УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

 

 

Ташкентский Университет Информационных Технологий

 

 

 

 

 

 

 

КАФЕДРА

СИСТЕМ ТЕЛЕМАТИКИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ IP-ТЕЛЕФОНИИ»

 

Методические указания к практическим занятиям

по дисциплине:

 

«СИСТЕМЫ ДОКУМЕНТАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              Ташкент 2004

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1.       Общие принципы пакетной коммутации                                                   1

1.1.    Принцип пакетной передачи речи                                                              1

1.1.1  Алгоритмы пакетизации                                                                              1

1.1.2. Передача речи, использующая метод коммутации пакетов                     2

1.2.    Основы межсетевого обмена в глобальных сетях TCP/IP                        3

1.2.1. Структура стека протоколов TCP/IP                                                          3

2.       Понятие IP-телефонии                                                                                 14

2.1     Базовая архитектура систем IP-телефонии                                                15

2.2.    Стандарты используемые в IP-телефонии                                                 16

2.2.1. Стандарты ITU-T                                                                                         17

2.2.2  Стандарты IETF                                                                                            18

2.3     Классификация сетей IP-телефонии                                                           19

2.4.    Способы соединений в IP сети                                                                    22

2.5.    Достоинства и недостатки IP-телефонии                                                    25

3.       Обеспечение качества IP-телефонии                                                           26

3.1.    Показатели качества IP-телефонии                                                             27

3.2.    Влияние сети на показатели качества IP-сети                                            28

3.3.    Процедура обработки речи в IP-телефонии                                                29

3.4.    Методы кодирования речевой информации                                               30

3.5.        Обеспечение качества IP-телефонии на базе протоколов

RSVP, RTP, RTCP, IPv6                                                                                34

 

Заключение.

 

Приложение.

 

Список используемой литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                

 

 

                                       Практические занятия

                       Изучение принципов IP-телефонии.

1.     Цель занятия

 

1.1.Изучение общих принципов пакетной коммутации

1.2.Изучение принципов передачи речевой информации по сетям ПД-КП

1.3.Изучение принципов IP- телефонии.

 

2.     Домашнее задание

2.1.Изучить теоретический материал, приведенный в настоящем пособии и литературе.

2.2.Описать процессы дискретизации, кодирования и передачи голосовых сообщений.

2.3.Привести возможные схемы соединения сети в IP-телефонии.

2.4.Привести основные показатели качества сетей IP-телефонии, а также их влияние на качество передачи речевой информации.

2.5.Перечислить протоколы, позволяющие обеспечить качество IP-телефонии.

2.6.Определить основные достоинства и недостатки IP-телефонии.

 

Литература

1.     Шелухин О.Н. Лукьянов Н.Ф. Цифровая обработка и передачи речи/под редакцией. О.Н. Шелухина. М.: Радио и связь, 2000.

2.     Гольштейн Б. С. Пинчук А.В. Сусовицкий А.Л. IP-телефония. М.: Радио и связь, 2001.

3.     Росляков А.В, Самсонов М.Ю, Шибаев П.В. IP-телефония. 

4.     Иванова А. Компьютерная телефония. М.: Радио и связь, 2000.

5.     ЖдановА.Г., Рассказов Д.А., Смирнов Д.А., Шипилов М.М.

Передача речи по сетям с коммутацией пакетов (IP-телефония)/ Под редакцией Бабкова В.Ю., Вознюка М.А.- СПб.: СПбГУТ, 2001г.

6.     Джураев Р.Х.., Мавлянов М.Ш., Джаббаров Ш.Ю.

Передача голосовых сообщений по сетям ПД-КП. Т.: ТЭИС, 2002г.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          

 

 

 

 

 

                                         ВВЕДЕНИЕ

 

       В условиях современного динамичного развития общества информация становится таким же стратегическим ресурсом, как и традиционные ресурсы: материальные и энергетические. Современные информационные технологии, позволяющие создавать, хранить, перерабатывать и обеспечивать эффективные способы представления информации потребителю, стали неотъемлемой частью жизни общества и средством повышения эффективности управления всеми сферами общественной деятельности.

       За годы независимости Узбекистана произошли кардинальные изменения в жизни нашего общества, коренным образом изменились цели и задачи, стоящие сегодня перед нашей экономикой, телекоммуникационной отраслью, информационной индустрией.

        В Узбекистане установилась макроэкономическая и финансовая стабильность, осуществляется   модернизация   и   техническое   перевооружение   в   сфере телекоммуникаций, призванной стать эффективным локомотивом нашей экономики. Создаются необходимый фундамент и условия для дальнейшего устойчивого развития данной отрасли, все большей ее интеграции в мировое информационно - телекоммуникационное пространство.

        В республике уделено особое значение формированию Национальной информационной системы с широким доступом к глобальным информационным системам и технологиям, являющимися решающими для прогресса страны в XXI веке.

        Продолжает развиваться Национальная сеть передачи данных, осуществляется модернизация и реконструкция телефонной сети общего пользования, формируются информационные ресурсы, расширяется перечень современных и перспективных услуг телекоммуникаций, включающий такие услуги как: электронный документооборот; электронная коммерция; дистанционное обучение; мультимедиа; телеконференции; ip-телефония.

         В Республике Узбекистан многие отрасли народного хозяйства интенсивно внедряют современные информационные технологии. Кроме того, открыто большое число иностранных представительств, совместных предприятий и фирм.

         Для обеспечения условий оперативной работы необходимо иметь качественные услуги, основанные на современных средствах телекоммуникаций, использующих новейшие технологии.

         Последние десятилетия характеризуются лавинообразным ростом объемов самой различной информации: социально- политической, производственной, научной, культурной и др. Широкое использование средств вычислительной техники, а также создание информационно- вычислительных систем и сетей самых разнообразных конфигураций позволит во многом преодолеть проблемы, связанные с так называемым «информационным взрывом». Как показывает международный опыт развитых стран, наиболее перспективный путь использования информационно-вычислительной техники основывается на ее интеграции с современными высокоскоростными системами телекоммуникаций. Это видно на примере объединения современных телекоммуникационных и компьютерных техно­логий, наиболее полно реализованных в глобальной компьютерной сети Ин­тернет. Поэтому построение развитого государства невозможно без созда­ния современной информационной инфраструктуры, которая должна бази­роваться на мощной транспортной сети телекоммуникаций и распределен­ных сетях доступа. Кроме того, одной из основных тенденций развития те­лекоммуникаций является постепенная интеграция самих служб телеком­муникаций на базе широкополосных транспортных сетей, глобализация те­лекоммуникаций, а также персонализация всех служб телекоммуникаций и интеллектуализация сетей. Взаимопроникновение современных компьютер­ных и телекоммуникационных технологий обеспечивает создание телекоммуникационно-информационных сетей с широким набором разнообразных услуг пользователям. При этом каждый вид телекоммуникаций, постепенно вбирая в себя самые последние достижения научно-технического прогресса (цифровые принципы обработки сигналов, широкополосные системы ком­мутации и передачи данных, системы передачи синхронной цифровой ие­рархии, волоконно-оптические линии и др.), выходит на качественно новый уровень. В этой связи все виды телекоммуникаций становятся в плане реа­лизуемых технических принципов однородными, что обеспечивает техниче­скую возможность и экономическую целесообразность их интеграции в единую систему.

          Таким образом, оказывая существенное влияние на различные сферы человеческой деятельности (экономику, науку, культуру, образование, про­мышленность и т.д.) современные крупномасштабные системы передачи общего пользования станут важнейшим компонентом Глобального инфор­мационного общества XXI века.

          Основными этапами развития крупномасштабных сетей передачи ин­формации являются: сети передачи данных с коммутацией пакетов на базе Х.25 и TCP/IP; цифровые сети с интеграцией служб (узкополосные и широ­кополосные); высокоскоростные сети с технологией SDH, Frame Relay, SMDS и ATM. Непрерывный рост скоростей и числа локальных вычисли­тельных сетей (ЛВС), растущие потребности в количестве и скорости пере­даваемой информации, влекут за собой бурное развитие глобальных вычис­лительных сетей с коммутацией пакетов. Именно на методах пакетной пе­редачи и коммутации построено функционирование современных вычисли­тельных сетей. Заложенная в них идея проста: информация любого вида (данные, изображение, речь, звук, служебные и управляющие посылки и т.д.) представляются в виде цифровой последовательности, которая в даль­нейшем делится на "кванты"- пакеты, снабженные всей необходимой ин­формацией для идентификации, маршрутизации, коррекции ошибок и прочее. Подобный подход позволяет в едином информационном русле переда­вать все виды информации, используя для этого различные пути и средства, применяя универсальные системы коммутации, инвариантные относительно видов информации.

Работа устройств в сети Интернет осуществляется с использованием специального протокола IP (Internet Protocol - протокол межсетевого взаи­модействия). В настоящее время IP протокол используется не только в сети Интернет, но и в других сетях передачи данных с пакетной коммутацией (локальных, корпоративных, региональных и др.). И во всех этих сетях, имеется возможность передавать речевые сообщения с использованием па­кетов данных. Такой способ передачи речи получил название IP-телефония. За рубежом обычно употребляется аббревиатура VoIP - Voice over IP, хотя часто используют более узкий термин "Интернет-телефония".

В широком смысле основная задача обсуждаемого варианта телефо­нии заключается в обеспечении естественного речевого общения двух или нескольких лиц, являющихся абонентами различных коммуникационных сетей, посредством сети связи с коммутацией пакетов.

Интерес различных субъектов рынка телекоммуникационных услуг (операторов связи, провайдеров Интернет, производителей оборудования и пользователей) к данному виду связи необычно возрос в последние годы в связи с разработкой новых стандартов и протоколов, когда IP-телефонный разговор вплотную приблизился по качеству к телефонному разговору по "классическим" телефонным сетям. Этот интерес объясняется тем, что IP-телефония позволяет существенно экономить требуемую полосу пропуска­ния каналов, что неизбежно ведет к снижению тарифов, особенно на междугородние и международные телефонные разговоры.

В настоящее время IP-телефония получила достаточно широкое рас­пространение в странах Европы, Америки и Азии. Несмотря на свой не­большой возраст, IP-телефония занимает прочное место в телекоммуника­ционной индустрии многих стран. Прежде всего, этому способствует глу­бокая интеграция мировой экономики. Многие компании и предприятия как крупные, так и мелкие имеют представительства в разных странах мира. Таким компаниям приходиться тратить большие средства на международ­ные и междугородние переговоры, поэтому IP-телефония, позволяющая тратить на это меньше средств, была сразу же востребована потребителем. Многие крупные компании используют свои собственные сети передачи данных для организации международных IP-телефонных разговоров между офисами в разных странах. Другие компании, не имеющие средств и воз­можностей для организации частной сети, пользуются услугами компаний-провайдеров IP-телефонии.

         Развитием технологии IP-телефонии занимаются ведущие мировые фирмы и организации: Европейский институт стандартов по телекоммуни­кации (ETSI, проект TIPHON - Telecommunication and IP Harmonization over Networks); группа ведущих производителей аппаратуры VoIP (3Com, Alcatel, Cisco, ECI Telecom, Ericsson, Lucent Technologies, Motorola, Nertix, OKI, Samsung, Siemens, Vocal Tec, ITXC, Dialogic, Natural Microsystem и др.), которые поддерживают разработанную фирмами Lucent и Vocal Tec платформу iNOW! (Interoperabilitу now! - взаимодействие сейчас!); группа инженерной поддержки Интернета (IETF - Internet Engineering Task Force); консорциум TINA (Telecommunications Information Networking Architecture Consortium).

          Все это показывает, что IP-телефония является перспективной, быстро развивающейся услугой телекоммуникаций, которая будет постепенно вы­теснять традиционные телефонные технологии из некоторых сегментов рынка и, в первую очередь, корпоративного, заинтересованного в создании недорогих в эксплуатации собственных телефонных сетей. Развитие IP-телефонии уже сейчас вынуждает операторов традиционной телефонной связи снижать тарифы на осуществление междугородних, и особенно меж­дународных переговоров.

         Системы IP-телефонии в настоящее время применяются органи­зациями самых разных форм собственности и направлений деятельности. Оборот капитала IP-телефонии увеличивается на 30 %, а по некоторым на­правлениям и на 50 % в год. Технология IP не только обладает быстрой окупаемостью, но и приносит значительную прибыль организациям, в ко­торых она была внедрена, за счет повышения качества обслуживания або­нентов, повышения эффективности работы сотрудников.

Настоящие методические указания рассматривают общие принципы построения, эффективности ис­пользования IP- телефонии и предназначены как для бакалавров, так и для магистров и обладают информацией, необходи­мой для ознакомления с современной услугой телекоммуникаций-IP- теле­фонией.

 

 

 

 

 

 

 

 

                  1 Общие принципы пакетной коммутации

 

1.1.               Принцип пакетной передачи речи

 

     Речь представляет собой поток чередующихся интервалов активности и пауз. Аналоговый по своей природе, речевой сигнал может передаваться цифровым способом после дискретизации, квантования  и кодирования, например, методом импульсно - кодовой модуляции.

    «Классические» телефонные сети основаны  на технологии коммутации каналов, которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соединения. Таким образом, один телефонный разговор представляет собой одно физическое соединение телефонных каналов. В этом случае аналоговый сигнал шириной 3,1 кГц передается на ближайшую АТС, где он мультиплексируется по технологии временного разделения с сигналами, которые поступают от других абонентов, подключенных к этой АТС. Далее групповой сигнал передается по сети межстанционных  каналов.   Достигнув  АТС   назначения,   сигнал демультиплексируется и доходит до адресата. Основным недостатком телефонных сетей с коммутацией каналов является неэффективное использование полосы канала - во время пауз в речи канал не несет никакой полезной нагрузки.

Переход от аналоговых к цифровым технологиям стал важным шагом для возникновения современных цифровых телекоммуникационных сетей. Одним из таких шагов в развитии цифровой телефонии стал переход к пакетной коммутации.

В сетях с коммутацией пакетов (КП) сообщение разбивается на части стандартной длины (пакеты), снабжаемые служебной информацией (символы начала и конца управления, адреса, контрольные символы для обнаружения или исправления ошибок) и передаваемые по сети как единое целое. Каждый пакет может передаваться независимо от других пакетов (дейтаграммный или датаграммный режим), что существенно снижает задержку, которая относительно равномерно распределяется между всеми активными абонентами; или же с учетом других переданных пакетов (режим виртуальных каналов).

В первом случае число преодолеваемых пакетами узлов случайно, что может приводить для многопакетных сообщений к изменению порядка их поступления в узел коммутации (УК) получателя и непосредственно к получателю. Для передачи в реальном масштабе времени    (например, диалоговых речевых сообщений), когда задержка не должна превышать допустимую величину, это приводит к необходимости «выбрасывания» пакетов на приёмном конце   и их пересортировке в требуемой последовательности.

Во втором случае передаче сообщений предшествует стадия установления    соединения,    что обеспечивает сохранение последовательности поступления пакетов к получателю в порядке, определяемом источником. При этом в УК получателя выделяются ресурсы для упорядочивания пакетов, что может привести к дополнительной задержке. Каждый пакет может следовать по фиксированному или независимому маршруту. Для протокола с фиксированным маршрутом число узлов, проходимых каждым пакетом, фиксировано на стадии установления соединения. Это позволяет уменьшить долю служебной информации в каждом пакете, но увеличивает задержку. Для протокола с независимым маршрутом пакеты могут передаваться по разным маршрутам, т.е. число УК, проходимых каждым пакетом, как и в режиме дейтаграмм, представляет собой случайную величину.

 

1.1.1          Алгоритмы пакетизации.

 

Процедура пакетизации и анализ активности абонента во время накопления речевых пакетов (РП) тесно взаимосвязаны и должны рассматриваться и реализовываться совместно. Формирование РП включает в себя целый комплекс вопросов: выбор длины (или диапазона длин) РП, выбор формата РП, распределение содержания и структуры служебной части РП и др. В частности, при задании служебной части РП может потребоваться введение такой информации как: признаки начала и конца информационного блока; временная   отметка,   соответствующая   моменту   окончательного формирования информационного блока или интервалов времени между двумя смежными информационными блоками; метки первого, очередного и последнего информационного блоков в РП; тип речевого пакета управления (РПУ) текущая скорость формирования цифровой последовательности на выходе РПУ; управления для межконцевого взаимодействия, например, с целью управления режимом  работы РПУ и т.д.

Известны четыре алгоритма пакетизации, основанные на совмещении функций обнаружения и пакетизации речи

1) Синхронный алгоритм. Пакеты формируются с постоянным периодом и имеют фиксированную длину. Если число «речевых» отсчетов на интервале пакетизации достигает заданного порога, то такой РП передаётся. В противном случае он сбрасывается. Порог принятия решений принимается равным 50% «речевых» отсчётов от общего числа отсчётов пакета.

2) Асинхронный алгоритм. Аналогичен синхронному алгоритму, однако пакетизатор речи после окончания формирования очередного РП начинает формировать следующий пакет не сразу, а лишь с момента появления речевого отсчёта.

3) Синхронный алгоритм со сжатием данных. По аналогии с первым алгоритмом РП, содержащий  достаточное число «речевых» отсчётов передаётся, но в РП записываются только «речевые» отсчёты, а отсчёты “молчания” сбрасываются. Для восстановления речи на приёмной стороне пакетизатор речи вводит в пакет служебную информацию о расположении сброшенных отсчётов. В этом случае длина РП является переменной величиной.

4) Асинхронный алгоритм с изменяемым периодом пакетизации. По аналогии с алгоритмом 2 пакет начинает формироваться с появлением «речевого» отсчёта, но так же, как в случае третьего алгоритма, в пакет записываются только «речевые» отсчёты, а отсчёты «молчания» сбрасываются. Отличие данного алгоритма от других состоит в том, что делается попытка сформировать пакет из «речевых» отсчётов.

Формирование пакета заканчивается в момент его полного заполнения “речевыми" отсчётами, либо по истечении времени, отведённого на формирование информационного блока РП.

 

1.1.2          Передача речи, использующая метод коммутации пакетов

 

Алгоритм обмена речевой информацией через сеть КП включает в себя следующие основные этапы.

1) Формирование и передача пакетов «вызов»

2) Приём пакета «вызов» из сети, формирование акустического сигнала для вызываемого абонента и передача пакета «подтверждение», приёма «вызова» или пакета «занято»

3) Приём пакета «подтверждение» из сети, формирование сигнала «контроль посылки вызова» для слухового восприятия вызывающим абонентом и передача пакетов «готовность к обмену». В случае приёма пакета «занято», формирование для вызывающего абонента сигнала «отбой», возвращение терминала речи в исходное состояние.

4) Приём из сети пакета «готовность к обмену», формирование и передача ответного пакета «готовность к обмену»,  включение речепреобразующего устройства (РПУ) вызываемого абонента.

5) Приём из сети ответного пакета «готовность к обмену», включение РПУ вызывающего абонента

6) Передача и приём РП, пакетов управления межконцевым обменом.

7) Формирование и передача пакета «конец обмена», возвращение терминала речи в исходное состояние (на стороне абонента, закончившего обмен первым).

8) Приём от сети пакета «конец обмена», формирование абоненту сигнала «отбой», возвращение терминала речи в исходное состояние (на стороне, получающей отбой).

При установленном соединении абонентов аналоговый речевой сигнал поступает на РПУ, где известными методами преобразовывается в цифровую последовательность. С выхода РПУ цифровой сигнал поступает на вход пакетизатора речи, где осуществляется анализ активности абонента и формирование РП, несущего информацию о соответствующем сегменте речи. После этого РП совместно с другими РП и пакетами данных передаётся по сети с КП в соответствии с принятыми на сети протоколами.

Достигнув центра, к которому подключён абонент-адресат, РП выводиться из сети в депакетизатор, где и происходит выделение информационного блока РП. С выхода депакетизатора РП поступает в сглаживающий   буфер,   где   вводиться   необходимая   задержка воспроизведение речевой информации, и речевой сигнал воспроизводиться в аналоговой форме, обеспечивая непрерывное звучание. Работа в обратном направлении происходит аналогично.

 

1.2                 Основы межсетевого обмена в глобальных сетях TCP/IP

 

Под термином "TCP/IP" обычно понимают все, что связано с протоколами TCP и IP. Это не только собственно сами протоколы с указанными именами, но и протоколы, построенные на использовании TCP и IP, и прикладные программы.

Главной задачей стека TCP/IP является объединение в сеть пакетных подсетей через шлюзы. Каждая сеть работает по своим собственным законам, однако, предполагается, что шлюз может принять пакет из другой сети и доставить его по указанному адресу. Реально, пакет из одной сети передается в другую подсеть через последовательность шлюзов, которые обеспечивают сквозную маршрутизацию пакетов по всей сети. В данном случае, под шлюзом понимается точка соединения сетей. При этом соединяться могут как локальные сети, так и глобальные сети. В качестве шлюза могут выступать как специальные устройства, маршрутизаторы, например, так и компьютеры, которые имеют программное обеспечение, выполняющее функции маршрутизации пакетов. Маршрутизация - это процедура определения пути следования пакета из одной сети в другую.

Такой механизм доставки становится возможным благодаря реализации во всех узлах сети протокола межсетевого обмена IP. Если обратиться к истории создания сети Internet, то с самого начала предполагалось разработать спецификации сети коммутации пакетов. Это" значит, что любое сообщение, которое отправляется по сети, должно быть при отправке "нашинковано" на фрагменты. Каждый из фрагментов должен быть снабжен адресами отправителя и получателя,  а также  номером этого пакета в последовательности пакетов, составляющих все сообщение в целом. Такая система позволяет на каждом шлюзе выбирать маршрут, основываясь на текущей информации о состоянии сети, что повышает надежность системы в целом. При этом каждый пакет может пройти от отправителя к получателю по своему собственному маршруту. Порядок получения пакетов получателем не имеет большого значения, т.к. каждый пакет несет в себе информацию о своем месте в сообщении. При создании этой системы принципиальным было обеспечение ее живучести и надежной доставки сообщений.

 

 

 

 

                 1.2.1.Структура стека протоколов TCP/IP

 

При рассмотрении процедур межсетевого взаимодействия всегда опираются на стандарты, разработанные International Standard Organization (ISO). Эти стандарты получили название "Семиуровневой модели сетевого обмена" или в английском варианте "Open System Interconnection Reference Model" (OSI Ref.Model). В данной модели обмен информацией может быть представлен в виде стека, рассмотренного на рисунке 1.1. Как видно из рисунка, в этой  модели определяется все - от стандарта физического соединения сетей до протоколов обмена прикладного программного обеспечения. Дадим некоторые комментарии к этой модели.

Физический уровень данной модели определяет характеристики физической сети передачи данных, которая используется для межсетевого обмена. Это такие параметры, как: напряжение в сети, сила тока, число контактов на разъемах и т.п. Типичными стандартами этого уровня являются, например RS232C, V35, IEEE 802.3 и т.п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

        Рисунок 1.1  Семиуровневая модель протоколов межсетевого обмена OSI

         К канальному уровню отнесены протоколы, определяющие соединение, например, SLIP (Strial   Line Internet Protocol), PPP (Point to Point Protocol), NDIS, пакетный протокол, QDI и т.п. В данном случае речь идет о протоколе взаимодействия между драйверами устройств и устройствами, с одной стороны, а с другой стороны, между операционной системой и драйверами устройства. Такое определение основывается на том, что драйвер - это, фактически, конвертор данных из одного формата в другой, но при этом он может иметь и свой внутренний формат данных.

К сетевому (межсетевому) уровню относятся протоколы, которые отвечают за отправку и получение данных, или, другими словами, за соединение отправителя и получателя. Вообще говоря, эта терминология пошла от сетей коммутации каналов, когда отправитель и получатель действительно соединяются на время работы каналом связи. Применительно к сетям TCP/IP, такая терминология не очень приемлема, К этому уровню в TCP/IP относят протокол IP (Internet Protocol). Именно здесь определяется отправитель и получатель, именно здесь находится необходимая информация для доставки пакета по сети.

Транспортный уровень отвечает за надежность доставки данных, и здесь, проверяя контрольные суммы, принимается решение о сборке сообщения в одно целое, В Internet транспортный уровень представлен двумя протоколами TCP (Transport Control Protocol) и UDP (User Datagramm Protocol). Если предыдущий уровень (сетевой) определяет только правила доставки информации, то транспортный уровень отвечает за целостность доставляемых данных.

Уровень сессии определяет стандарты взаимодействия между собой прикладного программного обеспечения. Это может быть некоторый промежуточный стандарт данных или правила обработки информации. Условно к этому уровню можно отнеси механизм портов протоколов TCP и UDP и Berkeley Sockets. Однако обычно, в рамках архитектуры TCP/IP такого подразделения не делают.

Уровень обмена данными с прикладными программами  необходим для преобразования данных из промежуточного формата сессии в формат данных приложения. В Internet это преобразование возложено на прикладные программы.

Уровень прикладных программ или приложений определяет протоколы обмена данными этих прикладных программ. В Internet к этому уровню могут быть отнесены такие протоколы, как: FTP, TELNET, HTTP, GOPHER и т.п.

Вообще говоря, стек протоколов TCP отличается от только что рассмотренного стека модели OSI. Обычно его можно представить в виде схемы, рассмотренной на рисунке 1.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1.2. Структура стека протоколов TCP/IP

В этой схеме на уровне доступа к сети располагаются все протоколы доступа к физическим устройствам. Выше располагаются протоколы межсетевого обмена IP, ARP, ICMP. Ещё выше основные транспортные протоколы TCP и UDP, которые кроме сбора пакетов в сообщения еще и определяют какому приложению необходимо данные отправить или от какого приложения необходимо данные принять. Над транспортным уровнем располагаются протоколы прикладного уровня, которые используются приложениями для обмена данными. Базируясь на классификации OSI (Open System Integration) всю архитектуру протоколов семейства TCP/IP попробуем сопоставить с эталонной моделью (рисунок 1.3).


               Рис. 1.3. Схема модулей, реализующих протоколы семейства TCP/IP          в узле сети.

 

Прямоугольниками на схеме обозначены модули, обрабатывающие пакеты, линиями - пути передачи данных. Прежде чем обсуждать эту схему, введем необходимую для этого терминологию.

Драйвер - программа, непосредственно взаимодействующая с сетевым адаптером.

Модуль - это программа, взаимодействующая с драйвером, с сетевыми прикладными программами или с другими модулями.

Схема приведена для случая подключения узла сети через локальную сеть Ethernet, поэтому названия блоков данных будут отражать эту специфику.

Сетевой интерфейс - физическое устройство, подключающее компьютер к сети. В нашем случае - карта Ethernet.

Кадр - это блок данных, который принимает/отправляет сетевой интерфейс.

IP-пакет - это блок данных, которым обменивается модуль IP с сетевым интерфейсом.

UDP-датаграмма - блок данных, которым обменивается модуль IP с модулем UDP.

ТСР-сегмент - блок данных, которым обменивается модуль IP с модулем TCP.

Прикладное сообщение - блок данных, которым обмениваются программы сетевых приложений с протоколами транспортного уровня.

Инкапсуляция - способ упаковки данных в формате одного протокола в формат другого протокола. Например, упаковка IP-пакета в кадр Ethernet или ТСР-сегмента в IP-пакет. Согласно словарю иностранных слов термин "инкапсуляция" означает "образование капсулы вокруг чужих для организма веществ (инородных тел, паразитов и т.д.)". В рамках межсетевого обмена понятие инкапсуляции имеет несколько расширенный смысл. Если в случае инкапсуляции IP в Ethernet речь идет действительно о помещении пакета IP в качестве данных Ethernet-фрейма, или, в случае инкапсуляции TCP в IP, помещение ТСР-сегмента в качестве данных в IP-пакет, то при передаче данных по коммутируемым каналам происходит дальнейшая "нарезка" пакетов теперь уже на пакеты SLIP или фреймы РРР.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                                               

 

Рис. 1.4. Инкапсуляция протоколов верхнего уровня в протоколы TCP/IP

Вся схема (рисунок 1.4) называется стеком протоколов TCP/IP или просто стеком TCP/IP. Чтобы не возвращаться к названиям протоколов расшифруем аббревиатуры TCP, UDP, ARP, SLIP, РРР, FTP, TELNET, RPC, TFTP, DNS, RIP, NFS:

TCP - Transmission Control Protocol - базовый транспортный протокол, давший название всему семейству протоколов TCP/IP.

UDP - User Datagram Protocol - второй транспортный протокол семейства TCP/IP. Различия между TCP и UDP будут обсуждены позже.

ARP - Address Resolution Protocol - протокол используется для определения соответствия IP-адресов и Ethernet-адресов.

SLIP - Serial Line Internet Protocol (Протокол передачи данных по телефонным линиям).

РРР - Point to Point Protocol (Протокол обмена данными "точка-точка"),

FTP - File Transfer Protocol (Протокол обмена файлами).

 TELNET - протокол эмуляции виртуального терминала.

 RPC - Remote Process Control (Протокол управления удаленными процессами).

TFTP - Trivial File Transfer Protocol (Тривиальный протокол передачи файлов).

  DNS - Domain Name System (Система доменных имен).

  RIP - Routing Information Protocol (Протокол маршрутизации).

          NFS - Network File System (Распределенная файловая система и система сетевой печати).

При работе с такими программами прикладного уровня, как FTP или telnet, образуется стек протоколов с использованием модуля TCP, представленный на рисунке 1.5.

 

 

 

 

 

 

 


          Рис. 1.5. Стек протоколов при использовании модуля TCP

При работе с прикладными программами, использующими транспортный протокол UDP, например, программные средства Network File System (NFS), используется другой стек, где вместо модуля TCP будет использоваться модуль UDP (рисунок 1.6).

 

 

 

 

 

 


      Рис. 1.6. Стек протоколов при работе через  транспортный  протокол UDP

 

 

 

При обслуживании блочных потоков данных модули TCP, UDP и драйвер ENET работают как мультиплексоры, т.е. перенаправляют данные с одного входа на несколько выходов и, наоборот, с многих входов на один выход. Так, драйвер ENET может направить кадр либо модулю IP, либо модулю ARP, в зависимости от значения доля "тип" в заголовке кадра. Модуль IP может направить IP-пакет либо модулю TCP, либо модулю UDP, что определяется полем "протокол" в заголовке пакета.

Получатель UDP-датаграммы или TCP-сообщения определяется на основании значения поля "порт" в заголовке датаграммы или сообщения.

Все указанные выше значения прописываются в заголовке сообщения модулями на отправляющем компьютере. Так как схема протоколов - это дерево, то к его корню ведет только один путь, при прохождении которого каждый модуль добавляет свои данные в заголовок блока. Машина, принявшая пакет, осуществляет демультиплексирование в соответствии с этими отметками.

Технология Internet поддерживает разные физические среды, из которых самой распространенной является Ethernet. В последнее время большой интерес вызывает подключение отдельных машин к сети через ТСР-стек по коммутируемым (телефонным) каналам. С появлением новых магистральных технологий типа ATM или FrameRelay активно ведутся исследования по инкапсуляции TCP/IP в эти протоколы. На сегодняшний день многие проблемы решены и существует оборудование для организации TCP/IP сетей через эти системы.

 

Основные протоколы стека TCP/IP

При описании основных протоколов стека TCP/IP будем следовать модели стека описанной в предыдущем разделе. Первыми будут рассмотрены протоколы канального уровня SLIP и РРР, Это единственные протоколы этого уровня которые будут нами рассмотрены, так как были разработаны в рамках Internet и для Internet. Другие протоколы, например, NDIS или ODI, мы рассматривать не будем, т.к. они создавались под другие сети, хотя и могут использоваться в сетях TCP/IP так же, как, например, и пакетный протокол.

 

Протоколы SLIP и РРР

Интерес к этим двум протоколам вызван тем, что они применяются как на коммутируемых, так и на выделенных телефонных каналах. При помощи этих каналов к сети подключается большинство индивидуальных пользователей, а также небольшие локальные сети. Такие линии связи могут обеспечивать скорость передачи данных до 115200 битов за секунду.

 

Протокол SLIP (Serial Line Internet Protocol). Технология TCP/IP позволяет организовать межсетевое взаимодействие, используя различные физические и канальные протоколы обмена данными (IEEE 802,3 - ethernet, IEEE 802.5 -token ring, X.25 и т.п.). Однако без обмена данными по телефонным линиям связи с использованием обычных модемов популярность Internet была бы значительно ниже. Большинство пользователей Сети используют свой домашний телефон в качестве окна в мир компьютерных сетей, подключая компьютер через модем к модемному пулу компании, предоставляющей IP-услуги или к своему рабочему компьютеру. Наиболее простым способом, обеспечивающим полный IP-сервис,  является  подключение через последовательный порт персонального компьютера по протоколу SLIP.

Согласно RFC-1055, впервые SLIP был включен в качестве средства доступа к IP-сети в пакет фирмы 3COM - UNET. В 1984 году Рик Адамс (Rick Adams) реализовал SLIP для BSD 4.2, и таким образом, SLIP стал достоянием всего IP-сообщества.

Обычно, этот протокол применяют как на выделенных, так и на коммутируемых линиях связи со скоростями от 1200 до 19200 бит в секунду. Если модемы позволяют больше, то скорость можно "поднять", т.к. современные персональные компьютеры позволяют передавать данные в порт со скоростью 115200 битов за секунду. Однако при определении скорости обмена данными следует принимать во внимание, что при передаче данных по физической линии данные подвергаются преобразованиям: компрессии и защите от ошибок на линии. Такое преобразование заставляет определять меньшую скорость на линии, чем скорость порта. Следует отметить, что среди условно-свободно распространяемых программных IP-стеков (FreeWare), Trumpet Winsock, например, обязательно включена поддержка SLIP-коммуникаций. Такие операционные системы, как FreeBSD, Linux, NetBSD, которые можно свободно скопировать и установить на своем персональном компьютере, или HP-UX, которая поставляется вместе с рабочими станциями Hewlett Packard, имеют в своем арсенале программные средства типа sliplogin (FreeBSD) или sip (HP-UX), обеспечивающими работу компьютера в качестве SLIP-сервера для удаленных пользователей, подключающихся к IP-сети по телефону. В протоколе SLIP нет определения понятия "SLIP-сервер", но реальная жизнь вносит коррективы в стандарты. В контексте нашего изложения "SLIP-клиент" - это компьютер инициирующий физическое соединение, a "SLIP-сервер" - это машина, постоянно включенная в IP-сеть. В главе, посвященной организации IP-сетей и подключению удаленных компьютеров, будет подробно рассказано о различных способах подключения по SLIP-протоколу, поэтому, не останавливаясь на деталях такого подключения, перейдем к обсуждению самого протокола SLIP.

В отличие от Ethernet, SLIP не "заворачивает" IP-пакет в свою обертку, а "нарезает" его на "кусочки". При этом делает это довольно примитивно. SLIP-пакет начинается символом ESC (восьмеричное 333 или десятичное 219) и кончается символом END (восьмеричное 300 или десятичное 192). Если внутри пакета встречаются эти символы, то они заменяются двухбайтовыми последовательностями ESC-END (333 334) и ESC-ESC (333 335). Стандарт не определяет размер SLIP-пакета, поэтому любой SLIP-интерфейс имеет специальное поле, в котором пользователь должен указать эту длину. Однако в стандарте есть указание на то, что BSD SLIP драйвер поддерживает пакеты длиной 1006 байт, поэтому "современные" реализации SLIP-программ должны поддерживать эту длину пакетов. SLIP-модуль не анализирует поток данных и не выделяет какую-либо информацию в этом потоке. Он просто "нарезает" ее на "кусочки", каждый из которых начинается символом ESC, а кончается символом END. Из приведенного выше описания понятно, что SLIP не позволяет выполнять какие-либо действия, связанные с адресами, т.к. в структуре пакета не предусмотрено поле адреса и его специальная обработка. Компьютеры, взаимодействующие по SLIP, обязаны знать свои IP-адреса заранее. SLIP не позволяет различать пакеты по типу протокола, например, IP или DECnet. Вообще-то, при работе по SLIP предполагается использование только IP (Serial Line IP все-таки), но простота пакета может быть соблазнительной и для других протоколов. В SLIP нет информации, позволяющей корректировать ошибки линии связи. Коррекция ошибок возлагается на протоколы транспортного уровня - TCP, UDP. В стандартном SLIP не предусмотрена компрессия данных, но существуют варианты протокола с такой компрессией. По поводу компрессии следует заметить следующее: большинство современных модемов, поддерживающих стандарты V.42bis и MNP5, осуществляют аппаратную компрессию. При этом практика работы по нашим обычным телефонным каналам показывает, что лучше отказаться от этой компрессии и работать только с автоматической коррекцией ошибок, например MNP4 или V.42. Вообще говоря, каждый должен подобрать тот режим, который наиболее устойчив в конкретных условиях работы телефонной сети (вплоть до времени года и частоты аварий на теплотрассах).

 

Соединения типа "точка-точка" - протокол РРР (Point to Point Protocol).

PPP - этот протокол моложе, чем SLIP. Однако, назначение у него то же самое - управление передачей данных по выделенным или коммутируемым линиям связи. Согласно RFC-1661, РРР обеспечивает стандартный метод взаимодействия двух узлов сети. Предполагается, что обеспечивается двунаправленная одновременная передача данных. Как и в SLIP, данные "нарезаются" на фрагменты, которые называются пакетами. Пакеты передаются от узла к узлу упорядоченно. В отличие от SLIP, РРР позволяет одновременно передавать по линии связи пакеты различных протоколов. Кроме того, РРР предполагает процесс автоконфигурации обеих взаимодействующих сторон. Собственно говоря, РРР состоит из трех частей: механизма инкапсуляции (encapsulation), протокола управления соединением (link control protocol) и семейства протоколов управления сетью (network control protocols).

При обсуждении способов транспортировки данных при межсетевом обмене часто применяется инкапсуляция, например, инкапсуляция IP в Х.25. С инкапсуляцией TCP в IP мы уже встречались. Инкапсуляция обеспечивает мультиплексирование  различных  сетевых  протоколов  (протоколов межсетевого обмена, например IP) через один канал передачи данных. Инкапсуляция РРР устроена достаточно эффективно, например, для передачи HDLC фрейма требуется всего 8 дополнительных байтов (8 октетов, согласно терминологии РРР). При других способах разбиения информации на фреймы число дополнительных байтов может быть сведено до 4 или даже 2. Для обеспечения быстрой обработки информации граница РРР пакета должна быть кратна 32 битам. При необходимости в конец пакета для выравнивания на 32-битовую границу добавляется "балласт". Вообще говоря, понятие инкапсуляции в терминах РРР - это не только добавление служебной информации к транспортируемой информации, но, если это необходимо, разбиение этой информации на более мелкие фрагменты.

Под датаграммой в РРР понимают информационную единицу сетевого уровня, применительно к IP - IP-пакет. Под фреймом понимают информационную единицу канального уровня (согласно модели OSI). Фрейм состоит из заголовка и хвоста, между которыми содержатся данные. Датаграмма может быть инкапсулирована в один или несколько фреймов. Пакетом называют информационную единицу обмена между модулями сетевого и канального уровня. Обычно, каждому пакету ставится в соответствие один фрейм, за исключением тех случаев, когда канальный уровень требует еще большей фрагментации данных или, наоборот, объединяет пакеты для более эффективной передачи. Типичным случаем фрагментации являются сети ATM. В упрощенном виде РРР-фрейм показан на рисунке 1.7.

 

 

 

 


Рисунок 1.7  PPP-фрейм

В поле "протокол" указывается тип инкапсулированной датаграммы. Существуют специальные правила кодирования протоколов в этом поле (cm.iso 3309 и RFC-1661). В поле "информация" записывается собственно пакет данных, а в поле "хвост" добавляется "пустышка" для выравнивания на 32-битовую границу. По умолчанию для фрейма РРР используется 1500 байтов. В это число не входит поле "протокол".

Протокол управления соединением предназначен для установки соглашения между узлами сети о параметрах инкапсуляции (размер фрейма, например). Кроме этого, протокол позволяет проводить идентификацию узлов. Первой фазой установки соединения является проверка готовности физического уровня передачи данных. При этом такая проверка может осуществляться периодически,   позволяя   реализовать   механизм   автоматического восстановления физического соединения как это бывает при работе через модем по коммутируемой линии. Если физическое соединение установлено, то узлы начинают обмен пакетами протокола управления соединением, настраивая параметры сессии. Любой пакет, отличный от пакета протокола управления соединением, не обрабатывается во время этого обмена. После установки параметров соединения возможен переход к идентификации. Идентификация не является обязательной. После всех этих действий происходит настройка параметров работы с протоколами межсетевого обмена (IP, IPX и т.п.). Для каждого из них используется свой протокол управления. Для завершения работы по протоколу РРР по сети передается пакет завершения работы протокола управления соединением.

Процедура конфигурации сетевых модулей операционной системы для работы по протоколу РРР более сложное занятие, чем аналогичная процедура для протокола SLIP. Однако, возможности РРР соединения гораздо более широкие. Так, например, при работе через модем модуль РРР, обычно, сам восстанавливает соединение при потере несущей частоты. Кроме того, модуль РРР сам определяет параметры своих фреймов, в то время как при SLIP их надо подбирать вручную. Правда, если настраивать оба конца, то многие проблемы не возникают из-за того, что параметры соединения известны заранее. Более подробно с протоколом РРР можно познакомиться в RFC-1661 и RFC-1548.

 

Протокол ARP. Отображение канального уровня на уровень межсетевого обмена

Прежде чем начать описание протокола ARP необходимо сказать несколько слов о протоколе Ethernet.

 

Технология Ethernet. Кадр Ethernet содержит адрес назначения, адрес источника, поле типа и данные. Размер адреса Ethernet - 6 байтов. Каждый сетевой адаптер имеет свой сетевой адрес. Адаптер "слушает" сеть, принимает адресованные ему кадры и широковещательные кадры с адресом FF :FF :FF :FF :FF :FF, отправляет кадры в сеть.

Технология Ethernet реализует метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением столкновений. Этот метод предполагает, что все устройства взаимодействуют в одной среде. В каждый момент времени передавать может только одно устройство, а все остальные только слушать. Если два или более устройств пытаются передать кадр одновременно, то фиксируется столкновение и каждое устройство возобновляет попытку передачи кадра через случайный промежуток времени. Одним словом, в каждый момент времени в сегменте узла сети находится только один кадр.

Понятно, что чем больше компьютеров подключено в сегменте Ethernet, тем больше столкновений будет зафиксировано и тем медленнее будет работать сеть. Кроме того, если в сети стоит сервер, к которому часто обращаются, то это также снизит общую производительность сети.

Важной особенностью интерфейса Ethernet является то, что каждая интерфейсная карта имеет свой уникальный адрес. Каждому производителю карт выделен свой пул адресов в рамках которого он может выпускать карты (таблица 1.2.1.1). Согласно протоколу Ethernet, каждый интерфейс имеет 6-ти байтовый адрес. Адрес записывается в виде шести групп шестнадцатиричных цифр по две в каждой (шестнадцатеричная запись байта). Первые три байта называются префиксом, и именно они закреплены за производителем. Каждый префикс определяет 224 различных комбинаций, что равно почти 17-ти млн. адресам.

 

 

 

Таблица 1.2.1.1 Префиксы адресов Ethernet интерфейсов (карт) и производители, за которыми эти префиксы закреплены

 

Префикс

 

Производитель

 

Префикс

 

Производитель

 

1

2

3

4

00:00:ОС

 

Cisco

 

08:00:OB

 

Unisys

 

00:00:OF

 

NeXT

 

08:00:10

 

T&T

 

00:00:10

 

Sytek8:00:ll

 

Tektronix

 

 

 

00:00: 1D

 

Cabletron

 

08:00:14

 

Exelan

 

 

 

 

 

1

2

3

4

 

00:00:65

 

Network General

 

08:00:1A

 

Data General

 

 

00:00:6B

 

MIPS

 

08:00:1B

 

Data General

 

 

00:00:77

 

Cayman System

 

08:00:1E

 

Sun

 

 

00:00:93

 

Proteon

 

08:00:20

 

CDC

 

 

00:00:A2

 

Wellfleet

 

08:00:2%

 

DEC

 

 

00:00:А7

 

NCD

 

08:00:2B

 

Bull

 

 

00:00:A9

 

Network Systems

 

08:00:38

 

Spider Systems

 

 

00:00:СО

 

Western Digital

 

08:00:46

 

Sony

 

 

00:00:C9

 

Emulex

 

08:00:47

 

Sequent

 

 

00:80:2D

 

Xylogics Annex

 

08:00:5А

 

IBM

 

 

00:AA:00

 

Intel

 

08:00:69

 

Silicon Graphics

 

 

00:DD:00

 

Ungermann-Bass

 

08:00:6E

 

Exelan

 

 

00:DD:01

 

Ungermann-Bass

 

08:00:86

 

Imageon/QMS

 

02:07:01

 

MICOM/Interlan

 

08:00:87

 

Xyplex terminal servers

 

02:60:8С

3Com

 

08:00:89

Kinetics

 

08:00:02

 

3Com(Bridge)

 

08:00:8B

 

Pyromid

 

08:00:03

 

АСС

 

08:00:90

 

Retix

 

08:00:05

 

Symbolics

 

АА:00:03

 

DEC

 

08:00:08

 

BBN

 

АА:00:04

 

DEC

 

08:00:09

 

Hewlett-Packard

 

 

 

 

 

 

 

Протокол ARP (RFC 826). Address Resolution Protocol используется для определения соответствия IP-адреса адресу Ethernet. Протокол используется в локальных сетях. Отображение осуществляется только в момент отправления IP-пакетов, так как только в этот момент создаются заголовки IP и Ethernet. Отображение адресов осуществляется путем поиска в ARP-таблице 1.2.1.2. Упрощенно, ARP-таблица состоит из двух столбцов:

Таблица 1.2.1.2

 

IP-адрес

 

Ethernet-адрес

 

223.1.2.1

 

08:00:39:00:2F:C3

 

223.1.2.3

 

 

08:00:5A:21:A7:22

 

 

223.1.2.4

 

08:00:10:99:AC:54

 

 

В первом столбце содержится IP-адрес, а во втором Ethernet-адрес. Таблица соответствия необходима, так как адреса выбираются произвольно и нет какого-либо алгоритма для их вычисления. Если машина перемещается в другой сегмент сети, то ее ARP-таблица должна быть изменена.

ARP-таблица заполняется автоматически, что хорошо видно из приведенного ранее примера. Если нужного адреса в таблице нет, то в сеть посылается широковещательный запрос типа "чей это IP-адрес?". Все сетевые интерфейсы получают этот запрос, но отвечает только владелец адреса. При этом существует два способа отправки IP-пакета, для которого ищется адрес: пакет ставится в очередь на отправку или уничтожается. В первом случае за отправку отвечает модуль ARP, а во втором случае модуль IP, который повторяет посылку через некоторое время. Широковещательный запрос выглядит так:

IP-адрес отправителя                       223.1.2.1

Ethernet-адрес отправителя             08:00:39:00:2F:C3

Искомый IP-адрес                            222.1.2.2

Искомый Ethernet-адрес                  <пусто>

Ответ машины, чей адрес ищется, будет выглядеть следующим образом:

IP-адрес отправителя                       222.1.2.2

Ethernet-адрес отправителя             08:00:28:00:38:А9

IP-адрес получателя                         223.1.2.1

Ethernet-адрес получателя               08:00:39:00:2F:C3

Полученный таким образом адрес будет добавлен в ARP-таблицу.

Следует отметить, что если искомого IP-адреса нет в локальной сети и сеть не соединена с другой сетью шлюзом, то разрешить запрос не удается. IP-модуль будет уничтожать такие пакеты, обычно по time-out (превышен лимит времени на разрешение запроса). Модули прикладного уровня, при этом, не могут отличить физического повреждения сети от ошибки адресации.

Однако в современной сети Internet, как правило, запрашивается информация с узлов, которые реально в локальную сеть не входят. В этом случае для разрешения адресных коллизий и отправки пакетов используется модуль IP. Если машина соединена с несколькими сетями, т.е. она является шлюзом, то в таблицу ARP вносятся строки, которые описывают как одну, так и другую IP-сети. При использовании Ethernet и IP каждая машина имеет как минимум один адрес Ethernet и один IP-адрес. Собственно Ethernet-адрес имеет не компьютер, а его сетевой интерфейс. Таким образом, если компьютер имеет несколько интерфейсов, то это автоматически означает, что каждому интерфейсу будет назначен свой Ethernet-адрес. IP-адрес назначается для каждого драйвера сетевого интерфейса. Иначе говоря, каждой сетевой карте Ethernet соответствуют один Ethernet-адрес и один IP-адрес. IP-адрес уникален в рамках всего Internet.

 

 

 

2  Понятие IP-телефонии

 

Наиболее широко распространенной современной сетевой технологией является IP-технология, благодаря универсальности своего использования.

IP (Internet Protocol)   применяется на всех участках сети, хорошо приспособлен как для низкоскоростных каналов доступа, так и для высокоскоростных линий IP; играет роль интегратора доступа, обеспечивая единый универсальный интерфейс для приложений, транспортных протоколов и операционных систем. IP-технология объединяет все виды трафика на единой платформе. Перспективным способом организации телефонных разговоров по сетям передачи данных является IP-телефония - одно из приложений   IP-технологии. Она   представляется наиболее экономически выгодной, так как при ее реализации пользователям предлагаются услуги телефонной связи при значительном сокращении их расходов на телефонные разговоры.

В сетях на основе IP все данные — голос, текст, видео, компьютерные программы или информация в любой другой форме передаются в виде пакетов. Любой компьютер и терминал такой сети имеет свой уникальный IP адрес, и передаваемые пакеты маршрутизируются к получателю в соответствии с этим адресом, указываемом в заголовке. Данные могут передаваться одновременно между многими пользователями и процессами по одной и той же линии. При возникновении проблем IP-сети могут изменять маршрут для обхода неисправных участков. При этом протокол IP не требует выделенного канала для сигнализации.

Процесс передачи голоса по IP-сети состоит из нескольких этапов.

На первом этапе осуществляется оцифровка голоса. Затем оцифрованные   данные анализируются и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, передаваемых получателю. Как правило, на этом этапе происходит подавление ненужных пауз и фонового шума, а также компрессирование.

На следующем этапе полученная последовательность данных разбивается на пакеты и к ней добавляется протокольная информация-адрес получателя, порядковый номер пакета, и дополнительные данные для коррекции ошибок. При этом происходит временное накопление необходимого количества данных для образования пакета до его непосредственной отправки в сеть.

Извлечение переданной информации из полученных пакетов также состоит из нескольких этапов.

Когда голосовые пакеты приходят на терминал получателя, то сначала проверяется их порядковая последовательность. IP-сети не гарантируют время доставки, и пакеты со старшими порядковыми номерами могут прийти раньше, более того, интервал времени получения также может колебаться. Для восстановления исходной последовательности и синхронизации происходит временное накопление пакетов. Однако некоторые пакеты могут быть потеряны при доставке, либо задержка их при доставке превышает допустимый уровень. В обычных условиях приемный терминал запрашивает повторную передачу ошибочных или потерянных данных. Но передача голоса слишком критична к задержкам, поэтому в этом случае либо включается алгоритм аппроксимации, позволяющий на основе полученных пакетов приблизительно восстановить потерянные, либо эти потери просто игнорируются, а пропуски заполняются данными случайным образом.

Полученная   таким   образом   последовательность   данных декомпрессируется и преобразуется непосредственно в аудио-сигнал, несущий голосовую информацию получателю. Таким образом, с большей степенью вероятности, полученная информация не соответствует исходной. Однако в некоторых пределах избыточность голосовой информации позволяет мириться с такими потерями.

 

 

 

2.1             Базовая архитектура систем IP – телефонии

 

Архитектура IP-телефонии основана на использовании стандарта Н.323, разработанного сектором стандартизации телекоммуникаций, который содержит описание терминальных устройств, оборудования и сетевых служб, предназначенных для осуществления мультимедийной связи в сетях с коммутацией пакетов. Терминальные устройства и сетевое оборудование стандарта Н.323 могут передавать данные, речь и видеоинформацию в масштабе реального времени. Сеть, через которую осуществляется связь между терминалами Н.323, может представлять собой сегмент или множество сегментов со сложной топологией. Терминалы Н.323 могут быть интегрированы в персональные компьютеры или реализованы как автономные устройства. Поддержка речевого обмена - обязательная функция для устройства стандарта Н.323.

В рекомендации Н.323 описаны четыре основных компонента:

- терминал;

- (gatekeeper) контроллер зоны;

- шлюз

- устройство управления многоточечной конференцией.

Все перечисленные компоненты организованны в так называемые зоны Н.323. Одна зона состоит из контролера и нескольких конечных точек, причем, контролер управляет всеми конечными точками своей зоны. Зоной может быть и вся сеть поставщика услуг IP- телефонии или ее часть, охватывающая отдельный регион.

Терминал Н.323 представляет собой конечную точку в сети, способную передавать и принимать трафик в масштабе реального времени, взаимодействуя с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления многоточечной конференцией.

Для обеспечения этих функций терминал включает в себя:

- элементы аудио (микрофон, акустические системы, телефонный микшер, система акустического эхоподавления);

- элементы видео (монитор, видеокамера);

- элементы сетевого интерфейса;

- интерфейс пользователя.

Терминал Н.323 должен поддерживать протоколы Н.245, Q.931, RAS, RTP и семейство протоколов Н.450, а также включать аудиокодек G.711.

Технология передачи голоса по IP - сети вместо классической сети с коммутацией каналов предусматривает конфигурацию с установкой шлюзов. Шлюз обеспечивает сжатие информации, преобразование ее в IP — пакеты и направление в IP - сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы.

Такое преобразование информации не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени.

Более полно основные функции шлюза, состоят в следующем:

- реализация физического интерфейса с телефонной и IP - сетью;

- детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации;

- преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты данных и обратно;

- преобразование речевых сигналов в пакеты данных и обратно;

- соединение абонентов;

- передача по сети сигнализационных и речевых пакетов;

- разъединение связи.

Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуется в процессах прикладного уровня.

Функцию управления вызовами выполняет gatekeeper (контролер зоны). Gatekeeper выполняет следующие функции:

- преобразовывает адреса-псевдонимы в транспортные адреса;

контролирует доступ в сеть на основании авторизации вызова, наличия необходимой для связи полосы частот и других критериев, определяемых производителем;

- контролирует полосу пропускания;

- управляет зонами.

При этом gatekeeper осуществляет вышеперечисленные функции в отношении   терминалов,    шлюзов    и    устройств    управления, зарегистрированных в нем. Идентификация узла может осуществляться по его текущему IP - адресу, телефонному номеру или подставочному имени - строке символов, наподобие адреса электронной почты. Gatekeeper упрощает процесс вызова, позволяя использовать легко запоминающееся подставочное имя. Функции gatekeeper могут быть встроены в шлюзы.

Сервер управления конференциями (MCU — Multipoint Control Unit) обеспечивает связь трех и более Н-323-терминалов. Все терминалы, участвующие в конференции, устанавливают соединение с MCU. Сервер управляет ресурсами конференции, согласовывает возможности терминалов по обработке звука и видео, определяет аудио и видеопотоки, которые необходимо направлять по многим адресам.

В рамках архитектуры Н.323 может быть использовано два подхода для построения системы управления для многоточечной конференции:

- децентрализованное управление многоточечной конференцией;

-         централизованное управление многоточечной конференцией.

                Первый тип требует, чтобы все участники конференции пересылали многоадресные (групповые) сообщения всем остальным. Это позволяет избежать концентрации трафика в некоторых сегментах сети, но управлять такой конференцией не очень удобно. При использовании централизованного метода конечные узлы передают сигнал системе MCU, которая обеспечивает его рассылку.

 

2.1                   Стандарты, используемые в IP-телефонии

 

Для обеспечения совместимости оконечного оборудования и шлюзов различных поставщиков проблемами стандартизации IP – телефонии занимаются несколько международных организаций:  

- Сектор стандартизации телекоммуникации Международного союза электросвязи МСЭ (International Telecommunication Union - Telecommunication, ITU-T);

- Европейский институт стандартизации по телекоммуникациям (European Telecommunication Standard Institute, ETSI);

Рабочая группа по инженерным проблемам Интернет (Internet Engineering Task Force, IETF);

- Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute, ANSI);

- Форум VoIP (Voice over IP) и др.

В таблице 2.2.1 приведены стандарты, связанные с IP-телефонией.

 

 

Таблица 2.2.1

Стандарты/ протоколы

 

Назначение стандартов/протоколов

 

1

2

Т. 120

 

Конференция по передачи данных в реальном времени

 

Н.320

 

Видеоконференция ISDN

 

Н.323

 

Мультимедийная связь в сетях пакетной коммутации

 

Н.324

 

Видео- аудио- связь через низкоскоростной канал передачи данных, например, через коммутируемое модемное соединение 

 

OSP

 

Протокол открытого взаимодействия, обеспечивает передачу IP-трафика на основе языка XML

 

SIP

 

Протокол инициализации сеансов связи для шлюзов VoIP и оконечного оборудования пользователей.

 

RSVP

 

Протокол резервирования ресурсов, обеспечивает приоритезацию пакетного трафика пользователей

 

RTP

 

Протокол реального времени, обеспечивает передачу аудио, и видео в реальном времени

 

MGCP

 

Протокол управления медиа шлюзом, определяет, как производится управление пакетами данных от различных служб (например, голоса и видео)

 

LDAP

 

Упрощенный протокол доступа к каталогам, обеспечивает универсальную адресацию баз данных в сетях

 

 

 

2.2.1. Стандарты ITU-Т

 

Начальное развитие техники IP- телефонии опиралось в большей степени на рекомендации Международного союза электросвязи. В первую очередь, это рекомендации G.729  G.723.1, устанавливающие стандарты на компрессию речи со скоростью 8 кбит/с и 6,3/5,3 кбит/с, соответствующие рекомендации Н.323. Для передачи речи через IP -сеть рекомендация Н.323 обязательна и фактически является стандартом.

Набор рекомендаций Н.323 определяет сетевые компоненты, протоколы и процедуры, позволяющие организовать мультимедиа-связь в пакетных сетях. Они определяют порядок функционирования абонентских терминалов в сетях с разделяемым ресурсом, не гарантирующим качество обслуживания QoS. Н.323-совместимые устройства могут применяться для телефонной связи (IP-телефония), передача звука и видео (видеотелефония), а также звука, видео и данных (мультимедийные конференции).

В настоящее время готовится новая версия стандарта. В ней будут описаны создание пакетных сетей факсимильной связи и организация связи между Н.323-шлюзами. Речь идет и о функциях, распространенных в современной телефонии, включая уведомление о поступлении второго вызова и режим справки. Помимо телефонных функций новая версия будет дополнена средствами, позволяющими учитывать параметры сеансов для целей тарификации, а также поддержкой каталогов - вместо цифровых IP-адресов можно будет пользоваться именами абонентов.

Стандарт Н.323  входит в  семейство рекомендаций Н.32х, описывающих порядок организации мультимедиа-связи в сетях различных типов:

- Н.320 - узкополосные цифровые коммутируемые сети;

- Н.321 - широкополосные сети ISDN и ATM;

- Н.322 - пакетные сети с гарантированной полосой пропускания;

- Н.324 - телефонные сети общего пользования (ТфОП).

Одна из основных целей разработки стандарта Н.323 - обеспечение взаимодействия с другими типами сетей мультимедиа-связи. Данная задача реализуется с помощью шлюзов, осуществляющих трансляцию сигнализации и форматов данных. При условии соответствия стандарту устройства с различными возможностями могут взаимодействовать друг с другом, например, терминалы с видео средствами могут участвовать в аудиоконференции.  В  совокупности  с  другими  стандартами  на мультимедийную связь рекомендации Н.323 применимы для любых видов соединений - от многоточечных до "точка-точка". Основные компоненты этого стандарта приведены в таблице 2.2.1.1.

Стандарт Н.323 определяет также порядок взаимодействия с оконечными устройствами других стандартов. Наиболее часто такая задача возникает при сопряжении телефонных сетей с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Сети стандарта Н.323 совместимы и с другими типами Н.32х-сетей.

На следующем этапе развития IP- телефонии к спецификациям Н.323, соответствующим нижним уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), будут добавлены новые. Они зафиксируют возможности обеспечения классов и качества обслуживания, услуг, относящихся соответственно,    ко второму (канальному) и третьему (сетевому) уровням.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.2.1.1

Рекомендация

 

Описание

 

Н.225

 

Определяет сообщения по управлению вызовом, включая сигнализацию и регистрацию, а также пакетизацию и синхронизацию потоков мультимедийных данных

 

Н.245

 

Определяет сообщения для открытия и закрытия каналов передачи потоков мультимедийных данных, а также другие команды и запросы.

 

G.711

 

Аудио кодек 3,1 кГц на 48, 56 и 64 кбит/с

 

G.722

 

Аудио кодек 7 кГц на 48, 56 и 64 кбит/с

 

G.723.1

 

Аудиокодек для режимов 5.3 кбит/с и 6.3 кбит/с

 

G.728

 

Аудиокодек 3,1 кГц на 16 кбит/с

 

G.729.a

 

Аудиокодек для режима 8 кбит/с

 

 

 

2.2.2 Стандарты IETF

 

Рабочей группой IETF был разработан протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP). С помощью RSVP мультимедиа-программы  могут  потребовать  специального  качества обслуживания (quality of service, QoS) посредством любого из существующих сетевых протоколов - главным образом IP, хотя возможно использовать UDP - чтобы обеспечить качественную передачу информации. Протокол RSVP предусматривает QoS благодаря тому, что через каждый узел, который связывает между собой участников телефонного разговора, может передаваться определенное количество данных.

Хотя протокол RSVP предусматривает решение проблемы QoS, в нем имеется недостаток, присущий протоколам Интернет для программ мультимедиа, а именно недостаточное развитие средства синхронизации данных.    Надежные протоколы, такие, как TCP/IP, располагают многоуровневыми средствами, предотвращающими потерю данных. Однако многоуровневая архитектура может помешать выполнению чувствительных к временной   упорядоченности   процедур   декодирования   аудио   и видеосигналов, реагирующих на несвоевременное поступление данных. Кроме того, временные критерии вообще не фигурируют в IP. Из этого следует, что синхронизация может оказаться очень сложной задачей. Поэтому комитетом IETF был разработан транспортный протокол реального времени (Real-time Transport Protocol, RTP).

Как правило, протокол RTP используется как надстройка поверх какого-нибудь ненадежного протокола, например UDP. К каждому пакету данных, посылаемых посредством RTP, прилагается информация о времени его посылки и порядковый номер. Благодаря этой дополнительной информации прикладные программы могут относительно несложно смешивать потоки аудио и видеоданных. Информация о времени посылки, прилагаемая к каждому пакету, позволяет осуществлять синхронизацию без особых трудностей, так как программа может легко определить порядковый номер кадра. Еще одно преимущество RTP состоит в том, что его можно использовать с RSVP для передачи синхронизированной мультимедиа информации с определенным уровнем качества обслуживания.

Возможности RTP были расширены путем объединения его с еще одним протоколом, а именно с протоколом управления передачей в реальном времени (Real-time Transport Control Protocol, RTCP). С помощью протокола RTCP программы могут приспосабливаться к изменяющимся нагрузкам на сеть, уведомляя отправителей и получателей об изменении объемов передаваемой информации по сети. Например, RTCP - совместимый телефон может отслеживать пропускную  способность сети и  мгновенно переключаться на алгоритм кодирования/декодирования аудиосигнала более низкого качества, если в сети становиться слишком много пользователей.

Быстрое развитие IP - телефонии выявило проблему совместимости шлюзов, предназначенных для сопряжения IP - сетей и сетей с коммутацией каналов. Специальная группа по управлению многоточечными сеансами мультимедиа-связи организации IETF разработала собственный протокол прикладного уровня для инициализации сеанса связи (Session Initiation Protocol, SIP). Протокол SIP, не включенный пока в стандарт Н.323, может оказать огромное влияние на распространение IP-телефонии, поскольку он стирает границы, пока еще существующие между ней и обычной телефонией.

 

2.2            Классификация сетей IP-телефонии

 

Сеть IP-телефонии представляет собой совокупность оконечного оборудования, каналов связи и узлов коммутации. Сети IP-телефонии строятся по тому же принципу, что и сети Интернет. Однако в отличие от сетей Интернет к сетям IP-телефонии предъявляются особые требования по обеспечению качества передачи речи. Одним из способов уменьшения времени задержки речевых пакетов в узлах коммутации является сокращение количества узлов коммутации, участвующих в соединении. Поэтому при построении крупных транспортных сетей в первую очередь организуется магистраль, которая обеспечивает транзит графика между отдельными участками сети, а оконечное оборудование (шлюз) включается в ближайший узел коммутации (рисунок 2.3.1). Оптимизация маршрута позволяет улучшить качество предоставляемых услуг. При подключении к сети других операторов их оборудование также подключается к ближайшему узлу коммутации.

Для связи между устройствами внутри сети и с устройствами других сетей IP-телефонии используются выделенные каналы или сеть Интернет. По способу связи оконечных устройств между собой сети IP-телефонии можно разделить на выделенные, интегрированные и смешанные

В выделенных сетях (рисунок 2.3.2) связь между оконечными устройствами осуществляется по выделенным каналам и пропускная способность этих каналов используется только для передачи речевых пакетов.

Главное преимущество выделенной сети - это высокое качество передачи речи, так как такие сети предназначены только для передачи речевого трафика. Кроме того, для обеспечения гарантированного качества предоставляемых услуг в этих сетях, кроме протокола IP, могут применяться и другие транспортные протоколы: ATM и Frame Relay.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 2.3.1  - Пример построения сети IP-телефонии с использованием магистрали

 

 


 

 

      Рисунок 2.3.2 - Пример построения выделенной сети IP-телефонии

В интегрированных сетях IP-телефонии для связи между устройствами используется глобальная сеть Интернет (рисунок 2.3.3). Это может быть уже существующая собственная сеть или доступ к сети Интернет через провайдеров. Если оператор имеет собственную сеть передачи данных, то для предоставления услуг IP-телефонии он лишь устанавливает дополнительное оборудование, которое обеспечивает преобразование речи в данные и наоборот, и модернизирует уже имеющееся оборудование, чтобы обеспечить качество предоставляемых услуг. Если оператор IP-телефонии пользуется услугами провайдеров Интернет, то качество услуг такой сети может быть низким, так как обычные сети Интернет не рассчитаны на передачу информации в реальном масштабе времени.

Если для объединения устройств в сети IP-телефонии используются выделенные каналы и сеть Интернет, то такие сети называются сетями смешанного типа (рисунок 2.3.4). Вопрос о том, какие каналы использовать для связи устройств между собой, решается оператором индивидуально в зависимости от возможностей.

Если оператор, обычно использующий выделенные каналы, по каким-либо причинам не может арендовать канал до оконечного устройства, он может воспользоваться услугами провайдеров Интернет. Если оператор IP-телефонии, использующий сеть Интернет, не имеет возможности получить доступ в Интернет в конкретной точке, или качество услуг через сеть Интернет очень низкое, то для подключения оконечного устройства к сети используется выделенный канал.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок - 2.3.3  Пример построения интегрированной сети IP-телефонии

 


 

 

Рисунок 2.3.4 - Пример построения смешанной сети IP-телефонии"

 

По своему масштабу все сети IP-телефонии делятся на международные, национальные и местные.

Международная сеть IP-телефонии имеет точки своего присутствия в нескольких странах и обеспечивает терминацию трафика практически в любую точку мира при минимальном использовании телефонной сети общего пользования. Чаще всего, международные сети не работают с конечными пользователями, а предоставляют свою пропускную способность другим сетям. Главной задачей международных сетей является транзит трафика между сетями различного уровня. Кроме того, операторы международной сети организуют международные клиринг - центры, которые упрощают процедуры взаиморасчетов между операторами. При построении международной сети, в первую очередь строится мощная магистраль, имеющая большую пропускную способность. Международные сети строятся с использованием выделенных каналов и на базе уже существующих сетей Интернет.

В отличие от международной сети национальная сеть имеет точки своего присутствия в одной или, в крайнем случае, в нескольких близлежащих странах и обслуживает абонентов и местных операторов только этого региона. С помощью заключения договоров с международными сетями национальная сеть предоставляет своим абонентам и другим местным сетям возможность терминации вызовов в любую точку мира.

Чаще   всего,   национальные   сети   строятся   национальными телекоммуникационными компаниями. Крупные национальные операторы проводят дооборудование своих сетей передачи данных для предоставления услуг IP-телефонии. Прежде всего, оператор заботится об обеспечении качества передачи речи по сети с помощью модернизации имеющегося оборудования или приобретения нового. Также, в зависимости от имеющегося  на  сети  оборудования,  оператор  или  приобретает дополнительное  шлюзовое  оборудование,  или  дооборудует  уже используемое на сети оборудование передачи данных функциями шлюза.

Примерами телекоммуникационных компаний, имеющих национальную сеть IP-телефонии, могут служить Deutsche Telecom, France Telecom, Telecom Finland, Japan Telecom и многие другие.

Операторы IP-телефонии, не имеющие собственной инфраструктуры, оказывают услуги с использованием средств и сетей провайдеров Интернет или провайдеров первичной телекоммуникационной сети и стараются выйти за рамки национальной сети, так как особенно выгодно предоставлять услуги IP-телефонии на большие расстояния. Поэтому операторы, имеющие доста­точно средств на строительство сети, предпочитают строить международные сети, причем они располагают точки своего присутствия в тех странах, куда больше всего тяготеет международный телефонный трафик.

Местная сеть IP-телефонии предоставляет возможность абонентам местной телефонной сети и частным компаниям воспользоваться услугами IP-телефонии. В основном, операторы местных сетей являются провайдерами доступа к сети IP-телефонии. Чаще всего, их сети имеют всего один шлюз, подключенный к более крупным сетям через сеть Интернет или по выделенным каналам. Таких операторов часто называют ресселерами, так как они просто перепродают услуги других сетей абонентам местной телефонной сети. Для большинства операторов местная сеть является лишь промежуточным этапом развития, и они стремятся выйти на международный или национальный уровень.

 

2.3                  Способы соединений в IP сети.

 

С использованием аппаратуры связи, реализующей функции передачи речевой информации по сетям с маршрутизацией пакетов по протоколу IP, возможны следующие варианты организации связи:

1. «От телефона к телефону» (рисунок 2.4.1). Вызов идет с обычного телефонного аппарата к АТС, на один из выходов которой подключен шлюз IP-телефонии, и через IP-сеть доходит до другого шлюза, который осуществляет обратные преобразования.

2. «От компьютера к телефону» (рисунок 2.4.2). Мультимедийный компьютер, имеющий программное обеспечение IP-телефонии, звуковую плату (адаптер), микрофон и акустические системы, подключается к IP-сети или к сети Интернет и с другой стороны шлюз IP-телефонии имеет соединение через АТС с обычным телефонным аппаратом.


 

            Рисунок 2.4.1 - Схема связи «телефон-телефон»

 


 

           Рисунок 2.4.2 - Схема связи «компьютер-телефон»

 

 

3. «От компьютера к компьютеру» (рисунок 2.4.3). В этом случае соединение устанавливается через IP-сеть между двумя мультимедийными компьютерами, оборудованными аппаратными и программными средствами для работы с IP-телефонией.


4. «От WEB браузера к телефону» (рисунок 2.4.4). С развитием сети Интернет стал возможен доступ и к речевым услугам. Например, на WEB-странице некоторой компании в разделе «Контакты» размещается кнопка «Вызов», нажав на которую можно осуществить речевое соединение с представителем данной компании без набора телефонного номера. Стоимость такого звонка для вызывающего пользователя входит в стоимость работы в сети Интернет.

 

 

       

 Рисунок 2.4.3 - Схема связи «компьютер-компьютер»

 

 


 

         Рисунок 2.4.4 - Схема связи «WEB-браузер - телефон»

 

Установление соединения в IP- телефонии осуществляется аналогично традиционной телефонии. Абонент снимает трубку и, услышав сигнал АТС, набирает номер шлюза, расположенного в том же или в ближайшем к нему городе, после соединения с местным шлюзом абонент получает голосовое приглашение, проходит авторизацию, сообщая тоновым набором на клавиатуре телефонного аппарата свой пароль, а затем набирает код страны и номер телефона вызываемого абонента. Местный шлюз по коду страны и города определяет в базе данных IP адрес шлюза, ближайшего к вызываемому абоненту. Местный шлюз устанавливает с удалённым шлюзом соединение через Интернет (частный случай). Удалённый шлюз вызывает через ТфОП города нужного абонента. Когда по окончании разговора один из абонентов кладёт трубку, местный шлюз разрывает соединение с удалённым шлюзом, фиксирует время соединения и производит другие необходимые операции.

 

2.5 Достоинства и недостатки IP-телефонии

 

Либерализация рынка услуг передачи данных, активное развитие услуг доступа в Интернет стимулируют применение в Узбекистане прогрессивных, современных  технологий  телекоммуникаций,  расширение   перечня предоставляемых услуг, в том числе, предоставление услуг IP-телефонии.

Конечный пользователь IP-телефонии не только сохранит имеющиеся преимущества телефонной сети общего пользования, которые включают широкий диапазон услуг, простоту использования, но и получит следующие дополнительные преимущества:

- более низкие цены на традиционные услуги телефонной связи;

- одновременная поддержка голоса и данных. Это означает, что клиенты получат дополнительные преимущества от экономии в развитии, возможном за счет использования единой сети, а также за счет того, что объемы трафика и шаблоны быстро сменяются от данных к голосу, и наобо­рот, -это защищает клиента;

- возможность пользователей иметь доступ к одному и тому же набору услуг вне зависимости от того, где и как они подключаются к сети. Эта распределенная архитектура обеспечивает прекрасную гибкость и делает возможным отсутствие привязки к месту предоставления услуги

- новый набор устройств доступа: от традиционных телефонов и факсов до компьютеров;

- доступ к новым услугам (голосовая почта, конференцсвязь, передача факса и др.) через открытый интерфейс архитектуры на базе IP, что обеспечивает совместимость для широкого спектра разработчиков приложений;

- возможность настройки набора услуг;

- простота оплаты услуг IP-телефонии (обычно с помощью предоплаченных телефонных карточек);

- простота контроля пользователем состояния его расчетного счета (через сеть Интернет).

Наряду с провайдерами IP-телефонии Интернет-провайдеры также могут занять определенную нишу на рынке услуг IP-телефонии, так как существующая у них IP-инфраструктура дает хорошие возможности для внедрения услуг голосовой связи. Необходимые для этого аппаратные и программные средства можно устанавливать поэтапно.

Для Интернет-провайдеров услуга Интернет-телефонии обеспечивает следующие преимущества:

- сбережение капитальных вложений за счет использования открытых компьютерных платформ;

- снижение эксплуатационных расходов как результат предоставления разнообразия услуг на единой сети;

- открытая среда разработчика услуги означает более конкурентную, а следовательно, менее дорогую разработку новых услуг;

- множество услуг может быть доступно через единственный канал с пользователем, что означает больше услуг (прибыли) в расчете на одного пользователя;

IP-телефония может использоваться, прежде всего, в качестве альтернативы международной и междугородной телефонной связи, с экономией на тарифах за счет пропуска трафика. Операторами ТфОП IP-решения могут использоваться для создания резервных каналов для пропуска трафика на случай перегрузок или аварий, что позволит получать им дополнительную прибыль. Одновременно, в настоящее время проектируются универсальные магистральные IP-сети, которые в будущем должны не то чтобы заменить традиционные телефонные сети, но существенно их дополнить услугами передачи данных, видео и мультимедиа.

Различие позиций традиционной и IP-телефонии на рынке услуг телекоммуникаций предопределено уровнем качества предлагаемых услуг, обусловленным технологией их предоставления. Традиционная телефония предусматривает технологию гарантированного качества в соответствии с заданными нормативами, в то время как IP-телефония остается услугой телекоммуникаций пока более низкого качества. Основные факторы, влияющие на снижение качества передачи речи по IP протоколу - время запаздывания пакетов, их задержка и пропадание.

Однако при использовании современного оборудования и сети максимальное время задержки уже сегодня находится на уровне 250 мс, причем качество каналов IP-телефонии сравнимо с качеством каналов сотовой связи, а часто и коммутируемой сети. Следует учесть, что время задержки, вносимое оборудованием, примерно обратно пропорционально производительности процессоров. Последняя же удваивается каждые 1,5-2 года. Поэтому можно ожидать, что в ближайшие годы  максимальная задержка в каналах IP-телефонии приблизится к 150 мс (нормы для каналов коммутируемой сети), а качество этих каналов - к качеству каналов ТфОП.

В оборудовании IP-телефонии последних выпусков заложены возможности интеграции сетей IP-телефонии и ТфОП. Интеграция этих сетей и конкуренция между фирмами будут стимулировать улучшение качества каналов IP-телефонии путем совершенствования оборудования и сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Обеспечение качества IP — телефонии

 

Одна из важнейших проблем при внедрении IP - телефонии - обеспечение высокого качества услуг. IP - телефония является относительно молодым явлением на телекоммуникационном рынке, и от того, насколько действенными будут механизмы обеспечения качества услуг в IP - сети, зависит ее дальнейшая судьба. Решение этой проблемы должно иметь комплексный характер как в отношении использования современных технологий обеспечения заданного качества услуг QoS (Quality of Service), так и масштаба охвата сети.

Вопросами обеспечения заданного качества услуг QoS (Quality of Service) в IP - сетях занимаются международные организации в области стандартизации телекоммуникаций.

Необходимость передачи речевого графика со специфическими требованиями к сетевым ресурсам обусловила  разработку множества протоколов и технологий обеспечения качества услуг.

Механизмы QoS должны обеспечить реализацию следующих функций:

управление ресурсами сети (осуществляется управление полосой пропускания, сетевыми устройствами, используются возможности работы в глобальной сети и др.);

эффективное использование сетевых ресурсов (использование инструментов менеджмента и тарификации позволяют регулировать трафик с целью увеличения экономического эффекта);

специфические услуги (управление и контроль за параметрами QoS позволяют операторам услуг обеспечивать своим клиентам различные уровни обслуживания);

закладка основы для полностью интегрированной сети (использование механизмов QoS в сети должно в перспективе привести к созданию интегрированной сети мультимедиа).

В соответствии с назначением все механизмы обеспечения качества обслуживания речи в сетях с пакетной коммутацией можно разделить на группы:

механизмы QoS в каждом сетевом элементе (например, функции организации очереди, маршрутизации и профилирования трафика).

механизмы сигнализации QoS для обеспечения сквозного качества в сети между сетевыми элементами. Функции расчетов, управления и методов обеспечения QoS для управления и администрирования сетевого трафика.

 

 

 

 

 

3.1 Показатели качества IP-телефонии

 

Традиционные коммутируемые сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удаленности и расположения точек вызова и места ответа.

Сети с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи.

Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, например, e-mail, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP - телефония является одной из областей передачи данных, где важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации, а также увеличением пропускной способности каналов, что приводит к возможности успешной конкуренции IP-телефонии с традиционными телефонными сетями.

Основными составляющими качества IP - телефонии являются:

•Качество речи, которое включает:

- диалог — возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;

- разборчивость - чистота и тональность речи;

- эхо — слышимость собственной речи;

- уровень - громкость речи.

• Качество сигнализации, включающее:

- установление вызова - скорость успешного доступа и время установления соединения;

- завершение вызова - время отбоя и скорость разъединения;

- DTMF - определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.

Факторы, которые влияют на качество IP - телефонии, могут быть разделены на две категории:

• Факторы качества IP — сети:

- максимальная  пропускная  способность -  максимальное количество полезных и избыточных данных, которые она передает;

- задержка — промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;

- джиттер - задержка между двумя последовательными пакетами;

- потеря пакетов - пакеты или данные, потерянные при передаче через сеть.

• Факторы качества шлюза:

- требуемая полоса пропускания - различные вокодеры требуют различную полосу. Например, вокодер G.723 требует полосы 16,3 кбит/с для каждого речевого канала;

- задержка - время, необходимое цифровому сигнальному процессору или другим устройствам обработки для кодирования и декодирования речевого сигнала;

- буфер джиттера - сохранение пакетов данных до тех пор, пока все пакеты не будут получены и можно будет передать в требуемой последовательности для минимизации джиттера;

- потеря пакетов - потеря пакетов при сжатии и/или передачи в оборудовании IP - телефонии;

- подавление эхо - механизм для подавления эхо, возникающего при передаче по сети;

- управление уровнем - возможность регулировать громкость речи.

 

 

 

3.2 Влияние сети на показатели качества IP – сети

 

Задержка

Задержка создает неудобство при введении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эхо. Эхо возникает в случае, когда отраженный речевой сигнал вместе с сигналом от удаленного конца возвращается опять в ухо говорящего. Так как эхо является проблемой качества, системы с пакетной коммутацией речи должны иметь возможность управлять эхо и использовать эффективные методы эхоподавления.

Затруднение диалога и перекрытие разговоров становится серьезным вопросом качества, когда задержка превышает 250 мс. Можно выделить следующие источники задержки при пакетной передачи речи из конца в конец:

- Задержка накопления: эта задержка обусловлена необходимостью

сбора кадра речевых отсчетов, выполняемых в речевом кодере. Величина задержки определяется типом речевого кодера и изменяется от небольших величин (0,125 мкс) до нескольких миллисекунд.

-Задержка   обработки:   процесс   кодирования   и   сбора закодированных отсчетов в пакеты для передачи через пакетную сеть создает определенные задержки. Задержка кодирования или обработки зависит от времени работы процессора и используемого типа алгоритма обработки.

- Сетевая задержка: задержка обусловлена физической средой и протоколами, используемыми для передачи речевых данных, а также буферами, используемыми для удаления джиттера пакетов на приемной стороне. Сетевая задержка зависит от емкости сети и процессов передачи пакетов в сети.

Время задержки при передаче речевого сигнала можно отнести к одному из трех уровней, показанных в таблице 3.2.1

 

 

Таблица 3.2.1

 

Уровень

 

Задержка

 

Качество связи

 

I

 

до 200 мс

 

высокое

 

II

 

до 400 мс

 

среднее

 

III

 

свыше 400 мс

 

низкое

 

 

Качество Интернет - телефонии попадает под 2-3 уровни, причем, невозможно уверенно сказать, что тот ли иной провайдер Интернет -телефонии работает по второму уровню, так как задержки в сети Интернет изменчивы. Более точно можно сказать о провайдерах IP - телефонии работающих по выделенным каналам. Они попадают под 1-2 уровни. Средние суммарные задержки при использовании IP - телефонии обычно находятся в пределах 150-250 мс.

 
Джиттер

 

Когда речь или данные разбиваются на пакеты для передачи через IP - сеть, пакеты часто прибывают в пункт назначения в различное время и в разной последовательности. Это создает разброс времени доставки пакетов (джиттер). Джиттер приводит к специфическим нарушениям передачи речи, слышимым как щелчки. Различают три формы джиттера:

1)джиттер, зависимый от данных - происходит в случае ограниченной полосы пропускания или при нарушениях в сетевых компонентах;

2)искажение  рабочего  цикла  -  обусловлено  задержкой распространения между передачей снизу вверх и сверху вниз;

3)случайный джиттер - является результатом теплового шума.

  Величины возникающих задержек и их вероятности важны для организации процедуры обработки и выбора параметров обработки. Понятно, что временная структура речевого пакетного потока меняется. Возникает необходимость организации буфера для превращения пакетной речи, отягощенной нестационарными задержками в канале, возможными перестановками пакетов, в непрерывный естественный речевой сигнал реального времени. Параметры буфера определяются компромиссом между величиной запаздывания телефонного сигнала в режиме дуплексной связи и процентом потерянных пакетов. Потеря пакетов является другим серьезным негативным явлением в IP - телефонии.

 

 

 

Потеря пакетов

 

Потерянные пакеты в IP - телефонии нарушают речь и создают искажения тембра. В существующих IP - сетях все голосовые кадры обрабатываются как данные. При пиковых нагрузках и перегрузках голосовые кадры будут отбрасываться, как и кадры данных. Однако кадры данных не связаны со временем, и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путем повторения. Потеря голосовых пакетов, в свою очередь, не может быть восполнена таким способом и в результате произойдет неполная передача информации. Предполагается, что потеря до 5% пакетов незаметна, а свыше 10-15 % -недопустима. Причем данные величины существенно зависят от алгоритмов компрессии/декомпрессии.

Существенно, что потеря большой группы пакетов приводит к необратимым искажениям речи, тогда как потери одного, двух, трех пакетов можно пытаться компенсировать. Ясно, что с повышением трафика возрастают задержки и потери. В условиях ограниченных пропускных способностей это проявляется не только при интегральном увеличении загрузки каналов, например, в часы наибольшей нагрузки, но и при увеличении потока локального источника информации.

 

3.3 Процедура обработки речи в IP-телефонии

 

  Для обеспечения качественной передачи речевых сигналов в IP-телефонии необходима их следующая обработка:

  1. Устранение всех нежелательных компонентов из входного аудиосигнала. После оцифровки речи необходимо удалить эхо из динамика в микрофон. Эффективное эхоподавление и уменьшение шумов абсолютно необходимо в любой конфигурации с "открытым микрофоном" и с громкоговорителем на базе персонального компьютера для традиционной и IP- телефонии. Эти функции реализуются аудиокомпонентами персональных компьютеров, так что сама система IP - телефонии может их и не иметь. Шлюзам IP -телефонии требуется выполнять меньший объем обработки.

2.    Подавление пауз в речи; распознавание остаточного фонового шума и кодирование для восстановления на дальнем конце; то же самое для опознаваемых сигналов. Паузы лучше всего полностью подавлять на ближнем конце. Для сохранения окружающих звуков необходимо смоделировать фоновые шумы, чтобы система на дальнем конце могла восстановить их для слушателей. Сигналы многочастотного набора номера и другие сигналы можно заменить на короткие коды для восстановления на дальнем конце.

3.   Сжатие голосовых данных. Сжать оцифрованный голос можно разными способами. В идеале решения, для IP - телефонии, должны быть достаточно быстрыми, сохранять качество речи и давать на выходе небольшие массивы данных.

4.   "Разбитие" сжатых голосовых данных на короткие сегменты равной длины, их нумерация по порядку, добавление заголовков пакетов и передача. Хотя стек протоколов TCP/IP поддерживает пакеты переменной длины, их использование   затрудняет   достижения устойчивой и предсказуемой межсетевой маршрутизации в голосовых приложениях. Маршрутизаторы быстро обрабатывают небольшие пакеты и рассматривают обычно все передаваемые по одному и тому же IP - адресу пакеты одного размера одинаковым образом. В результате пакеты проходят по одному маршруту, поэтому их не надо переупорядочивать.

5.   Прием и переупорядочивание пакетов в адаптивном " буфере ресинхронизации" для обеспечения интеллектуальной обработки потерь и задержек пакетов. Главной целью здесь является преодоление влияния переменной задержки между пакетами. Решение этой проблемы состоит в буферизации числа поступающих пакетов.

 

3.4 Методы кодирования речевой информации

 

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. Большинство кодеков, используемых в IP - телефонии, описаны Рекомендациями семейства "G" стандарта Н.323 изображенные на рисунке 3.4.1

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.4.1 Стандарты для кодирования речевых сигналов

 

Одной из самых распространенных разновидностей описанного метода кодирования является метод LD-CELP (Low-Delay Code-Excited Linear Pre­diction).   Он   позволяет   достичь   удовлетворительного   качества воспроизведения при пропускной способности 16 кбит/с. Алгоритм применяется к последовательности цифр, получаемых в результате аналого-цифрового преобразования голосового сигнала с 16-разрядным решением. Для применения этого метода требуются большие вычислительные мощности. В марте 1995г. был принят новый стандарт - G.723, который предполагается использовать при сжатии речи для организации видеоконференций по телефонным сетям. Основой G.723 является метод сжатия речи MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization). Он позволяет добиться весьма  существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества звучания. В основе метода лежит процедура оптимизации; с помощью различных усовершенствований можно сжимать речь до уровня 4,8; 6,4; 7,2 и 8,0 кбит/с. Структура алгоритма позволяет на основе программного обеспечения изменять степень сжатия голоса в ходе передачи. Вносимая кодированием задержка не превышает 20 мс. Повышая эффективность использования полосы пропускания, механизмы сжатия речи в то же время могут привести к ухудшению ее качества и увеличению задержек.

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

 

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 линейным предсказанием. 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.

Основные характеристики кодеков приведены в таблице 3.4.1

 

 

 

Таблица 3.4.1

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.

 

 

3.5 Обеспечение качества IP — телефонии на базе протоколов

RSVP, RTP, RTCP, IPv6.

 

Протокол RSVP.

Одним из средств обеспечения качества IP - телефонии является использование протокола резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP). С помощью RSVP мультимедиа-программы могут потребовать специального качества обслуживания (specific quality of service, QoS) посредством любого из существующих сетевых протоколов, - главным образом IP. Протокол RSVP предусматривает гарантированное   QoS благодаря тому, что через каждый компьютер, или узел, который связывает между собой участников телефонного разговора, может передаваться определенное количество данных.

Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о свободном количестве ресурсов сообщением RSVP Path (рисунок 3.5.1). Транзитные маршрутизаторы по мере прохождения  этого сообщения также анализируют имеющиеся у них количества свободных ресурсов и подтверждают его соответствующим сообщением RSVP Resv, передаваемых в обратном направлении. Если ресурсов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов недостаточно, получатель должен снизить требования   или прекратить передачу информации.

Одна из интересных особенностей RSVP заключается в том, что запросы на резервирование ресурсов направляются только от получателей данных отправителям, а не наоборот. Такой подход обусловлен тем, что лишь устройство-получатель знает, с какой скоростью оно должно получать данные, чтобы надежно декодировать аудио и видеосигналы. Другая уникальная особенность заключается в том, что резервирование производится лишь для одного направления.

Недостатком протокола RSVP является то, что полоса пропускания, выделяемая источнику информации, при снижении активности источника не может быть использована для передачи другой информации. Поскольку для реализации QoS протокол RSVP требует резервирования ресурсов или каналов связи, пользователи могут захватить ресурсы сети, инициируя несколько сеансов  QoS подряд. Как только канал зарезервирован он становится, недоступным для других пользователей, даже если тот, кто его затребовал, ничего не передает.

Как альтернатива этому способу может использоваться алгоритм управления потоками на основе системы приоритетов. Механизм управления приоритетами реализован в шестой версии IP, где предусматривается введение до 16 приоритетов, а также возможность организации нескольких логических потоков в рамках одного физического соединения.


 

  Рисунок 3.5.1 Применение протокола RSVP

 

Протоколы RTP и RTCP.

Протокол прикладного уровня RTP (Real-time Transport Protocol), предназначен для доставки чувствительной к задержкам информации с использованием сетевых служб одноадресной и групповой рассылки. Он не имеет собственных механизмов, гарантирующих своевременную доставку пакетов или другие параметры качества услуг - это осуществляют нижележащие протоколы. Обычно RTP работает поверх UDP и использует его службы, но может функционировать и поверх других транспортных протоколов (рисунок 3.5.2)

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

Таким образом, главная особенность RTP - это вычисление средней задержки  некоторого  набора принятых  пакетов  и  выдача  их пользовательскому приложению с постоянной задержкой, равной этому среднему значению. Еще одно преимущество RTP состоит в том, что его можно использовать с RSVP для передачи синхронизированной мультимедиаинформации с определенным уровнем качества обслуживания.

Возможность RTP можно расширить, объединив его с протоколом управления передачей в реальном времени (Real-time Transport Control Proto­col, RTCP).   С помощью RTCP контролируется доставка RTP-пакетов и обеспечивается обратная связь с передающей стороной и другими участниками сеанса. RTCP периодически рассылает свои управляющие пакеты, используя тот же механизм распределения, какой применяется и для RTP-пакетов с пользовательской информацией.

Основной функцией  RTCP является организация обратной связи с приложением для отчета в качестве получаемой информации. RTCP передает сведения о числе переданных и потерянных пакетов, значений джиттера, задержки и т.д. Эта информация может быть использована отправителем для изменения параметров передачи, например, для уменьшения коэффициента сжатия информации с целью улучшения качества ее передачи. RTCP также предусматривает идентификацию пользователей-участников сеанса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 3.5.2 Стек протоколов Н.323

  Протокол IPv6.

Начать разработку IPv6 организацию Internet Engineering Task Force побудили опасения, что Internet израсходует весь запас уникальных адресов. Первоначально сеть   Internet была рассчитана на связь небольшого количества исследовательских сетей. Поэтому поле адреса в используемой в настоящее время системе адресации IPv4 может принимать около 4 млрд. уникальных значений. Число уникальных адресов, обеспечиваемых новой системой - 10. Это должно хватить на много лет вперед.

IPv6 включает следующие возможности, отсутствующие у IPv4:

- расширенное адресное пространство: IPv6 использует 128-битовые адреса вместо 32-битовых IPv4. В результате адресное пространство увеличивается в 296 раз, что явно достаточно даже в случае неэффективного распределения сетевых адресов;

- улучшенные возможности маршрутизации: в связи с увеличением межсетевого графика, связанного с обработкой больших объемов мультимедийной информации, весьма существенной является необходимость обеспечения высоких скоростей маршрутизации. Без  применения эффективных алгоритмов обработки пакетов данных становится невозможным повысить скорости работы маршрутизаторов до уровня, сравнимого со скоростями передачи информации по каналам связи;

- управление доставкой информации: IPv6 позволяет отмечать соответствие конкретного пакета определенным условиям его передачи, заданным отправителем. В результате достигается регулирование скорости передачи определенных потоков данных, что позволяет обеспечивать эффективную поддержку специальных протоколов. За счет назначения приоритетов передачи данных по определенным протоколам, появляется возможность  гарантировать  первоочередность  обработки  наиболее критической информации и предоставления важным данным всей полосы пропускания канала связи. Другие особенности, имеющиеся у IPv6, позволяют протоколам этого семейства обеспечивать одновременную многоадресную доставку информации;

- средства обеспечения безопасности:  IPv6  предоставляет возможности защиты от атак, связанных с подменной исходных адресов пакетов, и от несанкционированного доступа к полям данных пакетов. Эти возможности достигаются за счет применения алгоритмов аутентификации и шифрования.