4.9. Сети ip-телефоиии с протоколами mgcp и м есасо/н.248

Выше было показано, что на сети IP-телефонии применяются шлюзы, в которые включаются АТС и телефонные аппараты TDM- сетей. В таких сетях для управления шлюзами используются контрол­леры MGC (Media Gateway Controller), взаимодействующие со шлю­зами по протоколам MGCP или MEGACO/H.248. Такой контрол­лер также называется Call Agent.

На рис. 4.34 показан пример построения сети IP-телефонии на ос­нове протокола MGCP. В IP-сеть включаются медиашлюзы и контрол­лер. Медиашлюзы в зависимости от назначения делятся на шлюзы доступа — AG (Access Gateway) и шлюзы соединительных линий — TG (Trunk Gateway). Шлюзы доступа предназначены для включения аналоговых и/или цифровых абонентских линий и УАТС малой емко­сти. Шлюзы TG служат для включения в них соединительных линий от АТС TDM-сети. Кроме медиашлюзов на сети IP-телефонии могут устанавливаться шлюзы сигнализации SG (Signaling Gateway) (на рис. 4.34 не показаны). Сигнальный шлюз занимается только пре­образованием сигнализации TDM-сети в сигнализацию IP-сети и на­оборот. Поэтому на сети с сигнальным шлюзом должен быть хотя бы один медиашлюз, обрабатывающий речевые сигналы. Слож­ность варианта со шлюзом SG состоит в том, что в этом случае на TDM-сети возникает необходимость в разделении речевых и сиг­нальных каналов, образованных в цифровых каналах Е1. Шлюз со­единительных линий внутри себя раздельно обрабатывает информа­цию сигнальных и речевых каналов. Сигнальные шлюзы находят применение при подключении АТС большой емкости.

Шлюзы, предназначенные для включения только аналоговых те­лефонных аппаратов, зачастую называются терминальными адапте­рами (ТА).

Контроллер сети обменивается со шлюзами сигнальной инфор­мацией в режиме «ведущий—ведомый» (master—slave), причем роль ведущего принадлежит контроллеру. Между контроллером и шлю­зами передаются команды и ответы на них. Ответ передается на каж­дую команду. Команды передаются как от контроллера, так и от шлю­зов. С помощью протокола MGCP устанавливаются и нарушаются соединения между абонентами сети. Шлюзы не могут обмениваться между собой сигнальной информацией. На рис. 4.34 приведены примеры соединений, установленных меж­ду TG 1 и TG2, TG 1 и AG 1, AG 1 и AG2. При установлении одного со­единения контроллер взаимодействует с двумя или с одним шлюзом, если соединение устанавливается между абонентами, телефонные ап­параты которых включены в этот шлюз.

Недостатком протокола MGCP является то, что он не может взаи­модействовать с IP-терминалами сети, с такими, как IP-телефоны, софтфоны. В этом случае в сети следует применять сигнализацию SIP или Н.323. На рис. 4.34 показан пример включения в сеть ЕР-теле- фонов, которые взаимодействуют по протоколу SIP с SIP-сервером (прокси-сервер). Чтобы устанавливать соединения со шлюзами, SIP- сервер должен взаимодействовать с контроллером по протоколу SIP или Н.323.

В случае установления соединения между абонентами двух сетей, работающих с протоколом MGCP, контроллеры должны обмениваться сигнальной информацией по протоколам SIP или Н.323.

Описанные принципы функционирования сети по протоколу MGCP аналогичны для протокола MEGACO/H.248.

4.10. Качество передачи речи в IP-сети

На качество передачи речи в IP-сети наибольшее влияние оказы­вает задержка речи, джиггер, потери речевых пакетов и эхо.

В телефонной сети задержка рассматривается как интервал вре­мени, затрачиваемого на прохождение электрического речевого сиг­нала от терминала говорящего до терминала слушающего. В цифро­вых сетях с коммутацией каналов задержка невелика (не превышает 50 мс) и поэтому с этим явлением сталкиваются только на сетях с большой протяженностью (более нескольких тысяч километров). Кроме того, в таких сетях задержка остается постоянной в течение одного сеанса связи. Сеть с пакетной передачей речи вносит замет­но большую задержку, которая является случайной величиной и мо­жет меняться в течение сеанса связи. Задержки в сети IP-телефонии появляется в разных точках.

В рекомендации G.114 МСЭ-Т определены следующие нормы на задержки: хорошее качество передачи речи — задержка до 150—200 мс, передача речи недопустима при задержке свыше 400 мс.

На рис. 4.35 показаны задержки на примере соединения в сети IP-телефонии с применением двух шлюзов.

В первую очередь это задержки в оконечных устройствах (в IP-теле­фонах, шлюзах) при передаче и приеме речевых сообщений. Сюда входят задержки накопления, появляющиеся при кодировании и де­кодировании и зависящие от типа кодека. Как было показано выше, задержка накопления обычно составляет от 10 до 40 мс. В пункте пе­редачи битовые блоки с выхода кодека инкапсулируются в пакеты, которые в дальнейшем посылаются в канал IP-сети. Учитывая, что канал одновременно может обслуживать множество пользователей, посылка пакетов в сеть происходит с ожиданием и пакеты ставятся в очередь. Время ожидания является случайной величиной, завися­щей от поступающего на канал трафика и от пропускной способнос­ти канала сети. В пункте приема пакеты также ставятся в очередь — происходит буферизация. Буферизация необходима для устранения явления, получившего название джиттер. Джитгер представляет со­бой разброс времени доставки пакетов для одного соединения. В пункте передачи речевые пакеты формируются на выходе кодека через фиксированные промежутки времени (например, через каждые 30 мс), а при прохождении через сеть задержки пакетов оказываются неодинаковыми, и они прибывают в пункт назначения через разные промежутки времени. Пакеты могут прийти в неправильной после­довательности: пакеты, посланные раньше, поступают в пункт при­ема позже других пакетов. Из буфера очереди пакеты извлекаются в требуемом порядке и с некоторым запаздыванием, необходимым для снижения джиггера При этом, чем больше время нахождения в бу­фере, тем меньше будет джиттер, но тем больше становится общее время задержки. В пункте передачи задержка пакетов колеблется в пределах 30—50 мс, а в пункте приема — в пределах 20—80 мс.

Далее возникает сетевая задержка, обусловленная передачей ре­чевых пакетов через IP-сеть. Главным образом задержка создается маршрутизаторами сети вследствие образования очередей на их вхо­дах и выходах, а также из-за необходимости затрачивать заметное время на обработку пакетов с целью их маршрутизации. В комму­таторах также есть задержка, обусловленная прежде всего очередя­ми пакетов на входах и выходах. Сетевая задержка зависит от ко­личества сетевых узлов и от загрузки звеньев сети, входящих в мар­шрут прохождения пакетов. Для снижения сетевой задержки в IP- сети используют протоколы Diff-Serv и Intserv, которые позволяют вводить приоритеты в обслуживании заданного типа трафика, на­пример — речевого. Эффективным методом снижения сетевых за­держек может быть применение технологии MPLS (Multi Protocol Label Switchin — многопротокольная коммутация по меткам). Эта технология позволяет заметно снизить время обработки пакетов в узлах сети.

Минимальная задержка в сети IP-телефонии (см. рис. 4.35) со­ставляет примерно 100 мс, а максимальная — превышает 500 мс. По­скольку в сетях IP-телефонии существует вероятность задержки бо­лее чем на 400 мс, то в этих сетях допускается вести разговоры при задержке более 400 мс, но не рекомендуется использовать такую связь для деловых переговоров.

Эхо представляет собой прослушивание говорящим абонентом своего голоса в телефоне с некоторым запаздыванием. Эхо имеет электрическую или акустическую природу. Электрическое эхо по­является вследствие отражения речевого сигнала в точке перехо­да с четырехпроводного на двухпроводный разговорный тракт, что имеет место при использовании аналогового телефонного аппа­рата. Если у обоих разговаривающих абонентов установлены циф­ровые телефонные аппараты (ISDN-телефон, IP-телефон или со­фтфон) такого эха в цифровой сети не должно быть. Акустичес­кое эхо возникает, когда абонент пользуется телефонным аппара­том в режиме громкой связи (подключены громкоговоритель и микрофон, находящиеся вне трубки). В этом случае звуковые ко­лебания от громкоговорителя попадают через воздух на микро­фон и далее возвращаются говорящему абоненту. Для устранения эха в терминалах IP-телефонии используют эхокомпенсаторы, действие которых состоит в вычитании из речевого сигнала, пе­редаваемого в сеть, речевого сигнала, принятого из сети. Эхоком- пенсаторы обычно обеспечивают подавление эхосигналов дли­тельностью до 32—64 мс.

4.11. Основы построения сетей NGN

Эволюционное развитие систем связи состоит в постепенном пе­реходе от сетей с коммутацией каналов к сетям с коммутацией паке­тов. Такой процесс сопровождается конвергенцией сетей и услуг. Сети с коммутацией пакетов должны предоставить пользователям тради­ционные услуги с сохранением показателей качества обслуживания. С другой стороны пакетные сети обладают большими функциональ­ными возможностями, чем сети с коммутацией каналов. В них про­исходит интеграция услуг за счет применения единых средств и ме­тодов переноса информации любого вида. Сети с пакетной комму­тацией имеют более гибкую структуру, что приводит к лучшей масштабируемости. Наконец в сетях с пакетной коммутацией раз­деляются функции управления вызовом и передачей пользователь­ской информации. Например, в сети SIP прокси-сервер только управ­ляет образованием и завершением сеансов связи, а речевая или иная пользовательская информация проходит через транспортную сеть.

Очевидно, возникает вопрос о том, что собой должна представлять перспективная сеть, основывающаяся на пакетной коммутации с уче­том сохранения традиционных сетей с коммутацией каналов. Ответом явилась концепция сети следующего поколения NGN (Next Generation Network), предложенная в 2005 г. в качестве стандарта институтом ETSI, а в д альнейшем принятая в качестве рекомендаций МСЭ-Т.

Итак, NGN — это мультисервисная сеть с коммутацией пакетов, способная предоставлять широкий спектр телекоммуникационных услуг на основе широкополосных транспортных технологий, поддер­живающих качество обслуживания (QoS — Quality of Service), в ко­торой обеспечиваемая функциональность не зависит от используе­мых транспортных технологий. Важным свойством такой сети явля­ется отделение функций коммутации от функций предоставления услуг. Такое разделение позволяет гибко добавлять новые услуги по мере их появления Сеть NGN основывается на универсальной многопротокольной транспортной сети с распределенной коммутацией, в которую вклю­чаются оконечные сетевые узлы, предоставляющие услуги пользоавгелям. В настоящее время транспортная сеть строится в основном да базе IP-сети. В последнее время в такой сети все чаще применяют технологию MPLS. В транспортную сеть включаются сети доступа, служащие для подключения терминальных устройств пользователей к оконечным узлам транспортной сети. Управление в сети, к основ­ным подсистемам которого относятся: обслуживание вызовов, уп­равление узлами доступа к сети, поддержка функций сетевых сис­тем сигнализации в сети NGN, обеспечивается программным ком­мутатором, получившим название Softswitch.

Сети NGN в первую очередь ориентированы на создание совре­менной информационной инфраструктуры разных масштабов, вплоть до глобальной информационной инфраструктуры. В общем случае ин­формационная инфраструктура представляет собой совокупность баз данных, средств обработки информации, взаимодействующих сетей связи и терминалов пользователей. В сети NGN, кроме традицион­ных услуг, должны предоставляться услуги нового типа, получившие название инфокоммуникационных услуг. Инфокоммуникационная ус­луга предполагает автоматизированную обработку, хранение или пре­доставление по запросу информации с использованием средств вы­числительной техники, как на входящем, так и на исходящем конце соединения. Инфокоммуникационные услуги характеризуются сле­дующими особенностями. Такие услуги оказываются на верхних уровнях модели ВОС (в то время как традиционные услуги связи пре­доставляются на третьем сетевом уровне). Большинство инфокомму­никационных услуг предполагает наличие клиентской и серверной частей; клиентская часть реализуется в оборудовании пользователя, а серверная — на специальном выделенном узле сети, называемом узлом служб. Инфокоммуникационные услуги, как правило, предпо­лагают передачу информации мультимедиа, которая характеризуется высокими скоростями передачи и несимметричностью входящего и исходящего информационных потоков. Для предоставления ин­фокоммуникационных услуг зачастую необходимы сложные много­точечные конфигурации соединений, например при организации кон­ференц-связи. Для инфокоммуникационных услуг характерно разно­образие прикладных протоколов и возможностей по управлению ус­лугами со стороны пользователя. Для идентификации абонентов ин­фокоммуникационных услуг может использоваться дополнительная адресация в рамках данной инфокоммуникационной услуги.

нальных сообщений через IP-сеть — Sigtran (Signaling Transport — транспортирование сигнальной информации). Эта технология по­зволяет пересылать от точки к точке (на рис. 4.36 — от TG к Softswitch и обратно) по образованному логическому каналу сигнальные сооб­щения ОКС № 7, EDSS1 и V5.2. Для транспортировки сигнальных сообщений применяется протокол транспортного уровня IP-сети — SCTP (Stream Control Transmission Protocol).

В сеть NGN включаются SIP-сети и Н.323-сети, соединения с ко­торыми и между которыми осуществляются через коммутатор Softswitch с применением систем сигнализации SIP и Н.323 соответ­ственно.

В IP/MPLS-сеть могут включаться непосредст венно или через сеть LAN (на рис. 4.36 — LAN2) терминалы, проходящие регистрацию и обслуживаемые напрямую коммутатором Softswitch.

Для связи с другими сетями NGN происходит взаимодействие между коммутаторами Softswitch этих сетей. Коммутаторы обмени­ваются сигнальной информацией по протоколам SIP/SIP-T. Прото­кол SIP-T (Session Initiation Protocol for Telephones — протокол SIP для телефонии) расширяет возможности протокола SIP при взаимо­действии с традиционными телефонными сетями. Он позволяет пе­реносить через IP-сеть от точки к точке сообщения подсистемы ISUP сигнализации ОКС № 7 (на рис. 4.36 — между двумя коммутаторами Softswitch). В более ранних коммутаторах Softswitch взаимодействие может осуществляться по протоколам Н.323 или BICC (Bearer In­dependent Call Control Protocol — протокол управления обслужива­нием вызова, не зависимый от носителя). Как и внутри одной сети NGN, пользовательский трафик проходит между терминалами, ми­нуя коммутаторы Softswitch.

При взаимодействии сетей NGN двух операторов связи на гра­нице сетей ставится контроллер SBC (Session Board Controller — пограничный контроллер сеансов). Через такой контроллер пропус­каются в обоих направлениях соединений потоки медиа- и сигналь­ных пакетов. В первую очередь такой контроллер необходим для обеспечения безопасности соединений для каждого оператора свя­зи и для возможности тарификации межсетевого трафика. Контрол­лер SBC также производит: преобразование сигнальных протоколов SIP и Н.323, преобразование медиатрафика (при передаче речи: пре­образование результатов сжатия кодеками разных типов), управленальных сообщений через IP-сеть — Sigtran (Signaling Transport — транспортирование сигнальной информации). Эта технология по­зволяет пересыпать от точки к точке (на рис. 4.36 — от TG к Softswitch и обратно) по образованному логическому каналу сигнальные сооб­щения ОКС № 7, EDSS1 и V5.2. Для транспортировки сигнальных сообщений применяется протокол транспортного уровня IP-сети — SCTP (Stream Control Transmission Protocol).

В сеть NGN включаются SIP-сети и Н.323-сети, соединения с ко­торыми и между которыми осуществляются через коммутатор Softswitch с применением систем сигнализации SIP и Н.323 соответ­ственно.

В IP/MPLS-сеть могут включаться непосредственно или через сеть LAN (на рис. 4.36 — LAN2) терминалы, проходящие регистрацию и обслуживаемые напрямую коммутатором Softswitch.

Для связи с другими сетями NGN происходит взаимодействие между коммутаторами Softswitch этих сетей. Коммутаторы обмени­ваются сигнальной информацией по протоколам SIP/SIP-T. Прото­кол SIP-T (Session Initiation Protocol for Telephones — протокол SIP для телефонии) расширяет возможности протокола SIP при взаимо­действии с традиционными телефонными сетями. Он позволяет пе­реносить через IP-сеть отточки к точке сообщения подсистемы ISUP сигнализации ОКС № 7 (на рис. 4.36 — между двумя коммутаторами Softswitch). В более ранних коммутаторах Softswitch взаимодействие может осуществляться по протоколам Н.323 или BICC (Bearer In­dependent Call Control Protocol — протокол управления обслужива­нием вызова, не зависимый от носителя). Как и внутри одной сети NGN, пользовательский трафик проходит между терминалами, ми­нуя коммутаторы Softswitch.

При взаимодействии сетей NGN двух операторов связи на гра­нице сетей ставится контроллер SBC (Session Board Controller — пограничный контроллер сеансов). Через такой контроллер пропус­каются в обоих направлениях соединений потоки медиа- и сигналь­ных пакетов. В первую очередь такой контроллер необходим для обеспечения безопасности соединений для каждого оператора свя­зи и для возможности тарификации межсетевого трафика. Контрол­лер SBC также производит: преобразование сигнальных протоколов SIP и Н.323, преобразование медиатрафика (при передаче речи: пре­образование результатов сжатия кодеками разных типов), управле­ние качеством обслуживания QoS (например, через введение меха­низмов приоритетности обслуживания вызовов), управление допус­ком принимаемых вызовов в соседнюю сеть (при необходимости не­которым вызовам отказывается в обслуживании, что защищает сеть от так называемых атак и от всплесков нагрузки). Довольно значи­тельна роль контроллера SBC в реализации согласования систем сиг­нализации SIP или Н.323, поставляемых разными производителя­ми. Традиционно контроллер SBC выполняет преобразование сете­вых адресов (NAT — Network Address Translator) и функции межсете­вого экрана (Firewall) — фильтрация пакетов.

Из рассмотренной схемы построения сети NGN видно, что один коммутатор Softswitch выполняет функции управления всей сетью, в первую очередь управление установлением соединений и разъе­динениями. С этой точки зрения коммутатор Softswitch аналоги­чен традиционному узлу коммутации TDM-сети. Однако речевые и иные пользовательские потоки пакетов через него не проходят, а это значит, что собственно коммутация в привычном понимании TDM-сети не производится. Перенос процессов коммутации в транс­портную сеть позволил заметно уменьшить объем оборудования и потребление энергии программным коммутатором.

Рассмотрим построение программного коммутатора на примере схемы, приведенной на рис. 4.37.

Основные функции коммутатора Softswitch можно разделить на три уровня: уровень интерфейсов, уровень обслуживания вызо­вов и сигнализации и прикладной уровень. Коммутатор может также выполнять функции уровня управления услугами и эксп­луатацией, но чаще эти функции возлагаются на отдельные сис­темы. Например, управление эксплуатацией происходит в центре технического обслуживания (ЦТО) или в центре технического управления (ЦТУ).

Уровень интерфейсов служит для взаимодействия с транспорт­ной сетью. Обязательными являются интерфейсы, работающие с протоколами сети Ethernet с разными скоростями: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с и с разной средой передачи: симметричный и коаксиальный медный кабель, оптический ка­бель, радиоканалы. Возможны интерфейсы сети ATM, для кото­рых чаще используются каналы синхронных систем передачи STM1, STM4 и другие.

Уровень обслуживания вызовов и сигнализации включает в себя контроллеры разного назначения, обеспечивающих установление соединений и разъединений в сети и между сетями NGN, управле­ние шлюзами и доступом к сети с применением разных протоко­лов, описанных выше. Для взаимодействия с цифровыми сетями с коммутацией каналов предусмотрены контроллеры систем сигнали­зации ОКС № 7, ISDN (DSS1, EDSS1, QSIG) и V5.1/V5.2. Кон­троллер ОКС № 7 может использоваться и для работы в интел­лектуальных сетях по протоколу INAP (Intelligent Network Application Protocol — Прикладной протокол интеллектуальной сети). На этом уровне находит применение контроллер речевых ресурсов, необходимый для управления ресурсами сети для обес­печения заданного качества услуг QoS.

Прикладной уровень служит для предоставления различных ус­луг пользователям, для взаимодействия с внешними системами мониторинга, администрирования и биллинга. В зависимости от назначения коммутатор Softswitch может предоставлять услуги ме­стной сети (класс 5) или транзита между сетями (класс 4). Комму­татор может быть комбинированным, выполняющим функции классов 4 и 5. Поскольку коммутатор класса 5 непосредственно обслуживает пользователей, он предоставляет более широкий набор услуг, в частности услуги IP-Centrex. Услуги IP-Centrex позволя­ют в IP-сети организовать выделенные виртуальные сети для от­дельных групп пользователей. В каждой группе пользователи могут устанавливать соединения между собой, используя внутрен­нюю нумерацию. Часть абонентов могут устанавливать соедине­ния вне выделенной сети. Коммутатор класса 5 при обслуживании вызовов и предоставлении услуг взаимодействует с абонентской базой данных. С помощью коммутатора Softswitch могут предо­ставляться услуги интеллектуальной сети по протоколам INAP и SIP, что обеспечивается взаимодействием с серверами приложе­ний и дополнительных услуг.

На рассматриваемом уровне реализуются функции централизо­ванного мониторинга и администрирования.В случае предоставления оплачиваемых услуг на прикладном уровне должна быть система CDR (Call Detail Record — запись под­робной учетной информации о вызове), которая передает данные о вызовах в биллш новую систему. Последняя для каждого пользова­теля или группы пользователей обеспечивает начисление платы за предоставленные услуги.

Функции уровня обслуживания вызовов и сигнализации и при­кладного уровня реализуются с помощью прикладных программ, для выполнения которых необходимы операционная система и драйве­ры сетевых услуг.

Коммутатор Softswitch представляет собой централизованную систему управления, которая может обслуживать десятки тысяч пользователей. К этой системе предъявляются наиболее высокие требования по надежности. Как правило, все узлы коммутатора дублируются или предусматривается резервирование по схеме N+1. Подключение к транспортной сети происходит по нескольким ин­терфейсам с возможностью маршрутизации пакетов на уровне ин­терфейсов. Применяется только гарантированная система элект­ропитания.Глава 7

ПОСТРОЕНИЕ ОБЩЕТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕЛЕФОННОЙ СЕТИ ОбТС