ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

                                                                                                                  Кафедра

«Сети и системы передачи данных»

Джураев  Р.Х., Сайфуллаев А.А., Умирзаков Б.М.

«Сети передачи аудио и видео данных»

ЭЛЕКТРОННОЕ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Для бакалавров обучающихся по направлению

5525700-5525500 Телевизионные технологии

Ташкент 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………3

1. Сети  передачи аудио и видеоданных и задачи их построения и функционирования………………………………………………………………………..…..5

1.1. Сети передачи аудио и видеоданных как основа мультисервисных сетей……..…5

1.2. Требования к полосе пропускания при передаче аудио и видеоданных…………14

1.3 Задачи построения и функционирования сетей передачи аудио и видеоданных...18

2. Классификация сетей телекоммуникаций. Основные телекоммуникационные технологии…………………………………………………………………………………….22

2.1 Классификация сетей телекоммуникаций…………………………………………...22

2.2 Основные телекоммуникационные технологии…………………………………….24

2.2.1 Frame Relay………………………………………………………………………..24

2.2.2 Технология ATM…………………………………………………………………25

2.2.3 Стек протоколов TCP/IP…………………………………………………………26

2.2.4 Принципы технологии MPLS…………………………………………………...27

3. Принципы пакетной передачи как основы сетей NGN. Модель NGN……...............…30

3.1 Принципы пакетной передачи как основы сетей NGN…………………………….30

3.2 Модель NGN……………………………………………………………………….….31

4.  Типы трафика по приложениям и требования к ним. Рекомендации Y.1540, Y.1541………………………………………………………………………………………....35

4.1 Типы трафика по приложениям и требования к ним…………………………….…35

4.2 Рекомендации МСЭ Y.1540, Y.1541………………………………………………....39

5. Организация IP-телефонии. IP-телефония как услуга. аудиокодеки и их применение в IP-телефонии……………………………………………….........................………………....44

5.1 Организация IP-телефонии…………………………………………………………...44

5.2 IP-телефония как услуга……………………………………………………………...49

5.3 Аудиокодеки и их применение в IP-телефонии………………………………….…50

6. Показатели качества и методы оценки QoS в сетях IP-телефонии

методы повышения показателей QoS……………………………………………………....54

6.1 Показатели качества и методы оценки QoS в сетях IP-телефонии…………….….54

6.2 Методы повышения показателей QoS………………………………………….…...57

7. Принципы передачи трафика реального времени. Независимые от транспортной сети онлайн-организаторы сервисов IP-телефонии……….................................………………67

7.1 Принципы передачи трафика реального времени………………………………….67

7.2 Независимые от транспортной сети онлайн-организаторы сервисов

IP-телефонии……………………………………………………………….……………..70

8. IPTV как услуга Triple Play, ее организация. требования предъявляемые при построении сетей IPTV. Принципы пакетного предоставления услуг реального времени.........……74

8.1 IPTV как услуга triple play, ее организация…………………………………….…..74

8.2 Принципы пакетного предоставления услуг реального времени………………....76

8.3 Требования предъявляемые при построении сетей IPTV………………………….77

9. Архитектура сетей IPTV. обзор методов доставки пакетов с сетях IPTV. принципы многоадресной доставки. принципы организация потоков……...................…………….81

9.1 Архитектура сетей IPTV……………………………………………………………..81

9.2 Обзор методов доставки пакетов в сетях IPTV…………………………………….87

9.3 Принципы многоадресной доставки………………………………………………..91

9.4 Принципы организация потоков…………………………………………………....92

10. Принципы сжатия контента в сетях IPTV. особенности вейвлет-преобразования при сжатии видео данных…………………………………………….......……………………..95

10.1 Принципы сжатия контента в сетях IPTV…………………………………………….…..95

10.2 Особенности Вейвлет-преобразования при сжатии видео данных………………….…..98

Список литературы.........................................................................................................................101

ВВЕДЕНИЕ

Как показывает международная практика, радикальные изменения в информационной сфере экономически развитых стран, произошедшие на рубеже XX-XXI веков, существенно изменили облик инфокоммуникаций, которые стали одной из наиболее перспективных и динамично развивающихся базовых инфраструктур общества.

Современная информационная инфраструктура страны состоит из мощных сетей телекоммуникаций (телекоммуникационный комплекс) и разнообразных информационных систем (информационный комплекс). В последние годы, в соответствии с общепринятыми тенденциями, происходит интеграция телекоммуникационного и информационного комплексов в единый инфокоммуникационный комплекс.

Международный опыт развитых стран показывает, что стратегической задачей является кардинальная перестройка национальных инфокоммуникационных инфраструктур на пути к глобальному информационному обществу (ГИО) в соответствии с основополагающими принципами его создания. В этой связи в указанных странах в последнее десятилетие серьезно проработаны основополагающие принципы создания и интеграции национальных информационно-телекоммуникационных инфраструктур в глобальную информационную инфраструктуру (ГИИ).

В последние годы также и в Республике Узбекистан сфера связи и информатизации становится одной из важнейших инфраструктур страны и ей принадлежит особая роль во многих сферах деятельности общества. Приоритетной задачей в Республике Узбекистан также  является создание и развитие национальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры на основе новых сетевых технологий передачи данных. Это обусловлено тем, что инфокоммуникации, проникая во все инфраструктурные и базисные компоненты общества, становятся одним из мощных инструментов управления страной и катализатором её экономического роста. Кроме того,  построение  информационного общества и успешная интеграция в мировое информационное пространство невозможно без развитой национальной инфокоммуникационной инфраструктуры, способной обеспечить доступ пользователей к современным инфокоммуникационным услугам. Такой доступ может быть обеспечен только на базе современных высокоскоростных технологий передачи данных, отвечающим мировым тенденциям развития и учитывающим требования, предъявляемые к современным инфокоммуникационным  системам и сетям.

Как показывает международный опыт, целый ряд новых проблем и задач в инфокоммуникациях возникает в результате интенсивного роста объема трафика комбинированных данных, т.е трафик Triple Play, который в развитых странах превысил уже голосовой трафик, и перехода от технологий, базирующихся на традиционной коммутации каналов, к высокоскоростным технологиям на основе коммутации пакетов и организации новых служб ПД.

Как показывает международная и отечественная практика, на сетях передачи аудио-видео данных (СПАВД), наряду с классическим методом коммутации каналов в телефон общего пользования (ТфОП), используются методы коммутации пакетов (протокол  Х.25), коммутации кадров (Frame Relay), коммутации ячеек (АТМ) и коммутации пакетов, базирующихся на IP-ориентированных протоколах.

Для передачи Triple Play трафика были разработаны два метода коммутации пакетов: метод виртуальных соединений и метод дейтаграмм. 

Режим виртуальных соединений предполагает резервирование ресурса (пусть даже виртуального) на время сеанса связи. Наличие резервированного ресурса позволяет гарантировать определенное качество обслуживания и, естественно, подходит для применения в сетях телекоммуникаций общего пользования.

В методе дейтаграмм, также основанном на коммутации пакетов, виртуальное соединение не устанавливается, то есть отсутствует резервирование ресурсов и не обеспечивается гарантированное качество обслуживания. Главным достоинством метода дейтаграмм является простота механизма передачи пакетов. Этот метод положен в основу IP-протокола, а спецификация стека протокола ТCP/IP, является   основой сети Интернет. Процедуры транспортировки пакетов между узлами сети определяются IP-протоколом третьего (сетевого) уровня, а процедуры межконцевой доставки - TCP–протоколом четвертого (транспортного) уровня. Целью создания IP-протокола, который использовался в сети ARPAnet, являлось объединение компьютерных сетей, построенных на разных операционных системах; с учетом этого был выбран способ связи без установления соединения на сетевом уровне, а именно дейтаграммный вариант коммутации пакетов.

В последнее десятилетие наблюдается бурное развитие глобальных сетей передачи аудио-видео данных с коммутацией пакетов. Именно на методах пакетной передачи и коммутации построено функционирование современных высокоскоростных сетей передачи аудио-видео данных. Заложенная в них идея проста: информация любого вида (данные, речь, видео) представляется в виде цифровой последовательности, которая в дальнейшем делится  на блоки «пакеты», снабженные всей необходимой информацией для идентификации, маршрутизации, коррекции ошибок и прочее.    Подобный подход позволяет в едином информационном потоке передавать все виды информации, используя для этого различные технологии коммутации пакетов.

Настоящие методические указания рассматривают общие принципы и механизмы передачи аудио-видео данных и предназначены как для бакалавров, так и для магистров и содержат информацию, необходимую для ознакомления с функционированием сетей передачи аудио-видео данных.

1. СЕТИ  ПЕРЕДАЧИ АУДИО И ВИДЕОДАННЫХ И ЗАДАЧИ ИХ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

1.1. Сети передачи аудио и видеоданных как основа мультисервисных сетей

Основой для передачи  мультимедийной информации все чаще становятся мультисервисные сети. Они способны к передаче данных разных типов и интеграции различных видов трафика, обладают «интеллектом», достаточным для того, чтобы можно было определять способы обработки программных приложений разных типов, а также политику поддержки пользователей разных классов, повышают эффективность использования вложенных средств. Одним из наиболее ярких и сложных примеров использования мультисервисных сетей является сети передачи  аудио и видеоданных.

    Так как сети передачи аудио и видеоданных являются основой мультисервисных сетей, следует рассмотреть основные понятия мультисервисных сетей, а также и требования при их реализации.

Существующие телекоммуникационные сети общего пользования с коммутацией каналов и коммутацией пакетов не отвечают современным требованиям. Ограниченные возможности традиционных сетей являются сдерживающим фактором на пути внедрения новых инфокоммуникационных услуг. Кроме того, внедрение отдельных видов инфокоммуникационных услуг на базе существующей инфраструктуры негативно сказывается на показателях качества традиционных услуг, предоставляемых на существующих сетях связи. Развитие технологии транспортировки информации привело к тому, что появилась возможность создать такую сеть, которая обеспечила бы удовлетворительные характеристики в смысле передачи информации для практически всех без исключения приложений - от публичной телефонии и интерактивного видео до опроса электросчетчиков. Такая сеть и есть сеть с интеграцией услуг или мультисервисная сеть, которая обеспечивает передачу всех видов медиатрафика в виде различных сигналов информации, и распределенное предоставление неограниченного спектра телекоммуникационных услуг, с возможностью их добавления, редактирования.

Под медиатрафиком или мультимедийным трафиком понимают цифровой поток данных, который содержит различные виды сообщений, воспринимаемых органами чувств человека. Мультимедийные потоки данных передаются по телекоммуникационным сетям с целью предоставления мультимедийных услуг.

Термином мультимедиа принято обозначать комплексное электронное представление: текста, графики, аудио, видео и речи в рамках единой пользовательской платформы, позволяющей одновременно использовать сразу несколько из перечисленных видов информации. Так же должна поддерживаться возможность интерактивного взаимодействия между пользователем и системой.

Необходимо иметь в виду, что мультимедиа не просто одновременная передача по сети сигналов разных служб, как часто считают, а такая интеграция передаваемой информации, при которой в каждый момент передается информация разных видов, посвященная одному и тому же процессу, явлению, предмету, человеку.

Мультисервисная сеть — это универсальная, высокоскоростная, информационно — транспортная сеть. Технические возможности мультисервисной сети обеспечивают предоставление «триединой» услуги — «голос, данные, видео». Такая телекоммуникационная инфраструктура обеспечит передачу всех типов информации и позволит предоставлять разнообразные услуги связи, отличающиеся друг от друга по качественным и количественным показателям. При этом отпадает необходимость создания многочисленных наложенных вторичных сетей, что сокращает расходы на каналы связи и расходы на поддержание работоспособности сети. В тоже время такое решение позволяет в дальнейшем обеспечить внедрение новых услуг с различными требованиями к объему передаваемой информации и качеству ее передачи.    «Доступность любых сервисов, всегда и везде» — так можно кратко выразить основную идею и цель мультисервисных сетей. При этом такая сеть открывает массу возможностей построения многообразных наложенных сервисов поверх универсальной транспортной среды — от пакетной телефонии до интерактивного телевидения и веб-служб. Сеть нового поколения отличается новыми возможностями:

· универсальный характер обслуживания разных приложений;

· независимость от технологий услуг связи и гибкость получения набора, объема и качества услуг;

· полная прозрачность взаимоотношений между поставщиком услуг и пользователями.

Круг потенциальных пользователей мультисервисной сети весьма широк. Теоретически в мультисервисной сети не должно быть различий между пользователями. Любой ее абонент сможет пользоваться любым типом услуг, ограничениями будут лишь его платежеспособность, условия контракта и наличие соответствующего оконечного оборудования. Необходимо, чтобы в любой момент он мог затребовать ту или иную услугу и в любой момент отказаться от нее, перейдя на работу в более экономичном режиме. Именно в удовлетворении этих требований заключается одна из основных проблем функционирования таких сетей.

Система должна функционировать в круглосуточном режиме, должно быть предусмотрено резервирование основных линий связи и распределение загрузки каналов связи.

В основе проектирования в обязательном порядке присутствуют следующие принципы:

Производительность. Используемые в проекте технологии и модели оборудования выбраны, исходя из планируемого объема обрабатываемого трафика, а также из требований к выполняемым функциям и используемым протоколам.

Надежность и доступность. Система должна функционировать в режиме 24х7 (круглосуточно 7 дней в неделю), 365 (366) дней в году.

Масштабируемость. Все предложенные решения обеспечивают возможность расширения, т.е. используемое оборудование и топология предусматривает возможность увеличения количества подключаемых пользователей и сетевых устройств. Все оборудование выбрано с резервом, как по производительности, так и по возможности установки дополнительных модулей и расширению функциональности.

Эффективность. В процессе проектирования произведена оптимизация с целью более эффективного использования ресурсов сети. Ресурсы сети представляют собой ресурсы оборудования (количество памяти, производительность процессора) и ресурсы каналов передачи данных (пропускная способность). Эффективное использование ресурсов сети снижает общую стоимость владения системой.

Мультисервисность. Сеть обеспечивает независимость технологий предоставления услуг (данных, голоса и видео) от  транспортных технологий. Для всего вышеуказанного в качестве неотъемлемого функционала сети обеспечено качество сервиса (QoS) для различных видов трафика с учетом их приоритетности.

Интеллектуальность (возможность управления услугой, вызовом и соединением со стороны пользователя или поставщика сервиса, обеспечение раздельной тарификации и управление условным доступом);   инвариантность доступа (возможность организации доступа к услугам независимо от используемой технологии);

Комплексность услуги или многооператорность (возможность участия нескольких провайдеров в предоставлении услуги и разделение их ответственности и дохода сообразно с видом деятельности каждого).

Широкополосность (возможность гибкого и динамического изменения скорости передачи информации в широком диапазоне в зависимости от текущих потребностей пользователя);

Мультимедийность (способность сети передавать речь, данные, видео- и аудиоинформацию с необходимой синхронизацией в реальном времени и с использованием сложных конфигураций соединений);  

Безопасность. Сеть учитывает требования к организации безопасности и защиты от несанкционированного доступа (НСД) в сетях передачи данных. Все устройства, входящие в состав оборудования, защищены системой паролей, имеющей несколько уровней, обладают дополнительными функциями по безопасности: списки доступа, виртуальные сети (VLAN). Аутентификация  может производиться с использованием серверов аутентификации и протоколов TACACS+/RADIUS, которые обеспечивают шифрацию при обмене паролями.

  Таким образом,  мультисервисная сеть должна:

· обеспечить передачу разнородного, мультимедийного трафика с круглосуточным режимом функционирования, обеспечивать требуемое качество сервиса при передачи мультимедийного трафика;

· предоставлять возможность построения виртуальных частных сетей для корпаротивных заказчиков;

· обеспечивать высокоскоростной доступ конечных пользователей к сетевым ресурсам;

· обладать достаточной надежностью, производительностью, необходимыми средствами контроля и управления, обеспечивать надежное функционирования за счет возможности дублирования своих компонентов и возможности их оперативной замены;

· сетевые элементы должны управляться из единого центра управления , который должен обеспечивать устойчивую и надежную между всеми обслуживаемыми точками сети;

· сеть должна иметь современные средства защиты от несанкционированного доступа со стороны внешней сети и защиты информации и конфигурации;

· должна обеспечивать возможность увеличения количества портов  и пропускной способности сети добавлением оборудования.

Требования, предъявляемые  к мультисервисной  сети, привлекают широкий круг пользователей и среди них:

Во-первых, многочисленные индивидуальные пользователи, проживающие в частных домах или квартирах и желающие иметь качественную телефонную связь (в том числе несколько телефонных номеров), хороший выход в Интернет, большое число развлекательных и информационных аудио- и видеопрограмм, удаленный доступ к бытовой аппаратуре и т. п.

Во-вторых, это групповые пользователи — бизнес - центры, многоквартирные жилые дома, фирмы, расположенные в одном здании.

В-третьих, это распределенные корпорации, имеющие территориально удаленные офисы, филиалы, автоматические терминалы (банкоматы, торговые автоматы и т. п.).

Мультисервисная среда вводит в оборот ряд новых услуг (Таблица 1.1.1)  – одни из них более привлекательны для широкого круга пользователей и позволяют достаточно быстро их внедрить, другие – на сегодняшний день являются только перспективными, но позволяют обеспечить взрывной рост дохода в ближайшем будущем. В список первых, например, входят такие услуги как:

· Обычное цифровое и интерактивное телевидение.

· Видео (музыка, книги) по запросу, персональная видеозапись телепередач.

· IP-телефония, видео-телефония.

· Интернет.

· Местные информационные услуги и ряд других.

Таблица 1.1.1

Тип услуги	Ширина полосы (к абоненту), Мбит/с
Широковещательное ТВ MPEG-2	От 2 до 6
Широковещательное ТВ MPEG-4	От 6 до 12
Видео по требованию	От 2 до 6
Персональный видеомагнитофон	От 2 до 6
Высокоскоростной Internet	От 0,5 до 10
Видео-конференц-связь	От 0,3 до 0,75
Голосовая и видеотелефония	От 0,064 до 0,75

Современный этап развития мировой цивилизации характеризуется переходом от индустриального, к информационному обществу, предлагающему новые формы социальной и экономической деятельности, базирующиеся на массовом использовании информационных и телекоммуникационных технологий. Ведущим фактором для развития информационной инфраструктуры является развитая телекоммуникационная инфраструктура, к которой относятся мощная магистральная сеть и сеть доступа. Интеграция современных информационных и телекоммуникационных технологий обеспечивает создание инфотелекоммуникационных сетей с широким набором разнообразных услуг пользователям. Поэтому современные сети передачи информации становятся важнейшим компонентом информационной инфраструктуры. Это видно на примере объединения современных телекоммуникационных и информационных технологий, наиболее полно реализованных в глобальной сети Internet. Динамика роста интернет трафика значительно превышает динамику роста трафика в традиционных сетях. Сейчас телекоммуникационные сети становятся преимущественно сетями передачи трафика данных, в которых объем трафика данных растет большими темпами по сравнению с голосовым трафиком.

     Процесс изменения структуры трафика в сетях телекоммуникации в разных регионах по-разному,  но в настоящее время эти тенденции приобретают достаточно общий характер. Магистральный участок или опорный уровень сети должен обеспечивать высокоскоростную передачу пакетов между узлами, максимально используя полосу пропускания. Опорные сети обязаны агрегировать разнородный трафик, предоставляемый сетями промежуточного уровня (пограничными сетями), и обеспечивать прозрачный транспорт для передачи этой информации. Для того, чтобы решить данные задачи, опорные сети должны использовать мощные коммутаторы, объединенные волоконно-оптическими каналами с использованием самых передовых оптических технологий, таких как, SDH/SONET и DWDM. Построение мультисервисных сетей может осуществляться на базе самых различных технологий, как на платформе IP (IP VPN), так и на базе выделенных каналов связи. На магистральном уровне наиболее популярны сегодня технологии IP/MPLS, ATM, xGE, DPT/RPR, POS, DWDM, Packet over SONET/SDH. Реально большая часть магистральных мультисервисных сетей сегодня строится на основе технологий IP/MPLS, DWDM, xGE,  а также POS, которые считаются особенно перспективными при значительной широте охвата и большом количестве потребителей. Агрегация на уровне города выполняется на базе Gigabit Ethernet, ATM, IP/MPLS, CWDM.

Структура современной мультисервисной сети как сети следующего поколения (NGN).

Функциональную модель мультисервисной сети (Рис. 1.1.1) с использованием технологии пакетной коммутации, можно представить структурно следующими уровнями:

· транспортный уровень:

· опорный (базовый) подуровень

· промежуточный   уровень

· подуровень доступа

· уровень управления сервисами, коммутации и передачи информации

· уровень приложений и управления услугами 

Рис. 1.1.1. Функциональная модель мультисервисной сети

Транспортный уровень обеспечивает коммутацию и прозрачную передачу информации пользователя, строится на базе современных пакетных технологий, обеспечивающих гарантированное качество передачи информации. К таким технологиям сейчас относятся Gigabit Ethernet, IP/MPLS и ATM. Конкретный выбор используемых транспортных технологий осуществляется на стадии проектирования. Основные технологические аспекты построения транспортной сети представлены на рисунке.

Рис.1.1.2. Упрощенная модель транспортного звена

Транспортная сеть (Рис.1.1.2) является опорной сетью в многослойной архитектуре телекоммуникационной сети со свободно надстраиваемыми слоями услуг. Состоит из двух подуровней: базового (ядро сети) и доступа.

Базовый подуровень - высокопроизводительное ядро сети, предоставляющее транспортные услуги между объектами. Этот уровень создается с целью высокоскоростной передачи пакетов между узлами, максимально используя полосу пропускания. На данном уровне не предполагается каких-либо манипуляций с содержимым пакетов (таких как фильтрация или уровни доступа), которые могут приводить к снижению производительности опорного уровня.

Промежуточный - уровень, определяющий интеграцию информации различной природы, некоторые параметры адресации, управления трафиком, обеспечения гарантированного качества предоставляемого сервиса (QoS), параметры широковещательных сообщений, политику безопасности, и т.д.

Уровень доступа – решает такие задачи, как обеспечение точки входа рабочих станций пользователей в сеть. Сети уровня доступа - корпоративные или внутридомовые сети, а также каналы связи, обеспечивают подключение абонентов к поставщикам сетевых услуг с использованием всех перспективных технологий обеспечения доступа:

· традиционные проводные линии связи (подразделяющиеся, в свою очередь, на две большие подгруппы - выделенные линии и телефонные линии с коммутируемым доступом).

· оптико-волоконные системы (к ним также можно отнести и системы связи на базе коаксиального кабеля, используемые, в частности, в кабельном телевидении);

· различного рода системы беспроводные доступа 

Уровень управления коммутацией и передачей информации – выполняет функции управления соединениями и потоками, обработки информации систем сигнализации, маршрутизации вызовов, управления доступа к услугам и др. Этот уровень содержит системную логику, обеспечивающую работу систем связи.

Уровень управления услугами – содержит функции управления логикой услуг и приложений и представляет собой распределенную вычислительную среду, обеспечивающую предоставление инфокоммуникационных услуг, управление услугами, создание и внедрение новых услуг, взаимодействие различных услуг. Данный уровень позволяет реализовать специфику услуг вне зависимости от типа транспортной сети (IP/MPLS, ATM, Gigabit Ethernet, FR  и т.д.) и способа доступа. Наличие этого уровня позволяет также вводить на сети любые новые услуги без вмешательства в функционирование других уровней.

Основу сети NGN составляет универсальная транспортная сеть, реализующая функции транспортного уровня и уровня управления коммутацией и передачей.

В состав транспортной сети NGN могут входить:

· транзитные узлы, выполняющие функции переноса и коммутации;

· оконечные (граничные) узлы, обеспечивающие доступ абонентов к мультисервисной сети;

· контроллеры сигнализации, выполняющие функции обработки информации сигнализации,  управления вызовами и соединениями;

· шлюзы, позволяющие осуществить подключение традиционных сетей связи (ТФОП, СПД, СПС).

Контроллеры сигнализации могут быть вынесены в отдельные устройства, предназначенные для обслуживания нескольких узлов коммутации. Использование общих контроллеров позволяет рассматривать их как единую систему коммутации, распределенную по сети. Такое решение не только упрощает алгоритмы установления соединений, но и является наиболее экономичным для операторов и поставщиков услуг, так как позволяет заменить дорогостоящие системы коммутации большой емкости небольшими, гибкими и доступными по стоимости даже мелким поставщикам услуг.

Назначением транспортной сети является предоставление услуг переноса. Реализация инфокоммуникационных услуг осуществляется на базе узлов служб (SN) и/или узлов управления услугами (SCP).

SN является оборудованием поставщиков услуг и может рассматриваться в качестве сервера приложений для инфокоммуникационных услуг, клиентская часть которых реализуется оконечным оборудованием пользователя.

SCP является элементом распределённой платформы ИСС и выполняет функции управления логикой и атрибутами услуг.

Совокупность нескольких узлов служб или узлов управления услугами, задействованных для предоставления одной и той же услуги, образуют платформу управления услугами. В состав платформы также могут входить узлы административного управления услугами и серверы различных приложений.

Оконечные/ окончено - транзитные узлы транспортной сети могут выполнять функции узлов служб, т.е. состав функций граничных узлов может быть расширен за счет добавления функций предоставления услуг. Для построения этого может использоваться технология гибкой коммутации (Softswitch).

Инфокоммуникационные услуги предполагают взаимодействие поставщиков услуг и операторов связи, которое может обеспечиваться на основе функциональной модели распределённых (региональных) баз данных, реализуемых в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т X.500. Доступ к базам данных организуется с использованием протокола LDAP (Lightweight Directory Access Protocol).

Вышеуказанные базы данных позволяют решить следующие задачи:

· cоздание абонентских справочников;

· автоматизация взаиморасчётов между операторами связи и поставщиками услуг;

· обеспечение взаимодействия между операторами связи в процессе предоставления услуг ИСС;

· обеспечение взаимодействия терминалов с различными функциональными возможностями на разных концах соединения.

Вышеуказанные базы данных могут использоваться также поставщиками услуг для организации платных информационно-справочных услуг.

Концепция NGN во многом опирается на технические решения, уже разработанные международными организациями стандартизации. Так, взаимодействие серверов в процессе предоставления услуг предполагается осуществлять на базе протоколов, специфицированных IETF (MEGACO), ETSI (TIPHON), Форумом 3GPP2 и т.д. Для управления услугами будут использованы протоколы H.323, SIP и подходы, применяемые в интеллектуальных сетях связи.

Как подсказывает опыт проектирования различных корпоративных и ведомственных сетей, наиболее целесообразно, с экономической точки зрения, является вариант, предусматривающий собственное оборудование на нижних уровнях собственной сети и аренду портов в коммутационных средствах других операторов для организации собственной сети международного уровня.

Базовую сеть, транзитный междугородний уровень мультисервисной сети, целесообразно создавать несколькими операторами, объединив свои инвестиционные возможности, технические средства, интеллект персонала.

Благодаря физическому и логическому отделению слоя транспорта и коммутации от устройств и систем управления транспортом и коммутацией, а также систем предоставления услуг можно переходить к открытым системам по отдельности на каждом слое, проще и быстрее внедрять передовые решения на сетях операторов.

1.2. Требования к полосе пропускания при передаче аудио и видеоданных

При переходе к мультисервисной сети требуется обеспечить необходимую пропускную способность для потокового голосового и видео трафика. Это накладывает ограничение на канал передачи данных и сетевое оборудование. Требуемая пропускная способность определяется используемой технологией сжатия аудио или видео данных, Пропускная способность – это реальный объем полезных данных, переданный от источника до получателя. Предаваемый объём увеличивается за счёт накладных расходов – заголовков протокольных блоков данных различных уровней. Данные также подвержены ошибкам передачи. Объём передаваемых данных ограничен пропускной способность канала, при перегрузке сети возможны потери пакетов, что так же может привести к необходимости повторной передачи.

Для обеспечения требуемой пропускной способности применяются следующие техники:

a. Использование очередей: основывается на передаче пакетов через конкретный интерфейс в соответствии с заданными приоритетами, позволяет обрабатывать интенсивные потоки, управлять нагрузкой сети, приоритизировать трафик, резервировать пропускную способность;

b. Сжатие заголовков: в IP сетях голос передаётся при помощи протокола реального времени Real-Time Transport Protocol (RTP), который переносится протоколом UDP, датаграммы UDP инкапсулируются в пакеты IP. Таким образом, составной заголовок RTP/UDP/IP достигает 40 байт. Это достаточно большая величина, поскольку объем данных, предаваемых в одном пакете, в большинстве случаев составляет 20 байт. Применение сжатия заголовков (CRTP) уменьшает размер заголовка до 2-4 байт.

c. Контроль установления вызова: данный механизм расширяет возможности

обеспечения качества обслуживания, обеспечивая защиту голосового трафика от негативного влияния другого голосового трафика путём ограничения количества одновременно установленных вызовов.

d. Фрагментация и чередование: при фрагментации большие пакеты разбиваются на более мелкие, между которыми передаются голосовые пакеты, что позволяет избежать задержек, связанных с выводом больших пакетов в интерфейс.

Так как требования к полосе пропускания, аудио и видеоданных различны во многих случаях, то следует рассматривать их по отдельности.

Голос для передачи по сети сначала попадает на вход цифрового сигнального процессора DSP (Digital Signal Processor), где он порциями кодируется определенным кодеком. Выход с DSP инкапсулируется в PDU (единица данных протокола — фреймы, пакеты) и передается по сети.  При доставке данных реального времени, таких как голос, метод определения PDU, несущих голос, является необходимым. Если обнаруживается такой PDU, можно применить механизмы ускорения его передачи.

Технология VoFR (Voice over Frame Relay — передача голоса по каналам Frame Relay) использует специальный заголовок FRF.Этот заголовок занимает, как минимум, три байта и служит для определения типа данных, которые содержатся во фрейме. Устройства VoATM (Voice over ATM — передача голоса по каналам ATM) используют такой же заголовок. 

Пропускная способность канала, занимаемого одним голосовым звонком, зависит от следующих компонентов:

· используемый кодек;

· размер полезной нагрузки в пакете;

· размер служебной информации в пакете.

Различные кодеки (Таблица 1.2.1) (сокращение от "кодер-декодер" — компонент системы, обеспечивающий сжатие и распаковку определенных данных) требуют разную полосу пропускания:

Таблица 1.2.1

Кодек	Технология сжатия	Битрейт кодека (Кб/с)
G.711	PCM	64
G.726	ADPCM	16, 24, 32
G.728	LDCELP	16
G.729	CS-ACELP	8
G.729A	CS-ACELP	8

Занимаемую полосу пропускания можно вычислить, основываясь на битрейте (число битов потока, передаваемых за секунду; основная характеристика видео- или аудио потока при сжатии) кодека, издержке пакетизации  и размере полезной нагрузки в пакете.

Размер полезной нагрузки зависит от размера голосового сэмпла (звукового файла), который является величиной конфигурируемой и непосредственно влияет на требуемую полосу пропускания. Голосовой сэмпл — это выход с процессора DSP, инкапсулирующийся в PDU.

Cisco использует DSP, обрабатывающие по 10 мс голоса. Оборудование Cisco по умолчанию инкапсулирует в PDU 20 мс голоса вне зависимости от используемого кодека. Это значение можно изменить, но при его увеличении требуемая полоса пропускания уменьшается, что может привести к увеличению переменных задержек (так называемых джиттеров — jitter) и появлению ощутимых разрывов в звучании, если пакет не дойдет до пункта назначения.

При передаче видеосигнала необходимо учитывать следующие параметры:

· разрешающую способность — горизонтальные и вертикальные размеры видеоизображения;

· глубину цвета — число битов, используемых для отображения цвета;

· частоту смены кадров — число кадров, отображаемых в секунду.

Основываясь на этих параметрах, можно определить ширину полосы пропускания для передачи видеопотока. Например, для передачи по сети несжатого цифрового видеосигнала NTSC-качества требуется ширина полосы пропускания приблизительно 27 Мбайт/с: 640x480x3x30=27,648 Мбайт/с (или 221 184 Мбит/с), где 640 и 480 — это разрешающая способность в пикселах, 3 — цвет с 24 битами (3 байта) и 30 — число кадров в секунду.

В таблице 1.2.2. приводятся наиболее распространенные размеры изображений с указанием глубины цвета, а также минимально необходимой пропускной способности сети для передачи несжатых данных.

Поскольку требования к передаче полноэкранного видео с качеством телевизионного сигнала превышают возможности типичной сети передачи пакетов, используется два метода снижения требуемой ширины полосы пропускания:

· манипуляция с захватом видеосигнала;

· сжатие видеосигнала.

Манипуляция с захватом видеосигнала — управление параметрами захвата видеоданных—  включает изменение разрешающей способности, глубины цвета и частоты кадров. Для уменьшения требуемой полосы пропускания часто изменяют все три параметра. Например, некоторые прикладные программы мультимедиа формируют видеоизображение размером 320Ѕ240 с восьмиразрядным цветом и частотой 15 кадров в секунду. Тогда требования к полосе пропускания снижаются до 9,216 Mбит/с. Но и этот уровень недостижим для 10 Mбит/с сети Ethernet; поэтому необходимо использование 16 Mбит/с Token Ring, 100 Mбит/с Fast Ethernet, ATM и других высокоскоростных технологий.

Сжатие видеосигнала — процесс замены первоначальной информации, представленной в виде совокупности пикселов, более компактными математическими описаниями, основанными на использовании специальных методов и алгоритмов. Декомпрессия — обратный процесс декодирования математических описаний к первоначальному пиксельному представлению, необходимому для вывода на дисплей.

Сжатие видеосигнала, так же как и при передаче аудиоданных выполняется с использованием кодеков (КОдер-ДЕКодер). Кодек может быть выполнен программно или аппаратно и отвечает за прием цифрового потока видео, его сжатие, а также за получение предварительно сжатого потока и его декомпрессию.

Различают компрессию с потерей и без потери качества. В первом случае удается получить существенно более высокие коэффициенты сжатия при приемлемом качестве изображения, поэтому компрессия с потерей качества используется наиболее широко.

В дополнение к методам сжатия с потерями механизмы сжатия видео используют два других метода компрессии:

· межкадровое сжатие (Interframe сompression) — сжатие между кадрами, известное также как временная компрессия (temporal compression);

· внутрикадровое сжатие (Intraframe сompression) — сжатие внутри кадров, также известное как пространственное сжатие (spatial compression).

Некоторые алгоритмы сжатия видео используют и межкадровый, и внутрикадровый механизмы компрессии. Например, группа MPEG использует как алгоритм JPEG, являющийся внутрикадровым алгоритмом, так и отдельный алгоритм межкадрового сжатия. M-JPEG  использует только внутрикадровое сжатие.

Основным стандартом, описывающим сжатие неподвижных изображений, является JPEG. За компрессию/декомпрессию движущихся изображений отвечают стандарт H.261 и различные варианты MPEG. Кроме того, распространение получили корпоративные стандарты, такие как Cell компании Sun Microsystems и Indeo компании Intel. Их применение позволяет сжать поток видеоданных более чем на порядок и добиться приемлемого качества при передаче по глобальным сетям.

Таким образом, для каждого типа сообщений имеется определенная полоса пропускания. В таблице 1.2.2 приведены требования к полосе пропускания для различных приложений.

1.3. Задачи построения и функционирования сетей передачи аудио и видеоданных

    Так как аудио и видео - различные по многим параметрам данные, то следует дать более подробные разъяснения таким сетям на примере технологии  IP-телефонии и IPTV по отдельности, а также рассмотреть  задачи их построения и функционирования.

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

 Технология передачи голосовой (речевой) информации с использованием протокола IP имеет устоявшееся название Voice over IP (VoIP). В отношении сервисов и технологий между IP-телефонией и VoIP нет никакой разницы.

 Для организации доступа к услугам IP-телефонии Клиенту необходимо иметь постоянное подключение Интернет на скорости не менее 64 Кбит/с.

 Одним из приложений этой технологии является Интернет - телефония (Internet Telephony). Под Интернет - телефонией понимается обмен голосовой информацией в режиме реального времени через Интернет или любую другую сеть на основе протокола IP. Поэтому интернет-телефонию иногда называют IP-телефонией (IP telephony).

 Внедрение систем IP телефонии решает следующие задачи:

·  построение современной многофункциональной системы цифровой телефонии на базе корпоративной телекоммуникационной сети;

·  подключение системы IP телефонии к сети общего пользования и стыковка с существующими участками традиционной телефонии;

·  обеспечение широкого круга современных сервисов для абонентов системы IP телефонии.

·  исходящие звонки обрабатываются и передаются по сетям передачи данных и через шлюзы с телефонной сетью общего пользования.

Этот перечень вопросов может изменяться в ту или иную сторону, обеспечивая, тем не менее, всю необходимую информацию для построения сетей.

Преимущества использования IP-телефонии состоят в следующем:

·  экономия на междугородных и международных телефонных разговорах;

·  быстрая окупаемость капитальных затрат;

·  сокращение затрат на администрирование;

·  возможность использования новых приложений;

·  объединение голосовой связи с программными приложениями для ПК;

·  наличие новых опций глобальных широкополосных сетей передачи данных (broadband WAN);

·  возможность использования современных приложений, использующих преимущества интеграции голоса, видео и данных в рамках единой телекоммуникационной инфраструктуры.

IP-TV- возможность передачи  TV программ по протоколу IP,  то есть смотреть телепередачи через интернет-протокол. При этом речь может идти как о цифровой передаче обычных телевизионных программ, так и о специально для этого предназначенных интернет-программах.

Как и при телефонии, для передачи пакетов данных используется интернет-протокол. Однако, принимая во внимание большой объем данных, скорость передачи должна быть ещё выше. Без широкополосных подключений, таких как DSL или ADSL, смотреть телевизионные передачи через интернет невозможно.

IP-TV предлагает выгоду как пользователям, так и тем, кто предлагает эту услугу. Фирмы, владеющие сетями передачи данных, могут получать выгоду от того, что их ассортимент услуг, наряду с предоставлением интернет-подключения для передачи данных, пополняется возможностью смотреть фильмы или телевизионные передачи. Для этого их клиентам не требуется дополнительно инвестировать в кабельную сеть или в спутниковые системы. Следует также заметить, что каждый IP-TV-канал, который вещает через интернет - это около 10 дополнительных рабочих мест.

Фирма Microsoft, например, проявила большую заинтересованность в 2005 году в направлении IP-TV. Microsoft представил IP-TV как интерактивное, учитывающее интересы владельцев сетей и владельцев телестудий решение и достигла хороших результатов.

Для клиентов IP-TV означает, прежде всего, индивидуальную программу. Однако телевидение через интернет, находится ещё в начальной стадии и существующие фирмы, вещающие через IP-TV, имеют очень ограниченный набор программ. Только тогда, когда появится больший интерес к этой услуге, могут быть предложены конкретные планы развития IP-TV, которые будут нацелены на большую часть населения.

В настоящее время существует около 200 IP-TV-каналов, которые имеют различный успех на рынке. Известные примеры - это BMW.TV, Microsoft-TV, Flimguide-TV.com и Travelguide-TV.com. Уже из названия становится понятно, что эти каналы ограничены одним специальным тематическим сегментом. Из этого следует, что развитие пойдёт именно по этому принципу, как это сделали в своё время и Pay-TV-каналы. Лишь клиент может решить, какая тема ему по вкусу и что его действительно интересует, чтобы затем составить собственную и независимую от вещания стандартных каналов программу. Также клиент может при этом самостоятельно назначить время начала и конца передачи. Имеется возможность при просмотре включить “паузу”, чтобы затем продолжить просмотр с этого места. Этот вид просмотра телепередач называется также "video on demand". Благодаря IP-TV становится теоретически возможным прием телепрограмм по всему миру. Даже в самом удаленном уголке мира можно насладиться любимой телевизионной программой. Ориентация на потребности клиента является основным условием успешного развития IP-TV.

Одной из основных задач при построении сети IPTV является создание единой мультисервисной сети (либо эффективное использование существующей сети или ее сегмента), нейтральной к типу проходящего трафика (голос, видео, данные), но обеспечивающей необходимый уровень обслуживания каждому из приложений в соответствии с заданными параметрами.

На основе оценки объемов абонентского трафика различных приложений можно определить минимальную необходимую общую пропускную способность кольца сети передачи данных (СПД) в зависимости от количества абонентов/жилищ.

 Технически IP-технологии достигли такого развития, что необходимость использования специальных дорогих решений для передачи видео по широкополосным сетям практически отпадает. С экономической точки зрения технология IP позволяет создавать интеллектуальные масштабируемые сети, обеспечивающие защиту как ранее сделанных инвестиций (благодаря использованию уже имеющейся оптоволоконной инфраструктуры), так и новых вложений (ввиду универсальности оборудования IP).

 По указанным причинам протокол сетевого уровня IP принимается как базовый для реализации сквозного транспорта пакетов во всей сети.

 На канальном уровне Ethernet стал стандартом де-факто для локальных сетей. 100-мегабитный Ethernet доминирует в качестве стандарта для пользовательского доступа, а на магистральных каналах наблюдается рост использования 1- и 10-гигабитных скоростей. Доминирование технологии Ethernet обусловлено главным образом ее простотой и низкой стоимостью. В рассматриваемой сети технологии канального уровня Ethernet на базе различных сред передачи и скоростей применяются как на узлах сети, так и в сегментах пользовательского доступа.

 При выборе телекоммуникационной технологии, реализуемой в магистральном компоненте сети, основное внимание необходимо уделять возможности динамического распределения ресурсов каналов связи, механизмам обеспечения качества обслуживания и диапазону поддерживаемых скоростей передачи.

Основная задача при построении и функционировании сетей передачи аудио и видеоданных – это минимизировать затраты на построение, обеспечив максимальный экономический, технический и бизнес-эффект от внедрения. Для качественного, гарантированного и эффективного предоставления абонентам услуг VoIP и IPTV сеть связи должна отвечать следующим требованиям:

· наличие скоростных каналов end-to-end и ограниченная задержка:

· сквозной QoS и эффективная поддержка IP multicast;

· масштабируемость;

· простота организации подключений и низкая цена порта доступа.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ СЕТЕЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ. ОСНОВНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

2.1. Классификация сетей телекоммуникаций

Сети телекоммуникаций классифицируются по наиболее характерным, функциональным, информационным и структурным признакам, охватывающим  все основные особенности рассматриваемых сетей. К таким признакам относятся:

- категория принадлежности пользователей (абонентов) сети; 

- способ организации; 

- способ коммутации; 

- тип каналов передачи данных; 

- размер сети; 

- скорость передачи информации в сети; 

- структура сети; 

- способ управления. 

По категории принадлежности пользователей (абонентов) сети телекоммуникаций подразделяются на:

- ведомственные сети ПД. Ведомственные сети ПД предназначены для обслуживания строго ограниченного круга пользователей. Такие сети создаются министерствами, ведомствами, организациями или предприятиями. 

- сети телекоммуникаций общего пользования  предназначены для обслуживания широкого круга пользователей, населения, предприятий и учреждений различных ведомств. 

По способам организации различают сети:

- специализированные.Специализированные сети создаются на базе средств (узлов коммутации, в некоторых случаях каналов), специально предназначенных для организации данной сети. 

- неспециализированные. Неспециализированные сети для  своего построения обычно используют узлы коммутации и каналы, входящие в состав какой-либо другой сети. 

По времени на осуществление коммутации:

- сети с долговременной коммутацией. Долговременной или кроссовой коммутацией называется такой способ коммутации, при котором между двумя точками сети устанавливается постоянное прямое соединение, длительность которого может измеряться часами, сутками или большим интервалом времени. Каналы, участвующие в организации таких соединений, называются выделенными. 

- сети с оперативной коммутацией.  Оперативной коммутацией называется такой способ коммутации, при котором между двумя точками сети организуется временное соединение. 

По способу коммутации сети ПД подразделяются на:

- сети с коммутацией каналов.  Коммутация каналов  - это  способ коммутации, при котором обеспечивается временное прямое   соединение каналов сети между любой парой оконечных пунктов этой сети. 

- сети с коммутацией сообщений. Коммутацией сообщений называется способ коммутации, при котором в каждом узле коммутации производятся прием сообщения, его накопление и последующая передача в соответствии с адресом получателя. 

- сети с коммутацией пакетов.  Коммутацией пакетов называется способ коммутации, при котором сообщение делится на части определенного формата  -  пакеты, которые принимаются, буферизируются и передаются через сеть. Если все пакеты одного сообщения передаются по фиксированному маршруту, то такой режим коммутации называется  виртуальным. Если же передача каждого пакета может производиться по самостоятельному маршруту, такой режим коммутации называется датаграммным (дейтаграммным). 

- сети с гибридной коммутацией.  Гибридной коммутацией называется способ, при котором в одном и том же узле коммутации производится коммутация, используя два и более вышеописанных видов коммутации. 

По типу каналов передачи данных различают сети:

- симплексные сети - информация передается только в одном направлении. 

- полудуплексные сети - информация передается попеременно в противоположных направлениях. 

- дуплексные сети - информация передается одновременно в противоположных направлениях. 

По размеру сетей передачи данных различают:

- глобальные сети.  Международные, национальные, региональные, корпоративные  -  охватывающие значительные территории, к которым относятся сети общего пользования, а также ведомственные сети крупных министерств и ведомств, предприятий. 

- локальные сети. Локальные сети расположены на ограниченной площади (в пределах одного здания, предприятия, учреждения) и занимают площадь не более нескольких квадратных километров. 

По скорости передачи информации в сети ПД подразделяются на:

- низкоскоростные - скорость передачи информации в сети до 64кбит/с; 

- Среднескоростные  -  скорость передачи информации в сети от 64 кбит/с до 2,048 Мбит/с;  

- Высокоскоростные  -  со скоростью передачи информации в сети от 2,048 Мбит/ с и выше. 

По структуре сети ПД подразделяются на:

- Иерархические сети.Глобальные сети имеют иерархическую структуру, в которой выделяются несколько ступеней иерархии, часто имеющих собственное название.   

- Неиерархические сети. Неиерархические структуры используются чаще  всего при создании локальных сетей и имеют обычно одну ступень иерархии.

2.2. Основные телекоммуникационные технологии

2.2.1. Frame Relay

Frame Relay обеспечивает возможность передачи данных с коммутацией пакетов через интерфейс между устройствами пользователя (например, маршрутизаторами, мостами, главными вычислительными машинами) и оборудованием сети (например, переключающими узлами).

Устройства пользователя часто называют терминальным оборудованием (DTE), в то время как сетевое оборудование, которое обеспечивает согласование с DTE, часто называют устройством согласования работы информационной цепи (DCE). Сеть, обеспечивающая интерфейс Frame Relay, может быть либо общедоступная сеть, либо сеть с оборудованием, находящимся в частном владении, которая обслуживает отдельное предприятие.

В роли сетевого интерфейса, Frame Relay является таким же типом протокола, что и Х.25. Однако Frame Relay значительно отличается от Х.25 по своим функциональным возможностям и по формату. В частности, Frame Relay является протоколом для линии с большим потоком информации, обеспечивая более высокую производительность и эффективность. В роли интерфейса между оборудованием пользователя и сети, Frame Relay обеспечивает средства для мультиплексирования большого числа логических информационных диалогов (называемых виртуальными цепями) через один физический канал передачи, которое выполняется с помощью статистики. Это отличает его от систем, использующих только технику временного мультиплексирования (TDM) для поддержания множества информационных потоков. Статистическое мультиплексирование Frame Relay обеспечивает более гибкое и эффективное использование доступной полосы пропускания. Оно может использоваться без применения техники TDM или как дополнительное средство для каналов, уже снабженных системами TDM.   

Более ранние протоколы WAN, такие как Х.25, были разработаны в то время, когда преобладали аналоговые системы передачи данных и медные носители. Эти каналы передачи данных значительно менее надежны, чем доступные сегодня каналы с волоконно-оптическим носителем и цифровой передачей данных. В таких каналах передачи данных протоколы канального уровня могут предшествовать требующим значительных временных затрат алгоритмам исправления ошибок, оставляя это для выполнения на более высоких уровнях протокола. Следовательно, возможны большие производительность и эффективность без ущерба для целостности информации. Именно эта цель преследовалась при разработке Frame Relay.

Он включает в себя алгоритм проверки при помощи циклического избыточного кода  (CRC) для обнаружения испорченных битов (из-за чего данные могут быть отвергнуты), но в нем отсутствуют какие-либо механизмы для корректирования испорченных данных средствами протокола (например, путем повторной их передачи на данном уровне протокола).

2.2.2. Технология ATM

Благодаря разработанным стандартам, обеспечивающим совместимость продуктов ATM разных производителей, а также для стыковки оборудования ATM с традиционным сетевым оборудованием стало возможным широкое распространение  сетей мультимедиа на базе технологии ATM. Технология АТМ с самого начала разрабатывалась именно для передачи мультимедийной информации, и поэтому может рассматриваться в качестве единой универсальной сетевой технологии для построения мультисервисных сетей телекоммуникации.   Появление сетей АТМ в процессе развития современных систем телекоммуникаций позволило строить высокопроизводительные, экономически эффективные  сети, готовые к работе с новыми приложениями мультимедиа. Она способна обеспечить оптимальное соотношение между высокой скоростью передачи трафика и минимальными задержками, с одной стороны, и расходами по  аренде быстродействующих линий связи — с другой. Опыт построения таких сетей показывает, что АТМ представляет готовую базу для создания мультисервисных сетей общего пользования.   Технология АТМ совмещает в себе подходы двух технологий  - коммутации пакетов и коммутации каналов. От первой она взяла передачу данных в виде адресуемых пакетов, а от второй  -  использование виртуальных каналов, в результате чего задержки в сети стали более предсказуемыми. С помощью техники виртуальных каналов, предварительного заказа параметров качества обслуживания канала и приоритетного обслуживания виртуальных каналов с разным качеством обслуживания удается добиться передачи в одной сети информации с постоянной и переменной полосой пропускания. Подход, реализованный в технологии АТМ, состоит в передаче любого вида трафика - компьютерного, телефонного или видео - пакетами фиксированной и очень маленькой длины в 53 байта. Пакеты АТМ называют ячейками  -  cell. Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок  -  5 байт. Небольшая длина пакета позволяет сократить время на их передачу и тем самым обеспечить небольшие задержки при передачи пакетов, требующих постоянного темпа передачи, характерного для мультимедийной информации.

2.2.3. Стек протоколов TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP (англ. Transmission Control Protocol/Internet Protocol — протокол управления передачей) — набор сетевых протоколов разных уровней модели сетевого взаимодействия DOD, используемых в сетях. Протоколы работают друг с другом в стеке (англ. stack, стопка) — это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.

Стек протоколов TCP/IP основан на модели сетевого взаимодействия DOD и включает в себя протоколы четырёх уровней:

· прикладного (application),

· транспортного (transport),

· сетевого (network),

· канального (data link).

Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.

Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают.

К тому же, модель OSI не использует дополнительный уровень — «Internetworking» — между транспортным и сетевым уровнями. Примером спорного протокола может быть ARP или STP.

Вот как традиционно протоколы TCP/IP вписываются в модель OSI:

Распределение протоколов по уровням модели OSI

·  Прикладной           напр., HTTP, SMTP, SNMP, FTP, Telnet, SSH, SCP, SMB, NFS, RTSP, BGP

·  Представления       напр., XDR, AFP, TLS, SSL

·  Сеансовый            напр., ISO 8327 / CCITT X.225, RPC, NetBIOS, PPTP, L2TP, ASP

·  Транспортный      напр., TCP, UDP, SCTP, SPX, RTP, ATP, DCCP, GRE

·  Сетевой  напр., IP, ICMP, IGMP, CLNP, OSPF, RIP, IPX, DDP

·  Канальный напр., Ethernet, Token ring, HDLC, PPP, X.25, Frame relay, ISDN, ATM, MPLS, ARP, RARP

· Физический           напр., электрические провода, радиосвязь, волоконно-оптические провода, Wi-Fi

Обычно в стеке TCP/IP верхние 3 уровня (прикладной, представительский и сеансовый) модели OSI объединяют в один — прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению. Упрощенно интерпретацию стека TCP/IP можно представить так:

Распределение протоколов по уровням модели TCP/IP

· Прикладной  «7 уровень»    напр., HTTP, RTP, FTP, DNS (работающий поверх UDP, и BGP, работающий поверх TCP, являются частью сетевого уровня)

· Транспортный                        напр., TCP, UDP, SCTP, DCCP (RIP, протоколы маршрутизации, подобные OSPF, что работают поверх IP, являются частью сетевого уровня)

· Сетевой                                    Для TCP/IP это IP  (вспомогательные протоколы, вроде ICMP и IGMP, работают поверх IP, но тоже относятся к сетевому уровню; протокол ARP является самостоятельным вспомогательным протоколом, работающим поверх физического уровня)

· Уровень  доступа к среде      Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS, физическая среда и принципы кодирования информации, T1, E1.

2.2.4. Принципы технологии MPLS

Несомненно, что   возрастающий   спрос   клиентов   на   предлагаемые мультимедийные услуги повлек за собой появление различных технологий, предлагающих   данные   виды   сервиса. Востребованность   таких   услуг  привела к  революционному   изменению  современных телекоммуникационных сетей и задачей любого оператора и провайдера  услуг  становится  нахождение  оптимального  способа  их предоставления с наибольшей выгодой для себя и с наилучшим качеством для заказчика.  Это должны   быть   надежные, безопасные сети, отвечающие требованиям по качеству  обслуживания при передаче разнотипного трафика.   Среди   вновьпоявляющихся   технологий   выделяется   технология многопротокольной коммутации по меткам MPLS.

MPLS (Multiprotocol Label Switching) –  это  технология  многопротокольной  коммутации  на  основе меток. Эта технология обладает  большой гибкостью в предоставлении новых услуг, масштабируемостью и рядом   других  достоинств.  На  базе MPLS   активно  разрабатываются  и внедряются такие подходы к предоставлению широкополосных услуг VPN  –  MPLS, VPLS. Несмотря на свой относительно молодой возраст, она   стала   уже   очень  популярной   при построении мультисервисных сетей. Успех технологии MPLS   вызван   тем,   что   она   позволяет   эффективно   управлять   сетями, построенными на базе наиболее значимого и распространённого протокола – IP. Эта технология сейчас внедряется в сетях многих компаний Узбекистана, а в высокоразвитых странах начинает доминировать в сетях передачи данных. Предоставление широкополосных услуг возможно при мощной инфраструктуры опорной сети оператора. MPLS – технология магистральных сетей в которых сетевая структура базируется на понятии виртуальные сети, позволяющие   разделить  пользователей   узкополосных  и  широкополосных услуг, управлять качеством при предоставлении широкополосных услуг и оптимизировать использование ресурсов сети.  

Каждый пакет при использовании на сетевом уровне протокола, не предусматривающего  создания  виртуальных   соединений,  на   своем  пути следования передается независимо от одного маршрутизатора к другому. 

При   определении   маршрута   следования   пакета   каждый маршрутизатор тратит свои ресурсы на анализ IP-заголовка. Возможность избежать   этих   затрат   позволяет   реализовать   передачу   пакетов   по   сети  значительно быстрее. В   качестве   технологии,   обеспечивающей  ускоренную   передачу пакетов по сети, применяется технология MPLS.   

Основной   ценностью   технологии MPLS   является   возможность организации   в IP   сети «виртуальных   каналов»,   а   также   возможность переноса трафика одной сессии по нескольким «виртуальным каналам».

«Multiprotocol» в названии технологии означает многопротокольный. Это говорит о том, что технология MPLS применима к любому протоколу сетевого уровня, т.е. MPLS  –  это своего рода инкапсулирующий протокол, способный   транслировать   информацию   множества   других   протоколов высших уровней модели OSI. Технология MPLS остается независимой от протоколов   уровней 2   и 3   в   сетях  IP, ATM   и Frame Relay,   а   также, взаимодействует  с  существующими  протоколами  маршрутизации,  такими как   протокол   резервирования   ресурсов RSVP   или   сетевой   протокол преимущественного выбора кратчайших маршрутов OSPF. 

Комитет IETF определил три основные элемента технологии MPLS: 

· метка ;

· FEC – класс эквивалентной пересылки; 

· LSP – коммутируемый по меткам тракт.  

Рассмотрим каждый из них подробно. 

Метка  -   это   идентификатор   фиксированной   длины,   определяющий класс эквивалентной пересылки FEC. Метки имеют локальное значение, т.е. привязка  метки   к FEC  используется   только   для  пары   маршрутизаторов.

Метка используется для пересылки пакетов от верхнего маршрутизатора к нижнему,   где,   являясь   входящей,   заменяется   на   исходящую   метку, имеющую также локальное значение на следующем участке пути.  

Метка передается в составе любого пакета, при этом ее место в пакете зависит  от  используемой технологии канального уровня.

Протокол MPLS поддерживает различные   типы меток:   это может быть 4-байтовая   метка MPLS,   которая   вставляется   между   заголовками канального  и   сетевого   уровня.  Это  может  быть  метка  идентификаторов виртуального   канала   и   виртуального   пути (VCI/VPI)   или   метка идентификатора соединения канального уровня (DLCI). Формат метки продемонстрирован на рисунке 2.2.4.1.

Рис.2.2.4.1. Формат MPLS-метки.

За развитие MPLS отвечает рабочая группа с одноименным названием, входящая в секцию по маршрутизации консорциума IETF.

3. ПРИНЦИПЫ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ КАК ОСНОВЫ СЕТЕЙ NGN. МОДЕЛЬ NGN

3.1. Принципы пакетной передачи как основы сетей NGN

Изначально, для передачи различных типов информации, строились отдельные (ведомственные) сети телекоммуникаций: Телефонная сеть, телеграфная сеть, сети передачи данных и пр. Во второй половине XX века появилась идея объединить все ведомственные сети телекоммуникаций в одну. Таким образом была создана концепция сетей ISDN. Объединяющей сетью ISDN-сети является Телефонная Сеть Общего Пользования.

Но в конце XX века из-за различных причин (дороговизна ISDN-оборудования, бурное развитие IP-сетей, появление новых приложений и услуг) идея формирования глобальной сети ISDN потерпела неудачу. На смену концепции сетей ISDN, пришла концепция Сетей Следующего Поколения, NGN. В отличие от сети ISDN, сеть NGN опирается на сеть передачи данных на базе IP-протокола.

Согласно простейшему определению, сеть NGN — это открытая, стандартная пакетная инфраструктура, которая способна эффективно поддерживать всю гамму существующих приложений и услуг, обеспечивая необходимую масштабируемость и гибкость, позволяя реагировать на новые требования по функциональности и пропускной способности.

Основное отличие сетей следующего поколения от традиционных сетей в том, что вся информация, циркулирующая в сети, разбита на две составляющие. Это сигнальная информация, обеспечивающая коммутацию абонентов и предоставление услуг, и непосредственно пользовательские данные, содержащие полезную нагрузку, предназначенную абоненту (голос, видео, данные). Пути прохождения сигнальных сообщений и пользовательской нагрузки могут не совпадать.

Сети NGN базируются на интернет технологиях включающих в себя IP протокол и технологию MPLS. Как показывает международная практика, в настоящее время главной тенденцией на сетях телекоммуникаций является значительный рост  IP-трафика, поэтому наиболее востребованными являются услуги, которые клиент сети получает от сервис-провайдера. Максимальное же гибкое управление трафиком клиента на уровне приложений обеспечивает IP-протокол. Технология  IP  в отличие от других имеет более разработанную систему стандартов и более широкое распространение.   Анализ технологий АТМ и  IP  показывает, что они имеют во многом взаимодополняющие черты, интеграция которых может привести к созданию эффективной сетевой архитектуры. Как известно в технологии АТМ поддерживаются показатели качества обслуживания (QoS) и безопасности данных, а технология  IP  отличается высокой гибкостью и  масштабируемостью, поэтому интеграция технологий АТМ и  IP  позволяет объединить такие достоинства сетей АТМ, как поддержка требуемых уровней информационной безопасности и гарантированного качества обслуживания (QoS) с универсальными возможностями сетей  IP. Как показывает международная практика, в настоящее время происходит интеграция средств  IP  –  маршрутизации и АТМ  –  коммутации под единой системой управления с использованием технологии MPLS  для обеспечения оптимальной поддержки IP – трафика.

3.2. Модель NGN

Наиболее  распространенная  модель  NGN,  состоит  из  четырех  уровней:  доступа, транспортного уровня, управления, услуг.

Рис 3.2.1. Модель NGN

Первый уровень. Транспортный  уровень -  это  основа NGN. От  технологий,  используемых  на  этом уровне,  во  многом  зависит  качество  работы  всей  сети  следующего  поколения  и количество предоставляемых сервисов. Наиболее  дешевое  решение -  это  сети IP,  построенные  на  базе  коммутаторов  и маршрутизаторов Ethernet. Именно по этой причине оно достаточно часто встречается в небольших  сетях.  Такие  сети  просты  в  проектировании  и  эксплуатации,  легко наращиваются и модернизируются, однако, они имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение в NGN в качестве транспортной среды. Основной из них - недостаточная адаптированность  к  пропуску  разнородного  трафика,  особенно  потоков, используемых наиболее востребованными приложениями (VoIP, VideoIP). При использовании сетей IP очень  сложно обеспечить  требуемое качество работы  таких приложений. Единственный выход -  это  увеличение  пропускной  способности  магистралей,  но  и  это  не  всегда приводит к положительному результату. 

Сети  АТМ  более  адаптированы  к  применению  в  NGN,  прежде  всего  благодаря наличию встроенных механизмов обеспечения заданного качества сервиса, возможности адаптации  к  разнородному  трафику  данных,  гибкого  перераспределения  полосы пропускания  между  различными  сервисами.  Эта  достаточно  дорогая  технология

применяется,  прежде  всего,  в  больших  сетях,  что  обусловлено  ее  надежностью  и гибкостью. В качестве транспортной среды передачи технология АТМ часто использует SDH.  Такое  сочетание  позволяет  добиться  необходимой  надежности  и  управляемости сети.   

В  свою  очередь,  развитие  технологии Ethernet  привело  к  появлению  нового транспорта - PoS (Pocket over SDH/SONET) или NewGenSDH. По сути, это симбиоз двух хорошо  знакомых  технологий - Ethernet  и SDH/SONET.  Такая  технология  имеет  все преимущества  системы передачи SDH,  характеризующейся  высочайшей надежностью и

управляемостью,  и  сети IP,  позволяющей  предоставлять  все  необходимые  услуги передачи пакетного трафика. Наращивание скоростей передачи до 1Гбит/с или 10Гбит/с подразумевает использование оптических технологий и создание так называемого Optical Ethernet. О разработке такого относительно недорогого оборудования уже заявили многие компании-производители.  Однако,  даже  с  учетом  огромной  полосы  пропускания  этих каналов,  такая IР-сеть  методологически  несет  в  себе  все  недостатки  младших Ethernet.

Дальнейшее  совершенствование IР-сетей привело  к  созданию МРLS. Технология МРLS изначально  задумывалась  как  средство  снижения  нагрузки  на  маршрутизаторы  и адаптации IР-сетей к разнородному трафику данных. Она давала пути сопряжения сетей IР  и  АТМ,  и  закономерно  стала  одной  из  основных  технологий  транспортного  уровня NGN. Это произошло, прежде всего, благодаря реализованным на ее основе приложениям управления  трафиком,  организации  виртуальных  частных  сетей,  быстрого восстановления  соединений, обеспечения качества обслуживания. Сегодня большинство производителей  оборудования NGN так  или  иначе  декларируют  поддержку  технологии МРLS.

Второй  уровень –  уровень  доступа.  Пожалуй,  с  ним  чаще  всего  сталкиваются клиенты сети. Доступ в общем случае - это все то оборудование, которое связывает сеть NGN с  традиционными  цифровыми  сетями PDH  и SDH  и  даже  с  небольшими локальными сетями передачи данных: от цифровых абонентских линий до пограничных шлюзов и конверторов сигнализации. Естественно, нельзя забывать и об абонентах сети. Можно  различить  несколько  способов  их  включения  в  сеть  следующего  поколения. Наиболее  интересный  из  них -  это  непосредственное  подключение  пользователей  к  пакетной  сети  посредством IР-терминалов  или IР-телефонов.  Такое  подключение наиболее «удобно»  с  точки  зрения  построения NGN,  предоставления мультимедийного трафика, управления ресурсами сети. Однако в силу многих технологических трудностей, связанных  с  невозможностью  непосредственно  довести  до  абонента  сеть Ethernet  или МРLS,  операторы  часто  не  могут  оказать  такой  услуги. IР-телефонами  чаще  всего пользуются  корпоративные  абоненты,  постоянно  работающие  в   локальной  сети, интегрированной в состав NGN. Остальные пользователи подключаются  к предлагаемым  услугам через широкополосную сеть доступа. Техника такого подключения может быть разной: DSL-системы,  использующие  медные  кабельные  пары,  системы  цифрового кабельного  телевидения,  активно  развивающиеся  сейчас  системы  радиодоступа, оптические  технологии  доступа,  например  РОN.  Объединяет  их  всех  одно -  они  предоставляют  абоненту  в  качестве  конечного  интерфейса IР-подключение,  т  е  дают возможность  использовать  интеллектуальный  терминал  с  доступом  к  большому количеству  дополнительных  сервисов.    Гораздо  сложней  ситуация  с  подключением абонентов  существующих  цифровых  сетей PDH  и SDH.  Единственный возможный вариант  для  них -  это  опосредованное  включение  в  NGN через  шлюзы  стандартной телефонии.  Естественно,  при  этом  абоненты «старой»  сети  не  могут  получить  всего перечня  услуг,  доступного IР-абонентам,  но  всё  же  некоторые  услуги  цифровой  сети нового поколения  становятся доступны  всем  абонентам старых сетей.

Уровень управления. Все  многообразие  устройств,  транслирующих  и  коммутирующих  трафик, преобразующих  информацию,  заложенную  в  пакеты,  в  стандартную  телефонную сигнализацию  и  каналы  ТЧ,  сопрягающих  цифровые  сети  различной  природы, терминирующих  на  себе  различные  виды  трафика,  управляется  одним  мощным  узлом. Это и есть третий уровень NGN - управляющий. Этот уровень часто связывают с таким понятием, как SoftSvitch. Тем не менее, еще не до конца ясно, что же такое SoftSvitch. Это понятие появилось  благодаря  компании Lucent Technologies,  выпустившей продукт LSS (Lucent SoftSvitch).  Однако,  сейчас  это  даже  не  название  класса  продуктов,  а  целое технологическое направление. Казалось бы, именно появление SoftSvitch стало ключевым этапом в процессе конвергенции сетей телекоммуникации, заставляющим индустрию перейти на новые технологические рельсы. Но даже разработчики, несмотря на наличие готовых концепций NGN,  по-прежнему  не  готовы  четко  определить  функциональность  устройств, объединяемых  понятием SoftSvitch.  Причина  этого  довольно  прозрачна:  оборудование разных  производителей  сильно  отличается  друг  от  друга,  а  силы,  способной сформировать  единое  видение, пока нет. Ясно  одно,  основная функция  третьего уровня NGN -  это  управление  соединением  абонента  А  с  абонентом  Б.  Занимается  этим специализированный сервер, «сервер соединений» по  терминологии SoftSvitch. Большая мощность  и  производительность  подобных  серверов -  это  необходимое  условие

бесперебойной  работы  сети.  Кроме  того,  при  проектировании SoftSvitch  необходимо учитывать специфические факторы IР-сетей, это необходимость обеспечения параметров QoS VoIP  сети,  разделение  маршрутов  потоков  голоса  и  данных,  управление маршрутизацией при наличии довольно пестрого  спектра устройств - маршрутизаторов, конверторов  сигнализации,  пограничных  контроллеров,  шлюзов,  прокси-серверов, абонентских  терминалов,  мультиплексоров  и  контроллеров  широкополосного абонентского  доступа  различной  природы.  Добавьте  сюда  необходимость  обеспечения параметров  надежности,  соответствующих  системам  операторского  класса.  Достаточно сложная и нетривиальная задача. 

Четвертый уровень. Последним уровнем NGN принято считать уровень приложений. Его задача - это обеспечение  всего  спектра  услуг,  доступного  на  сетях  следующего  поколения.  В большинстве случаев для реализации уровня приложений выделяются отдельные серверы и базы данных.

На  рис. 3.2.1   приведена  обобщённая  структура  NGN,  представляющая  составные части сети нового поколения, базирующейся на пакетной передаче.

Повторяя  определение,  данное  в  рекомендации МСЭ-Т Y.2001,  можно  сказать следующее: NGN - это гетерогенная мультисервисная сеть, основанная на пакетной коммутации  и  обеспечивающая  предоставление  неограниченного  спектра телекоммуникационных услуг. Такая сеть должна поддерживать передачу разнородного трафика  с  различными  требованиями  к  качеству  обслуживания  и  обеспечивать соответствующие  запросы  оператора  и  абонентов.  На  первый  взгляд,  мы  бесконечно далеко ушли в этом определении от традиционных сетей, настолько далеко, что здесь не

осталось места  привычной  нам  телефонии. Однако,  это  не  так. Ключевое  слово  здесь - услуга  или  сервис.  Это  всеобъемлющее  понятие  включает  в  себя  различные  виды трафика, в том числе и телефонию, точнее - канал ТЧ  в составе услуги «Triple play», то есть телефон, данные и видеоинформация, передаваемые по одной бонентской линии.

NGN – это не физический объект, это – набор возможностей (инфраструктура, протоколы, приложения, интерфейсы), собранный воедино во времени и распределенный в пространстве для целей создания, развертывания и управления всеми возможными видами услуг (известными или пока не известными).

Сюда входят услуги, использующие информационные потоки разного вида (звуковые, визуальные, аудиовизуальные) со всеми типами схем кодирования; услуги передачи данных в самых разных режимах - диалоговые, одноадресные, многоадресные, вещательные; услуги в реальном масштабе времени и в режиме, от времени не зависящем; услуги передачи всевозможных сообщений (коротких, мгновенных, мультимедийных) и услуги онлайновой переписки, больше известные под коротеньким названием "чат". Услуги с различными требованиями к ширине полосе от нескольких кбит/с до сотен Мбит/с, с гарантированной полосой или без нее.

4.  ТИПЫ ТРАФИКА ПО ПРИЛОЖЕНИЯМ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ. РЕКОМЕНДАЦИИ Y.1540, Y.1541

4.1. Типы трафика по приложениям и требования к ним

В качестве основных критериев классификации трафика различных приложений чаще всего выбирают три характеристики: относительная предсказуемость скорости передачи данных, чувствительность трафика к задержкам пакетов, чувствительность к потерям и искажениям пакетов.

В отношении предсказуемости скорости приложения могут быть разделены на два больших класса.

·  Приложения, трафик которых представляет собой равномерный поток (Stream). Этот класс приложений характеризуется высокой степенью предсказуемости порождаемого трафика, который поступает в сеть с более или менее постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR). Хотя скорость потока может изменяться, тем не менее она имеет легко вычисляемую верхнюю границу. Например, аудиопотоки данных являются трафиком CBR, и для элементарного голосового потока верхняя граница составляет 64 Кбит/с.

·  Приложения с пульсирующим трафиком (Burst). Они отличаются высокой степенью непредсказуемости, когда периоды затишья сменяются передачей больших блоков данных. В результате для трафика характерна переменная битовая скорость (Variable Bit Rate, VBR). Так, в случае файлового сервиса интенсивность трафика может увеличиваться от нуля, когда файлы не передаются, до бесконечности, когда после передачи запроса с координатами файла приложение стремится как можно быстрее передать данные. (Понятно, что реальная скорость передачи ограничена возможностями сети.) Строго говоря, любые приложения генерируют неравномерный трафик, в том числе и потоковые. Просто коэффициент пульсации (т. е. отношение максимальной мгновенной скорости к средней) у этих двух типов приложений отличается радикально. У приложений с пульсирующим трафиком он обычно находится в пределах от 10:1 до 100:1, а у потоковых существенно меньше.

Другой критерий классификации приложений по типу трафика - их чувствительность к задержкам пакетов. Далее перечислены основные типы приложений в порядке повышения чувствительности к задержкам пакетов.

· Асинхронные приложения: практически нет ограничений на время задержки (эластичный трафик). Пример - электронная почта.

· Синхронные приложения: чувствительны к задержкам, но допускают их.

· Интерактивные приложения: задержки могут быть замечены пользователями, но они не сказываются негативно на функциональности приложений. Пример: текстовый редактор, работающий с удаленным файлом.

· Изохронные приложения: при превышении порога чувствительности к задержкам функциональность приложения резко снижается. Пример: передача голоса, когда при превышении порога задержек в 100 - 150 мс качество воспроизводимого голоса резко ухудшается.

· Сверхчувствительные к задержкам приложения. Задержка доставки данных сводит функциональность к нулю. Пример: приложения, управляющие техническим объектом в реальном времени. При запаздывании управляющего сигнала на объекте может произойти авария.

Существует и более грубое деление приложений по этому же признаку на два класса - асинхронные и синхронные. К асинхронным относят те приложения, которые нечувствительны к задержкам передачи данных в очень широком диапазоне, вплоть до нескольких секунд, а все остальные, на функциональность которых задержки оказывают существенное влияние, определяются как синхронные. К синхронным приложениям в этом широком смысле относятся такие типы приложений приведенной выше тонкой классификации, как изохронные и сверхчувствительные. Интерактивные приложения могут быть как асинхронными (например, текстовый редактор), так и синхронными (например, видеоконференция).

И, наконец, третьим критерием классификации приложений является их чувствительность к потерям пакетов. По этому признаку приложения обычно делят на две группы:

· Чувствительные к потерям приложения. Практически все приложения, передающие алфавитно-цифровые данные (к которым относятся текстовые документы, коды программ, числовые массивы и т. п.), обладают высокой чувствительностью к потере отдельных, даже небольших, фрагментов данных. Такие потери часто ведут к полному обесцениванию остальной, успешно принятой информации. Например, отсутствие хотя бы одного байта в коде программы делает ее совершенно неработоспособной. Все традиционные сетевые приложения (файловый сервис, сервис баз данных, электронная почта и т. д.) относятся к этому типу приложений.

· Устойчивые к потерям приложения. В эту группу входят многие приложения, трафик которых доставляет информацию об инерционных физических процессах. Устойчивость к потерям объясняется тем, что небольшое количество данных можно приблизительно восстановить на основе принятых. Так, при потере одного пакета с несколькими последовательными замерами голоса отсутствующие замеры при воспроизведении голоса могут быть заменены аппроксимацией на основе соседних значений. К такому типу относится большая часть приложений, работающих с мультимедийным трафиком (аудио- и видеоприложения). Однако устойчивость к потерям имеет свои пределы, поэтому процент потерянных пакетов не может превышать некоторый уровень, например 1%. Можно отметить также, что не любой мультимедийный трафик устойчив к потерям данных в частности, очень чувствительны к ним сжатый голос или видеоизображение.

Вообще говоря, между рассмотренными выше тремя основными характеристиками трафика нет жесткой взаимозависимости. Т. е. приложение с равномерным потоком может быть как асинхронным, так и синхронным, а, например, синхронное приложение - как чувствительным, так и нечувствительным к потерям пакетов. Однако практика показывает, что из всего многообразия возможных сочетаний есть несколько таких, которыми можно охарактеризовать большинство используемых сегодня приложений.

Например, следующее сочетание характеристик приложения (изохронное, устойчивое к потерям, порождающее трафик типа равномерного потока) соответствует таким популярным приложениям, как IP-телефония, поддержка видеоконференций, аудиовещание через Internet. Устойчивых сочетаний характеристик не так уж много.

Приведенная классификация приложений положена в основу типовых требований к параметрам и механизмам качества обслуживания в современных сетях.

Ниже приведены следующие требования для передачи речевых сигналов:

· на разборчивость речи значительное влияние оказывает переменная составляющая случайной задержки речевого сигнала при передаче его по сети телекоммуникаций. Доля речевых пакетов, задержка которых превышает на 50 мс допустимую величину переменной составляющей сетевой задержки, не должна превышать 1% от общего количества переданных пакетов ;

· при поддержании изохронности передачи особое внимание должно быть уделено сохранению непрерывности передачи речевого сигнала в реальном времени, т. е. обеспечению постоянной составляющей сетевой задержки. Задержка в передаче сигналов от абонента до абонента не должна превышать величины порядка 300 мс в связи с психофизиологическими особенностями восприятия речевых сигналов человеком;

· вероятность ошибки в канале связи допускается порядка 10-2, так как передача речевых сигналов в цифровой форме, как правило, не нуждается в защите от ошибок. При использовании низкоскоростных РПУ возможна защита помехоустойчивым кодом отдельных фрагментов речевых блоков в режиме исправления ошибок;

· сравнительно редкие вставки и/или выпадения фрагментов речевых сигналов слабо влияют на качество воспроизведения речи. В зависимости от избыточности цифрового сигнала на выходе речепреобразующих устройств (РПУ) и длительности речевых сегментов (от 250 до 16 мс), допустимый уровень потерь составляет от 1 до 50% времени активности абонента ;

· Для повышения использования пропускной способности канала связи при передаче речевой информации необходимо учитывать статистику речевых сигналов, так как доля пауз в телефонном разговоре составляет в среднем 56% в сеансе связи, при этом суммарная продолжительность кратких перерывов в слитной речи длительностью от 5 до 200 мс как внутри слов, так и между словами, занимает около 15% ;

· для речевого канала требуется постоянная полоса пропускания шириной от 5,3 кбит/с до 64 кбит/с  в зависимости от применяемых методов кодирования речевого сигнала для устранения его избыточности.

 Видеоинформация состоит из последовательности неподвижных изображений (кадров), которые воспроизводятся с частотой 25-30 кадр/с. При передаче каждый кадр интерпретируется как объединение некоторого числа фиксированных точек (пикселей) с определенной яркостью и цветом. Конкретная скорость передачи зависит от разрешения (числа пикселей в кадре), частоты кадров (числа кадров в секунду), количества информации для представления каждого пикселя (бит на пиксель) и в зависимости от требуемого качества изображения может изменяться в широких пределах: от единиц до сотен мегабит в секунду. Например, для производственных условий, где изображения должны передаваться в реальном времени с постоянной скоростью, для достижения высокого качества видеосигнала, может потребоваться скорость передачи до 1,8 Гбит/с. Указанная пропускная способность необходима также для цифрового кино. Необходимо отметить, что видеоинформация обладает довольно большой избыточностью и при ее передаче могут применяться различные методы уплотнения. В этом случае передача сигнала осуществляется с переменной скоростью, хотя отдельные видеокадры генерируются с постоянной скоростью, т. е. объем данных для представления каждого кадра различен . Выбор стандарта сжатия (например, MPEG, M-JPEG, H.261) определяет степень сжатия видеоинформации и соответственно качество передаваемого сигнала, а также необходимую полосу пропускания, например, 4-5 Мбит/с (MPEG-2) или 15-21 Мбит/с в случае применения стандарта M-JPEG.

Видеоинформация предъявляет те же требования к сети связи, что и факсимильная, однако качество канала связи и его пропускная способность должны быть достаточно высокими . Например, сеть АТМ, транспортирующая поток MPEG-2, должна гарантировать долю потерянных ячеек (Cell loss ratio - CLR) менее чем 1,7ґ10-9, значение постоянной составляющей сетевой задержки ячеек (Cell transfer delay - CTD), равное 4 мс (не более 150 мкс на коммутатор), и флуктуацию переменной составляющей сетевой задержки (Cell delay variation - CDV) не выше 500 мкс для соединений типа “точка-точка”.

Величина CTD может варьироваться в широком диапазоне. В то время как низкоскоростная 64 кбит/с видеоконференция может допускать величину транзитной задержки CTD=300 мкс, высокоскоростная видеоконференция 1,5 Мбит/с требует гарантии CTD=5 мкс, а для видео HDTV должна быть гарантирована величина CTD=1 мкс.

Основные особенности передачи данных по сети связи состоят в следующем:

· требуется высокая достоверность передачи, не допускаются вставки и выпадения отдельных порций информации. Необходимо применение надежных способов обнаружения ошибок и повторной передачи соответствующих блоков данных;

· отсутствуют жесткие требования к величине постоянной задержки информации в сети и к ее дисперсии, хотя для некоторых интерактивных приложений могут существовать ограничения на транзитную задержку, определяемые требованиями времени отклика;

· допускается произвольный и независимый темпы передачи и приема данных в сети;

· требуется организация многорежимного обмена данными (диалоговая передача, передача файлов и др.) и разветвленная система приоритетов;

· каналы связи используются, как правило, высокого качества с вероятностью ошибки не ниже 10-4;

· требования к ширине полосы пропускания лежат в широких диапазонах: от десятков кбит/с для низкоскоростных интерактивных приложений до тысяч Мбит/с для приложений, ориентированных на работу с графическими данными

4.2. Рекомендации МСЭ Y.1540, Y.1541

Рекомендация МСЭ Y.1540

В Рекомендации Y.1540 рассматриваются следующие сетевые характеристики, как наиболее важные по степени их влияния на сквозное качество обслуживания (от источника до получателя), оцениваемое пользователем:

• производительность сети;

• надежность сети/сетевых элементов;

• задержка;

• вариация задержки (джиттер);

• потери пакетов.

Производительность сети (или скорость передачи данных) пользователя определяется как эффективная скорость передачи, измеряемая в битах в секунду. Следует отметить, что значение этого параметра не совпадает с максимальной пропускной способностью сети, ошибочно называемой (причем, довольно часто) полосой пропускания. Минимальное значение производительности обычно гарантируется провайдером услуг, который, в свою очередь, должен иметь соответствующие гарантии от сетевого провайдера.

В Рекомендации Y.1540 не приведены нормативные характеристики производительности сети, которые различаются для различных приложений. Вместе с тем, в Рекомендации Y.1541 отмечено, что параметры, связанные с эффективной скоростью передачи, могут быть определены через дескриптор трафика IP-сети, описанный в Рекомендации МСЭ Y.1221.

Надежность сети/сетевых элементов. Пользователи обычно ожидают высокий уровень надежности от систем связи. Надежность сети может быть определена через ряд параметров, из которых наиболее часто используется коэффициент готовности, вычисляемый как отношение времени простоя объекта к суммарному времени наблюдения объекта, включающему время простоя и время между отказами. В идеальном случае коэффициент готовности должен быть равен 1, что означает стопроцентную готовность сети. На практике коэффициент готовности оценивается числом "девяток". Например "три девятки" означают, что коэффициент готовности составляет 0,999, что соответствует 9 часам времени недоступности (простоя) сети в год. Готовность сети ТфОП оценивается величиной "пять девяток", что означает 5,5 мин. простоя в год. В табл. 3.1 приведены данные по времени простоя для различного количества "девяток".

Таблица 4.2.1.

Коэффициенты готовности и соответствующие значения времени простоя оборудования

Коэффициент готовности	Время простоя
0,99	3,7 дней в год
0,999	9 часов в год
0,9999	53 минуты в год
0,99999	5,5 минут в год
0,99999999	30 секунд в год

Необходимо отметить, что обеспечение коэффициента готовности "пять девяток" в сетях IP, построенных на традиционном оборудовании данных (серверы, маршрутизаторы), является достаточно серьезной проблемой. Причина этого состоит в том, что обработка информационных потоков в сетях IP в значительной части базируется на программном обеспечении (а не на аппаратном, как это имеет место в ТфОП). В то же время статистика отказов сетевого оборудования показывает, что надежность программного обеспечения примерно в два раза ниже надежности аппаратного обеспечения.

Параметры доставки пакетов IP. В общем случае сеанс связи состоит из трех фаз – установления соединения, передачи информации и разъединения соединения.

В Рекомендации Y.1540 из трех фаз сеанса связи рассматривается только вторая – фаза доставки пакетов IP. Такой подход отражает природу сетей IP, не ориентированных на установление соединений. Спецификацию рабочих характеристик и параметров QoS для двух других фаз (установление и разъединение соединения) планируется провести в дальнейшем.

Рекомендация МСЭ-Т Y.1540 определяет следующие параметры, характеризующие доставку IP-пакетов.

Задержка доставки пакета IP (IP packet transfer delay, IPTD). Параметр IPTD определяется как время (t2 - t1) между двумя событиями – вводом пакета во входную точку сети в момент t1 и выводом пакета из выходной точки сети в момент t2, где (t2 > t1) и (t2 - t1) <= Tmах.

В общем, параметр IPTD определяется как время доставки пакета между источником и получателем для всех пакетов – как успешно переданных, так и пораженных ошибками.

Средняя задержка доставки пакета IP – параметр, специфицированный в Рекомендации Y.1540, определяется как средняя арифметическая величина задержек пакетов в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Значение средней задержки зависит от передаваемого в сети трафика и доступных сетевых ресурсов, в частности, от пропускной способности. Рост нагрузки и уменьшение доступных сетевых ресурсов ведут к росту очередей в узлах сети и, как следствие, к увеличению средних задержек доставки пакетов.

Речевая информация и, отчасти, видеоинформация являются примерами трафика, чувствительного к задержкам, тогда как приложения данных в основном менее чувствительны к задержкам. Когда задержка доставки пакета превышает определенные значения Тmах, такие пакеты отбрасываются. В приложениях реального времени (например, в IP-телефонии) это ведет к ухудшению качества речи. Ограничения, связанные со средней задержкой пакетов IP, играют ключевую роль для успешного внедрения технологии Voice over IP (VoIP), видео-конференций и других приложений реального времени. Этот параметр во многом будет определять готовность пользователей принять подобные приложения.

Вариация задержки пакета IP (IP packet delay variation, IPDV). Параметр Vk, характеризует вариацию задержки IPDV.

Для IP-пакета с индексом k этот параметр определяется между входной и выходной точками сети в виде разности между абсолютной величиной задержки Xk при доставке пакета с индексом k, и определенной эталонной (или опорной) величиной задержки доставки пакета IP, dl,2, для тех же сетевых точек:

V_k = X_k – d_1,2

Эталонная задержка доставки пакета IP, d1,2, между источником и получателем определяется как абсолютное значение задержки доставки первого пакета IP между данными сетевыми точками. Вариация задержки пакета IP, или джиттер, проявляется в том, что последовательные пакеты прибывают к получателю в нерегулярные моменты времени. В системах IP-телефонии это, к примеру, ведет к искажениям звука и в результате к тому, что речь становится неразборчивой.

Коэффициент потери пакетов IP (IP packet loss ratio, IPLR). Коэффициент IPLR определяется как отношение суммарного числа потерянных пакетов к общему числу принятых в выбранном наборе переданных и принятых пакетов. Потери пакетов в сетях IP возникают в том случае, когда значение задержек при их передаче превышает нормированное значение, определенное выше как Тmах. Если пакеты теряются, то при передаче данных возможна их повторная передача по запросу принимающей стороны. В системах VoIP пакеты, пришедшие к получателю с задержкой, превышающей Тmах, отбрасываются, что ведет к провалам в принимаемой речи. Среди причин, вызывающих потери пакетов, необходимо отметить рост очередей в узлах сети, возникающих при перегрузках.

Коэффициент ошибок пакетов IP (IP packet error ratio, IPER). Коэффициент IPER определяется как суммарное число пакетов, принятых с ошибками, к сумме успешно принятых и пакетов, принятых с ошибками.

 Рекомендация МСЭ Y.1541

Рекомендация МСЭ Y.1541 определяет значения параметров, которые должны обеспечиваться в сетях IP на международных трактах, соединяющих терминалы пользователей. Нормативы разделены по "классам обслуживания" (QoS).

Характеристики сети	Классы качества обслуживания (QoS)
	0	1	2	3	4	5
Задержка доставки пакета IP, IPTD	100 мс	400 мс	100 мс	400 мс	1с	--
Вариация задержки пакета IP, IPDV (джиттер)	50 мс	50 мс	--	--	--	--
Коэффициент потери пакетов IP, IPLR	1E-3	1E-3	1E-3	1E-3	1E-3	--
Коэффициент ошибок пакетов IP, IPER	1E-4	1E-4	1E-4	1E-4	1E-4	--

В таблице приведены верхние границы для средних значений параметров. Также в Рекомендации Y.1541 представлены спецификации набора параметров, которые связаны с измерением реальных значений сетевых характеристик: периода наблюдений, длины тестовых пакетов, их числа. Например, при оценке качества передачи пакетов речи в IP-телефонии минимальный интервал наблюдения должен быть порядка 1-20 секунд при типовой скорости передачи 50 пакетов в секунду. Рекомендуемый интервал измерений для задержки, джиттера и потерь, должен составлять не менее 60 секунд.

Рекомендация также устанавливает соответствие между классами качества обслуживания и приложениями:

· Класс 0. Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, характеризуемые высоким уровнем интерактивности (VoIP, видеоконференции).

· Класс 1. Приложения реального времени, чувствительные к джиттеру, интерактивные приложения (VoIP, видеоконференции)

· Класс 2. Транзакции данных, характеризуемые высоким уровнем интерактивности, например, сигнализация

· Класс 3. Транзакции данных, интерактивные.

· Класс 4. Приложения, допускающие низкий уровень потерь (короткие транзакции, массивы данных, потоковое видео)

· Класс 5. Традиционные применения сетей IP.

5. ОРГАНИЗАЦИЯ IP-ТЕЛЕФОНИИ. IP-ТЕЛЕФОНИЯ КАК УСЛУГА. АУДИОКОДЕКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В IP-ТЕЛЕФОНИИ

5.1. Организация IP-телефонии

Архитектура технологии Voice over IP может быть упрощенно представлена в виде двух плоскостей. Нижняя плоскость - это базовая сеть с маршрутизацией пакетов IP, верхняя плоскость - это открытая архитектура управления обслуживанием вызовов (запросов связи).

Нижняя плоскость, говоря упрощенно, представляет собой комбинацию известных протоколов Интернет: это - RTP (Real Time Transport Protocol), который функционирует поверх протокола UDP (User Datagram Protocol), расположенного, в свою очередь, в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP. Таким образом, иерархия RTP/UDP/IP представляет собой своего рода транспортный механизм для речевого трафика.  В сетях с маршрутизацией пакетов IP для передачи данных всегда предусматриваются механизмы повторной передачи пакетов в случае их потери. При передаче информации в реальном времени использование таких механизмов только ухудшит ситуацию, поэтому для передачи информации, чувствительной к задержкам, но менее чувствительной к потерям, такой как речь и видеоинформация, используется механизм негарантированной доставки информации RTP/UDPD/IP. Рекомендации ITU-Т допускают задержки водном направлении не превышающие 150 мс. Если приемная станция запросит повторную передачу пакета IP, то задержки при этом будут слишком велики.

Теперь перейдем к верхней плоскости управления обслуживанием запросов связи. Вообще говоря, управление обслуживанием вызова предусматривает принятие решений о том, куда вызов должен быть направлен, и каким образом должно быть установлено соединение между абонентами. Инструмент такого управления -телефонные системы сигнализации, начиная с систем, поддерживаемых декадно-шаговыми АТС и предусматривающих объединение функций маршрутизации и функций создания коммутируемого разговорного канала в одних и тех же декадно-шаговых искателях. Далее принципы сигнализации эволюционировали к системам сигнализации по выделенным сигнальным каналам, к многочастотной сигнализации, к протоколам общеканальной сигнализации №7 [6, 7] и к передаче функций маршрутизации в соответствующие узлы обработки услуг Интеллектуальной сети.

В сетях с коммутацией пакетов ситуация более сложна. Сеть с маршрутизацией пакетов IP принципиально поддерживает одновременно целый ряд разнообразных протоколов маршрутизации. Такими протоколами на сегодня являются: RIP - Routing Information Protocol, IGRP - Interior Gateway Routing Protocol, EIGRP - Enhanced Interior Gateway Routing Protocol, IS-IS - Intermediate System-to-intermediate System, OSPF - Open Shortest Path First, BGP - Border Gateway Protocol и др. Точно так же и для IP-телефонии разработан целый ряд протоколов.

Наиболее распространенным является протокол, специфицированный в рекомендации Н.323 ITU-T, в частности, потому, что он стал применяться раньше других протоколов, которых, к тому же, до внедрения Н.323 вообще не существовало.

Другой протокол плоскости управления обслуживанием вызова -SIP - ориентирован на то, чтобы сделать оконечные устройства и шлюзы более интеллектуальными и поддерживать дополнительные услуги для пользователей.

Еще один протокол - SGCP - разрабатывался, начиная с 1998 года, для того, чтобы уменьшить стоимость шлюзов за счет реализации функций интеллектуальной обработки вызова в централизованном оборудовании. Протокол IPDC очень похож на SGCP, но имеет много больше, чем SGCP, механизмов эксплуатационного управления (ОАМ&Р). В конце 1998 года рабочая группа MEGACO комитета IETF разработала протокол MGCP, базирующийся, в основном, на протоколе SGCP, но с некоторыми добавлениями в части ОАМ&Р.

Рабочая группа MEGACO не остановилась на достигнутом, продолжала совершенствовать протокол управления шлюзами и разработала более функциональный, чем MGCP, протокол MEGACO. Его адаптированный к Н.323 вариант (под названием Gateway Control Protocol) ITU-T предлагает в рекомендации Н.248.

Построение сети по рекомендации Н.323. Первый в истории подход к построению сетей IP-телефонии на стандартизованной основе предложен Международным союзом электросвязи (ITU) в рекомендации Н.323 . Сети на базе протоколов Н.323 ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных. В частности, процедура установления соединения в таких сетях IP-телефонии базируется на рекомендации Q.931  и аналогична процедуре, используемой в сетях ISDN.

Рекомендация Н.323 предусматривает довольно сложный набор протоколов, который предназначен не просто для передачи речевой информации по IP-сетям с коммутацией пакетов. Его цель - обеспечить работу мультимедийных приложений в сетях с негарантированным качеством обслуживания. Речевой трафик - это только одно из приложений Н.323, наряду с видеоинформацией и данными. Атак как ничего в технике (как и в жизни) не достается даром, обеспечение совместимости с Н.323 различных мультимедийных приложений требует весьма значительных усилий. Например, для реализации функции переключения связи (call transfer) требуется отдельная спецификация Н.450.2.

Вариант построения сетей IP-телефонии, предложенный Международным союзом электросвязи в рекомендации Н.323, хорошо подходит тем операторам местных телефонных сетей, которые заинтересованы в использовании сети с коммутацией пакетов (IP-сети) для предоставления услуг междугородной и международной связи. Протокол RAS, входящий в семейство протоколов Н.323, обеспечивает контроль использования сетевых ресурсов, поддерживает аутентификацию пользователей и может обеспечивать начисление платы за услуги.

На рис 5.1.1. представлена архитектура сети на базе рекомендации Н.323. Основными устройствами сети являются: терминал (Terminal), шлюз (Gateway), привратник (Gatekeeper) и устройство управления конференциями (Multipoint Control Unit- MCU).

Рис. 5.1.1 Архитектура сети Н.323

Сеть на базе протокола SIP. Второй подход к построению сетей IP-телефонии, предложенный рабочей группой MMUSIC комитета IETF в документе RFC 2543 , основан на использовании протокола SIP - Session Initiation Protocol. SIP представляет собой текст - ориентированный протокол, который является частью глобальной архитектуры мультимедиа, разработанной комитетом Internet Engineering Task Force (IETF). Эта архитектура также включает в себя протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP, RFC 2205), транспортный протокол реального времени (Real-Time Transport Protocol, RTP, RFC 1889), протокол передачи потоков в реальном времени (Real-Time Streaming Protocol, RTSP, RFC 2326), протокол описания параметров связи (Session Description Protocol, SDP, RFC 2327), протокол уведомления о связи (Session Announcement Protocol, SAP). Однако функции протокола SIP не зависят от любого из этих протоколов.

Сразу следует отметить, что хотя на сегодня наиболее широкое распространение получил протокол Н.323, всё большее количество производителей старается предусмотреть в своих новых продуктах поддержку протокола SIP. Учитывая темпы роста популярности протокола SIP, весьма вероятно, что в ближайшем будущем решения на его базе займут значительную нишу рынка IP-телефонии.

Подход SIP к построению сетей IP-телефонии намного проще в реализации, чем Н.323, но меньше подходит для организации взаимодействия с телефонными сетями. В основном это связано с тем, что протокол сигнализации SIP, базирующийся на протоколе HTTP, плохо согласуется с системами сигнализации, используемыми в ТфОП. Поэтому протокол SIP более подходит поставщикам услуг Интернет для предоставления услуги IP-телефонии, причем эта услуга будет являться всего лишь частью пакета услуг.

Тем не менее, протокол SIP поддерживает услуги интеллектуальной сети (IN), такие как преобразование (мэппинг) имён, переадресация и маршрутизация, что существенно для использования SIP в качестве протокола сигнализации в сети общего пользования, где приоритетной задачей оператора является предоставление широкого спектра телефонных услуг. Другой важной особенностью протокола SIP является поддержка мобильности пользователя, т.е. его способности получать доступ к заказанным услугам в любом месте и с любого терминала, а также способности сети идентифицировать и аутентифицировать пользователя при его перемещении из одного места в другое. Это свойство SIP не уникально, и, например, протокол Н.323 тоже в значительной степени поддерживает такую возможность. Сейчас настал момент, когда эта возможность станет главной привлекательной чертой сетей IP-телефонии нового поколения. Данный режим работы потребует дистанционной регистрации пользователей на сервере идентификации и аутентификации.

Перейдем непосредственно к архитектуре сетей, базирующихся на протоколе SIP (рис. 5.1.2).

Рис. 5.1.2 Пример сети на базе протокола SIP

Сеть на базе MGCP и MEGACO. Третий подход к построению сетей IP-телефонии, основанный на использовании протокола MGCP, также предложен комитетом IETF, рабочей группой MEGACO.

При разработке этого протокола рабочая группа MEGACO опиралась на сетевую архитектуру, содержащую основные функциональные блоки трех видов (рис. 5.1.3):

· шлюз - Media Gateway (MG), который выполняет функции преобразования речевой информации, поступающей со стороны ТфОП с постоянной скоростью передачи, в вид, пригодный для передачи по сетям с маршрутизацией пакетов IP (кодирование и упаковку речевой информации в пакеты RTP/UDP/IP, а также обратное преобразование);

· контроллер шлюзов - Call Agent, которой выполняет функции управления шлюзами;

· шлюз сигнализации - Signaling Gateway (SG), который обеспечивает доставку сигнальной информации, поступающей со стороны ТфОП, к контроллеру шлюзов и перенос сигнальной информации в обратном направлении.

Рис. 5.1.3 Архитектура сети на базе протокола MGCP

Таким образом, весь интеллект функционально распределенного шлюза сосредоточен в контроллере, функции которого могут быть распределены между несколькими компьютерными платформами.

Шлюз сигнализации выполняет функции STP - транзитного пункта сети сигнализации ОКС7. Сами шлюзы выполняют только функции преобразования речевой информации. Один контроллер управляет одновременно несколькими шлюзами. В сети могут присутствовать несколько контроллеров. Предполагается, что они синхронизованы между собой и согласованно управляют шлюзами, участвующими в соединении. Вместе с тем, MEGACO не определяет протокола для синхронизации работы контроллеров. В ряде работ, посвященных исследованию возможностей протокола MGCP, для этой цели предлагается использовать протоколы Н.323, SIP или ISUP/IP.

Сообщения протокола MGCP переносятся протоколом без гарантированной доставки сообщений UDP. Рабочая группа SIGTRAN комитета IETF в настоящее время разработала механизм взаимодействия контроллера шлюзов и шлюза сигнализации.

Шлюз сигнализации принимает поступающие из ТфОП пакеты трех нижних уровней системы сигнализации ОКС7 (уровней подсистемы переноса сообщений МТР) и передает сигнальные сообщения верхнего, пользовательского, уровня к контроллеру шлюзов. Шлюз сигнализации также умеет передавать по IP-сети приходящие из ТфОП сигнальные сообщения Q.931 .

Основное внимание рабочей группы SIGTRAN уделяется вопросам разработки наиболее эффективного механизма передачи сигнальной информации по IP-сетям. Следует отметить, что существует несколько причин, по которым пришлось отказаться от использования для этой цели протокола TCP. Рабочая группа SIGTRAN предлагает использовать для передачи сигнальной информации протокол Stream Control Transport Protocol (SCTP), имеющий ряд преимуществ перед протоколом ТСР, основным из которых является значительное снижение времени доставки сигнальной информации и, следовательно, времени установления соединения - одного из важнейших параметров качества обслуживания.

5.2. IP-телефония как услуга

VoIP (англ. Voice over IP; IP-телефония, произносится «во айпи») — система связи, обеспечивающая передачу речевого сигнала по сети Интернет или по любым другим IP-сетям. Сигнал по каналу связи передаётся в цифровом виде и, как правило, перед передачей преобразовывается (сжимается) с тем, чтобы удалить избыточность.

Голосовая и видеосвязь посредством компьютерных сетей стала популярной во всём мире с начала XXI века и в настоящее время широко используется как частными пользователями, так и в корпоративном секторе. Применение систем IP-телефонии позволяет компаниям-операторам связи значительно снизить стоимость звонков (особенно международных) и интегрировать телефонию с сервисами Интернета, предоставлять интеллектуальные услуги. Технология VoIP реализует задачи и решения, которые с помощью технологии PSTN реализовать будет труднее, либо дороже. Примеры:

Возможность передавать более одного телефонного звонка в рамках высокоскоростного телефонного подключения. Поэтому технология VoIP используется в качестве простого способа для добавления дополнительной телефонной линии дома или в офисе.

Свойства, такие как конференция, переадресация звонка, автоматический перенабор, определение номера звонящего, предоставляются бесплатно или почти бесплатно, тогда как в традиционных  телекоммуникационных компаниях обычно выставляются в счёт. Безопасные звонки, со стандартизованным протоколом (такие как SRTP).  Большинство трудностей для включения безопасных телефонных  соединений по традиционным телефонным линиям, такие как оцифровка  сигнала, передача цифрового сигнала, уже решены в рамках технологии  VoIP. Необходимо лишь произвести шифрование сигнала и его  идентификацию для существующего потока данных. Независимость от  месторасположения. Нужно только интернет-соединение  для подключения к  провайдеру VoIP. Например, операторы центра звонков с  помощью VoIP-телефонов могут работать из любого офиса, где есть в  наличии эффективное быстрое и стабильное интернет-подключение. Доступна интеграция с другими сервисами через интернет, включая  видеозвонок, обмен сообщениями и данными во время разговора,  аудиоконференции, управление адресной книгой и получение информации о том, доступны ли для звонка другие абоненты. Дополнительные телефонные свойства — такие как маршрутизация звонка, всплывающие окна, альтернативный GSM-роуминг и внедрение IVR — легче и дешевле внедрить и интегрировать. Тот факт, что телефонный звонок находится в той же самой сети передачи данных, что и персональный компьютер пользователя, открывает путь ко многим новым возможностям. Дополнительно: возможность подключения прямых номеров в любой стране мира (DID).

5.3. Аудиокодеки и их применение в IP-телефонии

Одним из важных факторов 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), 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. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер,

В голосовых шлюзах IP - телефонии понятие кодека подразумевает не только  алгоритмы  кодирования/декодирования, но  и  аппаратную реализацию.

Все методы кодирования, основанные на определенных приложениях 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 Predicative 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 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, 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. 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 сравнивает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодировки, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи, на противоположной стороне происходит восстановление звукового сигнала. При использовании такого метода требуются более серьезные вычислительные мощности.

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

Кодек G.711

Рекомендация G.711, 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   равна 64 кбит/с.   Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой при кодировании используется нелинейное квантование по уровню.

Кодек G.711 широко используется в системах традиционной телефонии с коммутацией каналов. В шлюзах IP-телефонии данный кодек используется 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.

Кодек G.726

Одним из алгоритмов сжатия речи ADPCM - адаптивная дифференциальная ИКМ. Этот алгоритм дает 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 сигнале, 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. Кодек может применяться совместно с кодеком G.711 для снижения скорости кодирования последнего. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций.

Кодек G.723

Рекомендация G.723 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. Применение вокодера позволяет снизить скорость передачи данных в канале, что 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 G.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 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 ухудшения качества речи.

Кодек G.728

Гибридный кодек, описанный в рекомендации G.728 относится к категории LD-CELP - Low Delay - Code Excited Linear Prediction - кодек с управляемым кодом линейным предсказанием и малой задержкой. Кодек обеспечивает скорость преобразования 16 кбит/с, вносит задержку при кодировании от 3 до 5 мс. Кодек предназначен в основном для использования видеоконференций. В устройствах IP- телефонии данный кодек используется достаточно редко.

Кодеки G.729

Семейство включает кодеки G.729, G.729 Annex A, G.729 Annex В (содержит детектор голосовой активности и генератор комфортного шума). Кодеки G.729 сокращенно называют CS-ACELP Conjugate Structure - Algebraic Code Excited Linear Prediction - сопряженная структура с управляемым алгебраическим кодом линейного предсказания.

Процесс преобразования вносит задержку 15 мс. Скорость кодирования речевого сигнала составляет 8 кбит/с. в устройствах VoIP данный кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии.

Кодек	Метод, компрессии	Скорость кодирования	Качество	Задержка
G.726	ADPCM	32/24/16 кбит/с	Хорошее (32 к) Плохое (16к)	Очень низкая (0,125мс)
G.729	CS-ACELP	8 кбит/с	Хорошее	Низкая (10 мс)
G.729 А	CA-ACELP	8 кбит/с	Среднее	Низкая (10 мс)
G.723	MP-MLQ	6,4/5,3 кбит/с	Хорошее (6,4к) Среднее (5,3 к)	Высокая (37 мс)
G.728	LD-CELP	16 кбит/с	Хорошее	Очень низкая (3-5 мс)

Современные продукты для IP - телефонии применяют самые разные кодеки, стандартные и нестандартные. Конкурентами являются кодеки GSM (13,5 кбит/с) и кодеки серии G, использование которых предусматривает стандарт 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 16-разрядную ИКМ-речь длительностью 10 мс всего в 10 байт. Стандарт G.729 получил широкое распространение в системах передачи голоса по IP.

6. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ QOS В СЕТЯХ IP-ТЕЛЕФОНИИ. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ QOS

6.1. Показатели качества и методы оценки QoS в сетях IP-телефонии

Характер информации, передаваемой по сетям с маршрутизацией пакетов IP, сегодня драматически меняется. Кроме передачи данных, IP-сети используются для прослушивания музыкальных программ, просмотра видеоклипов, обмена речевой информацией, проведения мультимедийных конференций, оперативного контроля/управления, сетевых игр и других приложений реального времени.

Протокол IP первоначально не предназначался для обмена информацией в реальном времени. Ведь пакеты одного и того же потока данных маршрутизируются по сети независимо друг от друга, а время обработки пакетов в узлах может меняться в широких пределах, в силу чего такие параметры передачи как задержка и вариация задержки пакетов также могут меняться. А параметры качества сетевых услуг, обеспечивающих передачу информации в реальном времени, как известно, сильно зависят от характеристик задержек пакетов, в которых эта информация переносится.

Транспортные протоколы стека TCP/IP, реализуемые в оборудовании пользователей и функционирующие поверх протокола IP, также не обеспечивают высокого качества обслуживания трафика, чувствительного к задержкам. Протокол TCP, хоть и гарантирует достоверную доставку информации, но переносит ее с непредсказуемыми задержками. Протокол UDP, который, как правило, используется для переноса информации в реальном времени, обеспечивает меньшее, по сравнению с протоколом TCP, время задержки, но, как и протокол IP, не содержит никаких механизмов обеспечения качества обслуживания.

Технология Voice over IP (Голос поверх IP) – интеграция обычных телефонных услуг с возрастающим числом различных приложений IP, рассматривается сегодня провайдерами телекоммуникационных услуг как одна из наиболее важных технологий. В дополнение к уменьшению стоимости благодаря эффективному разделению сетевых ресурсов, есть все основания ожидать, что VoIP значительно ускорит продвижение на рынок новых мультимедийных услуг.

При оценке качества речевых услуг в сетях IP необходимо учитывать тот факт, что требования к сетевым характеристикам со стороны приложений данных и приложений, связанных с VoIP, существенно различаются. Например, при передаче больших массивов данных необходима большая полоса частот, при этом данные могут быть некритичны к задержкам. В противоположность этому, для приложений VoIP требуются относительно небольшие сетевые ресурсы, но эти приложения критичны и к задержке и к вариации задержки.

Даже в тех случаях, когда данные и речь передаются в одной и той же сети, голосовой трафик и трафик данных не могут обрабатываться одинаково в силу ряда причин, в том числе:

• пакеты речи и данных имеют различные длины

• пакеты речи и данных передаются с разными скоростями

• пакеты речи и данных обрабатываются в узлах и доставляются получателю с использованием различных механизмов и протоколов

• сообщения электронной почты или массивы данных могут быть задержаны на десятки минут без влияния на оценку качества обслуживания, тогда как задержки, равные нескольким сотням миллисекунд (мс) могут привести к значительным искажениям речевого сигнала, доставленного с помощью технологии VoIP

   Исходным требованием при развертывании приложений VoIP является следующее: качество речи при использовании VoIP должно быть таким же, как и в ТфОП. Отметим, что уровень качества ТфОП иногда называется уровнем качества междугородного соединения и является наивысшим уровнем качества речи в сети.  Поскольку качество услуг, не может быть гарантировано в сетях IP, становится весьма важным обеспечение мер по мониторингу уровня качества предоставляемых услуг и наличие возможностей по поддержанию требуемого уровня качества.

Субъективные методы оценки качества услуг. Наиболее широко используемая  методика субъективной оценки качества  описана в Рекомендации ITU-T P.800  и известна как методика MOS (Mean Opinion Score). В соответствии с методикой MOS качество речи, получаемое при прохождении сигнала от говорящего (источник) через систему связи к слушающему (приемник), оценивается как арифметическое среднее от всех оценок, выставляемых экспертами после прослушивания тестируемого тракта передачи.

Экспертные оценки определяются в соответствии со следующей пятибалльной шкалой: 5 – отлично, 4 – хорошо, 3 – приемлемо, 2 – плохо, 1 – неприемлемо.

Оценки 3,5 балла и выше соответствуют стандартному и высокому телефонному качеству, 3,0…3,5 - приемлемому, 2,5…3,0 - синтезированному звуку. Для передачи речи с хорошим качеством целесообразно ориентироваться на значения MOS не ниже 3,5 баллов.

• Естественно, что эта модель не учитывает ряд явлений, типичных для сетей передачи данных и влияющих на качество речи в системах VoIP. В модели MOS отсутствует возможность количественно учесть влияющие на качество речи факторы.

В частности, не учитываются:

• сквозная (end-to-end) задержка между говорящим по телефону и слушающим

• влияние вариации задержки (джиттера)

• влияние потерь пакетов.

• Кроме того, модель MOS представляет оценку качества в однонаправленном соединении, а не в двух направлениях реального  телефонного соединения. Все это потребовало разработки новых моделей оценки качества передачи речи, учитывающих особенности пакетных сетей.

Объективные методы оценки качества услуг. ITU-T в 1998 г. стандартизовал Е-модель (Рекомендация G.107), применение объективных оценок качества, базирующихся на измерении физических характеристик терминалов и сетей. Е-модель является адекватной для использования в задачах оценки качества речи в пакетных сетях, поскольку учитывает искажения, типичные для передачи данных. После создания Е-модели было проведено большое число испытаний с субъективными оценками, в которых менялся уровень воздействия искажающих сетевых факторов. Данные этих тестов были использованы в Е-модели для вычисления объективных оценок. Результатом вычислений в соответствии с Е-моделью является число, называемое R-фактором. Значения R-фактора однозначно сопоставляются с оценками MOS

В соответствии с Е-моделью R-фактор определяется в диапазоне значений от 0 до 100, где 100 соответствует самому высокому уровню качества. При расчете R-фактора учитываются 20 параметров. В состав этих параметров входят:

• однонаправленная задержка,

• коэффициент потери пакетов,

• потери данных из-за переполнения буфера джиттера,

• искажения, вносимые при преобразовании аналогового сигнала в цифровой и последующем сжатии (обработка сигнала в кодеках), влияние эхо и др.

Значение R определяется по следующей формуле:

R = R_o - l_s - l_d - l_e + A,

где  R_o = 93,2 – исходное значение R-фактора;

l_s - искажения, вносимые кодеками;

l_d - искажения за счет суммарной сквозной задержки в сети;

l_e - искажения, вносимые оборудованием, включая и потери пакетов;

A – так называемый фактор преимущества.

С учетом искажений, которые имеют место при преобразовании реальной речи в электрический сигнал (и обратно), теоретическое значение R-фактора (без искажений) уменьшается до величины, равной 93,2, которая соответствует оценке MOS, равной 4,4.

Таким образом, при использовании Е-модели оценка 4,4 в системе MOS является максимально возможной оценкой качества речи в сети без искажений. Величина R-фактора меняется от 0 до 93,2, что соответствует изменению оценок MOS от 1 до 4,4.

Значение R-фактора	Категория качества и оценка пользователя	Значение оценки MOS
90<R<100	Самая высокая	4,34 – 4,50
80<R<90	Высокая	4,03 – 4,34
70<R<80	Средняя (часть пользователей оценивает качество как неудовлетворительное)	3,60 – 4,03
60<R<70	Низкая (большинство пользователей оценивает качество как неудовлетворительное)	3,10 – 3,60
50<R<60	Плохая (не рекомендуется)	2,58 – 3,10

Примечание: соединения с R-фактором ниже 50 не рекомендованы для использования.

6.2. Методы повышения показателей QoS

Дифференцированное обслуживание разнотипного трафика - Diff-Serv. Для обеспечения гарантированного качества обслуживания комитет IETF разработал модель дифференцированного обслуживания разнотипного трафика - Diff-Serv. В соответствии с этой моделью байт ToS (Type of Service) в заголовке IP-пакета получил другое название DS (Differentiated Services), а шесть его битов отведены под код Diff-Serv. Каждому значению этого кода соответствует свой класс PHB (Per-Hop Behavior Forwarding Class), определяющий уровень обслуживания в каждом из сетевых узлов.

Пакеты каждого класса должны обрабатываться в соответствии с определенными для этого класса требованиями к качеству обслуживания.

Модель Diff-Serv описывает архитектуру сети как совокупность пограничных участков и ядра. Пример сети согласно модели Diff-Serv приведен на рисунке 6.2.1.

Рис. 6.2.1 Модель Diff-Serv

Поступающий в сеть трафик классифицируется и нормализуется пограничными маршрутизаторами. Нормализация трафика предусматривает измерение его параметров, проверку соответствия заданным правилам предоставления услуг, профилирование (при этом пакеты, не укладывающиеся в рамки установленных правил, могут быть отсеяны) и другие операции. В ядре магистральные маршрутизаторы обрабатывают трафик в соответствии с классом PHB, код которого указан в поле DS.

Достоинства модели Diff-Serv состоят в том, что она, во-первых, обеспечивает единое понимание того, как должен обрабатываться трафик определенного класса, а во-вторых, позволяет разделить весь трафик на относительно небольшое число классов и не анализировать каждый информационный поток отдельно. К настоящему времени для Diff-Serv определено два класса трафика:

· класс срочной пересылки пакетов (Expedited Forwarding PHB Group);

· класс гарантированной пересылки пакетов (Assured Forwarding PHB Group).

Механизм обеспечения QoS на уровне сетевого устройства, применяемый в Diff-Serv, включает в себя четыре операции. Сначала пакеты классифицируются на основании их заголовков. Затем они маркируются в соответствии с произведенной классификацией (в поле Diff-Serv). В зависимости от маркировки выбирается алгоритм передачи (при необходимости - с выборочным удалением пакетов), позволяющий избежать заторов в сети. Заключительная операция, чаще всего, состоит в организации очередей с учетом приоритетов.

Хотя эта модель и не гарантирует качество обслуживания на 100%, у нее есть серьезные преимущества. Например, нет необходимости в организации предварительного соединения и в резервировании ресурсов. Атак как в модели Diff-Serv используется небольшое, фиксированное количество классов и трафик абонентов распределяется по общим очередям, не требуется высокая производительность сетевого оборудования.

Интегрированное обслуживание IntServ. Этот подход явился одной из первых попыток комитета IETF разработать действенный механизм обеспечения качества обслуживания в IP-сетях. Для трафика реального времени вводятся два класса обслуживания: контролируемой загрузки сети и гарантированного обслуживания.

Классу гарантированного обслуживания предоставляется определенная полоса пропускания, а также гарантируются задержка в определенных пределах и отсутствие потерь при переполнении очередей. Класс контролируемой загрузки сети идентичен традиционному подходу «best effort», но уровень QoS для уже обслуживаемого потока данных остается неизменным при увеличении нагрузки в сети.

Основными компонентами модели IntServ являются система резервирования ресурсов, система контроля доступа, классификатор и диспетчер очередей. Архитектура модели изображена на рис. 6.2.2. Спецификация потока (flow specification) нужна для определения необходимого уровня качества обслуживания потока.

Система контроля доступа, получив запрос сеанса связи, в зависимости от наличия требуемых ресурсов, либо допускает этот запрос к дальнейшей обработке, либо дает отказ. Классификатор определяет класс обслуживания на основе содержания поля приоритета в заголовке. Диспетчер определяет способ организации и механизм обслуживания очереди. Система резервирования ресурсов использует специальный протокол сигнализации, который служит для запроса приложением нужного ему уровня качества обслуживания и для координации обработки этого запроса всеми устройствами сети.

Рис. 6.2.2 Модель IntServ

Протокол резервирования ресурсов – RSVP. Чтобы обеспечить должное качество обслуживания трафика речевых и видеоприложений, необходим механизм, позволяющий приложениям информировать сеть о своих требованиях. На основе этой информации сеть может резервировать ресурсы для того, чтобы гарантировать выполнение требований к качеству, или отказать приложению, вынуждая его либо пересмотреть требования, либо отложить сеанс связи. В роли такого механизма выступает протокол резервирования ресурсов RSVP (Resource Reservation Protocol).

При одноадресной передаче процесс резервирования выглядит довольно просто. Многоадресная же рассылка делает задачу резервирования ресурсов гораздо более сложной. Приложения, использующие многоадресную рассылку, могут генерировать огромные объемы трафика, например, в случае организации видеоконференции с большой рассредоточенной группой участников. Однако в этом случае существуют возможности значительного снижения трафика.

Во-первых, некоторым участникам конференции в какие-то периоды времени может оказаться ненужной доставка к ним всех данных от всех источников - например, участник может быть заинтересован в получении речевой информации и не заинтересован в получении видеоинформации.

Во-вторых, оконечное оборудование некоторых участников конференции может оказаться способным обрабатывать только часть передаваемой информации. Например, поток видеоданных может состоять из двух компонентов - базового и дополнительного, нужного для получения более высокого качества изображения. Оборудование части пользователей может не иметь достаточной вычислительной мощности для обработки компонентов, обеспечивающих высокое разрешение, или может быть подключено к сети через канал, не обладающий необходимой пропускной способностью.

Процедура резервирования ресурсов позволяет приложениям заранее определить, есть ли в сети возможность доставить многоадресный трафик всем адресатам в полном объеме, и, если нужно, принять решение о доставке отдельным получателям усеченных версий потоков.

RSVP - это протокол сигнализации, который обеспечивает резервирование ресурсов для предоставления в IP-сетях услуг эмуляции выделенных каналов. Протокол позволяет системам запрашивать, например: гарантированную пропускную способность такого канала, предсказуемую задержку, максимальный уровень потерь. Но резервирование выполняется лишь в том случае, если имеются требуемые ресурсы.

В основе протокола RSVP лежат три компонента:

· сеанс связи, который идентифицируется адресом получателя данных;

· спецификация потока, которая определяет требуемое качество обслуживания и используется узлом сети, чтобы установить соответствующий режим работы диспетчера очередей;

· спецификация фильтра, определяющая тип графика, для обслуживания которого запрашивается ресурс.

Рис. 6.2.3 Резервирование ресурсов при помощи протокола RSVP

Сточки зрения узла сети работа протокола RSVP выглядит так:

1. Получатель вступает в группу многоадресной рассылки, отправляя соответствующее сообщение протокола IGMP ближайшему маршрутизатору;

2. Отправитель передает сообщение по адресу группы;

3. Получатель принимает сообщение Path, идентифицирующее отправителя;

4. Теперь получатель имеет информацию об обратном пути и может отправлять сообщение Resv с дескрипторами потока;

5. Сообщения Resv передаются по сети отправителю;

6. Отправитель начинает передачу данных;

7. Получатель начинает передачу данных.

Несмотря на то, что протокол RSVP является важным инструментом в арсенале средств, обеспечивающих гарантированное качество обслуживания, этот протокол не может решить все проблемы, связанные с QoS. Основные недостатки протокола RSVP - большой объем служебной информации и большие затраты времени на организацию резервирования.

Протокол RSVP не размещается в крупномасштабных средах. В лучшем случае, магистральный маршрутизатор имеет возможность резервировать ресурсы для нескольких тысяч потоков и управлять очередями для каждого из них.

Протокол RSVP работает с пакетами IP и не затрагивает схем сжатия, циклического контроля (CRCs) или работы с кадрами уровня звена данных (Frame Relay, PPP, HDLC).

Например, при использовании для IP-телефонии алгоритма кодирования речи G.729, обеспечивающего, с учетом сжатия заголовков RTP-пакетов, передачу речи со скоростью около 11 Кбит/с, в оборудовании Cisco по протоколу RSVP резервируется ресурс с пропускной способностью 24 Кбит/с. Другими словами, в канале с пропускной способностью 56 Кбит/с разрешено резервировать ресурс только для двух потоков со скоростью 24 Кбит/с каждый, даже если полоса пропускания располагает ресурсом для трех потоков со скоростью 11 Кбит/с каждый. Чтобы обойти это ограничение, можно применить следующий прием. Средствами эксплуатационного управления функциональному блоку RSVP маршрутизатора сообщается, например, что канал с фактической полосой пропускания 56 Кбит/с имеет, якобы, пропускную способность 100 Кбит/с и что допускается использовать для резервирования 75% его полосы пропускания. Такой «обман» разрешит протоколу RSVP резервировать полосу пропускания, которая необходима для трех речевых потоков, закодированных по алгоритму G.729. Очевидно, что при этом есть опасность перегрузки канала с реальной полосой 56 Кбит/с, если сжатие заголовков RTP-пакетов не применяется.

 Технология MPLS. Технология многопротокольной коммутации по меткам (Multiprotocol Label Switching - MPLS), разработанная комитетом IETF, явилась результатом слияния нескольких разных механизмов, таких как IP Switching (Ipsilon), Tag Switching (Cisco Systems), Aris (IBM) и Cell Switch Router (Toshiba). В архитектуре MPLS собраны наиболее удачные элементы всех упомянутых механизмов, и благодаря усилиям-IETF и компаний, заинтересованных в скорейшем продвижении этой технологии на рынке, она превратилась в стандарт Internet.

В обычных IP-сетях любой маршрутизатор, находящийся на пути следования пакетов, анализирует заголовок каждого пакета, чтобы определить, к какому потоку этот пакет относится, и выбрать направление для его пересылки к следующему маршрутизатору. При использовании технологии MPLS соответствие между пакетом и потоком устанавливается один раз, на входе в сеть MPLS. Более точно, соответствие устанавливается между пакетом и так называемым «классом эквивалентности пересылки» FEC (Forwarding Equivalence Class); к одному FEC относятся пакеты всех потоков, пути следования которых через сеть (или часть сети) совпадают. С точки зрения выбора ближайшего маршрутизатора, к которому их надо пересылать, все пакеты одного FEC неразличимы. Пакеты снабжаются метками -идентификаторами небольшой и фиксированной длины, которые определяют принадлежность каждого пакета тому или иному классу FEC.

Метка имеет локальное значение - она действительна на участке между двумя соседними маршрутизаторами, являясь исходящей меткой определенного FEC для одного из них и входящей - для второго. Второй маршрутизатор, пересылая пакет этого FEC к следующему маршрутизатору, снабжает его другой меткой, которая идентифицирует тот же FEC на следующем участке маршрута, и т.д. Таким образом, каждый FEC имеет свою систему меток.

Использование меток значительно упрощает процедуру пересылки пакетов, так как маршрутизаторы обрабатывают не весь заголовок IP-пакета, а только метку, что занимает значительно меньше времени.

На рис. 6.2.4 показана, в качестве примера, простейшая MPLS-сеть, содержащая маршрутизаторы двух типов:

• пограничные маршрутизаторы MPLS (Label Edge Routers - LER),

• транзитные маршрутизаторы MPLS (Label Switching Routers - LSR).

По отношению к любому потоку пакетов, проходящему через -- MPLS-сеть, один LER является входным, а другой LER - выходным.

Входной LER анализирует заголовок пришедшего извне пакета, устанавливает, какому FEC он принадлежит, снабжает этот пакет меткой, которая присвоена данному FEC, и пересылает пакет к соответствующему LSR. Далее, пройдя, в общем случае, через несколько LSR, пакет попадает к выходному LER, который удаляет из пакета метку, анализирует заголовок пакета и направляет его к адресату, находящемуся вне MPLS-сети.

Рис. 6.2.4 Сеть, построенная на базе технологии MPLS

Последовательность (LER, LSR,,..., LSR„, LER) маршрутизаторов, через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный коммутируемый по меткам тракт LSP (Label Switched Path). Так как один и тот же LER для одних потоков является входным, а для других-выходным, в сети, содержащей N LER, в простейшем случае может существовать N(N-1) FEC и, соответственно, N(N-1)LSP.

Заметим, однако, что потоки пакетов из разных FEC, приходящие к одному выходному LER от разных входных LER, могут в каких-то LSR сливаться в более мощные потоки, каждый из которых образует новый FEC со своей системой меток. Возможно и обратное, то есть группа потоков может идти до некоторого LSR по общему маршруту и, следовательно, принадлежать одному и тому же FEC, а затем разветвиться, и тогда каждая ветвь будет иметь свой FEC (со своей системой меток). Кроме того, существует возможность образования внутри некоторого LSP одного или нескольких вложенных в него LSP (так называемых LSP-туннелей).

То обстоятельство, что система меток, присваиваемых пакету, может изменяться, приводит к образованию так называемого «стека меток». При переходе потока пакетов в другой FEC, метка нового FEC помещается поверх метки прежнего FEC и используется для коммутации, а прежняя метка сохраняется под ней, но не используется до тех пор, пока не восстановится прежний FEC. Ясно, что если FEC пакета меняется несколько раз, в стеке накапливается несколько меток.

Все это, с одной стороны, демонстрирует, насколько широки возможности MPLS в части распределения ресурсов сети при ее проектировании и в части их оперативного перераспределения при эксплуатации, но, с другой стороны, предъявляет непростые требования к средствам, с помощью которых устанавливается соответствие «FEC-метка» в каждом LER и LSR сети.

Итак, метка, помещаемая в некоторый пакет, представляет FEC, к которому этот пакет относится. Как правило, отнесение пакета к определенному классу производится на основе сетевого адреса получателя. Метка может быть помещена в пакет разными способами -вписываться в специальный заголовок, «вставляемый» либо между заголовками уровня звена данных и сетевого уровня, либо в свободное и доступное поле заголовка какого-то одного из этих двух уровней, если таковое имеется. В любом случае этот специальный заголовок содержит поле, куда записывается значение метки, и несколько служебных полей, среди которых имеется и то, которое представляет особый интерес с точки зрения данной лекции - поле QoS (три бита, т.е. до восьми классов качества обслуживания).

Метки для каждого FEC всегда назначаются «снизу», то есть либо выходным LER, либо тем LSR, который является для этого FEC «нижним» (расположенным ближе к адресату), и распределяются им по тем маршрутизаторам, которые расположены «выше» (ближе к отправителю).

Распределение меток может быть независимым или упорядоченным. В первом случае LSR может уведомить вышестоящий LSR о привязке метки к FEC еще до того, как получит информацию о привязке «метка-FEC» от нижестоящего маршрутизатора. Во втором случае высылать подобное уведомление разрешается только после получения таких сведений «снизу». Метки могут выдаваться нижним маршрутизатором как по собственной инициативе, так и по запросу верхнего. Наконец, возможен «либеральный» или «консервативный» режим распределения меток. В либеральном режиме нижний LSR раздает метки вышестоящим LSR, как имеющим с ним прямую связь, так и доступным лишь через промежуточные LSR. В консервативном режиме вышестоящий LSR обязан принять метку, если ее выдает смежный LSR, но может отказаться от метки, пришедшей к нему транзитом.

Как уже отмечалось, метка должна быть уникальной лишь для каждой пары смежных LSR. Поэтому одна и та же метка в любом LSR может быть связана с несколькими FEC, если разным FEC принадлежат пакеты, идущие от разных маршрутизаторов, и имеется возможность определить, от которого из них пришел пакет с данной меткой. В связи с этим обстоятельством вероятность того, что пространство меток будет исчерпано, очень мала. Для распределения меток может использоваться либо специальный протокол LDP (Label Distribution Protocol), либо модифицированная версия одного из существующих протоколов сигнализации (например, протокола RSVP).

Каждый LSR содержит таблицу, которая ставит в соответствие паре величин «входной интерфейс, входящая метка» пару величин «выходной интерфейс, исходящая метка». Получив пакет, LSR определяет для него выходной интерфейс (по входящей метке и по номеру интерфейса, куда пакет поступил). Входящая метка заменяется исходящей (записанной в соответствующем поле таблицы), и пакет пересылается к следующему LSR. Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений в полях одной строки таблицы и занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с адресным префиксом в таблице маршрутов при традиционной маршрутизации.

MPLS предусматривает два способа пересылки пакетов. При одном способе каждый маршрутизатор выбирает следующий участок маршрута самостоятельно, а при другом заранее задается цепочка маршрутизаторов, через которые должен пройти пакет. Второй способ основан на том, что маршрутизаторы на пути следования пакета действуют в соответствии с инструкциями, полученными от одного из LSR данного LSP (обычно - от нижнего, что позволяет совместить процедуру «раздачи» этих инструкций с процедурой распределения меток).

Поскольку принадлежность пакетов тому или иному FEC определяется не только IP-адресом, но и другими параметрами, нетрудно организовать разные LSP для потоков пакетов, предъявляющих разные требования к QoS. Каждый FEC обрабатывается отдельно от остальных - не только в том смысле, что для него образуется свой LSP, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе пропускания канала, буферному пространству). Поэтому технология MPLS позволяет очень эффективно поддерживать требуемое QoS, соблюдая предоставленные пользователю гарантии. Конечно, подобный результат удается получить и в обычных IP-сетях, но решение на базе MPLS проще и гораздо лучше масштабируется.

7. ПРИНЦИПЫ ПЕРЕДАЧИ ТРАФИКА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ. НЕЗАВИСИМЫЕ ОТ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ ОНЛАЙН-ОРГАНИЗАТОРЫ СЕРВИСОВ IP-ТЕЛЕФОНИИ

7.1. Принципы передачи трафика реального времени

Технология Voice over IP (VoIP), называемая также IP-телефонией, предусматривает взаимодействие сети TDM с коммутацией каналов и сети IP с коммутацией пакетов, а также обеспечивает эволюционное движение телекоммуникационных сетей TDM к сетям IP. Появившись немногим более десяти лет назад, она считается самой перспективной телекоммуникационной технологией, а группу протоколов VoIP можно без преувеличения назвать ключевой среди других телекоммуникационных протоколов.

Годом рождения Internet-телефонии считают 1995-й, когда компания Vocaltec опубликовала программное обеспечение Internet Phone для системы телефонной передачи с использованием протокола IP. Для сетевой реализации Internet Phone до середины 1990-х были доступны только телефонные модемы, поэтому передача речи посредством Internet Phone значительно уступала по качеству традиционной телефонной связи. Однако первый камень в основание здания VoIP был тем не менее заложен.

Между тем события стали развиваться столь стремительно, что сейчас реальные возможности технологии VoIP значительно шире ее формального названия. По существу эта технология представляет собой средство для передачи не только речи, но и произвольной информации с использованием протокола IP, а обобщающим термином стало определение «мультимедийная». Соответствующая структура данных может включать речь, изображение и данные в любых комбинациях. Эту триаду обычно называют Triple Play.

Архитектура сети VoIP может быть представлена в виде двух плоскостей. Нижняя отображает транспортный механизм негарантированной доставки мультимедийного трафика в виде иерархии протоколов RTP/UDP/IP, а верхняя — механизм управления обслуживанием вызовов. Ее ключевыми протоколами являются H.323 ITU-T, SIP, MGCP и MEGACO, представляющие собой различные реализации обслуживания вызовов в сетях IP-телефонии.

Транспортный протокол реального времени (Real-time Transport Protocol, RTP) предоставляет транспортные услуги мультимедийным приложениям. Он не гарантирует доставку и правильный порядок пакетов, но позволяет приложениям обнаружить потерю или нарушение порядка следования пакетов за счет присвоения каждому из них номера. Протокол предназначен для работы в режимах передачи «точка–точка» или «точка–множество точек» и не зависит от транспортного механизма. Однако в качестве такового обычно используется протокол UDP.

RTP работает совместно с протоколом управления реального времени (Real Time Control Protocol, RTСP), обеспечивающим управление потоком данных и контроль перегрузки канала. Участники сеанса RTP периодически обмениваются пакетами RTCP со статистическими данными (количество отправленных пакетов, число потерянных и т. д.), которые могут быть использованы отправителем мультимедиа, например, для динамической коррекции скорости передачи и даже изменения типа нагрузки.

С решением проблемы транспортировки мультимедиа связан бум в разработке протоколов, обеспечивающих данный процесс. Главной целью разработчиков была организация процедуры формирования групп слушателей/зрителей и передача им, запрошенных мультимедийных потоков. Специфическим для мультимедиа является использование для транспортировки протокола UDP (без установления соединения и без гарантии доставки). В случае передачи голоса или изображения повторная передача дейтограммы становится бессмысленной.

В Интернет, также как и в некоторых других сетях, возможна потеря пакетов изменение их порядка в процессе транспортировки, а также вариация времени доставки в достаточно широких пределах. Мультимедийные приложения накладывают достаточно жесткие требования на транспортную среду. Для согласования таких требований с возможностями Интернет был разработан протокол RTP. Протокол RTP (См. RFC-2205, -2209, -2210, -1990, -1889,-3550, -3551, -3989, -3952; "RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications" H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson) базируется на идеях, предложенных Кларком и Тенненхаузом, и предназначен для доставки данных в реальном масштабе времени (например, аудио- или видео). При этом определяется тип поля данных, производится нумерация посылок, присвоение временных меток и мониторирование доставки. Приложения обычно используют RTP поверх протокола UDP для того, чтобы использовать его возможности мультиплексирования и контрольного суммирования. Но RTP может использоваться и поверх любой другой сетевой транспортной среды. RTP поддерживает одновременную доставку по многим адресам, если мультикастинг поддерживается нижележащим сетевым уровнем. Следует иметь в виду, что сам по себе RTP не обеспечивает своевременной доставки и не предоставляет каких-либо гарантий уровня сервиса QoS. Этот протокол не может гарантировать также корректного порядка доставки данных.

Правильный порядок выкладки информации может быть обеспечен принимающей стороной с помощью порядковых номеров пакетов. Такая возможность крайне важна практически всегда, но особое внимание этому уделяется при восстановлении передаваемого изображения. На практике протокол RTP не отделим от протокола RTCP (RTP control protocol). Последний служит для мониторинга QoS и для передачи информации об участниках обмена в ходе сессии. RTP гибкий протокол, который может доставить приложению нужную информацию, его функциональные модули не образуют отдельный слой, а чаще встраиваются в прикладную программу. Протокол RTP не является жестко регламентирующим.

При организации аудио-конференции каждый участник должен иметь адрес и два порта, один для звуковых данных, другой для управляющих RTCP-пакетов. Эти параметры должны быть известны всем участникам конференции. При необходимости соблюдения конфиденциальности информация и пакеты управления могут быть зашифрованы. При аудио конференциях каждый из участников пересылает небольшие закодированные звуковые фрагменты длительностью порядка 20 мсек. Каждый из таких фрагментов помещается в поле данных RTP-пакета, который в свою очередь вкладывается в UDP-дейтограмму. Заголовок пакета RTP определяет, какой вид кодирования звука применен (PCM, ADPCM или LPC), что позволяет отправителю при необходимости сменить метод кодирования, если к конференции подключился новый потребитель с определенными ограничениями или сеть требует снижения скорости передачи. Так как участники конференции могут появляться и исчезать по своему усмотрению, полезно знать, кто из них присутствует в сети в данный момент, и как до них доходят передаваемые данные. Для этой цели периодически каждый из участников транслирует через порт RTCP мультикастинг-сообщение, содержащее имя участника и диагностические данные. Узел-участник конференции шлет пакет BUY (RTCP), если он покидает сессию. Если в ходе конференции передается не только звук но и изображение, они передаются как два независимых потока с использованием двух пар UDP-портов. RTCP-пакеты посылаются независимо для каждой из этих двух сессий.

На уровне RTP не существует какой-либо взаимосвязи между аудио- и видео сессиями. Только RTCP-пакеты несут в себе одни и те же канонические имена участников. В некоторых случаях можно столкнуться с ситуацией, когда один из участников конференции подключен к сети через узкополосный канал. Было бы не слишком хорошо требовать от всех участников перехода на кодировку, соответствующую этой малой полосе. Для того чтобы этого избежать, можно установить преобразователь, называемый смесителем, в непосредственной близости от узкополосной области. Смеситель преобразует поток аудио-пакетов в следовательность пакетов, которая соответствует возможностям узкополосного канала. Эти пакеты могут быть уникастными (адресованными одному получателю) или мультикастными. Заголовок RTP включает в себя средства, которые позволяют мультиплексорам идентифицировать источники, внесшие вклад. Так что получатель может правильно идентифицировать источник звукового сигнала. Некоторые участники конференции, использующие широкополосные каналы, не доступны для IP-мультикастинга (например, находятся за Firewall). Для таких узлов смесители не нужны, здесь используется другой RTP-уровень передачи, называемый трансляцией. Устанавливается два транслятора по одному с каждой из сторон Firewall. Внешний транслятор передает мультикастинг-пакеты по безопасному каналу внутреннему транслятору. Внутренний же транслятор рассылает их подписчикам локальной сети обычным образом. Смесители и трансляторы могут выполнять и другие функции, например, преобразование IP/UDP пакетов в ST-II при видео конференциях.

7.2. Независимые от транспортной сети онлайн-организаторы сервисов IP-телефонии

Google Talk — программа мгновенного обмена сообщениями, разработанная компанией Google. Google Talk позволяет общаться с помощью голосового чата и текстовых сообщений. Особенностью Google Talk является тесная интеграция с почтовой службой Gmail (например, по Google Talk приходят уведомления о новых сообщениях). Для использования Google Talk обязательно наличие учётной записи Gmail. В качестве клиента возможно использование сторонних приложений таких, как Psi, Miranda IM, iChat и других. Пользователи Google Talk могут общаться с пользователями других XMPP-серверов согласно общей архитектуре протокола XMPP.

Технические данные. Google Talk использует протокол XMPP, который обеспечивает передачу сообщений и сведений о присутствии, включая передачу сообщений в отключённом режиме.

В сентябре 2005 года компания Google наняла Шона Игана в команду разработчиков Google Talk. Как руководитель проекта libjingle Шон Иган направил усилия на обеспечение совместимости голосовых функций в клиентах, основанных на протоколе XMPP.

15 декабря 2005 года компания Google открыла исходные тексты библиотеки libjingle, написанные на C++, под лицензией BSD. Эта библиотека является реализацией расширения протокола XMPP для передачи голоса (VoIP), видео и других мультимедийных одноранговых (P2P) соединений.

17 января 2006 года компания Google подключила свой сервис к сети XMPP, таким образом обеспечив обмен сообщениями своих клиентов с клиентами любых серверов XMPP.

Поддерживается передача сообщений в неподключённом режиме. Поддерживается уведомление о пришедших электронных письмах. Пользователь может получить доступ к архиву всех своих мгновенных сообщений из почтового ящика на сайте gmail.com.

Шифрование. Соединение между клиентом Google Talk и сервером Google Talk зашифрованы, за исключением международных версий клиента. Однако шифрование не end-to-end, поэтому нет гарантии что сообщение шифруется перед отправкой другому пользователю. Мгновенные сообщения не будут зашифрованы в следующих случаях:

· отправитель/получатель используют функции чата Gmail через HTTP.

· отправитель/получатель используют сеть которая не поддерживает шифрование.

· отправитель/получатель используют прокси IMLogic или другие похожие

Тем не менее можно использовать шифрование end-to-end через сеть Google Talk используя Zfone или OTR (off-the-record).

Skype  (произносится «скайп») — бесплатное программное обеспечение с закрытым кодом, обеспечивающее шифрованную голосовую связь и видеосвязь через  Интернет между компьютерами (VoIP), а также платные услуги для звонков на мобильные и стационарные телефоны. Программа также позволяет совершать конференц-звонки (до 25 голосовых абонентов, включая инициатора), видеозвонки (в том числе видеоконференции до 10 абонентов), а также обеспечивает передачу текстовых сообщений (чат) и передачу файлов. Есть возможность вместо изображения с веб-камеры передавать изображение с экрана монитора.

Технология. В отличие от многих других программ IP-телефонии, для передачи данных Skype использует P2P-архитектуру. Каталог пользователей Skype распределён по компьютерам пользователей сети Skype, что позволяет сети легко масштабироваться до очень больших размеров (в данный момент более 100 миллионов пользователей, 15—25 миллионов онлайн) без дорогой инфраструктуры централизованных серверов. Кроме того, Skype может маршрутизировать звонки через компьютеры других пользователей. Это позволяет соединяться друг с другом пользователям, находящимся за NAT или брандмауэром, однако создаёт дополнительную нагрузку на компьютеры и каналы пользователей, подключённых к Интернету напрямую.

Единственным центральным элементом для Skype является сервер идентификации, на котором хранятся учётные записи пользователей и резервные копии их списков контактов. Центральный сервер нужен только для установки связи. После того как связь установлена, компьютеры пересылают голосовые данные напрямую друг другу (если между ними есть прямая связь) или через Skype-посредник (суперузел — компьютер, у которого есть внешний IP-адрес и открыт TCP-порт для Skype). В частности, если два компьютера, находящиеся внутри одной локальной сети, установили между собой Skype-соединение, то связь с Интернетом можно прервать и разговор будет продолжаться вплоть до его завершения пользователями или какого-либо сбоя связи внутри локальной сети. Благодаря используемым Skype кодекам (алгоритмам сжатия данных) Silk (8-24 кГц), G.729 (8 кГц) и G.711 (ранее использовались также ILBC и ISAC) и при достаточной скорости интернет-соединения (30—60 кбит/с) в большинстве случаев качество звука сопоставимо с качеством обычной телефонной связи.

При установке соединения между ПК данные шифруются при помощи AES-256, для передачи ключа которого, в свою очередь, используется 1024-битный ключ RSA. Открытые ключи пользователей сертифицируются центральным сервером Skype при входе в систему с использованием 1536- или 2048-битных сертификатов RSA. Для стабильного использования видеосвязи необходима скорость интернет-соединения более 200 кбит/с и желательна тактовая частота процессора не менее 1 ГГц.

Чат. Skype позволяет пользователям общаться не только с помощью голоса, но и более традиционным способом — с помощью текстовых сообщений (IM-чата). Голосовой чат позволяет разговаривать как с одним пользователем, так и устраивать конференц-связь. Он использует собственные кодеки.

Skype-чат позволяет устраивать групповые чаты, посылать смайлики, хранить историю. Также предоставляются обычные для IM-чатов возможности — профили пользователя, индикаторы состояния (статус) и так далее. Кроме того, Skype предоставляет возможность обмена файлами без ограничения размера и со стандартными опциями временной остановки пересылки и автоматического возобновления при подключении после потери связи или выключения программы Skype до конца передачи файла.Размер трафика, потребляемого Skype при разговоре, может варьироваться, в зависимости от некоторых факторов, таких как скорость подключения к сети Интернет (и вызывающего и вызываемого), а также от насыщенности самого разговора.Количество трафика, потребляемого Skype, особенно если дело касается передачи видео, напрямую зависит от ширины канала. Также Skype всегда подстраивается как под скорость соединения Интернет, так и под ресурсы системы. Таким образом, трафик при видеозвонке в разных условиях может очень сильно отличаться.

При голосовом звонке и широкополосном подключении к Интернет расходуется примерно одинаковое количество входящего и исходящего трафика. В сумме средний объём трафика составляет около 500 Кбайт/минуту (10 минут ~ 5 Мбайт; 100 минут ~ 50 Мбайт).При видеозвонке — примерно в 10 раз больше, чем при голосовом (и тем больше, чем шире канал и шумнее видео с web-камеры), то есть ~ 5Мбайт/мин, и никак не зависит от точки на Земле, с которой налажено соединение.

Если трафик при включенном Skype сильно завышен (даже в тех случаях когда нет чатов, бесед и видео отключено), то скорее всего клиент Skype стал «СуперНодом». В этом случае Skype начинает пропускать через себя «чужой» трафик по принципу работы пиринговой сети.

Skype и операторы сотовой связи. Клиент Skype можно установить на совместимый телефон или КПК, при этом получается значительная экономия средств по причине невысоких тарифов системы. Однако сотовые операторы не хотят терять доход и всячески тормозят процесс. T-Mobile — крупнейший провайдер сотовой связи в Германии — заявил, что будет блокировать трафик интернет-телефонии Skype на смартфонах iPhone. Аналогичным образом поступила одна из крупнейших в США телекоммуникационных компаний AT&T, которой в дальнейшем под давлением FCC пришлось все-таки разрешить Skype в сетях 3G и EDGE. Дело доходит до того, что лобби сотовых операторов пытается запретить Skype, а заодно и ICQ, на территории России. Однако в сети оператора «Скай Линк» передача данных по протоколу Skype не тарифицируется — в январе 2010 года компания ввела опцию «Безлимитный Skype» для абонентов Московского региона.

При некоторых обстоятельствах (широкий канал, глобальный IP адрес, постоянное включение и т. п.) компьютер клиента может использоваться как сервер сети (режим supernode), что приводит к существенной загрузке компьютера и большому трафику. Пользователь при этом не получает уведомлений и не имеет штатных средств в программе для запрета такого действия. В версии для платформы Windows эту функцию можно отключить редактированием реестра.Skype практически невозможно прослушать, за что его критикуют спецслужбы многих стран. В то же время сам сервис не раз обвинялся в шпионаже в пользу США и Китая.

Одним из недостатков Skype считается использование проприетарного протокола, несовместимого с открытыми стандартами (такими, как SIP или H.323). На конференции Black Hat Europe 2006, посвящённой вопросам информационной безопасности, был представлен анализ Skype.

Среди прочего, там были отмечены:

· интенсивное использование антиотладочных приёмов и обфусцированного кода;

· постоянная передача данных (даже в ситуациях, когда сама программа находится в режиме ожидания);

· использование 3G-сетей

8. IPTV КАК УСЛУГА TRIPLE PLAY, ЕЕ ОРГАНИЗАЦИЯ. ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СЕТЕЙ IPTV. ПРИНЦИПЫ ПАКЕТНОГО ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ УСЛУГ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

8.1. IPTV как услуга Triple play, ее организация

Услуги IPTV расширяют область обеспечения гарантий классических телекоммуникационных услуг. Абонентам IP телевидения доступна База-телепрограмма, которую можно просматривать на экране МОНИТОРА/ТЕЛЕВИЗОРА с помощью пульта дистанционного управления.

Цифровое IP телевидение позволяет программировать запись передач телеэфира в определенное время. Просматривать записанное видео можно в удобное время неограниченное число раз. Особое внимание в IP-телевидении уделено возможности показа фильмов и телепередач в формате HDTV (телевидение высокой четкости) с картинкой разрешением 1920 на 1080 точек и многоканальным объемным звуком Dolby 5.1. В настоящее время этот формат поддерживают многие телеканалы.

Любой абонент цифрового IP телевидения имеет возможность воспользоваться услугой «Видео на заказ», которая предусматривает ряд полезных функций:

· выбор фильмов, телепередач из каталога (в том числе фильмы в формате HDTV).

· расширенный поиск в каталоге по ключевым словам, актерам, режиссерам, просмотр трейлеров;

· просмотр выбранного фильма неограниченное количество раз в течение суток, в зависимости от категории контента;

· функции видеомагнитофона (пауза, перемотка);

Услуга «Почти видео по заказу» или, что намного лучше звучит с маркетинговой точки зрения, «виртуальный кинотеатр» (Near Video on Demand) - это трансляция фильмов с видеосервера оператора c жестко определенным расписанием сеансов, когда абонент покупает удобный ему по времени сеанс для просмотра фильма. Неудобство для абонента состоит в том, что он не может начать просмотр фильма в любой произвольный момент времени. Преимуществом для оператора является использование обычной технологии IP-multicast, которая очень сильно экономит объем трафика в магистральной сети оператора. Подробнее о технологии IP-multicast будет рассказано далее. Для снижения объемов трафика, оператор предоставляет возможность просмотра не очень большого количества фильмов, обычно количество фильмов в «виртуальном кинотеатре» не превышает двух-трех десятков, как правило, это новые фильмы, недавно вышедшие в прокат.

Услуга «Видео на заказ» (Video on Demand) – фильм с видео-сервера оператора персонально транслируется абоненту в любой произвольно выбранный абонентом момент времени. В отличие от услуги «виртуальный кинотеатр» количество фильмов здесь намного больше и может достигать иногда несколько тысяч. Появляется ряд очень удобных пользовательских функций виртуального видеоплеера – перемотка назад, вперед, пауза. В данном случае объем трафика здесь зависит не от количества фильмов, а от количества пользователей этой услуги, так как используется «персональная» трансляции видеоданных абоненту по технологии IP-адресации «unicast». Подробнее об адресации unicast такжебудет рассказано далее.

Услуга «Персональный видеомагнитофон» (Personal Video Recorder) - на видеосервере оператора абоненту выделяется определенный объем памяти и предоставляется интерфейс с аналогичными видеомагнитофону функциями для цифровой записи и воспроизведения телепередач. Абонент может по своему желанию записывать, стирать, воспроизводить, перематывать свои личные записи. Здесь также используется технология IP-unicast.

Услуга «Платный просмотр» (Pay per View) – покупка и просмотр абонентом отдельно выбранных программ (например, финал чемпионата мира по футболу). Трансляция ведется в режиме реального времени и используется технология IP-multicast.

Услуга «Телевидение со сдвигом по времени» (Time Shifted TV) – абонент покупает услугу просмотра заранее записанных на видеосервере программ. Услуга и реализуемые в ней сервисные функции близки к «видео по заказу». Также используется технология IP-unicast.

Услуги «Сервисы по заказу» (Services on Demand, SoD) – это заказ товаров и услуг на дом, различная справочная информация, расписание транспорта, гостиничный сервис и т.п. Данные услуги близки к аналогичным сервисам в Интернете.

Весь спектр услуг IPTV можно условно разделить на три основные группы:

· базовые (канальные) услуги (Basic Channel Service);

· расширенные (избираемые) услуги (Enhanced Selective Service);

· интерактивные телематические услуги (Interactive Data Service).

Базовый комплекс IPTV включает в себя стандартный набор услуг, предоставляемых в сетях кабельного и эфирного телевидения. Реализация этого комплекса обеспечивает возможность трансляции по сетям IP радио и телевизионных программ в сочетании с базовым комплексом услуг сетей передачи данных. При этом предполагается, что услуги базового комплекса не являются взаимосвязанными и могут предоставляться независимо.  

Услуги расширенного комплекса IPTV реализуются в комплексах, которые обеспечивают активное взаимодействие абонента с системой, которая предоставляет услугу. Для таких комплексов характерно наличие и активное использование обратных каналов. К услугам, предоставляемым в составе расширенного комплекса IPTV, относятся:

· различные варианты реализации услуги "Видео по требованию" - VоD (Video оn Demand);

· трансляция музыкальных программ по запросу абонента - MоD (Music on Demand);

· услуга электронного гида по транслируемым программам - EPG (Electronic Program Guide);

· услуга "Персональный видеомагнитофон" - PVR (Personal Video Recorder);

· услуга "Деловой канал" - B2B hosting (Business to Business hosting) - предполагает организацию выделенного канала для обмена оперативными данными и проведения видеоконференций между подразделениями одной компании;

· услуга "Персональный канал" - С2С hosting (Customer to Customer hosting) - обеспечивает организацию выделенного канала для внутренне¬го обмена групп пользователей;

· услуга "Углы зрения" - (Multi-angle service) - обеспечивает пользователю возможность оперативно изменять ракурс обзора представляемого видеопрограмме объекта;

· услуга «Платный просмотр» (Pay per View) - покупка и просмотр абонентом отдельно выбранных программ (например, финал чемпионата мира по футболу). Трансляция ведется в режиме реального времени и используется технология IP-multicast;

· услуга «Телевидение со сдвигом по времени» (Time Shifted TV) - абонент покупает услугу просмотра заранее записанных на видеосервере программ. Услуга и реализуемые в ней сервисные функции близки к «видео по заказу». Также используется технология IP-unicast;

· услуги «Сервисы по заказу» (Services on Demand, SoD) - это заказ товаров и услуг на дом, различная справочная информация, расписание транспорта, гостиничный сервис и т.п. Данные услуги близки к аналогичным сервисам в Internet.

8.2. Принципы пакетного предоставления услуг реального времени

IP-телевидением принято называть цифровую технологию многопрограммного интерактивного телевизионного вещания в IP-сети с помощью пакетной передачи видео-данных по IP-протоколу (Video over IP). На практике это выглядит так - головное IPTV оборудование передает, а абонентское оборудование принимает потоковое видео (streaming video). Этот термин обозначает технологии сжатия, сокращения и буферизации видео-данных, которые позволяют передавать видео в реальном времени через Интернет. Главная особенность потокового видео заключается в том, что при его передаче пользователь не должен ждать полной загрузки файла для того, чтобы его просмотреть. Потоковое видео пересылается непрерывным потоком в виде последовательности IP-пакетов и проигрывается по мере того, как передается на абонентское устройство.

Для просмотра потокового видео используется специальная приставка к телевизору или в современной терминологии Set top Box (STB), который с одной стороны подключен к сети оператора, а с другой - имеет соединение с телевизором. Абонентское устройство STB декодирует видео-данные и выводит расшифрованное видео на экран телевизора.

Абонент IPTV получает от оператора пакет услуг, важнейшим отличием которых от услуг, предоставляемых классическим кабельным телевидением, является интерактивность, то есть возможность для абонента оперативно выбирать и менять состав услуг, на которые он подписан, и в любой момент заказать дополнительную услугу, например, дополнительный платный просмотр фильма.

Базовой услугой, прежде всего, является многопрограммная трансляция телевизионных каналов, или собственно IP-телевидение. Здесь могут быть реализованы два варианта просмотра телепрограмм: первый - оператором формируется несколько пакетов телеканалов, из которых зрители могут выбирать желаемый набор, причём каждый пакет имеет свою абонентскую плату; второй - зрители формируют индивидуальные пакеты из каналов, транслируемых оператором; абонентская плата определяется стоимостью выбранных каналов, входящих в индивидуальный пакет. Интерактивность IP-телевидения позволяет предложить абоненту ряд дополнительных услуг, что является достаточно значимым преимуществом относительно других видов предоставления услуг.

8.3. Требования предъявляемые при построении сетей IPTV

В техническом отношении можно выделить следующие основные пользовательские функции сети IPTV:

· предоставление услуг потокового аудио и видео;

· "видео по запросу";

· обеспечение доступа в Интернет;

· функционирование электронной почты;

· аккумулирование информационных ресурсов и обеспечение доступа к ним.

Для организации качественной передачи голоса и видео решения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

· поддержка транспортных протоколов реального времени;

· обеспечение должных механизмов качества обслуживания.

Источники информационного ресурса

В качестве источников информационного ресурса для служб сети рассматриваются:

· спутниковый телепорт, поставляющий ТВ-программы, транслируемые искусственными спутниками Земли ТВ-вещания;

· прямая подача ТВ-программ из собственных студий либо закупленных ТВ-программ;

· видеосерверы;

· серверы других информационных ресурсов (игр, аудиозаписей в формате MPEG-3, электронных книг, программ, прочих файлов);

· ресурсы сетей общего пользования, составляющих Интернет.

Структура и оценка объемов трафика различных приложений

Набор предоставляемых услуг, особенно сервисов реального времени, предъявляет жесткие требования к транспортной подсистеме. Это необходимо учитывать при разработке архитектуры перспективной сети. Для примера отметим, что видеотрафик характеризуется битовым потоком с относительно постоянной скоростью, при этом большинство абонентов услуги "видео по запросу" пользуются ею примерно в одно и то же время - вечером, что является причиной неравномерной нагрузки на сеть.

Принципиальным в данном случае являются различия в требованиях, предъявляемых к необходимой полосе пропускания услуг "видео по запросу" и вещания. "Видео по запросу" предполагает передачу в режиме Unicast (индивидуальная рассылка), а IP-вещание реализуется в режиме Multicast (групповая рассылка).

Ниже приведены требования относительно различных услуг предоставляемых операторами IPTV:

· Относительно услуги “Потоковое видео”

Обеспечивает пользователям просмотр каналов эфирного и спутникового телевидения, упакованных в IP-поток. С целью оптимизации использования доступной пропускной способности вещание должно производиться в режиме Multicast. В зависимости от выбранной системы кодирования и шифрования необходимо наличие пропускной способности на канал в соответствии с приведенной таблицей. Телевизионный трафик не предъявляет жестких требований к задержкам в транспортной сети, максимальный джиттер пакетов может составлять 50 мс.

· Относительно услуги “Видео по запросу”

С точки зрения транспортной подсистемы запрос и получение услуг "видео по запросу" представляет собой асимметричное взаимодействие, при котором по прямому каналу в Unicast-режиме передаются цифровые видеопотоки и интерфейс пользователя, а в обратном канале - запросы на получение информации. Требования к обратному каналу незначительные: максимально необходимая скорость не превышает 33,6 кбит/с. Скорость в прямом канале, указанная в таблице, представляет собой среднее значение полосы, занимаемой сигналом ТВ высокой четкости, поскольку в большинстве случаев сервис "видео по запросу" будет реализовываться в формате HDTV.

· Относительно услуги “Доступа к ресурсам Интернета”

Эта служба не предполагает каких-либо специальных требований к параметрам транспортной сети. Поскольку настройка политики качества обслуживания рассматривает Интернет-трафик как низкоприоритетный, он не становится "конкурентом" для приложений реального времени.

В том случае, если клиентам должен предоставляться Интернет-доступ с гарантированной скоростью, необходимо выполнение процедур traffic-shaping на маршрутизаторе, что значительно усложняет задачи эксплуатации сети. Поэтому оптимальной представляется модель с максимально возможной скоростью доступа и расширением доступной полосы пропускания по мере необходимости. При этом доступная полоса пропускания равномерно распределяется между активными клиентами. Данная схема позволит максимально удовлетворить ожидания клиента, увеличить потребление трафика и, следовательно, прибыль от предоставления услуги..

· Относительно сервиса аудио/видеотелефонной связи

В рамках службы IP-телефонии возможно как предоставление стандартного телефонного сервиса, так и его расширение - за счет использования видеотелефонов различного типа (в том числе программных). Во втором случае системы фактически являются аналогами систем видео-конференц-связи и могут обслуживаться теми же управляющими комплексами, что и службы IP-телефонии. Для обеспечения нормального функционирования данных приложений необходимо создание симметричного канала со следующими показателями пропускной способности:

· аудиотелефон-ная связь: 83,44-91,56 кбит/с (G.711, Ethernet);

· видеотелефонная связь: 549,4 кбит/с (H.264, Ethernet).

Для достижения требуемого качества сервиса со стороны транспортной сети необходима поддержка механизмов QoS, обеспечение минимальной задержки прохождения голосового трафика от границы до границы сети (не более 60 мс), джиттер не более 20 мс.

По указанным причинам протокол сетевого уровня IP принимается как базовый для реализации сквозного транспорта пакетов во всей сети. На канальном уровне Ethernet стал стандартом де-факто для локальных сетей. 100-мегабитный Ethernet доминирует в качестве стандарта для пользовательского доступа, а на магистральных каналах наблюдается рост использования 1- и 10-гигабитных скоростей. Доминирование технологии Ethernet обусловлено главным образом ее простотой и низкой стоимостью. В рассматриваемой сети технологии канального уровня Ethernet на базе различных сред передачи и скоростей применяются как на узлах сети, так и в сегментах пользовательского доступа.

При выборе телекоммуникационной технологии, реализуемой в магистральном компоненте сети, основное внимание необходимо уделять возможности динамического распределения ресурсов каналов связи, механизмам обеспечения качества обслуживания и диапазону поддерживаемых скоростей передачи.

9. АРХИТЕКТУРА СЕТЕЙ IPTV. ОБЗОР МЕТОДОВ ДОСТАВКИ ПАКЕТОВ С СЕТЯХ IPTV. ПРИНЦИПЫ МНОГОАДРЕСНОЙ ДОСТАВКИ. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОКОВ

9.1. Архитектура сетей IPTV

Архитектура решения «IPTV» зависит от архитектуры магистральной сети и сети доступа оператора связи и обычно имеет распределенную структуру и выглядит следующим образом:

Рис.9.1.1. Пример построения сети IPTV

Архитектура комплекса IPTV, как правило, включает в себя следующие составляющие:

· подсистема приёма и обработки контента (головная станция Head-end);

· подсистема управления комплексом и услугами (IPTV Middleware);

· подсистема распределения контента;

· подсистема защиты контента (CAS/DRM);

· подсистема видео серверов;

· абонентское устройство.

Головная станция - важный компонент решения «IPTV» при построении услуг цифрового телевидения. Головная станция является программно-аппаратным комплексом, который обеспечивает прием сигнала от радио и телевизионных станций и спутников, обеспечивает раскодирование и демультиплексирование цифровых сигналов и MPEG-кодирование аналоговых сигналов с последующим мультиплексированием подготовленных материалов в IP-потоки.

Компонентами Головной станции являются:

· антенный пост – обеспечивает прием сигналов от эфирных станций и спутников;

· цифровые спутниковые приемники – дескрипторы – обеспечивают раскодирование цифровых сигналов, полученных с Антенного поста и передачу материалов Стримеру / мультиплексору;

· узел цифрового кодирования – обеспечивает MPEG-кодирование аналоговых и цифровых сигналов и передачу материалов Стримеру / мультиплексору;

· стример / мультиплексор - ключевой элемент Головной станции, обеспечивает мультиплексирование материалов и IP-вещание таким образом, что каждый канал имеет свой уникальный адрес и порт IP вещания.

Рис.9.1.2. Головная станция

Подсистема управления комплексом и услугами. Главную роль в реализации управления услугами и сервисами IPTV выполняет система Middleware. Как правило, типовые Middleware реализуют два способа управления услугами и сервисами: непосредственно пользователем (абонентом), либо оператором услуг (администратором).

В первом случае абонент с помощью интерфейса пользователя, выводимого на экран телевизора через абонентский приемник, может изменять перечень услуг. Интерфейс управления услугами для абонента позволяет выбирать услуги из перечня, заранее заданного в системе IP-телевидения. Как правило, такая возможность находится в разделе Middleware «Личный кабинет» и защищена паролем. Абоненту предлагается весь перечень услуг и прайс-лист на них.

После внесения изменений в перечень услуг абонент получает вновь заказанные услуги либо сразу, либо через промежуток времени, необходимый на обновление ключей при использовании систем условного доступа. Информация об изменении перечня услуг будет доступна в детализированном счете абонента. Кроме того, биллинговая система может списывать некоторую сумму за подключение и отключение услуг, если это предусмотрено договором оказания услуг абоненту.

Возможности управления услугами и сервисами оператором услуг гораздо шире. Помимо изменения доступных услуг для отдельных абонентов, оператор может группировать услуги, создавать различные тарифные планы, редактировать каталоги и т.д. Данная возможность реализуется в интерфейсе администратора системы Middleware. Важно, что, помимо изменения содержимого базы данных услуг при внесении изменений, Middleware должна информировать другие системы, входящие в комплекс IP-телевидения. В частности, при изменении информации о телеканалах и пакетах каналов система eScentra внесет изменения и в систему условного доступа для того, чтобы абоненты оперативно получили новую услугу.

В части управления сервисом «Видео по запросу» система Middleware также должна выполнять роль не только редактирования своей «внутренней» базы данных, но и контроля наличия видеоматериалов на видеосервере.

Реализация функции синхронизации баз данных Middleware и остальных программных и аппаратных систем позволяет существенно упростить управление сервисами в комплексе IP-телевидения в целом и избежать ошибок ручного ввода, что сказывается на качестве работы комплекса и, естественно, на мнении абонентов оператора.

Рис.9.1.3. Подсистема управления комплексом и услугами

Система распределения контента. При построении услуг IPTV сосредотачивать аудио и видео материалы в единой точке обмена – не целесообразно. Данный шаг приводит к повышенной загрузке сети, нерациональному использованию компонентов решения, отсутствию возможности предоставлять качественные услуги большому количеству абонентов. Как следствие, необходимо качественно распределить в сети Заказчика видеосерверы, что бы было обеспечены условия:

· минимальная загрузка сетевой инфраструктуры Заказчика;

· равномерное распределение нагрузки на видео серверы.

Для решения данной задачи используется система распределения контента.

Рис.9.1.4. Система распределения контента

Подсистема защиты контента. Подистема защиты контента от несанкционированного доступа (CAS/DRM) обеспечивает безопасность услуг и защиту видео материалов от несанкционированного просмотра и цифрового копирования (соблюдение авторских прав).

Система CAS/DRM осуществляет шифрацию аудио- и видеоматериалов, при этом доступ к материалам абонентам разрешается по авторизации абонентов собственными средствами CAS/DRM или средствами других систем – мiddleware, биллинг.В качестве средств авторизации используются программные ключи и самые современные и надежные алгоритмы. Дешифрация аудио- и видеоматериалов осуществляется непосредственно на стороне абонента посредством STB.

Рис.9.1.5. Подсистема защиты контента

Подсистема видео серверов. Видеосерверы используются для реализации услуг NVoD, VoD, PVR. Видеосервер представляет собой дисковый массив большой емкости с установленным программным обеспечением.

Программное обеспечение реализует multicast – трансляцию видеоматериалов для услуги NVoD и unicast – трансляцию при предоставлении услуги VoD. Видеосервер позволяет осуществлять перехват и запись multicast-потоков, то есть поддерживать услугу PVR.

Рис.9.1.6. Подсистема видео серверов

Абонентское устройство (STB – Set-Top-Box) является связующим звеном между системами формирования и доставки аудио и видеоматериалов и телевизором абонента. STB-устройство представляет собой миникомпьютер с операционной системой и WEB-браузером. Обмен командами управления и медиа материалами осуществляется через сетевой интерфейс.

Рис.9.1.7. Абонентское устройство

Абонентское устройство играет роль получателя данных и является оконечным устройством в сети IPTV. STB декодирует входящие аудио/видео пакеты, преобразует в аналоговый сигнал и передает их телевизору или монитору (если имеется соответствующий входной интерфейс, поддерживаемый абонентским устройством). В IP-телевидении каждый телеканал имеет свой собственный IP-адрес (мультикаст адрес) и в процессе настройки они должны быть вписаны в STB. Также он может поддерживать автоматическое получение настроек со стороны провайдера через сети передачи данных. Внешний вид STB показанона рис.9.1.8:

Рис.9.1.8. Приставка AminoAmiNET 140

Услугу IPTV можно подключить к телевизору или к компьютеру. В случае подключения к компьютеру, услуга может работать без приставки, достаточно установить соответствующее программное обеспечение (например:IPTV-Player). Но в обоих случаях требуется наличие ADSL модема (если в качестве доступа к сети передачи данных используется технология ADSL).

Для понимания выше описанных способов подключения, рассмотрим схему подключения:

Рис.9.1.9. Схема подключения IPTV

9.2. Обзор методов доставки пакетов в сетях IPTV

Существует три основных метода передачи трафика в IP-сетях, это - Unicast, Broadcast и Multicast. Понимание разницы между этими методами является очень важным для понимания преимуществ IP-телевидения и для практической организации трансляции видео в IP-сети. Каждый из этих трех методов передачи использует различные типы назначения IP-адресов в соответствии с их задачами и имеется большая разница в степени их влияния на объем потребляемого трафика.

Unicast трафик (одноцелевая передача пакетов) используется прежде всего для сервисов «персонального» характера. Каждый абонент может запросить персональный видео-контент в произвольное, удобное ему время.

Unicast трафик направляется из одного источника к одному IP-адресу назначения. Этот адрес принадлежит в сети только одному единственному компьютеру или абонентскому STB как показано на рисунке ниже.

Рис. 9.2.1 Unicast

Число абонентов, которые могут получать unicast трафик одновременно, ограничено доступной в магистральной части сети шириной потока (скоростью потока). Для случая Gigabit Ethernet сети теоретическая максимальная ширина потока данных может приближаться к 1 Гб/сек за вычетом полосы, необходимой для передачи служебной информации и технологических запасов оборудования. Предположим, что в магистральной части сети мы можем для примера выделить не более половины полосы для сервисов, которым требуется unicast трафик. Легко подсчитать для случая 5Мб/сек на телевизионный канал MPEG2, что число одновременно получающих unicast трафик абонентов не может превышать 100.

Broadcast трафик (широковещательная передача пакетов) использует специальный IP-адрес, чтобы посылать один и тот же поток данных ко всем абонентам данной IP-сети. Например, такой IP-адрес может оканчиваться на 255, например 192.0.2.255, или иметь 255 во всех четырех полях (255.255.255.255).

Важно знать, что broadcast трафик принимается всеми включенными компьютерами (или STB) в сети независимо от желания пользователя. По этой причине этот вид передачи используется в основном для служебной информации сетевого уровня или для передачи другой исключительно узкополосной информации. Разумеется, для передачи видео-данных broadcast трафик не используется. Пример передачи broadcastтрафика показан на рисунке ниже.

Рис. 9.2.3 Broadcast.

Multicast трафик (групповая передача пакетов) используется для передачи потокового видео, когда необходимо доставить видео-контент неограниченному числу абонентов, не перегружая сеть. Это наиболее часто используемый тип передачи данных в IPTV сетях, когда одну и ту же программу смотрят большое число абонентов. Multicast трафик использует специальный класс IP-адресов назначения, например адреса в диапазоне 224.0.0.0 ….. 239.255.255.255. Это могут быть IP-адреса класса D.

В отличие от unicast трафика, multicast адреса не могут быть назначены индивидуальным компьютерам (или STB). Когда данные посылаются по одному из multicast IP-адресов, потенциальный приемник данных может принять решение принимать или не принимать их, то есть будет абонент смотреть этот канал или нет. Такой способ передачи означает, что головное оборудование IPTV оператора будет передавать один единственный поток данных по многим адресам назначения. В отличие от случая broadcast передачи, за абонентом остается выбор - принимать данные или нет.

Важно знать, что для реализации multicast передачи в IP-сети должны быть маршрутизаторы, поддерживающие multicast. Маршрутизаторы используют протокол IGMP для отслеживания текущего состояния групп рассылки (а именно, членство в той или иной группе того или иного конечного узла сети).

Основные правила работы протокола IGMP следующие:

· конечный узел сети посылает пакет IGMP типа report для обеспечения запуска процесса подключения к группе рассылки;

· узел не посылает никаких дополнительных пакетов при отключении от группы рассылки;

· маршрутизатор multicast через определенные временные интервалы посылает в сеть запросы IGMP. Эти запросы позволяют определить текущее состояние групп рассылки;

· узел посылает ответный пакет IGMP для каждой группы рассылки до тех пор, пока имеется хотя бы один клиент данной группы.

Рис. 9.2.3 Multicast.

Загрузка магистральной части сети multicast трафиком зависит только от числа транслируемых в сети каналов. В ситуации с Gigabit Ethernet сетью, предположив, что половину магистрального трафика мы можем выделить под multicast передачу, мы получаем около 100 телевизионных MPEG-2 каналов, каждый имеющий скорость потока данных 5 Мб/сек.

Разумеется, в IPTV сети присутствуют одновременно все 3 вида трафика broadcast, multicast и unicast. Оператор, планируя оптимальную величину пропускной способности сети, должен учитывать разный механизм влияния разных технологий IP- адресации на объем трафика. Например, оператор должен ясно представлять себе, что предоставление услуги «видео на заказ» большому числу абонентов требует очень высокой пропускной способности магистральной сети. Одним из решений этой проблемы является децентрализация в сети видео-серверов. В этом случае центральный видео-сервер заменяется на несколько локальных серверов, разнесенных между собой и приближенных к периферийным сегментам многоуровневой иерархической архитектуры IP-сети.

В настоящее время IP Multicast является широко поддерживаемым сетевым стандартом. Все современное сетевое программное обеспечение и аппаратное оборудование поддерживает этот стандарт. Для использования групповой IP-адресации необходима ее поддержка локальной сетью. Что касается глобальной сети, в некоторых случаях допустимо использование «туннелирования» для преодоления участков, эту адресацию не поддерживающих.

9.3. Принципы многоадресной доставки

Для реализации групповой адресации в локальной сети необходимы: поддержка групповой адресации стеком протокола TCP/IP; программная поддержка протокола IGMP для отправки запроса о присоединении к группе и получении группового трафика; поддержка групповой адресации сетевой картой; приложение, использующее групповую адресацию, например видеоконференция. Для расширения этой возможности на глобальную сеть дополнительно необходима поддержка всеми промежуточными маршрутизаторами групповой адресации и пропускание группового трафика используемыми firewall-ами. В локальной сети можно добиться еще большей оптимизации, используя коммутаторы с фильтрацией группового трафика, автоматически настраивающиеся на передачу трафика только получателям.

Технология IP Multicast использует адреса с 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Поддерживается статическая и динамическая адресация. Примером статических адресов являются 224.0.0.1 — адрес группы, включающей в себя все узлы локальной сети, 224.0.0.2 — все маршрутизаторы локальной сети. Диапазон адресов с 224.0.0.0 по 224.0.0.255 зарезервирован для протоколов маршрутизации и других низкоуровневых протоколов поддержки групповой адресации. Остальные адреса динамически используются приложениями.

Для определения членства сетевых устройств в различных группах локальной сети маршрутизатор использует протокол IGMP. Один из маршрутизаторов подсети периодически опрашивает узлы подсети, чтобы узнать, какие группы используются приложениями узлов. На каждую группу генерируется только один ответ в подсети. Для того, чтобы стать членом новой группы, узел получателя инициирует запрос на маршрутизатор локальной сети. Сетевой интерфейс узла-получателя настраивается на прием пакетов с этим групповым адресом. Каждый узел самостоятельно отслеживает свои активные групповые адреса, а когда отпадает необходимость состоять в данной группе, прекращает посылать подтверждения на IGMP-запросы. Результаты IGMP-запросов используются протоколами групповой маршрутизации для передачи информации о членстве в группе на соседние маршрутизаторы и далее по сети.

Основная идея групповой маршрутизации состоит в том, что маршрутизаторы, обмениваясь друг с другом информацией, строят пути распространения пакетов ко всем необходимым подсетям без дублирования и петель. Каждый из маршрутизаторов передает принимаемый пакет на один или несколько других маршрутизаторов, избегая тем самым повторной передачи одного и того же пакета по одному каналу и доставляя его всем получателям группы. Поскольку состав группы со временем может меняться, вновь появившиеся и выбывшие члены группы динамически учитываются в построении путей маршрутизации.

IGMP (англ. Internet Group Management Protocol — протокол управления группами Интернета) — протокол управления групповой (multicast) передачей данных в сетях, основанных на протоколе IP. IGMP используется маршрутизаторами и IP-узлами для организации сетевых устройств в группы.

Этот протокол является частью спецификации групповой передачи пакетов в IP-сетях. IGMP расположен на сетевом уровне.Он во многом аналогичен ICMP для односторонней передачи. IGMP может использоваться для поддержки потокового видео и онлайн-игр, для этих типов приложений он позволяет использовать сетевые ресурсы более эффективно. IGMP уязвим к некоторым атакам, и брандмауэры обычно позволяют пользователю отключить этот протокол, если в нем нет необходимости.

Рис. 9.3.1 Протокол IGMP.

IGMP используется клиентским компьютером и соседними коммутаторами для соединения клиента и локального маршрутизатора, осуществляющего групповую передачу.

Протокол IGMP реализован в виде серверной и клиентской частей, первая из которых выполняется на маршрутизаторе, вторая — в узле сети, получающем групповой трафик. Клиент посылает уведомление о принадлежности к какой-либо группе локальному маршрутизатору, в это время маршрутизатор находится в ожидании уведомлений и периодически рассылает клиентам запросы.

9.4. Принципы организация потоков

Головное IP-TV оборудование передает, а абонентское оборудование принимает потоковое видео (streaming video). Этот термин обозначает технологии сжатия, сокращения и буферизации видео данных, которые позволяют передавать видео в реальном времени через Интернет. Главная особенность потокового видео заключается в том, что при его передаче пользователь не должен ждать полной загрузки файла для того, чтобы его просмотреть. Потоковое видео пересылается непрерывным потоком в виде последовательности IP-пакетов и проигрывается по мере того, как передается на абонентское устройство.

Некоторые провайдеры используют шифрование потока, чтобы определённые каналы можно было смотреть только через теле приставку с использованием идентификационной карты или пин -кода, такой поток плеер воспроизвести не сможет. Если провайдер продаёт услугу только вместе с приставкой и шифрует каналы, то плеер для вас также будет бесполезен.

Основная функция головной станции IPTV это формирование видео-контента и последующая трансляция выходного потока видео-данных в формате Video over IP (видео по IP протоколу). Функцию инкапсуляции  в головной станции выполняет его составная часть называемая IP-инкапсулятор или IP-стриммер.

IP – инкапсуляция. Это самый главный процесс, выполняемый IPTV станцией. Для передачи транспортных MPEG-потоков через традиционные сети с пакетной передачей данных, головная станция IPTV объединяет множество 188-ми байтовых MPEG транспортных пакетов и формирует из них полезную нагрузку кадра PDU (protocol data unit).

Рис. 9.4.1. Инкапсуляция MPEG -пакетов

Рисунок 9.4.1 иллюстрирует процесс инкапсуляции. Заголовок (Header) и замыкающая часть кадра (Trailer) определяются используемым сетевым протоколом. Инкапсуляция MPEG -пакетов в Gigabit Ethernet сетях.

Рисунки 9.4.2 и 9.4.3 иллюстрируют инкапсуляцию MPEG-пакетов в Gigabit Ethernet сетях.

Рис. 9.4.2 кадр в формате MPEG over UDP/IP over Gigabit Ethernet

На рисунке 9.4.2 показан кадр в формате MPEG over UDP/IP over Gigabit Ethernet. Замыкающая часть кадра это как обычно CRC (cyclic redundancy code) – контрольный циклический избыточный код.

Рисунок 9.4.3 показывает инкапсуляцию MPEG over Gigabit Ethernet в реальном времени с использованием протокола RTP.

Рис. 9.4.3. Инкапсуляция MPEG over Gigabit Ethernet в реальном времени с использованием протокола RTP

Протокол RTP (Real-time transport protocol) определяет и компенсирует потерянные пакеты, обеспечивая безопасность передачи контента и распознавание информации. Протокол RTP функционирует поверх протокола UDP (User Datagram Protocol), расположенного в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP. Разница между двумя рисунками только в добавлении RTP-заголовка в секцию заголовка протокола (Protocol Header).

10. ПРИНЦИПЫ СЖАТИЯ КОНТЕНТА В СЕТЯХ IPTV. ОСОБЕННОСТИ ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ СЖАТИИ ВИДЕО ДАННЫХ

10.1. Принципы сжатия контента в сетях IPTV

Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены – например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно – только для опорных изображений. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).

Форматы сжатия семейства MPEG сокращают объем информации следующим образом:

· Устраняется временная избыточность видео (учитывается только разностная информация).

· Устраняется пространственная избыточность изображений путем подавления мелких деталей сцены.

· Устраняется часть информации о цветности.

· Повышается информационная плотность результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания.

Форматы сжатия MPEG сжимают только опорные кадры – I-кадры (Intra frame – внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами – P-кадры (Predicted frame – прогнозируемый кадр). Для того чтобы сократить потери информации между I-кадром и P-кадром, вводятся так называемые B-кадры (Bidirectional frame – двунаправленный кадр). В них содержится информация, которая берется из предшествующего и последующего кадров.  При кодировании в форматах сжатия MPEG формируется цепочка кадров разных типов. Типичная последовательность кадров выглядит следующим образом: IBBPBBIBBPBBIBB… Соответственно, последовательность кадров в соответствии с их номерами будет воспроизводиться в следующем порядке: 1423765…

Форматы сжатия видео изображения MPEG 1 и MPEG 2. В качестве начального шага обработки изображения форматы сжатия MPEG 1 и MPEG 2 разбивают опорные кадры на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование (DCT). По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG 2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования.  Для видео с разрешением 352х288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1,2 – 3 Мбит/с, а MPEG 2 – до 4 Мбит/с.

По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обладает следующими преимуществами: Как и JPEG2000, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке.

В формате сжатия MPEG 2 точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя. Пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования. В формат сжатия MPEG 2 включены дополнительные режимы прогнозирования.

Формат сжатия MPEG 2 использовал снятый сейчас с производства видеосервер AXIS 250S компании AXIS Communications, 16-канальный видеонакопитель VR-716 компании JVC Professional, видеорегистраторы компании FAST Video Security и многие другие устройства системы видеонаблюдения.

Формат сжатия MPEG 4. MPEG4 использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде т.н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного или вейвлет-преобразования).

Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Дальнейшие разработки специалистов направлены на полную замену методов обработки, используемых форматом MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4  включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных. Разработка компании JVC Professional – веб-камера VN-V25U, входящая в линию сетевых устройств V.Networks, использует для обработки видео изображений формат сжатия MPEG 4.

Таблица 10.1.1 Сравнительные характеристики стандартов сжатия видео

Свойства	MPEG-1	MPEG-2	MPEG-4 / ASP	MPEG-4 / AVC (H.264)
Максимальный размер блока	16x16	16x16 (режим фрейма), 16x8 (режим поля)	16x16	16x16
Размер блоков	8x8	8x8	16x16, 8x8, 16x8	8x8, 8x16, 16x8, 16x16, 4x8, 8x4, 4x4
Преобразования	DCT	DCT	DCT / преобразование Вейвлета	Точное целочисленное преобразование пространственных блоков 4x4
Размер блока преобразования	8x8	8x8	8x8	4x4
Профили	Нет	5 профилей с несколькими уровнями в каждом из профилей	8 профилей с несколькими уровнями в каждом из профилей	3 профиля с несколькими уровнями в каждом из профилей
Типы кадров	I, P, B, D	I, P, B	I, P, B	I, P, B, SI, SP
Скорость передачи	До 1,5 Мбит/с	2 – 15 Мбит/с	64 Кбит/с – 2 Мбит/c	64 Кбит/с – 150 Мбит/c
Сложность шифрования	Низкая	Средняя	Средняя	Высокая
Совместимость с предыдущими стандартами	Да	Да	Да	Нет

MPEG 7 и MPEG 21 – форматы будущего. В октябре 1996 года группа MPEG приступила к разработке формата сжатия MPEG 7, призванным определить универсальные механизмы описания аудио и видео информации. Этот формат получил название Multimedia Content Description Interface. В отличие от предыдущих форматов сжатия семейства MPEG, MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных. Как и его предшественники, формат сжатия MPEG 7 генерирует масштабируемую информацию в рамках одного описания.

Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации. Если это аудио или видео файл, то он сначала сжимается с помощью алгоритмов MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, а затем описывается при помощи MPEG 7. Такая гибкость в выборе методов сжатия значительно снижает объем информации и ускоряет процесс сжатия.

Основное преимущество формата сжатия MPEG 7 над его предшественниками состоит в применении уникальных дескрипторов и схем описания, которые, помимо всего прочего, делают возможным автоматическое выделение информации как по общим, так и по семантическим признакам, связанным с восприятием информации человеком. Процедура занесения в каталог и поиска данных находятся вне сферы рассмотрения этого формата сжатия.

Разработка формата сжатия MPEG 21 - это долговременный проект, который называется "Система мультимедийных средств" (Multimedia Framework). Над разработкой этого формата сжатия эксперты начали работать в июне 2000 г. На первых этапах планировалось провести расширение, унификацию и объединение форматов MPEG 4 и MPEG 7 в единую обобщающую структуру. Подразумевалось, что она будет обеспечивать глубокую поддержку управления правами и платежными системами, а также качеством предоставляемых услуг.

10.2. Особенности Вейвлет-преобразования при сжатии видео данных

Вейвлетное сжатие — общее название класса методов кодирования изображений, использующих двумерное вейвлет-разложение кодируемого изображения или его частей. Обычно подразумевается сжатие с потерей качества.

Существенную роль в алгоритмах вейвлетной компрессии играет концепция представления результатов вейвлет-разложения в виде нуль-дерева (zero-tree). Упорядоченные в нуль-дереве битовые плоскости коэффициентов вейвлет-разложения огрубляются и кодируются далее с использованием статистических методов сжатия.

Федеральное бюро расследований (ФБР), США, ввело стандарт на вейвлетное сжатие изображений отпечатков пальцев. Впрочем, свобода выбора фильтров может оказаться очень полезной в задаче сжатия: алгоритмы, основанные на принципе «наилучшего базиса», подбирают оптимальный фильтр для отдельных участков изображения, а алгоритмы, использующие вейвлет-пакеты, достигают эффективного представления деталей, варьируя глубину фильтрации на разных участках.

В ранних алгоритмах, таких как Motion JPEG, этот фактор игнорировался, и кадры сжимались индивидуально. MPEG использует алгоритм сравнения блоков, который старается выделить участки, изменившиеся при смене кадра. Блоки же, которые не изменились, можно не сохранять. При третьем подходе, удобном для вейвлетного сжатия, время рассматривается как третье измерение массива данных, к которому применяется алгоритм Малла. Отсутствие перемещений проявляется в обнулении соответствующих деталей по временному направлению. Наконец, надо заметить, что вейвлет-преобразование само по себе ничего не сжимает. Оно лишь осуществляет препроцессинг изображения, после которого эффективность обычных методов сжатия резко возрастает, причём даже при использовании универсальных алгоритмов и программ (таких, как LZW и pkzip), не адаптированных к конкретной задаче. Впрочем, использование методов кодирования, учитывающих структуру вейвлет-преобразования, может существенно повысить степень сжатия. Один из широко используемых методов такого типа — метод нуль-дерева (англ. zero-tree compression). Он основан на предположении, что если некоторая область изображения не содержит нетривиальной информации на некотором уровне разрешения, то с большой вероятностью она не будет информативной и на более тонком уровне разрешения. Вейвлет-преобразование изображения можно хранить в виде дерева, корнем которого является сильно сглаженная версия оригинала, а ветви, представляющие отдельные блоки, обрываются на том уровне, где дальнейшая обработка не даёт заметного уточнения. Такое дерево можно с успехом сжать обычными методами типа арифметического кодирования, которые используются почти во всех алгоритмах сжатия.

Вейвлет-преобразование - преобразование, похожее на преобразование Фурье (или гораздо больше на оконное преобразование Фурье) с совершенно иной оценочной функцией. Основное различие лежит в следующем: преобразование Фурье раскладывает сигнал на составляющие в виде синусов и косинусов, т.е. функций, локализованных в Фурье-пространстве; напротив, вейвлет-преобразование использует функции, локализованные как в реальном, так и в в Фурье-пространстве. В общем, вейвлет-преобразование может быть выражено следующим уравнением:

где * - символ комплексной сопряженности и функция ψ - некоторая функция. Функция может быть выбрана произвольно, но она должна удовлетворять определённым правилам.

Как видно, вейвлет-преобразование на самом деле является бесконечным множеством различных преобразований в зависимости от оценочной функции, использованной для его расчёта. Это является основной причиной, почему термин «вейвлет-преобразование» используется в весьма различных ситуациях и применениях. Также существует множество типов классификации вариантов вейвлет-преобразования. Здесь мы покажем только деление, основанное на ортогональности вейвлетов. Можно использовать ортогональные вейвлеты для разработки дискретного вейвлет-преобразования и неортогональные вейвлеты для непрерывного. Эти два вида преобразования обладают следующими свойствами: Дискретное вейвлет-преобразование возвращает вектор данных той же длины, что и входной. Обычно, даже в этом векторе многие данные почти равны нулю.

Это соответствует факту, что он раскладывается на набор вейвлетов (функций), которые ортогональны к их параллельному переносу и масштабированию. Следовательно, мы раскладываем подобный сигнал на то же самое или меньшее число коэффициентов вейвлет-спектра, что и количество точек данных сигнала. Подобный вейвлет-спектр весьма хорош для обработки и сжатия сигналов, например, поскольку мы не получаем здесь избыточной информации.

Непрерывное вейвлет-преобразование, напротив, возвращает массив на одно измерение больше входных данных. Для одномерных данных мы получаем изображение плоскости время-частота. Можно легко проследить изменение частот сигнала в течение длительности сигнала и сравнивать этот спектр со спектрами других сигналов. Поскольку здесь используется неортогональный набор вейвлетов, данные высоко коррелированы и обладают большой избыточностью. Это помогает видеть результат в более близком человеческому восприятию виде.

Список литературы

1.Хелд Г. Технологии передачи данных. 7-е изд. -СПб Питер, К.: Изд. Группа  BHV, 2003

2.Гургенидзе А.Т. Кореш В.И. Мультисервисные сети и услуги широкополосного доступа. -СПб.: Наука и техника, 2001

3. Ершов В.А., Кузнецов Н.А. Мультисервисные телекоммуникационные сети. – М.: Изд.во  МГТУ им. Н.Э. Баумана.

4.Джураев Р.Х., Ким А.А., Джураев О.Р. Изучение принципов коммутации пакетов.  Методические указания к практическим занятиям. ТУИТ.

Ташкент 2005.

5.  Джураев Р.Х., Джаббаров Ш.Ю., Умирзаков Б.М. ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ. Учебное пособие. 2008

6,Гольдштейн Б. С. Пинчук А.В. Суховицкий А.Л. IP-телефония. М.: Радио и связь, 2001.

7. Джураев Р.Х. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине:«СИСТЕМЫ ДОКУМЕНТАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ». «ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ IP-ТЕЛЕФОНИИ».Ташкент 2004

8. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы 4 издание – СПб питер, В.Г. Олифер, Н.А. Олифер2010

9. Б.С. Гольдштейн, Н.А. Соколов, Г.Г. Яновский. Сети связи: Учебник для ВУЗов. СПб.: БХВ - Петербург, 2010

10. Тюхтин М.Ф. Системы Интернет-телевидения.-М.: Горячая линия – Телеком, 2008