H.323 與SIP 之VoIP 閘道器架構探討

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H.323 與 SIP 之 VoIP 閘道器架構探討

李民慶陳政良

資訊與通訊工程研究所

摘要

目前 PSTN 與 IP 網路互連之 VoIP 的技術比較常被提出來探討的大部分為 H.323 和 SIP 兩種，前者主要是由 ITU-T 所延伸出，故偏重於傳統 PSTN 呼叫控制功能設計，只是傳輸模式由電路交換變成了分封交換；而後者是由 IETF 提出，其類似 HTTP 服務模式，偏重於程式應用設計，較其實際應用(如 Web、E-mail) 增加了信令和 QoS 的要求，兩個看似截然不同的技術，其所為的目的均是使即時語音資料無間隙於 PSTN 與 IP 網路互通，而整合語音、數據與多媒體通訊於以 All-IP 為基礎之統合網路，即是在 PSTN 與 IP 網路間信令控制之調適與即時資料之調適，雖然 All-IP 網路在未來終將取代傳統電話網路，但 PSTN 畢竟還是目前最大的電話網路，不可能輕易就被新技術替換，故當前最重要的是要將此兩種協定與原有的 PSTN 介接，好讓 PSTN 用戶也能經由 IP 網路來傳送資料、多媒體，其中的關鍵所在即是閘道器(Gateway) 之設計，閘道器主要的功用是使傳遞中的語音、多媒體資料能悠遊於 IP 網路與 PSTN 兩大網路之間；在本文中主要是探討 H.323 和 SIP 這兩種 VoIP 協定與 PSTN 相連接時的 Gateway 架構究竟有何不同之處及其相互之間的信號格式轉換方式為何...是本篇論文研究的重點，當然，諸如在各個網路架構中的相關協定、通話流程...等，在本文稍後也都會詳加探討。關鍵詞：VoIP、H.323、SIP、SDP、SS7、ISUP、信令、閘道器

壹、前言

Voice over IP 並不是一項新興的技術，早在幾年前便已出現，當初是作為 Internet 網路上的一個應用，只要通話雙方擁有同樣的應用軟體就可以進行即時通話了，因此有不少軟體公司紛紛推出相關軟體，例如：Netmeeting、Net2Phone、WebPhone...等，由於當時這種應用只限在 Internet 上使用，因此那時這種應用通常被稱為網路電話(Internet telephony)；不過那個時期的語音品質沒有保證，技術還不完全成熟，網路電話也曾經為了這個原因而沈寂一時。近來，電信業者們開始瞭解到語音業務在 Internet 上的應用會是多樣化與智慧化，便一一投入如何將 Internet 和 PSTN（公眾交換電話網路）加以結合的研究，剛開始或許只是為了能夠在撥打長途電話時降低通話費用成本，但現在是為了尋求多樣化的語音加值服務，例如：除了語音之外，還能傳送影像、資料... 等，而當時只算是還可以接受的語音品質，最近也隨著技術的提升，已經不再是最大的問題了。首先將對各類協定架構(包括 H.323、SIP、PSTN 之 SS7)之演進過程、系統架構與元件做介紹；接著是 IP 網路和 PSTN 整合 VoIP Gateway 的應用及通話流程探討，最後則提出結論。

貳、H.323 協定架構

ITU-T 在 1996 年提出 H.323 之 V1 版本，是針對 LAN 環境所定之多媒體通新標準，於 1998 年 1 月提出 V2 版本，1999 年 10 月提出 V3 版本，增加 WAN 環境之標準，這對於 IP 多媒體網路之標準化至為重

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要，隨後亦有提出 V4 版本，V4 比 V3 在很多重要的領域都有增強，例如︰可靠性，可擴展性，適應性。 H.323 相關之標準如下：(1)系統與單元之說明： H.323；(2)呼叫模式之說明：H.323；(3)系統控制 - 控制信號之封包與格式：H.225(Q.931)，通道協商控制： H.245；(4)媒體相關協定 – 語音編碼、壓縮：G.711、 G.722、G.723、G.728、G.729，視訊編碼、壓縮：H.261、 H.263，數據通信：T.120。圖一、H.323 協定架構 H.323 協定之架構如圖一所示，在 IP 協定上有可靠和不可靠的傳輸協定，分別是 TCP 和 UDP，TCP 用來提供數據服務與呼叫控制，UDP 則是具有快速、高效能的特性，從圖中可看出媒體交換是通過運行在 UDP 上的 RTP 來實現的，以求即時性的功能，當然只要有 RTP 則會有 RTCP(作為監視 RTP 之運作與訊流，報告網路延遲、封包遺失...等情況，並依照網路實際之效能，機動調節相關緩衝器)；其中還有 H.225 和 H.245，這兩個協定是用在 H.323 端點之間交換的信令訊息。 H.225 協定包含了兩個部份，一部份是 ITU-T Q.931(在 Network layer)的有效變型，用於在 H.323 端點之間建立以及拆除連接，這類信令被稱作呼叫控制信令或是 Q.931 信令；H.225 另一部份被稱作登錄、許可和狀態 (RAS) 信令，這一信令用於端點和 GateKeeper 之間，使 GateKeeper 可以管理其所在域中的端點。 H.245 是用於兩個或多個端點之間的媒體通道控制協定，H.245 的主要作用是管理 H.323 與會者之間的媒體流，他可以確保一個實體只發送能夠被另一個實體接收和理解的媒體，H.245 運行在端點之間的一條或多條邏輯信號通道上，這些邏輯信號通道在與會者之間傳遞媒體流，他們有許多特性，例如：媒體類型、位元率...等。上述三個信令協定：RAS、H.225 和 H.245，可用來建立呼叫、維持呼叫和拆除呼叫，不同協定信息的傳遞是交替進行的。當然，要經由 PSTN 傳送語音到 IP 網路，最重要的即是語音的封包化，由圖二可得知其處理方式，首先，語音框裝入封包：將若干個 G.729 語音框，依序附加以 RTP，UDP，IP，PPP(或 ATM，FR)等協定之標頭，組成 VoIP 語音封包；接著是即時處理：設定優先度，傳送最大延遲，非連續之封包...等；最後堆積於緩衝器，逐一送出至 IP 網路。

圖二、VoIP voice packet

參、SIP 協定架構

SIP（Session Initiation Protocol）是由IETF提出的IP 電話信令協定，用來處理End to End多媒體會談的建立、更改、拆除，與其他協定相比較，SIP描述了潛在的會談參與者的會談特徵。嚴格來講，SIP會談中的媒體交換可以使用任何傳輸協定，但一般都以RTP 作為傳輸協定。圖三是 SIP 的協定架構，其類似於之前所提到的 H.323 協定架構，例如：SDP 部份猶如 H.245 的控制信令協定，SIP 部份猶如 H.225 的呼叫信令協定，相當容易理解。

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圖三、SIP 協定架構在此再將 SDP（會談描述協定）加以說明，事實上，SDP 僅僅提供了描述會話信息到可能的會談參與者的格式；一個會話基本上是由許多媒體串流組成，因此，會談描述包括許多與每個媒體串流相關的參數說明，此外還包含與會談整體相關的通用信息；所以，SDP 中既包含有會談級參數又包括了媒體級參數。會談級參數包括有：會談的名稱、會談的發起者以及會談進行時間；媒體級信息包括有：媒體類型、通訊埠號碼、傳輸協定以及媒體格式...等，圖四說明了 SDP 的基本結構。圖四、SDP 的基本結構因為 SDP 只提供了對會談的描述，而並沒有提供一種把會談和可能的參與者連結起來的方法，此時便要將其與 SIP 協定一起使用，好讓 SIP 協定透過 SIP

message body承載 SDP 信息。 SDP 透過使用許多文字行來傳遞會談信息；會談級欄位必須放在前面，接著才是媒體級欄位，會談級資料與媒體級資料之間的界限就是第一個媒體描述欄位(m=)的出現，之後的每一個媒體描述欄位的出現表示這個會談中又一個媒體串流資料的開始。 SDP 除了包括在任何會談中都必須具備的必要欄位之外，還包括了選擇性欄位，這些選擇性欄位是可以被省略的。 必要欄位： v= ( ◎ 協定版本)，這個欄位還是一個會談描述的開始，前一個會談描述結束的標誌。 o= ( ◎ 會談來源或會談建立者) s= ( ◎ 會談名稱)，這個欄位是個文字位元串，它可以顯示給會談參與者。 t= ( ◎ 會談時間)，這個欄位指明了會談的開始時間和結束時間。 m= ( ◎ 媒體)，這個欄位用來指出媒體類型、資料應發送到的傳輸通訊埠、傳輸協定(例如 RTP)以及媒體格式。這個欄位的出現也是會談級信息和媒體級信息的界限或者是不同媒體描述之間的描述。在 SDP 選擇性欄位中，一些只能應用於會談級，一些只能應用於媒體級，而還有一些選擇性欄位可應用於兩種級別。 選擇性欄位： i= ( ◎ 會談信息)，這個欄位是對欄位的文字描述，提供了比會談名稱更多的信息。 u= ( ◎ 描述的 URI 位址)，這個欄位是一個 URI(例如 web 位址)，透過此位址可以得到更多的會談信息。每個會談只能提供一個 URI。 E= (E ◎ -mail 位址)，這個欄位是對這個會談負責的個體的 E-mail 位址，會談中可以有多個這樣的欄位。 p ◎ = (電話號碼)，這個欄位是負責這個會談的個體的電話號碼，和 e-mail 位址一樣，這個欄位可以有多個。

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c= ( ◎ 連結信息)，這個欄位提供連結資料，包括連結類型、網路類型和連結位址。 b= ( ◎ 頻寬信息)，這個欄位說明了頻寬需求，單位是 kbit/s。 r= ( ◎ 重複次數)，如果是有規律的按日程安排活動的會談，這個會談用來說明會話重複的頻率和時間。 z= ( ◎ 時區調整)，在某些會談中，會談時間表可能會跨越從標準時間到當時時令的改變，因為這些改變發生在世界上的不同地方、不同時間，將會引起某個會談實際啟動時間的混亂。 k= ( ◎ 加密密鑰)，為了對媒體加密、解密，這個欄位提供了一個加密密鑰或規定了一個獲取密鑰的機制。 a= ( ◎ 屬性)，這個欄位用來描述應用於會談或某個媒體的額外屬性。在 SIP 中定義了兩類基本的網路實體：客戶端和伺服器；客戶是指 SIP 為了向伺服器發送請求而與伺服器建立連接的應用程式，用戶代理（User Agent）和代理（Proxy）中含有客戶端，而伺服器是用於為客戶端發來的請求提供服務並回送應答的實體。圖五、SIP 分散式架構在 SIP 中存在如下四種不同類型的伺服器（如圖五）︰(1)用戶代理伺服器︰作為用戶的代理人，當接收到 SIP 請求時聯繫用戶，用戶對用戶代理伺服器進行回應之後，用戶代理伺服器進行 SIP 回應。(2)代理伺服器︰代表其他客戶端發起請求，既是伺服器又是客戶端的媒介程式，它在轉發請求之前有可能改寫原請求消息中的內容。(3)重定向伺服器︰作用是接受 SIP 請求，把目的位址映射到零個或多個新的位址，然後把這些翻譯過的位址返回給請求的發起者，最後這個請求發起者就可以按照重定向伺服器所返回的位址發出請求，而重定向伺服器本身並不發起任何 SIP 請求。(4)註冊伺服器︰接收客戶端的註冊請求，完成用戶位址的註冊，這樣用戶可以向網路指出他在特定位址上是可用的。

由此可知，SIP (Session Intiation Protocol)的架構，除了包含 User Agent(Terminal)、Gateway 外，更包含了 Location Server，Redirect Server，Register Server，及 Proxy Server；SIP 使用 URL 來代表不同的用戶，如：student@ce.oit.edu.tw ，則代表 ce.oit.edu.tw 這個網域中的用戶 student，相較於 H.323 所使用的 E.164 或是 H.323 ID，顯得人性化多了。由於 SIP 具有 Client-Server 的架構，可利用 HTTP 既有的封包資訊，而 H.323 封包必須保留不少的傳輸訊息，所以 SIP 更適用於廣域網路的傳輸架構。

肆、PSTN 之 SS7 協定架構

PSTN 早在 1960 年代後期便開始發展，已經逐漸成為目前通信網路的骨幹。SS7 是執行在共通道 (common channal)的信令技術，提供 PSTN 通話路徑的建立、維持、選擇路徑，以及各類資訊交換功能。在本文主要是探討 PSTN 與 IP 網路的介接，故 SS7 信令協定的架構中(圖六)，ISUP 和 SCCP 的部份將會是重點所在。

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TCAP = Transaction Capabilities Application Part ISUP = ISDN User Part

TUP = Telephony User Part

SCCP = Signal Connection Control Part MTP = Message Transfer Part

圖六、SS7 信令協定架構原先 ISUP 是一個提供 ISDN 應用服務的協定。目前 ISUP 在實際中大多作為交換機間通話路徑呼叫連接的建立、斷線的協定。ISUP 是一個連接導向協定，因此，來源端和目的端之間的 ISUP 訊息與承載的路徑有關，雖然訊息的傳遞路徑和信息的承載路徑有可能完全不一樣。SCCP 用於提供連接導向和非連接導向的信令，但大多被用來提供非連接導向信令。非連接導向信令指的是信令要從一個網路元件傳到另一個網路元件時無須建立一個信令連接。 PSTN 之 SS7 信令協定用來建立和釋放電話呼叫。呼叫從 IAM 開始，IAM 包含了關於被叫號碼、主叫號碼、傳輸需求(典型的是 64kbit/s)、呼叫者類型的信息...等；目的交換機收到 IAM 信息後，會回發一個 ACM，這個 ACM 說明了呼叫到達目的端所經過的連接。此一過程打開了一條從目的端交換機到來源端交換機的單向語音通道，使得呼叫者能夠聽到回鈴聲(這個聲音是由目的端產生的)。收到 ACM 之後，會有一個或更多的通話處理(Call Proceeding)訊息出現，通話處理是一種可選擇的信息，用來為主叫交換機識別呼叫處理提供信息。一旦被叫應答，就會回發一個 ANM；ANM 一般有兩個目的，一是在談話雙方之間打開一條通道，以便通信雙方可以通信；二是觸發計費系統，因為大多數的呼叫是由被叫應答才開始計費的。通話完畢後，其中一方掛斷電話，這一動作使得一 REL 發送到另一端，收到 REL 信息的一端回應一釋放完畢(RLC)的信息，此時呼叫結束。在 SS7 中所傳送的信息叫做 Message signal Unit(MSU)，每一個 MSU 都有一定的格式；如圖七所示為 ISUP 信息格式。

SIO = Service information octet DPC = Destination point code OPC = Origination point code SLS = Siganling link selection CIC = Circuit identification code 圖七、The ISUP message format

伍、閘道器（Gateway）

對於 IP 網路和 PSTN 的互連，存在著從電路交換信息到封包的轉換，以及從封包到電路交換信息的轉換，很明顯將需要 Gteway 的支援以進行這些轉換。 “VoIP 閘道器”是一種連結傳統 PSTN 和 IP 網路的橋樑。其把 PSTN 端之訊號數位化，壓縮，再加以封包化(MG 部份)，加上 SG 的控制信令方式之調適與協調 SG 與 MG 功能之 MGC，然後便可把各類資料送至 IP 網路端。相反地，接收端的 VoIP 閘道器把各個封包加以收集，解壓縮(MG 部份)，轉譯控制信令所指定的位址(MGC、SG)，然後以類比的形態送到 PSTN 網路。 VoIP 閘道器在 PSTN 與 IP 網路間的位置如圖八所示，其身負從 IP 網路到 PSTN 過程中信號轉換的重責大任。VoIP 閘道器組成之功能如下。圖八、Gateway 架構

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MGC (Media Gateway Controller)： 位置在 MG、SG 和 GK 之間，其管理提供給眾多 MG 的可用網路資源和 IP 網路頻寬…等。 SG (Signaling Gateway)： 提供了在 IP 網路與 PSTN 之間的信令轉譯功能。 MG (Media Gateway)： 提供了媒體對映或轉換的功能，主要是對於在 IP 網域和 PSTN 網域中的語音訊號做處理(如：語音壓縮、靜音抑制...等)。

對兩種 peer to peer 之 VoIP 協定，其與 PSTN 介接時，其中端點 user 與端點 user 之通話流程對於 VoIP 在 IP 網路和 PSTN 之間的溝通實行是非常重要的，其類型有 IP to IP、IP to PSTN、PSTN to IP、PSTN to PSTN，在本文中著重於 IP to PSTN 與 PSTN to IP 兩種，其通話之流程與信息型態在各功能單元之互動會影響到 VoIP 閘道器架構中各功能單元之設計，故兩類 VoIP 之協定技術、通話流程之操作，原理有瞭解之必要！

陸、通話流程探討

就用戶而言，VoIP 能不更動傳統撥號方式是最好的，實際上，在於這方面兩種協定架構都能順利完成，但 H.323 保留了近乎傳統的終端設備(電話機)，而 SIP 卻需要功能較強大的終端設備(電話機)；另外，一通電話的連線建立，其效能也不可與現今 PSTN 相差太多，由兩者架構加以比較，理論上，H.323 在通化連線的建立效能是較 SIP 為佳。就服務提供者而言，H.323 網路的建構是較複雜的，而 SIP 由於是基於 HTTP 協定的應用模式，故其網路的建構是較簡易的；往後當語音的應用不在是唯一、更多的多媒體資訊流通於 All-IP 網路上時，便更加能看出其中的差異性。 H.323： 事實上，H.323 與 SS7 相互工作是算容易的，原因是 ISUP 和 Q.931 間存在密切的聯繫，畢竟 ISUP 是 ISDN 的用戶部份，是與協定 Q.931 的 ISDN 相對應的內部交換網路協定，故很容易在 Q.931 訊息和 ISUP 訊息間建立映對，所以如果一個 H.323 網路收到一個來自使用 ISUP 的 PSTN 呼叫，那麼信令將如圖九所示。

IAM = Initial Address Message ACM = Address Complete Message ANM = Answer Message

REL = Release RLC = Release Complete 圖九、PSTN-H.323 通話流程 H.323 的呼叫程序包括了：(1)請求與登錄，(2) 呼叫啟動，(3)呼叫協商，(4)媒體通道建立，(5)媒體傳送，(6)呼叫結束等六種，呼叫結束是由通話掛斷方發送拆除連線的要求，最後進而釋放媒體流頻寬；而圖十所整理的是每次進行呼叫時都必要的七個步驟，一段完整的通話要建立起來，這些步驟是缺一不可的。圖十、H.323 完成一通呼叫的七個步驟

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利用 Narrowband ISDN User Part（N-ISUP）協定信號方式，將 PSTN 用戶透過 ISDN 節點接取至 H.323 VoIP Gateway 之例子如圖十一所示，可明顯得知此架構下 H.323 Gateway 可視為以 SS7 信號方式接取至 PSTN 之一網路節點。圖十一、H.323 VoIP Gateway 介接功能示意 SIP：

在 SIP 中 SIP URI 的形式可以是電話號碼， INVITE 請求可在“To:”欄位中包括這樣的 URI，他被映對到被叫方的號碼形式的 IAM，“From:”欄位也可採用電話號碼形式的 URI，表示呼叫方的電話號碼。 PSTN 交換機回應以一個 ACM 訊息，它可映對到 SIP 的 183 回應(會話進行中)；這個回應包含一個會話描述，並能夠從被叫交換機到 SIP 呼叫方自 in-band 信息返回。呼叫一經應答，就返回一個 ISUP ANM 訊息，他被映對到 200(OK)回應；這個回應包含一個最終會話描述，而 183 回應中的會話描述是臨時的。REL 和 RLC 則是用於會話結束時。以上敘述是從 SIP 到 PSTN，若是 PSTN 到 SIP(如圖十二)則反之，且要將臨時回應 183(會話進行中)改為使用 180(正在振鈴)即可。圖十二、PSTN-SIP 通話流程兩個不同協定之間的互連並不總是如此簡單，因為一個協定與另一個協定之間的訊息及參數很少有一一對應關係；故目的端和來源端有時其從一端的輸出與另一端的輸入並非一模一樣的；假定存在這樣一個 VoIP 網路，提供從一端 PSTN 到另一端 PSTN 的傳輸服務，這種透明度的缺乏就是一個問題。為了解決這個問題，制訂了一個稱為 MIME media types for ISUP and QSIC objects 的 Internet 草案，目的是使 SIP message body 能以 16 進制格式承載 ISUP 或 QSIC 訊息；這種情況下，SIP message body 將是一個多部份的 message body，SDP 會話描述是其一部份，而 ISUP 或 QSIC 訊息是它的另一部份。

SIP 要進行呼叫時最重要的是伺服器或與用戶端之間的請求、回應等訊息，還有溝通時的狀態代碼，如圖十三、圖十四所示。

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圖十四、SIP Response 訊息

以圖十二中的 INVITE 和 200OK 兩部份為例，若其中信息包括了 SDP，那其欄位表示如下：

INVITE 部份：

INVITE sip:manager@station2.work.com SIP/2.0 From: Daniel<sip:Collins@station1.work.com>; tag=abcd1234 To: Boss<sip:Manager@station2.work.com> CSeq: 1 INVITE Content-Type: application/sdp Content-Disposition: session v=0

o=collins 123456 001 IN IP4 station1.work.com s=vacation

c=IN IP4 station1.work.com t=0 0 m=audio 4444 RTP/AVP 2 4 15 a=rtpmap 2 G726-32/8000 a=rtpmap 4 G723/8000 a=rtpmap 15 G728/8000 200 OK 部分： SIP/2.0 200 OK

From: Daniel<sip:collins@station1.work.com>; tag=abcd1234 To: Boss<sip:Manager@station2.work.com>; tag=xyz789 CSeq: 1 INVITE

Content-Length: 163

Content-Type: application/sdp Content-Disposition: session

v=0

o=collins 45678 001 IN IP4 station2.work.ocm s=Company vacation policy

c=IN IP4 station2.work.com t=0 0 m=audio 6666 RTP/AVP 15 a=rtpmap 15 G728/8000

柒、結論

本文的內容詳細說明了 H.323、SIP 和 PSTN 網路整合後的詳細流程與協定架構，可以發現兩者與 PSTN 之間的通話流程其實頗為相似 ( 如 Call Control、Call Setup)，但兩者的系統架構還是有其差異之處(如 SIP 架構包含了許多種伺服器，而 H.323 架構只定義了 Gatekeeper)。由本文亦可得知，IP 網路透過 SS7 與 PSTN 進行互連是 VoIP 在實際應用中成功的基礎，而 SS7 中的 ISUP 信令協定更是其中最重要的地方，它使得傳遞於 IP 網路和 PSTN 之間的語音、多媒體資料能夠經由 VoIP Gateway 暢行無阻。就目前而言，在成熟度上 H.323 是略勝 SIP 一籌，但 SIP 簡易的特性也意味著其保留了較大的擴充彈性。未來技術成熟之後，便要加速標準的統一，好儘快實現全球網路的互通，最後且最重要的就是網路安全問題，雖然這個問題總是防不勝防，但是在當前社會裡這個部分畢竟是用戶們最在意的。

參考文獻

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