成的。
招生控制：关守可以根据来电授权，来源地址和目标地址或其他一些标准来授予或拒绝访问。
呼叫信令：关守可以选择用端点完成呼叫信令，并且可以处理呼叫信令本身。或者，网守可以指示端点连接呼叫
IP语音：协议和标准信令通道直接对方。
呼叫授权：由于通过使用H.225信令授权故障，网守可以拒绝来自终端的呼叫。拒绝的原因可能会限制某些时间段内的访问或限制访问/来自特定终端或网关的访问。
带宽管理：控制同时访问网络的H.323终端数量。通过使用H.225信令，由于带宽限制，网闸可以拒绝来自终端的呼叫。
呼叫管理：网守可以保留正在进行的H.323呼叫的列表。该信息可能是必需的，以指示被叫终端正忙，并提供带宽管理功能的信息。
2.1.4多点控制单元（MCU）
MCU是网络上的端点，可为三个或多个终端和网关提供参与多点会议的能力。 MCU由强制多点控制器（MC）和可选多点处理器（MP）组成。 MC通过使用H.245确定终端的共同功能，但不执行音频，视频和数据的复用。媒体流的复用由MC在MC的控制下处理。下图[图1]显示了所有H.323组件之间的相互作用
3.会议启动协议（SIP）
这是IETF建立VOIP连接的标准。它是一个应用层控制协议，用于创建，修改和终止与一个或多个参与者的会话。 SIP的架构类似于HTTP（客户机 - 服务器协议）。请求由客户端生成并发送到服务器。服务器处理请求，然后向客户端发送响应。请求和该请求的响应进行交易。 SIP具有INVITE和ACK消息，其定义打开可以通过呼叫控制消息的可靠信道的过程。 SIP对底层传输协议做出最小假设。该协议本身提供可靠性，并且不依赖于TCP的可靠性。 SIP取决于会话描述协议（SDP），用于进行编解码器识别协商。 SIP支持会话描述，允许参与者就一组兼容的媒体类型达成一致。它还通过代理和将请求重定向到用户当前位置来支持用户移动性。 SIP提供的服务包括[RFC2543]：
●用户位置：确定要用于通信的终端系统
●呼叫建立：在被叫和呼叫方呼叫和建立呼叫参数
●用户可用性：确定被叫方进行通信的意愿
●用户功能：确定要使用的媒体和媒体参数
●呼叫处理：呼叫的转移和终止
3.1 SIP组件SIP系统由两部分组成：
3.1.1用户代理：
用户代理是代表用户行事的终端系统。它有两个部分：客户端和服务器。客户端部分称为用户代理客户端（UAC），而服务器部分称为用户代理服务器（UAS）。 UAC用于发起SIP请求，而UAS用于代表用户接收请求并返回响应。
3.1.2网络服务器：
网络中有3种类型的服务器。注册服务器接收关于用户当前位置的更新。接收请求时的代理服务器，将其转发到下一跳服务器，该服务器具有有关被叫方位置的更多信息。重定向服务器在接收请求时，确定下一跳服务器并将下一跳服务器的地址返回给客户端，而不是转发请求。
3.2 SIP消息
SIP定义了大量消息。这些消息用于客户端和SIP服务器之间的通信。这些消息是：INVITE：用于邀请用户进行呼叫BYE：用于终止两个端点之间的连接ACK：用于可靠的交换邀请消息选项：获取有关呼叫功能的信息REGISTER：提供有关位置的信息的用户到SIP注册服务器。取消：终止搜索用户
IP语音：协议和标准
3.3 SIP操作概述
呼叫者和被叫方由SIP地址标识。当进行SIP呼叫时，呼叫者首先需要找到相应的服务器并发送请求。呼叫者可以通过重定向服务器直接到达被叫方或间接访问。 SIP消息头中的呼叫ID字段唯一标识呼叫。下面我简单讨论协议如何执行其操作[RFC2543]。
3.3.1 SIP寻址SIP主机由SIP URL标识，SIP URL格式为sip：username @ host。 SIP地址可以指定个人或整个组。
3.3.2定位SIP服务器客户端可以将请求发送到SIP代理服务器，也可以将其直接发送到与统一请求标识符（URI）对应的IP地址和端口。
3.3.3 SIP交易一旦将请求URI的主机部分解析为SIP服务器，客户端就可以向该服务器发送请求。一个请求与该请求触发的响应一起构成一个SIP事务。请求可以通过可靠的TCP或不可靠的UDP发送。
3.3.4 SIP邀请成功的SIP邀请由两个请求组成：一个INVITE后跟ACK。 INVITE请求要求受访者加入特定会议或建立双方对话。在被叫方同意参与呼叫后，呼叫方通过发送ACK请求确认已收到该响应。 INVITE请求包含会话描述，为被叫方提供足够的信息来加入会话。如果被叫者希望接受该呼叫，则通过返回类似的会话描述来响应该邀请。
3.3.5定位
用户被叫方可能会随时间而改变其位置。这些位置可以与SIP服务器动态注册。当询问SIP服务器关于受访者的位置时，它返回可能位置的列表。 SIP系统中的位置服务器实际上生成列表并将其传递给SIP服务器。
3.3.6
更改现有会话有时我们可能需要更改现有会话的参数。这是通过使用相同的呼叫ID重新发出INVITE消息，但是传达新信息的新身体来完成的。
3.4 SIP操作示例
这里给出了客户端正在邀请与会者进行呼叫的SIP操作的基本示例。
SIP客户端为创建一个INVITE消息，通常发送给代理服务器。该代理服务器尝试获取处理请求域请求的SIP服务器的IP地址。代理服务器请求位置服务器来确定这个下一跳服务器。位置服务器是一个非SIP服务器，用于存储有关下一跳服务器的信息
IP语音：协议和标准为不同的用户。在获取下一跳服务器的IP地址时，代理服务器将INVITE转发到下一跳服务器。达到用户代理服务器（UAS）后，它会将响应发送回代理服务器。代理服务器反过来向客户端发回应答。然后，客户端通过发送ACK确认已收到响应。消息交换如下图所示（图3）。在这种情况下，我们假设客户端的INVITE请求被转发到代理服务器。然而，如果已经转发到重定向服务器，则重定向服务器将下一跳服务器的IP地址返回给客户端。然后客户端直接与UAS进行通信。
4. H.323与SIP的比较
SIP的支持者声称，由于H.323设计有ATM和ISDN信令，因此H.323不太适合用于控制IP语音系统。他们说，H.323本身是复杂的，具有开销，因此VOIP效率低下。他们还声称H.323缺乏VOIP信令协议所需的可扩展性。由于SIP是通过保持互联网而设计的，所以它避免了复杂性和可扩展性的陷阱。 SIP重用了HTTP的大部分头字段，编码规则，错误代码和认证机制。 H.323定义了数百个元素，而SIP只有37个标头，每个元素都有少量的值和参数。 H.323对其消息使用二进制表示，其基于ASN.1，而SIP将其消息编码为类似于HTTP的文本。 H.323的扩展性并不是很高，因为它是专为在单个局域网上使用而设计的，因此在扩展版本方面存在一些问题，但较新版本提出了解决问题的技术。在复杂的多域搜索中执行循环检测时，H.323仍然受到限制。它可以通过存储消息来进行有效的处理，但是这种技术不是很可扩展。另一方面，SIP通过检查报头字段中的消息的历史来使用循环检测方法，其可以以无状态的方式进行。 SIP的优点在于它是IETF的支持，它是最重要的标准之一
IP语音：协议和标准，而HTTP的优势使它的目前市场份额大大增加。下表（Table1）列出了表格形式的差异。H.323 SIP复合协议比较简单的消息的二进制表示文本，需要完全的向后兼容性，模块化，可扩展性。复杂信令和简单信令大部分市场由IETF支持数百个元素只有37标题环路检测困难环路检测比较容易。
5.支持协议
SIP与RSVP（资源预留协议），RTP / RTCP（实时传输协议），RTSP（实时流协议），SAP（会话通告协议）和SDP（会话描述协议）协同工作。 RTP / RTCP用于传输实时数据，用于保留资源的RSVP，流控制传输的RTSP，用于广告多媒体会话的SAP和用于描述多媒体会话的SDP。 H.323。也与RTP和RTCP（实时控制协议）结合使用。目前的语音网关通常由信令网关和媒体网关组成。信令网关使用MGCP（媒体网关接入协议）与媒体网关进行通信。 MGCP可以与SIP和H.323 进行互操作。下图（图4）显示了通过IP传送语音所需的信令和传输协议。
5.1媒体网关控制协议（MGCP）
它是一种定义呼叫控制元件（呼叫代理）和电话网关之间通信的协议。呼叫代理也称为媒体网关控制器。它是一个控制协议，允许中央协调器监视IP电话和网关中的事件，并
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