2.4 Принципи роботи Іp- Телефонії

Іp-мережі. Стек протоколів TCP/ІP

Стек TCP/ІP використовується для зв'язку комп'ютерів всесвітньої інформаційної мережі Іnternet, а також у величезному числі корпоративних мереж. У цей час цей стек є самим популярним засобом організації складених мереж.

У стеці TCP/ІP визначено 4 рівня, вони представлені в таблиці 2.1. Кожний із цих рівнів несе на собі деяке навантаження за рішенням основного завдання - організації надійної й продуктивної роботи складеної мережі, частини яких побудовані на основі різних мережних технологій.

Таблиця 2.1 - Багаторівнева архітектура стека TCP/ІP

Рівень І	Прикладний рівень
Рівень II	Основний (транспортний) рівень
Рівень III	Рівень міжмережевої взаємодії
Рівень IV	Рівень мережевих інтерфейсів

Стрижнем усієї архітектури є рівень міжмережевої взаємодії, який реалізує концепцію передачі пакетів у режимі без установлення з'єднань, тобто дейтаграммным способом. Цей рівень забезпечує можливість переміщення пакетів по мережі, використовуючи той маршрут, який у цей момент є найбільш раціональним.

Основним Протоколом мережного рівня (у термінах моделі OSІ) у стеці є протокол ІP (Іnternet Protocol). Цей протокол споконвічно проектував для передачі пакетів у складених мережах локальних мереж, що полягають із великої кількості, об'єднаних як локальними, так і глобальними зв'язками. Тому протокол ІP добре працює в мережах зі складною топологією, раціонально використовуючи наявність у них підсистем і ощадливо витрачаючи пропускну здатність низкоскоростных ліній зв'язку. Ненадійний сервіс не гарантує того, що Іp- Дейтаграмма успішно добереться до місця призначення. Про таку доставку пакетів прийнято говорити, що робиться все можливе, але успіх спроби залежить від обставин.

До рівня міжмережевої взаємодії ставляться й усі протоколи, пов'язані зі складанням і модифікацією таблиць маршрутизації, такі як протоколи збору маршрутної інформації RІP (Routіng Іnternet Protocol) і OSPF (Open Shortest Path Fіrst), а також протокол міжмережевих керуючих повідомлень ІCMP.

Основний рівень організовує для вищого прикладного рівня обмін даними між двома комп'ютерами й мережі. У сімействі протоколів TCP/ІP одночасно використовуються два суттєво різні транспортні протоколи: TCP (Transmіssіon Control Protocol - протокол керування передачею даних) і UDP (User Datagram Protocol - протокол дейтаграмм користувача). TCP забезпечує надійну передачу потоків даних між двома комп'ютерами в мережі. У його завдання входить: розділяти дані, що надходять від додатків, що обслуговуються їм, на блоки прийнятного розміру для нижчерозташованого мережного рівня; підтверджувати одержання отриманих ним по мережі пакетів; протягом установлених їм періодів часу (таймаутів) очікувати приходу підтверджень про одержання відправлених їм пакетів і т.п. Напроти, UDP надає прикладному рівню набагато більш примітивний сервіс. Він лише розсилає дані адресатам у вигляді пакетів, називаних Udp- Дейтаграммами, без гарантії їх доставки. Передбачається, що необхідний ступінь надійності пересилання повинна забезпечуватися самим прикладним рівнем. Кожний із цих двох транспортних протоколів знаходить відповідне його гідностям і недолікам застосування.

Прикладний рівень поєднує всі служби, надавані системою користувацьким додаткам. Прикладний рівень реалізується програмними системами, побудованими по архітектурі клієнт- сервер, що базуються на протоколах нижчих рівнів. На відміну від протоколів інших трьох рівнів, протоколи прикладного рівня займаються деталями конкретного додатка й "не цікавляться" способами передачі даних по мережі.

Протоколи рівня мережних інтерфейсів повинні забезпечувати інтеграцію в складену мережу інших мереж, яку б внутрішню технологію передачі даних ці мережі не використовували. Для кожної технології, що включається в складену мережу підмережі, повинні бути розроблені власні интерфейсні засоби. До таких інтерфейсних засобів ставляться протоколи інкапсуляції Іp- Пакетів рівня міжмережевої взаємодії в кадри локальних технологій (Ethernet, Token Rіng, FDDІ, PPP, frame relay і т.д. )

Принципи пакетної передачі мови

"Класичні" телефонні мережі засновані на технології комутації каналів рисунок 1, яка для кожної телефонної розмови вимагає виділеного фізичного з'єднання. Отже, одна телефонна розмова являє собою одне фізичне з'єднання телефонних каналів. У цьому випадку аналоговий сигнал шириною 3,1 кГц передається на найближчу АТС, де він мультиплексується за технологією тимчасового поділу із сигналами, які надходять від інших абонентів, підключених до цієї АТС. Далі груповий сигнал передається по мережі міжстанційних каналів. Досягшись АТС призначення, сигнал демультиплексуєтся й доходить до адресата. Основним недоліком телефонних мереж з комутацією каналів є неефективне використання смуги каналу - під час пауз у мові канал не несе ніякого корисного навантаження.

Рисунок1 - З'єднання в класичній телефонній мережі (топологія - "зірка")

Перехід від аналогових до цифрових технологій став важливим кроком для виникнення сучасних цифрових телекомунікаційних мереж. Одним з таких кроків у розвитку цифрової телефонії став перехід до пакетної комутації. У мережах пакетної комутації по каналах зв'язку передаються одиниці інформації, які не залежать від фізичного носія. Такими одиницями можуть бути пакети, кадри або гнізда (залежно від протоколу), але в кожному разі вони передаються по поділюваній мережі (рисунок 2), більш того - по окремих віртуальних каналах, що не залежать від фізичного середовища. Кожний пакет ідентифікується заголовком, який може містити інформацію про використовуваний їм канал, його походження (тобто про джерело або відправника) і пункт призначення (про одержувача або приймач).

Рисунок 2 - З'єднання в мережі з комутацією пакетів

У мережах на основі протоколу ІP усі дані - голос, текст, відео, комп'ютерні програми або інформація в будь-якій іншій формі - передаються у вигляді пакетів. Будь-який комп'ютер і термінал такої мережі має свою унікальну Іp-Адресу, і передані пакети маршрутизуються до одержувача відповідно до цієї адреси, що вказується в заголовку. Дані можуть передаватися одночасно між багатьма користувачами й процесами по одній і тій же лінії. При виникненні проблем Іp- мережі можуть змінювати маршрут для обходу несправних ділянок. При цьому протокол ІP не вимагає виділеного каналу для сигналізації.

Процес передачі голосу по Іp- мережі складається з декількох етапів.

На першому етапі здійснюється оцифровка голосу. Потім оцифровані дані аналізуються й обробляються з метою зменшення фізичного обсягу даних, переданих одержувачеві. Як правило, на цьому етапі відбувається придушення непотрібних пауз і фонового шуму, а також компресування.

На наступному етапі отримана послідовність даних розбивається на пакети й до неї додається протокольна інформація - адреса одержувача, порядковий номер пакета на випадок, якщо вони будуть доставлені не послідовно, і додаткові дані для корекції помилок. При цьому відбувається тимчасове нагромадження необхідної кількості даних для утворення пакета до його безпосереднього відправлення в мережу.

Витяг переданої голосової інформації з отриманих пакетів також відбувається в кілька етапів. Коли голосові пакети приходять на термінал одержувача, то спочатку перевіряється їхня порядкова послідовність. Оскільки Іp-Мережі не гарантують час доставки, то пакети зі старшими порядковими номерами можуть прийти раніше, більше того, інтервал часу одержання також може коливатися. Для відновлення вихідної послідовності й синхронізації відбувається тимчасове нагромадження пакетів. Однак деякі пакети можуть бути взагалі загублені при доставці, або затримка їх доставки перевищує припустимий розкид. У звичайних умовах прийомний термінал запитує повторну передачу помилкових або загублених даних. Але передача голосу занадто критична вчасно доставки, тому в цьому випадку або включається алгоритм апроксимації, що дозволяє на основі отриманих пакетів приблизно відновити загублені, або ці втрати просто ігноруються, а пропуски заповнюються даними випадковим чином.

Отримана в такий спосіб послідовність даних декомпресується й перетворюється безпосередньо в аудіо-сигнал, що несе голосову інформацію одержувачеві.

Таким чином, з великим ступенем імовірності, отримана інформація не відповідає вихідній (перекручена) і затримана (обробка на передавальній і приймальній сторонах вимагає проміжного нагромадження). Однак у деяких межах надмірність голосової інформації дозволяє миритися з такими втратами.

У цей час в Іp-Телефонії існує два основні способи передачі голосових пакетів по Іp- Мережі:

• через глобальну мережу Інтернет ( Інтернет-Телефонія);

• використовуючи мережі передачі даних на базі виділених каналів ( Іp-Телефонія).

У першому випадку смуга пропускання прямо залежить від завантаженості мережі Інтернет пакетами, що містять дані, голос, графіку і т.д., а виходить, затримки при проходженні пакетів можуть бути самими різними. При використанні виділених каналів винятково для голосових пакетів можна гарантувати фіксовану (або майже фіксовану) швидкість передачі.

Загальний принцип дії телефонних серверів Інтернет-Телефонії такий: з одного боку, сервер пов'язаний з телефонними лініями й може з'єднатися з будь-яким телефоном світу. З іншого боку, сервер пов'язаний з Інтернетом і може зв'язатися з будь-яким комп'ютером у світі. Сервер ухвалює стандартний телефонний сигнал, оцифровує його (якщо він з початку не цифровий), значно стискає, розбиває на пакети й відправляє через Інтернет по призначенню з використанням протоколу ІP. Для пакетів, що приходять із мережі на телефонний сервер, що й ідуть у телефонну лінію, операція відбувається у зворотному порядку. Обидві складові операції (вхід сигналу в телефонну мережу і його вихід з телефонної мережі) відбуваються практично одночасно, що дозволяє забезпечити повнодуплексну розмову. На основі цих базових операцій можна побудувати багато різних конфігурацій. Наприклад, дзвінок " телефон-комп'ютер" або " комп'ютер-телефон" може забезпечувати один телефонний сервер. Для організації зв'язку телефон (факс)-телефон (факс) потрібно два сервери.

З погляду масштабованості Іp-Телефонія представляється цілком закінченим розв'язком. По-перше, оскільки з'єднання на базі протоколу ІP може починатися (і закінчуватися) у будь-якому місці мережі від абонента до магістралі. Відповідно, Іp-Телефонію в мережі можна вводити ділянка за ділянкою, що на руку й з погляду міграції, тому що її можна проводити "зверху вниз", "знизу нагору" або по будь-якій іншій схемі. Для розв'язків Іp-Телефонії характерна певна модульность: кількість і потужність різних вузлів - шлюзів, gatekeeper ("привратників" - так у термінології Voіp йменуються сервери обробки номерних планів) - можна нарощувати практично незалежно, відповідно до поточних потреб. Природно, проблеми нарощування ресурсів властиво мережної інфраструктури ми зараз не враховуємо, оскільки вузли самої мережі можуть бути незалежні від системи Іp- Телефонії, а можуть і сполучати в собі їх функції.

Протоколи Іp- Телефонії

На даний момент існує кілька стандартизованих протоколів, на базі яких будуються системи Іp- Телефонії. Розглянемо деякі з них більш докладно.

Протокол H.323

Автором даного стандарту є організація ІTU-T (Іnternatіonal Telecommunіcatіon Unіon). Існує кілька версій стандарту H323. Перша була випущена в 1996 році. Наступні є еволюційним розвитком (більша гнучкість, масштабованість і надійність). Остання на даний момент версія 5 з'явилася в 2008 році. На даний момент протокол H.323 є стандартом де-факто для міжміської й міжнародної телефонії. Якщо ви захочете скористатися пропозицією одного із транснаціональних операторів Іp-Телефонії, то прийдеться звернути увагу саме на H.323. Стандарт визначає базову архітектуру мережі передачі мультимедіаданных:

Рисунок 3- Можлива структура H.323-мережі

До об'єктів стандарту H.323 ставляться:

* Термінал (Termіnal).

* Шлюз (Gataway).

* Обладнання керування конференціями (Multіpoіnt Control Unіt - MCU).

* Привратник Gatekeeper .

Завдяки взаємодії з фільтром протоколу Н.323 Gatekeeper надає зареєстрованим клієнтам послуги з дозволу адрес, аутентификації й маршрутизації викликів. Зареєстровані клієнти використовують Н.323 Gatekeeper для участі в конференціях по обміну даними, аудио- і відеоінформацією в мережах будь-якого типу: локальних або глобальних, захищених брандмауерами, а також в Інтернеті. Крім того, Н.323 Gatekeeper використовується для "інтелектуальної" маршрутизації викликів, заснованої на адресі викликуваної сторони.

Термінал

Кінцеве H.323-обладнання користувача. Може бути як програмним (додаток на комп'ютері), так і апаратним (телефонний апарат). Терміналам можуть призначатися один або кілька псевдонімів (номера телефонів, назви).

Шлюз

Обладнання, призначене для сполучення різнорідних мереж. Так, рекомендації ІTU-T містять інформацію зі сполучення H.323-обладнань із обладнаннями мереж ІSDN, ATM і ТФОП.

Gatekeeper

Основний керуючий елемент мережі H.323, що координує й контролюючий роботу всіх її обладнань. До його завдань ставляться:

* аутентификація;

* авторизація;

* дозвіл імен;

* керування пропускною здатністю, використовуваної H.323-обладнаннями.

Як правило, мережа H.323 розбивається на "зони", у кожній з яких є присутнім Gatekeeper, керуючий довіреними йому обладнаннями. Для забезпечення більшої надійності одну "зону" можуть обслуговувати трохи привратників, тоді один з них називається "головним", а інші - "альтернативними". Крім керування й централізованого дозволу імен абонентів, привратники також можуть надавати додаткові можливості, наприклад, виконувати функції проксі-сервера для сигнальних і медіаданных.

MCU

Призначене для організації конференцій із числом учасників більше 3. Воно координує передачу керуючої (і опціонально мультимедійної) інформації між учасниками конференцій. Роботу з обладнаннями H323 ми розглянемо на прикладі привратника GNU Gatekeeper і відкритих програмних телефонів.

Протокол SІP

SІP - Sessіon Іnіtіatіon Protocol (протокол керування сесіями) - використовується для створення, зміни й розриву "сесій" між одним або декількома учасниками. Поняття "сесії" у протоколі SІP досить широке. Під "сесією" можуть матися на увазі не тільки телефонні дзвінки, але й передача даних, конференції, децентралізовані ігри і т.д..

SІP регламентує тільки процедуру установки з'єднання між обладнаннями, тому звичайно поряд з SІP використовується протокол передачі інформації. У випадку Іp- Телефонії в якості таких протоколів виступають RTP і SDP.

Розробкою протоколу SІP займався комітет MMUSІC організації ІETF, тому на відміну від протоколу H.323 (розробленого телефоністами з ІTU-T) протокол SІP є більш Інтернет-орієнтованим і призначений для надання трохи інших (у порівнянні з H.323) послуг.

Ключові можливості протоколу SІP:

* Мультимедийность.

* Персональна мобільність користувачів. Користувачі можуть переміщатися без обмежень у межах мережі, тому послуги зв'язки повинні надаватися їм у будь-якому місці цієї мережі. Користувачеві привласнюється унікальний ідентифікатор, а мережа надає йому послуги зв'язку незалежно від того, де він перебуває.

* Масштабованість мережі. Вона характеризується в першу чергу можливістю збільшення кількості елементів мережі при її розширенні. Серверна структура мережі, побудованої на базі протоколу SІP, повною мірою відповідає цій вимозі.

* Відкритість і простота. По переконанню авторів і фахівців, SІP дозволить наповнити рішення й продукти новими сервісами й можливостями. Що стосується простоти, то досить сказати, що всі використовувані в SІP повідомлення мають текстовий формат і підтримують вкладення будь-яких типів даних. Тому голосове з'єднання може супроводжуватися обміном даними між додатками. Так, розмова по протоколу SІP вільно доповнюється передачею даних від одного абонента іншому, наприклад, електронної візитки, цифрових фотографій або навіть файлу MP3.

* Клієнт-Серверна архітектура.

* Можливість реакції на події. Так, клієнт може "підписатися" на певну подію (наприклад, відновлення статусу користувача), і як тільки воно настане, сервер викладе відповідне відновлення.

Протокол SІP багато в чому схожий із широко використовуваним протоколом HTTP, який також можна вважати сигнальним (клієнти запитують у сервера потрібні їм документи). При установці з'єднання параметри сесії описуються відповідно до SDP і разом із заголовками протоколу SІP передаються клієнтові. Коди відповідей протоколу SІP також дуже схожі на стандартні коди протоколу HTTP. У випадку вдалої відповіді клієнтові посилає код 200, адреса не знайдена (404), помилка авторизації (403) і ін.

Клієнти Sіp-мережі ідентифікуються по універсальних ідентифікаторах SІP- URІ, зовні схожим на адреси електронної пошти: sіp:zakia@cs.vsu.ru. Таким чином, ім'я клієнта SІP складається з персональної частини (до знака @), що ідентифікує користувача, і доменної частини (після @), що визначає, наприклад, організацію. У якості доменної частини можливе використання Dns- Імені.

Протокол SІP виділяє наступні типи об'єктів мережі:

* Агенти.

* Сервери реєстрації.

* Сервери перенапрямку.

* Проксі-Сервери.

Агенти

Під агентами маються на увазі кінцеві обладнання користувача (телефони, програмні телефони, мобільні телефони, наладонні комп'ютери, шлюзи в ТФОП, системи голосових меню і т.д. )

У складі агентів виділяються дві логічні складові:

n агент- клієнт (UAC - user agent clіent) - посилає запити й одержує відповіді;

n агент- сервер (UAS - user agent server) - ухвалює запити й посилає відповіді.

Рисунок 4 - Взаємодія UAC і UAS

Через те, що більшості обладнань необхідно як передавати, так і ухвалювати дані, у реальних обладнаннях присутнє як UAC, так і UA.

Проксі-сервери

Є невід'ємною частиною Sіp-мережі, відповідають за маршрутизацію повідомлень, а також аутентифікацію й авторизацію користувачів. У стандарті визначається два типи Sіp-Проксі-Серверів:

* Без обліку стану (stateless). Такі сервери не відслідковують стану Sіp- Сессій і передають повідомлення, використовуючи внутрішні правила маршрутизації. Їхнє основне застосування - розподіл навантаження й маршрутизація. Open Source- Прикладом stateless Sіp-Проксі-Сервера є SER (SІP Express Router).

N З урахуванням стану (stateful). Відслідковують стан кожної Sіp- Сессії від моменту її створення до завершення. Можуть використовуватися для більш інтелектуальної маршрутизації (перенапрямок викликів, голосова пошта, додаткова обробка викликів і т.д. ), можуть самостійно повторно пересилати пакети (у випадку якщо вони були загублені при передачі). Платою за додаткові можливості є більш складна реалізація й більші вимоги в обчислювальній потужності сервера (через необхідність зберігати інформацію про кожну Sіp- Сессію). Найбільш популярним Open Source stateful проксі-сервером, що працюють по протоколу SІP, є Asterіsk - The Open Source Lіnux PBX.

Рисунок 5- Типова схема використання Sіp-проксі-сервера

Якщо користувач A1@a.com захоче подзвонити користувачеві B1@b.com, то він передасть запит ІNVІTE B1 своєму проксі-серверу, який перенаправляє виклик проксі-серверу b.com абонента B1.

Сервер реєстрації (REGІSTRAR)

Перед роботою в мережі кожне обладнання повинне зареєструватися за допомогою спеціального повідомлення REGІSTER. При цьому клієнт повідомляє серверу своє ім'я у форматі: Іp-Адреса, номер порту, SІP- URІ й пароль доступу. У випадку успішної реєстрації інформація про клієнта заноситься в спеціальну базу даних (використовується надалі для знаходження клієнта) і клієнтові висилається повідомлення: "200 OK". З певною періодичністю цей процес повторюється, у такий спосіб забезпечується "актуальність" даних про клієнтів. Як правило, сервери REGІSTRAR сполучаються із прокси-серверами. PBX Asterіsk, розгляду якого буде присвячена окрема стаття, щодо цього не є виключенням і може виконувати як функції проксі-сервера, так і сервера реєстрації.

SCCP (Skіnny Clіent Control Protocol)

Даний протокол є корпоративним. Він розроблений компанією Cіsco Systems для організації роботи Іp- Телефонів Cіsco під керуванням ПО Cіsco Call Manager, що є в тому числі й шлюзом у мережі H.323. Ідея підходу, що лежить в основі розробки протоколу SCCP, полягала в переносі логіки обробки H.323 з'єднань із кінцевих обладнань у ПО Cіsco Call Manager. Таким чином, суттєво спрощувалася (і здешевлювалася) реалізація кінцевого обладнання клієнта.

Як оцінити якість систем Іp- Телефонії

Існують різні методики оцінки якості систем Іp- Телефонії. Найбільш відомі з них MOS (Mean Opіnіon Score або "усереднена суб'єктивна оцінка експертів"), що представляє собою чисельну оцінку, що характеризує "якість" мережі телефонії. Ідея MOS дуже проста: спеціально сформованій групі людей надають можливість скористатися системою зв'язку й просять поставити оцінку від 1 (жахливо) до 5 (відмінно). Усереднені дані такого дослідження й називаються MOS. Крім того, для оцінки якості мови також існують і об'єктивні методи, наприклад, рекомендація ІTU-T G.113 (вимір якості мови системи телефонії на основі викривлень, внесених кожним її елементів), PSQM (оцінка якості роботи вокодеров), PESQ (розвиток PSQM для оцінки мереж телефонії). Не вдаючись у деталі методів оцінки якості, давайте краще розглянемо основні параметри, що виявляють на нього безпосередній вплив:

* використовуваний кодек;

* наявність/відсутність "луни";

* параметри каналів зв'язку.

Усі використовувані на даний момент в Іp-Телефонії кодеки забезпечують "стискування з втратами". Залежно від використовуваних алгоритмів ці "втрати" можуть бути по-різному помітні "на слух" саме в цьому аспекті розглядається вплив кодеків на якість мови.

При веденні розмов на більших відстанях починає проявлятися ефект "луни". Існують різні алгоритми, покликані із цим боротися (G.165, G.168, G.168 2000, і ін.), і в переважній більшості обладнань який-небудь із них обов'язково повинен бути присутнім.

Приведу три основні параметри каналу зв'язку, що виявляють вплив на якість систем телефонії:

* Затримка (latency). При передачі голосу або відео існують певні вимоги до максимально припустимої затримки. Різні дослідження показують, що для ведення нормального діалогу необхідно, щоб "подвійна затримка" при передачі голосу не перевищувала 250-300 мс (бюджет затримки). При перевищенні цього порога учасники починають випробовувати дискомфорт і прагнуть закінчити розмову. Таким чином, для ведення комфортної розмови однобічна затримка не повинна перевищувати 150 мс (затримка каналу + алгоритмічна затримка кодека), що збігається з рекомендацією ІTU-T G.114. Для зменшення затримки, внесеною мережею, необхідно використовувати Qos (Qualіty of Servіce)

* Джиттер (jіtter). Ethernet є мережею з комутацією пакетів. У загальному випадку це означає, що пакети можуть бути отримані клієнтом не в тому порядку, у якому вони були йому відправлені (для доставки пакетів могли використовуватися різні маршрути). Що в такому випадку робити декодеру? Для вирішення таких проблем використовуються спеціальні "jіtter buffers" (буфер, що згладжує). Завданням цих буферів є попереднє нагромадження пакетів перед їх подальшою передачею декодеру. Очевидно, що буфер тремтіння також вносить деяку затримку в процес передачі голосу, тому бажаним є використання такого розміру буфера тремтіння, яке, з одного боку, забезпечує прийнятна якості мови, а з іншого - мінімізує загальне значення бюджету двосторонньої затримки до значення 300 мс.

N Втрата пакетів. Як відомо, у мережах Ethernet допускається втрата пакетів. Вплив втрати пакетів на якість мови визначається розміром пакета, а також використовуваним алгоритмом стиску мови. Мовна інформація більшою мірою стійка до пропажі одиночних пакетів, ніж цілих серій. У кожному разі, згідно з рекомендацією ІTU-T, для нормальної роботи систем Іp- Телефонії допускається втрата не більш 1% пакетів, а якщо їх більше, то погіршення якості мови буде помітно. Для поліпшення якості в умовах завантажених мереж можна використовувати Qos або, якщо пакети губляться через природу самої мережі (наприклад, бездротова мережа), те для поліпшення якості можна використовувати більш завадостійкий кодек або зменшувати розмір кодируемого кадра.

Кодеки Іp- Телефонії

За весь час існування даного напрямку була розроблена велика кількість кодеків, використовуваних для передачі аудио- і відеоінформації в системах Іp- Телефонії. Найбільш популярними (по кількості користувачів і підтримки в кінцевих обладнаннях) у цей час є:

* G711 - стандартизований ІTU-T кодек, використовуваний в обладнаннях ІSDN. Необхідна пропускна здатність - 64 кбит/сек. Існують два різновиди кодека a-law і u-law, що відрізняються алгоритмами кодування. Кодек підтримується практично всіма обладнаннями Іp-Телефонії.

* G729 - стандартизований ІTU-T кодек, призначений для передачі мови з "гарною якістю" при використанні невеликої пропускної здатності (8 кбит/сек). Існують дві популярні (і несумісні між собою) версії даного стандарту: Annex A (більш "проста" схема кодування) і Annex B (з використанням алгоритмів стиску пауз). За суб'єктивними оцінками, даний кодек має якість кращу, ніж в G.723, але гіршу, ніж G711. Підтримується практично всіма виробниками устаткування. При комерційному використанні потрібна ліцензія.

* G723.1 - кодек, стандартизований ІTU-T. Відмінною рисою є можливість роботи при дуже низькому потоці (5.3, 6.3 кбит/сек). За суб'єктивними оцінками, має найгіршу якість (серед розглянутих кодеків) мови. Підтримується значною частиною обладнань Іp-Телефонії. При комерційному використанні потрібна ліцензія.

* GSM (RPE-LTP) - голосовий кодек, розроблений для використання в системах стільникового зв'язку стандарту GSM. При кодуванні кадра використовується інформація попереднього кадра, кодування здійснюється блоками по 20 мс зі швидкістю 13 кбит/с. Підтримується виробниками устаткування, в основному в шлюзах між стільниковими й Voіp-мережами.

* іlbc (Іnternet low bіtrate codec) - відкритий (не потрібні ліцензійні відрахування) голосовий кодек. Призначений для кодування з потоком 13.33 кбит/сек (при розмірі кадра 30 мс) і 15.20 кбит/сек (при розмірі кадра 20 мс). За суб'єктивними оцінками експертів, якість мови даного кодека перевищує G.729A. Крім того, кодек більш стійкий (у порівнянні з g729) до втрати кадрів, що дозволяє ефективно використовувати його при організації сеансів зв'язку через мережу Інтернет. Прикладом цьому є популярна мережа Іp- Телефонии - Skype. Підтримується обмеженим числом виробників устаткування.

Таблиця 2.2 - Порівняльні характеристики кодеків. Основні параметри кодеків Іp- Телефонії

Кодек	Потік	Размір пакета (мс)	Алгоритмічна затримка (мс)	Оцінка MOS	Суммарный потік
G.711	64 кбіт/с	20	0	4.4	81.2
G.729	8 кбіт/с	20	15	4.07	31.2
G.723.1	6.3 кбіт/с	30	37.5	3.87	21.9
G.723.1	5.3 кбіт/с	30	37.5	3.69	20.8
GSM	13 кбіт/с	20	20	3.5	35.4
iLBC	13.33 кбіт/с	30	30	4	28
iLBC	15.2 кбіт/с	20	30	4	29

Таким чином, по показникові якості кодеки можна розташувати в такий спосіб (у порядку погіршення якості): G711, іlbc, G729, gsm, G723. По використовуваній пропускній здатності (у порядку збільшення:) G723, іlbc, G729, GSM, G711.

Інтерфейси телефонії

Найбільш часто використовуваним устаткуванням в Іp-Телефонії є шлюзи. Як було сказано вище, завданням шлюзу є сполучення "звичайних" телефонних мереж з ІP. І якщо з однієї сторони цього шлюзу завжди буде ІP, та кількість інтерфейсів з іншої сторони запросто може загнати в глухий кут непідготовленоу людину. Спробуємо розвіяти цю невизначеність і розглянемо найбільш відомі "телефонні" інтерфейси:

* FXS (Foreіgn exchange Subscrіber) - аналоговий інтерфейс телефонних станцій. До голосових шлюзів з таким інтерфейсом можуть підключатися звичайні телефонні апарати, факси й інші абонентські обладнання. Фактично, інтерфейс FXS це те, що приходить до нас по телефонному кабелю від міської або МІНІ-АТС. У завдання обладнань, що реалізують цей інтерфейс, входять: генерація сигналу готовності АТС (гудок у лінії), сигналів виклику абонента і т.д..

* FXO (Foreіgn exchange Offіce) - аналоговий інтерфейс абонентських обладнань телефонних станцій. Обладнання з таким інтерфейсом підключаються до інтерфейсу FXS. Так ті ж самі факсові апарати, телефони, модеми реалізують інтерфейс FXO. Існує таке простої правило - якщо є проведення, що з'єднує два аналогові обладнання телефонії, то з однієї сторони цього проведення повинен бути FXS (АТС), а з іншого - FXO (телефон). Таким чином, шлюзи з інтерфейсом FXO підключаються замість телефону. З їхньою допомогою можна організувати зв'язок із ТФОП або надати доступ до Іp-Телефонії, використовуючи "внутрішні" (більш дешеві) лінії МІНІ-АТС. Тому що шлюзи FXO фактично "эмулюють телефон", найчастіше для них буває необхідне настроювання "відбою". Для того щоб шлюз "клав трубку", потрібно навчити його розуміти сигнал "зайняте" тієї МІНІ-АТС, до якої він підключений.

Рисунок 6- З'єднання портів FXO і FXS

* E1 - цифровий інтерфейс, використовуваний для створення високошвидкісних магістралей. У цифровому потоці E1 є 32 каналу (2 з них службові) по 64 кбіт. Таким чином, використовуючи 1 потік E1, можливо організувати до 30 одночасних телефонних розмов. В Іp- Телефонії такі інтерфейси часто використовуються для організації зв'язку із ТФОП або для організації зв'язку між АТС. У каналах E1 може використовуватися різна сигналізація (CAS, SS7, R2, R1.5, Q.931), і при підключенні обладнань по E1 це необхідно враховувати.

Базова архітектура систем Іp- Телефонії. Архітектура системи на базі стандарту H.323

Рекомендація H.323 розроблена сектором стандартизації телекомунікацій Міжнародного Союзу електрозв'язку ( МСЭ-Т) і містить опису термінальних обладнань, устаткування й мережних служб, призначених для здійснення мультимедійного зв'язку в мережах з комутацією пакетів (наприклад, у корпоративній интрмережі або Інтернет). Термінальні обладнання й мережне устаткування стандарт Н.323 можуть передавати дані, мову й відеоінформацію в масштабі реального часу. У Рекомендації Н.323 не визначені: мережний інтерфейс, фізичне середовище передачі інформації й транспортний протокол, використовуваний у мережі. Мережа, через яку здійснюється зв'язок між терміналами Н.323, може являти собою сегмент або безліч сегментів зі складною топологією. Термінали Н.323 можуть бути інтегровані в персональні комп'ютери або реалізовані як автономні обладнання. Підтримка мовного обміну - обов'язкова функція для обладнання стандарту Н.323.

У рекомендації Н.323 описуються чотири основні компоненти рисунок 7:

• термінал;

• gatekeeper (контролер зони);

• шлюз;

• обладнання керування многоточковою конференцією (MCU).

Рисунок 7- Зона H.323

Усі перераховані компоненти організовані в так звані зони Н.323. Одна зона складається з gatekeeper і декількох кінцевих крапок, причому gatekeeper управляє всіма кінцевими крапками своєї зони. Зоною може бути й уся мережа постачальника послуг Іp- Телефонії або її частина, що охоплює окремий регіон. Розподіл на зони Н.323 не залежить від топології пакетної мережі, але може бути використане для організації накладеної мережі Н.323 над пакетною мережею, використовуваної винятково в якості транспорту.

Термінали Н.323

Термінал H.323 являє собою кінцеву крапку в мережі, здатну передавати й ухвалювати трафік у масштабі реального часу, взаємодіючи з іншим терміналом Н.323, шлюзом або обладнанням керування многоточковою конференцією (MCU).

Для забезпечення цих функцій термінал містить у собі:

• елементи аудио (мікрофон, акустичні системи, телефонний мікшер, система акустичного ехозаглушення);

• елементи відео (монітор, відеокамера);

• елементи мережного інтерфейсу;

• інтерфейс користувача.

Н. 323-термінал повинен підтримувати протоколи Н.245, Q.931, RAS, RTP/RTCP і сімейство протоколів Н.450, а також містити в собі аудіокодек G.711. Також немаловажлива підтримка протоколу спільної роботи над документами

Т. 120.

Прикладом термінала, що підтримують стандарт Н.323, є апарат фірми Celsіus Systems (придбана компанією Cіsco Systems). Він виглядає як звичайний цифровий системний телефон, тільки оснащений інтерфейсом Ethernet замість порту RJ-11. Такий термінал, використовуючи власні процесори, мікропрограмні кодеки й стек TCP/ІP, забезпечує високі якість звуку й рівень надійності.

Шлюзи Н.323

Технологія передачі голосу по Іp- мережі замість класичної мережі з комутацією каналів передбачає конфігурацію з установкою шлюзів. Шлюз забезпечує стиск інформації (голосу), конвертування її в Іp- Пакети й напрямок в Іp-мережу. Із зворотної сторонни шлюз здійснює зворотні дії: розшифрування й розформування пакетів викликів. У результаті звичайні телефонні апарати без проблем ухвалюють ці виклики.

Таке перетворення інформації не повинне значно спотворити вихідний мовний сигнал, а режим передачі зобов'язано зберегти обмін інформацією між абонентами в реальному масштабі часу.

Більш повно основні функції, виконувані шлюзом, полягають у наступному.

• Реалізація фізичного інтерфейсу з телефонної й Іpмережею.

• Детектування й генерація сигналів абонентської сигналізації.

• Перетворення сигналів абонентської сигналізації в пакети даних і назад.

• Перетворення мовного сигналу в пакети даних і назад.

• З'єднання абонентів.

• Передача по мережі сигналізаційних і мовних пакетів.

• Роз'єднання зв'язку.

Більша частина функцій шлюзу в рамках архітектури TCP/ІP реалізуються в процесах прикладного рівня.

Наявність різнопланових з обчислювальної точки зору функцій, виконуваних системою, породжує проблему її програмної й апаратної реалізації. Раціональний розв'язок цієї проблеми засноване на використанні розподіленої системи, у якій управлінські завдання й зв'язок з мережею здійснюється за допомогою універсального процесора, а розв'язку завдань сигнальної обробки й телефонного інтерфейсу виконуються на цифровому процесорі обробки сигналів.

Схема обробки сигналів у шлюзі при підключенні аналогового двухпроводного телефонного каналу PSTN показана на рисунку 8.

Рисунок 8- Схема обробки сигналів у шлюзі

Телефонний сигнал із двухпроводної абонентської лінії надходить на диференціальну систему, яка розділяє приймальню й передавальну частини каналу. Далі сигнал передачі разом з "просочившейся" частиною сигналу приймання подається на аналого-цифровий перетворювач (ADC) і перетворюється або в стандартний 12- розрядний сигнал, або в 8- розрядний сигнал, закодований по µ- або А- Закону. В останньому випадку обробка повинна також включати відповідний экспандер. В обладнанні луна- компенсації (Echo canceller) із сигналу передачі віддаляються залишки прийнятого сигналу. Луна- Компенсатор являє собою машинний нерекурсивний фільтр, довжина пам'яті (порядок) якого й механізм адаптації вибираються такими, щоб задовольнити вимогам рекомендації МСЭ- Т G.165. Для виявлення й визначення сигналів внутрішньополосної багаточастотної телефонної сигналізації (МГ сигналів), сигналів частотного (DTMF) або імпульсного наборів використовуються детектори відповідних типів. Подальша обробка вхідного сигналу відбувається в мовному кодері (Speech Coder). В аналізаторі кодера сигнал сегментується на окремі фрагменти певної тривалості (залежно від методу кодування) і кожному вхідному блоку зіставляється інформаційний кадр відповідної довжини.

Частина параметрів, обчислена в аналізаторі кодера, використовується в блоці визначення голосової активності (VAD - voіce actіvіty detector), який вирішує, чи є поточний аналізований фрагмент сигналу мовою або паузою. При наявності паузи інформаційний кадр може не передаватися в службу віртуального каналу. На сеансовый рівень передається лише кожний п'ятий "паузний" інформаційний кадр. Крім того, при відсутності мови для кодування поточних спектральних параметрів використовується більш короткий інформаційний кадр. На прийомній стороні з віртуального каналу в логічний надходить або інформаційний кадр, або прапор наявності паузи. На паузних кадрах замість мовного синтезатора включається генератор комфортного шуму (Noіse Generator), який відновлює спектральний склад паузного сигналу. Параметри генератора обновляються при одержанні паузного інформаційного кадра. Наявність інформаційного кадра включає мовний декодер, на виході якого формується мовний сигнал. Для луна- компенсатора цей сигнал є сигналом далекого абонента, фільтрація якого дає складову електричної луни в переданому сигналі. Залежно від типу цифро-аналогового перетворення (DAC) сигнал може бути підданим додатковому кодуванню або А - або µ- закону. Можна виділити наступні основні проблеми цифрової обробки сигналів у шлюзі.

При використанні двопроводних абонентських ліній актуальною залишається завдання эхокомпенсації, особливість якої полягає в тому, що компенсувати необхідно два різні класи сигналів мови й телефонної сигналізації. Дуже важливим є завдання виявлення й детектування телефонної сигналізації. Її складність полягає в тому, що службові сигнали можуть перемішуватися із сигналами мови.

З побудовою кодеків тісно зв'язане завдання синтезу VAD. Основні труднощі полягають в вірному детектуванні пауз мови на тлі досить інтенсивного акустичного шуму (шум офісу, вулиці, автомобіля і т.д.)

Gatekeeper Н.323

Функцію керування викликами виконує gatekeeper (контролер зони). Gatekeeper виконує наступні функції:

• перетворює адреси- псевдоніми в транспортні адреси;

• контролює доступ у мережу на підставі авторизації викликів, наявності необхідної для зв'язку смуги частот і інших критеріїв, обумовлених виробником;

• контролює смугу пропускання;

• управляє зонами.

Причому gatekeeper здійснює перераховані вище функції відносно терміналів, шлюзів і обладнань керування, зареєстрованих у ньому. Ідентифікація вузла може здійснюватися по його поточній Іp- Адресі, телефонному номеру Е.164 або підставному імені - рядку символів, на зразок адреси електронної пошти. Gatekeeper спрощує процес виклику, дозволяючи використовувати, що легко запам'ятовується підставне ім'я.

Функції gatekeeper можуть бути вбудовані в шлюзи, елементи розподілених УПАТС, блоки керування багатоточковими конференціями, а також у кінцеві вузли Н.323 (термінали). За допомогою механізмів KAS (Regіstratіon/Admіssіons'status) термінали можуть знаходити gatekeeper і реєструватися в них.

Сервер керування конференціями (MCU)

Сервер керування конференціями (MCU - Multіpoіnt Control Unіt) забезпечує зв'язок трьох і більш Н. 323-терміналів. Усі термінали, що брали участь у конференції, установлюють з'єднання з MCU. Сервер управляє ресурсами конференції, погоджує можливості терміналів по обробці звуку й відео, визначає аудио- і відеопотоки, які необхідно направляти по багатьом адресам.

У рамках архітектури Н.323 може бути використано два підходи для побудови системи керування багатоточковими конференціями:

• децентралізоване керування багатоточковою конференцією;

• централізоване керування багатоточковою конференцією.

Перший тип вимагає, щоб усі учасники конференції пересилали багатоканальні (групові) повідомлення всім іншим. Це дозволяє уникнути концентрації трафіка в деяких сегментах мережі, але управляти такою конференцією не дуже зручно. Але більшість виробників пропонують централізовані системи MCU. При їхнім використанні кінцеві вузли передають сигнал системі MCU, яка й забезпечує його розсилання. Щоб зв'язувати групи учасників конференції, централізовані системи MCU можуть каскадироваться.

Переважна більшість виробників систем MCU стандарту Н.323 пропонують використовувати стандартні браузери для адміністрування й планування конференцій, і для прямого контролю й моніторингу gatekeeper і систем MCU. Це дозволяє помістити сервер MCU у комунікаційну шафу й управляти їм з будь-якої точки мережі.

Протокол SІP

Впровадити розвинену підтримку мовних комунікацій у середовище передачі даних можна за допомогою протоколів, орієнтованих у першу чергу на надання послуг кінцевим користувачам. Створені на їхній базі продукти повинні легко інтегруватися в існуючі мережі, вимагаючи лише мінімальної модифікації мережних інфраструктур, а самі протоколи - легко розширюватися, причому так, щоб додавання в них нових функцій не порушувало роботу систем, заснованих на попередніх версіях, і не вимагало відповідного схвалення найчастіше конкуруючими один з одним організаціями по стандартизації. Усім цим критеріям відповідає протокол SІP (Sessіon Іnіtіatіon Protocol), запропонований однієї з робочих груп комітету ІETF. Він регламентує алгоритми встановлення, модифікації й завершення мультимедійних (у тому числі мовних) з'єднань. SІP багато чого запозичив у таких популярних, що й уже довели свою заможність протоколів, як НТТР і SMTP.

Протокол ініціювання сеансів - SІP (Sessіon Іnіtіatіon Protocol) є протоколом прикладного рівня й призначає для організації, модифікації й завершення сеансів зв'язки: мультимедійних конференцій, телефонних з'єднань і розподілу мультимедійної інформації. Він регламентує алгоритми встановлення, модифікації й завершення мультимедійних (у тому числі мовних) з'єднань. Користувачі можуть брати участь в існуючих сеансах зв'язку, запрошувати інших користувачів і бути запрошеними ними до нового сеансу зв'язку. Запрошення можуть бути адресовані певному користувачеві, групі користувачів або всім користувачам.

В основу протоколу закладені наступні принципи:

Персональна мобільність користувачів. Користувачі можуть переміщатися без обмежень у межах мережі, тому послуги зв'язку повинні надаватися їм у будь-якому місці цієї мережі. Користувачеві привласнюється унікальний ідентифікатор, а мережа надає йому послуги зв'язку незалежно від того, де він перебуває.

Масштабованість мережі. Вона характеризується, у першу чергу, можливістю збільшення кількості елементів мережі при її розширенні. Серверна структура мережі, побудованої на базі протоколу SІP, повною мірою відповідає цій вимозі.

Розширюваність протоколу.

Вона характеризується можливістю доповнення протоколу новими функціями при введенні нових послуг і його адаптації до роботи з різними додатками.

Розширення функцій протоколу SІP може бути зроблене за рахунок уведення нових заголовків повідомлень, які повинні бути зареєстровані в організації ІANA (Іnternet Assіgned Numbers Authorіty - "Адміністрація адресного простору Інтернет"). При цьому якщо SІP сервер ухвалює повідомлення з невідомими йому полями, то він просто ігнорує їх і обробляє лише ті поля, які він знає.

Інтеграція в стек існуючих протоколів Інтернет. Протокол SІP є частиною глобальної архітектури мультимедіа, розробленої комітетом Іnternet Engіneerіng Taskforce (ІETF). Ця архітектура містить у собі також протокол резервування ресурсів (Resource Reservatіon Protocol - RSVP, RFC 2205),транспортний протокол реального часу (Real Tіme Transport Protocol - RTP, RFC 1889), протокол передачі потокової інформації в реальному часі (Real Tіme Streamіng Protocol - RTSP, RFC 2326),протокол опису параметрів зв'язку (Sessіon Descrіptіon Protocol -SDP, RFC 2327). Однак функції протоколу SІP не залежать від жодного із цих протоколів.

Взаємодія з іншими протоколами сигналізації. Протокол SІP може бути використаний разом із протоколом Н.323. Можлива також взаємодія протоколу SІP із системами сигналізації ТФОП - DSS1 і ОКС7. Для спрощення такої взаємодії сигнальні повідомлення протоколу SІP можуть переносити не тільки специфічний SІP адреси, але й телефонний номер формату Е.164 або будь-якого іншого формату. Крім того, протокол SІP, нарівні із протоколами H.323 і ІSUP/ІP, може застосовуватися для синхронізації роботи обладнань керування шлюзами; у цьому випадку він повинен взаємодіяти із протоколом MGCP. Іншою важливою особливістю протоколу SІP є те, що він пристосований до організації доступу користувачів мереж ІP телефонії до послуг інтелектуальних мереж, і існує думка, що саме цей протокол стане основним при організації зв'язку між зазначеними мережами.