Лекция 10. Характеристики шлюзов IP-телефонии

Цель лекции: ознакомление с характеристиками шлюзов IP-телефонии.

В общем случае IP-телефония опирается на две основных операции:

- преобразование двунаправленной аналоговой речи в цифровую форму внутри кодирующего/декодирующего устройства (кодека);

- упаковку в пакеты для передачи по IP-сети.

Эти функции чаще всего выполняют автономные шлюзы, которые имеют несколько разновидностей. Это могут быть выделенные устройства или совмещенные маршрутизаторы/коммутаторы со встроенным аппаратным и программным обеспечением шлюза. Другой тип – когда шлюз объединен с оборудованием удаленного доступа и пулом модемов.

Независимо от способа аппаратной реализации шлюзы IP-телефонии должны обладать рядом необходимых свойств:

- совместимость со стандартом H.323. Базовым протоколом для работы IP-оборудования был принят протокол H.323v2, которая стандартизирует мультимедийную связь в сетях с коммутацией пакетов. Пользователи мультимедийных ПК с ПО H.323 могут подключиться к такой системе шлюзов. Вызовы при этом могут быть направлены на поддерживающие H.323 шлюзы других производителей. В результате данная система будет обеспечивать интеграцию речи, видео и данных в реальном масштабе времени (как, например, система Microsoft NetMeeting);

- наличие механизмов резервирования ресурсов. Поддержка какой-либо схемы приоритезации (протокол резервирования RSVP или байт дифференциации услуг – DS byte) для осуществления возможности выбора приоритета между передаваемой речью или данными является важной характеристикой шлюза. При этом протокол RSVP позволяет маршрутизаторам резервировать часть полосы пропускания для организации голосового трафика;

- поддержка основных телефонных интерфейсов и типов сигнализаций. Важным критерием при оценке характеристик шлюзов является возможно большее разнообразие телефонных интерфейсов, поддерживаемых IP-шлюзом (E1, PRI, BRI), и аналогового в частности, а также поддержка основных типов телефонной сигнализации: CAS, DTMF, PRI и ОКС № 7. Существенную роль играет поддержка оборудованием механизмов безопасности в соответствии с упомянутой рекомендацией Н.235;

- транспортные архитектуры. Диапазон транспортных архитектур, с которыми работают современные шлюзы, достаточно широк: выделенные линии, ISDN, Frame Relay, ATM, Ethernet;

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

- обеспечение факс-связью. Она опирается на два стандарта. Стандарт Т.37 сводит передачу факсов к доставке с промежуточным хранением, так как изображения факсов передаются в виде вложений электронной почты. Благодаря Т.37 факс-аппараты и факс-серверы могут взаимодействовать друг с другом так же согласованно, как и традиционные факсы. Стандарт Т.38 описывает передачу факсов в реальном масштабе времени либо посредством имитации соединения с факс-аппаратом, либо с помощью метода модуляции под названием FaxRelay. Т.38 может использоваться для реализации функциональности схожей с традиционной факсимильной связью;

- управление шлюзом. Шлюзы могут отличаться предусмотренными средствами управления. Данные средства управления имеют своей функцией маршрутизацию вызовов между шлюзами и перекодировки телефонных номеров в IP-адреса. Они конструктивно могут быть интегрированы со шлюзом либо представлять собой отдельный «мультимедийный менеджер конференций» или «многоголосовый менеджер доступа». Одним из решений является использование единого пакета, включающего в себя средства биллинга, маршрутизации вызовов и сетевого администрирования;

- возможность установки различных алгоритмов кодирования речи. На показатели качества передаваемого голоса по IP-сети существенно влияет схема кодирования, используемая в шлюзе VoIP при сжатии голосовой информации. Самой распространенной является схема, обеспечивающая наибольшую степень сжатия информации и соответствующая спецификации G.723.1 (до 5.3 кбит/с). Применяются и другие схемы – G.729a, G.711, G.726, G.728.

За последнее время появились следующие виды оборудования IP-телефонии для всех сценариев:

- автономные шлюзы IP-телефонии, подключаемые к АТС через цифровые и аналоговые интерфейсы и осуществляющие предварительную обработку речевых сигналов, компрессию, упаковку в IP-пакеты и передачу их по сети;

- магистральные речевые платы с интерфейсом 10/100BaseT (ЛВС Ethernet) для подключения УАТС существующих моделей к корпоративной IP-сети. После установки в АТС такой платы речевой трафик в виде IP-пакетов может быть направлен по локальной или глобальной пакетной сети подобно тому, как он сейчас передается от АТС по телефонной сети;

- телефонные аппараты, упаковывающие речевую информацию в IP-пакеты (IP-телефоны) и подключаемые не к телефонной сети, а к ЛВС Ethernet. Такие аппараты требуют от сетевого администратора минимальных настроек, используя протокол динамической конфигурации DHCP;

- специализированные коммутаторы речевых пакетов, предна­значенные для выполнения функций традиционной АТС на базе протокола IP (IP-АТС).

Аппаратура IP-телефонии выпускается в совмещенной или автономной конструкции. Совмещенный сервер выполняет функции шлюза, привратника и администратора (manager), т.е. осуществляет маршрутизацию, сбор биллинговой информации (IP-адрес, время начала и конца разговора и т.п.), подавление эхосигналов, детектирование пауз в разговоре, заполнение пауз на приеме комфортным шумом (comfort noise), буферизацию принятых пакетов для уменьшения джиттера, интерполяцию потерянных речевых пакетов, а также контроль состояния разговорного канала (среднее время задержки, джиттер, процент потерь пакетов). В автономной конструкции эти функции выполняются отдельными устройствами.

В ранних моделях цифровая обработка сигнала производилась программными средствами. Позднее программную обработку сменила аппаратная, основную роль стали выполнять платы DSP (Digital Signal Processing), что разгрузило основной процессор и оперативную память, увеличило число портов оборудования и уменьшило время задержки речевой информации. Наиболее известны платы DSP фирм Texas Instrument, Dialogic (DM3 IP Link) и Natural Microsystems (Quad E1) [8]. Структурная схема шлюза в Протей-ITG реализована на базе специализированных процессоров DSP, а остальные функции выполняются ПО, использующим универсальный процессор (см. рисунок 10.1).

Рисунок 10.1 – Структурная схема шлюза Протей- ITG

Модуль обработки телефонной сигнализации взаимодействует с телефонным оборудованием, преобразуя сигналы систем DSS1 и ОКС7 во внутрисистемные примитивы, которые отражают состояния процесса обслуживания вызова (установление соединения, отбой и т.п.) и используются модулем логики услуг шлюза для установления соединений между СТОП и IP-сетью. Модуль сигнализации H.323 обрабатывает сигнальную информацию протоколов RAS, H.225.0 (Q.931) и H.245. Информация о состояниях процесса обслуживания вызова в IP-сети передается в модуль логики услуг шлюза. Модуль логики услуг шлюза IP-телефонии отвечает за маршрутизацию вызова, поступившего из СТОП в IP-сеть. Производятся такие операции, как контроль доступа и анализ телефонного номера вызываемого абонента с последующим определением и предоставлением требуемой услуги. Модуль пакетирования речи выполняет функции подготовки речевого сигнала, поступающего из СТОП с постоянной скоростью, для дальнейшей его передачи по сети с маршрутизацией пакетов IP. Основными функциями модуля являются: преобразование речевого сигнала методом ИКМ, эхокомпенсация, кодирование речевого сигнала, обнаружение активных периодов и пауз в речи и адаптация воспроизведения. Кроме того, модуль отвечает за детектирование и генерацию сигналов DTMF и за обработку факсимильных и модемных сигналов.

На рисунке 10.2 представлена структура модуля пакетирования речи.

Рисунок 10.2 – Модуль пакетирования речи

Механизм обнаружения активных периодов речи проверяет получаемый из СТОП сигнал на наличие в нем речевой информации. Если в течение определенного времени речевая информация не обнаружена, передача речевых пакетов в IP-сеть прекращается. Использование этого механизма существенно повышает эффективность использования полосы пропускания. Экономия полосы может доходить до 60%.