IP-телефония. Принципы пакетной передачи речи. Уровни архитектуры IP-телефонии. Три основных сценария IP-телефонии

IP-телефония – технология, использующая сеть с пакетной коммутацией на базе протокола IP (например, Интернет). Понятие VoIP используется за рубежом. Интернет-телефония – частный случай IP-телефонии, когда в качестве каналов передачи пакетов телефонного трафика используются каналы сети Интернет.

Принципы пакетной передачи речи.

"Классические" телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов, которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соединения. Следовательно, один телефонный разговор представляет собой одно физическое соединение физических каналов. В этом случае аналоговый сигнал шириной 3,1 кГц передаётся на ближайшую АТС, где мультиплексируется по технологии временного разделения с сигналами, которые поступают от других абонентов, подключённых к этой АТС. Далее групповой сигнал передаётся 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 несёт никакой полезной нагрузки.

В сетях пакетной коммутации по каналам связи передаются единицы информации (пакеты, кадры, ячейки), которые не зависят от физического носителя, но в любом случае они передаются по разделяемой сети, более того по отдельным виртуальным каналам, не зависящим от физической среды. Каждый пакет идентифицируется заголовком, который может содержать информацию об используемом им канале, его происхождении (адрес источника) и пункте назначения (адрес получателя). Любой терминал и компьютер в сети имеет свой уникальный IP-адрес, и передаваемые пакеты марщрутизируются к получателю в соответствии с его адресом. Данные передаются одновременно между многими пользователями по одной и той же линии. Если возникают какие-то проблемы в сети, на маршруте, то пакеты могут изменять маршрут. При этом протокол IP не требует выделенного канала для сигнализации.

Процесс передачи голоса по IP сети состоит из нескольких этапов. Вначале осуществляется оцифровка голоса. Эти оцифрованные данные анализируются и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, при этом происходит компрессия данных, подавляются фоновый шум и ненужные паузы. Затем последовательность данных разбивается на пакеты и к ней добавляется протокольная инфомация (адрес получателя, порядковый номер пакета, дополнительные данные для коррекции ошибок).

Когда голосовые пакеты приходят на терминал получателя, в первую очередь, проверяется их порядковая последовательность, т. к. IP сети не гарантируют время доставки и пакеты могут прийти в разное время. Для восстановления исходной последовательности и синхронизации происходит временное накопление пакетов. Если какие-то пакеты потерялись, а передача голоса очень критична ко времени доставки, то включается алгоритм аппроксимации, позволяющий на основе полученных пакетов приблизительно восстановить потерянные, либо игнорировать их. Полученная последо- вательность данных декомпрессируется и преобразуется в аудио-сигнал.

В настоящее время в IP-телефонии существует два основных способа передачи голосовых пакетов по IP сети: через глобальную сеть Интернет (Интернет-телефония); используя сети передачи данных на базе выделенных каналов (IP-телефония).

Уровни архитектуры IP-телефонии.

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

Нижняя плоскость представляет собой комбинацию известных протоколов Интернет: это – RTP, который функционирует поверх протокола UDP, расположенного, в свою очередь, в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP. Таким образом, иерархия RTP/UDP/IP представляет собой своего рода транспортный механизм для речевого трафика.

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

В сетях с коммутацией пакетов ситуация более сложна. Сеть с маршрутизацией пакетов IP принципиально поддерживает одновременно целый ряд разнообразных протоколов маршрутизации. Такими протоколами на сегодня являются: RIP, IGRP, EIGRP, IS-IS, OSPF, BGP и др. Точно так же и для IP-телефонии разработан целый ряд протоколов. Наиболее распространенным является протокол, специфицированный в рекомендации Н.323 ITU-T, в частности, потому, что он стал применяться раньше других протоколов, которых, к тому же, до внедрения Н.323 вообще не существовало. Другой протокол плоскости управления обслуживанием вызова – SIP – ориентирован на то, чтобы сделать оконечные устройства и шлюзы более интеллектуальными и поддерживать дополнительные услуги для пользователей. Еще один протокол – SGCP – разрабатывался, начиная с 1998 года, для того, чтобы уменьшить стоимость шлюзов за счет реализации функций интеллектуальной обработки вызова в централизованном оборудовании. Протокол IPDC очень похож на SGCP, но имеет много больше, чем SGCP, механизмов эксплуатационного управления (ОАМ&Р). В конце 1998 года рабочая группа MEGACO комитета IETF разработала протокол MGCP, базирующийся, в основном, на протоколе SGCP, но с некоторыми добавлениями в части ОАМ&Р. Рабочая группа MEGACO не остановилась на достигнутом, продолжала совершенствовать протокол управления шлюзами и разработала более функциональный, чем MGCP, протокол MEGACO. Его адаптированный к Н.323 вариант (под названием Gateway Control Protocol) ITU-T предлагает в рекомендации Н.248.

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 потоков 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 трафика между отдельными участками сети, а оконечное оборудование (шлюзы) включается в ближайший узел коммутации (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Пример построения сети с использованием магистрали

В выделенных сетях (рисунок 5.2) связь между оконечными устройствами осуществляется по выделенным каналам, и пропускная способность этих каналов используется только для передачи речевых пакетов. Чаще всего провайдеры IP-телефонии не строят собственную инфраструктуру, а арендуют каналы у провайдеров первичной сети.

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

Рисунок 5.2 – Пример построения сети IP-телефонии

Рассмотрим три наиболее часто используемых сценария IP-телефонии:

– "компьютер – компьютер";

– "компьютер – телефон";

– "телефон – телефон".

Компоненты модели IP-телефонии по сценарию «компьютер-компьютер» показаны на рисунке 5.3.

В этом сценарии аналоговые речевые сигналы от микрофона абонента А преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), обычно при 8000 отсчетов/с, 8 битов/отсчет, в итоге – 64 Кбит/с. Отсчеты речевых данных в цифровой форме затем сжимаются кодирующим устройством для сокращения нужной для их передачи полосы в отношении 4:1, 8:1 или 10:1. Выходные данные после сжатия формируются в пакеты, к которым добавляются заголовки протоколов, после чего пакеты передаются через IP-сеть в систему IP-телефонии, обслуживающую абонента Б. Когда пакеты принимаются системой абонента Б, заголовки протокола удаляются, а сжатые речевые данные поступают в устройство, развертывающее их в первоначальную форму, после чего речевые данные снова преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и попадают в телефон абонента Б.

Рисунок 5.3 – Сценарий IP-телефонии "компьютер – компьютер"

Для обычного соединения между двумя абонентами системы IP-телефонии на каждом конце одновременно реализуют как функции передачи, так и функции приема. Под IP-сетью, изображенной на рисунке, подразумевается либо глобальная сеть Интернет, либо корпоративная сеть предприятия Intranet.

Следующий сценарий – «телефон – компьютер» – находит применение в разного рода справочно-информационных службах Интернет, в Call-центрах или в службах технической поддержки. Пользователь, подключившийся к cepвepy WWW какой-либо компании, имеет возможность обратиться к оператору справочной службы. Этот сценарий в ближайшие несколько лет будет, по всей вероятности, более активно востребован деловым сектором.

Рассмотрим две модификации этого сценария IP-телефонии:

– от компьютера (пользователя IP-сети) к телефону (абоненту ТфОП), в частности, в связи с предоставлением пользователям IP-сетей доступа к телефонным услугам, в том числе, к справочно-информационным услугам и к услугам Интеллектуальной сети;

– от абонента ТфОП к пользователю IP-сети с идентификацией вызываемой стороны на основе нумерации по Е.164 или IP-адресации.

В первой модификации сценария «компьютер – телефон» предполагается, что установление соединения инициирует пользователь IP-сети. Шлюз для взаимодействия сетей ТфОП и IP может быть реализован в отдельном устройстве или интегрирован в существующее оборудование ТфОП или IP-сети.

В соответствии со второй модификацией сценария «компьютер – телефон» соединение устанавливается между пользователем IP-сети и абонентом ТфОП, но инициирует его создание абонент ТфОП.

Рассмотрим несколько подробнее пример. При попытке вызвать справочно-информационную службу, используя услуги пакетной телефонии и обычный телефон, на начальной фазе абонент А вызывает близлежащий шлюз IP-телефонии. От шлюза к абоненту А поступает запрос ввести номер, к которому должен быть направлен вызов (например, номер службы), и личный идентификационный номер (PIN) для аутентификации и последующего начисления платы, если это служба, вызов которой оплачивается вызывающим абонентом. Основываясь на вызываемом номере, шлюз определяет наиболее доступный путь к данной службе. Кроме того, шлюз активизирует свои функции кодирования и пакетизации речи, устанавливает контакт со службой, ведет мониторинг процесса обслуживания вызова и принимает информацию о состояниях этого процесса (например, занятость, посылка вызова, разъединение и т.п.) от исходящей стороны через протокол управления и сигнализации. Разъединение с любой стороны передается противоположной стороне по протоколу сигнализации и вызывает завершение установленных соединений и освобождение ресурсов шлюза для обслуживания следующего вызова. Для организации соединений от службы к абонентам используется аналогичная процедура.

Эффективность объединения услуг передачи речи и данных является основным стимулом использования IP-телефонии по сценариям «компьютер-компьютер» и «компьютер-телефон», не нанося при этом никакого ущерба интересам операторов традиционных телефонных сетей.

Сценарий «телефон – телефон» в значительной степени отличается от остальных сценариев IP-телефонии своей социальной значимостью, поскольку целью его применения является предоставление обычным абонентам ТфОП альтернативной возможности междугородной и международной телефонной связи. В этом режиме современная технология IP-телефонии предоставляет виртуальную телефонную линию через IP-доступ.

Как правило, обслуживание вызовов по такому сценарию IP-телефонии выглядит следующим образом. Поставщик услуг IP-телефонии подключает свой шлюз к коммутационному узлу или станции ТфОП, а по сети Интернет или по выделенному каналу соединяется с аналогичным шлюзом, находящимся в другом городе или другой стране.

Как показано на рисунке 5.4, поставщики услуг IP-телефонии предоставляют услуги «телефон – телефон» путём установки шлюзов IP-телефонии на входе и выходе IP-сетей. Абоненты подключаются к шлюзу поставщика через ТфОП, набирая специальный номер доступа. Абонент получает доступ к шлюзу, используя персональный идентификационный номер (PIN) или услугу идентификации номера вызывающего абонента (Calling Line Identification). После этого шлюз просит ввести телефонный номер вызываемого абонента, анализирует этот номер и определяет, какой шлюз имеет лучший доступ к нужному телефону. Как только между входным и выходным шлюзами устанавливается контакт, дальнейшее установление соединения к вызываемому абоненту выполняется выходным шлюзом через его местную телефонную сеть.

Рисунок 5.4 – Соединение абонентов ТфОП через транзитную IP-сеть по сценарию "телефон – телефон"

Полная стоимость такой связи будет складываться для пользователя из расценок ТфОП на связь с входным шлюзом, расценок Интернет-провайдера на транспортировку и расценок удалённой ТфОП на связь выходного шлюза с вызванным абонентом.

Основная литература:1[11–161,53–155], 2[21 – 23,45 –54], 4[58 – 65].

Дополнительная литература: 15,16

Контрольные вопросы:

1. Что вы понимаете под термином IP-телефония и Интернет-телефония?

2. Каковы принципы пакетной передачи речи?

3. Уровни архитектуры IP-телефонии?

4. В чем заключается классификация сетей IP-телефонии?

5. Какие основные сценарии организации IP-телефонии вы знаете?