How VoIP Works

重要なポイント

VoIP について聞いたことがない場合は、長距離電話についての考え方を変える準備をしてください。 VoIP ( Voice over Internet Protocol ) は、電話で話すときに聞こえるようなアナログ音声信号を取得し、それをインターネット経由で送信できるデジタル データに変換する方法です。

これはどのように役立ちますか? VoIP を使用すると、標準のインターネット接続を無料通話の手段に変えることができます。この実質的な結果は、インターネット電話をかけるために利用できる無料の VoIP ソフトウェアの一部を使用することで、電話会社 (およびその料金) を完全に回避できることになります。

VoIP は、世界の電話システムを完全に作り変える可能性を秘めた革新的なテクノロジーです。 VoIP プロバイダーは、すでにしばらく前から存在しており、着実に成長しています。 AT&Tなどの大手通信事業者はすでに米国内のいくつかの市場で VoIP 通話プランを設定しており、FCC は VoIP サービスの潜在的な影響を真剣に検討しています。

何よりも、VoIP は基本的に賢い「車輪の再発明」です。この記事では、VoIP の背後にある原理、そのアプリケーション、そしていつか従来の電話システムを完全に置き換える可能性が高いこの新興テクノロジーの可能性について探っていきます。

VoIP の興味深い点は、電話をかける方法が 1 つだけではないことです。現在一般的に使用されている VoIP サービスには 3 つの異なる「フレーバー」があります。

VoIP を試すことに興味がある場合は、インターネット上で入手できる無料の VoIP ソフトウェアをいくつか調べてください。約 3 ～ 5 分でダウンロードしてセットアップできるはずです。友人にもソフトウェアをダウンロードしてもらい、VoIP をいじってみて、それがどのように機能するかを知ることができます。

次に、VoIP がどのように使用されるかを正確に見ていきます。

VoIPの使用

長距離電話をかけるときは、すでに VoIP 通話を行っている可能性が高くなります。電話会社は VoIP を使用してネットワークを合理化します。何千もの電話通話を回線交換機を介して IP ゲートウェイにルーティングすることで、長距離で使用する帯域幅を大幅に削減できます。通話の相手側のゲートウェイが通話を受信すると、解凍され、再組み立てされて、ローカル回線交換機にルーティングされます。

時間はかかりますが、最終的には現在のすべての回線交換ネットワークがパケット交換技術に置き換わることは間違いありません (パケット交換と回線交換については後ほど詳しく説明します)。 IP テレフォニーは、経済性とインフラストラクチャ要件の両方の観点から合理的です。 VoIP システムを導入する企業はますます増えており、このテクノロジーは家庭に普及するにつれて人気が高まり続けるでしょう。おそらく、VoIP に切り替えるホーム ユーザーにとっての最大の魅力は、価格と柔軟性でしょう。

VoIP を使用すると、ブロードバンド接続があればどこからでも電話をかけることができます。 IP 電話や ATA はインターネット上で情報をブロードキャストするため、接続があればどこでもプロバイダーによって管理できます。そのため、出張者は旅行に携帯電話や ATA を持ち歩き、いつでも自宅の電話にアクセスできます。もう 1 つの代替手段はソフトフォンです。ソフトフォンは、VoIP サービスをデスクトップまたはラップトップにロードするクライアント ソフトウェアです。 Vonage ソフトフォンの画面には、従来の電話に似たインターフェイスが表示されます。ヘッドセット/マイクがあれば、ブロードバンド接続された世界のどこにいてもラップトップから電話をかけることができます。

ほとんどの VoIP 会社は、携帯電話料金と同じように構成された分単位料金プランを月額わずか 30 ドルで提供しています。ハイエンドでは、79 ドルで無制限のプランを提供するものもあります。規制外の料金がなくなり、これらのプランに含まれる一連の無料機能により、かなりの節約になります。

ほとんどの VoIP 会社は、通常の電話会社がサービス プランに追加するときに追加料金がかかる機能を提供しています。 VoIP には次のものが含まれます。

一部の通信事業者では、高度な通話フィルタリング オプションも利用できます。これらの機能は発信者 ID 情報を使用して、特定の番号からの通話の処理方法を選択できるようにします。あなたはできる：

多くの VoIP サービスでは、Web 経由でボイス メールを確認したり、コンピュータまたはハンドヘルドに送信される電子メールにメッセージを添付したりすることもできます。すべての VoIP サービスが上記のすべての機能を提供するわけではありません。値段やサービスも様々なので、興味があればちょっと買い物してみると良いでしょう。

VoIP について一般的な意味で見てきたので、システムを機能させるコンポーネントをさらに詳しく見てみましょう。 VoIP が実際にどのように機能するのか、また VoIP が従来の電話システムよりも優れている理由を理解するには、まず従来の電話システムがどのように機能するかを理解することが役立ちます。

VoIP: 回線交換

既存の電話システムは、回線交換と呼ばれる、信頼性は非常に高いものの、通話を接続するためのやや非効率な方法によって駆動されています。

回線交換は、電話ネットワークで 100 年以上使用されてきた非常に基本的な概念です。 2 者間で通話が行われる場合、通話中は接続が維持されます。 2 つの点を両方向に接続しているため、その接続は回路と呼ばれます。これは公衆交換電話網(PSTN) の基礎です。

一般的な電話の仕組みは次のとおりです。

10分間話したとしましょう。この間、回線は 2 台の電話機の間で継続的に開いた状態になります。 1960 年頃までの初期の電話システムでは、通話中はすべての通話に通話の一方の端からもう一方の端まで専用のワイヤを接続する必要がありました。したがって、ニューヨークにいてロサンゼルスに電話をかけたい場合、ニューヨークとロサンゼルス間の交換機は銅線を米国全土に接続することになります。 10 分間の通話のためだけにこれらのワイヤーをすべて使用することになります。実際に 10 分間、長さ 3,000 マイルの銅線を所有していたので、通話料は高額でした。

今日の従来の電話ネットワークを介した電話での会話は、いくらか効率が向上し、費用も大幅に削減されます。あなたの声はデジタル化されており、あなたの声と何千もの他の声を 1 本の光ファイバーケーブルに結合して、ほとんどの移動を行うことができます (ただし、家にはまだ専用の銅線が引かれています)。これらの通話は各方向に 64 キロビット/秒 (Kbps) の固定速度で送信され、合計送信速度は 128 Kbps になります。 1 キロバイト (KB) は 8 キロビット (Kb) であるため、回線が開いている場合は 1 秒ごとに 16 KB、回線が開いている場合は 1 分ごとに 960 KB を送信することになります。 10 分間の会話では、合計転送量は 9,600 KB で、これはおよそ 10 メガバイトに相当します (これらの変換については、 「ビットとバイトの仕組み」を参照してください)。一般的な電話での会話を見ると、この送信データの多くが無駄になっています。

次にパケット交換について説明します。

VoIP: パケット交換

パケット交換電話ネットワークは、回線交換の代替手段です。これは次のように動作します。あなたが話している間、相手は聞いています。つまり、常に接続の半分だけが使用されています。これに基づいて、効率化のためにファイルを半分の約 4.7 MB に削減できると推測できます。さらに、ほとんどの会話のかなりの時間は無言の空気であり、一度に数秒間、どちらの当事者も話していません。これらの無音の間隔を削除できれば、ファイルはさらに小さくなるでしょう。次に、バイトの連続ストリーム (サイレントとノイズの両方) を送信する代わりに、作成時にノイズの多いバイトのパケットだけを送信したらどうなるでしょうか?

データ ネットワークは回線交換を使用しません。閲覧しているWeb ページに常時接続し続けると、インターネット接続が大幅に遅くなります。代わりに、データ ネットワークは必要に応じてデータを送信および取得するだけです。そして、専用回線を介してデータをルーティングする代わりに、データ パケットは無数の可能なパスに沿ってカオス ネットワークを流れます。これをパケット交換と呼びます。

回線交換は接続を開いて一定に保ちますが、パケット交換は、パケットと呼ばれる小さなデータの塊をあるシステムから別のシステムに送信するのに十分な短い接続を開きます。次のように動作します。

パケット交換は非常に効率的です。これにより、ネットワークは最も混雑が少なく、最も安価な回線に沿ってパケットをルーティングできるようになります。また、2 台のコンピュータの相互通信が解放され、他のコンピュータからの情報も受け入れることができるようになります。

次に、VoIP を使用する利点を見ていきます。

VoIP を使用する利点

VoIP テクノロジーは、インターネットのパケット交換機能を使用して電話サービスを提供します。 VoIP には回線交換に比べていくつかの利点があります。たとえば、パケット交換を使用すると、回線交換ネットワーク内で 1 つだけが占有するスペースを複数の電話で占有することができます。 PSTN を使用すると、先ほど説明した 10 分間の通話は、128 Kbps のコストで丸 10 分間の伝送時間を消費しました。 VoIP では、同じ通話が 64 Kbps のコストで送信時間のうち 3.5 分しか占有しない可能性があり、その 3.5 分間にさらに 64 Kbps が空き、残りの 6.5 分間にさらに 128 Kbps が空きます。この単純な見積もりに基づくと、従来のシステムで 1 つのコールで使用されるスペースに、さらに 3 つまたは 4 つのコールが簡単に収まる可能性があります。また、この例ではデータ圧縮の使用も考慮されていないため、各呼び出しのサイズがさらに削減されます。

あなたとあなたの友人の両方が VoIP プロバイダーを通じてサービスを利用しているとします。あなたは両方とも、アナログ電話をサービスが提供する ATA に接続しています。典型的な電話通話をもう一度見てみましょう。今回はパケット交換ネットワーク上の VoIP を使用しています。

おそらく、パケット スイッチングの最も魅力的な利点の 1 つは、データ ネットワークがすでにこのテクノロジーを理解していることです。このテクノロジーに移行すると、電話ネットワークはコンピューターと同じように通信できるようになります。

通信会社が VoIP に完全に移行できるようになるまでには、少なくとも 10 年はかかるでしょう。すべての新興テクノロジーと同様に、克服しなければならない特定のハードルがあります。次のセクションでそれらについて見ていきます。

VoIP を使用するデメリット

現在の公衆交換電話網は、電話を配信するための堅牢かつかなり防弾性の高いシステムです。電話はただ機能するので、私たちは皆それに依存するようになりました。一方で、コンピューター、電子メール、その他の関連デバイスは依然として不安定です。正直に言って、電子メールが 30 分間ダウンしたとしても、本当にパニックになる人はほとんどいません。時々期待されます。一方で、30 分ほどダイヤル トーンが聞こえなくなると、人々は簡単にパニックに陥る可能性があります。したがって、PSTN には効率性が欠けていても、信頼性ではそれを補って余りあるものがあるのです。しかし、インターネットを構成するネットワークははるかに複雑であるため、はるかに大きな誤差の範囲内で機能します。これらすべてを総合すると、VoIP の大きな欠陥の 1 つである信頼性が問題になります。

少し前に克服されたハードルの 1 つは、携帯電話が受信するアナログ オーディオ信号をデータ パケットに変換することでした。アナログ音声はどのようにして VoIP 伝送用のパケットに変換されるのでしょうか?答えはコーデックです。

VoIP: コーデック

コーデック(coder-decoderの略) は、オーディオ信号を送信用の圧縮デジタル形式に変換し、再生用に非圧縮オーディオ信号に戻します。それが VoIP の本質です。

コーデックは、オーディオ信号を 1 秒あたり数千回サンプリングすることによって変換を実行します。たとえば、 は 1 秒間に 64,000 回オーディオをサンプリングします。それぞれの小さなサンプルをデジタルデータに変換し、送信のために圧縮します。 64,000 個のサンプルが再構成されると、各サンプル間で欠落している音声の部分は非常に小さいため、人間の耳には連続した 1 秒間の音声信号のように聞こえます。 VoIP には、使用されているコーデックに応じてさまざまなサンプリング レートがあります。

A のサンプリング レートは 1 秒あたり 8,000 回で、VoIP で最も一般的に使用されるコーデックです。

コーデックは高度なアルゴリズムを使用して、オーディオ データのサンプリング、並べ替え、圧縮、パケット化を支援します。 CS-ACELP アルゴリズム(CS-ACELP = 共役構造代数符号励起線形予測) は、VoIP で最も普及しているアルゴリズムの 1 つです。 CS-ACELP は、利用可能な帯域幅を整理して合理化します。付属書 B は、基本的に「誰も話していない場合はデータを送信しない」という送信ルールを作成する CS-ACELP の側面です。このルールによって生み出される効率は、パケット交換が回線交換よりも優れている最大の方法の 1 つです。 VoIP 通話のその側面を担当するのは、CS-ACELP アルゴリズムの Annex B です。

コーデックはアルゴリズムと連携してすべてを変換および分類しますが、データの送信先が分からなければ役に立ちません。 VoIP では、そのタスクはソフト スイッチによって処理されます。

E.164 は、(NANP) の標準に与えられた名前です。これは、ダイヤルされた番号に基づいて通話のルーティング先を知るために電話ネットワークが使用する番号付けシステムです。電話番号は住所のようなものです。

交換機は「313」を使用して、電話を市外局番の地域にルーティングします。 「555」プレフィックスにより通話は電話局に送信され、ネットワークは特定の場所に関連付けられた最後の 4 桁を使用して通話をルーティングします。このシステムに基づいて、世界のどこにいても、番号の組み合わせ「(313) 555」を使用すると、常に同じ電話局に接続されます。電話局には、どの電話が「1212」に関連付けられているかを認識する交換機があります。

VoIP の課題は、IP ベースのネットワークが NANP に基づいて電話番号を読み取らないことです。次のような IP アドレスを探します。

IP アドレスは、コンピュータ、ルーター、スイッチ、ゲートウェイ、電話などのネットワーク上の特定のデバイスに対応します。ただし、IP アドレスは常に静的であるとは限りません。これらはネットワーク上の DHCP サーバーによって割り当てられ、新しい接続ごとに変更されます。 VoIP の課題は、NANP 電話番号を IP アドレスに変換し、要求された番号の現在の IP アドレスを見つけることです。このマッピング プロセスは、ソフト スイッチを実行する中央コール プロセッサによって処理されます。

中央コール プロセッサは、ソフト スイッチと呼ばれる特殊なデータベース/マッピング プログラムを実行するハードウェアです。ユーザーと電話またはコンピュータを 1 つのパッケージ、つまり人間と機械として考えてください。そのパッケージはエンドポイントと呼ばれます。ソフト スイッチはエンドポイントを接続します。

ソフト スイッチは次のことを認識します。

次にソフト スイッチとプロトコルについて詳しく説明します。

VoIP: ソフト スイッチとプロトコル

ソフト スイッチには、ユーザーと電話番号のデータベースが含まれています。必要な情報がない場合は、リクエストに応答できるソフト スイッチが見つかるまで、ダウンストリームの他のソフト スイッチにリクエストを渡します。ユーザーを見つけると、同様の一連のリクエストでそのユーザーに関連付けられているデバイスの現在の IP アドレスを特定します。すべての関連情報をソフトフォンまたは IP 電話に送り返し、2 つのエンドポイント間でデータを交換できるようにします。

ソフト スイッチはネットワーク デバイスと連携して動作し、VoIP を可能にします。これらすべてのデバイスが連携するには、同じ方法で通信する必要があります。この通信は、VoIP を普及させるために改善する必要がある最も重要な側面の 1 つです。

プロトコル

これまで見てきたように、VoIP 通話の両端で、ユーザー インターフェイスとして機能するアナログ、ソフト、または IP 電話、ATA、またはデジタルからアナログへの変換を処理するコーデックと連携するクライアント ソフトウェアを任意に組み合わせて使用​​できます。 、およびソフト スイッチが通話をマッピングします。これらすべてを実現するために、これらのまったく異なるハードウェアとソフトウェアを効率的に通信するにはどうすればよいでしょうか?答えはプロトコルです。

現在、VoIP にはいくつかのプロトコルが使用されています。これらのプロトコルは、コーデックなどのデバイスが VoIP を使用して相互に接続したり、ネットワークに接続したりする方法を定義します。オーディオ コーデックの仕様も含まれています。最も広く使用されているプロトコルは、(ITU) によって作成された標準であるH.323です。 H.323 は、もともとビデオ会議用に設計された、包括的で非常に複雑なプロトコルです。これは、リアルタイムのインタラクティブなビデオ会議、データ共有、および VoIP などのオーディオ アプリケーションの仕様を提供します。実際にはプロトコルのスイートである H.323 には、特定のアプリケーション向けに開発された多くの個別のプロトコルが組み込まれています。

H.323 プロトコル スイート

ビデオ

オーディオ

データ

輸送

ご覧のとおり、H.323 はプロトコルと仕様の大規模な集合です。だからこそ、非常に多くの用途に使用できるのです。 H.323 の問題は、特に VoIP に合わせて調整されていないことです。

H.323 の代替手段は (SIP) の開発とともに登場しました。 SIP は、VoIP アプリケーション専用に開発された、より合理化されたプロトコルです。 H.323 よりも小型で効率的な SIP は、既存のプロトコルを利用してプロセスの特定の部分を処理します。 (MGCP) は、エンドポイント制御に焦点を当てた 3 番目の一般的に使用される VoIP プロトコルです。 MGCP は、キャッチホンなどの機能を対象としています。これらのプロトコルのアーキテクチャの詳細については、「」を参照してください。

VoIP を世界中で使用する際に直面する課題の 1 つは、これら 3 つのプロトコルが常に互換性があるわけではないことです。複数のネットワーク間で行われる VoIP 通話は、競合するプロトコルに遭遇すると障害に遭遇する可能性があります。 VoIP は比較的新しいテクノロジーであるため、この互換性の問題は、管理団体が VoIP の標準汎用プロトコルを作成するまで引き続き問題となります。

VoIP は、効率、コスト、柔軟性の点で現在の電話システムに比べて大幅に改善されています。他の新興テクノロジーと同様に、VoIP にも克服すべき課題がいくつかありますが、最終的に現在の電話システムを置き換えるまで、開発者がこのテクノロジーを改良し続けることは明らかです。

VoIP通話モニタリング

VoIP には明確な利点と欠点があります。 VoIP の最大の利点は価格であり、最大の欠点は通話品質です。 VoIP 電話ネットワークを展開する企業、特に多忙なコールセンター(カスタマー サービス、技術サポート、テレマーケティングなど) を運営する企業にとって、通話品質の問題は避けられないものであり、容認できないものです。通話品質の問題を分析して修正するために、これらの企業のほとんどはVoIP 通話モニタリングと呼ばれる技術を使用しています。

VoIP 通話モニタリングは、品質モニタリング (QM)とも呼ばれ、ハードウェアおよびソフトウェア ソリューションを使用して、VoIP 電話ネットワーク上で行われる通話の全体的な品質をテスト、分析、評価します 。通話モニタリングは、企業全体のサービス品質 (QoS)計画の重要な要素です。

通話監視ハードウェアとソフトウェアは、さまざまな数学的アルゴリズムを使用して VoIP 通話の品質を測定し、スコアを生成します。最も一般的なスコアは、平均オピニオン スコア (MOS)と呼ばれます。 MOS は 1 ～ 5 のスケールで測定されますが、技術的には 4.4 が VoIP ネットワークで可能な最高スコアです。

MOS を考案するには、通話監視ハードウェアとソフトウェアがいくつかの異なる通話品質パラメーターを分析します。最も一般的なものは次のとおりです。

通話モニタリングには、アクティブとパッシブの 2 つの異なるタイプがあります。アクティブな（または主観的な）通話モニタリングは、企業が VoIP ネットワークを展開する前に行われます。アクティブ モニタリングは、多くの場合、テスト目的のみに企業の VoIP ネットワークを使用する機器メーカーやネットワーク スペシャリストによって行われます 。 VoIP ネットワークが展開され、従業員がすでにシステムを使用している場合は、アクティブなテストを行うことはできません。

パッシブ通話モニタリングは、実際のユーザーによる VoIP 通話をリアルタイムで分析します 。パッシブ コール モニタリングは、ネットワーク トラフィックの問題、バッファの過負荷、およびネットワーク管理者がネットワークのダウンタイム中に修正できるその他の不具合を検出できます。

通話を監視するもう 1 つの方法は、後で分析するために VoIP 電話通話を記録することです。ただし、このタイプの分析は、実際のネットワークで何が起こっているかではなく、通話中に聞こえる内容に限定されます。この種の監視は通常、コンピューターではなく人間によって行われ、品質保証と呼ばれます。

次に、携帯電話を使用した VoIP 通話について説明します。

VoIP携帯電話

デュアルモード携帯電話には、通常の携帯無線と Wi-Fi (802.11 b/g) 無線の両方が含まれています。 Wi-Fi 無線により、携帯電話はワイヤレス ルーターを介してワイヤレス インターネット ネットワークに接続できます。自宅にワイヤレス インターネット ルーターがある場合、またはワイヤレス インターネット アクセスが可能なスターバックスに座っている場合は、携帯電話を使用して VoIP 通話を行うことができます。仕組みは次のとおりです。

デュアルモード携帯電話に似ているのがWi-Fi 電話です。 Wi-Fi 電話は、携帯無線ではなく Wi-Fi 無線のみを備えているため、厳密には携帯電話ではありません。 Wi-Fi 電話機は携帯電話 (小型軽量のハンドセット) のように見えますが、無線インターネット ネットワークに接続している場合にのみ電話をかけることができます。つまり、すべてのWi-Fiの電話はVoIP呼び出しです。

Wi-Fi電話は、独自のワイヤレスネットワークを備えた大企業やオフィスで役立ちます。そして、地方自治体のWi-Fiの市場を拡大することで、次の大きなものであることが証明される可能性があります。 [ソース： ]。あなたの都市全体が高速ワイヤレスネットワークでカバーされていると想像してください。それは、どこへ行っても安い（無料ではない場合でも）VoIPコールを意味します。

イギリスでは、（または単に3）と呼ばれる会社が、人気のあるVoIPサービスSkypeと提携して紹介しています。 Skypephoneを使用すると、ユーザーは他のSkypeユーザーに無料の携帯電話をかけることができます。電話は、通常の料金に対して非スカイプユーザーに定期的な携帯電話の電話をかけることもできます。これがどのように機能しますか：

3つのSkypephoneは現在、米国では利用できません。

アマチュアラジオでのVoIPの使用

アマチュアラジオ、またはハムラジオをインターネットの初期バージョンと考えてください。ラジオタワー、アンテナ、トランシーバーの世界的なネットワークを使用して、アマチュアラジオ愛好家は、時には声によって、時にはモールスコードによって、世界中の仲間の愛好家とコミュニケーションをとることができます。

アマチュア無線は、無線波が移動できる距離によって制限されています。世界の反対側に信号を送信するには、計算されたタイミングと少しの幸運が必要です。たとえば、11年ごとに、太陽によって生成される太陽スポットの数にピークがあり、それが電離層伝播と呼ばれるものの強度を高めます[出典：]。無線信号を電離層に跳ね返すことにより、ハムラジオユーザーは長距離メッセージを送信できます。オフピークの間、それははるかに困難です。

現在、アマチュアラジオファンはVoIPテクノロジーを使用して、世界中のユーザーをリンクしています。仕組みは次のとおりです。 Ham Radioは、自宅からラジオネットワークにアクセスするためのベースステーションとして機能する大きなラジオタワーであるFMリピーターに常に依存しています。インターネットに接続されたPCをこれらのリピーターステーションに取り付けることにより、人々はVOIPを使用してリピーターと通信できます。

いくつかのアマチュアラジオファンは、ホームラジオトランシーバーをインターネットに接続するのに役立つ特別なソフトウェアを開発しました。ユーザーは、ハムラジオトランシーバーをPCサウンドカードに接続し、コンピューターソフトウェアを使用して、世界中の利用可能なリピーターステーションを検索できます[出典：]。ハムラジオファンは、最も近いリピーターステーションに限定されなくなりました。インディアナ州に住んでいる場合は、モザンビークのリピーターステーションに電話して、地元のアマチュアラジオ愛好家とすぐにチャットできます。

また、実際のハムラジオを持たずに、PCから他のアマチュアラジオユーザーと直接通信できるソフトウェアプログラムもあります[出典：]。一部のハムラジオの純粋主義者はこのアマチュアラジオを呼び出しませんが、他の人はこの新しいテクノロジーがより多くの若者を趣味に引き込むことを望んでいます。

VoIP、Amateur Ra​​dio、および関連トピックの詳細については、以下のリンクをご覧ください。