Современные системы телефонии

 

 

 

Принцип работы IP-телефонии

При звонке между абонентами IP-телефонии голосовые сигналы, транслируемые между ними, преобразуются в сжатые пакеты данных. Этот процесс будет подробнее рассмотрен в последующих главах об импульсно кодовой модуляции и кодеках. После сжатия пакетов данных они пересылаются поверх IP сетей с коммутацией пакетов. Как только пакеты данных достигают своего получателя, они снова преобразуются в голосовые сигналы. Все эти процессы реализованы благодаря использованию большого количества вспомогательных протоколов, некоторые из которых будут рассмотрены далее.

Рассматривая протоколы передачи данных в данном контексте можно назвать их неким языком, который позволяет абонентам наладить между собой голосовую связь и обеспечить пересылку необходимых для этого данных между пунктами связи.

Отличительные особенности IP-телефонии от традиционной связи

Установка соединения традиционной телефонии осуществляется через телефонную станцию и совершается только для осуществления разговора. Сигналы между абонентами передаются через выделенное подключение по линиям телефонной связи. При использовании IP-телефонии пакеты данных проходят через локальную или глобальную сеть, а также они имеют определенный адрес, на основе которого передаются по ней. При этом не обойтись без использования IP-адресации с такими ее особенностями как маршрутизация.

Более выгодным решением с точки зрения затрат на проведение разговоров для оператора и абонента будет IP-телефония благодаря таким ее особенностям:
— осуществить доступ в глобальную сеть сегодня может практически каждый пользователь компьютера с минимальными затратами или вовсе обойтись без них;
— осуществление звонков по локальной сети возможно при использовании внутреннего сервера без помощи внешней АТС;
— если в традиционных телефонных сетях присутствует избыточная производительность, то в IP-телефонии благодаря технологии сжатия пакетов можно использовать емкость телефонных линий полностью.

При имении вышеперечисленных достоинств IP-телефония также позволяет повысить качество связи за счет трех основных факторов:
— владельцы частных сетей имеют полный контроль над аппаратными и программными средствами, что им позволяет изменять и настраивать такие параметры сети, как количество абонентов линии и ширина полосы пропускания, вследствие чего величина задержки уменьшается;
— постоянное совершенствование телефонных серверов совместно с совершенствованием их алгоритмов работы делает связь более устойчивой к задержкам и другим проблемам в IP-сетях;
— развитие сетей с коммутацией пакетов и ежегодное введение в эксплуатацию новых протоколов и технологий, которые позволяют улучшать качество сеансов связи (в качестве примера можно привести протокол RSVP, предназначенный для резервирования полосы пропускания);
— IP-телефония элегантно решает проблему занятой линии – осуществление переадресации или перевода в режим ожидания выполняется внесением нескольких команд в конфигурационный файл на АТС.

1. Физический уровень (англ. Physical Layer)

Физический уровень передачи данных характеризуется передачей потоков битов через соответствующий интерфейс по физической среде. И в этом IP-телефония использует практически полностью существующую инфраструктуру сетевых соединений. Для передачи информации, как правило, используется витая пара пятой категории (UTP5), коаксиальный кабель или многомодовое оптическое волокно. Таким заимствованием реализуется принцип конвергенции сетевых телекоммуникаций в полной мере.

PoE

В контексте рассмотрения физического уровня передачи данных интересно будет рассмотреть технологию PoE (расшифровывается как «Power Over Ethernet»), функционирующую по стандартам IEEE802.3 af-2003, а также IEEE 802.3 at–2009. Суть технологии заключается в ее возможности обеспечивать питанием устройства использованием стандартной витой пары. Современные IP-телефоны, например модельный ряд аппаратов Unified IP Phones 7900 Series компании Cisco, поддерживают PoE. По стандарту от 2009 года, к телефонным устройствам технологии IP может быть подведено питание, мощность которого не должна превышать 25,5 Ватт.

Для подачи питания к устройству задействуют две из четырех витых пар кабеля стандарта 100Base-TX, тем не менее, производители могут использовать и все пары, увеличив мощность передачи питания до 51 Ватт. Технология PoE не потребует модификаций кабельных сетей уже находящихся в эксплуатации, как и самих кабелей Cat 5.

Чтобы определить способность устройства быть питаемым (что обозначается маркировкой PD – powereddevice) на его кабель подают напряжение от 1,8 до 10 В. Так можно вычислить сопротивление входа подключаемого устройства. При определении сопротивления в пределах 19-26,5 кОм выполняется вторая операция, в обратном случае проверка будет продолжаться с интервалом 2 мс или более. Суть второй операции состоит в поиске диапазона мощностей проверяемого устройства. Осуществляется поиск подачей все более высокого напряжения на вход с последующим измерением в линии силы тока. После этого на линию питания подают напряжение в 48 В. В процессе питания устройства ведется постоянный контроль за перегрузками питающей сети.

2. Канальный уровень (англ. Data Link Layer)

Условия спецификации IEEE 802 разделяют канальный уровень на 2 подуровня:
1 – MAC (расшифровывается как «Media Access Control»), обеспечивающий взаимодействие с уровнем физическим;
2 – LLC (расшифровывается как Logic Link Control), который обслуживает уровень сетевой.

Канальный уровень задействует коммутаторы, предназначенные для обеспечения соединения между собой нескольких узлов сети компьютеров, а также для распределения фреймов между хостами, основанных на физической адресации (MAC).

Стоит написать и о виртуальных локальных сетях (англ. Virtual Local Area Network — VLAN). ТехнологияVLAN позволяет создать логическую топологию сети, не смотря на физические характеристики последней. Это достигается при помощи тегирования трафика, с которым можно подробнее ознакомиться в описании стандарта IEEE 802.1Q.

Для изоляции трафика голосовых данных, которые генерируются IP-телефонами, от прочих данных широко применяется технология Voice VLAN. Использовать возможности этой технологии целесообразно по следующим причинам:
— Повышение качества передачи данных. Реализуется механизмом VLAN задавать повышенный приоритет пакетам голосовых данных, вследствие чего возрастает качество связи.
— Безопасность. Создавая отдельную голосовую VLAN можно уменьшить вероятность перехватить а проанализировать голосовые пакеты посторонними лицами.

3. Сетевой уровень (англ. Network Layer)

Учитывая, что сетевой уровень предназначен для реализации маршрутизации потоков, его основными устройствами принято считать маршрутизаторы (англ. Router). Эти устройства определяют путь, по которому данные достигают получателя, имеющего определенный IP-адрес.

В качестве основного маршрутизированного протокола используется протокол IP (англ. Internet Protocol). На его основе функционирует как IP-телефония, так и всемирная сеть Интернета. Кроме основного существует множество динамических протоколов для осуществления маршрутизации, самым популярным из которых можно назвать внутренний протокол OSPF (англ. Open Shortest Path First).

Наряду с обычными шлюзами сегодня функционируют и специальные VoIP-шлюзы (англ. Voice Over IPGateway), которые обеспечивают подключение к IP-сети обычные телефоны. Они, как правило, имеют встроенный маршрутизатор, с помощью которого ведется учет трафика, авторизуются пользователи, автоматически раздаются IP-адреса, управляется полоса пропускания.

Некоторые из стандартных функций шлюзов VoIP:
— поддержка работы факсимильной связи;
— поддержка протоколов SIP (англ. Session Initiation Protocol) и H.323;
— поддержка работы голосовой почты;
— функции для повышения безопасности (авторизация, создание списков пользователей, имеющих доступ).

Чтобы избежать возникающие задержки при передаче данных по протоколу IP, вместе с ним необходимо использовать дополнительные средства, например, протоколы установления очередности, которые избавляют от проблемы конкурирования голосовых данных с обычными. Для достижения этой цели в маршрутизаторах используют взвешенную организацию очередей, основанную на классах CBWFQ (англ. Class-Bassed Weighted Queuing) или же очередность, имеющую малую задержку LLQ (англ. Low-Latencyqueuing). Также будут необходимы схемы маркировки, задающие приоритеты голосовым данным, как самым важным в общем потоке передачи.

4. Транспортный уровень (англ. Transport Layer)

Транспортный уровень обеспечивает:

  • сквозное соединение;
  • сегментацию данных приложений из верхнего уровня;
  • надежность данных.

Транспортный уровень в качестве основных использует следующие протоколы:

  • UDP (англ. User Datagram Protocol);
  • TCP (англ. Transmission Control Protocol);
  • RTP (англ. Real-time Transport Protocol).

В работе IP-телефонии непосредственно используются протоколы RTP и UDP, которые в основном отличаются от TCP тем, что не обеспечивают надежности при доставке данных. Для IP-телефонии такая особенность является более приемлемой, чем использование TCP с его контролем за доставкой, потому как телефонная связь очень зависит от задержек при передаче данных, но потеря пакетов для нее не критична.

Протокол UDP

UDP создан на основании сетевого протокола IP, а его функции сводятся к предоставлению транспортных услуг прикладным процессам. Главным отличием между протоколами UDP и TCP является обеспечение первым негарантированной доставки (при отправке и после получения данных никаких подтвержденийUDP не запрашивает). При отправке данных через протокол UDP установка логического соединения между источником и приемником не обязательна.

Протокол RTP

Хоть RTP и принято считать транспортным протоколом, работает он, как правило, поверх UDP. Возможностями RTP реализовывается работа с временными метками, распознавание типа проходящего трафика, нумерация последовательности пакетов и контроль их передачи.

Основная цель работы протокола RTP сводится к присваиванию всем исходящим пакетам временных меток, которые впоследствии обрабатываются приемной стороной. Благодаря этому появляется возможность принимать информацию в том порядке, в котором она была отправлена, снижается влияние неравномерности временных интервалов прохождения пакетов в сети, восстанавливается синхронизация между видео и аудио данными.

5. Уровни данных (англ. Data Layers)

Последние три уровня модели OSI можно рассматривать совместно. Объединить их в данном описании допустимо ввиду того, что происходящие в них процессы связаны между собой тесно, и описывать их отдельно было бы менее логично.

H.323

Стек протоколов H.323 был разработан еще в 1996 году. Этот стандарт содержит в себе описания сетевых служб, терминальных устройств и оборудования, предназначенных для реализации видео- и аудиосвязи в сетях с присутствием коммутации пакетов (сеть Интернет). Любое устройства стандарта H.323 обязано поддерживать обмен голосовой информацией.

Согласно рекомендациям H.323 в регламентируемом им оборудовании должно наличествовать:
— стандартные кодировки аналоговых данных;
— платформенная независимость;
— гибкость и совместимость;
— возможность управления полосой пропускания.
В этом контексте стоит отметить важный факт: рекомендации не определяют транспортного протокола, сетевого интерфейса и физической среды передачи. Такая неоднозначность позволяет всем устройствам, поддерживающим стандарт H.323 работать с любыми сетями доступными на сегодняшний момент и работающими с коммутацией пакетов.

Согласно стандарту H.323 основными 4-мя компонентами для VoIP-соединений являются:

 
  • шлюз;
  • терминал;
  • контроллер зоны;
  • контроллер управления для реализации многоточечной конференции MCU (расшифровывается как Multipoint Control Unit).

Протокол SIP (расшифровывается как Session Initiation Protocol)

Протокол сигнализации SIP предназначен для организации сеансов связи, их изменения и завершения. Не смотря на то, что SIP не зависит от транспортных технологий, при его установлении желательно использовать UDP. При этом для передачи видео и голосовой информации рекомендуется применять RTP, а также не исключается возможность применения других протоколов.

В протоколе SIP определены 2 типа сигнальных сообщений, обозначаемых как запрос и ответ. В нем также осуществлена работа шести процедур:
— INVITE (приглашение) – служит для инициализации нового соединения, то есть приглашает пользователя в сеанс связи; эта процедура может иметь дополнительные параметры, используемые для согласования;
— BYE (разъединение) – служит для завершения соединения, созданного ранее двумя пользователями;
— OPTIONS (опции) – процедура используется при необходимости передать информацию о поддерживаемых характеристиках (передача может быть направлена как агенту другого пользователя, так и через посреднический сервер SIP);
— ACK (подтверждение) – процедура используется для возможности подтвердить получение сообщения или для того, чтобы получить положительный ответ на отосланную команду INVITE;
— CANCEL (отмена) – используется для прекращения поиска пользователя;
— REGISTER (регистрация) – с помощью процедуры можно передать информацию о месте нахождения пользователя на SIP-сервер, который в свою очередь может транслировать полученные данные на сервер адресов (англ. Location Server).

Кодеки

Аудиокодек – алгоритм или же программа, которая сжимает или разжимает данные звукового типа, позволяя таким образом снизить требования к каналам передачи данных относительно их пропускной способности. Сегодня в IP-телефонии более других распространены кодеки G.729 и G.711, которые осуществляют преобразование данных и их сжатие по законам A (alaw) и u (ulaw).

G.729

Кодек G.729 сжимает полученный файл с потерей его данных. Основная заложенная в основу кодека идея – передавать не сам оцифрованный сигнал, а лишь его параметры (спектральную характеристику, количество произведенных переходов через нулевую отметку), которых достаточно для их последующего синтезирования принимающей стороной. После разжимания звукового файла его основные характеристики (тембр, амплитуда и другие) не теряются.

Кодек G.729 рассчитан на пропускную способность канала равную 8 кбит/с. Длина обрабатываемого им кадра составляет 10 мс, а частота дискредитации равняется 8 кГц. Каждый обработанный кадр переопределяется в математическую модель в виде кода, который и передается в канал.

Использование кодирования G.729 вызывает задержку 15 мс, при том, что 5 из них тратится на то, чтобы заполнить предварительный буфер. Стоит также отметить, что данный кодек требователен к ресурсам процессора.

Кодек G.711

Голосовой кодек G.711 не предполагает сжатие данных, кроме компандирования – уменьшения эффектов в канале, имеющим ограниченный динамический диапазон. В основу метода положен принцип уменьшения уровней квантования сигнала областей с высокой громкостью, качество звука при этом не уменьшается. В телефонии широко используются две схемы компандирования, называемые alaw и ulaw.

Поток сигнала в данном кодеке составляет величину 64 кбит/с. В нем передается 8000 кадров в секунду, каждый по 8 бит. При субъективном сравнении качество звучания голоса после обработки его этим кодеком лучше, чем после G.729.

Alaw и ulaw

A-закон (alaw) – алгоритм сжатия, который сжимает звуковые данные, но при этом удаляет из них некоторую информацию. Используется он в основном в России и Европе. U-закон (ulaw) также как и A-закон предназначен для сжатия звуковых данных, при котором теряет часть данных из файла. Используется U-закон в основном в Северной Америке и Японии.

Модуляция импульсно кодового типа PCM (англ. Pulse Code Modulation)

Описать импульсно кодовую модуляцию можно как передачу непрерывной функции, имеющую вид последовательных импульсов.

Чтобы получить на входном канале связи модулированный сигнал, необходимо измерять несущий сигнал с помощью АЦП через определенный период времени. При этом частота дискретизации (описывается как количество оцифрованных значений за секунду времени) должна быть больше или равной удвоенному значению максимальной частоты из спектра аналогового сигнала. Полученные значения затем округляются до уровня, заранее указанного в программе. При этом стоит заметить, что все уровни должны быть кратными степени двойки. После определения количества уровней становится возможным определение и количества бит, которыми кодируется сигнал.

В процессе демодуляции последовательность из 0 и 1 при помощи демодулятора обретает копию в виде импульсов. При этом уровень квантования демодулятора равняется уровню квантования модулятора. Далее при помощи ЦАП восстанавливается сигнал, а последние неточности убирает сглаживающий фильтр.

Современная телефония должна располагать не менее ста уровнями квантования, иначе говоря, наименьшее количество бит для кодирования сигнала должно быть не меньше семи.

IP-телефония: качество обслуживания

Сети построенные на основе протоколов TCP/IP не способны обеспечить высокое качество обслуживание телефонных абонентов, так как они привносят в передачу данных недопустимые задержки. Протокол TCPгарантирует достоверную доставку информации, при этом ее перенос по умолчанию может осуществляться с различными задержками. Для протокола UDP характерно минимизирование таких задержек, гарантия же верной доставки не предоставляется.

Как известно, добротность передачи речевых сигналов очень зависит от качества их передачи. Сети, которые не могут реализовать механизмы, гарантирующие желаемое качество, не удовлетворяют требованиям пользователей IP-телефонии.

Качество обслуживания можно выразить в таких основных показателях, как задержка передачи и пропускная способность сети. Задержку определяют как время, прошедшее от момента отправления пакета и до момента приема. Кроме основных можно выделить и дополнительные характеристики, такие как надежность сети и ее готовность. Оценить их можно по истечении длительного времени основываясь на результатах контроля обслуживающего уровня или же по коэффициенту использования.

Чтобы улучшить качество связи могут быть использованы такие механизмы:
— на время всего соединения резервируются ресурсы связного канала;
— перемаршрутизация, с помощью которой осуществляется доставка данных с задействованием резервных маршрутов если основной канал перегружен;
— приоритезация трафика, которая позволяет помечать важность пакетов и в дальнейшем обслуживать их в соответствии этим маркировкам.

Как уже было сказано, трафик голосовых данных очень зависим от задержек их передачи. Максимальное значение задержки должно быть меньше 400 мс, куда включается продолжительность обработки пакетов на приемных станциях. Задержки можно разделить на два основных типа:
1) Задержка, которая вносится сетью передачи. Уменьшить ее можно улучшением инфраструктуры сети, а именно – использованием каналов высокой скорости и сокращением маршрутизаторов.
2) Задержка информации в терминальном оборудовании или при ее кодировании в голосовых шлюзах. Ее можно уменьшить путем улучшения эксплуатируемых алгоритмов преобразования и обработки голоса.

Джиттер

Явление, характерное в IP-телефонии – случайная задержка при распространении пакета, называемая джиттером. Обусловить джиттер можно тремя факторами:

  • тепловым шумом;
  • высокой задержкой при распространении сигнала;
  • ограниченной полосой пропускания или же некорректной работой эксплуатируемых сетевых устройств.

Часто для борьбы с джиттером применяется такой метод борьбы, как джиттер-буфер, который хранит определенное программой количество пакетов. Длина буфера обычно динамически настраивается подстройкой при работе всего сеанса соединения. Для нахождения лучшей его длины могут использоваться эвристические алгоритмы.

Джиттер буфер

Чтобы компенсировать неравномерную скорость поступления пакетов приемная сторона создает временное хранилище для пакетов, называемое джиттер буфером. Задача этого буфера сводится к собиранию поступающих пакетов в верном порядке, соответствующему временным меткам, и выдаче их кодеку с верными интервалами и порядком.

Размер джиттер буфера можно указать в настройках принудительно либо рассчитывать его во время сеансов. Такое решение основано на невозможности высчитать оптимальное значение размера буфера, так как большое его значение вызовет увеличение транспортной задержки, а маленькое может вызвать потери пакетов, если задержки в IP сети неожиданно возрастут.

Размер джиттер буфера вызывает противоречия между пользователями и провайдерами IP телефонии. При малом размере буфера на стороне пользователя не все отосланные провайдером пакеты могут достигнуть пользовательского кодека, в то время как провайдер будет констатировать доставку всех без исключения пакетов. С практической точки зрения более 1% потерянных данных вызовет неприятные ощущения при разговоре, а при 2% он будет уже затруднен. Значение потерь равное 4% может сделать разговор практически невозможным.

Размер джиттер буфера делают большим, чем значение флуктуации транзитного времени сети. Если для десятка пакетов транзитное время колеблется между 5 и 10 мс, то буфер должен иметь размер до 8 мс, для того, чтобы не утерять ни одного пакета. Если же буфер имеет размер 12 мс, тогда он сможет осуществлять еще и перезапрос потерянных пакетов.

Программно-аппаратные средства для развертывания и использования телефонной сети

Asterisk

Программная АТС Asterisk способна коммутировать VoIP вызовы между абонентами традиционной телефонной сети и пользователями IP-телефонов.

АТС Asterisk поддерживает протоколы UNIStim, H.323, IAX, SIP, Skinny. Среди кодеков поддерживаются: G.222, G.223, G.729, G711 (alaw и ulaw), LPC-10, iLBC, Speex, GSM.

Программное обеспечение Asterisk открыто для сторонних разработчиков, оно динамически развивается, а устанавливать его можно без сомнений о необходимости лицензирования. Такая особенность делает программную АТС выгодным решением для среднего и малого бизнеса. Количество обслуживаемых ею абонентов может быть до 2 000, ограничением же служит только мощность сервера.

Вторым достоинством Asterisk можно назвать возможность ее гибкой настройки. Необходимые для полноценной работы функции уже реализованы в ней, а вспомогательные – можно дописать самостоятельно без ощутимых денежных и временных затрат. Способствует этому принцип программы: для одной задачи используется один программный модуль.

Если сравнивать Asterisk с продуктами таких вендоров как Avaya или Cisco, то она привлекает еще и стоимостью своего развертывания. Все затраты на нее сводятся только к закупке телефонных аппаратов, а также сервера, который смог бы справиться с необходимой нагрузкой на сеть. Сама же программа бесплатна.

Cisco CallManager

Аппаратно-программный комплекс CallManager в первую очередь предназначен для сетей, в которых насчитывается до 30 000 абонентов. Комплекс способен обеспечить надежную работу и позволяет настраивать множество параметров, например, таких как голосовое меню или переадресация звонков. Облегченная express версия комплекса предназначается для малых офисов.

Преимуществом Cisco CallManager является знаменитая техническая поддержка самой корпорации Cisco. Имея соответствующий уровень контракта обслуживания, любая проблема, связанная с вопросами по настройке аппаратной или программной среды или же с поломкой оборудования, решается практически мгновенно. Это качество комплекса CallManager придется кстати тем компаниям, которые готовы оплачивать немалые расходы, получая высочайшее качество обслуживания клиентов.

Avaya IP Office

Аппаратно-программное решение IP Office – неплохой выбор для телефонной сети среднего размера. Ограничение на количество абонентов здесь связано не только с мощностью сервера, но и приобретенными лицензиями. Лицензии накладываются на практически каждую деталь комплекса, такие как используемые приложения и платы расширения. Настройка оснащения осуществляется через различные программы, самая популярная из которых, а, к тому же, и простая в обращении – IP OfficeManager от той же компании Avaya. Управлять настройками IP Office можно и через консоль при использовании средства Avaya Terminal Emulator.

Компания Avaya кроме IP Office выпускает и другие продукты, а слившись в 2009 году с другим известным производителем Nortel, она стала признанным лидером среди компаний, реализующих оборудование для IP-телефонии.

 

поделиться ссылкой на статью: