За последние годы было предложено несколько решений по созданию универсальной инфраструктуры для передачи разнородного трафика. В условиях повышенных требований к качеству сервиса и ширине полосы пропускания необходимы сети с услугами высокого качества и повышенной скоростью передачи.

IP играет ключевую роль в обеспечении гибкости обслуживания. Для того чтобы увеличить общую рентабельность сети, поставщики должны предоставить услуги, основанные на IP или способные «понимать» IP, так как большинство приложений, требующих предоставления услуг глобальных сетей, использует IP. А поскольку потребители продолжают требовать от своих поставщиков предоставления дополнительных функциональных возможностей, поставщики должны постоянно искать все новые и новые услуги, которые смогут дополнить и усилить приложения потребителей. Можно с уверенностью говорить о том, что эти услуги должны быть основаны на IP.

IP становится стандартным протоколом для корпоративных, intranet- и extranet-сетей. В 80-е годы территориально-распределенные корпоративные сети строились на основе выделенных каналов E1/T1. Для уплотнения каналов применялись мультиплексоры, используемые для интеграции голоса и данных в сетях общего пользования и в частных сетях. В то же время принципы построения телефонных сетей кардинально не менялись. В таких сетях телефонные соединения устанавливаются по предопределенным маршрутам (основным и альтернативным) и «страдают» множеством ограничений: высокая стоимость поддержания большого количества маршрутных таблиц каждой УАТС (PBX) и их реконфигурации при изменении телефонных потоков, неэффективное использование полосы пропускания, ухудшение качества речи при применении механизмов сжатия в сетях с множеством АТС и другие.

В последние годы были разработаны устройства, обеспечивающие передачу голоса по сетям, изначально нацеленным на передачу данных, таким как Frame Relay и IP-сети. Движущей силой при этом является стремление сократить расходы на использование арендуемых линий связи и повысить эффективность применения выделенных корпоративных коммуникаций.

Новый стимул развитию телефонных сетей дало появление технологии передачи голоса по АТМ-сетям, которая предусматривает возможность подключения АТС к АТМ-коммутаторам, способным обрабатывать как потоки данных, так и телефонные сигналы.

В данной статье описываются:

• технологии передачи голоса и данных по IP-сетям;
• проблемы построения интегрированных сетей;
• механизмы, обеспечивающие повышение эффективности полосы пропускания и гибкости управления потоками (компрессии, подавления пауз речи);
• оборудование ведущих производителей.

Что такое IP-телефония

Телефонная связь по IP - сравнительно молодая служба, использующая, как правило, управляемую IP-сеть для передачи телефонного трафика.

В течение следующих пяти лет ожидаются феноменальные темпы роста рынка услуг VoIP (голос поверх IP). Согласно данным Killen & Associates, в компаниях, входящих в список Fortune 1000, по IP-сетям сейчас проходит менее 1% голосового трафика; к 2002 году эта доля должна достигнуть 18%, а к 2005-му - 33%.

Пользователей и поставщиков услуг привлекают экономические выгоды применения IP для передачи телефонного трафика, проведения конференц-связи с одновременным обменом информацией, IP-центры обслуживания звонков, прозрачная маршрутизация запросов пользователей.

Сравнение качества стандартной телефонной связи по сетям общего пользования с первым поколением устройств VoIP оказывается не в пользу последних, в первую очередь из-за низкой надежности и невысокого качества обслуживания. Однако появление сложных современных приложений и устройств - высокопроизводительных коммутаторов и маршрутизаторов, использующих развитые механизмы управления качеством обслуживания (QoS) процессоров цифровых сигналов (DSP), - устраняет многие проблемы VoIP-систем второго поколения.

Под IP-телефонией понимается технология использования IP- сети (Internet или любой другой) в качестве средства организации и ведения телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени. IP-телефония является одним из наиболее сложных приложений компьютерной телефонии.

В общих чертах передача голоса в IP-сети происходит следующим образом. Входящий звонок и сигнальная информация из телефонной сети передаются на пограничное сетевое устройство, называемое телефонным шлюзом, и обрабатываются специальной картой устройства голосового обслуживания. Шлюз, используя управляющие протоколы семейства H.323, перенаправляет сигнальную информацию другому шлюзу, находящемуся на приемной стороне IP-сети. Приемный шлюз обеспечивает передачу сигнальной информации на приемное телефонное оборудование согласно плану номеров, гарантируя сквозное соединение. После установления соединения голос на входном сетевом устройстве оцифровывается (если он не был цифровым), кодируется в соответствии со стандартными алгоритмами ITU, такими как G.711 или G.729, сжимается, инкапсулируется в пакеты и отправляется по назначению на удаленное устройство с использованием стека протоколов TCP/IP.

Таким образом, используя IP-сеть, можно обмениваться цифровой информацией для пересылки голосовых или факсимильных сообщений между двумя компьютерами в режиме реального времени. Применение Internet позволит реализовать данную службу в глобальном масштабе.

Основными проблемами построения IP-сети для передачи телефонного трафика являются механизмы управления задержками и поддержание достаточной ширины полосы пропускания. Кроме того, важны способы установления тарифов на услуги и выставления счета за их использование, а также варианты оплаты в IP-сети дополнительных услуг, таких как переадресация вызова, определение номера абонента, маршрутизация в зависимости от времени суток и др.

Немаловажной является проблема оценки прибыльности новой технологии. Действительно ли объединение средств связи на базе IP-сетей сулит значительную экономию? Ответ на этот вопрос можно получить только при комплексном рассмотрении проблемы. Возможно, все обстоит именно так. Если стоимость передачи информации по сети составляет лишь 15-20% от всех затрат на поддержку сетевой инфраструктуры, то 70-процентная экономия сетевых расходов может показаться не столь привлекательной по сравнению с объемом работы, который необходимо будет проделать для перевода всех функций на универсальную основу, а также по сравнению с количеством затрачиваемых средств на создание универсальной инфраструктуры и возможностью использования имеющегося оборудования.

И это лишь малая часть всех проблем, связанных с внедрением универсальных линий связи. Поэтому, как правило, предложение поставщиками услуг интегрированных сетей начинается с создания небольших специализированных сетей, на которых происходит обкатка интеграционных технологий, поиск ответов на вопросы, возникающие при объединении различных видов связи. Однако уже сейчас можно говорить о реальности построения интегрированной инфраструктуры.

Общий подход к построению IP-сети для передачи телефонного трафика

• «компьютер - компьютер»

  Данный вариант не является примером IP-телефонии, так как голос передается только по сети передачи данных, без выхода в телефонную сеть. Для организации передачи трафика пользователь приобретает необходимое оборудование и программное обеспечение, а также платит провайдеру за эксплуатацию канала связи. Достоинство этого варианта заключается в максимальной экономии средств. Недостаток - минимальное качество связи.

• «телефон - телефон»

  Для организации такой связи необходимо наличие определенных сетевых устройств и механизмов взаимодействия. Голосовой трафик передается через IP-сеть, как правило, на отдельном дорогостоящем участке. Устройствами, организующими взаимодействие, являются шлюзы, состыкованные, с одной стороны, с телефонной сетью общего пользования, а с другой - с IP-сетью. Голосовая связь в таком режиме, по сравнению с вариантом «компьютер - компьютер», стоит дороже, однако качество ее значительно выше и пользоваться ею удобнее. Для того чтобы воспользоваться этой услугой, надо позвонить провайдеру, обслуживающему шлюз, ввести с телефонного аппарата код и номер вызываемого абонента и разговаривать так же, как при обычной телефонной связи. Все необходимые операции по маршрутизации вызова выполнит шлюз.

• «компьютер - телефон»

  Здесь открывается больше возможностей использования для корпоративных пользователей, так как чаще всего применяется корпоративная сеть, обслуживающая вызовы от компьютеров до шлюза, которые уже затем передаются по телефонной сети общего пользования. Корпоративные решения с использованием связи «компьютер - телефон» могут помочь сэкономить деньги, а необходимое для этого оборудование будет рассмотрено ниже.

Итак, очевидно, что для построения сети IP-телефонии необходимы два основных элемента (рис. 1).

Первый - шлюз (gateway), обеспечивающий функции преобразования между пакетно-коммутируемой IP-сетью и телефонной сетью общего пользования, аналого-цифровое преобразование, управление форматами передачи и процедурами VoIP-вызовов. Возможно использование множества шлюзов в сети.

Второй основной элемент - устройство управления (gatekeeper), обеспечивающее ряд функций по управлению доступом в IP-сеть и из IP-сети, шириной полосы пропускания и адресацией. Кроме того, устройство управления осуществляет контроль всех шлюзов и терминалов, исполняет функции службы каталогов, контролирует счета пользователей.

Шлюз может поставляться в виде отдельного сетевого устройства или устанавливаться на персональном компьютере. При использовании шлюза VoIP-функция прозрачна для пользователя, использующего обычный телефон или факсимильный аппарат. Рассмотрим более подробно основные функции шлюза при передаче голоса через IP-сеть.

1. Функция поиска. Когда исходящий IP-шлюз размещает телефонный вызов через IP-сеть, он принимает номер вызывающего абонента и конвертирует его в IP-адрес шлюза назначения, исходя или из таблицы в исходящем шлюзе, или из данных централизованного сервера. Просмотр таблицы в исходящем шлюзе часто требует меньше времени, чем в централизованном сервере, и сокращает время соединения с 4-5 секунд до 1-2 секунд.

2. Функция связи. Исходящий шлюз устанавливает соединение со шлюзом назначения, обмениваясь информацией о параметрах соединения и совместимости устройств.

3. Оцифровка. Аналоговые сигналы телефонной связи оцифровываются шлюзом и преобразуются обычно в 64 Kбит/c ИКМ (импульсно-кодовая модуляция)-сигнал. Эта функция требует от шлюза поддержки разнообразных интерфейсов аналоговой телефонной связи.

Во многих случаях требуется также поддержка цифровой сети с интеграцией служб и интерфейсов T1/E1. Цифровая сеть с интеграцией служб и интерфейсы T1/E1 работают в формате ИКМ, так что аналого-цифровое преобразование в этом случае не требуется. Цифровая сеть с интеграцией служб BRI имеет один или два ИКМ-канала, T1 - до 24 каналов ИКМ и E1 - до 30 ИКМ-каналов. Цифровая сеть с интеграцией служб PRI может иметь до 24 или 30 каналов ИКМ.

4. Демодуляция. Поскольку некоторые шлюзы могут принимать только голосовой или только факсимильный сигнал, должны быть заранее определены магистральные каналы к модулям обработки голоса или факса. Более сложные шлюзы могут обрабатывать данные обоих типов, автоматически определяя, является ли цифровой сигнал звуковым или факсимильным, и производя обработку сигнала в зависимости от его типа. Факсимильный сигнал демодулируется сигнальным процессором (DSP) обратно в цифровой формат 2,4-14,4 Kбит/c, то есть в первоначальное представление до выдачи из факс-аппарата (факс-аппарат представляет выходной сигнал в аналоговом виде). Этот демодулированный сигнал затем помещается в IP-пакеты для передачи шлюзу назначения (рис. 2).

Демодулированная информация затем снова преобразуется шлюзом назначения в аналоговый факс-сигнал для доставки факс-аппарату.

Передача факса может быть осуществлена с использованием UDP/IP- или TCP/IP-протоколов. UDP/IP, в отличие от TCP/IP, не требует исправления ошибок, возникающих при передаче пакетов.

5. Компрессия. После того как определено, что сигнал является голосовым, он обычно сжимается сигнальным процессором с использованием одного из методов компрессии/декомпрессии (КОДЕК) (табл. 1) и помещается в IP-пакеты. При этом важно обеспечить хорошее качество речи и низкую задержку при оцифровывании сигнала.

Таблица 1. Методы компрессии (сжатия) речи

Метод компрессии	Сложность	Качество	Задержка
G.726, G.727, ADPCM 40, 32, 24 Кбит/с	низкая (8 MIPS)	хорошее (40К), плохое (16К)	очень низкая (10-17 мс)
G.729 CS-ACELP 8 Кбит/с	высокая (30 MIPS)	хорошее	низкая
G.729A CA-ACELP 8 Кбит/с	умеренная	среднее	низкая
G.723.1 MP-MLQ 6,4/5,3 Кбит/с	умеренно высокая (20 MIPS)	хорошее (6,4), среднее (5,3)	высокая
G.728 LD-CELP 16 Кбит/с	очень высокая (40 MIPS)	хорошее	низкая

Звуковой пакет передается как пакет UDP/IP, а не TCP/ IP для избежания довольно больших задержек, возникающих при повторной передаче TCP/IP-пакетов. Если используется режим FEC (непосредственное исправление ошибок), то искаженный или отсутствующий звуковой пакет может быть восстановлен на основе данных предыдущего звукового пакета. Если механизм FEC не применяется, то искаженный пакет просто отвергается и шлюз использует предыдущий хороший пакет. Этот механизм работает незаметно для пользователя в случае низкого процента искажения/потерь пакетов (< 5%).

Данные, оцифровываемые КОДЕКом, не содержат адрес IP-пакета и управляющую информацию («заголовок») (рис. 3), которые обычно составляют дополнительные 7 Кбит/с, если IP-маршрутизатор отдельно не компрессирует заголовок, в противном случае - 2-3 Кбит/с.

Сложность реализации КОДЕКа определяет мощность требуемого сигнального процессора, измеряемую в миллионах операций в секунду (MIPS), для обработки голосового сигнала, исключая функции компенсации эхо-сигнала и подавления молчания.

6. Декомпрессия/демодуляция. Шлюз, исполняя шаги 1-4, описанные выше, в то же самое время принимает пакеты от других IP-шлюзов и декомпрессирует пакеты в форму, понятную соответствующим устройствам аналоговой телефонной связи, цифровой сети с интеграцией служб или с интерфейсами T1/E1. Шлюз также осуществляет демодуляцию цифрового факсимильного сигнала в первоначальную форму, а затем в соответствующий интерфейс телефонной связи.

Кроме того, шлюз может выполнять функции согласования интерфейсов инициатора звонка и принимающего вызов.

Качество IP-речи

Для обеспечения высокого качества речи VoIP-шлюз должен использовать кодек с хорошим качеством речи и низкой задержкой. Кроме того, имеется несколько дополнительных технологий, необходимых для того, чтобы гарантировать хорошее качество речи: две из них - система приоритетов пакетов и компенсация эха. Компенсация эха - функция сигнального процессора, система приоритетов пакета - функция маршрутизатора и шлюза.

Когда двухпроводный телефонный кабель соединяется с четырехпроводным интерфейсом УАТС (PBX) или telco-интерфейсом центральной станции (СО), используется специальное электрическое соединение, называемое гибридной схемой, для согласования двухпроводного и четырехпроводного соединения. Хотя гибридные схемы очень эффективны для выполнения функций согласования, небольшой процент энергии телефонного сигнала не конвертируется, а отражается обратно к вызывающему абоненту. Этот сигнал называется «эхо-сигналом».

Если вызывающий абонент находится около УАТС или центрального коммутатора, эхо-сигнал возвращается достаточно быстро и для человека неразличим. Однако если задержка составляет более 10 мс, вызывающий абонент может услышать отраженный сигнал. Чтобы предотвратить появление эхо-сигнала, поставщики шлюзов включают специальный код в сигнальные процессоры, которые прослушивают эхо-сигнал и удаляют его из аудиосигнала. Компенсация эха особенно важна для поставщиков шлюзов, потому что задержка в IP-сети может легко превысить 40-50 миллисекунд, так что эхо-сигнал будет явно ощущаться на ближнем конце. Компенсация эхо-сигнала, идущего от дальнего конца линии, позволяет существенно повлиять на качество сигнала.

Основными источниками снижения качества речи являются сетевая задержка и флуктуация пакетов. Сетевая задержка представляет собой среднее значение времени передачи пакета по сети. Флуктуация - отклонение от среднего времени передачи пакета. Оба параметра важны для определения качества речи.

Поскольку время передачи по сети (полное время, включая время обработки кодеком) часто превышает 150 мс, общение двух абонентов будет все более и более напоминать режим полудуплексной связи с установлением нужной паузы при разговоре. Если паузы фиксируются плохо, то речь одного собеседника как бы «набегает» на речь другого.

Одним из основных средств борьбы с перегруженностью сети должно стать обеспечение качества сервиса (Quality of Service - QoS).

В чем смысл QoS? QoS означает динамическое предоставление гарантированной полосы пропускания для различных приложений и передачу данных в соответствии с требованиями, определяемыми пользователем. До сих пор не существует принимаемой всеми трактовки термина «QoS»; чаще всего под QoS понимают установку трафику приоритетов без гарантий на ширину полосы пропускания, обеспечение полосы пропускания фиксированной ширины при передаче данных между двумя заданными узлами сети на основе постоянных или коммутируемых виртуальных каналов, гарантированную поставщиками услуг Internet общую ширину полосы пропускания.

Хорошее качество речи, передаваемой через IP-сеть, объясняется в основном небольшой флуктуацией пакетов, а не низкими значениями сетевой задержки. Значения флуктуации пакетов сети поддерживаются интеллектуальными возможностями маршрутизаторов, которые могут управлять приоритетами голосовых пакетов в IP-сети. Маршрутизатор настраивается на поиск голосовых IP-пакетов и размещение их перед пакетами данных, ожидающими передачи. Система приоритетов голосовых пакетов особенно важна в региональных сетях связи со скоростями от 56 до 512 Кбит/с. При скоростях, характерных для линий T1/E1, это может не потребоваться.

Таким образом, в настоящее время требуемое качество обслуживания обеспечивается в основном средствами управления приоритетом трафика. Отметим, что в IP-сетях возможны и более сложные процедуры управления качеством.

Сегментация IP-пакетов является еще одним важным механизмом управления задержкой VoIP, позволяющим гарантировать, что очень длинный пакет данных не задержит пакет с речевой информацией на выходе из маршрутизатора. Это достигается настройкой маршрутизатора на сегментирование всех исходящих пакетов данных в соответствии с быстродействием сети связи. Комбинация системы приоритетов голоса/факсов и механизмов сегментации пакета создает хорошие предпосылки для построения VoIP-сети.

Другая технология, используемая некоторыми шлюзами для обеспечения хорошего качества речи, - непосредственное исправление ошибок (FEC).

Управление полосой пропускания

Как уже отмечалось, второй важной проблемой внедрения технологий передачи речи по IP-сети является минимизация используемой полосы пропускания канала связи. Здесь важную роль играют механизмы компрессии и подавления пауз. Механизмы, использующие технологию подавления пауз, определяют периоды молчания абонентов в течение сеанса связи или факсимильной передачи и останавливают посылку IP-пакетов в течение этих периодов.

Стремление к более эффективному использованию полосы пропускания стимулирует развитие механизмов сжатия речи. Стандартный ИКМ-сигнал для передачи речи, как уже отмечалось, требует выделения полосы пропускания шириной 64 Кбит/с (рекомендация МСЭ-Т G.711), что на самом деле слишком много.

Один из давно используемых алгоритмов сжатия речи называется АДИКМ (ADPCM, Adaptive Differential Pulse Code Modulation; стандарт G.726 был принят в 1984 году). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16 Кбит/с. Метод основан на кодировании не самой амплитуды сигнала, а ее изменения по сравнению с предыдущим значением; поэтому можно обойтись меньшим числом разрядов. В АДИКМ изменение уровня сигнала кодируется четырехразрядным числом, при этом частота измерения амплитуды сигнала сохраняется неизменной.

Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях о форме сигнала, не подходят для передачи 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 Predictive Coding). В качестве входного сигнала в LPC используется последовательность цифровых значений амплитуды, но кодирование 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 не только связана с необходимостью обработки цифрового сигнала (эту задержку можно уменьшить, увеличив мощность процессора), но и определяется методом сжатия. Этот метод позволяет достигать очень больших степеней сжатия с полосой пропускания 2,4 или 4,8 Кбит/с, однако качество звука сильно страдает. Поэтому в коммерческих приложениях он не используется, а применяется в основном для ведения служебных переговоров.

Более сложные методы сжатия речи основаны на применении ЛКП 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. Добившись совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи; на противоположном конце происходит восстановление звукового сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.

Одной из наиболее распространенных разновидностей описанного метода кодирования является метод LD-CELP (Low-Delay Code-Excited Linear Prediction). Этот метод позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при пропускной способности 16 Кбит/с; он был стандартизован Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union - ITU) в 1992 году как алгоритм кодирования речи G.728. Алгоритм применяется к последовательности цифр, получаемых в результате аналого-цифрового преобразования голосового сигнала с 16-разрядным разрешением. Пять последовательных цифровых значений кодируются одним 10-битным блоком - это и дает 16 Кбит/с. Для применения этого метода требуются большие вычислительные мощности: в частности, для непосредственной реализации G.728 необходим процессор с быстродействием 44 MIPS.

В марте 1995 года ITU принял новый стандарт G.723, который предполагается использовать при сжатии речи для организации видеоконференций по телефонным сетям. Этот стандарт является частью более общего стандарта H.324, описывающего подход к организации таких видеоконференций. Целью его принятия является обеспечение видеоконференций с использованием обычных модемов. 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 описанная выше 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 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 снижению качества речи и увеличению задержек. Некоторые основные алгоритмы сжатия речи и создаваемые при этом задержки приведены в табл. 1.

Количественными характеристиками ухудшения качества речи являются параметры ухудшения качества сигнала при квантовании (QDU, Quantization Distortion Units). Один QDU соответствует ухудшению качества при оцифровке с использованием стандартной процедуры ИКМ; значения QDU для основных методов компрессии приведены в табл. 2. Дополнительная обработка речи ведет к дальнейшей потере качества. Согласно рекомендациям МСЭ-Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14. Отметим, что передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU.

Таблица 2. Ухудшение качества речи при использовании различных алгоритмов компрессии

Методы компрессии	QDU
ADPCM 32 Кбит/с	3,5
ADPCM 24 Кбит/с	7
LD-CELP 16 Кбит/с	3,5
CS-CELP 8 Кбит/с	3,5

Следовательно, при передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным требованием регулирующих органов, предъявляемым к сетям, подключенным к сетям общего пользования.

Подавление пауз - важная функция оборудования, обеспечивающего передачу голоса по IP-сетям. Суть технологии подавления пауз заключается в определении различия между моментами активной речи и молчания в период соединения. В результате применения этой технологии генерация пакетов происходит только в моменты активного разговора. Поскольку при типичном разговоре по телефону паузы составляют до 60% времени, возможна двукратная оптимизация количества передаваемых по линии данных. Объединение технологии сжатия речи и подавления пауз речи в коммутаторах приводит к уменьшению потока данных в канале в восемь раз.

Продолжение следует

КомпьютерПресс 5"1999

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, 2, 4.

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?

Технология VoIP реализует задачи и решения, которые с помощью технологии PSTN реализовать будет труднее, либо дороже.

• Возможность передавать более одного телефонного звонка в рамках высокоскоростного телефонного подключения. Поэтому технология VoIP используется в качестве простого способа для добавления дополнительной телефонной линии дома или в офисе.

• Свойства, такие как

• конференция,
• переадресация звонка,
• автоматический перенабор,
• определение номера звонящего,

предоставляются бесплатно или почти бесплатно, тогда как в традиционных телекоммуникационных компаниях обычно выставляются в счёт.

• Безопасные звонки, со стандартизованным протоколом (такие как SRTP). Большинство трудностей для включения безопасных телефонных соединений по традиционным телефонным линиям, такие как оцифровка сигнала, передача цифрового сигнала, уже решены в рамках технологии VoIP. Необходимо лишь произвести шифрование сигнала и его идентификацию для существующего потока данных.

• Независимость от месторасположения. Нужно только интернет-соединение для подключения к провайдеру VoIP. Например, операторы центра звонков с помощью VoIP-телефонов могут работать из любого офиса, где есть в наличии эффективное быстрое и стабильное интернет-подключение.

• Доступна интеграция с другими через интернет, включая видеозвонок , обмен сообщениями и данными во время разговора, аудиоконференции , управление адресной книгой и получение информации о том, доступны ли для звонка другие абоненты.

• Дополнительные телефонные свойства - такие как маршрутизация звонка, всплывающие окна, альтернативный GSM -роуминг и внедрение IVR - легче и дешевле внедрить и интегрировать. Тот факт, что телефонный звонок находится в той же самой сети передачи данных, что и персональный компьютер пользователя, открывает путь ко многим новым возможностям.

Дополнительно: возможность подключения прямых номеров в любой стране мира (DID).

Мобильные номера

Кодирование вносит дополнительную задержку порядка 15-45 мс, возникающую по следующим причинам:

• использование буфера для накопления сигнала и учёта статистики последующих отсчётов (алгоритмическая задержка);
• математические преобразования, выполняемые над речевым сигналом, требуют процессорного времени (вычислительная задержка).

Подобная задержка появляется и при декодировании речи на другой стороне.

Задержку кодека необходимо учитывать при расчёте сквозных задержек (см. ). Кроме того, сложные алгоритмы кодирования/декодирования требуют более серьёзных затрат вычислительных ресурсов системы.

Проведённый в различных исследовательских группах анализ качества передачи речевых данных через Интернет показывает, что основным источником возникновения искажений, снижения качества и разборчивости синтезированной речи является прерывание потока речевых данных, вызванное:

• потерями пакетов при передаче по сети связи;
• превышением допустимого времени доставки пакета с речевыми данными.

Это требует решения задачи оптимизации задержек в сети и создание алгоритмов компрессии речи, устойчивых к потерям пакетов (восстановления потерянных пакетов).

Кодеки

Применяемые алгоритмы сжатия голоса при передаче по IP-сети довольно разнообразны. Некоторые практически не сжимают голос, оставляя его на уровне импульсно-кодовой модуляции (то есть 64 килобит в секунду), другие кодеки позволяют сжимать цифровой голосовой поток в 8 и более раз за счёт эффективных алгоритмов кодирования. Существует немало хороших свободных кодеков, использование которых не требует лицензирования. Для других же требуется достижения соответствующей лицензионной сертификации между производителем оборудования (программного обеспечения) и авторами метода сжатия.

Кодек Скорость передачи, кбит/с Алгоритмическая задержка, миллисекунд Занимаемый поток, кбит/с IP-пакеты Ethernet-фреймы G.711 160 64 20 64,8 80 G.723.1 (6.3) 24 6,3 37,5 6,9 17,1 G.723.1 (5.3) 20 5,3 37,5 5,9 16 G.726-32 160 32 20 32,8 42,7 G.726-24 160 24 20 24,8 34,7 G.726-16 160 16 20 16,8 26,7 G.729 (8) 20 8 25 8,8 18,7 G.729 (6.4) 16 6,4 25 7,2 17,1 Оптимизация задержек в сети Основными преимуществами IP-телефонии является снижение требований к полосе пропускания, что обеспечивается учётом статистических характеристик речевого трафика: блокировкой передачи пауз (диалоговых, слоговых, смысловых и др.), которые могут составлять до 40-50 % времени занятия канала передачи (VAD); высокой избыточностью речевого сигнала и его сжатием (без потери качества при восстановлении) до уровня 20-40 % исходного сигнала (см. аудиокодек). В то же время для VoIP критичны задержки пакетов в сети, хотя технология обладает некоей толерантностью (устойчивостью) к потерям отдельных пакетов. Так, потеря до 5 % пакетов не приводит к ухудшению разборчивости речи. При передаче телефонного трафика по технологии VoIP должны учитываться жёсткие требования стандарта ISO 9000 к качеству услуг, характеризующие: качество установления соединения, определяемое в основном быстротой установления соединения, качество соединения, показателем которого являются сквозные (воспринимаемые пользователем) задержки и качество воспринимаемой речи. Общая приемлемая задержка по стандарту - не более 250 миллисекунд . Причины задержек в передаче голосовых данных по сети IP, в большой степени связаны с особенностями транспорта пакетов. Протокол TCP обеспечивает контроль доставки пакетов, однако достаточно медленный и потому не используется для передачи голоса. UDP быстро отправляет пакеты, однако восстановление потерянных данных не гарантируется, что приводит к потеряным частям разговора при восстановлении (обратном преобразовании) звука. Немалые проблемы приносит джиттер (отклонения в периоде поступления-приёмки пакетов), появляющийся при передаче через большое число узлов в нагруженной IP-сети. Недостаточно высокая пропускная способность сети (например при одновременной нагрузке несколькими пользователями), серьёзно влияет не только на задержки (то есть рост джиттера), но и приводит к большим потерям пакетов Для решения подобных проблем предлагается комлекс мер : использование алгоритимического восстановления потерянных частей голоса (усреднение по соседним данным) приоритизация трафика во время транспорта в одной сети при помощи пометки IP-пакетов в поле Type of Service использование изменяемого джиттер-буфера необходимой длины, который позволяет накапливать пакеты и выдавать их снова с нормальной периодичностью отключение проксирования медиа-данных на узком месте сети, то есть достижение прямого обмена речью между узлом звонящего и вызываемого абонента при посредничестве промежуточных серверах только на этапе установления и завершения вызова применение кодеков с меньшей алгоритмической задержкой (для уменьшения нагрузки на процессор, осуществляющий АЦП и ЦАП) Безопасность соединения Большинство потребителей VoIP-решений ещё не поддерживают криптографическое шифрование, несмотря на то, что наличие безопасного телефонного соединения намного проще внедрить в рамках VoIP-технологии, чем в традиционных телефонных линиях. В результате, при помощи анализатора трафика относительно несложно установить прослушивание VoIP-звонков, а при некоторых ухищрениях даже изменить их содержание. Тот, кто вторгается с использованием анализатора сетевых пакетов, имеет возможность перехватить VoIP-звонки, если пользователь не находится в рамках защищённой виртуальной сети VPN . Эта уязвимость в безопасности может привести к атакам со сбоями (отказами в обслуживании) у пользователя или у кого-то, чей номер принадлежит той же сети. Эти отказы в обслуживании могут полностью уничтожить телефонную сеть, нагрузив её мусорным трафиком и создав постоянный сигнал «занято» и увеличив количество разъединений абонентов . Однако данная проблема касается и традиционной телефонии, так как абсолютно защищённых способов связи не существует . Потребители могут обезопасить свою сеть, ограничив доступ в виртуальную локальную сеть данных, спрятав свою сеть с голосовыми данными от пользователей. Если потребитель поддерживает безопасный и правильно конфигурируемый межсетевой интерфейс-шлюз с контролируемым доступом, это позволит обезопасить себя от большинства хакерских атак. Есть несколько ресурсов с открытым кодом (open source solutions), выполняющих анализ трафика VoIP-разговоров. Невысокий уровень безопасности предоставляется в рамках патентованных аудиокодеков, которые нельзя найти в списках источников с открытым кодом, однако, такая «безопасность через непонятность» не зарекомендовала себя, как эффективное средство в других областях. Некоторые вендоры используют также сжатие, чтобы перехват информации было труднее выполнить. Есть мнение, что настоящая безопасность сети требует проведения полного криптографического шифрования и криптографической аутентификации, которые не доступны широкому потребителю. Однако, по некоторым параметрам IP-телефония выигрывает у традиционной в плане безопасности . Существующий сейчас стандарт безопасности SRTP и новый ZRTP протокол доступен на некоторых моделях IP-телефонов (Cisco , SNOM), аналоговых телефонных адаптерах (Analog Telephone Adapters, ATAs), шлюзах , а также на различных софтфонах . Можно использовать IPsec , чтобы обеспечить безопасность P2P VoIP с помощью применения альтернативного шифрования (opportunistic encryption). Программа Skype не использует SRTP, но там используется система шифрования, которая прозрачна для Skype-провайдера . Решение Voice VPN (которое представляет собой сочетание технологии VoIP и Virtual Private Network) предоставляет возможность создания безопасного голосового соединения для VoIP-сетей внутри компании, путем применения IPSec шифрования к оцифрованному потоку голосовых данных. Так же возможно произвести многоуровневое шифрование и полную анонимизацию всего VoIP трафика (голоса, видео, служебной информации и т. д.) с помощью сети I2P , программу-маршрутизатор для работы с которой можно установить на ПК, смартфон, нетбук, ноутбук и т. д. Эта сеть представляет из себя полностью децентрализованную, анонимную среду передачи данных, где каждый пакет данных подвергается четырёхуровневому шифрованию с использованием различных алгоритмов шифрования с максимальными размерами ключа. Сеть I2P использует туннельную передачу данных, где входящий и исходящий трафик идут через разные туннели, каждый из которых зашифрован разными ключами, при этом туннели периодически перестраиваются с изменением ключей шифрования. Все это приводит к невозможности прослушать и проанализировать проходящий поток третьей стороной. При этом на потоковой передаче туннелирование и шифрование не сказывается, так как используется специально созданная для потоковых служб библиотека, поэтому данные приходят строго в заданном порядке, без потерь и дублированний . Идентификация звонящего Поддержка услуги определения номера вызывающего (Caller ID) у разных провайдеров может отличаться, хотя большинство VoIP-провайдеров сейчас предлагают услугу «определение идентификатора звонящего (caller ID)» с именем на исходящие звонки. Когда звонок идёт на номер местной сети от какого-то VoIP-провайдера, услуга определения caller ID не поддерживается . В некоторых случаях, VoIP-провайдеры могут позволить звонящему имитировать какой-то не принадлежащий ему caller ID, потенциально давая возможность демонстрировать такой ID, который фактически не является номером звонящего. Коммерческое VoIP-оборудование и программное обеспечение обычно легко даёт возможность изменять информацию caller ID. Несмотря на то, что эта услуга может обеспечить огромную свободу действий, она также даёт возможность для злоупотреблений. Статистика трафика Любое VoIP соединение имеет целый ряд параметров, общепринятых как точные показатели оценки качества соединения. Кроме того большинство существующих операторов IP-телефонии при оказании услуг позволяют даже выбирать узел через который пройдет звонок не только руководствуясь ценой, но и дополнительным статистическими параметрами, характеризующими качество связи: ASR/ABR - отношение количества обслуженных звонков к числу попыток позвонить в процентах. Характеризует наилучший дозвон. ACD - средняя продолжительность звонков через узел на данное направление; % - процент состоявшихся звонков с длительностью меньше 30 секунд. Характеризует наиболее устойчивую связь во время разговора. Иногда операторами связи для оценки направления применяются и другие статистические параметры: эрланг , посленаборная задержка (PDD), процент потери пакетов (QoS), максимальное нарастание вызовов в секунду (Calls per seconds, CPS). Подробную информацию о каждом конкретном вызове станция/сервер IP-телефонии записывает в виде CDR -записей (подробных записей о вызове). Каждая запись содержит номер звонящего (А-номер) и вызываемого (Б-номер), абонентов, IP-адреса (или доменные имена), время и продолжительность вызова, а также инициатора и причину завершения. Подробные записи о вызовах (Call Detail Record), зачастую выгружаются на биллинговую систему для анализа и последующей блокировки учётной записи звонящего, при необходимости авторизации вызовов (RADIUS). Такой метод проверки обычно характерен для postpaid-систем оплаты. Также применяется онлайн-учёт в биллинге посредством процедуры Accounting в протоколе RADIUS , что удобно в системах prepaid-оплаты. Примечания См. также Ссылки Мониторинг и отладка VoIP-сетей с помощью сетевого анализатора Атака на VoIP: Перехват и Подслушивание «Хронические болезни» VoIP (он-лайн презентация, 16 мин)
Вещание
Доступ	Фиксированный (проводной) Беспроводной
Сервисы	Общение Информация

Если вы никогда не слышали о VoIP, будьте готовы изменить свое мнение о междугородных телефонных звонках. Voice over Internet Protocol - это метод для приема аналоговых аудио сигналов, подобно тому, что вы слышите во время разговора по телефону, и преобразования их в цифровые, которые передаються через Интернет.

Чем это полезно? VoIP превращает обычное интернет-соединение в способ размещения бесплатных телефонных звонков. В результате, благодаря использованию некоторого бесплатного программного обеспечения VoIP, которое доступно для телефонных звонков в Интернете, вы полностью избавляетесь от расходов на звонки через телефонную сеть.

VoIP - это революционная технология, которая может полностью переделать телефонные системы в мире. Поставщики оборудования VoIP, такие как , уже давно существуют и постоянно растут. Крупные операторы, уже создают тарифные планы на рынках по всей территории США, Европы, Азии и FCC серьезно рассматривает потенциальные последствия обслуживания VoIP.

В этой статье мы рассмотрим принципы VoIP, приложения и потенциал этих новых технологий, которые, когда-то могут полностью заменить традиционную телефонную систему.

В настоящее время существует три разных особенностей VoIP-сервиса:

• – это самый простой и наиболее распространенный способ. ATA позволяет подключать стандартный телефон к компьютеру или интернет-соединению для использования с VoIP. Адаптер является аналого-цифровым преобразователем. Он принимает аналоговый сигнал от вашего традиционного телефона и преобразует его в цифровые данные для передачи через Интернет. Большинство провайдеров связывают АТА со своим сервисом. Поэтому для подключения вы просто достаете адаптер из коробки, подключаете кабель от телефона, который обычно входит комплект, и вы готовы совершать VoIP-звонки. Некоторые телефонные адаптеры могут иметь дополнительное программное обеспечение, которое загружается на главный компьютер для его настройки.

• - это специализированные телефоны, которые используют технологии передачи голоса по IP для размещения и передачи телефонных вызовов через Интернет. На вид они такие же, как и обычные телефоны: имеют телефонную трубку и кнопки. Но вместо стандартных телефонных разъемов RJ-11 IP-телефоны имеют разъем RJ-45. IP-телефоны подключаются непосредственно к вашему маршрутизатору и имеют все необходимое оборудование и программное обеспечение для работы с IP-вызовом. WiFi-телефоны позволяют абонентам VoIP совершать звонки с любой точки где доступен Wi-Fi.

• Компьютер-компьютер - это, безусловно, самый простой способ использования VoIP. Вам даже не нужно платить за междугородние звонки. Существует несколько компаний, предлагающих бесплатное или очень дешевое программное обеспечение, которое вы можете использовать для VoIP этого типа. Вам потребуется только VoIP ПО и компьютер с микрофоном, динамиками, звуковой картой и подключением к Интернету. За исключением вашего обычного ежемесячного взноса ISP, обычно нет платы за вызовы компьютер-компьютер, независимо от расстояния.
• унифицируют коммуникации в разных местах предприятия, поддерживают IP-телефоны, аналоговые устройства и различные интерфейсы соединительных линий. АТС управляют IP-телефонами и аналоговыми линиями, а также соединительными линиями PSTN, E1 и ITSP.

Если вы заинтересованы попробовать VoIP, то вы должны ознакомиться с некоторым бесплатным программными обеспечением VoIP, доступным в Интернете. Вы сможете загрузить и настроить его примерно за три-пять минут.

Как именно используется VoIP

Телефонные компании используют VoIP для оптимизации своих сетей. Путем маршрутизации тысяч телефонных звонков через в они могут серьезно уменьшить пропускную способность, которая используется для долгого пути. После получения вызова с другой стороны, он распаковывается, повторно собирается и перенаправляется на коммутатор локальной сети. Даже если это займет некоторое время, вы можете быть уверены, что в конечном итоге все существующие сети с коммутацией каналов будут заменены технологией пакетной коммутации. имеет смысл, как с точки зрения экономики, так и с точки зрения инфраструктуры. Все больше и больше компаний устанавливают проектные решения VoIP, и технология будет продолжать расти. Пожалуй, самая большая привлекательность VoIP для домашних пользователей, которые переключаются - это цена и гибкость.

С помощью VoIP вы можете совершать звонки из любого места, где есть широкополосное подключение. Поскольку или транслируют свою информацию через Интернет, они могут управляться провайдером везде, где есть соединение. Таким образом, деловые путешественники могут взять с собой свои телефоны или ATA в поездки и всегда иметь доступ к своему домашнему телефону.

Другой альтернативой является софтфон (программный телефон) - это клиентское программное обеспечение, которое загружает службу VoIP на ваш рабочий стол или ноутбук. Если у вас есть наушники и микрофон, вы можете совершать звонки с вашего ноутбука в любом месте мира, где есть широкополосное подключение.

Большинство VoIP-компаний предоставляют функции, за которые обычные телефонные компании взимают дополнительную плату.

VoIP включает:

• Caller ID
• Ожидание вызова
• Перевод вызова
• Повторный набор
• Обратный вызов
• Трехсторонний вызов

Существуют также расширенные опции фильтрации вызовов, доступные от некоторых операторов. Эти функции используют информацию идентификатора вызывающего абонента, чтобы вы могли выбрать способ обращения с определенным номером. Вы можете:

• Переадресовать вызов на определенный номер
• Отправить вызов непосредственно на голосовую почту
• Дать вызывающему абоненту сигнал занятости
• Воспроизвести сообщение «не в обслуживании»
• Отправить вызывающего абонента на горячую линию отказа

Со многими услугами VoIP вы также можете проверять голосовую почту через Интернет или прикреплять сообщения к электронному письму, которое отправляется на ваш компьютер.

Теперь, когда мы рассмотрели VoIP в общем смысле, давайте посмотрим более внимательно на компоненты, которые заставляют систему работать. Чтобы понять, как работает VoIP, и почему это лучше по сравнению с традиционной телефонной системой, необходимо понять, как работает обычная телефонная система.

VoIP: коммутация каналов

Существующие телефонные системы управляются очень надежным, но несколько неэффективным методом для подключения вызовов, называемым коммутацией каналов. Коммутация каналов - это очень простая концепция, которая используется в сетях телефонной связи более 100 лет. Когда вызов выполняется между двумя сторонами, соединение поддерживается на время вызова. Поскольку вы соединяете две точки в обоих направлениях, соединение называется схемой. Это является основой коммутируемой телефонной сети общего пользования (Public Switched Telephone Network (PSTN)).

Вот как работает обычный телефонный звонок:

1. Вы поднимаете трубку и слушаете гудок. Это позволяет узнать, что у вас есть соединение с местным офисом телефонной связи.

2. Вы набираете номер участника, с которым хотите поговорить.

3. Вызов направляется через у вашего местного оператора на сторону, которую вы вызываете.

4. Соединение между телефоном и линией другой стороны осуществляется с помощью нескольких взаимосвязанных переключателей.

5. на другом конце звонит, и кто-то отвечает на звонок.

6. Соединение открывает цепь.

7. Вы говорите в течение некоторого времени, а затем вешаете трубку.

8. Когда вы повесите трубку, цепь закрывается, освобождая вашу линию и все линии между ними.

Телефонные разговоры по сегодняшней традиционной телефонной сети несколько более эффективны, и они стоят намного дешевле. Ваш голос оцифровывается, и вместе с тысячами других может быть объединен на одном оптоволоконном кабеле. Эти вызовы передаются с фиксированной скоростью 64 Кбит / с в каждом направлении, при общей скорости передачи 128 Кбит/с. Поскольку в килобайте имеется 8 килобит, это переводит на открытую передачу по 16 КБ каждую секунду и 960 КБ каждую минуту. В 10-минутном разговоре общая передача составляет 9 600 КБ, что примерно равно 10 мегабайтам. Если вы посмотрите на типичный телефонный разговор, большая часть этих переданных данных будет потрачена впустую.

VoIP: коммутация пакетов

Телефонная сеть с коммутацией пакетов является альтернативой коммутации каналов. Он работает следующим образом: пока вы говорите, другая сторона слушает, а это означает, что в любой момент времени используется только половина соединения. Исходя из этого, мы можем предположить, что мы могли бы сократить файл в два раза, вплоть до 4,7 МБ, для повышения эффективности. Кроме того, значительная часть времени в большинстве разговоров - мертвый воздух - в течение нескольких секунд, ни одна из сторон не разговаривает. Если бы мы могли удалить эти тихие интервалы, файл будет еще меньше.

Сети передачи данных не используют коммутацию каналов. Ваше интернет-соединение было бы намного медленнее, если бы оно поддерживало постоянное соединение с веб-страницей, которую вы просматривали б в любой момент времени. Вместо этого сети передачи данных просто отправляют и извлекают данные по мере необходимости. И вместо того, чтобы маршрутизировать данные по выделенной линии, пакеты данных проходят через хаотичную сеть по тысячам возможных путей. Это называется коммутацией пакетов.

В то время как коммутация каналов сохраняет соединение открытым и постоянным, пакетная коммутация открывает короткое соединение - достаточно долго, чтобы отправить небольшой фрагмент данных, называемый пакетом, из одной системы в другую. Он работает следующим образом:

Передающий компьютер отбрасывает данные на небольшие пакеты, причем адрес каждого из них указывает сетевым устройствам, куда их отправлять.

Внутри каждого пакета есть полезная нагрузка. Полезная нагрузка - это часть электронной почты, музыкальный файл или любой другой тип файла, который передается внутри пакета.

Передающий компьютер отправляет пакет ближайшему маршрутизатору и забывает об этом. Ближайший маршрутизатор отправляет пакет другому маршрутизатору, который находится ближе к компьютеру-получателю. Этот маршрутизатор отправляет пакет другому, еще более близкому маршрутизатору и так далее.

Когда принимающий компьютер окончательно получает пакеты, он использует инструкции, содержащиеся в пакетах, для сбора данных в исходное состояние.

Переключение пакетов очень эффективно. Оно позволяет сети маршрутизировать пакеты по наименее перегруженным и самым дешевым линиям. Он также освобождает два компьютера, взаимодействующих друг с другом, чтобы они могли принимать информацию с других компьютеров.

Преимущества использования VoIP

Использует возможности коммутации пакетов в Интернете для обеспечения телефонного обслуживания. VoIP имеет несколько преимуществ перед переключением каналов. Например, коммутация пакетов позволяет нескольким телефонным вызовам занимать пространство, занимаемое только одним в сети с коммутацией каналов. Используя PSTN, этот 10-минутный телефонный разговор о котором мы говорили потреблял 10 полных минут времени передачи по цене 128 Кбит/с. С VoIP этот же вызов мог занимать всего 3,5 минуты времени передачи по цене 64 Кбит/с, оставив еще 64 Кбит/с свободными эти 3,5 минуты и плюс дополнительные 128 Кбит / с в течение оставшихся 6,5 минут. Основываясь на этой простой оценке, еще три или четыре вызова могут легко вписаться в пространство, используемое одним вызовом в обычной системе. И этот пример даже не влияет на использование сжатия данных, что еще больше уменьшает размер каждого вызова.

Предположим, что вы и ваш друг оба обслуживаетесь через VoIP-провайдера. У вас обоих есть аналоговые телефоны, подключенные к , предоставляемым сервисом. Давайте еще раз рассмотрим типичный телефонный звонок, но на этот раз с использованием VoIP через сеть с коммутацией пакетов:

1. Вы поднимаете приемник, который посылает сигнал ATA.

2. ATA принимает сигнал и отправляет тональный сигнал ответа станции. Это позволяет узнать, что у вас есть подключение к Интернету.

3. Вы набираете номер телефона, с которым вы хотите поговорить. преобразует тоны в цифровые данные и временно их сохранит.

4. Данные телефонных номеров отправляются в форме запроса на процессор вызовов вашей VoIP-компании. Процессор вызова проверяет его, чтобы убедиться, что он в допустимом формате.

5. Обработчик вызовов определяет, кому сопоставить номер телефона. При сопоставлении номер телефона преобразуется в IP-адрес. Программный коммутатор соединяет два устройства с обоих концов вызова. С другой стороны, сигнал отправляется в ATA вашего друга, для того чтоб связанный телефон звонил.

6. Как только ваш друг берет трубку, сеанс устанавливается между вашим компьютером и компьютером вашего друга. Это означает, что каждой системе известно, что пакеты данных будут поступать из другой системы. В середине обычная инфраструктура Интернета обрабатывает вызов, как если бы это была электронная почта или веб-страница. Каждая система должна использовать один и тот же протокол для связи. В рамках сеанса системы реализуют два канала, по одному для каждого направления.

7. Вы говорите какое-то время. Во время разговора ваша система и система вашего друга передают пакеты туда и обратно, когда есть данные для отправки. ATA на каждом конце транслируют эти пакеты по мере их приема и преобразуют их в аналоговый аудиосигнал, который вы слышите. Ваш ATA также держит цепь открытой между собой и вашим аналоговым телефоном, пока он пересылает пакеты на и с IP-хоста на другом конце.

8. Вы закончите разговор и повесили трубку.

9. Когда вы повесите трубку, цепь закрывается между вашим телефоном и ATA.

10. ATA посылает сигнал на мягкий коммутатор, соединяющий вызов, завершая сеанс.

Вероятно, одним из самых убедительных преимуществ пакетной коммутации является то, что сети передачи данных уже понимают технологию. Переходя к этой технологии, телефонные сети сразу же получают возможность сообщать, как это делают компьютеры.

Недостатки использования VoIP

Текущая коммутируемая телефонная сеть общего пользования является надежной и довольно пуленепробиваемой системой для доставки телефонных звонков. Телефоны просто работают, и все мы зависим от этого. С другой стороны, компьютеры, электронная почта и другие связанные с ними устройства по-прежнему выглядят неровными. Посмотрим правде в глаза - мало кто действительно паникует, когда их электронная почта падает на 30 минут. Время от времени это ожидаемо. С другой стороны, полчаса без тонального сигнала набора номера могут легко отправить людей в панику. Так что PSTN может испытывать недостаток в эффективности, это более чем компенсирует надежность. Но сеть, которая составляет Интернет, намного сложнее и, следовательно, функционирует с гораздо большей погрешностью. Соответственно одним из основных недостатков VoIP есть надежность.

Прежде всего, зависит от мощности сети. Ваш текущий телефон работает на фантомном питании, который предоставляется по линии от центрального офиса. Даже если ваша мощность гаснет, ваш телефон все еще работает. С помощью VoIP нет питания, нет телефона. Для VoIP должен быть создан стабильный источник питания.

Другое рассмотрение заключается в том, что многие другие системы в вашем доме могут быть интегрированы в телефонную линию. Цифровые видеомагнитофоны, цифровые абонентские телевизионные услуги и системы домашней безопасности используют стандартную телефонную линию для выполнения своих задач. В настоящее время нет способа интегрировать эти продукты с VoIP.

Чрезвычайные вызовы также становятся проблемой VoIP. Как указывалось ранее, VoIP использует IP-адресные номера телефонов, а не номера телефонов NANP. Невозможно связать географическое местоположение с IP-адресом. Поэтому, если вызывающий абонент не может сообщить оператору, где он находится, тогда нет способа узнать, какой центр обработки вызовов направит экстренный вызов и какой EMS должен ответить. Чтобы исправить это, возможно, географическая информация может быть каким-то образом интегрирована в пакеты.

Поскольку VoIP использует интернет-соединение, он восприимчив ко всему, что обычно связанно с домашними широкополосными услугами. Все эти факторы влияют на качество связи: латентность, дрожание и потерю пакетов. Телефонные разговоры могут быть искажены или потеряны из-за ошибок передачи. Некоторая стабильность в передаче данных в Интернете должна быть гарантирована до того, как VoIP действительно сможет заменить традиционные телефоны

VoIP уязвим для вирусов и взломов, хотя это очень редко, и разработчики VoIP работают над VoIP-шифрованием, чтобы противостоять этому.

Еще одна проблема, связанная с VoIP, заключается в том, что зависит от отдельных ПК с различными характеристиками и мощностью. На вызов может повлиять повреждение процессора. Предположим, вы разговариваете на своем программном телефоне, и вы решили открыть программу, которая уничтожает ваш процессор. Потеря качества сразу станет очевидной. В худшем случае ваша система может потерпеть крах в середине важного вызова. В VoIP все телефонные звонки зависят от обычных проблем с компьютером.

Одним из препятствий, которые были преодолены некоторое время назад, было преобразование аналогового аудиосигнала, который ваш телефон получает в пакеты данных. Как аналоговый звук превращается в пакеты для передачи VoIP? Ответ - это кодеки.

VoIP: программные коммутаторы и протоколы

Программный коммутатор содержит базу данных пользователей и телефонных номеров. Если у него нет необходимой информации, он передает запрос вниз по течению другим программным коммутаторам до тех пор, пока не найдет тот, который может ответить на запрос. Как только он находит пользователя, он находит текущий IP-адрес устройства, связанного с этим пользователем, в подобной серии запросов. Он отправляет всю соответствующую информацию на софтфон или , позволяя обмен данными между двумя конечными точками.

Софт коммутаторы работают в тандеме с сетевыми устройствами, чтобы сделать VoIP возможным. Чтобы все эти устройства работали вместе, они должны общаться одинаково. Это сообщение является одним из наиболее важных аспектов, которые нужно будет уточнить для VoIP.

Протоколы

На каждом конце VoIP-звонка мы можем использовать любую комбинацию аналогового или IP-телефона действующего как пользовательский интерфейс, или клиентское программное обеспечение, работающее с кодеком для обработки цифро-аналогового преобразования, и программные коммутаторы, отображающие вызовы. Как объеденить все эти совершенно разные аппаратные и программные средства для эффективного общения? Ответ - это протоколы.

В настоящее время для VoIP используется несколько протоколов. Эти протоколы определяют способы соединения устройств, таких как кодеки, друг с другом и с сетью с использованием VoIP. Они также включают спецификации для аудиокодеков. Наиболее широко используемый протокол - H.323, стандарт, созданный Международным союзом электросвязи (МСЭ). H.323 - это всеобъемлющий и очень сложный протокол, который был первоначально разработан для видеоконференций. Он предоставляет спецификации для интерактивных видеоконференций в режиме реального времени, обмена данными и аудио-приложениями, таких как VoIP. На самом деле набор протоколов, H.323 включает в себя множество отдельных протоколов, которые были разработаны для конкретных приложений.

Набор протоколов H.323:

Передача (транспортировка)

H.323 - это большой набор протоколов и спецификаций, что позволяет использовать его для столь многих приложений. Проблема с H.323 заключается в том, что он специально не предназначена для VoIP.

Альтернатива H.323 возникла при разработке протокола инициирования сеанса (SIP). SIP - это более оптимизированный протокол, разработанный специально для приложений VoIP. Меньше и эффективнее, чем H.323, SIP использует существующие протоколы для обработки определенных частей процесса. Протокол управления шлюзом мультимедиа (MGCP) является третьим широко используемым протоколом VoIP, который фокусируется на управлении конечной точкой. MGCP ориентирован на такие функции, как ожидание вызова.

Одна из проблем, с которыми сталкивается VoIP во всем мире, заключается в том, что эти три протокола не всегда совместимы. VoIP-звонки между несколькими сетями могут перехватываться, если они попадают в конфликтующие протоколы.

Мониторинг VoIP-вызовов

VoIP имеет свои отличительные преимущества и недостатки. Наибольшее преимущество VoIP - это цена, и самым большим недостатком является качество звонков. Для предприятий, которые развертывают , особенно те, кто работает с загруженными колл-центрами, проблемы с качеством вызовов являются неизбежными и неприемлемыми. Чтобы проанализировать и устранить проблемы с качеством связи, большинство из этих компаний используют технологию, называемую мониторингом VoIP-вызовов.

Мониторинг VoIP-вызовов, также известный как контроль качества, использует аппаратные и программные решения для тестирования, анализа и оценки общего качества вызовов, совершаемых по телефонной сети VoIP. Мониторинг вызовов является ключевым компонентом плана обеспечения качества обслуживания.

Оборудование и программное обеспечение для мониторинга вызовов используют различные математические алгоритмы для измерения качества VoIP-вызова и создания оценки. Самый общий балл называется средней оценкой (MOS). MOS измеряется в масштабе от одного до пяти, хотя 4.4 является технически самым высоким показателем в сети VoIP. MOS 3.5 или выше считается «хорошим вызовом».

Чтобы оценить MOS, аппаратные средства и программное обеспечение для мониторинга вызовов анализируют несколько различных параметров качества вызова, наиболее распространенными из которых являются:

Период ожидания - это временная задержка между двумя концами телефонного разговора VoIP. Ее можно измерить как в одну сторону, так и в оба конца. Задержка в оба конца способствует «эффекту разговора», возникающему во время плохих вызовов VoIP, когда люди в конечном итоге не общаются друг с другом, потому что думают, что другой человек перестал говорить. Задержка в оба конца более 300 миллисекунд считается плохой.

Дрожание (джиттер) - это латентность, вызванная появлением пакетов или неправильным порядком. Большинство сетей VoIP пытаются избавиться от джиттера с помощью чего-то, называемого буфером дрожания, который собирает пакеты в небольших группах, помещает их в правильном порядке и доставляет их конечному пользователю все сразу. VoIP-абоненты заметят дрожание 50 мс или более.

Пакетная потеря. Частью проблемы с буфером дрожания является то, что иногда он перегружается, а опоздавшие пакеты «отбрасываются» или теряются. Иногда пакеты теряются во время разговора, и иногда целые предложения будут выпадать. Потеря пакетов измеряется как процент от потерянных пакетов к принятым пакетам.

Существует два разных типа мониторинга вызовов: активный и пассивный. Активный (или субъективный) мониторинг вызовов происходит до того, как компания развертывает свою сеть VoIP. Активный мониторинг часто осуществляется производителями оборудования и сетевыми специалистами, использующими VoIP-сеть компании исключительно для целей тестирования. Активное тестирование не может произойти после развертывания сети VoIP, и сотрудники уже используют эту систему.

Мониторинг пассивного вызова анализирует VoIP-звонки в режиме реального времени, пока их делают фактические пользователи. Мониторинг пассивных вызовов может обнаруживать проблемы сетевого трафика, перегрузки буфера и другие сбои, которые сетевые администраторы могут исправлять во время простоя сети.

Другим методом мониторинга звонков является запись телефонных звонков VoIP для последующего анализа. Однако этот тип анализа ограничен тем, что можно услышать во время разговора, а не тем, что происходит в реальной сети. Этот тип мониторинга обычно осуществляется людьми, а не компьютерами, и называется обеспечением качества.

Wi-Fi телефоны VoIP

Поддержывают как обычное проводное соединение или сотовую радиостанцию, так и Wi-Fi (802.11 b / g). Wi-Fi позволяет сотовому телефону подключаться к беспроводной сети Интернет через беспроводной маршрутизатор. Если у вас есть беспроводной интернет-маршрутизатор в вашем доме, вы можете использовать свой телефон для совершения VoIP-звонков.

Вот как это работает:

1. Когда телефон находится в зоне беспроводной сети Интернет, телефон автоматически распознает и подключается к сети.

2. Любые вызовы, которые вы инициируете в беспроводной сети, маршрутизируются через Интернет в виде VoIP-вызовов.

3. Если телефон находится вне зоны действия беспроводного интернет-сигнала, он автоматически переключается на обычную сотовую сеть, и звонки оплачиваются как обычно.

4. Двухрежимные телефоны могут беспрепятственно отключаться от Wi-Fi до сотовой (и наоборот) в середине вызова при входе и выходе из сетей Wi-Fi.

Подобны двухрежимным сотовым телефонам и , но не являются технически сотовыми телефонами, потому что у них есть только Wi-Fi-радио и нет сотовой радиосвязи. Телефоны Wi-Fi могут звонить только при подключении к беспроводной сети Интернет. Это означает, что все телефонные звонки Wi-Fi являются VoIP-звонками.

Wi-Fi-телефоны полезны в крупных компаниях и офисах с собственными обширными беспроводными сетями. И может оказаться следующей большой вещью, с расширяющимся рынком для муниципального Wi-Fi. Представьте, что весь ваш город был охвачен высокоскоростной беспроводной сетью. Это означает дешевые VoIP-звонки, куда бы вы ни пошли.

Например в Англии компания под названием Hutchinson 3G уже сотрудничает с популярным VoIP-сервисом Skype, чтобы представить Skypephone. Skypephone позволяет пользователям делать бесплатные сотовые телефонные звонки другим пользователям Skype. Телефон также может выполнять обычные сотовые вызовы для пользователей, не являющихся пользователями Skype, за обычные сборы.

В заключение

VoIP - это значительное улучшение по сравнению с существующей телефонной системой по эффективности, стоимости и гибкости. Как и любая новая технология, у VoIP есть некоторые проблемы для преодоления, но ясно, что разработчики будут продолжать совершенствовать эту технологию, пока она в конечном итоге не заменит текущую телефонную систему.

Технология может повысить общую производительность организации, позволяя своим сотрудникам выполнять многозадачность без перерывов. Она также позволяет организации выделять средства, обычно потраченные на традиционные телефонные счета, на другие аспекты бизнеса. VoIP дает возможность пользователям прикладывать документы, проводить виртуальные встречи и обмениваться данными посредством видеоконференций. На данный момент производители интенсивно работают над устранением основной проблемы VoIP - улучшение четкости голоса, чтобы сделать ее неотличимой от традиционной телефонии. Ранее версии VoIP производили искаженные телефонные звонки, отставание в передаче и отбрасываемые звонки, но изменения в технологии VoIP сделало ее более привлекательной для бизнеса и корпораций, учитывая, что идет постоянная работа над предыдущими ошибками.

Многие страны до сих пор не уверены в том, как регулировать VoIP - следует ли рассматривать его на уровне PSTN или он более похож на Интернет? Национальным и даже международным органам скоро придется решать, как бороться с будущим индустрии VoIP. Дополнительные проблемы для предприятий и потребителей включают конфиденциальность и безопасность. Однако эти области более туманны, и немногие знают о правильных вопросах, которые нужно задать, не говоря уже о поиске ответов. В быстрорастущих отраслях, таких как VoIP, единственная уверенность в том, что на горизонте всегда будет что-то новое.

Алексей Шереметьев, Александр Непомнящий, Алексей Любимов

Традиционные подходы к построению телекоммуникационных сетей для передачи голоса и данных не подразумевают тесной взаимосвязи этих процессов. Управление двумя этими различными системами, естественно, связано со значительными вложениями в оборудование и обслуживающий персонал. В последние годы для решения этой проблемы было предложено несколько основополагающих вариантов реализации единой сетевой инфраструктуры для передачи разнородного трафика.

В 80-е годы территориально-распределенные корпоративные сети строились на основе выделенных каналов E1/T1. Для уплотнения каналов применялись мультиплексоры, ставшие, пожалуй, самыми первыми аппаратными платформами для интеграции голоса и данных в частных и публичных сетях и являющиеся наиболее распространенным способом передачи разнородного трафика по единой сети в настоящее время. В то же время принципы построения телефонных сетей кардинально не менялись. В таких сетях телефонные соединения устанавливаются по предопределенным маршрутам (основным и альтернативным) и страдают множеством ограничений: высокая стоимость поддержки большого количества маршрутных таблиц каждой УАТС (PBX) и их реконфигурации при изменении телефонных потоков, неэффективное использование полосы пропускания, ухудшение качества речи при применении механизмов сжатия в сетях с множеством АТС и др.

В течение последних лет были разработаны устройства, обеспечивающие передачу голоса по сетям, изначально нацеленным на передачу данных, таким, как frame relay (FR) и IP-сети. Движущей силой при этом является стремление сократить расходы на использование арендуемых линий связи и повысить эффективность применения выделенных корпоративных коммуникаций.

Новый импульс развитию телефонных сетей дало появление механизмов, обеспечивающих передачу голоса по АТМ-сетям, которые предусматривают возможность подключения АТС к АТМ-коммутаторам, способным коммутировать как потоки данных, так и голоса.

Изначально ориентированный на передачу данных, протокол frame relay довольно-таки быстро стал основой для передачи смешанного трафика: данных вычислительных сетей, речевых и факсимильных сообщений, обеспечивая при этом высокое качество и приемлемую стоимость решений. Широкое распространение frame relay объясняется малыми потерями при инкапсуляции (3 - 4%), возможностью выделения гарантированной полосы пропускания (CIR - Committed Information Rate), а также предсказуемостью и минимальными задержками передачи информации. Использование frame relay позволяет строить сети с интеграцией не только на выделенных каналах, но и на базе существующих глобальных сетей. Передача голоса по frame relay строится, как правило, на основе частных протоколов, например Voice Relay компании Motorola.

Известно, что для передачи одного голосового канала требуется пропускная способность 64 кбит/с (СТК). Однако это значение может быть снижено с помощью механизмов сжатия голосовой информации и технологии подавления пауз. Алгоритмы, реализованные в специализированных процессорах для обработки цифрового сигнала (Digital Signal Processor - DSP), обеспечивают сжатие цифрового голосового сигнала до уровня 32, 16, 8 кбит/с и менее. Как правило, телефонный разговор состоит из речи всего лишь на 40 - 50%, поэтому если выделять паузы и не передавать молчание по линиям связи, а использовать высвобождающееся время для передачи данных, то можно достичь еще большей экономии пропускной способности.

Для того чтобы обеспечить необходимое качество передачи голоса, нужно, согласно рекомендациям МСЭ-Т, чтобы задержки при передаче речи по международным линиям связи не превышали 150 мс. Это возможно, во-первых, при использовании системы приоритетов, во-вторых, при фрагментации пакетов данных, в-третьих, при снижении числа процедур компрессии/декомпрессии. При этом пакеты, содержащие голосовой сигнал, должны передаваться раньше пакетов с данными, а сетевой трафик из пакетов переменной длины, приводящий к появлению значительных пауз в восстановленной речи и низкому качеству ее звучания, должен разбиваться на небольшие пакеты фиксированной длины, с тем чтобы время передачи каждого пакета составляло от 5 до 10 мс. Допустимое число процедур компрессии/декомпрессии зависит от используемого алгоритма сжатия, длины линий и других факторов. Как будет показано далее, для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз.

Для успешной передачи голоса по frame relay необходимо решить проблему правильной обработки заторов. Как известно, при передаче пакетов данных по этим сетям подтверждений о получении пакетов не посылается, а проверка целостности данных производится только средствами протоколов более высоких уровней. Поскольку надежность передачи пакетов в современных сетях достаточно высока, то такой подход не приводит к существенным потерям, одновременно позволяя значительно снизить накладные расходы на пересылку данных. При передаче голосовых данных потеря пакетов вызывает нарушение воспроизведения голоса на приемной стороне, поэтому следует приложить максимум усилий для решения этой проблемы. Одной из ситуаций, которая может привести к потере пакетов, является затор, возникающий, когда тот или иной коммутатор оказывается не в состоянии пропустить по исходящим от него каналам весь поступающий на него трафик. При возникновении затора коммутатор посылает специальное сообщение всем устройствам доступа, от которых исходит трафик, вызвавший затор. Реакцией на это сообщение должно являться снижение скорости передачи данных в сеть, однако не все устройства доступа обладают такой способностью. Для корректной передачи голоса эффективная обработка заторов является абсолютно необходимой, в противном случае трудно ожидать, что вся пересылаемая голосовая информация дойдет по назначению в случае возникновения затора.

Посмотрим, как вышеперечисленные проблемы решаются компанией Motorola в уже упомянутой технологии Voice Relay.

Когда маршрутизатор MPR 6520/6560 обнаруживает на одном из своих голосовых портов вызов, то, во-первых, он фиксирует длину всех пакетов, передаваемых через вызываемый канал FR, как голосовых, так и пакетов с данными, а во-вторых, для качественной передачи голоса присваивает голосовым пакетам более высокий приоритет при передаче, причем между двумя голосовыми пакетами может быть передано не более двух пакетов с данными.

В оборудовании Motorola применяется механизм под названием smoothing delay (плавная задержка), сущность которого состоит в том, что если источником послана последовательность пакетов VDDVX (где V - голосовой пакет, D - пакет с данными, а стрелка указывает порядок передачи пакетов), то на стороне приемника первый голосовой пакет “придерживается” для устранения задержки и последовательность пакетов выглядит как VVDDX. Motorola “умеет” восстанавливать потерянные пакеты. Как уже отмечалось, frame relay - это протокол, в котором проверка данных на правильность при передаче отсутствует. Проверку осуществляют протоколы верхних уровней. Для голосовых пакетов (с целью уменьшения задержек) проверка не осуществляется, но при получении сбойного пакета или же при потере пакета MPR 6520/6560 интерполирует утерянный пакет в силу аналоговой природы голоса.

Voice Relay имеет в своем составе механизм подавления эха (echo cancellation) и использует паузы в разговоре для передачи данных. По окончании разговора MPR 6520/6560 ждет в течение 30 с, не начнется ли разговор снова, и отменяет фиксацию длины пакета, переходя вновь к переменной длине. Соответственно, отключаются все функции передачи голосовой информации, т. е. передаются только данные.

Несмотря на все перечисленные трудности, технология передачи голоса по сетям frame relay имеет много сторонников и достаточно широко применяется для связи между штаб-квартирой компании и ее филиалами.

Однако сети FR ограничены полосой пропускания T1/E1, что может быть недостаточно при передаче быстро растущего объема голосового трафика и данных.

IP-телефония

IP становится стандартным протоколом для магистральных сетей корпораций при построении интра- и экстрасетей, а также при подключении предприятий к Интернету. Решения VoIP, т. е. передача голоса поверх IP-протокола, становятся все более и более plug and play, что определяет легкость их установки и обучения пользователей. Однако если вы используете программное решение, то соответствующее обеспечение должно быть установлено на каждом ПК, с которым требуется установить связь; необходимо также обучение каждого пользователя применению VoIP-программы. В качестве более сложного VoIP-решения может быть использован шлюз, устанавливаемый на единственном сервере (персональном компьютере) в центральном офисе и филиалах. Этот сервер может выполнять и другие функции. При использовании шлюза VoIP-функция прозрачна для пользователя, работающего с обычным телефоном и факс-аппаратом.

1. Функция поиска. Когда исходящий IP-шлюз размещает телефонный вызов через IP-сеть, он принимает номер вызывающего абонента и конвертирует его в IP-адрес шлюза назначения на основе данных таблицы в исходящем шлюзе или централизованном сервере. Просмотр таблицы в исходящем шлюзе часто требует меньше времени, чем просмотр в централизованном сервере: время соединения - 1 - 2 секунды, а не 4 - 5, как во втором случае.

2. Функция связи. Исходящий шлюз устанавливает соединение со шлюзом назначения, обмениваясь информацией о параметрах соединения и совместимости устройств.

3. Функция оцифровки. Аналоговые сигналы телефонной связи, входящие в шлюз, оцифровываются шлюзом и преобразуются обычно в 64 кбит/с ИКМ-сигнал. Эта функция требует от шлюза поддержки разнообразных интерфейсов телефонной связи.

4. Функция демодуляции. Некоторые шлюзы могут принимать только голосовой сигнал или сигнал факса, но не оба вместе, поэтому должны быть заранее определены магистральные каналы к модулям обработки голоса или факса. Более сложные шлюзы могут обрабатывать данные обоих типов, автоматически определяя, является ли цифровой сигнал звуковым или факсимильным, и производя обработку сигнала в соответствии с его типом. Если сигнал факсимильный, то он демодулируется сигнальным процессором (DSP) обратно в цифровой формат 2,4 - 14,4 кбит/с. Этот демодулированный сигнал затем помещается в IP-пакеты для передачи к шлюзу назначения. После этого демодулированная информация перемодулируется обратно в аналоговый факс-сигнал шлюзом назначения для доставки к факс-аппарату.

Передача факса может быть осуществлена с использованием или UDP/IP-, или TCP/IP-форматов. UDP/IP в отличие от TCP/IP не требует исправления ошибок в передаче пакетов. Казалось бы, что формат UDP/IP предпочтительнее, так как поврежденный пакет факса мог бы затронуть только одну линию факса. Однако, если потери пакетов происходят во время обработки страницы negotiation, передача факса может быть закончена. При использовании TCP/IP программное обеспечение хоста скрывает повторную передачу TCP-пакетов с данными факса, не оказывая на документ никакого воздействия.

5. Функция компрессии. После определения того, что сигнал является голосовым, он обычно сжимается сигнальным процессором (DSP) с использованием одного из методов компрессии/декомпрессии (табл. 1) и помещается в IP-пакеты. При этом важно обеспечение хорошего качества речи и малой задержки при оцифровке.

Таблица 1. Методы компрессииречи

Звуковые пакеты передаются как пакеты UDP/IP, а не TCP/IP во избежание довольно-таки больших задержек, возникающих при повторной передаче последних. Если используется режим FEC (непосредственное исправление ошибок), то искаженный или отсутствующий звуковой пакет может быть восстановлен на основе данных предыдущего звукового пакета. Если механизм FEC не применяется, то искаженный пакет просто отвергается и шлюз использует предыдущий пакет. Этот механизм работает незаметно для пользователя в случае низкого процента искажения/потерь пакетов (<5%), в противном случае действует хорошо отработанная техника коррекции звука: “А? Не слышу+ Громче+”.

Данные, оцифровываемые КОДЕКом, не содержат адрес IP-пакета и управляющую информацию, или “заголовок”, которые обычно составляют дополнительные 7 кбит/с, если IP-маршрутизатор отдельно не компрессирует заголовок, в противном случае - 2 - 3 кбит/с.

Сложность обработки определяется мощностью необходимого DSP-процессора, требуемой для обработки голосового сигнала, исключая функции компенсации эха и подавления молчания, и измеряемой в миллионах операций в секунду (MIPS). Более низкая сложность подразумевает меньшие затраты DSP на обработку.

6. Функция декомпрессии/перемодуляции. Шлюз, исполняя шаги 1 - 4, описанные выше, в то же самое время принимает пакеты от других IP-шлюзов и декомпрессирует пакеты, вновь придавая им форму, “понятную” соответствующим устройствам аналоговой телефонной связи, цифровой сети с интеграцией служб или с интерфейсами T1/E1. Он также может осуществлять перемодуляцию цифрового факса обратно к первоначальному виду, а затем - в соответствующий интерфейс телефонной связи.

Кроме того, шлюз может выполнять функции согласования интерфейсов инициатора звонка и принимающего вызов, делая необходимые преобразования.

Описанный выше процесс передачи голоса через VoIP-шлюз отличается от механизма передачи голоса по сетям frame relay, используемого маршрутизаторами голоса/факса и устройствами доступа frame relay, (FRAD). VoIP-шлюз является устройством локальной вычислительной сети, которое способно сократить затраты при передаче речи и факсов по региональной сети связи, причем соединения по сети связи осуществляются маршрутизатором, а не шлюзом. Маршрутизатор голоса/факса или FRAD, однако, являются устройствами региональной сети связи, соединяющими локальную вычислительную сеть с региональной сетью связи, что во многом определяет их функции, повышает сложность их исполнения, а также предъявляет более высокие требования к их отказоустойчивости и управляемости по сравнению со шлюзом.

При передаче голоса через IP-сеть возникает, как и в случае с frame relay, проблема задержки голосовых пакетов, причем в отличие от frame relay возникающие в Интернете непредсказуемые заторы и задержки, кардинально понижающие качество передачи голоса, пользователь никак не может контролировать.

При этом пользователям не стоит забывать, что технология передачи голоса через IP-сети еще не устоялась. Если у инициатора вызова и его адресата не установлено идентичное ПО голосового обмена через IP, то поговорить им, скорее всего, не удастся.

Для того чтобы программное обеспечение различных производителей было способно к взаимодействию, необходима поддержка стандартов, таких, например, как H.323.

Пользователи надеются, что массовое внедрение Интернета поможет решить проблему пропускной способности и тем самым избежать задержек при передаче голоса. Однако контролировать этот процесс невозможно, поэтому производители работают и над другими проблемами.

Большие надежды возлагаются на протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol - RSVP), благодаря которому оказывается возможным сквозное резервирование пропускной способности Интернета для передачи чувствительного к задержкам трафика. RSVP был разработан для передачи мультимедийного трафика по IP-сетям, однако он может быть использован и для передачи голоса. Согласно этому протоколу маршрутизаторы обмениваются сигналами, запрашивая свободный путь по сети. Главный недостаток такого подхода заключается в том, что запросов может быть столько, что маршрутизаторы окажутся не в состоянии все их обслужить.

ATM имеет все предпосылки к тому, чтобы стать единой магистралью для разнотипного трафика. Эта технология позволяет гибко использовать пропускную способность сети. Одним приложениям может быть дан более высокий приоритет по сравнению с другими. С помощью ATM имеющаяся пропускная способность может динамически распределяться между различными приложениями, причем пользователи даже не будут знать, каким образом они обмениваются телефонными звонками или как данные добираются из одного места в другое.

Почему многие предпочитают ATM, а не IP? Одна из причин этого - очень малая задержка (порядка 20 мс) при передаче голоса по этим сетям. При передаче же голоса по IP задержка возрастает до 300 мс, в результате чего голос на выходе звучит иначе, чем в случае обычной телефонной связи.

С 1997 г. ATM Forum ратифицировал шесть новых спецификаций, призванных обеспечить совместимость продуктов различных производителей и упростить переход конечных пользователей к ATM. Среди них - Multiprotocol over ATM (MPOA), LAN Emulation (LANE) 2.0, инверсное мультиплексирование для ATM, динамическое использование пропускной способности, интерфейс “пользователь - сеть” на базе кадров FUNI 2.0.

Одной из наиболее ожидаемых была спецификация “Голос и телефония по ATM до настольных систем” (Voice and Telephone over ATM - VTOA - to the Desktop Specification), описывающая коммутируемые голосовые службы по сети ATM для обычных телефонов. Аналогично тому, как MPOA и LANE задействуют имеющиеся протоколы и услуги, VTOA поддерживает передачу традиционного голосового трафика с помощью протоколов ATM.

VTOA открывает доступ к частным и общедоступным сетевым голосовым услугам и имеет функции поддержки широкополосных терминалов. Эти терминалы могут быть подключены к любому телефону в сети, использующему импульсно-кодовую модуляцию G.711 для кодирования голосовых каналов на 64 кбит/с. G.711 принят институтом ITU-T и является в настоящее время наиболее распространенной голосовой службой для настольных систем.

Для поддержки таких функций, как предупреждение и сообщение о продвижении вызова, VTOA to the Desktop Specification предусматривает использование интерфейса “пользователь - сеть” версии 4.0 (User-Network Interface - UNI), определяющего связь между конечными пользователями или конечной станцией и локальным коммутатором, либо интерфейса “сеть - сеть” (Private Network-to-Network Interface - PNNI) 1.0, определяющего взаимодействие между двумя коммутаторами.

В случае предъявления высоких требований к эффективности использования полосы пропускания голосовой трафик лучше передавать с применением службы переменной скорости передачи битов (Variable Bit Rate - VBR).

Там же, где эффективность использования полосы пропускания не является доминирующим фактором, применение CBR-службы будет более дешевым и простым решением.

Механизмы адаптации - ATM Adaptation Layer, AAL (табл. 2) - обеспечивают передачу различного типа трафика, в том числе голоса между PBX. Так, уровень AAL0 поддерживает нестандартные алгоритмы адаптации голоса, уровень AAL1 - передачу голоса в режиме CBR (выделяется полоса пропускания соответствующей ширины). Ячейки AAL1 форматов SDT и UDT дают возможность передавать по сети информацию о синхронизации (time stamp), частично заполненные ячейки данных для уменьшения задержек, а также значение счетчика ячеек для обнаружения потерь ячеек. Работа на уровне AAL5 - наиболее дешевый способ доведения голоса по ATM до рабочего места с использованием режима CBR. Однако он не подходит для сетей, использующих AAL1.

Таблица 2. Механизмы адаптации АТМ

В общем случае механизм адаптации AAL принимает пакеты от протоколов верхнего уровня, разбивает их на 48-байтовые сегменты и формирует поле полезной нагрузки ячеек АТМ.

Стремление к более эффективному использованию полосы пропускания стимулирует развитие механизмов сжатия речи. Стандартный ИКМ-сигнал (РСМ) для передачи речи требует, как уже отмечалось, выделения полосы пропускания 64 кбит/с (рекомендация МСЭ-Т G.711), что является явно избыточным.

Один из старейших алгоритмов сжатия речи - ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation; стандарт G.726 был принят в 1984 г.). Этот алгоритм дает практически 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.

Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях 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 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 (эту задержку можно уменьшать, увеличивая мощность процессора), но и непосредственно с характером метода сжатия. Этот метод позволяет достигать очень больших степеней сжатия, которым соответствует полоса пропускания 2,4 или 4,8 кбит/с, однако качество звука здесь сильно страдает. Поэтому в коммерческих приложениях он не используется, а применяется в основном для ведения служебных переговоров.

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 сличает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодировки, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи; на противоположном конце происходит восстановление звукового сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.

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. Этот метод был стандартизован Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union - ITU) в 1992 г. как алгоритм кодирования речи G.728. Алгоритм применяется к последовательности цифр, получаемых в результате аналого-цифрового преобразования голосового сигнала с 16-разрядным разрешением.

Пять последовательных цифровых значений кодируются одним 10-битовым блоком - это и дает те самые 16 кбит/с. Для применения этого метода требуются большие вычислительные мощности; в частности, для прямолинейной реализации G.728 необходим процессор с быстродействием 44 MIPS.

В марте 1995 г. ITU принял новый стандарт - G.723, который предполагается использовать при сжатии речи для организации видеоконференций по телефонным сетям. Этот стандарт представляет собой часть более общего стандарта H.324, описывающего подход к организации таких видеоконференций. Цель - организация видеоконференций с использованием обычных модемов. 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 описанная выше 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. Некоторые основные алгоритмы сжатия речи и создаваемые при этом задержки приведены в табл. 1.

Количественными характеристиками ухудшения качества речи являются единицы QDU (Quantization Distortion Units): 1 QDU соответствует ухудшению качества при оцифровке с использованием стандартной процедуры ИКМ; значения QDU для основных методов компрессии приведены в табл. 3. Дополнительная обработка речи ведет к дальнейшей потере качества. Согласно рекомендациям МСЭ-Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14, причем передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU.

Таблица 3. Ухудшение качества речи при использовании

различных алгоритмов сжатия

Следовательно, при передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным требованием регулирующих органов по отношению к корпоративным сетям, подключенным к сетям общего пользования.

Подавление пауз (silence suppression) - важная функция АТМ-коммутаторов. Суть технологии подавления пауз заключается в определении различия между моментами активной речи и молчания в период соединения. В результате применения этой технологии генерация ячеек происходит только в моменты активного разговора. Поскольку в процессе типичного разговора по телефону тишина составляет до 60% времени, происходит двукратная оптимизация по количеству данных, которые должны быть переданы по линии. Объединение технологии сжатия речи и подавления пауз речи в коммутаторах приводит к уменьшению потока данных в канале до восьми раз.

Технологии Newbridge

Модернизированные устройства серии MainStreet, например MainStreet 3600+, позволяют определять различные классы обслуживания для голосового трафика. Они поддерживают алгоритмы HCV (High Capacity Voice) 8,16 кбит/с, LD-CELP (16 кбит/с) и A-CELP (8 кбит/с), основанные на стандартах ITU. Поддерживаются разнообразные голосовые интерфейсы: E&M (Type I, II, III, IV, V), LS/GS Subscriber (FXS), LS/GS Exchange (FXO), T1 D4 and ESF (Extended Superframe) formats, E1 CAS and CCS, R2D (E&M), MRD Channel Unit.

Помимо этого в соответствии с недавно опубликованной спецификацией Frame Relay Forum FRF.11 Implementation Agreement в них реализована технология Voice over Frame Relay (VoFR). Этот метод позволяет осуществлять компрессию голосового трафика и разбиение его на пакеты для передачи в режиме переменной скорости (VBR).

По словам представителей Newbridge, эти продукты позволят телекоммуникационным компаниям предоставлять самые современные услуги телефонной связи и одновременно снизить расходы на эксплуатацию сетей. Если пользователь считает необходимым изменить драйверы прикладных программ, конфигурация сети может быть легко изменена путем загрузки соответствующего программного обеспечения таким образом, чтобы предоставлять услуги другого класса. Комплексные решения Newbridge дают возможность осуществлять централизованное управление всей сетью из любой ее точки.

Технология VoFR, разработанная Newbridge Networks совместно с ее дочерней компанией Castleton Network Systems, позволяет снизить стоимость эксплуатации сетей благодаря уменьшению средней полосы пропускания и использованию полосы, выделенной для сети frame relay, для одновременной передачи голоса и данных. Данный метод обеспечивает более эффективное распределение полосы пропускания в узкополосных периферийных сетях, где объемы голосового трафика и данных сильно варьируются, а эффективность использования имеющейся полосы играет решающую роль. Помимо этого пакеты VoFR могут легко передаваться по АТМ-магистралям как обычный трафик frame relay. Общая стратегия компании Newbridge предусматривает использование в своих устройствах технологии AssuredVoice - передачи голоса по сетям FR, ATM и IP компании Castleton.

В продукции Newbridge Networks также реализованы усовершенствованные механизмы для обеспечения качества обслуживания (QoS), определенные Frame Relay Forum, на транспортном уровне frame relay. Эти механизмы предоставляют приоритет трафику, чувствительному ко времени задержки (например, голосовому). Они контролируют время задержки пакетов и управляют передачей голосового трафика в условиях перегрузок сети, что гарантирует качество звука, передаваемого по сетям frame relay.

В этом году компания представила мультиплексор 3608 MainStreet Packet Access Mux, обеспечивающий экономное выделение полосы пропускания по требованию для приложений, обеспечивающих голосовую связь в сетях frame relay. Этот мультиплексор позволяет объединить качественную телефонную связь с передачей факсов и данных из удаленного офиса по одному соединению frame relay. В данном устройстве также реализована технология сжатия голоса A-CELP.

Оборудование Cisco Systems

Cisco Systems провозгласила пятиэтапную стратегию открытых систем и технологий, призванную помочь пользователям интегрировать данные, голос и видео “от и до”: от более мелких узлов доступа до крупных магистральных узлов. В этой стратегии используется ПО Cisco IOS, обеспечивающее передачу голоса по IP, frame relay и ATM через мультисервисную сетевую среду.

Третья фаза стратегии интеграции данных, голоса и видео делает основной упор на шлюзы между различными средами в условиях сосуществования разнообразных служб и технологий. Сюда входят шлюзы от сетевых протоколов к протоколам телефонных станций, а затем к протоколам телефонных сетей общего пользования и ISDN, шлюзы от средств низкоскоростного доступа к средствам широкополосной магистральной коммутации и шлюзы от среды коммутации цепей к среде коммутации пакетов (IP, FR) и ячеек (ATM).

Некоторые устройства, например новый многофункциональный концентратор доступа Cisco MC3810, используют режим переменной скорости передачи данных в реальном масштабе времени (VBR-rt) АТМ или сеть frame relay для передачи сжатого голоса. Благодаря применению статистических методов мультиплексирования и алгоритмов компрессии повышается эффективность использования ширины полосы пропускания. Аналогичными возможностями, но в мире IP-сетей обладают маршрутизаторы Cisco серий 3600 и 2600.

Другие продукты типа модулей эмуляции соединений (Circuit Emulation) для маршрутизатора Cisco 7200, АТМ-коммутатора LightStream 1010 и коммутатора для кампусных сетей Catalyst 5500 используют для передачи голоса по АТМ-сетям постоянную скорость передачи данных (CBR). Этот подход обеспечивает возможность взаимодействия в сетях АТМ-оборудования от различных поставщиков и позволяет применять системы, не поддерживающие протоколы УАТС, для передачи телефонного трафика по единой сетевой инфраструктуре предприятия.

Многофункциональный концентратор доступа Cisco МС3810, представленный компанией Cisco Systems, объединяет передачу данных по локальным сетям, синхронную передачу данных, видео, речевых и факсимильных сообщений для транспортировки через общедоступные или частные сети frame relay, ATM или сети с временным разделением каналов (TDM).

Устройство MC3810 программно поддерживает АТМ и frame relay. Голос, факс и данные транспортируются через ATM с использованием AAL5 (VBR).

К устройству Cisco MC3810 можно подсоединить любую телефонную станцию (PBX) или телефон. Оно обеспечивает сжатие речевых сообщений до 8 кбит/с при применении ACELP - стандартного алгоритма G.729 CS. Устройства используют технологию подавления пауз Voice Activity Detection (VAD) для сокращения речевого трафика во время пауз с целью снижения стоимости функционирования канала при повременной оплате.

Семейство многофункциональных модульных маршрутизаторов серий Cisco 3600 и 2600 предназначено для объединения удаленных небольших офисов в составе корпоративных систем, а также для подключения таких офисов к глобальным сетям общего пользования.

Модульная архитектура маршрутизаторов предоставляет возможность их адаптации к реальным условиям сетей заказчиков. Интерфейсные модули для доступа к глобальным сетям (WAN-модули), предназначенные для семейств Cisco 1600, 2600 и 3600, поддерживают большое количество последовательных интерфейсов, интерфейс ISDN BRI, а также набор канальных интерфейсов CSU/DSU для основных и резервных каналов связи. Голосовой модуль для маршрутизаторов серий Cisco 3600 и 2600 позволяет осуществлять интегрированную передачу голоса, факсимильных сообщений и данных, имеет интерфейс с существующими телефонными аппаратами, факс-машинами, офисными PBX (FXO, FXS, E&M). Качество передаваемого голоса обеспечивается за счет применения механизма компрессии и технологий QoS (Quality of Service) Cisco IOS, таких, как RSVP и механизм взвешенного сокращения очередей WFQ (Weighted Fair Queuing). Каждый голосовой модуль поддерживает два или четыре голосовых канала, а также стандарт H.323 и несколько протоколов компрессии, включая G.711 и G.729.

Для построения многосервисных глобальных сетей используются коммутаторы серии Cisco IGX 8400 с интерфейсами для транспортировки данных АТМ, frame relay, синхронных и асинхронных систем передачи данных, Интернета, а также видеосигнала и речевого трафика.

Коммутатор IGX использует для передачи ячеек АТМ внутреннюю шину с пропускной способностью 1,2 Гбит/с для связи интерфейсных и магистральных модулей в составе системы и обеспечивает передачу голосовых сообщений с реализацией интерфейсов Е1, Т1 и Y1, функций определения активности голосового канала, подавление пауз и коммутации звонков, а также механизмов компрессии речи ADPCM-32К, 24К и 16К, LD-CELP-16К.

Применение технологии Voice Network Switching (VNS) предоставляет коммутируемые виртуальные каналы (SVC) для передачи голоса и данных по мультисервисной сети (IGX, BPX). Для пользователей учрежденческих телефонных станций (PBX), использующих сигнальные протоколы Digital Private Network Signaling System (DPNSS), QSIG или Q931A (Japanese ISDN), появляется возможность поддерживать между собой голосовую связь по требованию, так же как если бы они (пользователи) звонили на PSTN. При одновременном применении VNS с установленным в IGX модулем Universal Voice Module Model C (UVM-C), выполняющим преобразование CAS-to-QSIG, VNS также коммутирует звонки от PBX, используя Channel Associated Signaling (CAS). Поддерживаемые сигнальные протоколы являются вариантами Integrated Services Digital Network (ISDN). VNS обеспечивает прямое соединение PBX, устраняя необходимость тандемных соединений. Другими словами, использование VNS в сети позволяет уменьшить количество транков E1, требуемых для взаимного объединения PBX, и предоставляет замену тандемным PBX.