УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра ТС и СК

Методическое пособие для практических занятий

по предмету «IP-телефония»

для студентов специальностей

5А522202 –«Сети, узлы связи и распределение информации»

5А522203- «Связь и оптические системы обработки информации»

5А522205 –«Сети связи и управляющие системы »

5А522216 –«Методика преподавания специальных дисциплин»

Ташкент 2008

Авторы издания: Шарифов Р.А. Технический директор СП «Бузтон»

Садчикова С.А.

Тилляев С.Д.

IP-телефония.

Методическое пособие для практических занятий

Методическое пособие. ТУИТ. Ташкент 2008.

В данном методическом указании представлены материалы для проведения практических занятий по дисциплине IP-телефония. Дисциплина «IP-телефония» изучается магистрантами специальностей 5А522202, 5А522203, 5А522205, 5А522216 по направлению образования «Телекоммуникация» во 2 (10) семестре магистратуры. Дисциплина включает в себя лекции и практические занятия. Каждое занятие методического пособия содержит теоретические сведения, список литературы, контрольные вопросы и варианты заданий для проверки усвоения материала.

Методическое пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры ТСиСК. Рекомендовано к тиражированию НМС в типографии ТУИТ.

Рецензенты:

кафедра ТСиСК. к.т.н., доц. Эшмурадов А.М.

АК Узбектелеком, филиал ТШТТ,

начальник департамента, к.т.н., доц. Агзамов С.С.

Ташкентский Университет Информационных Технологий

Оглавление.

		Введение	4
пз 1	2ч	Принципы пакетной передачи речи. Сеть Интернет и протокол IP.	6
пз 2	2ч	Общая структура сети INTERNET. Стек протоколов TCP/IP	16
пз 3	2ч	Модель OSI и TCP-IP.	35
пз 4	2ч	Шлюзы Н.323. Классификация шлюзов IP-телефонии	41
пз 5	2ч	Адресация в IP-сетях. Типы адресов в IP-сетях Адресация в IPv6 .	54
пз 6	2ч	Протокол RAS	67
пз 7	2ч	Передача речи по IP-сетям. Кодеки G.711, G.726, G.729, G.728.	77
пз 8	2ч	SIP. Алгоритмы установления соединений.
пз 9	2ч	Архитектура системы проекта TIPHON. Профиль iNow

Введение.

Сегодня во всем мире широкое распространение получило подключение к сети Интернет. Количество IP-пользователей быстро растет, и вполне естественным является желание расширить возможности IP-сетей, используя их наряду с передачей данных также для интерактивных видеоконференций, передачи потоков голосовой информации и для других приложений реального времени.

Практическая возможность полной интеграции голоса и данных поверх общей инфраструктуры вычислительных сетей привела к появлению так называемой «пакетной телефонии» – технологии передачи аналоговых телефонных сигналов по сетям передачи данных. Используются три основных термина для обозначения технологии передачи речи по сетям с ПК на базе протокола IP:

- IP-телефония (IP Telephony);

- Голос по IP-сетям (Voice over IP - VoIP);

- Интернет-телефония (Internet Telephony).

Под IP-телефонией понимается технология, позволяющая использовать любую сеть с пакетной коммутацией на базе протокола IP (например, сеть Интернет) в качестве средства организации и ведения международных, междугородных и местных телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени.

IP-телефония, заявившая о себе в середине 90-х годов любительскими программами типа Internet Phone, сегодня превратилась в мощную составляющую телекоммуникационной индустрии. Если раньше большинство поставщиков услуг IP-телефонии строили свой бизнес по простейшему принципу «шлюз в Москве – шлюз в Нью-Йорке», то сегодня появились большие территориально распределенные сети VoIP со множеством шлюзов. С октября 2004 года Ташкентская городская телефонная сеть (ТШТТ) начала предоставлять IP-услуги по предоплаченным карточкам.

При решении о предоставлении услуг IP-телефонии одним из важных вопросов является выбор протокола установления соединений. Сегодня существует три вида таких протоколов и, следовательно, три подхода к построению сетей IP-телефонии: Н.323, основанный на рекомендации МСЭ-T, SIP, разработанный комитетом IETF и протоколы, использующие принципы декомпозиции шлюзов, например, MGCP.

Основной протокол, который принят мировым сообществом, это Н.323. Большинство современных провайдеров IP-телефонии для построения своих систем использует протокол Н.323. Но наиболее перспективным является протокол SIP. Стремительный рост популярности SIP позволяет предположить, что данный протокол в будущем найдет более широкое применение при построении сетей IP-телефонии.

Данные практические занятия дополняют конспект лекций по дисциплине. Они построены с использованием материалов учебников

1. Росляков А.В, Самсононов М.Ю., Шибаева И.В. IP-телефония.-М.:Эко-Трендз. - 2002г.

2. Б.С. Гольштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-телефония. Москва. Радио и связь. 2003.

а также материалов журнальных статей из сети Интернет и технических описаний компаний-производителей оборудования IP-телефонии.

Практическое занятие 1.

Принципы пакетной передачи речи.

Сеть Интернет и протокол IP.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Ознакомление с принципами пакетной передачи данных.

ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

При подготовке к практическому занятию изучить вопросы:

1. Основные функциональные элементы, обеспечивающие различные сценарии IP телефонии;

2. Получить задание у преподавателя и построить сценарий (см. Табл.1.1), на схеме расставить основные процедуры пакетной обработки речи, описать алгоритм организации связи.

Таблица 1.1. Варианты заданий.

Вариант	Задание
1	Сценарий IP телефонии Компьютер – Компьютер через MSN сервер
2	Сценарий IP телефонии Компьютер – Телефон через MSN сервер
3	Сценарий IP телефонии Телефон – Телефон через MSN сервер
4	Сценарий IP телефонии Компьютер – Компьютер через ISQ сервер
5	Сценарий IP телефонии Компьютер – Телефон через ICQ сервер
6	Сценарий IP телефонии Телефон – Телефон через ICQ сервер
7	Сценарий IP телефонии Компьютер – Компьютер через Skype сервер
8	Сценарий IP телефонии Компьютер – Телефон через Skype сервер
9	Сценарий IP телефонии Телефон – Телефон через Skype сервер

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Для выполнения лабораторной работы имеются:

- Плакаты

- Слайды презентации

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

При выполнении задания рекомендуется соблюдать следующую последовательность:

1. Изучить методические указания к данному практическому занятию.

2. Получить у преподавателя задание

3. Выполнить практическую часть

4. Ответить на контрольные вопросы.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Структура протокола TCP/IP.

2. Структурная схема сценария IP телефонии по варианту.

3. Алгоритм организации связи, согласно сценарию по варианту.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На каком уровне используются протоколы TCP/IP?

2. Сколько уровней включает в себя стек TCP/IP?

3. Каково назначение IP- протокола?

4. Каково назначение протокола TCP?

5. Какие виды соединений могут быть реализованы в сети IP-телефонии?

6. В чём разница понятий IP-телефония (IP Telephony), голос по IP-сетям (Voice over IP - VoIP), Интернет-телефония (Internet Telephony)?

7. На какие этапы делится пакетная обработка речи?

8. Объясните принцип установления соединения по схеме «телефон-телефон».

9. Какое отличие существует у схемы « компьютер-телефон» со схемой «телефон-телефон».

10. Какие действия производит шлюз с информацией поступающей со стороны сети ТфОП.

11. Какие функции выполняет маршрутизатор в схеме « компьютер-телефон».

12. Какую роль выполняет хост в IP-телефонии.

13. Назначение шлюза в IP-телефонии.

14. Что подразумевается под «web-браузером» в схеме «web-браузер-телефон».

15. Как вы понимаете «передача голоса по IP-телефонии»

16. В чем отличие сети Интернет от сети ТфОП.

17. Как вы понимаете принципы пакетной передачи данных.

18. Назовите основные отличия коммутации каналов от коммутации пакетов.

19. Как на нашей сети города происходит взаимосвязь абонентов сети ТфОП с пользователями Интернет.

20. Объясните прохождение сигнала от пользователя Интернет к абоненту обычной сети ТфОП.

21. Какие преимущества имеет технология IP-телефония?

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева. IP-телефония. ИТЦ Эко-Трендз. 2002.

2. Б.С. Гольштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-телефония. Москва. Радио и связь. 2003.

3. Материалы курса «IP-телефония» сайта Интранет ТУИТ http://www.teic.uz/dlnet

4. Садчикова С.А. IP-телефония. Учебное пособие для студентов специальностей 5А522202, 5А522203, 5А522205, 5А522216. ТУИТ. 2008.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

Универсальная сеть Интернет строится на основе семейства протоколов TCP/IP и включает в себя протоколы 4-х уровней коммуникаций (рис. 1.1).

Уровень сетевого интерфейса отвечает за установление сетевого соединения в конкретной физической сети - компоненте сети Интернет, к которой подсоединен компьютер. На этом уровне работают драйвер устройства в операционной системе и соответствующая сетевая плата компьютера.

Прикладной:	Telnet, FTP, E-mail и т.д.
Транспортный:	TCP, UDP
Сетевой:	IP, ICMP, IGMP
Сетевой интерфейс:	Драйвер устройства и сетевая плата

Рис. 1.1. Четыре уровня стека протоколов TCP/IP

Сетевой уровень - основа стека протоколов TCP/IP. Именно на этом уровне реализуется принцип межсетевого соединения, в частности маршрутизация пакетов по сети Интернет. Протокол IP - основной протокол сетевого уровня, позволяющий реализовывать межсетевые соединения. Он используется обоими протоколами транспортного уровня - TCP и UDP. Протокол IP определяет базовую единицу передачи данных в сети Интернет - IP-дейтаграмму, указывая точный формат всей информации, проходящей, но сети TCP/IP. Программное обеспечение уровня IP выполняет функции маршрутизации, выбирая путь данных по соединениям физических сетей. Для определения маршрута поддерживаются специальные таблицы; выбор осуществляется на основе адреса сети, к которой подключен компьютер-адресат. Протокол IP определяет маршрут отдельно для каждого пакета данных, не гарантируя надежной доставки в нужном порядке. Он задает непосредственное отображение данных на нижележащий физический уровень передачи и реализует тем самым высокоэффективную доставку пакетов.

На сетевом уровне протокол IP реализует ненадежную службу доставки пакетов по сети от системы к системе без установления соединения (connectionless packet delivery service). Это означает, что будет выполнено все необходимое для доставки пакетов, однако эта доставка не гарантируется. Пакеты могут быть потеряны, переданы в неправильном порядке, продублированы и т.д. Протокол IP не обеспечивает надежности коммуникации. Не имеется механизма подтверждений ни между отправителем и получателем, ни между хост-компьютерами. He имеется контроля ошибок для поля данных только контрольная сумма для заголовка. Не поддерживается повторная передача, нет управления потоком. Обнаруженные ошибки могут быть оглашены посредством протокола ICMP (Internet Control Message Protocol).

Надёжную передачу данных реализует следующий уровень, транспортный, на котором два основных протокола, TCP и UDP, осуществляют связь между машиной-отправителем пакетов и машиной-адресатом.

Наконец, прикладной уровень - это приложения типа клиент-сервер, базирующиеся на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трех уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и «не интересуются» способами передачи данных по сети. Среди основных приложений TCP/IP, имеющихся практически в каждой его реализации, - протокол эмуляции терминала Telnet, протокол передачи файлов FTP, протокол электронной почты SMTP, протокол управления сетью SNMP, используемый в системе World Wide Web (WWW) протокол передачи гипертекста HTTP и др.

Поскольку в Интернет детали физических соединений скрыты от приложений, прикладной уровень совершенно «не заботится» о том, что клиент приложения работает в сети Ethernet, а сервер подключен к сети Token Ring. Между конечными системами может быть несколько десятков маршрутизаторов и множество промежуточных физических сетей различных типов, но приложение будет воспринимать этот конгломерат как единую физическую сеть. Это и обуславливает основную силу и привлекательность технологии Интернет и I протокола IP.

На базе протокола IP строится не только сеть Интернет, но и любые другие сети передачи данных (локальные, корпоративные), которые могут иметь или не иметь выход на глобальную сеть Интернет. Универсальность и гибкость сетей на базе протокола IP дает возможность применять их не только для передачи данных, но и другой мультимедийной информации. С недавних пор IP-сети стали использовать для передачи речевых сообщений.

1.2. Виды соединений в сети IP-телефонии

Сети IP-телефонии предоставляют возможности для вызовов четырех основных типов:

· «От телефона к телефону» (рис.1.2).

Вызов идет с обычного телефонного аппарата к АТС, на один из выходов которой подключен шлюз IP-телефонии, и через IP-сеть доходит до другого шлюза, который осуществляет обратные преобразования.

Рис. 1.2. Схема связи «телефон-телефон»

Сценарий «телефон-телефон» в значительной степени отличается от остальных сценариев IP-телефонии своей социальной значимостью, поскольку целью его применения является предоставление обычным абонентам ТфОП альтернативной возможности междугородной и международной телефонной связи. В этом режиме современная технология IP-телефонии предоставляет виртуальную телефонную линию через IP-доступ.

Как правило, обслуживание вызовов по такому сценарию IP-телефонии выглядит следующим образом. Поставщик услуг IP-телефонии подключает свой шлюз к коммутационному узлу или станции ТфОП, а по сети Интернет

или по выделенному каналу соединяется с аналогичным шлюзом, находящимся в другом городе или другой стране.

Типичная услуга IP-телефонии по сценарию «телефон-телефон» использует стандартный телефон в качестве интерфейса пользователя, а вместо междугородного компонента ТфОП использует либо частную IP-сеть/lntranet, либо сеть Интернет. Благодаря маршрутизации телефонного трафика по IP-сети стало возможным обходить сети общего пользования и, соответственно, не платить за междугородную/международную связь операторам этих сетей.

Следует отметить, что сама идея использовать альтернативные транспортные механизмы для обхода сети ТфОП не является новой. Достаточно вспомнить статистические мультиплексоры, передачу речи по сети Frame Relay или оборудование передачи речи по сети ATM.

Как показано на рис.1.2, поставщики услуг IP-телефонии предоставляют услуги «телефон-телефон» путём установки шлюзов IP-телефонии на входе и выходе IP-сетей. Абоненты подключаются к шлюзу поставщика через ТфОП, набирая специальный номер доступа. Абонент получает доступ к шлюзу, используя персональный идентификационный номер (PIN) или услугу идентификации номера вызывающего абонента (Calling Line Identification). После этого шлюз просит ввести телефонный номер вызываемого абонента, анализирует этот номер и определяет, какой шлюз имеет лучший доступ к нужному телефону. Как только между входным и выходным шлюзами устанавливается контакт, дальнейшее установление соединения к вызываемому абоненту выполняется выходным шлюзом через его местную телефонную сеть.

Полная стоимость такой связи будет складываться для пользователя из расценок ТфОП на связь с входным шлюзом, расценок Интернет-провайдера на транспортировку и расценок удалённой ТфОП на связь выходного шлюза с вызванным абонентом.

Одним из алгоритмов организации связи по сценарию «телефон-телефон» является выпуск поставщиком услуги своих телефонных карт. Имея такую карту, пользователь, желающий позвонить в другой город, набирает номер данного поставщика услуги, затем в режиме донабора вводит свой идентификационный номер и PIN-код, указанный на карте. После процедуры аутентификации он набирает телефонный номер адресата.

Возможны и другие алгоритмы реализации этого сценария: вместо телефонной карты может использоваться информация об альтернативном счете. Счет для оплаты может быть выслан абоненту и после разговора, аналогично тому, как это делается при междугородном соединении в ТфОП.

· «От компьютера к телефону» (рис. 1.3).

Мультимедийный компьютер, имеющий программное обеспечение IP-телефонии, звуковую плату (адаптер), микрофон и акустические системы, подключается к IP-сети или к сети Интернет, и с другой стороны шлюз IP-. телефонии имеет соединение через АТС с обычным телефонным аппаратом.

Следует отметить, что в соединениях I и 2 типов вместо телефонных аппаратов могут быть включены факсимильные аппараты, и в этом случае сеть IР-телефонии должна обеспечивать передачу факсимильных сообщений.

Рис. 1.3. Схема связи «компьютер-телефон»

Рассмотрим несколько подробнее пример упрощенной архитектуры системы IP-телефонии по сценарию «телефон-компьютер». При попытке вызвать справочно-информационную службу, используя услуги пакетной телефонии и обычный телефон, на начальной фазе абонент А вызывает близлежащий шлюз IP-телефонии. От шлюза к абоненту А поступает запрос ввести номер, к которому должен быть направлен вызов (например, номер службы), и личный идентификационный номер (PIN) для аутентификации и последующего начисления платы, если это служба, вызов которой оплачивается вызывающим абонентом. Основываясь на вызываемом номере, шлюз определяет наиболее доступный путь к данной службе. Кроме того, шлюз активизирует свои функции кодирования и пакетизации речи, устанавливает контакт со службой, ведет мониторинг процесса обслуживания вызова и принимает информацию о состояниях этого процесса (например, занятость, посылка вызова, разъединение и т.п.) от исходящей стороны через протокол управления и сигнализации. Разъединение с любой стороны передается противоположной стороне по протоколу сигнализации и вызывает завершение установленных соединений и освобождение ресурсов шлюза для обслуживания следующего вызова.

Для организации соединений от службы к абонентам используется аналогичная процедура. Популярными программными продуктами для этого варианта сценария IP-телефонии «компьютер-телефон» являются IDT Net2Phone и DotDialer, организующие вызовы к обычным абонентским телефонным аппаратам в любой точке мира.

Эффективность объединения услуг передачи речи и данных является основным стимулом использования IP-телефонии по сценариям «компьютер-компьютер» и «компьютер-телефон», не нанося при этом никакого ущерба интересам операторов традиционных телефонных сетей.

· «От компьютера к компьютеру» (рис. 1.4).

В этом случае соединение устанавливается через IР-сеть между двумя мультимедийными компьютерами, оборудованными аппаратными и программными средствами для работы с IP-телефонией.

Рис. 1.4. Упрощённая схема связи «компьютер-компьютер»

Для поддержки сценария «компьютер - компьютер» поставщику услуг Интернет желательно иметь отдельный сервер (привратник), преобразующий имена пользователей в динамические адреса IP. Сам сценарий ориентирован на пользователя, которому сеть нужна, в основном, для передачи данных, а программное обеспечение IP-телефонии требуется лишь иногда для разговоров с коллегами. Эффективное использование телефонной связи по сценарию «компьютер-компьютер» обычно связано с повышением продуктивности работы крупных компаний, например, при организации виртуальной презентации в корпоративной сети с возможностью не только видеть документы на Web-сервере, но и обсуждать их содержание с помощью IP-телефона. При этом между двумя IP-сетями могут использоваться элементы ТфОП, а идентификация вызываемой стороны может осуществляться как на основе Е.164, так и на основе IP-адресации. Наиболее распространенным программным обеспечением для этих целей является пакет Microsoft NetMeeting, доступный для бесплатной загрузки с узла Microsoft.

· «От WEB браузера к телефону» (рис. 1.5).

С развитием сети Интернет стал возможен доступ и к речевым услугам. Например, на WEB-странице некоторой компании в разделе «Контакты» размещается кнопка «Вызов», нажав на которую можно осуществить речевое соединение с представителем данной компании без набора телефонного номера. Стоимость такого звонка для вызывающего пользователя входит в стоимость работы в сети Интернет.

Рис. 1.5. Схема связи «WEB-браузер - телефон»

Рассмотренные выше сценарии сведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Варианты межсетевого взаимодействия

Сценарий	Входящая сеть	Транзитная сеть	Исходящая сеть	Примечание
«компьютер -компьютер»	IP	IP	IP	Рис.1.6 рис.1.7
	IP	ТфОП	IP
«компьютер -телефон»	IP	ТфОП	ТфОП	Рис. 1.5
	ТфОП	IP	IP
	ТфОП	ТфОП	IP
	IP	IP	ТфОП
«телефон -телефон»	ТфОП	IP	ТфОП	Рис. 1.4
	ТфОП	ТфОП	ТфОП

1.3. Принцип пакетной передачи речи на примере сценария IP-телефонии "компьютер-компьютер".

Рассмотрим представленный на рис.1.6 сценарий установления соединения «компьютер-компьютер» более подробно.

Для проведения телефонных разговоров друг с другом абоненты А и Б должны иметь доступ к Интернет или к другой сети с протоколом IP. Предположим, что такая IP-сеть существует, и оба абонента подключены к ней. Рассмотрим возможный алгоритм организации связи между этими абонентами.

1. Абонент А запускает свое приложение IP-телефонии, поддерживающее протокол Н.323.

2. Абонент Б уже заранее запустил свое приложение IP-телефонии, поддерживающее протокол Н.323.

Рис.1.6. Сценарий IP-телефонии "компьютер-компьютер"

3. Абонент А знает доменное имя абонента В элемент системы имен доменов - Domain Name System (DNS), вводит это имя в раздел «кому позвонить» в своем приложении IP-телефонии и нажимает кнопку Return.

4. Приложение IP-телефонии обращается к DNS-серверу (который в данном примере реализован непосредственно в персональном компьютере абонента А) для того, чтобы преобразовать доменное имя абонента Б в IP-адрес.

5. Сервер DNS возвращает IP-адрес абонента Б.

6. Приложение IP-телефонии абонента А получает IP-адрес абонента Б и отправляет ему сигнальное сообщение Н.225 Setup.

7. При получении сообщения Н.225 Setup приложение абонента Б сигнализирует ему о входящем вызове.

8. Абонент Б принимает вызов и приложение IP-телефонии отправляет ответное сообщение Н.225 Connect.

9. Приложение IP-телефонии у абонента А начинает взаимодействие с приложением у абонента Б в соответствии с рекомендацией Н.245.

10. После окончания взаимодействия по протоколу Н.245 и открытия логических каналов абоненты А и Б могут разговаривать друг с другом через IP-сеть.

Практическое занятие 2.

Общая структура сети INTERNET.

Стек протоколов TCP/IP.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Ознакомление со стеком протоколов TCP/IP.

ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

1. При подготовке к практическому занятию изучить вопросы:

- семейство протоколов TCP/IP

- назначение протоколов TCP UDP IP

- структуры дейтаграмм, назначение полей дейтаграммы

2. Получить задание у преподавателя и в соответствии с вариантом таблицы.2.1 идентифицировать класс сети, определить количество хостов, выбрать маску под сети и создать таблицу маршрутизации.

Задание. Дана сеть (рис.2.1) состоящая из B подсетей и IP-адресами A.A.x.x. Требуется идентифицировать класс сети, определить количество хостов, выбрать маску под сети и создать таблицу маршрутизации.

Рис.2.1. Схема организации сети (значение А и B даны согласно варианту)

Таблица.2.1. Варианты заданий.

Вариант	IP-address (A)	Количество подсетей (B)
1	172.16.х.х	254
2	192.168.х.х	62
3	213.206.х.х	14
4	176.32..х.х	6
5	196.120.х.х	30
6	206.168..х.х	2
7	170.144..х.х	126
8	177.168.х.х	14
9	186.124.х.х	62
10	188.24.х.х	2
11	198.168.х.х	6
12	127.254.х.х	254
13	197.34.х.х	62
14	172.16.х.х	30
15	192.168.х.х	14

^*Справочные данные приведены в Приложении 1.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Для выполнения лабораторной работы имеются:

- Плакаты

- Слайды презентации

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

При выполнении задания рекомендуется соблюдать следующую последовательность:

1. Изучить методические указания к данному практическому занятию.

2. Получить у преподавателя задание

3. Выполнить практическую часть

4. Ответить на контрольные вопросы.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Структура протокола TCP/IP.

2. Решенное задание, по варианту.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На каком уровне используются протоколы TCP/IP.

2. Назначение IP- протокола.

3. Что вы понимаете под маршрутизацией IP- пакетов.

4. Что такое IP- дейтаграмма.

5. Дайте определение IP- адреса.

6. Перечислите виды IP-адресов.

7. Назначение протокола TCP.

8. Обеспечивает ли надежную доставку протокол TCP.

9. Назначение протокола FTP.

10. Назначение протокола SNMP.

11. Назначение протокола Telnet.

12. Назначение протокола SMTP.

13. Что называется размером окна.

14. Что входит в заголовок пакета TCP.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева. IP-телефония. ИТЦ Эко-Трендз. 2002.

2. Б.С. Гольштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-телефония. Москва. Радио и связь. 2003.

3. Материалы курса «IP-телефония» сайта Интранет ТУИТ http://www.teic.uz/dlnet

4. Садчикова С.А. IP-телефония. Учебное пособие для студентов специальностей 5А522202, 5А522203, 5А522205, 5А522216. ТУИТ. 2008.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

2.1. Стандарты в сфере Интернет.

Интернет - самая необычная из всех сетей. Практически любой объект может подключиться к Интернет, чтобы предложить ресурсы, или для доступа к ним. По Интернет может гулять практически любой вид информации без каких-либо ограничений. Отсутствует центральный орган, который регулировал бы работу сети Интернет, хотя существуют организации, устанавливающие определённые фундаментальные принципы и руководящие работой сети. Сеть Интернет по своей философии является автономной и даже анархической; в конечном счёте, в этом и её сила, и её слабость.

Существует ряд организаций, которые участвуют в различных мероприятиях по администрированию и поддержке Интернет. В контексте данной книги среди этих организаций следует упомянуть CERT, IАВ, IETF, IESG, IRTF, ICANN и The Internet Society (Общество Интернет, известное также как ISOC).

Группа реагирования на нарушения компьютерной защиты (CERT) - группа экспертов Университета Карнеги-Меллона, которая отвечает за вопросы, связанные с нарушением компьютерной защиты в сети Интернет. CERT была образована ARPA в ноябре 1998 года как реакция на ряд инцидентов, связанных с появлением вирусных программ самотиражирования.

Совет по архитектуре Интернет (IAB), первоначально - Координационный совет сети Интернет - добровольный орган, имеющий в своем составе 12 экспертов, которые используют ресурсы своих компаний-спонсоров для того, чтобы способствовать интересам Интернет. IAB контролирует и координирует деятельность двух проблемных (рабочих) групп: IETF и IRTF. В совокупности, эти организации вырабатывают техническую политику и направления работы.

Инженерная проблемная группа Интернет (IETF) определяет, устанавливает приоритеты и вырабатывает решения по краткосрочным вопросам и проблемам, включая протоколы, архитектуру и эксплуатацию. Предложенные стандарты публикуются в Интернет в виде Запросов комментариев и предложений (RFC). После выработки окончательной версии стандарта, он поступает на утверждение в группу управления инженеров Интернет (IESG).

Научно-исследовательская проблемная группа Интернет (IRTF) занимается долгосрочными вопросами, включая схемы адресации и технологии.

Корпорация Интернет по присвоению имен и номеров (ICANN) -некоммерческая организация, образованная в 1999 году. ICANN была создана для того, чтобы взять на себя полномочия федерального органа IANA по распределению общеизвестных номеров портов, управлению IP-адресами и присвоению имён доменов. Номера портов представляют собой 16-битовые величины в диапазоне от 0 до 65 536. Общеизвестные порты нумеруются числами из диапазона от О до 1 023 и используются системными процессами или прикладными программами. Примерами общеизвестных портов являются: порт 25 для протокола SMTP (Простого протокола пересылки почты), порт 80 для протокола HTTP (Гипертекстового транспортного протокола) и порт 107 для Дистанционной службы Telnet. В среде клиент/сервер Интернет на базе протокола TCP/IP, сервер назначает порты с учётом протокола прикладного уровня, который выполняется на клиентском уровне. ICANN также присваивает IP-адреса организациям, желающим поместить компьютеры в Интернет; количество адресов зависит от размера организации.

Общество Интернет (ISOC) -добровольная организация, которая представляет собой некоторую формальную структуру для администрирования Интернет. Общество Интернет предоставило официальные полномочия IESG принимать решения по стандартам.

2.2. Уровни архитектуры Интернет

Функционирование сети Интернет основано на сложном комплексе протоколов, обеспечивающих выполнение различных функций - от непосредственно передачи данных до управления конфигурацией оборудования сети.

Рис.2.2 иллюстрирует взаимоотношения архитектуры Интернет, определенной ARPA, с моделью OSI, а также поясняет функции каждого из уровней.

Архитектура Интернет была разработана агентством ARPA для соединения компьютеров в государственных, военных, академических и других организациях, в основном, на территории США, что обусловило ее практический характер. С другой стороны, модель OSI охватывала более широкий круг вопросов передачи информации, и в ее рамках не был конкретизирован тип взаимодействующих систем, что породило более «дробное» разбиение на уровни. Однако между той и другой архитектурой имеется очевидное соответствие.

Рис. 2.2 Уровни модели OSI и архитектуры Интернет

Первый уровень модели ARPA - уровень сетевого интерфейса -поддерживает физический перенос информации между устройствами в сети, т.е. объединяет функции двух уровней OSI - физического и звена данных. Уровень сетевого интерфейса обеспечивает физическое соединение со средой передачи, обеспечивает, если это необходимо, разрешение конфликтов, возникающих в процессе организации доступа к среде (например, используя технологию CSMA/CD в сети Ethernet), упаковывает данные в пакеты. Пакет -это протокольная единица, которая содержит информацию верхних уровней, и служебные поля (аппаратные адреса, порядковые номера, подтверждения и т.д.), необходимые для функционирования протоколов этого уровня. Иногда при рассмотрении протоколов этого уровня (Ethernet, HDLC) употребляется также термин кадр (frame).

Сетевой уровень отвечает за передачу информации, упакованной в дейтаграммы (datagram), от одного компьютера к другому. Дейтаграмма - это протокольная единица, которой оперируют протоколы семейства TCP/IP. Она содержит адресную информацию, необходимую для переноса дейтаграммы через сеть, а не только в рамках одного звена данных. Понятие дейтаграммы никак не связано с физическими характеристиками сетей и каналов связи, что подчеркивает независимость протоколов TCP/IP от аппаратуры. Основным протоколом, реализующим функции сетевого уровня, является протокол IP. Этот протокол отвечает за маршрутизацию, фрагментацию и сборку дейтаграмм в рабочей станции.

Обмен между сетевыми узлами информацией о состоянии сети, необходимой для формирования оптимальных маршрутов следования дейтаграмм, обеспечивают протоколы маршрутизации - RIP, EGP, BGP, OSPF и др.

Протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol -ARP) преобразует IP-адреса в адреса, использующиеся в локальных сетях (например, Ethernet). На некоторых рисунках, изображающих архитектуру и взаимосвязь протоколов, ARP размещают ниже IP, чтобы показать его тесную взаимосвязь с Уровнем Сетевого Интерфейса.

Протокол контрольных сообщений - Internet Control Message Protocol (ICMP) предоставляет возможность программному обеспечению рабочей станции или маршрутизатора обмениваться информацией о проблемах маршрутизации пакетов с другими устройствами в сети. Протокол ICMP - необходимая часть реализации стека протоколов TCP/IP.

Когда дейтаграмма проходит по сети, она может быть потеряна или искажена. Транспортный уровень решает эту проблему и обеспечивает надежную передачу информации от источника к приемнику. Кроме того, реализации протоколов этого уровня образуют универсальный интерфейс для приложений, обеспечивающий доступ к услугам сетевого уровня. Наиболее важными протоколами транспортного уровня являются TCP и UDP.

Конечные пользователи взаимодействуют с компьютером на уровне приложений. Разработано множество протоколов, используемых соответствующими приложениями. Например, приложения передачи файлов используют протокол FTP. Web-приложения используют протокол HTTP. Оба протокола FTP и HTTP базируются на протоколе TCP. Приложение Telnet обеспечивает подключение удаленных терминалов. Протокол эксплуатационного управления сетью SNMP позволяет управлять конфигурацией оборудования в сети и собирать информацию об его функционировании, в том числе, и о аварийных ситуациях. Приложения, созданные для организации речевой связи и видеосвязи, используют протокол RТР для передачи информации, чувствительной к задержкам. Х Window - популярный протокол для подключения к интеллектуальному графическому терминалу. Этот список можно продолжать практически бесконечно.

Таким образом, IP-сети используют для передачи информации разнообразные протоколы, причем функции протоколов не зависят оттого, какие данные передаются. Иными словами, IP, ARP, ICMP, TCP, UDP и другие элементы стека протоколов TCP/IP предоставляют универсальные средства передачи информации, какой бы она ни была природы (файл по FTP, Web - страница или аудиоданные).

2.3. Протокол IP версии 4.

В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке протоколов TCP/IP используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP организует пакетную передачу информации от узла к узлу IP-сети, не используя процедур установления соединения между источником и приемником информации. Кроме того, Internet Protocol является дейтаграммным протоколом: при передаче информации по протоколу IP каждый пакет передается от узла к узлу и обрабатывается в узлах независимо от других пакетов.

Протокол IP не обеспечивает надежность доставки информации, так как он не имеет механизмов повторной передачи. Он не имеет также и механизмов управления потоком данных (flow-control). Дейтаграммы могут быть потеряны, размножены, или получены не в том порядке, в каком были переданы.

Протокол IP базируется на протоколе уровня звена данных, который обеспечивает передачу данных по физической среде. Программный модуль, реализующий протокол IP, определяет маршрут переноса данных по сети до точки назначения, или до промежуточного маршрутизатора, где дейтаграмма извлекается из кадра локальной сети и направляется в канал, который соответствует выбранному маршруту. Дейтаграммы могут разбиваться на более мелкие фрагменты, или, наоборот, несколько дейтаграмм могут объединяться в одну на стыке разных сетей, если эти сети поддерживают передачу дейтаграмм разной длины.

В каждой рабочей станции, подключенной к IP-сети, обработка IP-дейтаграмм, производится по одним и тем же правилам адресации, фрагментации и маршрутизации. Рабочие станции рассматривают каждую дейтаграмму как независимую протокольную единицу, так как протокол IP не использует логических соединений или каких-либо других средств идентификации виртуальных каналов³.

На рис.2.3. показана структура протокольной единицы протокола IP-дейтаграммы.

Поле версия (version) идентифицирует используемую версию протокола IP, в рассматриваемом случае указывается версия 4. Необходимость этого поля объясняется тем, что в переходный период в сети могут использоваться протоколы разных версий.

Поле длина заголовка (header length), состоящее из 4 битов, определяет длину заголовка, причем длина указывается как количество блоков размером 32 бита. В типичном случае значение этого поля равно 5.

Версия (Version)	Длина заголовка
Тип обслуживания
Общая длина
Идентификатор фрагмента
Флаги	Смещение фрагмента
Время жизни
Протокол
Контрольная сумма заголовка
Адрес отправителя
Адрес получателя
Опциональные поля и заполнение
Данные

Рис.2.3. IP-дейтаграмма

Поле тип обслуживания (Type of Service) содержит информацию, которая бывает нужна при поддержке сетью разных классов обслуживания. Использование этого поля в Интернет будет возрастать по мере роста в IP-сетях возможностей передачи мультимедийного трафика с задаваемыми параметрами качества обслуживания. Более подробную информацию на эту тему можно найти в главе 10.

Поле общая длина (Total Length) определяет общую длину дейтаграммы в октетах (байтах), включая заголовок и полезную нагрузку. Максимальная длина дейтаграммы составляет 65535 октетов, однако, на практике, все рабочие станции и маршрутизаторы работают с длинами, не превышающими 576 байтов. Это объясняется тем, что при превышении указанной длины, снижается эффективность работы сети.

Протокол IP использует 3 поля заголовка для управления фрагментацией/сборкой дейтаграмм. Как уже упоминалось, фрагментация необходима потому, что разные сети, по которым передаются дейтаграммы, имеют разные максимальные размеры кадра.

Идентификатор фрагмента (Identifier) обозначает все фрагменты одной дейтаграммы, что необходимо для ее успешной сборки на приемной стороне.

Поле флагов (Flags) обеспечивает возможность фрагментации дейтаграмм и, при использовании фрагментации, позволяет идентифицировать последний фрагмент дейтаграммы.

Поле смещение фрагмента (Fragment Offset) определяет положение фрагмента относительно исходной дейтаграммы в единицах, равных 8 октетам.

Поле время жизни (TTL - Time To Live) используется для ограничения времени, в течение которого дейтаграмма находится в сети. Каждый маршрутизатор сети должен уменьшать значение этого поля на единицу, и отбрасывать дейтаграмму, если поле TTL приняло нулевое значение. Наличие поля TTL ограничивает возможность бесконечной циркуляции дейтаграммы по сети, например, в случае, если по какой-либо причине маршрут, по которому она следует, оказался «закольцованным».

Поле протокол (Protocol) идентифицирует протокол верхнего уровня (TCP, UDP и т.д.).

Поле контрольная сумма заголовка (Header Checksum) обеспечивает возможность контроля ошибок в заголовке. Алгоритм подсчета контрольной суммы весьма прост, поскольку обычно протоколы нижнего уровня имеют более развитые средства контроля ошибок.

IP-дейтаграммы содержат в заголовке два адреса - отправителя (Source) и получателя (Destination), которые не меняются на протяжении всей жизни дейтаграммы.

Подробнее структура и функции протокола IPv4 описаны в RFC-791.

2.4. Протокол IP версии 6.

В начале 90-х годов интенсивное коммерческое использование Интернет привело к резкому росту количества узлов сети, изменению характеристик трафика и ужесточению требований к качеству обслуживания. Сообщество Интернети весь телекоммуникационный мир начали решать новые задачи путем внедрения новых протоколов в рамках стека протоколов TCP/IP, таких как протокол резервирования ресурсов RSVP, MPLS и т.д. Однако стало ясно, что только таким путем развивать технологию нельзя - нужно идти на модернизацию святая святых стека - протокола IP, так как некоторые проблемы нельзя решить без изменения формата заголовка дейтаграмм и логики его обработки.

Как уже отмечалось выше, самой насущной проблемой становится нехватка адресного пространства, что требует изменения формата адреса.

Другой проблемой является недостаточная масштабируемость процедуры маршрутизации - основы IP-сетей. Быстрый рост сети вызывает перегрузку маршрутизаторов, которые уже сегодня вынуждены поддерживать таблицы маршрутизации с десятками и сотнями тысяч записей, а также решать проблемы фрагментации пакетов. Облегчить работу маршрутизаторов можно, в частности, путем модернизации протокола IP.

Комитет IETF намеревается решить существующие проблемы с помощью межсетевого протокола нового поколения - IPng, известного также как IPv6.

Наряду с вводом новых функций непосредственно в протокол IP, целесообразно обеспечить более тесное взаимодействие его с новыми протоколами, путем введения в заголовок пакета новых полей. Например, работу механизмов обеспечения гарантированного качества обслуживания облегчает внесение в заголовок метки потока, а работу IPSec - внесение в заголовок поля аутентификации.

В результате было решено подвергнуть протокол IP модернизации, преследуя следующие основные цели:

• создание новой расширенной схемы адресации;

• улучшение масштабируемости сетей за счет сокращения функций магистральных маршрутизаторов;

• обеспечение защиты данных.

Работы по модернизации протокола IP начались в 1992 году, когда было предложено несколько альтернативных вариантов спецификаций. С тех пор в рамках IETF была проделана огромная работа, в результате которой в августе 1998 года были приняты окончательные версии стандартов, определяющих как общую архитектуру IPv6 (RFC 2460 «Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification»), так и отдельные компоненты данной технологии (RFC 2373 «IP Version 6 Addressing Architecture»).

2.4.1.Осообенности IPv6.

Расширение адресного пространства. Протокол IP решает потенциальную проблему нехватки адресов за счет расширения адреса до 128 битов. Однако такое существенное увеличение длины адреса было сделано, в значительной степени, не с целью снять проблему дефицита адресов (для этого было бы достаточно гораздо более скромной размерности), а для повышения эффективности работы сетей на основе этого протокола. Главной целью было структурное изменение системы адресации, расширение ее функциональных возможностей.

Вместо существующих двух уровней иерархии адреса (номер сети и номер узла) в протоколе IPv6 предлагается использовать четыре уровня, что предполагает трехуровневую идентификацию сетей и один уровень для идентификации узлов. За счет увеличения числа уровней иерархии в структуре адреса, новый протокол эффективно поддерживает технологию агрегации адресов (CIDR), которая упоминалась выше. Благодаря этой особенности, а также усовершенствованной системе групповой адресации и введению нового типа адресов (anycast), IPv6 позволяет уменьшить затраты ресурсов оборудования на маршрутизацию.

В 6 версии протокола IP принята новая форма записи адреса, так как при определении адреса сети граница маски часто не совпадает с границей байтов адреса, и десятичная запись в данном случае неудобна. Теперь адрес записывается в шестнадцатиричном виде, причем каждые четыре цифры отделяются друг от друга двоеточием, например:

FEDC:OA96:0:0:0:0:7733:567A.

Для сетей, поддерживающих обе версии протокола - IPv4 и IPv6, -имеется возможность использовать для младших 4 байтов традиционную десятичную запись, а для старших - шестнадцатиричную:

0:0:0:0:0:FFFR 194.135.75.104.

Типы адресов. Для IPv6 определены следующие основные типы адресов:

• unicast;

• multicast;

• anycast.

Типы адресов определяются содержимым нескольких старших битов адреса, которые получили название префикса формата.

Адрес типа unicast представляет собой уникальный идентификатор сетевого интерфейса рабочей станции или маршрутизатора и по смыслу полностью идентичен уникальному адресу IPv4. Однако в версии 6 отсутствует понятие класса сети и фиксированное разбиение адреса на адрес сети и адрес узла по границам байтов.

Адрес типа multicast - групповой адрес, необходимый для многоадресной рассылки. Он характеризуется префиксом формата 11111111И идентифицирует группу интерфейсов, относящихся к разным рабочим станциям. Пакеты с такими адресами доставляются ко всем интерфейсам, входящим в группу. Существует также предопределенный адрес, обозначающий все интерфейсы подсети. В составе группового адреса IPv6 имеется поле scope, которое определяет, входят ли в группу рабочие станции одной подсети, всех подсетей предприятия, или рабочие станции, рассредоточенные по сети Интернет. Кроме того, предусмотрен признак, позволяющий определить, является ли группа постоянной или временной, что также облегчает работу маршрутизаторов.

Адрес типа anycast - новый тип адреса, определяющий, как и multicast, группу интерфейсов. Но пакет с таким адресом доставляется не всем членам группы, а какому-либо одному, как правило, «ближайшему» с точки зрения маршрутизатора. Такой адрес синтаксически никак не отличается от адреса типа unicast и выделяется из того же диапазона. Anycast-адрес может быть присвоен только сетевым интерфейсам маршрутизатора. Интерфейсам маршрутизатора будут присваиваться индивидуальные unicast-адреса и общий anycast-адрес. Адреса anycast ориентированы на определение маршрута узлом-отправителем. Например, у абонента есть возможность обеспечить прохождение своих пакетов через сеть конкретного поставщика, указав в цепочке адресов маршрута anycast-адрес, присвоенный всем маршрутизаторам в сети этого поставщика. В таком случае пакет будет передан на «ближайший» подходящий маршрутизатор именно этой сети.

В рамках системы адресации IPv6 имеется также выделенное пространство адресов для локального использования, т.е. для сетей, не входящих в Интернет. Существует две разновидности локальных адресов: для «плоских» сетей, не разделенных на подсети (Link-Local), и для сетей, разделенных на подсети (Site-Local), различающиеся значением префикса.

В настоящий момент распределено порядка 15% адресного пространства IPv6, что определяет широкие возможности развития сетей и приложений, их использующих.

Изменение формата заголовков пакетов. Многолетний опыт практического применения протокола показал неэффективность использования некоторых полей заголовка, а также выявил необходимость добавить поля, упрощающие идентификацию пакетов, которые требуют специальной обработки, поля, облегчающие реализацию процедур шифрования, и некоторые другие.

Реализовать это позволяет новая схема организации «вложенных заголовков», обеспечивающая разделение заголовка на основной, который содержит необходимый минимум информации, и дополнительные, которые могут отсутствовать. Такой подход открывает богатые возможности для расширения протокола путем определения новых опциональных заголовков, делая протокол открытым.

Основной заголовок дейтаграммы IPv6 длиной 40 байтов имеет следующий формат (рис.2.4).

Версия (4 бита)	Класс Трафика (8 бит)		Метка Потока (20 бит)
Длина (16 бит)		След.Заголовок (8 бит)		Лимит Переходов (8 битов)
Адрес Отправителя (128 бит)
Адрес Получателя (128 бит)

Рис.2.4. Формат основного заголовка дейтаграммы IPv6

Поле Класс Трафика (Traffic Class) эквивалентно по назначению полю Тип Обслуживания (Type Of Service), а поле Лимит Переходов (Hop Limit) - полю Время Жизни (Time To Live) протокола IPv4, рассмотренного в предыдущем параграфе.

Поле Метка Потока (Flow Label) позволяет выделять и особым образом обрабатывать отдельные потоки данных без необходимости анализировать содержимое пакетов. Это очень важно с точки зрения снижения нагрузки на маршрутизаторы.

Поле Следующий Заголовок (Next Header) является аналогом поля Протокол (Protocol) IPv4 и определяет тип заголовка, следующего за основным. Каждый следующий дополнительный заголовок также содержит поле Next Header. Если дополнительные заголовки отсутствуют, то это поле содержит значение, присвоенное тому из протоколов TCP, UDP, OSPF, который используется для переноса полезной нагрузки данной дейтаграммы.

В рамках спецификаций IPv6 определены заголовки следующих типов.

- Заголовок Routing - содержит информацию о маршруте, выбранном отправителем дейтаграммы.

- Заголовок Fragmentation -содержит информацию о фрагментации дейтаграммы и обрабатывается только конечными узлами сети.

- Заголовок Authentication - содержит информацию, необходимую для проверки подлинности отправителя дейтаграммы.

- Заголовок Encapsulation - содержит информацию, необходимую для обеспечения конфиденциальности данных путем шифрования.

- Заголовок Hop-by-Hop Options - специальные параметры обработки пакетов.

- Заголовок Destination Options - дополнительные параметры для узла назначения.

Снижение нагрузки на маршрутизаторы. При переходе к протоколу IPv6 могут быть уменьшены расходы на реализацию функций маршрутизации в сети, а маршрутизаторы могут быть оптимизированы для выполнения их основной функции - продвижения пакетов. Это становится возможным благодаря следующим особенностям нового протокола.

Дополнительные заголовки обрабатываются только конечными узлами и краевыми маршрутизаторам. Это упрощает логику работы маршрутизаторов и позволяет легче реализовать важные функции на аппаратном уровне.

Функции поддержки фрагментации переносятся в конечные узлы или краевые маршрутизаторы. Конечные узлы должны найти минимальный размер пакета вдоль всего пути до узла назначения (эта технология называется Path MTU discovery и уже используется для протокола IPv4) и не передавать пакеты с размером, превышающим найденное значение. Маршрутизаторы, поддерживающие протокол IPv6, в ядре сети могут не обеспечивать фрагментации, а только передавать сообщение протокола IСМР - «слишком длинный пакет» к конечному узлу, который должен соответственно уменьшить размер пакета.

Агрегация адресов ведет к уменьшению размеров адресных таблиц маршрутизаторов и, соответственно, к уменьшению времени их просмотра.

Широкое использование маршрутизации, управляемой отправителем (например, пограничным маршрутизатором), освобождает маршрутизаторы в ядре сети от просмотра адресных таблиц при выборе следующего маршрутизатора,

В качестве адреса узла в локальной сети можно использовать МАС-адрес сетевого интерфейса, что избавляет от необходимости применять протокол ARP.

Переход к протоколу IP версии 6. Так как IPv6 представляет собой естественное развитие предыдущей версии, он с самого начала спроектирован с учетом возможности поэтапного мягкого перехода к его использованию, что требует обеспечения взаимодействия узлов с разными версиями протоколов. Способы, которые используются для организации совместной работы протоколов IPv6 и IPv4, вполне традиционны:

- Установка на некоторых сетевых узлах сразу двух стеков протоколов, так что при взаимодействии с рабочими станциями, поддерживающими разные версии протокола, используется соответствующий стек протоколов TCP/IP. Маршрутизаторы могут в данном случае обрабатывать оба протокола независимо друг от друга.

- Конвертирование протоколов при помощи специальных шлюзов, которые преобразуют пакеты IPv4 в пакеты IPv6 и обратно. Важнейшая часть этого процесса - преобразование адресов. Для упрощения данной процедуры применяются так называемые «IРv4-совместимые адреса IPv6», которые содержат в четырех младших байтах адрес, используемый в протоколе IPv4.

- Инкапсуляция - Туннелирование одного протокола в сетях, построенных на основе другого протокола. При этом пакеты одного протокола помещаются в пакеты другого в пограничных устройствах. Недостаток метода состоит в том, что в данном случае сети никак не взаимодействуют между собой. В настоящее время развернута опытная зона эксплуатации IPv6 под названием 6Вопе, которая использует технологию инкапсуляции пакетов IPv6 при их транзите через части сети Интернет, не поддерживающие этот протокол.

2.5. Протокол TCP.

Протокол управления передачей информации - Transmission Control Protocol (TCP) - был разработан для поддержки интерактивной связи между компьютерами. Протокол TCP обеспечивает надежность и достоверность обмена данными между процессами на компьютерах, входящих в общую сеть.

К сожалению, протокол TCP не приспособлен для передачи мультимедийной информации. Основная причина-обеспечение требуемой достоверности путем повторной передачи потерянных пакетов. Пока передатчик получит информацию о том, что приемник не принял очередной пакет, и передаст его снова, проходит слишком много времени. Приемник вынужден либо ждать прихода повторно переданного пакета, разрушая структуру потоковых данных, либо игнорировать этот пакет, игнорируя одновременно принятый в TCP механизм обеспечения достоверности. Кроме того, TCP предусматривает механизмы управления скоростью передачи с целью избежать перегрузок сети. Аудиоданные и видеоданные требуют, однако, строго определенных скоростей передачи, которые нельзя изменять произвольным образом.

С одной стороны протокол TCP взаимодействует с прикладным протоколом пользовательского приложения, а с другой стороны - с протоколом, обеспечивающим «низкоуровневые» функции маршрутизации и адресации пакетов, которые, как правило, выполняет IP.

В модели межсетевого соединения взаимодействие TCP и протоколов нижнего уровня, вообще говоря, не специфицировано, за исключением того, что должен существовать механизм, который обеспечивал бы асинхронную передачу информации от одного уровня к другому. Результатом работы этого механизма является инкапсуляция протокола более высокого уровня в тело протокола более низкого уровня. Каждый TCP-пакет вкладывается в «пакет» протокола нижележащего уровня, например, IP. Получившаяся таким образом дейтаграмма содержит в себе TCP-пакет так же, как TCP-пакет содержит пользовательские данные.

Простейшая модель работы TCP-протокола выглядит обманчиво гладко, поскольку на самом деле его работа изобилует множеством деталей и тонкостей.

Логическая структура сетевого программного обеспечения, реализующего протоколы семейства TCP/IP в каждом узле сети Internet, изображена на рис.2.5.

Прямоугольники обозначают модули, обрабатывающие данные, а линии, соединяющие прямоугольники, - пути передачи данных. Горизонтальная линия внизу рисунка обозначает сеть Ethernet, которая используется в качестве примера физической среды. Понимание этой логической структуры является основой для понимания всей технологии TCP/IP.

Рис.2.5. Структура сетевого программного обеспечения стека протоколов TCP/IP

Потоки, стек протоколов, механизм портов и мультиплексирование. Чтобы установить соединение между двумя процессами на разных компьютерах сети, необходимо знать не только Internet-адреса компьютеров, но и номера тех ТСР-портов (sockets), которые процессы используют на этих компьютерах. Любое TCP-соединение в сети Internet однозначно идентифицируется двумя IP-адресами и двумя номерами ТСР-портов.

Рассмотрим потоки данных, перенос которых обеспечивают протоколы. При использовании протокола TCP данные передаются между прикладным процессом и модулем TCP. Типичным прикладным протоколом, использующим протокол TCP, является FTP (File Transfer Protocol, Протокол переноса файлов). Стек протоколов в этом случае выглядит следующим образом: FTP/TCP/IP/Ethernet. При использовании протокола UDP (User Datagram Protocol, Протокол дейтаграмм пользователя) данные передаются между прикладным процессом и модулем UDP. Транспортными услугами протокола UDP пользуется, например, SNMP (Simple Network Management Protocol, Простой протокол эксплуатационного управления сетью). Его стек протоколов выглядит так: SNMP/UDP/IP/ Ethernet.

Один порт компьютера может быть задействован в соединениях с несколькими портами удаленных компьютеров. Таким образом, механизм портов позволяет работать на одном компьютере одновременно нескольким приложениям и однозначно идентифицировать каждый поток данных в сети. Это называется мультиплексированием соединений.

Модули TCP, UDP и драйвер Ethernet являются мультиплексорами типа n x 1. Действуя как мультиплексоры, они переключают несколько входов на один выход. Они также являются демультиплексорами типа 1 х п. Как демультиплексоры, они переключают один вход на один из многих выходов в соответствии с определенным полем в заголовке протокольного блока данных (в Ethernet-кадре это поле «тип»). Когда Ethernet-кадр попадает в драйвер сетевого интерфейса Ethernet, он может быть направлен либо в модуль ARP, либо в модуль IP. (Значение поля «тип» в заголовке кадра указывает, куда должен быть направлен Ethernet-кадр.)

Если IP-пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP, либо UDP, что определяется полем «Protocol» в заголовке IP-пакета. Если TCP-сообщение попадает в модуль TCP, то выбор прикладной программы, которой должно быть передано сообщение, производится на основе значения поля «порт» в заголовке TCP-сообщения.

Демультиплексирование данных, передаваемых в обратном направлении, осуществляется довольно просто, так как из каждого модуля существует только один путь «вниз». Каждый протокольный модуль добавляет к пакету свой заголовок, на основании которого машина, принявшая пакет, выполняет демультиплексирование.

Назначение портов для приложений на каждом компьютере производится независимо. TCP может самостоятельно выбирать порт, с которым будет работать приложение, или приложение укажет, с каким портом на данном компьютере оно будет работать. Однако, как правило, часто используемые приложения-сервисы, например, такие как HTTP, FTP, SMTP и др., используют одни и те же номера портов, которые уже стали общеизвестными. Это делается для того, чтобы к данному процессу на компьютере можно было присоединиться, указывая только адрес машины. Например, lnternet-браузер, если ему не указать дополнительно, ищет по указанному адресу приложение, работающее с портом 80 (наиболее распространенный порт для серверов WWW). Кроме того, рабочая станция может быть снабжена несколькими сетевыми интерфейсами, тогда она должна осуществлять мультиплексирование типа n х т, т. е. между несколькими прикладными программами и несколькими интерфейсами.

2.5.1. Состав и назначение полей заголовка.

Пакеты протокола TCP переносятся в поле «Данные» IP-дейтаграммы. Заголовок пакета TCP следует за заголовком дейтаграммы. Структура заголовка пакета TCP представлена на рис.2.6.

Порт отправителя						Порт получателя
Порядковый номер
Номер при подтверждении
Смещение данных	Резерв	U R G	А С К	Р S Н	R S Т		S Y N	F I N	Окно
Контрольная сумма									Указатель срочности
Опции | Заполнение
Данные

Рис.2.6. Заголовок пакета TCP Порт отправителя (Source Port, 6 битов). Порт получателя (Destination Port, 16 битов).

Порядковый номер (Sequence Number, 32 бита). Если в пакете отсутствует флаг SYN, то это - номер первого октета данных в этом пакете. Если флаг SYN в пакете присутствует, то номер данного пакета становится номером начала последовательности (ISN), и номером первого октета данных становится номер ISN+1.

Номер при подтверждении (Acknowledgment Number, 32 бита) -если пакет содержит установленный флаг АСК, то это поле содержит номер следующего ожидаемого получателем октета данных. При установленном соединении пакет подтверждения отправляется всегда.

Поле величины смещения данных (Data Offset,4 бита) указывает количество 32-битовых слов заголовка TCP-пакета.

Резерв (Reserved, 6 битов) - зарезервированное поле. Флаги управления (слева направо):

URG - флаг срочности,

АСК - флаг пакета, содержащего подтверждение получения,

PSH - флаг форсированной отправки,

RST - сброс соединения,

SYN - синхронизация порядковых номеров,

FIN - флаг окончания передачи со стороны отправителя.

Окно (Window, 16 битов) - поле содержит количество байтов данных, которое отправитель данного сегмента может принять, считая от байта с номером, указанным в поле Номер при подтверждении.

Поле контрольной суммы (Checksum, 16 битов).

Поле указателя срочности данных (Urgent Pointer, 16 битов). Это поле содержит номер пакета, начиная с которого следуют пакеты повышенной срочности. Указатель принимается во внимание только в сегментах с установленным флагом URG.

Опции (Options) - поле дополнительных параметров, может быть переменной длины.

Заполнение (Padding) - поле, заполняемое нулями для выравнивания заголовка до размера, кратного 32-битам.

Более подробное описание протокола TCP можно найти в RFC-793, RFC-1180.

2.6. Протокол UDP

Протокол передачи пользовательских дейтаграмм - User Datagram Protocol (UDP) значительно проще рассмотренного в предыдущем параграфе протокола TCP и предназначается для обмена дейтаграммами между процессами компьютеров, расположенных в объединенной системе компьютерных сетей.

Протокол UDP базируется на протоколе IP и предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, немногим отличающиеся от услуг протокола IP. Протокол UDP обеспечивает негарантированную доставку данных, т.е. не требует подтверждения их получения;

кроме того, данный протокол не требует установления соединения между источником и приемником информации, т. е. между модулями UDP.

К заголовку IP-пакета протокол UDP добавляет служебную информацию в виде заголовка UDP-пакета (рис.2.7).

Порт отправителя	Порт получателя
Длина	Контрольная сумма
Данные
…

Рис.2.7. Формат UDP-пакета

Порт отправителя (Source Port) - поле указывает порт рабочей станции, передавшей дейтаграмму. На этот порт следует адресовать ответную дейтаграмму. Если данное поле не используется, оно заполняется нулями.

Порт получателя (Destination Port) - поле идентифицирует порт рабочей станции, на которую будет доставлен пакет.

Длина (Length) - это поле информирует о длине UDP-пакета в октетах, включая как заголовок, так и данные. Минимальное значение длины равно восьми.

Контрольная сумма (Checksum) - поле проверки правильности передачи данных заголовка пакета, псевдозаголовка и поля полезной нагрузки пакета. Если данное поле не используется, оно заполняется нулями.

Модуль IP, реализованный в принимающей рабочей станции, передает поступающий из сети IP-пакет модулю UDP, если в заголовке этого пакета указано, что протоколом верхнего уровня является протокол UDP. При получении пакета от модуля IP модуль UDP проверяет контрольную сумму, содержащуюся в его заголовке. Если контрольная сумма равна нулю, значит, отправитель ее не подсчитал. Протоколы UDP и TCP имеют один и тот же алгоритм вычисления контрольной суммы (RFC-1071), но механизм ее вычисления для UDP-пакета имеет некоторые особенности. В частности, UDP-дейтаграмма может содержать нечетное число байтов, и в этом случае к ней, для унификации алгоритма, добавляется нулевой байт, который никуда не пересылается.

Более подробную информацию о протоколе UDP можно найти в RFC-768.

Практическое занятие 3.

Модель OSI и TCP-IP.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Ознакомление с техническим неадаптированным текстом по заданной теме на английском языке, со стеком протоколов TCP/IP, соответствием протоколов уровням модели OSI, структурой дейтаграмм.

ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

1. При подготовке к практическому занятию изучить вопросы:

- семейство протоколов TCP/IP

- соответствие протоколов TCP/IP модели OSI

- назначение протоколов TCP UDP IP

- структуры дейтаграмм, назначение полей дейтаграммы

2. Получить задание у преподавателя в соответствии с вариантом таблицы.3.1

Задание. Начальные данные в IP пакете, выраженные в 16-ричном виде имеют вид

45 00 00 28 00 01 00 00 01 02 . . . . . .

Через сколько маршрутизаторов может пройти пакет до удаления?

Назовите имя протокола верхнего уровня? Назовите тип обслуживания, Ответ поясните.

Таблица.3.1. Варианты заданий.

Вариант	Задание
1	45 00 00 28 00 01 00 00 03 02 . . . . . .
2	45 00 00 28 00 01 01 00 02 06 . . . . . .
3	45 00 00 28 00 01 01 00 00 17 . . . . . .
4	45 00 00 28 00 01 01 00 20 10 . . . . . .
5	45 00 00 28 00 01 01 00 10 89 . . . . . .

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Для выполнения лабораторной работы имеются:

- Слайды презентации

- Программа

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

При выполнении задания рекомендуется соблюдать следующую последовательность:

1. Изучить методические указания к данному практическому занятию.

2. Получить у преподавателя задание

3. Выполнить практическую часть

4. Ответить на контрольные вопросы.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Структура протокола TCP/IP.

2. Решенное задание, по варианту.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На каком уровне используются протоколы TCP/IP.

2. Назначение IP- протокола.

3. Что вы понимаете под маршрутизацией IP- пакетов.

4. Что такое IP- дейтаграмма.

5. Дайте определение IP- адреса.

6. Перечислите виды IP-адресов.

7. Назначение протокола TCP.

8. Обеспечивает ли надежную доставку протокол TCP.

9. Назначение протокола FTP.

10. Назначение протокола SNMP.

11. Назначение протокола Telnet.

12. Назначение протокола SMTP.

13. Что называется размером окна?

14. Что входит в заголовок пакета TCP?

15. Что такое время жизни пакета? В чём оно измеряется?

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева. IP-телефония. ИТЦ Эко-Трендз. 2002.

2. Б.С. Гольштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-телефония. Москва. Радио и связь. 2003.

3. Материалы курса «IP-телефония» сайта Интранет ТУИТ http://www.teic.uz/dlnet

4. Садчикова С.А. IP-телефония. Учебное пособие для студентов специальностей 5А522202, 5А522203, 5А522205, 5А522216. ТУИТ. 2008.

5. Young-Tak Kim. Next Generation Internet. Ch 5. Internet Protocol (IP). Ch 2. Protocol Reference Model and TCP-IP Protocol Suite. Tashkent. 2004. http://antl.yu.ac.kr

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

Стек TCP/IP построен в соответствии 7 уровневой моделью OSI.

Для чего введено разбиение на уровни

u Layering simplifies design, implementation, and testing by partitioning

u overall communications process into parts

u Protocol in each layer can be designed separately from those in other layers

u Protocol makes “calls” for services from layer below

u Layering provides flexibility for modifying and evolving protocols and services without having to change layers below

u Monolithic non-layered architectures are costly, inflexible, and soon obsolete

7-уровней модели OSI

Pic.3.1. 7 levels of OSI model.

Функции сетевого уровня

q Internetworking

u Internetworking is part of network layer and provides transfer of packets across multiple possibly dissimilar networks

u Gateways (routers) direct packets across networks

Pic.3.2. Internetworking.

Транспортный уровень

q Transport Layer

u Transfers data end-to-end from process in a machine to process in another machine

u Reliable stream transfer (TCP) or quick-and-simple single-block transfer (UDP)

u Port numbers enable multiplexing

u Message segmentation and reassembly

u End-to-end connection setup, maintenance, and release

Pic.3.3. Transport Layer.

Уровни приложения

q Application & Upper Layers

u Application Layer: Provides services that are frequently required by applications: DNS, web acess, file transfer, email…

u Presentation Layer: machine-independent representation of data (i.e. data compression standards MP3, MPEG, JPEG)

u Session Layer: dialog management (start of session/dialog, mediator, end of session/dialog), recovery from errors, …

Incorporated into Application Layer in TCP/IP Protocol Suite

Pic.3.4. Incorporation of Application Layer in OSI and TCP/IP suite

Заголовки и трейлеры

q трейлер ( запись с контрольной суммой в конце массива данных )

u Each protocol uses a header that carries addresses, sequence numbers, flag bits, length indicators, etc…

u CRC check bits may be appended for error detection

Pic.3.5. TCP/IP headers and traylers.

Стек протоколов TCP/IP

Pic.3.6. Application – transport level programs of TCP/IP suite.

q Global identification with layer addresses

Pic.3.7. Identification with layer addresses.
Практическое занятие 4.

Шлюзы Н.323. Классификация шлюзов IP-телефонии.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Ознакомление с характеристиками и классификацией шлюзов IP-телефонии.

ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

1. При подготовке к практическому занятию изучить вопросы:

- Характеристики шлюзов IP-телефонии

- Классификация шлюзов

2. Получить задание у преподавателя в соответствии с вариантоми таблицы.4.1, 4.2.

2.1. Пояснить значение параметра в соответствии с вариантом таблицы 4.1.

2.2. В технических описаниях или на сайтах компаний-производителей коммутационного оборудования найти пример описания шлюза по варианту таблицы 4.2. Нарисовать схему подключения шлюза и схему соединения шлюзов между собой.

Таблица.4.1. Варианты заданий.

Классификация шлюзов IP-телефонии.
вариант	Задание
1	Совместимость со стандартом Н.323
2	Наличие механизмов резервирования ресурсов
3	Поддержка основных телефонных интерфейсов и типов сигнализаций
4	Транспортные архитектуры
5	Масштабируемость
6	Обеспечение факс-связью
7	Управление шлюзом
8	Возможность установки различных алгоритмов кодирования речи

Таблица.4.2. Варианты заданий.

Классификация шлюзов IP-телефонии.
вариант	Задание
9	Маршрутизаторы-шлюзы
10	RAS-шлюзы
11	Шлюзы-модули для УПАТС
12	Шлюзы с интеграцией бизнес-приложений
13	Автономные IP-шлюзы
14	Учрежденческие АТС на базе шлюзов
15	Сетевые платы с функциями телефонии
16	Автономные IP-телефоны

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Для выполнения лабораторной работы имеются:

- Слайды презентации

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

При выполнении задания рекомендуется соблюдать следующую последовательность:

1. Изучить методические указания к данному практическому занятию.

2. Получить у преподавателя задание

3. Выполнить практическую часть

4. Ответить на контрольные вопросы.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Описание назначения шлюза,

2. Структурная схема шлюза с описанием основных блоков.

3. Решенное задание, по варианту.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На каком уровне стека протоколов TCP/IP работают шлюзы?

2. Что означает термин «классификация шлюзов по области применения»?

3. Что означает термин «классификация шлюзов по исполнению»

4. Пояснить назначение шлюза «Протей-ITG».

5. Перечислить основные компоненты шлюза, пояснить их назначение.

6. Как шлюз подключается к телефонной сети, а как к сети коммутации IP-пакетов?

7. Какие системы сигнализации поддерживает шлюз (со стороны ТфОП и со стороны IP-сети)?

8. Перечислить функциональные характеристики шлюза.

9. Каким образом подключаются шлюзы?

10. Каким образом соединяются шлюзы между собой?

11. Назначение протокола Telnet.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева. IP-телефония. ИТЦ Эко-Трендз. 2002.

2. Б.С. Гольштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-телефония. Москва. Радио и связь. 2003.

3. Материалы курса «IP-телефония» сайта Интранет ТУИТ http://www.teic.uz/dlnet

4. Кузнецов А.Е., Пинчук А. В., Суховицкий А.Л. Построение сетей IP-телефонии /Компьютерная телефония, 2000, №6.

5. А.Б. Гольдштейн, В.В. Саморезов. Методические указания по проведению

лабораторных работ и практических занятий по курсу «IP-телефония» для студентов, обучающихся специальности 2009 – Сети связи и системы коммутации. Санкт-Петербург. 2002

6. Садчикова С.А. IP-телефония. Учебное пособие для студентов специальностей 5А522202, 5А522203, 5А522205, 5А522216. ТУИТ. 2008.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

4.1. Характеристики шлюзов IP-телефонии.

В общем случае IP-телефония опирается на две основных операции: преобразование двунаправленной аналоговой речи в цифровую форму внутри кодирующего/декодирующего устройства (кодека) и упаковку в пакеты для передачи по IP. Эти функции чаще всего выполняют автономные шлюзовые устройства, которые имеют несколько разновидностей. Это могут быть выделенные устройства или совмещенные маршрутизаторы/коммутаторы со встроенным аппаратным и программным обеспечением шлюза. Другой тип автономных устройств представляют пограничные устройства, где шлюз объединен с удаленным доступом и пулом модемов. Положение шлюзов в сети IP-телефонии показано на рис. 3.3. Независимо от способа аппаратной реализации шлюзы IP-телефонии могут иметь ряд характеристик, которые приведены ниже.

· Совместимость со стандартом Н.323

Базовым протоколом для работы IP-оборудования подавляющим большинством производителей был принят протокол, описанный МСЭ-Т в рекомендации Н.323ч2, стандартизирующей мультимедийную связь в сетях с коммутацией пакетов.

Пользователи мультимедийных персональных компьютеров с программным обеспечением Н.323 могут подключиться к такой системе шлюзов. Вызовы при это м могут быть направлены на поддерживающие Н.323 шлюзы других производителей. В результате данная система будет обеспечивать интеграцию речи, видео и данных в реальном времени для приложений по организации совместной работы в рабочих группах, например MicrosoA NetM ecting.

Стандарты, отличные от Н.323, используют в своей работе шлюзы СХ950 Access Switch компании Memotec Communications Inc., F-50 IP и F-200 IP компании Neura Communications Inc., VIP Gateway от Nortel Networks, сетевые станции Network Exchange 2201/2210 фирмы Netrix Corp.

· Наличие механизмов резервирования ресурсов

Поддержка какой-либо схемы приоритезации (протокол резервирования RSVP или байт дифференциации услуг — DS byte) для осуществления возможности выбора приоритета между передаваемой речью или данными является важной характеристикой шлюза. При этом протокол RSVP позволяет маршрутизаторам придерживать часть полосы пропускания для организации голосового трафика. У шлюзов IPT (Ericsson Inc.), Netblazer 8500 (Digit International), Packetstar IP Gateway 1000 (Lucent Technologies Inc.), Vocaltec Telephony Gateway (Vocaltec Communications ), Webphone Gateway Exchange (Netspeak Corp.) эта возможность отсутствует.

· Поддержка основных телефонных интерфейсов и типов сигнализаций

Важными критериями при оценке характеристик шлюзов является возможно большое разнообразие телефонных интерфейсов, поддерживаемых IP-шлюзом (El, PRI, BRI) и аналогового в частности, а также поддержка основных типов телефонной сигнализации: CAS, DTMF, PRI и ОКС №7. Существенную роль играет поддержка оборудованием механизмов безопасности в соответствии с Рекомендацией Н.235.

· Транспортные архитектуры

Диапазон транспортных архитектур, с которыми работают современные шлюзы, достаточно широк: выделенные линии, ISDN, Frame Relay, АТМ, Ethernet.

Шлюзы, поддерживающие передачу речи через Frame Relay, производят компании 3СОМ (Pathbuilder S200 Voice Access Switch), Cisco (серия 2600, 3600), Motorola (Vanguard 6560/6520), Newbridge Networks Corp. (MainStreetXpress 36100 VoIP Gateway) и другие. Peжим АТМ поддерживают шлюзы, выпускаемые фирмами Lucent Technologies (Packetstar IP Gateway 1000), Cisco (серия 2600, 3600), Ascend Communications (MultiVoice Gateway), Motorola Vanguard 6560/6520 Multiservice Access Device и другие.

· Масштабируемость

Важной характеристикой шлюза является его Масштабируемость, что обеспечивается модульным построением оборудования. На первом этапе развертывания сети IP-телефонии возможно использование неполного ресурса имеющихся портов при постепенном дальнейшем увеличении числа задействованных голосовых портов. При этом число портов соответствует количеству одновременных вызовов, которые может сделать шлюз, поскольку каждый ее порт оснащен собственным цифровым сигнальным процессором (DSP — Digital Signal Processor) для оцифровки голосовых сигналов.

· Обеспечение факс-связью

Подавляющее большинство производимых шлюзов имеют возможность обеспечивать факсимильную связь на базе протокола IP. Она опирается на два основных стандарта, предложенных МСЭ-Т. Стандарт Т.37 сводит передачу факсов к доставке с промежуточным хранением, так как изображения факсов передаются в виде вложений электронной почты. Благодаря Т.37 факс-аппараты и факс-серверы на базе IP различных поставщиков могут взаимно - действовать друг с другом так же согласованно, как и традиционные факсы. Еще один стандарт Т.38 описывает передачу факсов в реальном времени либо посредством имитации соединения с факс-аппаратом, либо с помощью метода модуляции под названием FaxRelay. Т.38 может использоваться для реализации функциональности, более схожей с традиционной факсимильной связью, например для немедленного подтверждения.

· Управление шлюзом

Шлюзы могут отличаться предусмотренными средствами управления. Данные средства управления имеют своей функцией маршрутизацию вызовов между шлюзами и перекодировку телефонных номеров в IP-адреса. Такими средствами оснащаются почти все шлюзы. Они конструктивно могут быть интегрированы со шлюзом или представлять собой отдельный мультимедийной менеджер конференций или многоголосовый менеджер доступа. Одним из решений является использование единого пакета, включающего в себя средства биллинга, маршрутизации вызовов и сетевого администрирования. Примером является шлюз компании Clarent (C)arent Carrier Gateway), взаимодействующий с пакетом Clarent Command Center, а также пакет Telephony Packet Network компании Northern Telecom I.Ы. (Nortel).

· Возможность установки различных алгоритмов кодирования речи

На показатели качества передаваемого голоса по IР-сети существенно влияет схема кодирования, используемая в шлюзе VoIP при сжатии голосовой информации. Наиболее распространена схема, обеспечивающая наибольшую степень сжатия информации и соответствующая спецификации G.723.1 (до 5,3 кбит/с). Применяются и другие схемы — G.729а, G.711, G.726, G.728. При этом чрезвычайно важной является оснащение шлюза дополнительной установкой используемой схемы сжатия голоса. Для различных задач и при разных условиях владелец имеет возможность определить для работы шлюза тот или иной алгоритм кодирования. Такие шлюзы имеют многие компании: Lucent Technologies Inc. (Packetstar IP Gateway 1000), Hypercom Corp. (серия Integrated Enterprise Network), Memotec Communications Inc. (CX950 Access Switch), Netrix Corp. (сетевые станции Network Exchange 2201, 2210), Vocaltec Communications Ltd. (Vocaltec Telephony Gateway).

4.2. Классификация шлюзов IP-телефонии.

4.2.1. Классификация шлюзов по области применения

Шлюзы IP-телефонии по масштабности применения можно разделить на два основных типа: шлюзы, ориентированные на корпоративное применение, и шлюзы, предназначенные для операторов и поставщиков услуг связи. Продукты последнего типа отличаются большой емкостью и масштабируемостью, присутствием средств аутентификации и мониторинга, а также дополнительных возможностей биллинга. Примерами таких устройств являются следующие шлюзы: IPTC компании Ericsson, PacketStar IP Gateway 1000 компании Lucent Technologies, MainStreetXpress 36100 от Newbridge, Hi-Gate 1000 компании ECI Telecom, Clarent Gateway фирмы Clarent. Типовая инсталляция этих шлюзов предусматривает их подключение с одной стороны к IP-сети (например, через Ethernet-интерфейс), а с другой - к традиционной телефонной сети общего пользования (обычно по Е1-каналам).

4.2.2. Классификация шлюзов по исполнению

1. Автономные IP-шлюзы

Большинство производителей шлюзов предлагает автономные IP-шлюзы, которые обычно состоят из серверов на базе персональных компьютеров с комплектом голосовых плат. Голосовые платы не предназначены для компрессии/декомпрессии звука, поэтому данная операция должна выполняться главным процессором ПК.

Существуют шлюзы на базе ПК-серверов с платами с цифровой обработкой сигналов (Digital Signal Processing, DSP). Фирма Dialogic выпускает плату DM3 IP (с программным обеспечением от VocalTec); Micom - платы IP-телефонии для аналоговых линий, Т-1 и Е-1; NMS - платы E-Fusion Inc., используемые многими разработчиками, в том числе Inter-Tel. Оборудование этого типа производят также компании Vocaltec Communications Ltd., Neura Communications Inc., Netrix Corp. и другие. Автономные устройства могут стать хорошим решением для сетей, уже имеющих маршрутизаторы от различных производителей. Платы-маршрутизаторы, в свою очередь, применимы для дополнительного оснащения работающего оборудования функциями IP-телефонии.

2. Маршрутизаторы-шлюзы

В мире производителей оборудования телекоммуникаций наметилась тенденция к тому, что крупные компании традиционное сетевое оборудование оснащают узлами, отвечающими за IP-телефонию. Одной из первых в этом направлении стала работать компания Cisco Systems (устройства серии 2600 и 3600), за которой последовали другие фирмы (Memotec Comminications Inc. с машиной СХ950 Access Switch, Motorola Inc. с устройством Vanguard). Эта продукция - маршрутизаторы и устройства доступа к распределенным сетям со встроенными шлюзами IP-телефонии - занимает отдельную, важную нишу на рынке сетевого оборудования.

3. RAS-шлюзы

Свою часть рынка оборудования для IP-телефонии занимают шлюзы для VoIP, состоящие из плат, устанавливаемых в серверы дистанционного доступа (RAS). В этом направлении работают компании Ascend Communications и Digi International (устройства Multivoice Gateway и Netblazer 8500 соответственно). Установка устройств данного типа при построении IP-сетей оправдана при работе с приложениями с множеством голосовых портов и имеющими предельно важное значение.

4. Шлюзы-модули для УПАТС

В настоящее время получили распространение шлюзы IP-телефонии, представляющие собой конструктивно модули .для классических учрежденческих АТС. Компании Lucent Technologies и Nortel Networks производят их для своих станций Defmity и Meridian 1. Причем, такая система перед тем, как установить соединение через IP-сеть, проверяет качество связи. В случае достаточного ее качества (норма устанавливается администратором системы), соединение устанавливается. Иначе, вызов направляется по традиционным линиям связи. Таким образом, налицо стремление фирм-производителей постепенно заменять транспортную среду, не затрагивая при этом телефонный сервис, предоставляемый конечным пользователям.

5. Шлюзы с интеграцией бизнес-приложений

По мере развития систем IP-телефонии на ведущие роли выходят сервис-функции. При этом оборудование должно ориентироваться не только на интеграцию трафика, но и на интеграцию бизнес-приложений, позволяющую повысить продуктивность работы предприятий. К таким продуктам следует отнести систему eBridge Interactive Web Responce компании eFusion, обеспечивающую интеграцию Web-служб и центров по обработке вызовов. Она позволяет реализовать службу типа "щелкни и говори" для установления телефонной связи между посетителями Web-узла компании и ее сотрудниками.

6. Учрежденческие АТС на базе шлюзов

Еще одно направление развития оборудования IP-телефонии - построение учрежденческих телефонных систем на базе инфраструктур ЛВС. Примерами такого оборудования могут послужить продукты фирм NBX (приобретена компанией 3COM) и Selsius (приобретена компанией Cisco Systems).

В случае, когда нецелесообразна установка отдельного сервера для преобразования телефонных сигналов в IP-пакеты, используются сетевые устройства, подключаемые напрямую к сети lOBaseT (по типу концентраторов Ethernet). При этом каждый концентратор представляет, по сути, небольшую УАТС с голосовой почтой и автоматическим секретарем, подключаемую через разъем RJ-14 к внешним и внутренним телефонным линиям и через соединители RJ-45 к локальной сети Ethernet.

Обладая простотой управления и наличием встроенных средств компьютерно-телефонной интеграции эти системы в состоянии составить конкуренцию обычным учрежденческим АТС.

7. Сетевые платы с функциями телефонии

Одним из решений IP-телефонии являются многоцелевые сетевые платы с функциями телефонии (небольшие устройства типа Internet PhoneJACK от Quicknet Technologies, EtherPhone фирмы PhoNet Communications или крупные устройства типа плат ATM от Sphere Communications). Такие устройства оборудованы портами RJ-11 для подключения обычного телефонного аппарата.

8. Автономные IP-телефоны

Представляют собой решение "все в одном" для одной линии. По внешнему виду и базовым сервисным возможностям аппаратные реализации IP-телефонов ничем особо не отличаются от обычных телефонов, но их электронная «начинка» позволяет существенно уменьшить нагрузку на персонал, отвечающий за телефонную связь. Такой тип продуктов предлагает компания Cisco Systems.

Помимо аппаратной существуют и программные реализации IP-телефонов. В этом случае персональный компьютер (ПК), оборудованный телефонной гарнитурой или микрофоном и акустическими системами, превращается в многофункциональный коммуникационный центр. Пользователь ПК, кроме доступа к обычному телефонному сервису, получает набор дополнительных возможностей: получение информации о звонящем клиенте (благодаря наличию стандартного интерфейса TAPI к другим программам), контроль за телефонными вызовами и работой с речевой почтой. Примером могут послужить программные продукты NetMeeting от Microsoft и InternetPhone фирмы Vocaltec Communications. Недостатками таких систем является неполная совместимость с Н.323 версии 2, а также отсутствие поддержки функций по обеспечению безопасности в работе с gatekeeper.

4.3. Шлюз Протей-ITG.

Шлюз «Протей-ITG» разработан для сетей VoIP, призванных обеспечить международную и междугородную связь по пониженным, по сравнению с ТфОП, тарифам за счет большей эффективности использования полосы пропускания каналов передачи информации. Комплекс оборудования для организации узла IP-телефонии Протей-IP включает в себя шлюз и биллинговую систему.

Шлюз Протей-ITG (рис.4.1) предназначен для организации доступа абонентов существующей телефонной аналого-цифровой сети общего пользования к сети Интернет через цифровую коммутационную станцию в соответствии с требованиями Минсвязи России к аппаратуре связи, реализующей функции передачи речевой информации по сетям передачи данных с протоколом IP.

Основным функциональным назначением шлюза является преобразование речевой информации, поступающей со стороны ТфОП с постоянной скоростью передачи, в вид пригодный для передачи по сетям с маршрутизацией пакетов IP.

Шлюз может использоваться операторами связи (сервис-провайдерами) для предоставления услуг IP-телефонии посредством доступа к сети Интернет. Внешний вид шлюза «Протей-ITG» в стойке показан на рис.4.1

Оборудование шлюза реализует передачу речевого трафика и факсимильной информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP в соответствии с Рекомендацией ITUT H.323 v2, выполняя функции:

- кодирования и упаковки речевой информации в пакеты RTP/UDP/IP;

- конвертирования сигнальных сообщений систем сигнализации E-DSS1и ОКС-7

- (ISUP-R - российская версия) в сигнальные сообщения H.323 и обратного преобразования

- в соответствии с Рекомендацией ITU-T H.246;

- обработки сигналов DTMF; распознавания и обработки тоновых сигналов.

В оборудовании шлюза реализованы функции поддержки настройки параметров с использованием обычного Web-браузера (Web-администрирование).

Для работы шлюза в сети IP-телефонии без привратника реализована функция преобразования номера ТфОП в IP-адрес.

Оборудование шлюза обеспечивает совместимость с Н.323 шлюзами (Cisco) и клиентскими программами (Microsoft Netmeeting 3.0).

В состав оборудования шлюза входят:

- материнская плата с процессором (Celeron 500 MHz) и оперативной памятью (64 Мб);

- жесткий диск (10 Гбайт),

- плата внутрисистемного интерфейса, обеспечивающая аппаратную обработку

- речевого пакетизированного сигнала и обработку HDLC по сигнальным каналам;

- плата преобразования речи (количество плат зависит от числа подключенных ИКМ-трактов);

- кабель для подключения ИКМ-трактов;

Рис.4.1. Внешний вид шлюза «Протей-ITG» в стойке.

- сетевая плата (две), обеспечивающая сетевой интерфейс;

- плата ОКС, обеспечивающая обработку сигнализации ОКС7 и согласование с платой внутрисистемного интерфейса.

Программное обеспечение лабораторной установки его можно разделить на :

- системное программное обеспечение;

- программное обеспечение взаимодействия с пользователем через Web-интерфейс (далее - интерфейс пользователя);

- программное обеспечение собственно шлюза, обеспечивающее обработку вызовов.

Состав программного обеспечения шлюза приведен в таблице 4.3

Таблица.4.3. Состав программного обеспечения шлюза.

Компоненты ПО	Характеристика
Системное программное обеспечение: - операционная система	Red Hat Linux 6.2
Интерфейс техобслуживания	telnet
ПО управления функциями шлюза: - модуль телефонной сигнализации (DSS1, SS7), - модуль сигнализации H.323, - модуль обработки вызова, - модуль обработки сигнализации ОКС7	ПО диалогового режима

Структурная схема Протей ITG приведена на рисунке 4.2.

Рис.4.2. Структурная схема Протей ITG.

Плата преобразования речи выполняет функции подготовки речевого сигнала, поступающего из ТфОП/ЦСИО для дальнейшей его передачи по сети с маршрутизацией пакетов IP. Основными функциями платы являются: преобразование речевого сигнала в соответствии с алгоритмом кодирования (G.711, G.723.1, G.726, G.728, G.729), обнаружение активных периодов и пауз в речи, адаптация воспроизведения и эхокомпенсация. Кроме того, в модуле реализованы функции детектирования и генерации сигналов DTMF, а также обработки факсимильных и модемных сигналов.

Плата ИКМ обеспечивает физический стык по G.703 шлюза с цифровой системой передачи Е1.

Плата интерфейса с телефонной сетью обеспечивает интерфейс с материнской платой, а также взаимодействие платы ИКМ и платы преобразования речи Материнская плата содержит процессор (Celeron, 500 МГц), жесткий диск, (10 Гбайт), оперативную память (64 Мбайт) и обеспечивает согласованную работу всех плат шлюза.

Сетевые платы обеспечивают стык шлюза с сетью, использующей технологию пакетной передачи. Сетевая плата 1 обеспечивает интерфейс с сетью оператора IP-телефонии. Сетевая плата 2 обеспечивает интерфейс с оператором системы техобслуживания сети. В упрощенной учебной установке шлюз содержит только одну сетевую плату.

Оборудование шлюза реализует передачу речевого трафика и факсимильной информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP в соответствии с Рекомендацией ITUT H.323 v2, выполняя функции:

- кодирования и упаковки речевой информации в пакеты RTP/UDP/IP;

- конвертирования сигнальных сообщений систем сигнализации E-DSS1 и ОКС-7 (ISUP-R - российская версия) в сигнальные сообщения H.323 и обратного преобразования в соответствии с Рекомендацией ITU-T H.246;

- обработки сигналов DTMF; распознавания и обработки тоновых сигналов.

Для работы шлюза в сети IP-телефонии без привратника реализована функция преобразования номера ТфОП в IP-адрес.

Оборудование шлюза обеспечивает совместимость с Н.323 шлюзами (Cisco) и клиентскими программами (Microsoft Netmeeting 3.0). Общие технические характеристики шлюза приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4. Общие технические характеристики шлюза.

Наименование характеристики	Значение
Емкость системы	до 2 трактов Е1
Интерфейс оборудования для подключения к сети ТфОП.	Симметричный, 120 Ом (Рекомендация ITU-T G.703)
Параметры физического уровня:
скорость цифрового потока, кбит/с	2048+0,1
линейный код	HDB3
амплитуда импульса на нагрузке 120 Ом, В	3+0,3
ширина импульса, нс	244+25
Скорость передачи данных, кбит/с	30x64 (PRI)
Интерфейс оборудования для подключения к сети с маршрутизацией пакетов IP	Ethernet 10/100 BaseT
Протоколы	TCP/IP, RTP/RTCP, UDP
Системы сигнализации	H.323 v2, H.225 (RAS, Q.921), H.245; DSS1 (Q.921, Q.931); ОКС-7(Российские национальные спецификации ISUP-R, MTP)
Алгоритмы кодирования речи	G.711, G.723.1, G729
Питание: - напряжение, В - частота, Гц	60 + 6 50 + 2,5
Техническое обслуживание	telnet

Шлюз Протей-ITG подключается к опорной АТС по линиям первичного доступа PRI (уровень 1 в соответствии с Рекомендацией ITU-T-Т I.431 и стандартом ETSI ETS 300 011) с использованием системы сигнализации DSS1 (уровень 2 в соответствии с Рекомендацией ITU-T-Т Q.921, уровень 3 в соответствии с Рекомендацией ITU-T-Т Q.931) и системы сигнализации ОКС-7 (ISUP). К сетям с маршрутизацией пакетов IP шлюз подключается

при помощи интерфейса Ethernet 10/100BaseT.

Практическое занятие 5.

Адресация в IP-сетях. Типы адресов в IP-сетях. Адресация в IPv6.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Ознакомление с адресацией и типами адресов в IP-сетях.

ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

При подготовке к практическому занятию изучить вопросы:

1. Изучить адресацию, используемую в IP-сетях, а также структуру построения IP адреса.

2. Получить задание у преподавателя и представить IP адрес в двоичной форме, и определить класс сети, номера сети и узла.

Таблица.5.1. Варианты заданий.

Вариант	IP адрес	Вариант	IP адрес
1	224.6.5.128	7	56.54.54.1
2	219.2.5.9	8	125.2.5.4.
3	205.2.5.4	9	125.1.98.96
4	112.2.5.125	10	221.1.1.1.
5	26.2.100.25	11	210.210.2.2.
6	223.2.56.2	12	123.2.65.12

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Для выполнения лабораторной работы имеются:

- Плакаты

- Слайды презентации

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

При выполнении задания рекомендуется соблюдать следующую последовательность:

1. Изучить методические указания к данному практическому занятию.

2. Получить у преподавателя задание

3. Выполнить практическую часть

4. Ответить на контрольные вопросы.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Структура IP адреса.

2. Решенное задание, по варианту.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сколько уровней имеет каждый терминал в сети TCP/IP?

2. Что показывает физический адрес?

3. Что показывает сетевой адрес?

4. Что показывает символьный адрес?

5. Из каких логических частей состоит IP адрес?

6. Сколько классов сети определены на сегодняшний день?

7. Изобразите структуру IP адреса сети класса А.

8. Изобразите структуру IP адреса сети класса В.

9. Изобразите структуру IP адреса сети класса С.

10. Изобразите структуру IP адреса сети класса D.

11. Изобразите структуру IP адреса сети класса E.

12. Каким образом определяется какая часть IP адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла?

13. Для чего предназначен протокол ARP?

14. Что такое служба DNS?

15. Для чего предназначен протокол DHСP?

16. Поясните принцип действия протокола DHCP.

17. Для чего предназначен протокол LDAP?

18. Чем отличается адресация IPv6 от адресации IPv4?

19. Изобразите структуру адреса IPv6.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева. IP-телефония. ИТЦ Эко-Трендз. 2002.

2. Б.С. Гольштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-телефония. Москва. Радио и связь. 2003.

3. Материалы курса «IP-телефония» сайта Интранет ТУИТ http://www.teic.uz/dlnet

4. Садчикова С.А. IP-телефония. Учебное пособие для студентов специальностей 5А522202, 5А522203, 5А522205, 5А522216. ТУИТ. 2008.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

5.1. Адресация в IP-сетях. Типы адресов в IP-сетях

Каждый терминал в сети ТСР/IP имеет адреса трех уровней:

1. Физический (МАС-адрес) — локальный адрес узла, определяемый технологией, с которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-АО-17-3D-ВС-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей MAC-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта — идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, включая Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

2. Сетевой (Ip-адрес), состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно или назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet, получают диапазоны подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла — гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае, узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP- адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

3. Символьный (DNS-имя) — идентификатор-имя, например, SERVI.IBM.СОМ. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, пользуется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

5.1.1. Основные классы IP-адресов.

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:

128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса,

10000000 00001010 00000010 00011110 — двоичная форма представления этого же адреса. На рис. 5.1. показана структура IP-адреса.

Рис.5.1.Структура IP-адреса.

Адрес состоит из двух логических частей — номера сети и номера узла в сети. Каких часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

• Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) В сетях класса А количеств узлов должно быть больше 216, но не превышать 224.

• Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 28-216. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.

• Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.

• Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес — multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

• Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

На рис.5.2. приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

1.2. Отображение физических адресов на IP-адреса.

В протоколе IP-адрес узла, то есть адрес компьютера или порта маршрутизатора, назначается произвольно администратором сети и прямо не связан с его локальным адресом, как это сделано, например, в протоколе IPX. Подход, используемый в IP, удобно использовать в крупных сетях и, по причине его независимости от формата локального адреса, и по причине стабильности, так как в противном случае, при смене на компьютере сетевого

Рис.5.2. Диапазоны номеров сетей.

адаптера эти изменения должны бы были учитывать все адресаты всемирной сети Internet (в том случае, конечно, если сеть подключена к Internet).

Локальный адрес используется в протоколе IP только в пределах локальной сети при обмене данными между маршрутизаторам и узлом этой сети. Маршрутизатор, получив пакет узла одной из сетей, непосредственно подключенных к его портам, должен для передачи пакета сформировать кадр в соответствии с требованиями принятой в этой сети технологии и указать в нем локальный адрес узла, например его МАС-адрес. В пришедшем пакете этот адрес не указан, поэтому перед маршрутизатором встает задача поиска его по известному IP- адресу, который указан в пакете в качестве адреса назначения. С аналогичной задачей сталкивается и конечный узел, когда он хочет отправить пакет в удаленную сеть через маршрутизатор, подключенный к той же локальной сети, что и данный узел.

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол Address Resolution Protocol АRР. Протокол ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети - протокол сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (Х.25, Frame Relay), как правило, не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивный ARP — RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется пре старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера.

В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом.

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP-запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP-запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP-запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета. Так как локальные адреса могут в различных типах сетей иметь различную длину, то формат пакета протокол ARP зависит от типа сети. На рис.5.2. показан формат пакета протокола ARP для передачи по сети Ethernet.

В поле типа сети для сетей Ethernet указывается значение 1. Поле типа протокола позволяет использовать пакеты ARP не только для протокола IP, но и для других сетевых протоколов. Для IP значение этого поля равно 0800

Длина локального адреса для протокола Ethernet равна 6 байтам, а длина IP-адреса -4 байтам. В поле операции для ARP запросов указывается значение 1 для протокола ARP и 2 для протокола КАИР.

Узел, отправляющий ARP-запрос, заполняет в пакете все поля, кроме поля искомого локального адреса (для RARP-запроса не указывается искомый IP-адрес). Значение этого поля заполняется узлом, опознавшим свой IP-адрес.

В глобальных сетях администратору сети чаще всего приходится вручную формировать ARP-таблицы, в которых он задает, например, соответствие IP-адреса адресу узла сети Х.25, который имеет смысл локального адреса. В последнее время наметилась тенденция автоматизации работы протокола ARP и в глобальных сетях. Для этой цели среди всех маршрутизаторов, подключенных к какой-либо глобальной сети, выделяется специальный маршрутизатор, который ведет ARP-таблицу для всех остальных узлов и маршрутизаторов этой сети. При таком централизованном подходе для всех узлов и маршрутизаторов вручную нужно задать только IP-адрес и локальный адрес выделенного маршрутизатора. Затем каждый узел и маршрутизатор регистрирует свои адреса в выделенном маршрутизаторе, а при необходимости установления соответствия между IP-адресом и локальным адресом узел обращается к выделенному маршрутизатору с запросом и автоматически получает ответ без участия администратора.

5.3. Отображение символьных адресов на IP-адреса.

Служба DNS (Domatn Name System) — это распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. Спецификация DNS определяется стандартами RFC 1034 и 1035. DNS требует статической конфигурации своих таблиц, отображающих имена компьютеров в IP-адрес.

Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня. Этот протокол несимметричен — в нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты. DNS-серверы хранят часть распределенной базы данных о соответствии символьных имен и IP-адресов. Эта база данных по административным доменам сети Internet. Клиенты сервера DNS знают IP-адрес сервера DNS своего административного домена и по протоколу IP передают запрос, в котором известное символьное имя и просят вернуть соответствующий ему IP-адрес.

Если данные о запрошенном соответствии хранятся в базе данного DNS-сервера, то он посылает ответ клиенту, если же нет — то он посылает запрос DNS-серверу другого , который может сам обработать запрос или передать его другому DNS-серверу. Все DNS-серверы соединены иерархически, в соответствии с иерархией доменов сети Internet опрашивает эти серверы имен, пока не найдет нужные отображения. Этот процесс ускоряется из-за того, что серверы имен постоянно кэшируют информацию, предоставляемую по запросам. Клиентские компьютеры могут использовать в своей работе IP-адреса нескольких DNS-серверов для повышения надежности своей работы.

База данных DNS имеет структуру дерева, называемого доменным пространством имен, в котором каждый домен (узел дерева) имеет имя и может содержать поддомены. Имя домена идентифицирует его положение в этой базе данных по отношению к родительскому Домену, причем точки в имени отделяют части, соответствующие узлам домена.

Корень базы данных DNS управляется центром Internet Network Information Center. домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций используются следующие аббревиатуры:

• com — коммерческие организации (например, Microsoft com);

• edu — образовательные (например, mit.edu);

• gov — правительственные организации (например, nsf.gov);

• org — некоммерческие организации (например, fidonet.org);

• net — организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Каждый домен DNS администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Каждый домен имеет уникальное имя, а каждый из поддоменов имеет уникальное имя внутри своего домена. Имя домена может содержать до 63 символов. Каждый хост в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем (fully qualified domaine пате, FQDN), которое включает имена всех доменов по направлению от роста к корню. Пример полного DNS-имени: citint.dol.ru.

5.4. Автоматизация процесса назначения IP-адресов

Как уже было сказано, IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в интерсети и должны поэтому полагаться на администраторов.

Протокол динамической настройки хоста Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем. Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов.

В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физических адресам или другим идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ их запросы к DHCP-серверу.

При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавливается 3 момент первичного назначения сервером DHCP IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами. Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.

DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети ТСРЛР, гарантируя отсутствие конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра «npoдолжительности аренды» (lease duration), которая определяет, как долго компьютер можно использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.

Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компьютер, являющийся клиентом DHCP, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.

Протокол DHCP использует модель клиент-сервер. Во время старта системы компьютер-клиент DHCP, находящийся в состоянии «инициализация», посылает сообщение discover (исследовать), которое широковещательно распространяется по локальной сети и передается всем DHCP-серверам частной интерсети. Каждый DH

CP-сервер, получивший это сообщение, отвечает на него сообщением offer (предложение), которое содержит IP-адрес и конфигурационную информацию.

Компьютер-клиент DHCP переходит в состояние «выбор» и собирает конфигурационные предложения от DHCP-серверов. Затем он выбирает одно из этих предложений, переходит в состояние «запрос» и отправляет сообщение request (запрос) тому DHCP-серверу, предложение было выбрано.

Выбранный DHCP-сервер посылает сообщение DHCP-acknowledgment (подтверждение), содержащее тот же IP-адрес, который уже был послан ранее на стадии исследования, в также параметр аренды для этого адреса. Кроме того, DHCP-сервер посылает параметры ceтевой конфигурации. После того, как клиент получит это подтверждение, он переходит в состояние «связь», находясь в котором он может принимать участие в работе сети ТСРЛIP. Компьютеры-клиенты, которые имеют локальные диски, сохраняют полученный адрес для использования при последующих стартах системы. При приближении момента истечения срока аренды адреса, компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера, а если этот IP-адрес не может быть выделен снова, то ему возвращается другой IP-адрес.

В протоколе DHCP описывается несколько типов сообщений, которые используются для обнаружения и выбора DHCP-серверов, для запросов информации о конфигурации, для продления и досрочного прекращения лицензии на IP-адрес. Все эти операции направлены на m, чтобы освободить администратора сети от утомительных рутинных операций по конфигурированию сети.

Однако использование DHCP несет в себе и некоторые проблемы. Во-первых, это проблема согласования информационной адресной базы в службах DHCP и DNS. Как известно, DNS служит для преобразования символьных имен в IP-адреса. Если IP-адреса будут динамически изменятся сервером DHCP, то эти изменения необходимо также динамически вносить в базу данных сервера DNS. Хотя протокол динамического взаимодействия между службами DNS и DHCP уже реализован некоторыми фирмами (так называемая служба Dynamic DNS), стандарт на него пока не принят.

Во-вторых, нестабильность IP-адресов усложняет процесс управления сетью. Системы управления, основанные на протоколе SNMP, разработаны с расчетом на статичность IP-адресов. Аналогичные проблемы возникают и при конфигурировании фильтров маршрутизатор, которые оперируют с IP-адресами.

Централизация процедуры назначения адресов снижает надежность системы: при отказе DHCP-сервера все его клиенты оказываются не в состоянии получить IP-адрес и другую информацию о конфигурации. Последствия такого отказа могут быть уменьшены путем использовании в сети нескольких серверов DHCP, каждый из которых имеет свой пул IP-адресов.

5.5. Служба каталогов на базе протокола LDAP.

Протокол LDAP (Lightweight Directory Access Protocol — упрощенный протокол доступа к каталогам) является стандартом доступа к службам сетевых каталогов, а протокол DHCP используется для динамического присвоения IP-адресов пользователям для доступа к сетевым ресурсам. Как заявляют компании-разработчики, объединение этих двух технологий поможет разрешить некоторые серьезные проблемы, присущие протоколу ТСР/IP, например, управление адресами, разработку стратегии безопасности и одновременное использование информации об адресах (на что не способны DHCP-серверы).

Протокол LDAP упрощает работу в сетевой среде. Так, пользователи получают возможность входить в систему с любого узла сети и работать с привычными для себя настройками, поскольку информация о них будет сохраняться в основанном на LDAP каталоге. В будущем основанные на LDAP каталоги могут применяться для поддержки инфраструктуры интрасетей и Internet. Например, службы типа системы именования доменов (DNS) и DHCP будут использовать серверы каталогов на базе LDAP в качестве своих хранилищ информации. Тогда эти службы приобретут дополнительные достоинства — модульную структуру и независимость от места размещения.

Протокол LDAP специально предназначен для использования с управляющими и браузерными приложениями, которые обеспечивают интерактивный доступ к каталогам с возможностью чтения и записи. LDAP — это протокол взаимодействия клиента и сервера, обеспечивающий доступ к службе каталогов и работающий непосредственно поверх протокола ТСР/IP.

Набор API-интерфейсов протокола LDAP достаточно прост. Протокол становится одним из наиболее предпочтительных для работы с каталогами в Internet. Поскольку уже более 40 компаний обеспечивают поддержку LDAP в своих продуктах или заявили о таком намерении, этот протокол быстро завоевывает себе популярность и получает все более широкое распространение. В настоящее время серверы LDAP выпускаются компаниями Microsoft, Netscape Communications, Lucent Technologies, ISODE, Critical Angle, Novell, Banyan Systems и др. Некоторые браузеры Web, например Netscape Communicator, имеют встроенный клиент LDAP.

Применяемая в LDAP информационная модель основана на схеме, использованной в протоколе Х.500, которая, в свою очередь, базируется на «именных записях». Именные записи обозначают либо реальные объекты, например какого-нибудь пользователя, лицо некоторую сетевую службу, например службу преобразования адресов. Каждая записи сопровождается атрибутами, имеющими одно или несколько значений, и хранит информацию, которую при необходимости можно найти. Как правило, каталог на базе LDAF поддерживает репликацию, что повышает надежность и увеличивает быстродействие системы.

Система именования доменов (DNS) нужна для того, чтобы компьютеры могли друг друга в сети. С помощью коммуникационных протоколов служба DHCP информацию об IP-адресах и другие сведения среди клиентов сети; обычно это делается при запуске системы. Службу DHCP можно настроить таким образом, чтобы времен но присваивать клиентам динамические адреса из некоторого банка свободных адресов переназначать эти адреса по мере необходимости.

Автоматическое присвоение IP-адреса требует относительно тесной связи между серверами DNS и DHCP, установленными на данном узле сети. Эта связь необходима, присваивая клиенту IP-адрес, сервер DHCP должен иметь возможность обновления информации о соответствии имени клиента присвоенному ему адресу.

Совмещение технологий DHCP и DNS с возможностями каталогов на базе LDAP позволит добиться как минимум следующих преимуществ:

• доступ к информации — новая система позволит организовать стандартный метод для поиска и сохранения данных в информационном хранилище серверов DHCF и DNS;

• гибкость построения сети — поскольку сетевой протокол LDAP способен работать различных платформах, появляется возможность размещения серверного хранилище информации на других машинах;

• репликация — уже сейчас многие поставщики встраивают функции репликации в ими службы каталогов на базе LDAP; в будущем они еще больше расширится, так как комитет IETF начинает разрабатывать стандартный протокол LDAP возможностью репликации.

Главная цель объединения серверов — дать пользователям возможность встраивать их системы управления сетевыми адресами средства повышения надежности, безопасности н синхронизации имен и адресов.

Процесс взаимодействия серверов LDAP и DHCP показан на рис.5.3. Клиент запрос на доступ в Internet с указанием нужного адреса и ресурса. Сервер DHCP автоматик присваивает клиенту IP-адрес и связывает пользователя с ресурсами в каталоге LDAF. Сервер LDAP находит указанные ресурсы и автоматически соединяет пользователя с узлом сети.

Рис.5.3. Процесс взаимодействия DHCP и LDAP.

Как и DNS, LDAP — это служба каталогов в архитектуре клиент-сервер. Каталоги содержать самую разную информацию, например, базу данных пересчета телефонный номеров Е.164 в IP-адреса для пользователей IP-телефонии. Составляющие дерево каталки LDAP данные хранятся на одном или более серверах LDAP. Если при обращении клиент LDAP, например шлюза IP-телефонии, сервер не может ответить на запрос, то во всяком он может возвратить ему указатель на другой сервер LDAP, где запрашиваемая может быть найдена.

5.6. Адресация в IPv6 .

Одним из основных отличий внедряемого в настоящее время протокола IPv6 от протокола IPv4 является использование более длинных адресов. Адреса получателя и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:

• Unicast — индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел — компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.

• Cluster — адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одно- му из членов группы (например, ближайшему узлу).

• Multicast — адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.

Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.

Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast.

Адрес этого класса имеет следующую структуру (рис.5.4):

010

идентификатор провайдера

идентификатор абонента

идентификатор подсети

идентификатор узла

Рис.5.4. Структура адреса в IPv6.

Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.

Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля. Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, включая телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.

Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС-адрес локальных сетей непосредственно.

Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адрес этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версия адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающий адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.

Практическое занятие 6.

Протокол RAS.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Ознакомление с семейством протоколов сигнализации Н.323, сообщениями протокола RAS, сценариями установления соединения между терминалами и другими элементами сети Н.323.

ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

1. При подготовке к практическому занятию изучить вопросы:

- семейство протоколов сигнализации Н.323,

- сообщения протокола RAS,

- сценарии установления соединения между элементами сети Н.323.

2. Получить задание у преподавателя и построить сценарий обмена сигнальными сообщениями.

Таблица 6.1. Варианты заданий.

Вариант	Задание
1	терминал-шлюз
2	терминал-MCU
3	терминал- терминал
4	шлюз - терминал
5	MCU - терминал
6	шлюз – шлюз

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Для выполнения лабораторной работы имеются:

- Слайды презентации

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

При выполнении задания рекомендуется соблюдать следующую последовательность:

1. Изучить методические указания к данному практическому занятию.

2. Получить у преподавателя задание

3. Выполнить практическую часть

4. Ответить на контрольные вопросы.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Описание сообщений протокола RAS

2. Cценарий установления соединения между терминалами.

3. Типовой сценарий установления соединения без привратника

4. Сценарий установления соединения шлюзом с привратником

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие основные компоненты описываются рекомендации Н.323?

2. Что такое зона Н.323?

3. Какие функции выполняют терминал Н.323, контроллер зоны, шлюз, устройство управления многоточечной конференцией?

4. Чем отличаются устройства привратник, gatekeeper, контроллер зоны?

5. Какие функции выполняет шлюз?

6. С какими видами терминалов ТфОП может взаимодействовать сеть Н.323?

7. Какие типы адресов используются в сети IP-телефонии стандарта Н.323?

8. Каким образом стыкуется нумерация в ТфОП с адресацией в IP-сетях?

9. Что обеспечивают протоколы сигнализации?

10. На какие фазы делится процедура установления соединения?

11. Из каких протоколов состоит Сигнализация Н.323?

12. Какие функции выполняет Сигнальный канал Н.225.0?

13. Какие основные команды входят в состав сигнального канала Н.225.0

14. Какие функции выполняет Управляющий канал H.245?

15. Какие основные команды входят в состав Управляющего канала H.245?

16. Какие функции выполняет сигнализация RAS?

17. Какие основные команды входят в состав сигнализации RAS?

18. В чем отличие сценариев с участием и без участия привратника?

19. Какие функции выполняет привратник?

20. Какие функции выполняет протокол RAS?

21. Зачем необходимы сообщения ARQ и ACF, DRQ и DCF?

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева. IP-телефония. ИТЦ Эко-Трендз. 2002.

2. Б.С. Гольштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-телефония. Москва. Радио и связь. 2003.

3. Материалы курса «IP-телефония» сайта Интранет ТУИТ http://www.teic.uz/dlnet

4. Садчикова С.А. IP-телефония. Учебное пособие для студентов специальностей 5А522202, 5А522203, 5А522205, 5А522216. ТУИТ. 2008.

5. Мюнх Б., Скворцова С. Сигнализация в сетях IP-телефонии. – Часть I, II / Сети и системы связи, 1999. – №13(47), 14(48).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

Семейство протоколов Н.323 включает в себя три основных протокола: протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником – RAS, протокол управления соединениями – H.225 и протокол управления логическими каналами – Н.245.

ITU-T в Рекомендации Н.225.0 определил протокол взаимодействия компонентов сети Н.323 – оконечного оборудования (терминалов, шлюзов, устройств управления конференциями) с привратником. Этот протокол получил название RAS (Registration, Admission and Status). Основными процедурами, выполняемыми оконечным оборудованием и привратником с помощью протокола RAS, являются:

- Обнаружение привратника.

- Регистрация оконечного оборудования у привратника.

- Контроль доступа оконечного оборудования к сетевым ресурсам.

- Определение местоположения оконечного оборудования в сети.

- Изменение полосы пропускания в процессе обслуживания вызова.

- Опрос и индикация текущего состояния оконечного оборудования.

- Оповещение привратника об освобождении полосы пропускания, ранее занимавшейся оборудованием.

Выполнение первых трех процедур, предусмотренных протоколом RAS, является начальной фазой установления соединения с использованием сигнализации H.323. Далее следуют фаза сигнализации H.225.0 (Q.931) и обмен управляющими сообщениями Н.245. Разъединение происходит в обратной последовательности: в первую очередь закрывается управляющий канал Н.245 и сигнальный канал H.225.0, после чего по каналу RAS привратник оповещается об освобождении ранее занимавшейся оконечным оборудованием полосы пропускания.

Для переноса сообщений протокола RAS используется протокол негарантированной доставки информации UDP.

6.1 Обнаружение привратника

Прежде чем устройство станет полноправной частью сети, необходимо сделать так, чтобы все остальные устройства увидели нового участника и смогли взаимодействовать с ним. Для этого необходимо зарегистрировать оборудование на привратнике зоны, в которой будет работать это устройство. Нужно, чтобы устройству стал известен сетевой адрес подходящего привратника. Процесс определения этого адреса называется обнаружением привратника. Определены два способа обнаружения – ручной и автоматический.

Ручной способ заключается в том, что привратник, обслуживающий определенное устройство, определяется заранее при конфигурации этого устройства. Первая фаза установления соединения начинается сразу с запроса регистрации устройства, который передается на уже известный сетевой адрес привратника и на UDP порт 1719, а в случае взаимодействия с привратником, поддерживающим первую версию протокола H.323, – на порт 1718.

При автоматическом способе обнаружения привратника устройство передает запрос Gatekeeper Request (GRQ) в режиме многоадресной рассылки (multicasting), используя IP-адрес 224.0.1.41 (Gatekeeper UDP Discovery Multicast Address) и UDP порт 1718 (Gatekeeper UDP Discovery Port). Ответить оконечному оборудованию могут один или несколько привратников, передав на адрес, указанный в поле rasAddress запроса GRQ, сообщение Gatekeeper Confirmation (GCF) с предложением своих услуг и с указанием транспортного адреса канала RAS (рис.6.1). Если привратник не имеет возможности зарегистрировать оконечное оборудование, он отвечает на запрос сообщением Gatekeeper Reject (GRJ).

Рис.6.1 Автоматическое обнаружение привратника

Если на GRQ отвечает несколько привратников, оконечное оборудование может выбрать по своему усмотрению любой из них, после чего инициировать процесс регистрации. Если в течение 5 секунд ни один привратник не ответит на GRQ, оконечное оборудование может повторить запрос. Если ответ опять не будет получен, необходимо прибегнуть к ручному способу выбора привратника.

При возникновении ошибки в процессе регистрации у своего привратника, т.е. при получении отказа в регистрации или при отсутствии ответа на запрос регистрации, оконечное оборудование должно провести процедуру обнаружения привратника снова.

6.2 Регистрация оконечного оборудования

Следующим шагом после обнаружения привратника оконечное оборудование, будет присоединение к зоне сети, обслуживаемой данным привратником. Для этого оборудование должно пройти процедуру регистрации. При этом привратнику сообщается адресная информация: список alias-адресов и транспортных адресов.

Процесс регистрации представлен на рис.6.2. Оконечное оборудование передает запрос регистрации Registration Request (RRQ) на сетевой адрес привратника, либо полученный при выполнении процедуры его автоматического обнаружения, либо известный априори. Стоит отметить, что запрос направляется на общеизвестный номер UDP порта 1719. Этот порт имеет соответствующее название – Gatekeeper UDP Registration and Status Port. Привратник отвечает на запрос подтверждением Registration Confirmation (RCF) или отказом в регистрации Registration Reject (RRJ). Напомним, что оконечное оборудование может зарегистрироваться только у одного привратника.

Рис.6.2. Процесс регистрации и отмены регистрации

может сам назначить такой адрес и передать его оборудованию в сообщении RCF.

Регистрация оконечного оборудования должна быть проведена до установления его первого соединения с любым другим оборудованием. Этот процесс может периодически повторяться, например, при включении питания оборудования, поэтому привратник должен уметь обрабатывать множество запросов регистрации от одного и того же оборудования.

Если привратник получает запрос RRQ, содержащий те же самые alias-адрес и транспортный адрес оконечного оборудования, что и в предыдущем RRQ, он должен ответить подтверждением RCF. Если привратник получает запрос RRQ с тем же, что и в предыдущем RRQ, alias-адресом, но с другим транспортным адресом, он может либо подтвердить регистрацию, либо отказать в ней, в зависимости от внутренней политики зоны сети. При приеме запроса RRQ, содержащего тот же, что и предыдущий RRQ, транспортный адрес, но другой alias-адрес оборудования, привратник должен закрепить за принятым транспортным адресом тот alias-адрес, который был принят последним, и подтвердить запрос. Заметим, что привратник может проверять наличие права пользователей на проведение вышеуказанных изменений.

Оконечное оборудование может регистрироваться на ограниченный промежуток времени, указывая в параметре timeToLive сообщения RRQ длительность этого промежутка в секундах. Привратник может подтвердить регистрацию сообщением RCF с параметром timeToLive, имеющим то же или меньшее значение. В течение указанного промежутка времени оконечное оборудование может продлить регистрацию, передав сообщение RRQ с параметром keepAlive. Получив это сообщение, привратник должен перезапустить таймер.

По истечении назначенного промежутка времени регистрация считается недействительной. В этом случае привратник может передать сообщение об отмене регистрации, и оконечное оборудование должно пройти повторную регистрацию.

Оконечное оборудование может отменить регистрацию у привратника, передав сообщение Unregister Request (URQ); привратник должен ответить подтверждением Unregister Confirmation (UCF). Такая процедура позволяет оборудованию изменить свой alias-адрес или транспортный адрес. Если оборудование не было зарегистрировано у привратника, последний должен ответить на требование URQ отказом Unregister Reject (URJ).

Привратник может отменить регистрацию оборудования, передав сообщение Unregister Request (URQ), при получении которого оконечное оборудование должно ответить подтверждением Unregister Confirmation (UCF). Теперь, чтобы получить возможность участия в любом соединении, оконечное оборудование должно перерегистрироваться у того же привратника или зарегистрироваться у нового.

Оборудование, не зарегистрированное у привратника, не может требовать от него допуск к участию в любых соединениях. Привратник не выполняет для этого оборудования такие функции как управление полосой пропускания, преобразование адресов и другие предусмотренные рекомендацией H.323 функции. Кроме того, привратник может запретить оконечному оборудованию своей зоны принимать вызовы от оборудования, которое у него не зарегистрировано.

6.3 Доступ оконечного оборудования к сетевым ресурсам

Чтобы оборудование могло работать в сети, ему необходим доступ к ресурсам этой сети. В начальной фазе установления соединения, а также после получения сообщения Setup, оборудование обращается к привратнику при помощи запроса Admissions Request (ARQ) с просьбой разрешить соединение с другим оборудованием рис.6.3). Это является началом процедуры доступа к сетевым ресурсам. Причем процедура доступа выполняется всеми участниками соединения.

В сообщении ARQ содержится идентификатор оборудования, передавшего сообщение ARQ, и контактная информация того оборудования, с которым оно желает связаться. Контактная информация оборудования включает в себя alias-адрес и/или транспортный адрес сигнального канала, но, как правило, в запрос ARQ помещается только alias-адрес вызываемого оборудования. В сообщении ARQ указывается также верхний предел суммарной скорости передачи и приема пользовательской информации по всем речевым и видеоканалам (без учета заголовков RTP/UDP/IP и другой служебной информации).

Рис.6.3. Управление доступом к сетевым ресурсам

Как показано в примере на рис.6.3, привратник может выделить требуемую полосу пропускания или снизить предел суммарной скорости, передав сообщение Admissions Confirm (ACF). В этом же сообщении, кроме суммарной скорости, указывается транспортный адрес сигнального канала встречного оборудования, если сигнальный канал будет связывать оборудование непосредственно, или адрес привратника, если он будет маршрутизировать сигнальные сообщения.

Если процедура доступа инициируется вызывающим оборудованием, то после получения ответа ACF на указанный в этом сообщении адрес передается сообщение Setup и делается попытка установить сигнальное соединение Н.225.0. Следует отметить, что инициирование процедуры доступа к сетевым ресурсам вызываемым оборудованием начинается после организации сигнального канала и получения по нему сообщения Setup.

Если требуемая полоса недоступна, привратник передает сообщение Admissions Reject ARJ.

6.4 Определение местоположения оборудования в сети

Если оконечное оборудование или привратник желают узнать контактную информацию (адреса сигнального канала и канала RAS), то при наличии alias-адрес этого оборудования, послается запрос Location Request (LRQ). Привратник, у которого зарегистрировано указанное оборудование, должен ответить сообщением Location Confirmation (LCF), содержащим требуемую контактную информацию. Эта процедура называется определением местоположения оконечного оборудования в сети (рис.6.4).

Рис.6.4. Определение местоположения оборудования в сети

Привратник, получивший на транспортный адрес своего канала RAS запрос LRQ, должен ответить отказом Location Reject (LRJ), если искомое оборудование у него не зарегистрировано. Привратники, у которых искомое оборудование не зарегистрировано, а сообщение LRQ они получили в режиме многоадресной рассылки Gatekeeper′s Discovery Multicast, вообще не должны отвечать на запрос.

Вышеописанная процедура используется, в частности, тогда, когда в сети имеется несколько зон, и вызов выходит за пределы одной зоны. Привратник, у которого зарегистрировано вызывающее оборудование, передает запрос адреса сигнального канала вызываемого оборудования.

6.5 Опрос текущего состояния оборудования

Поскольку необходим постоянный контроль за оборудованием и за процессом установления соединения привратник рассылает специальные сообщения через определенные интервалы времени. Данный процесс называется опросом текущего состояния оборудования (рис.2.4)

Рис.6.5. Опрос текущего состояния оборудования

Запрос информации о текущем состоянии (статусе) оборудования производится привратником при помощи сообщения Information Request (IRQ). Выбор интервала между посылками IRQ оставлен на усмотрение производителя, но он должен быть не меньше 10с. Получив запрос IRQ, оконечное оборудование должно передать запрашиваемую информацию в сообщении Information Request Response (IRR).

6.6 Освобождение полосы пропускания

В конечной фазе разрушения соединения оборудование извещает привратник об освобождении раннее занимавшейся полосы пропускания (рис.6.6). Оконечное оборудование передает своему привратнику сообщение Disengage Request (DRQ), на которое тот должен ответить подтверждением Disengage Confirm (DCF).

Рис.6.6. Освобождение полосы пропускания

Привратник может сам инициировать освобождение сетевых ресурсов, т.е. разрушение существующего соединения, передав сообщение DRQ. Получив сообщение DRQ, оконечное оборудование должно закрыть логические каналы, управляющий и сигнальный каналы, а затем ответить подтверждением DCF. В случае если привратник инициирует завершение конференции, сообщение DRQ должно передаваться каждому ее участнику.

Практическое занятие 7.

Передача речи по IP-сетям. Кодеки G.711, G.726, G.729, G.728.

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Ознакомление с различными алгоритмомами кодирования речи, с характеристиками и классификацией кодеков, используемых IP-телефонии.

ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

1. При подготовке к практическому занятию изучить вопросы:

- кодеки, применяемые в IP-телефонии

- основные характеристики кодеков

- методы кодирования речевой информации

- структура и назаначение протоколов RTP, RTCP

2. Получить задание у преподавателя в соответствии с вариантоми таблицы.7.1, 7.2.

2.1. Пояснить метод кодирования речевой информации в соответствии с вариантом таблицы 7.1.

2.2. Привести основные характеристики кодеков по варианту таблицы 7.2.

Таблица.7.1. Варианты заданий.

Методы кодирования речевой информации
вариант	Задание
1	ИКМ нелинейное квантование по А-закону
2	ИКМ нелинейное квантование по -закону.
3	Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция АДИКМ
4	вокодеры
5	гибридные кодеки

Таблица.7.2. Варианты заданий.

Кодеки, применяемые в IP-телефонии
6	7	8	9	10
G.726	G.711.	G.723.1	G.729	G.728

2.3. Требуется рассчитать полосу DSL канала для различных видов кодеков при одинаковых значениях кадра. Заполнить таблицу и сделать выводы. Хотя размер RTP заголовка дан заранее, объяснить, каким образом получена величина 58 байт.

Таблица.7.3. Зависимость требуемой полосы от длительности кадра.

Тип кодека	Длительность кадра (мс)	Размер кадра (байт)	Размер RTP заголовка (байт)	Требуемая полоса на 1 абонента (кбит/с)
G.711	5		58
	10		58
	15		58
	20		58
	30		58
G.723	5		58
	10		58
	15		58
	20		58
	30		58
G.726	5		58
	10		58
	15		58
	20		58
	30		58
G.728	5		58
	10		58
	15		58
	20		58
	30		58
G.729	5		58
	10		58
	15		58
	20		58
	30		58

Пример расчёта приведён в Приложении 2.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Для выполнения лабораторной работы имеются:

- Слайды презентации

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

При выполнении задания рекомендуется соблюдать следующую последовательность:

1. Изучить методические указания к данному практическому занятию.

2. Получить у преподавателя задание

3. Выполнить практическую часть

4. Ответить на контрольные вопросы.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. краткий конспект основных теоретических сведений

2. рассчёт полосы DSL канала для различных видов кодеков.

3. Решенное задание, по варианту.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каково назначение протокола RTP?

2. Назначение протокола RTCP?

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Росляков, М.Ю. Самсонов, И.В. Шибаева. IP-телефония. ИТЦ Эко-Трендз. 2002.

2. Б.С. Гольштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-телефония. Москва. Радио и связь. 2003.

3. Материалы курса «IP-телефония» сайта Интранет ТУИТ http://www.teic.uz/dlnet

4. Кузнецов А.Е., Пинчук А. В., Суховицкий А.Л. Построение сетей IP-телефонии /Компьютерная телефония, 2000, №6.

5. Садчикова С.А. IP-телефония. Учебное пособие для студентов специальностей 5А522202, 5А522203, 5А522205, 5А522216. ТУИТ. 2008.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

7.1. Общие положения.

В сетях на основе протокола IP все данные - голос, текст, видео, компьютерные программы или информация в любой другой форме - передаются в виде пакетов. Процесс передачи голоса по IP-сети состоит из нескольких этапов:

- оцифровка голоса (АЦП)

- анализ и обработка оцифрованные данные с целью уменьшения физического объема данных (подавление ненужных пауз и фонового шума, компрессирование)

- упаковка данных в формат RTP пакетов (разбивка данных на пакеты, добавка протокольная информация - адрес получателя, порядковый номер пакета, дополнительные данные для коррекции ошибок)

- временное накопление необходимого количества данных

Извлечение переданной голосовой информации из полученных пакетов также происходит в несколько этапов.

- проверка порядковой последовательности пакетов

- временное накопление пакетов.

- включение алгоритма аппроксимации для восстановления потерянных пакетов

- декомпрессия данных

- преобразование оцифрованных данных в аудио-сигнал (ЦАП)

7.2. Протоколы RTP и RTCP

Приложения, обеспечивающие передачу речевой и видеоинформации, используют сервис транспортного уровня без установления соединений (например, UDP). При этом каждое приложение может обеспечивать формирование полезной нагрузки пакетов специфическим образом, включая необходимые для функционирования поля и данные. Однако, данные разной природы (речь, видео) имеют общие особенности, которые требуют обеспечения вполне определенной функциональности при их передаче по сети. Это позволяет сформировать некий общий транспортный уровень, объединяющий функции, общие для потоковых данных разной природы, и используемый всеми соответствующими приложениями, придав протоколу этого уровня статус стандарта. Комитетом IETF был разработан протокол транспортировки информации в реальном времени - Realtime Transport Protocol (RTP), который стал базисом практически для всех приложений, связанных с интерактивной передачей речевой и видеоинформации по сети с маршрутизацией пакетов.

Характерные для IP-сетей временные задержки и вариация задержки пакетов (джиттер) могут серьезно исказить информацию, чувствительную к задержке, например, речь и видеоинформацию, сделав ее абсолютно непригодной для восприятия. Отметим, что вариация задержки пакетов гораздо сильнее влияет на субъективную оценку качества передачи, чем абсолютное значение задержки.

Уже длительное время ведется работа по созданию методов уменьшения джиттера и задержек. Именно протокол RTP позволяет компенсировать негативное влияние джиттера на качество речевой и видеоинформации. В то же время, он не имеет собственных механизмов, гарантирующих своевременную доставку пакетов или другие параметры качества услуг, -это осуществляют нижележащие протоколы. Он даже не обеспечивает все те функции, которые обычно предоставляют транспортные протоколы, в частности функции исправления ошибок и управления потоком. Обычно протокол RTP базируется на протоколе UDP и использует его функции, но может работать и поверх других транспортных протоколов.

Существует несколько серьезных причин, по которым транспортный протокол TCP плохо подходит для передачи чувствительной к задержкам информации. Во-первых, это алгоритм надежной доставки пакетов. Пока отправитель повторно передаст пропавший пакет, получатель будет ждать, результатом чего может быть недопустимое увеличение задержки. Во-вторых, алгоритм управления при перегрузке в протоколе TCP далеко не оптимален для передачи речи и видеоинформации. При обнаружении потерь пакетов протокол TCP уменьшает размер окна, а затем будет его медленно увеличивать. Однако передача речевой и видеоинформации осуществляется на вполне определенных, фиксированных скоростях, которые нельзя мгновенно уменьшить, не ухудшив качество предоставляемых услуг. Правильной реакцией на перегрузку для информационных потоков этих типов было бы изменение метода кодирования, частоты видеокадров или размера видеоизображения.

Протокол RTP предусматривает индикацию типа полезной нагрузки и порядкового номера пакета в потоке, а также применение временных меток. Отправитель помечает каждый RTP-пакет временной меткой, получатель извлекает ее и вычисляет суммарную задержку. Разница в задержке разных пакетов позволяет определить джиттер и смягчить его влияние - все пакеты будут выдаваться приложению с одинаковой задержкой.

Главная особенность RTP - это вычисление средней задержки некоторого набора принятых пакетов и выдача их пользовательскому приложению с постоянной задержкой, равной этому среднему значению. Однако следует иметь в виду, что временная метка RTP соответствует моменту кодирования первого дискретного сигнала пакета. Поэтому, если RTP-пакет, например, с видеоинформацией, разбивается на блоки данных нижележащего уровня, то временная метка уже не будет соответствовать истинному времени их передачи, поскольку они перед передачей могут быть установлены в очередь.

На рис.7.1 представлен основной заголовок RTP-пакета, содержащий ряд полей, которые идентифицируют такие элементы, как формат пакета, порядковый номер, источник информации, границы и тип полезной нагрузки.

Рис.7.1. Основной заголовок RTP-пакета

V (2 бита) - поле версии протокола. Текущая версия протокола -вторая.

Р (1 бит) - поле заполнения. Сигнализирует о наличии заполнения в конце поля полезной нагрузки. Заполнение применяется, когда приложение требует, чтобы размер полезной нагрузки был кратен, например, 32 битам.

Х (1 бит) - поле расширения заголовка. Служит для индикации того, что за основным заголовком следует дополнительный заголовок, используемый в экспериментальных расширениях протокола RTP.

СС (4 бита) - поле отправителей. Содержит идентификаторы отправителей, чьи данные находятся в пакете, причем сами идентификаторы следуют за основным заголовком.

М (1 бит) - поле маркера. Обычно используется для указания границ потока данных. Смысл бита маркера зависит от типа полезной нагрузки. В случае передачи видеоинформации он определяет конец кадра. При передаче речевой информации маркер указывает начало периода активности после периода молчания.

РТ (7 битов) - поле типа полезной нагрузки. Идентифицирует тип полезной нагрузки и формат данных, включая сжатие и шифрование. В стационарном состоянии отправитель использует только один тип полезной нагрузки в течение сеанса, но он может его изменить в ответ на изменение условий, если об этом сигнализирует протокол управления транспортировкой информации в реальном времени (Real-Time Transport Control Protocol).

Порядковый номер пакета (Sequence Number, 16 битов). Каждый источник начинает нумеровать пакеты с произвольного номера, увеличиваемого затем на единицу с каждым переданным пакетом RTP.

Это позволяет обнаруживать потери пакетов и определять порядок пакетов с одинаковым временным штампом. Несколько последовательных пакетов могут иметь один и тот же штамп, если логически они порождены в один и тот же момент, как, например, пакеты, принадлежащие одному и тому же видеокадру.

Временной штамп (Timestamp, 32 бита). Момент времени, в который был создан первый октет данных полезной нагрузки. Единицы, в которых время указывается в этом поле, зависят от типа полезной нагрузки. Значение определяется по локальным часам отправителя.

Идентификатор SSRC (Synchronization Source Identifier, 32 бита) -поле идентификатора источника синхронизации. Псевдослучайное число, которое уникальным образом идентифицирует источник в течение сеанса и не зависит от сетевого адреса. Это число играет важную роль при обработке порции данных, поступившей от одного источника.

Идентификатор CSRC (Contributing Source Identifier, 32 бита) - список полей идентификаторов источников, участвующих в создании RTP-пакета. Устройство смешивания информации (миксер) вставляет целый список SSRC идентификаторов источников, которые участвовали в построении данного RTP-пакета. Количество элементов в списке: от 0 до 15. Если число участников более 15, выбираются первые 15. Примером может служить речевая конференция, в которой передаются RTP-пакеты с речью всех участников - каждый со своим идентификатором SSRC. Они-то и образуют список идентификаторов CSRC. Вся конференция имеет общий идентификатор SSRC.

Доставка RTP-пакетов контролируется специальным протоколом RTCP (Real Time Control Protocol).

Основной функцией протокола RTCP является организация обратной связи приемника с отправителем информации для отчета о качестве получаемых данных. Протокол RTCP передает сведения (как от приемника, так и от отправителя) о числе переданных и потерянных пакетов, значении джиттера, задержке и т.д. Эта информация может быть использована отправителем для изменения параметров передачи, например для уменьшения коэффициента сжатия информации с целью улучшения качества ее передачи. Более подробное описание протоколов RTP и RTCP можно найти в RFC-1889.

7.2. Типы речевых кодеков

            Одним из важных факторов эффективного использования пропускной способности IP-канала, является выбор оптимального алгоритма кодирования/декодирования речевой информации — кодека.

Все существующие сегодня типы речевых кодеков по принципу действия можно разделить на три группы:

            1. Кодеки с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) и адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (АДИКМ), появившиеся в конце 50-х годов и использующиеся сегодня в системах традиционной телефонии. В большинстве случаев, представляют собой сочетание АЦП/ЦАП.

             2. Кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радиотракта. Эта группа кодеков использует гармонический синтез сигнала на основании информации о его вокальных составляющих — фонемах. В большинстве случаев, такие кодеки реализованы как аналоговые устройства.

            3. Комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных DSP. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер.

На рис.7.2 представлена усредненная субъективная оценка качества кодирования речи для вышеперечисленных типов кодеков.

Рис.7.2. Усредненная субъективная оценка качества кодирования речи

для различных типов кодеков

В голосовых шлюзах IP-телефонии понятие кодека подразумевает не только алгоритма кодирования/декодирования, но и их аппаратную реализацию. Большинство кодеков, используемых в IP-телефонии, описаны рекомендациями семейства «G» стандарта Н.323 (рис.7.3).

Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях о форме сигнала, не подходят при передаче сигнала с резкими скачками амплитуды. Именно такой вид имеет сигнал, генерируемый модемами или факсимильными аппаратами, поэтому аппаратура, поддерживающая сжатие, должна автоматически распознавать сигналы факс-аппаратов и модемов и обрабатывать их иначе, чем голосовой трафик. Многие методы кодирования берут свое начало от метода кодирования с линейным предсказанием LPC (Linear Predictive Coding). В качестве входного сигнала в LPC используется последовательность цифровых значений амплитуды, но алгоритм кодирования применяется не к отдельным цифровым значениям, а к определенным их блокам. Для каждого такого блока значений вычисляются его характерные параметры: частота, амплитуда и ряд других. Именно эти значения и передаются по сети. При таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к

Рис.7.3. Кодеки семейства Н.323.

вычислительным мощностям специализированных процессоров, используемых для обработки сигнала, а во-вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере.

            Важно, что задержка в передаче речи связана не только с необходимостью обработки цифрового сигнала (эту задержку можно уменьшать, увеличивая мощность процессора), но и непосредственно с характером метода сжатия. Метод кодирования с линейным предсказанием LPC позволяет достигать очень больших степеней сжатия, которым соответствует полоса пропускания 2,4 или 4,8 кбит/с, однако качество звука здесь сильно страдает. Поэтому в коммерческих приложениях он не используется, а применяется в основном для ведения служебных переговоров. Более сложные методы сжатия речи основаны на применении LPC в сочетании с элементами кодирования формы сигнала. В этих алгоритмах используется кодирование с обратной связью, когда при передаче сигнала осуществляется оптимизация кода. Закодировав сигнал, процессор пытается восстановить его форму и сличает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодировки, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи; на противоположном конце происходит восстановление звукового сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.

            Одной из самых распространенных разновидностей описанного метода кодирования является метод LD CELP (Low-Delay Code-Excited Linear Prediction). Он позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при пропускной способности 16 кбит/с. Алгоритм применяется к последовательности цифр, получаемых в результате аналого- цифрового преобразования голосового сигнала с 16-разрядным разрешением. Пять последовательных цифровых значений кодируются одним 10-битовым блоком — это и дает те самые 16 кбит/с. Для применения этого метода требуются большие вычислительные мощности; в частности, в марте 1995 г. ITU принял новый стандарт — G.723, который предполагается использовать при сжатии речи для организации видеоконференций по телефонным сетям. Этот стандарт представляет собой часть более общего стандарта Н.324, описывающего подход к организации таких видеоконференций. Цель — организация видеоконференций с использованием обычных модемов. Основой О.723 является метод сжатия речи MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization). Он позволяет добиться весьма существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества звучания. В основе метода лежит описанная выше процедура оптимизации; с помощью различных усовершенствований можно сжимать речь до уровня 4,8; 6,4; 7,2 и 8,0 кбит/с. Структура алгоритма позволяет на основе программного обеспечения изменять степень сжатия голоса в ходе передачи. Вносимая кодированием задержка не превышает 20 мс. Повышая эффективность использования полосы пропускания, механизмы сжатия речи в то же время могут привести к ухудшению ее качества и увеличению задержек.

Далее рассмотрены некоторые основные кодеки, используемые в шлюзах IP. телефонии операторского уровня.

Методы кодирования речевой информации приведены в Приложении 1.

7.3. Кодек G.711.

Рекомендация G.711, утвержденная МККТТ в 1984 г., описывает кодек, использующий ИКМ преобразование аналогового сигнала с точностью 8 бит, тактовой частотой 8 кГц и простейшей компрессией амплитуды сигнала. Скорость потока данных на выходе преобразователя составляет 64 кбит/с (8 битх8 кГц). Для снижения шума квантования и улучшении преобразования сигналов с небольшой амплитудой при кодировании используется нелинейное квантование по уровню согласно специальному псевдо-логарифмическому закону: А-закон для европейской системы ИКМ-30/32 или ц- закон для североамериканской системы ИКМ-24.

            Первые ИКМ кодеки с нелинейным квантованием появились уже в 60-х годах. Кодеки G.711 широко распространен в системах традиционной телефонии с коммутацией каналов, Несмотря на то, что рекомендация G.711 в стандарте Н.323 является основной и первичной, в шлюзах IP-телефонии данный кодек применяется редко из-за высоких требований к полосе пропускания и задержкам в канале передачи. Использование G.711 в системах IP-телефонии обосновано лишь в тех случаях, когда требуется обеспечить максимальное качество кодирования речевой информации при небольшом числе одновременных разговоров. Одним из примеров применения кодека G.711 могут послужить IP- телефоны компании Cisco.

7.4. Кодек G.726

            Один из старейших алгоритмов сжатия речи ADPCM — адаптивная дифференциальная ИКМ (стандарт G.726 был принят в 1984 г.). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16-32 кбит/с. Метод основан на том, что в аналоговом сигнал передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности. Поэтому, если кодировать не саму амплитуду сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов. В ADPCM изменение уровня сигнала кодируется четырехразрядным числом, при этом частота измерения амплитуды сигнала сохраняется неизменной. Процесс преобразования не вносит существенной задержки и требует от DSP 5,5- 6,4 MIPS (Million Instructions Per Second). Кодек может применяться совместно с кодеком G.711 для снижения скорости кодирования последнего. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций.

7.5. Кодек G.723.1

            Рекомендация G.723.1 описывает гибридные кодеки, использующие технологию кодирования речевой информации, сокращенно называемую — MP-MLQ (Multy-Pulse — Multy Level quantization — множественная импульсная, многоуровневая квантизация), данные кодеки можно охарактеризовать, как комбинацию АЦП/ЦАП и вокодера. Своим возникновением гибридные кодеки обязаны системам мобильной связи. Применение вокодера позволяет снизить скорость передачи данных в канале, что принципиально важно для эффективного использования радиотракта и IP-канала. Основной принцип работы вокодера — синтез исходного речевого сигнала посредством адаптивной замены его гармонических составляющих соответствующим набором частотных фонем и согласованными шумовыми коэффициентами. Кодек О.723 осуществляет преобразование аналогового сигнала в поток данных со скоростью 64 кбит/с (ИКМ), а затем при помощи многополосного цифрового фильтра/вокодера выделяет частотные фонемы, анализирует их и передает по IP-каналу информацию только о текущем состоянии фонем в речевом сигнале. Данный алгоритм преобразования позволяет снизить скорость кодированной информации до 5,3-6,3 кбит/с без видимого ухудшения качества речи. Кодек имеет две скорости и два варианта кодирования: 6,3 кбит/с с алгоритмом MP-MLQ и 5,3 кбит/с с алгоритмом CELP. Первый вариант предназначен для сетей с пакетной передачей голоса и обеспечивает лучшее качество кодирования по сравнению с вариантом CELP, но менее адаптирован к использованию в сетях со смешанным типом трафика (голос/данные).

            Процесс преобразования требует от DSP 16,4-16,7 MIPS и вносит задержку 37 мс. Кодек G.723.1 широко применяется в голосовых шлюзах и прочих устройствах IP-телефонии. Кодек уступает по качеству кодирования речи кодеку G.729а, но менее требователен к ресурсам процессора и пропускной способности канала.

7.6. Кодеки G.729

            Семейство включает кодеки G.729, G.729 Аппех А, G.729 Аппех В (содержит VAD , и генератор комфортного шума). Кодеки G.729 сокращенно называют CS-ACELP Conjugate Structure — Algebraic Code Excited Linear Prediction — сопряженная структура с управляемым алгебраическим кодом линейным предсказанием. Процесс преобразования "использует DSP 21,5 MIPS и вносит задержку 15 мс. Скорость кодированного речевого сигнала составляет 8 кбит/с. В устройствах VoIP данный кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии.

7.7. Кодек G.728

            Гибридный кодек, описанный в рекомендации G.728 в 1992 г. относится к категории LD-CELP — Low Delay — Соде Excited Linear Prediction — кодек с управляемым кодом линейным предсказанием и малой задержкой. Кодек обеспечивает скорость преобразована 16 кбит/с, вносит задержку при кодировании от 3 до 5 мс и для реализации необходим процессор с быстродействием более 40 MIPS. Кодек предназначен для использования, в основном, в системах видеоконференций. В устройствах IP-телефонии данный кодек применяется достаточно редко.

7.8. Основные характеристики рассмотренных кодеков

Основные характеристики рассмотренных кодеков приведены в табл.7.4.

Скорость передачи, которую предусматривают имеющиеся сегодня узкополосные кодеки, лежит в пределах 1.2 - 64 Кбит/с. Естественно, что от этого параметра прямо зависит качество воспроизводимой речи. Существует множество подходов к проблеме определения качества. Наиболее широко используемый подход оперирует оценкой MOS (Mean Opinion Score), которая определяется для конкретного кодека как средняя оценка качества большой группой слушателей по пятибалльной шкале. Для прослушивания экспертам предъявляются разные звуковые фрагменты - речь, музыка, речь на фоне различного шума и т.д. Оценки интерпретируют следующим образом:

• 4-5 - высокое качество; аналогично качеству передачи речи в ISDN, или еще выше;

• 3.5-4- качество ТфОП (toll quality); аналогично качеству речи, передаваемой с помощью кодека АДИКМ при скорости 32 Кбит/с. Такое качество обычно обеспечивается в большинстве телефонных разговоров. Мобильные сети обеспечивают качество чуть ниже toll quality;

• 3-3.5- качество речи, по-прежнему, удовлетворительно, однако его ухудшение явно заметно на слух;

• 2.5-3 - речь разборчива, однако требует концентрации внимания для понимания. Такое качество обычно обеспечивается в системах связи специального применения (например, в вооруженных силах).

В рамках существующих технологий качество ТфОП (toll quality) невозможно обеспечить при скоростях менее 5 Кбит/с.

Таблица.7.4.  Основные характеристики кодеков

(данные компании CISCO Systems)

Кодек	Тип кодека	Скорость кодирования	Размер кадра	Оценка
G.711	ИКМ	64 Кбит/с	0,125 мс	4,1
G.726	АДИКМ	32 Кбит/с	0,125 мс	3,85
G.728	LD – CELP	16 Кбит/с	0,625 мс	3,61
G.729	CS – ACELP (без VAD)	8 Кбит/с	10 мс	3,92
G.729	2-х кратное кодирование	8 Кбит/с	10 мс	3,27
G.729	3-х кратное кодирование	8 Кбит/с	10 мс	2,68
G.729a	CS – ACELP	8 Кбит/с	10 мс	3,7
G.723.1	MP – MLQ	6,3 Кбит/с	30 мс	3,9
G.723.1	ACELP	5,3 Кбит/с	30 мс	3,65

   Количественными характеристиками ухудшения качества речи являются единицы QDU (Quantization Distortion Units): 1 QDU соответствует ухудшению качества при оцифровке с использованием стандартной процедуры ИКМ; значения QDU для основных методов компрессии приведены в табл.7.5.

Таблица 7.5. Значения QDU для основных методов компрессии.

Метод компрессии	QDU
ADPCM 32 кбит/с	3,5
ADPCM 24 кбит/с	7
LD-CELP 16 кбит/с	3,5
CS-CELP 8 кбит/с	3,5

Дополнительная обработка речи всегда ведет к дальнейшей потере качества. Согласно рекомендациям МСЭ-Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14, причем передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU. Следовательно, при передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным требованием регулирующих органов по отношению к корпоративным сетям, подключенным к сетям общего пользования. Подавление пауз (silence suppression) — важная функция АТМ-коммутаторов. Суть технологии подавления пауз заключается в определении различия между моментами активной речи и молчания в период. В результате применения этой технологии генерация ячеек происходит только в активного разговора. Поскольку в процессе типичного разговора по телефону тишина  составляет до 60% времени, происходит двукратная оптимизация по количеству данных, должны быть переданы по линии. Объединение технологии сжатия речи и подавления  пауз речи в коммутаторах приводит к уменьшению потока данных в канале до восьми раз.

            Современные продукты для IP-телефонии применяют самые разные кодеки, стандартные и нестандартные. Конкурентами являются кодеки GSM (13,5 кбит/с) и кодеки МСЭ-Т серии G, использование которых предусматривается стандартом Н.323 для связи по IP-сети. Единственным обязательным для применения кодеком в Н.323-совместимых продуктах остается стандарт G.711: выдаваемые им массивы данных составляют от 56 до 64 кбит/с. В качестве дополнительных высокопроизводительных кодеков стандарт Н.323 рекомендует G.723 и G,729 — последние способны сжимать оцифрованную 16-разрядную ИКМ- речь длительностью 10 мс всего в 10 байт. Стандарт G.729 уже получил широкое распространение в передачи голоса по IP; его поддерживают значительное число производителей продуктов для IP-телефонии.

Выводы.

Скорость передачи, которую предусматривают имеющиеся сегодня узкополосные кодеки, лежит в пределах 1.2 - 64 Кбит/с. От этого параметра прямо зависит качество воспроизводимой речи.

В рамках существующих технологий качество ТфОП (toll quality) невозможно обеспечить при скоростях менее 5 Кбит/с.

Современные продукты для IP-телефонии применяют самые разные кодеки. Обязательным для применения кодеком в Н.323-совместимых продуктах остается стандарт G.711. В качестве дополнительных высокопроизводительных кодеков стандарт Н.323 рекомендует G.723 и G.729. Эти кодеки способны сжимать оцифрованную 16-разрядную ИКМ- речь длительностью 10 мс в 10 байт. Стандарт G.729 получил широкое распространение в передачи голоса по IP; его поддерживают значительное число производителей продуктов для IP-телефонии.

Практическое занятие 8.

Занятие 7

Тема: Процесс установления соединения

Стр 44
Практическое занятие 9.

Архитектура системы проекта TIPHON. Профиль iNow

Вопрос преобразования номера сети с коммутацией каналов в IP-адрес представляется пока еще достаточно сложным и разрабатывается не только рабочей группой ETSI в рамках проекта TIPHON, но и другими организациями, например IETF.

Согласно рекомендациям TIPHON, для организации вызовов от абонентов сетей с коммутацией каналов пользователям IP-сети желательно, чтобы последние имели номер Е.164. В проекте TIPHON также исследуется возможность использования в Интернет кода страны и кода услуги, которые будут задействованы в Интернет-телефонии.

В соответствии с концепцией TIPHON сети IP-телефонии должны поддерживать, по крайней мере, одну из следующих схем нумерации:

1. Домены сети IP-телефонии должны поддержать все схемы нумерации на сетях связи с коммутацией каналов и обеспечивать надлежащее межсетевое взаимодействие с ними.

2. План нумерации для пользователей сетей IP-телефонии может быть таким же, как и пользователей сетей с коммутацией каналов, причем с учетом национальных особенностей.

3. Нумерация для предоставления услуг пользователям IP-телефонии должна быть нумерации, используемой в сетях с коммутацией каналов.

Приложение

2.2. Методы кодирования речевой информации.

2.2.1. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Нелинейное квантование

по А- и -законам.

Процессы представления цифрового сигнала – дискретизация по времени, линейное квантование по уровню и кодирование приведены в Приложении 1.

При нелинейном квантовании шаг квантования изменяется от одного уровня квантования к другому. Это изменение должно поддерживаться, например, логарифмическим законом.

Различают два основных способа нелинейного квантования:

- по закону А, стандартизирован СЕРТ и МСЭ, используется в Европе.

- по закону , стандартизирован Североамериканской системой Bell и МСЭ, используется в США, Японии (рис.2.3).

Рис.2.3. Кривые законов квантования.

В процессе кодирования квантованных АИМ – сигналов может использоваться ИКМ (импульсно – кодовая модуляция), получившая широкое распространение.

При ИКМ каждый АИМ – импульс кодируется соответствующим значением цифрового сигнала. Разрядность цифрового сигнала или кодовой группы влияет на процесс группообразования цифровых сигналов от различных источников в виде единого цифрового группового сигнала (рассмотрим позже).

Приведем структуру кодовой группы тракта ИКМ – 30/32, в котором в каждом канальном интервале используется 8 – разрядное кодовое слово.

- разряды кодовой группы одного канала.

- знаковый разряд, учитывающий положительное и отрицательное значение исходного сигнала.

« + » -

« − » -

- сегмент квантования; содержит определенное число уровней квантования с одинаковым шагом квантования внутри одного сегмента.

- шаг квантования, определяется числом уровней квантования в сегменте.

Рассмотрим подробнее ИКМ – преобразование на примере системы СЕРТ.

Для обеспечения требуемого качества передачи речевого сигнала в телефонных системах принято максимальное число уровней квантования 4096 уровней для положительных и отрицательных полуволн сигнала.

Примем количество сегментов, равным 8, шаг квантования в сегменте и его числовое значение равно: .

Шаг квантования в различных сегментах разный (табл.2.1).

Процесс кодирования исходного сигнала сводится к следующему:

1. Определяется уровень квантования для данного значения сигнала по формуле:

2. Определяется сегмент квантования (С) и шаг квантования (К) в данном сегменте по полученному значению уровня квантования .

3. Определяется кодовое значение сегмента и шага квантования.

4. Определяется значение знакового разряда по знаку .

5. Составляется кодовое слово, которое будет передано в линию.

Процесс декодирования можно выполнить с помощью обратного преобразования, используя формулы:

, если C>0

, если C=0

В результате одной операции кодирования – декодирования исходный уровень и значение сигнала практически не изменяется.

Таблица 2.2. Соответствие между шагом квантования и номером сегмента.

Сегмент квантования (кодовое значение), C								Шаг квантования (кодовое значение), K
0	1	2	3	4	5	6	7
000	001	010	011	100	101	110	111
0	32	64	128	256	512	1024	2048
								0	0000
2	34	68	136	272	544	1088	2176
								1	0001
4	36	72	144	288	576	1152	2304
								2	0010
6	38	176	152	304	608	1216	2432
								3	0011
8	40	80	160	320	640	1280	2560
								4	0100
10	42	84	168	336	672	1344	2688
								5	0101
12	44	88	176	352	704	1408	2816
								6	0110
14	46	92	184	368	736	1472	2944
								7	0111
16	48	96	192	384	768	1536	3072
								8	1000
18	50	100	200	400	800	1600	3200
								9	1001
20	52	104	208	416	832	1664	3328
								10	1010
22	54	108	216	432	864	1728	3456
								11	1011
24	56	112	224	448	896	1792	3584
								12	1100
26	58	116	232	464	928	1856	3712
								13	1101
28	60	120	240	480	960	1320	3840
								14	1110
30	62	124	248	496	992	1984	3968
								15	1111
32	64	128	256	512	1024	2048	4096

Пример.

1. Кодирование.

При C=010 и K=1110

Кодовое слово 1 010 1110 с учетом знака исходного сигнала.

2. Декодирование

1 010 1110

С учетом знака

2.2.2. Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая

модуляция (АДИКМ)

Алгоритм ADPCM (Adaptive Difference Pulse Code Modulation, по-русски — АДИКМ, адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция), как и любой другой алгоритм кодирования речи, предназначен для уменьшения скорости потока цифровых данных. Это позволяет увеличить пропускную способность линий связи с сохранением их функциональности и уменьшить трафик передачи. Применительно к записи и хранению звуковых данных использование АДИКМ позволяет увеличить количество записываемой информации на единицу носителя.

Из классической теории сигналов известно, что значения отсчетов, взятых через интервал Котельникова, взаимно некоррелированы, если спектр сигнала в занимаемой им полосе частот равномерен (белый шум). Однако на практике в основном используются сигналы, спектр которых неравномерен, поэтому корреляция между отсчетами не равна нулю. При этом степень корреляции возрастает с увеличением частоты дискретизации. Типичным примером таких сигналов является речь, где корреляция между соседними отсчетами достаточно велика при соблюдении теоремы Котельникова в процессе дискретизации. На этом факте основан принцип передачи, называемый «кодирование с предсказанием» (см.рис.2.3, рис.2.4). Последовательность коррелированных отсчетов исходного сигнала b(k)

Рис.2.3. Структурная схема процесса кодирования (метод «кодирование с предсказанием»).

Рис.2.4. Структурная схема процесса декодирования с предсказанием.

подается на один из входов вычитающего устройства, а на другой его вход поступает сигнал предсказания b'(k), сформированный из предыдущих отсчетов.

Полученный сигнал ошибки e(k) предсказания поступает в линию передачи. На приемном конце имеется предсказатель идентичный передающему предсказателю. Так как он оперирует с теми же предыдущими отсчетами, предсказанное им значение нового отсчета b'''(k) будет таким же, как в передатчике. Добавив к нему принятое значение ошибки e'(k), можно восстановить истинный отсчет b''(k). При этом, чем сильнее корреляционные связи между отсчетами сигнала, тем точнее можно сформировать сигнал предсказания.

В цифровых системах передачи отсчеты сигнала ошибки подвергаются обычным операциям квантования и кодирования, результатом чего является импульсно-кодовое представление передаваемого сигнала. Такой метод называется дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (ДИКМ).

Применение ДИКМ позволяет значительно снизить скорость потока, однако ошибка при восстановлении сигнала зависит от величины шага квантования передаваемого кода. Уменьшение шага квантования (увеличение разрядности кодового слова) уменьшает ошибку и соответственно качество восстановленного сигнала, но увеличивает скорость потока.

Увеличение шага квантования уменьшает скорость потока, но увеличивает ошибку восстановления. В рамках классической ДИКМ с фиксированным шагом квантования это противоречие неразрешимо. Одно из решений заключается во введении адаптации шага квантования в процесс кодирования-декодирования. Такой алгоритм назван АДИКМ (адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция).

Идея дифференциального кодирования или линейного предсказания - вместо того, чтобы кодировать входной сигнал непосредственно, кодируют разность между входным сигналом и «предсказанной» величиной, вычисленной на основе нескольких предыдущих значений сигнала.

Если отсчеты входного сигнала обозначить как y(i), то предсказанное значение в момент времени i представляет собой линейную комбинацию нескольких р предыдущих отсчетов:

y(i)=a,y(i-1)+a;,y(i-2)+...+apy(i-p) где множители а, называются коэффициентами предсказания.

Разность e(i)=y(i)-y(i) имеет меньший динамический диапазон и может кодироваться меньшим числом битов, что позволяет снизить требования к полосе пропускания.

Описанный метод называется линейным предсказанием, так как он использует только линейные функции предыдущих отсчетов. Коэффициенты предсказания выбираются так, чтобы минимизировать среднеквадратическое значение ошибки предсказания e(i), при этом значения коэффициентов изменяются, в среднем, каждые 10-25 мс.

Простейшей реализацией последнего подхода является дельта-модуляция (ДМ), алгоритм которой предусматривает кодирование разности между соседними отсчетами сигнала только одним информационным битом, обеспечивая передачу только знака разности.

Наиболее совершенным алгоритмом, построенным на описанных выше принципах, является алгоритм адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ), предложенный ITU-T в рекомендации G.726. Алгоритм предусматривает формирование сигнала ошибки предсказания и его последующее адаптивное квантование. Существует версия этого алгоритма, в которой информационные биты выходного цифрового потока организованы по иерархической схеме, что позволяет отбрасывать наименее значимую информацию, не уведомляя об этом кодер, и получать поток меньшей скорости за счет некоторого ухудшения качества. Документ G.726 специфицирует кодирование при скоростях 40, 32, 24 и 16 Кбит/с, что соответствует передаче 5, 4, 3 или 2 битов на отсчет. Качество речи, передаваемой с использованием АДИКМ G.726 при скорости 32 Кбит/с соответствует качеству речи, обеспечиваемому алгоритмом кодирования G.711.

Впервые рекомендации по использованию АДИКМ были опубликованы в стандарте Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (CCITT — The International Telegraph and Telephone Consultative Committee) ITU-T G.721. Однако оказалось, что при осуществлении адаптации шкалы квантования возникают значительные запаздывания, ухудшающие качество речи. В 1987 году во вкладе СССР в МККТТ был описан алгоритм АДИКМ G.721-bis с ускоренной адаптацией шага. В 1990 году была издана окончательная редакция стандарта — ITU-T G.726, в которой учтены все поправки. Алгоритм гарантирует оценки MOS на уровне 4.3 (при скорости потока 32 кбит/с), что часто принимается за эталон качества телефонной связи. Этот алгоритм до сих пор используется при передаче речи по спутниковым и другим каналам связи, несмотря на появление кодеков с гораздо более низкой скоростью потока и достаточным качеством восстановления.

При достаточно хороших характеристиках алгоритма, АДИКМ практически не применяется для передачи речи по сетям с коммутацией пакетов, так как этот алгоритм очень чувствителен к потерям целых блоков отсчетов, происходящим при потерях пакетов в сети. В таких случаях нарушается синхронизация кодера и декодера, что приводит к катастрофическому ухудшению качества воспроизведения речи даже при малой вероятности потерь.

Реализация упрощенного алгоритма ADPCM на микроконтроллере приведена ниже.

Стандарт ITU-T G.726 обладает некой избыточностью для данного применения. В частности, кодек G.726 имеет в своем составе преобразователь входной последовательности ИКМ, кодированной по A- или µ-закону в линейную ИКМ, детектор тона и перехода, предназначенный для определения состава предаваемых данных (речь или факсимильный обмен), и другие дополнительные блоки, улучшающие помехозащищенность сигнала при передачи по линии связи.

Рассмотрим структуру упрощенного кодера. Входной сигнал кодера si — последовательность линейно квантованных отсчетов речевого сигнала с разрядностью 16 бит, кодированных дополнительным кодом. Выходным сигналом кодера является последовательность адаптивно кодированных четырехразрядных отсчетов ошибки предсказания t, следующих с частотой дискретизации, равной входной. Таким образом, кодер ADPCM позволяет сократить скорость потока в 4 раза при кодировании 16-разрядных входных данных и в 2 раза при кодировании 8-разрядных данных. Согласно рекомендациям ITU G.721, в речевых системах ADPCM в качестве входного сигнала используется 16-разрядный цифровой поток с частотой дискретизации 8 кГц. Скорость такого потока равна 16*8000 = 128 кбит/с. Скорость потока на выходе кодера составляет 4*8000 = 32 кбит/с.

Адаптационная способность рассматриваемого кодера основана на информации об абсолютном значении предыдущего отсчета ошибки предсказания. Для простоты реализации системы применен табличный метод адаптации (табл. 2.3–2.4). Основное отличие рассматриваемого алгоритма от алгоритма ITU G.721 состоит в принципе предсказания. Адаптивный предсказатель кодера ITU G.721 рассчитывает значение предсказанного отсчета, используя в качестве опорных данных значения шести предыдущих ошибок квантования и двух предыдущих предсказанных значений. В данной системе предсказание осуществляется по одной предыдущей ошибке квантования и по одному предыдущему предсказанному отсчету. Синхронность работы кодера и декодера системы обеспечивается тем, что часть кодера представляет собой декодер, поэтому передавать по каналу данные об адаптации нет необходимости.

Таблица 2.3. Поисковая таблица индексов адаптации шага квантования

(16 значений)

-1	-1	-1	-1	2	4	6	8
-1	-1	-1	-1	2	4	6	8

Таблица 2.4. Поисковая таблица шагов квантования (89 значений)

7	8	9	10	11	12	13	14
16	17	19	21	23	25	28	31
34	37	41	45	50	55	60	66
73	80	88	97	107	118	130	143
157	173	190	209	230	253	279	307
337	371	408	449	494	544	598	658
724	796	876	963	1060	1166	1282	1411
1552	1707	1878	2066	2272	2499	2749	3024
3327	3660	4026	4428	4871	5358	5894	6484
7132	7845	8630	9493	10442	11487	12635	13899
15289	16818	18500	20350	22385	24623	27086	29794
32767

Сама процедура кодирования-декодирования занимает порядка 600 слов командной памяти и 13 байт памяти данных. Этому требованию по ресурсам удовлетворяют все микроконтроллеры Microchip. Наиболее оптимальным является использование новых Flash-микроконтроллеров, имеющих в своем составе 10-битный АЦП. В семействе маловыводных контроллеров PIC12 (8-выводный корпус) это PIC12F675, имеющий программную память размером 1 Кслово, встроенную память EEPROM, 2 таймера (8-и 16-битный), компаратор. В том же семействе есть новейший PIC12F683, имеющий увеличенную до 2 Кслов память программ, аппаратный модуль ШИМ и, что немаловажно, режимы пониженного энергопотребления. В сочетании с низкой стоимостью появляется возможность встраивания голосовых функций практически в любые устройства.

Другой вариант — использование более мощного микроконтроллера семейства PIC18, в котором помимо голосовых функций можно реализовать сложные функции управления и обработки данных. Для обработки звуковых сигналов перспективным видится использование контроллеров семейства dsPIC30F с DSP-ядром. Они совмещают в себе возможности микроконтроллера с мощностью процессоров цифровой обработки сигналов. Имея в своем распоряжении большой объем памяти и специальные команды DSP-ядра, разработчик получает гибкий инструмент для обработки аналоговых сигналов. Мощности контроллера достаточно не только для воспроизведения звука, его фильтрации и синтеза, но и для распознавания речи и говорящего. Это позволяет строить компактные высокоинтеллектуальные охранные системы и комплексы, системы идентификации и голосового управления.

Голосовые кодеки, построенные на основе контроллеров, могут применяться как автономно, так и в составе системы. Для связи основного процессора с кодеком (микроконтроллером) могут применяться различные интерфейсы — последовательные (SPI, I2C, UART) и параллельные. Для квантования сигнала используется встроенный АЦП контроллера. Полученное 10-битное значение кодируется в 4-битное и упаковывается в байты. Для вывода голосового сигнала применяется блок ШИМ вкупе с внешним ФНЧ. Качества цифроаналогового преобразования на основе ШИМ оказывается достаточно для голосовых приложений.

Примеры программ для контроллеров Microchip, готовые решения и полное описание алгоритмов доступны на сайте www.microchip.com в разделе Application Notes (Application Note 643). Информацию о сторонних разработчиках ПО для обработки звука на основе алгоритмов АДИКМ можно найти в Интернет по адресу

http://www.circuitcellar.com/pastissues/articles/richey110/text.htm

7.3. Кодеры исходной информации (вокодеры) и гибридные алгоритмы

Многие методы кодирования используют особенности человеческой речи, связанные со строением голосового аппарата. Кодеры, в которых реализуются такие методы, называют кодерами исходной информации или вокодерами (voice coding).

Звуки речи образуются при прохождении выдыхаемого воздуха через голосовой аппарат человека, важнейшими элементами которого являются язык, нёбо, губы, зубы и голосовые связки. В формировании того или иного звука участвует та или иная часть этих элементов. Если звук формируется с участием голосовых связок, поток воздуха из легких вызывает их колебание, что порождает звуковой гон. Последовательность формируемых таким образом звуков составляет тоновую речь (или тоновый сегмент речи). Если звук формируется безучастия связок, тон в нем отсутствует, и последовательность таких звуков составляет нетоновую речь (нетоновый сегмент речи). Спектр тонового звука может быть смоделирован путем подачи специальным образом сформированного сигнала возбуждения на вход цифрового фильтра с параметрами, определяемыми несколькими действительными коэффициентами. Спектр нетоновых звуков - практически равномерный, что обусловлено их шумовым характером.

В реальных речевых сигналах не все звуки можно четко разделить на тоновые и нетоновые, а приходится иметь дело с некими переходными вариантами, что затрудняет создание алгоритмов кодирования, обеспечивающих высокое качество передачи речи при низкой скорости передачи информации.

Рис.7.4 иллюстрирует описанную упрощенную модель функционирования голосового тракта человека. Работа кодера, согласно такой модели, состоит в том, чтобы, анализируя блок отсчетов речевого сигнала, вычислить параметры соответствующего фильтра и параметры возбуждения (тоновый/нетоновый сегмент речи, частота тона, громкость).

Рис. 7.4. Модель функционирования голосового тракта

Описанный принцип кодирования получил название LPC (Linear Prediction Coding - кодирование с линейным предсказанием), поскольку центральным элементом модели голосового тракта является линейный фильтр. Наиболее известный стандартный алгоритм, построенный по описанному принципу, был стандартизован министерством обороны США под названием LPC-10, где число 10 соответствует количеству коэффициентов фильтра. Данный кодер обеспечивает очень низкую скорость передачи информации 2.4 Кбит/с, однако качество воспроизводимых речевых сигналов оставляет желать лучшего и не удовлетворяет требованиям коммерческой речевой связи - речь носит ярко выраженный «синтетический» характер.

Алгоритмы кодирования формы сигнала основаны на наличии корреляционных связей между отсчетами сигнала, которые дают возможность линейного предсказания. В сочетании с адаптивным квантованием этот подход позволяет обеспечить хорошее качество речи при скорости передачи битов порядка 24-32 Кбит/с. LPC-кодеры (вокодеры) используют простую математическую модель голосового тракта и позволяют использовать очень низкие скорости передачи информации 1200-2400 бит/с, однако ценой «синтетического» характера речи.

Гибридные алгоритмы кодирования и алгоритмы типа «анализ путем синтеза» (ABS) представляют собой попытки совместить положительные свойства двух описанных выше основных подходов и строить эффективные схемы кодирования с диапазоном скоростей передачи битов 6-16Кбит/с.

Важное отличие кодеров такого типа состоит в том, что в рамках этих алгоритмов нет необходимости принимать решение о типе воспроизводимого звука (тоновый или нетоновый), так как предусматриваются специальные меры для кодирования сигнала ошибки после прохождения возбуждения через LPC-фильтр. Например, сигнал ошибки может быть закодирован по алгоритму, аналогичному АДИКМ, что обеспечит высокую точность его передачи. ABS-кодеры не могут быть строго классифицированы как кодеры формы сигнала, однако реально целью процедуры минимизации ошибки (рис. 7.5),

Рис. 7.5. Упрощенная блок-схема ABS-кодера

т.е. различия между входным и синтезированным сигналами, является синтез на выходе кодера сигналов, форма которых наиболее близка к форме входных. ABS-декодер является малой частью кодера (рис.7.6).

Рис.7.6. Упрощенная блок - схема ABS - декодера

Приложение 2. Пример расчёта.

Состав трафика IP-телефонии.

Трафик IP-телефонии (VoIP) состоит из нескольких видов трафика:

- речевой трафик RTP протокола IP-телефонии

- сигнальный трафик, включающий поддержку протоколов H.248, MGCP, SIP, H.323, ISUP, TCAP

- биллинг-трафик CDR

- NMS (Network Management System) трафик

Рассчитаем полосы речевого трафика для 1 абонента IP-телефонии. В IP-телефонии для преобразования речи в пакеты используются различные виды кодеков. На телефонной сети общего пользования ТфОП используется один вид кодеков G.711, стандартизированный ITU. Максимальная скорость на выходе кодека G.711 64кбит/с.

Требуемая полоса на 1 абонента (в кбит/с) вычисляется по формуле:

Заголовок RTP-протокола составляет 58байт Он состоит из:____________

Управляющая информация для протокола RTP (по протоколу RTCP) составляет 5% от размера потока RTP.

Определим размер речевой информации в одном IP пакете в зависимости от длительности кадра для кодека G.711

Расчёт размера речевой информации в одном IP пакете

для кодека G.711

Размер речевой информации в одном IP пакете зависит от длительности кадра и скорости передачи кодека.

Кодек G.711.

Максимальная скорость на выходе кодека G.711 64кбит/с.

Переводим эту величину в байты

64кбит/с ≈8 кбайт = 8000 байт/с

8

Эта величина означает, что в 1с поступает 8000 байт.

Имеются следующие значения длительности кадра – 5мс, 10мс, 15мс, 20мс, 30мс. Для расчётов остановимся на значениях длительности кадра – 20мс, 30мс.

Размер кадра длительностью 1мс (0,001с) 8000 байт = 8 байт

1000

Размер кадра в 20мс 8000 байт *20 = 160 байт

1000

Размер кадра в 30мс 8000 байт *30 = 240 байт

1000

Аналогично рассчитаем размер кадра для оставшихся кодеков.

Рассчитанные данные сведены в Таблицу 2.

Таблица 2. Размер речевой информации в одном IP пакете в зависимости от длительности кадра для кодеков G.711, G.729, G.723.

Тип кодека	Скорость кодирования	Длительность кадра (мс)	Размер кадра (байт)
G.711	64кбит/с	20	160
		30	240
G.729
G.723

Расчёт полосы речевого трафика для 1 абонента.

Требуемая полоса на 1 абонента (в кбит/с) вычисляется по формуле:

Для Кодека G.711 при размере кадра 160байт при длительности кадра 20мс ширина канала составит:

(1000/20) * (160 + 58) * (1+5%) * 8 = 165 кбит/с

Подставив в формулу, остальные значения размера кадра и длительности кадра получим данные, приведённые в Таблице 2.

Таблица 2. Зависимость требуемой полосы от длительности кадра.

Тип кодека	Длительность кадра (мс)	Размер кадра (байт)	Размер RTP заголовка (байт)	Требуемая полоса на 1 абонента (кбит/с)
G.711	20	160	58	92
	30	240	58	83