Размещено на http://www.allbest.ru/

• Содержание
• Введение
• Глава 1. Изучение принципов работы VoIP
• 1.1 История создания и развития VoIP
• 1.2 Преимущества
• 1.3 Недостатки
• 1.4 Виды соединений
• 1.4.1 Компьютер - компьютер
• 1.4.2 Компьютер - телефон
• 1.4.3 Телефон - телефон
• 1.5 Технология
• 1.5.1 Шлюз
• 1.5.2 Диспетчер
• 1.5.3 Монитор
• 1.6 Проблемы VoIP и методы их решения
• 1.6.1 Задержка и время ожидания
• 1.6.2 Дребезг
• 1.6.3 Сжатие голосовых данных
• 1.6.4 Эхо
• 1.6.5 Потеря пакетов
• 1.6.6 Обнаружение голосовой активности
• Глава 2. Использование VoIP на практике
• 2.1 Тандемное кодирование
• 2.2 Транспортные протоколы
• 2.2.1 Протокол RTP
• 2.3 Проектирование системы номеров
• 2.3.1 Порядок вызова у конечной коммутационной станции и IP-телефонии
• Заключение

Введение

Телефонная связь и голосовое общение в современном мире - это один из самых быстрых способов выразить свои мысли и объяснить что-то. Возможность непрерывного диалога, в отличие от писем, ускоряет коммуникацию, да и к тому же, речевое общение - это наиболее удобный для человека способ взаимодействия с себе подобными. В этом случае не имеет значения скорость набора на клавиатуре, которая часто становится камнем преткновения при различном текстовом общении (например, в веб-чатах или программах-мессенджерах).

До недавнего времени единственным способом такой голосовой коммуникации была обычная аналоговая телефония. Однако развитие интернета и ограниченные возможности традиционной телефонии не так давно привели к появлению цифровой телефонии.

IP-телефония (произносится «АйПи») известная еще как Интернет-телефония - это современный вид связи, основанный на технологии VoIP (Voice over Internet Protocol), - технологии передачи голосовой информации или факсов через Интернет или любые другие цифровые каналы связи, использующие протокол IP (Internet Protocol). С точки зрения пользователя, IP-телефония обеспечивает те же функции, что и традиционная телефонная связь - разговор или передача факса между абонентами городских или офисных АТС в реальном времени. Однако использование цифровых технологий и каналов позволяет значительно снизить стоимость междугородных и международных звонков.

В отличие от традиционных телефонных сетей общего пользования (ТфОП), где голос передается непрерывно в «естественном», аналоговом виде, в IP-сетях вся информация транслируется исключительно в цифровом виде. Голос кодируется в цифровую последовательность, пересылается в пункт назначения, где снова декодируется в исходную человеческую речь. Перед отправкой оцифрованная голосовая информация сжимается и дробится на мелкие «куски» - пакеты данных, отсюда еще одно название IP-телефонии - «пакетная телефония». Пакеты, добравшись, зачастую разными маршрутами, до места назначения, снова собираются в единое целое, выстроившись в исходном порядке.

Для чего это делается? Для наиболее рационального использования каналов связи. Ведь очевидно, что через одну и ту же трубу достаточного диаметра кубометр теннисных шариков пройдет быстрее и легче, чем кубометр футбольных мячей. К тому же, плотность потока в первом случае будет выше, а неиспользуемых пустот будет меньше. В сети Интернет, в отличие от трубы, пакеты, в зависимости от загрузки каналов, пересылаются различными маршрутами (маршрутизация), т.е. потоков не один, а много; благодаря чему скорость передачи информации выше.

Целью данной работы является детальное рассмотрение сферы VoIP технологий. Обзор преимуществ и недостатков по сравнению с аналоговыми телефонными линиями, Виды соединении и применяемые технологии. Особое внимание указывается проблемам VoIP и методам их решений. В практической части рассматривается использование тандемного кодирования, различные транспортные протоколы и проектирование системы номеров для предприятия.

Глава 1. Изучение принципов работы VoIP

1.1 История создания и развития VoIP

Создание и развитие технологии VoIP началось, по историческим меркам, сравнительно недавно. Бытует мнение, что концепция передачи голоса с помощью персонального компьютера через сеть с пакетной коммутацией зародилась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 году Чарли Кляйн (Charley Kline) реализовал эту идею, создав Maven - первую программу для PC, обеспечивающую передачу голоса по сети. Тогда же одним из самых популярных сетевых мультимедийных приложений стала разработанная в Корнельском университете программа для организации видеоконференций на платформе Macintosh - CU-SeeMe.

В апреле 1994 года обе программы были опробованы для трансляции в Интернете полета космического челнока Endeavor. NASA передавало на Землю изображение с помощью программы CU-SeeMe, а звук - с помощью Maven. Полученные сигналы из Льюисовского исследовательского центра поступали на Macintosh, подключенный к Интернет, и любой желающий мог следить за происходящим и слышать голоса астронавтов. Позже программы объединили и появился вариант CU-SeeMe с полноценной поддержкой аудио и видео функций для обеих компьютерных платформ - Macintosh и PC.

В феврале 1995 года появился первый пакет программного обеспечения для Интернет-телефонии - Internet Phone, предложенный израильской компанией VocalTec и позволявший пользователям мультимедийных PC, работающих под ОС Windows и оборудованных микрофоном и наушниками или колонками, разговаривать с другими такими же пользователями. В качестве среды для голосового общения VocalTec планировала использовать очень популярные каналы Internet Relay Chat (IRC), но компания не уведомила Eris Free Network (EFNet), курирующую IRC о потенциально возможном увеличении графика, и поэтому доступ к этим каналам для Internet Phone был закрыт. Разногласия были улажены лишь через несколько недель.

Тем временем уже была создана частная сеть серверов Internet Phone, а с сайта VocalTec были скачаны тысячи копий программы. Другие компании, оценив привлекательность практически дармовых международных разговоров, буквально наводнили рынок продуктами для IP-телефонии. В сентябре небольшая компания из Далласа выпустила в продажу свою разработку - DigiPhone, которая обеспечивала уже дуплексную связь, позволяя говорить и слушать одновременно.

В марте 1996 года VocalTec объявила о своем совместном с крупнейшим производителем ПО для компьютерной телефонии Dialogic проекте - «Internet Telephone Gateway». Целью проекта было создание первого специализированного телефонного шлюза для IP-телефонии, получившего название VocalTec Telephonе Gateway (VTG), объединяющего сеть Интернет и ТфОП. Связав традиционные телефонные каналы с Интернетом, VTG обеспечивали возможность абонентам обычных телефонных станций, не имевшим ни малейшего представления ни о компьютерах, ни тем более об IP-сетях, воспользоваться всеми преимуществами IP-телефонии.

В августе 1997 года компания VocalTec объявила о своей программе телефонии следующего поколения NextGen Telephony Program и совместном соглашении по маркетингу IP-телефонии во всем мире с несколькими ITSP, среди которых Delta Three, Biztrans Technology, PacificNet, NetTel, Halidon и Access Power. Благодаря этой программе пользователи последней версии Internet Phone могут использовать шлюз одного из указанных ITSP для связи с обычным телефоном. Тогда же начали использоваться глобальные выделенные сети для передачи голоса по IP, предназначенные только для этого, а не общедоступная сеть Internet и качество голосовой связи стало выше.

1.2 Преимущества

Еще совсем недавно телефонные сети и IP-сети существовали независимо друг от друга и выполняли свои специализированные функции: сети с коммутацией каналов обеспечивали телефонную и факсимильную связь, а сети с коммутацией пакетов - передачу цифровых данных. Технология VoIP позволила объединить оба типа сетей, а IP-телефония, построенная на этой технологии, вобрала в себя их преимущества.

Низкая стоимость связи (особенно для междугородных и международных телефонных звонков). Обычная телефония базируется на разветвленной сети кабелей и станций, монтаж и эксплуатация которых весьма затратны, отсюда и высокие тарифы, и их зависимость от расстояния. Кроме того, долгое время оставаясь монополистами на рынке услуг связи, телефонные операторы традиционно завышают цены. IP-телефония, используя сжатие данных и многопотоковость, максимально эффективно использует каналы связи, идущие «в обход» междугородных и международных телефонных операторов, что снижает стоимость звонков через Интернет в разы.

Простота пользования. Воспользоваться IP-телефонией так же просто, как и традиционной телефонной связью. От абонента не требуется никаких специальных знаний, это может сделать даже человек, никогда не слышавший об Интернет и компьютерах.

Качество и надежность связи, в сравнении с ранними решениями IP-телефонии, неуклонно растет. Улучшенные алгоритмы кодирования голоса и восстановления потерянных пакетов позволили выйти на такой уровень, когда собеседники воспринимают речь практически так же, как при обычной телефонной связи. Незначительные, в пределах 150-250 мс, задержки могут оказывать влияние на темп беседы, но не снижают качество речи.

Расширение возможностей корпоративных сетей - объединение региональных филиалов в единую информационную структуру с общекорпоративной телефонной и компьютерной сетью. IP-телефония идеально подходит для создания виртуальной частной сети (VPN) компании. Такая интрасеть обеспечивает наиболее оперативное управление филиалами и обмен данными при решении деловых задач, а совмещение телефонного трафика, передачи данных и доступа в Интернет позволяет сократить количество арендуемых каналов связи.

Глобальный роуминг услуг связи, построенный на технологии VoIP, отличается гораздо большей гибкостью по сравнению с традиционными решениями и на порядок меньшими затратами, что весьма привлекательно для операторов мобильной связи.

1.3 Недостатки

Технология Voice over IP (VoIP), успешно развиваясь и обладая целым рядом неоспоримых преимуществ, все же не лишена и недостатков, о которых следует помнить, выбирая оптимальную конфигурацию для телефонной и факсимильной связи.

Несмотря на расхожее утверждение маркетологов, IP-телефония не всегда самый дешевый вид связи и не единственный способ снижения стоимости междугородных и международных звонков. Например, относительно дешевый «межгород» можно получить, воспользовавшись внутрисетевым роумингом сотовых операторов. В то же время у VoIP-оператора может не оказаться выхода на ТфОП нужного населенного пункта, и расстояние до него от ближайшего шлюза будет покрыто с помощью традиционной телефонной сети, что увеличит стоимость звонка.

Качество Интернет-телефонии неуклонно повышается, но иногда оно все же уступает качеству обычной телефонии. Один из основных недостатков VoIP - это задержки прохождения пакетов с речевой информацией по каналам IP сети, зависящие от множества факторов. Причем повлиять на эти факторы за пределами своей локальной сети, особенно при использовании публичных каналов Интернет, практически невозможно.

При организации корпоративной телефонии на основе существующей сети передачи данных необходимо учитывать, что подобные сети могли быть созданы относительно давно и поэтому не всегда пригодны для VoIP. В такой ситуации потребуются дополнительные инвестиции на модернизацию сетевой инфраструктуры, что может существенно снизить экономическую привлекательность перехода на IP-телефонию.

В плане надежности связи неоспоримым преимуществом стандартной телефонной сети является возможность звонить даже при отключении электроэнергии - питание на телефон поступает с АТС по телефонной линии. Исключение - радиотелефоны, база которых питается от локальной электросети. VoIP оборудование, независимо от типа, в случае отключения электроэнергии становится абсолютно бесполезным. Кроме того, ему требуется не только электропитание, но и широкополосный доступ в Интернет.

Есть проблемы и со звонками в службы неотложной помощи - не везде VoIP-операторы предоставляют возможность экстренного вызова, скажем по номеру 911. Связано это с тем, что абоненты IP телефонии не имеют жесткой географической привязки и сложно определить откуда поступил звонок, чтобы перенаправить его в ближайшую службу спасения.

Уделяя максимум внимания повышению качества передачи речи (QoS), VoIP-операторы порой пренебрегают безопасностью. А ведь при использовании общедоступных IP-сетей инфраструктурам VoIP угрожают традиционные для сетей передачи данных опасности, в том числе различные вирусы. Наиболее опасны DoS атаки, способные с помощью одного-единственного соответствующим образом подготовленного SIP-пакета вывести из строя целую корпоративную сеть на десятки часов. Конфиденциальность телефонного разговора по VoIP без использования соответствующих механизмов защиты не обеспечивается. Появилась и своя разновидность спама - спит (SPIT - Spam over Internet Telephony), неоправдывающая себя в обычной, относительно дорогой телефонии.

1.4 Виды соединений

1.4.1 Компьютер - компьютер

Самое простое и исторически первое решение Интернет-телефонии. Все, требуемое для его реализации оборудование, - пара подключенных к Интернет компьютеров со звуковыми картами, наушниками и микрофоном. Преобразования речи и пересылка пакетов выполняется специальным программным обеспечением. Поскольку услуги каких-либо операторов связи, кроме Интернет-провайдера, не используются, стоимость связи равна стоимости фактически израсходованного трафика.

1.4.2 Компьютер - телефон

При такой схеме реализации IP-телефонии один из абонентов вместо мультимедийного компьютера использует обычный телефон. Связь осуществляется через шлюз, который, с одной стороны, подключен к телефонной сети (ТфОП) и может соединиться с любым телефоном, а с другой - к сети Интернет, и может соединиться с любым компьютером. Шлюз оцифровывает, сжимает и пакетирует поступающий из телефонной сети сигнал и передает его по IP-сети на компьютер. Сигнал, поступающий от компьютера, проходит обратную обработку и передается в телефонную сеть. Прохождение сигналов в обе стороны происходит практически одновременно, что обеспечивает привычную дуплексную связь, позволяющую говорить и слушать одновременно.

1.4.3 Телефон - телефон

При таком соединении абонентам не нужны никакие знания о компьютерах или Интернет и никакое специальное оборудование - только обычный телефон. В общем случае вызывающий абонент звонит на специальный номер доступа, указанный провайдером IP-телефонии, и, переключив свой аппарат в тоновый режим, вводит свой PIN код и номер вызываемого абонента. Все коммутации и преобразования голосовых сигналов производятся оборудованием провайдера.

Web - телефон

Звонок с веб-сайта или «click-to-call» (другое название - «Surf&Call») - это относительно новая услуга Интернет-телефонии, позволяющая инициировать телефонный разговор с компьютера одним кликом по кнопке (ссылке) на web-странице. Никакого номера при этом набирать не нужно, а стоимость звонка равна стоимости потраченного трафика. Для осуществления такого разговора может потребоваться установка программы-клиента - обычно это делается автоматически с той же самой страницы. Услуга click-to-call успешно используется в электронной коммерции и позволяет клиентам Интернет-компаний оперативно связаться со службой поддержки. Как вариант, на веб-странице может быть предложено ввести свой номер телефона, на который вам позвонит оператор службы поддержки, так называемый обратный звонок - call back.

1.5 Технология

Наибольшее распространение получил вариант построения сетей IP-телефонии, предложенный Международным союзом электросвязи (ITU) в рекомендациях H.323, определяющих следующие элементы архитектуры:

· шлюз (gateway)

· диспетчер (gatekeeper)

· монитор (administration manager)

Таким образом, сеть IP-телефонии представляет собой соединенные посредством IP-сети шлюзы, непосредственно связывающие IP сеть с телефонной сетью и осуществляющие оцифровку, сжатие и пакетирование голоса/факса и их обратное восстановление. Управление работой и взаимодействием шлюзов выполняют контроллеры - диспетчеры. Для удобства удаленного администрирования сети IP-телефонии может быть использован необязательный ее элемент - монитор.

1.5.1 Шлюз

Шлюз или Gateway - основной и неотъемлемый элемент архитектуры сети IP-телефонии, непосредственно связывающий IP сеть с телефонной сетью. Он обеспечивает передачу речевого трафика, поступающего из сети с коммутацией каналов по сетям с коммутацией пакетов. Основным функциональным назначением шлюза является преобразование речевой информации или факс-сигнала, поступающих со стороны ТфОП в цифровой вид, пригодный для передачи по IP сетям и обратное преобразование для передачи в телефонную сеть. Кроме того, шлюз выполняет роль пользовательского интерфейса, отвечая на звонки вызывающего абонента и установливая соединение с вызываемым абонентом.

Шлюзы разных производителей отличаются программно-аппаратной реализацией, способом подключения, емкостью, интерфейсом и другими характеристиками, но выполняют одни и те же функции, определяемые технологией IP-телефонии.

1.5.2 Диспетчер

Диспетчер, или gatekeeper, - это самостоятельный логический модуль, задающий алгоритм работы сети IP-телефонии, управляющий терминалами и шлюзами. Диспетчер необходим в любой сети IP-телефонии, содержащей более двух шлюзов. Функциональное назначение диспетчера - аутентификация и авторизация абонента, распределение вызовов и управление взаимодействием шлюзов, а также поддержка работы систем биллинга.

1.5.3 Монитор

Монитор - необязательный дополнительный элемент сети IP-телефонии, представляющий собой интерфейс для удаленного конфигурирования и поддержки через IP-сеть шлюзов и диспетчеров сети IP-телефонии. В первых шлюзах для администрирования использовались стандартные сетевые приложения, такие как pcAnywhere. Позднее для удобства работы производители оборудования IP-телефонии начали выпускать для этих целей собственные приложения.

1.6 Проблемы VoIP и методы их решения

Чтобы правильно спроектировать сеть, необходимо хорошо разбираться в недостатках основных средств межсетевого взаимодействия и сетевых технологиях. Рассмотрим большую часть проблем VoIP и способов их решения.

· Задержка и время ожидания.

· Дребезг.

· Сжатие голосовых данных.

· Эхо.

· Потеря пакетов.

· Обнаружение голосовой активности.

1.6.1 Задержка и время ожидания

Для VoIP задержка (delay), или время ожидания (latency), означает период времени, за который голос проделывает путь от рта диктора до уха слушателя. Нынешние телефонные сети унаследовали три типа задержки: задержка на распространение (propagation delay), задержка на сериализацию (serialization delay) и задержка на обработку (handling delay). Задержка на распространение вызвана длиной пути, который должен пройти свет по оптоволоконному кабелю или электрический импульс по медным проводам. Задержка на обработку обусловлена множеством различных причин (фактическое пакетирование, сжатие и коммутация пакетов) и обуславливается устройствами, передающими фрейм по сети. Задержка на сериализацию -- это период времени, в течение которого бит или байт помещается в интерфейс. Её влияние на общую задержку незначительно.

1.6.1.1 Задержка на распространение

Скорость света в вакууме составляет 300 000 км/с, а электроны перемещаются по медному или оптоволоконному кабелю со скоростью приблизительно 200 000 км/с. Для оптоволоконной сети, охватывающей полмира (80 000 км), односторонняя задержка составит примерно 70 миллисекунд. Хотя такая задержка практически неощутима человеческим ухом, вместе с задержками на обработку она может вызвать значительное ухудшение качества голоса.

1.6.1.2 Задержка на обработку

Появление задержки на обработку обуславливают устройства, которые передают фреймы по сети. Задержки на обработку могут появляться и в традиционных телефонных сетях, что стало большой проблемой для пакетных систем.

Цифровой процессор сигналов (Digital Signal Processor -- DSP) продукта Cisco IOS VoIP, создает выборки голоса каждые 10 миллисекунд, согласно стандарту G.729. В пакет помещаются каждые две голосовые выборки (обе с задержкой 10 мс). Следовательно, задержка пакета составляет 20 мс. Стандарт G.729 предусматривает начальную предварительную задержку в 5 мс, поэтому для первого голосового фрейма общая задержка составит 25 мс. Производители могут сами решать, сколько голосовых выборок пересылать в одном пакете. Поскольку стандарт G.729 использует 10-миллисекундные выборки, каждое увеличение количества выборок во фрейме увеличивает задержку на 10 мс. На самом деле, Cisco IOS позволяет пользователям самим устанавливать количество выборок, помещаемых в каждый фрейм.

Чтобы уменьшить нагрузку на маршрутизатор и шлюз, в Cisco основную ответственности за кадрирование и формирование пакетов возложили на процессор DSP. Например, заголовок протокола передачи данных в реальном масштабе времени (Real-Time Transport Protocol -- RTP) помещается в кадр процессором DSP, а не маршрутизатором.

1.6.2 Дребезг

Дребезг (jitter) -- это неравномерность периодов времени на доставку пакетов. Дребезг относится как раз к тем проблемам, которые существуют только в пакетных сетях. В пакетной голосовой системе отправитель ожидает, что голосовые пакеты будут передаваться с одинаковыми интервалами (например, через каждые 20 мс). Эти голосовые пакеты могут задержаться в сети и не достичь принимающей станции за обычный интервал. Разница во времени между тем, когда ожидалось получение пакета и временем фактического получения, называется дребезгом. [Рис 1]

Рис. 1 Неравномерность времени поступления пакетов (дребезг)

Время отправления и получения пакетов А и В одинаково (D1=D2). Однако пакет С столкнулся с задержкой в сети, поэтому он получен несколько позже ожидаемого момента. Вот почему буфер компенсации дребезга (jitter buffer), который сглаживает неравномерность задержки пакетов, просто необходим. Голосовые пакеты в сетях IP могут доставляться с большой разницей по времени. Рекомендуемая практика: подсчитать количество пакетов, которые прибывают с опозданием, и подсчитать соотношение таких пакетов к количеству успешно обработанных. Это соотношение можно использовать для того, чтобы целенаправленно скорректировать буфер компенсации дребезга к предопределенному допустимому соотношению с запаздывающими пакетами. Адаптация установления размеров буфера компенсации дребезга эффективно компенсирует задержку.

Дребезг и общая задержка -- это не одно и то же; в богатых на дребезг пакетных сетях может увеличиваться сумма общей задержки сети. Чем больше дребезга, тем большим должен быть буфер компенсации дребезга, чтобы компенсировать непредсказуемый характер пакетной сети.

1.6.3 Сжатие голосовых данных

Общепринятыми сейчас являются два основных варианта РСМ на 64 Кбит/с: µ-стандарт (используемый в Северной Америке) и а-стандарт (принятый в Европе). Оба они используют логарифмический метод сжатия, чтобы достичь 12-13-битового качества канала РСМ при восьмибитовых словах, а отличаются незначительными деталями. Метод µ-стандарта имеет небольшое преимущество перед методом а-стандарта по низкоуровневой производительности и отношению сигнал/шум. Следует заметить, что во время междугородного звонка ответственность за необходимое преобразование функции µ вида к функции а-вида несет страна, использующая функцию вида µ.

Другой популярный метод сжатия -- адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (Adaptive Differential Pulse Code Modulation -- ADPCM). Общепринятым стандартом ADPCM является ITU-T G.726, по которому кодирование происходит с помощью 4-битовых выборок, обеспечивающих частоту передачи 32 Кбит/с. В отличие от РСМ, четырьмя битами непосредственно кодируется не амплитуда голоса, а разница амплитуды (как частота изменения амплитуды).

РСМ и ADPCM -- это примеры кодеков аналого-цифрового преобразования, их методы сжатия эксплуатируют непосредственно избыточные характеристики аналогового сигнала. Новые методы сжатия, использующие знания фундаментальных характеристик создания голосовых данных, были разработаны 10-15 лет назад. В этих методах используются процедуры обработки сигнала, которые сжимают голосовые данные, отправляя упрощенную параметрическую информацию (относительно исходных данных). Для передачи этой информации требуется меньшая пропускная способность.

Эти методы, как правило, объединены в исходные кодеки, включающие такие варианты, как кодирование методом линейного предсказания (Linear Predictive Coding -- LPC), алгоритм сжатия при кодировании методом линейного предсказания (Code Excited Linear Prediction Compression -- CELP) и мультиимпульсное многоуровневое квантование (Multipulse, Multilevel Quantization-- MP-MLQ).

1.6.3.1 Стандарты кодирования голосовых данных

Схемы кодирования CELP, MP-MLQ РСМ и ADPCM стандартизированы ITU-T в рекомендациях серии G. Вот наиболее популярные стандарты кодирования голосовых данных для телефонов и голосовых пакетов.

· Стандарт G.711 описывает уже известную методику кодирования голосовых данных РСМ на 64 Кбит/с. Стандарт кодирования G.711 подразумевает немедленное преобразование голосовых данных в формат, необходимый для цифровой голосовой передачи по открытой телефонной сети или РВХ.

· Стандарт G.726 описывает технологию кодирования ADPCM со скоростями передачи 40, 32, 24 и 16 Кбит/с; при этом закодированная ADPCM может передаваться в виде голосовых пакетов по обычной телефонной сети или РВХ, если последние поддерживают ADPCM.

· Стандарт G.728 -- вариант спецификации технологии сжатия голоса CELP с низкой задержкой и скоростью передачи 16 Кбит/с.

· Стандарт G.729 описывает технологию сжатия голоса CELP со скоростью передачи 8 Кбит/с;

· Стандарт G.723.1 -- спецификация технологии сжатия, которая может использоваться для сжатия голосовых или аудиосигналов с очень низкой скоростью передачи. Входит в семейство стандартов Н.324. Этот кодек имеет две скорости передачи -- 5,3 и 6,3 Кбит/с.

· Кодек iLBC (Internet Low Bitrate Codec -- кодек для Интернета с низкой скоростью передачи) -- бесплатный голосовой кодек, подходящий для надежной передачи голоса по сети IP. Кодек разработан для узкой голосовой полосы и обеспечивает передачу данных на скорости 13,33 Кбит/с при длине фрейма кодировки 30 мс и 15,20 Кбит/с при длине фрейма кодировки 20 мс.

1.6.3.2 Усредненная оценка разборчивости голоса

Качество голоса можно определить двумя способами -- субъективно или объективно. Люди оценивают субъективно, в то время как компьютеры, их сложнее "ввести в заблуждение" схемами сжатия, обманывающими человеческое ухо, выполняют объективную проверку.

Кодеки были разработаны и настроены на основе субъективных показателей качества речи. Стандартные объективные показатели качества, такие как общее гармоническое искажение (total harmonic distortion) и отношение сигнал/шум (signal-to-noise ratio), не очень хорошо соотносятся с большинством человеческих методов восприятия голоса.

Наиболее популярным субъективным эталоном для проверки эффективности голосового кодека является усредненная оценка разборчивости речи (Mean Opinion Score -- MOS). Тесты MOS раздаются группе слушателей. Поскольку качество голоса и звука для слушателя -- понятия субъективные, при проведении теста MOS очень важно обеспечить участие как можно большего количества слушателей, а также разнообразие материала. Слушатели присваивают каждой выборке голосового материала оценку от 1 (плохо) до 5 (превосходно). Затем баллы подсчитывают и получают усредненную оценку разборчивости речи [табл. 1].

Проверка MOS используется также для оценки того, насколько хорошо конкретный кодек работает при изменяющихся обстоятельствах, включая различные уровни фонового шума, многократное кодирование, декодирование и т.д. Потом эти данные можно использовать для сравнения других кодеков. [табл. 1]

Метод сжатия	Скорость передачи (Кбит/с)	Размер выборки (мс)	Оценка MOS
G.711 РСМ	64	0,125	4,1
G.726 ADPCM	32	0,125	3,85
G.728 Алгоритм сжатия при кодировании методом линейного предсказания с низкой скоростью передачи (Low Delay Code Excited Linear Predictive -- LD-CELP)	15	0,625	3,61
G.729 Алгебраический алгоритм сжатия при кодировании методом линейного предсказания со структурой сопряжения (Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Predictive -- CS-ACELP)	8	10	3,92
G.729a CS-ACELP	8	10	3,7
G.723.1 MP-MLQ	6,3	30	3,9
G.723.1 ACELP	5,3	30	3,65
iLBC Freeware	15,2	20	3,9

Табл. 1 Соотношение между несколькими кодеками с низкой скоростью передачи и стандартом РСМ

1.6.3.3 Перцепционная оценка качества речи

Проверка MOS -- это субъективный метод определения качества речи, однако он далеко не единственный. Сектор ITU-T выработал рекомендацию Р.861, которая определяет способы, с помощью которых можно объективно оценить качество речи, используя перцепционное измерение качества речи (Perceptual Speech Quality Measurement-- PSQM).

Проверка PSQM способна обнаружить множество недостатков голосовых кодеков (вокодеров). Одним из недостатков является то, что "машина" или PSQM слышат не то, что человеческое ухо. С точки зрения обывателя это означает, что человеческое ухо можно обмануть в восприятии качества голоса, но компьютер обмануть нельзя. Кроме того, PSQM позволяет "услышать" ухудшения, вызванные компрессией и декомпрессией, но не потерей пакетов или дребезгом.

1.6.4 Эхо

Звук собственного голоса в трубке во время разговора довольно-таки привычен. Однако при задержке большей, чем примерно 25 мс, звук собственного голоса может просто сбивать говорящего с толку. Обычно, в традиционных сетях, причиной эха является несовпадение полного электрического сопротивления на стыке четырехпроводного сетевого коммутатора и двухпроводной абонентской линии (рис.). В стандартной коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN) эхо ликвидируется с помощью компенсаторов эха и тщательного управления рассогласованием сопротивления на общих точках отражения [рис. 2].

Рисунок 2 Эхо, вызванное несовпадением сопротивлений

В тех частях мира, где преобладает передача аналоговых голосовых данных, телефонные сети используют подавители эха, которые удаляют эхо, компенсируя перепад сопротивления в канале. На самом деле, это не лучший механизм для борьбы с эхо, к тому же он вызывает и другие проблемы. Например, канал с подавителем эха нельзя использовать в цифровой сети с комплексным обслуживанием (Integrated Services Digital Network-- ISDN), поскольку подавитель эха вырезает тот диапазон частот, который использует ISDN.

В нынешних пакетных сетях можно создавать компенсаторы эха в низкоскоростных кодеках и использовать их на каждом процессоре DSP. В реализациях некоторых изготовителей подавление эха обеспечивается программным обеспечением, но, следует заметить, что такая практика существенно уменьшает преимущества подавления эха.

Принцип работы компенсаторов эха становится более ясным, если понять, откуда берется эхо.

Допустим, что пользователь А разговаривает с пользователем В. Разговор пользователя А с пользователем В назовем G. Когда G сталкивается с рассогласованием сопротивлений или другими факторами, вызывающими эхо, он возвращается обратно к пользователю А. Затем пользователь А несколько миллисекунд "слышит" задержку.

Чтобы избавиться от эха в канале, устройство, по которому говорит пользователь А (маршрутизатор А), некоторое время хранит обратный образ речи пользователя А. Это называется инверсной речью (inverse speech -G). Такой компенсатор эха прослушивает звук, исходящий от пользователя В, и вычитает -G, удаляя тем самым эхо.

Компенсаторы эха ограничены тем временем, которое они ожидают получения отраженного голоса (это явление известно как хвост эхо, echo tail).

При первоначальной установке оборудования VoIP очень важно правильно настроить подавление эха. Если его будет недостаточно, пользователи будут постоянно слышать эхо во время звонка. Если объем подавления эха будет слишком велик, компенсатор эха потратит больше времени на схождение и устранение эха.

1.6.5 Потеря пакетов

Потеря пакетов в сетях передачи данных -- явление обычное и ожидаемое. Фактически, многие протоколы данных используют потерю пакетов для получения информации о состоянии сети и могут уменьшать количество посылаемых пакетов.

В сетях передачи данных возникновение критического трафика требует контроля суммарных потерь пакетов.

Для передачи голоса по сети данных важно спроектировать сеть так, чтобы она могла успешно передавать данные надежным и своевременным способом. Кроме того, механизм обеспечения устойчивости голоса к периодической потере пакетов оказывается весьма полезным. В хорошо спроектированной сети потерю пакетов можно свести к минимуму.

Реализация VoIP от Cisco Systems позволяет голосовому маршрутизатору реагировать на периодическую потерю пакетов. Если голосовой пакет не получен за ожидаемое время (время ожидания переменно), он считается потерянным, а последний полученный пакет повторно "проигрывается [рис. 3]. Поскольку потерянный пакет содержит всего 20 мс речи, то, как правило, слушатель не обращает внимания на изменение качества.

Рис. 3 Потери пакетов при использовании алгоритма G. 729

Используя реализацию G.729 для VoIP от Cisco, следует пояснить, что каждая из полос на рис. означает пакет. Пакеты 1, 2 и 3 достигли получателя, но пакет 4 потерялся при передаче. Принимающая станция ожидает некоторое время (равное указанному для буфера компенсации дребезга), а затем осуществляет действия, определенные стратегией укрывательства (concealment strategy).

Стратегия укрывательства зачастую сводится к повторению последнего полученного пакета (в данном случае пакета 3), и, таким образом, получающая сторона не слышит промежутков тишины. Поскольку потеряно всего 20 мс речи, то, скорее всего, он и не услышит различия. Но эта стратегия срабатывает только при потере одного пакета. При потере нескольких пакетов подряд стратегия укрывательства сработает всего один раз, пока не будет получен следующий пакет.

За счет стратегии укрывательства кодек G.729 терпимо относится к потере примерно 5% пакетов, равномерно распределенных по времени всего разговора.

1.6.6 Обнаружение голосовой активности

В обычном (голосовом) разговоре кто-то говорит, а кто-то слушает. Современные сети, допускающие потери, поддерживают двунаправленный канал 64 Кбит/с, независимо от того, говорит кто-то или нет. Это означает, что при обычном разговоре по меньшей мере 50% общей пропускной способности тратится впустую. Процент потраченной впустую полосы пропускания может быть, вообще-то, намного выше, если осуществляется статистическая выборка прерываний и пауз при обычном разговоре между людьми.

В системе VoIP, если разрешено обнаружение голосовой активности (Voice Activity Detection -- VAD), "растрачиваемую впустую" полосу пропускания можно использовать для других целей. Как показано на рис., VAD определяет амплитуда речи в децибелах (Дб) и выясняет момент, когда следует прекратить разбиение речи на фреймы [рис. 4].

Рис. 4 Обнаружение голосовой активности

Как правило, если VAD обнаруживает снижение амплитуды речи, он ожидает еще некоторый фиксированный период времени, прежде чем прекратить помещение голосовых фреймов в пакеты. Этот фиксированный период времени называется затягивание (hangover) и составляет обычно 200 мс.

В любых технологиях есть какие-то компромиссы. У VAD есть некоторые проблемы при определении начала и конца голосовых данных, а также при выделении голоса из фонового шума. Это значит, что в шумной комнате VAD окажется неспособен распознать голос из общего шума. Это явление известно как пороговое отношение сигнал/шум (signai-to-noise threshold). В таких случаях VAD отключается в начале вызова.

Еще одной проблемой, присущей VAD, является определение начала голосовых данных. Обычно начало предложения вырезается или удаляется. Это явление известно как отсечение начала голоса (front-end speech clipping). Слушатель, как правило, не обращает на это внимания.

веб чат мессенджер клавиатура телефония

Глава 2. Использование VoIP на практике

2.1 Тандемное кодирование

Все современные сети работают с коммутацией каналов на уровне передачи данных. Коммутаторы каналов организованы в иерархическую модель, где коммутаторы наиболее высокого уровня называются тандемными коммутаторами (tandem switch). Фактически тандемные коммутаторы соединяют не абонентские линии; они скорее действуют как коммутаторы каналов высокого уровня. В иерархической модели могут существовать несколько уровней тандемных коммутаторов каналов. Благодаря этому возможно сквозное подключение для любого телефона без установления прямого соединения между каждым домом на планете.

Как правило, качество речи голосового вызова, который проходит через два коммутатора TDM и один тандемный коммутатор, не ухудшается, потому что эти канальные коммутаторы используют каналы на 64 Кбит/с.

Если коммутаторы TDM осуществляют компрессию голоса, а тандемный коммутатор декомпрессию и повторную компрессию, то это, безусловно, скажется на качестве речи. Сейчас в сетях PSTN компрессия и декомпрессия не распространены, однако их следует учитывать при проектировании пакетных сетей.

Ухудшение качества речи происходит, когда для каждого телефонного вызова выполняется больше, чем один цикл компрессии-декомпрессии [рис.5].



Рис. 5 Тандемное кодирование VoIP

На [рис. 5] показаны три маршрутизатора VoIP, связанные и действующие как объединяющие линии между одной центральной РВХ и тремя удаленными РВХ. Сеть спроектирована так, чтобы вся информация о системе набора номеров хранилась в центральной РВХ. Централизация администрирования системы набора номеров характерна для многих корпоративных сетей.

Недостаток тандемного кодирования при использовании с VoIP заключается в том, что при соединении пользователя телефонной линии B с пользователем С на центральной РВХ должны быть использованы два порта VoIP. Кроме того, два цикла компрессии-декомпрессии ухудшат качество речи.

Различные кодеки по-разному реагируют на тандемное кодирование. Стандарт G.729 допускает два цикла компрессии-декомпрессии, в то время как стандарт G.723.1 менее устойчив к нескольким циклам сжатия.

Предположим, что пользователь на линии В хочет позвонить пользователю на линии С. Вызов проходит через РВХ В, на маршрутизаторе VoIP В происходит компрессия и пакетирование. Пакеты передаются на центральный маршрутизатор VoIP А, где происходит декомпрессия и передача на РВХ А. Коммутатор РВХ А передает вызов обратно на маршрутизатор VoIP А, который сжимает и пакетирует данные, а затем отправляет их на удаленную линию С, где происходит их декомпрессия и отправка на РВХ С. Данный процесс известен как тандемное сжатие (tandem-compression); этого явления следует избегать во всех сетях, где существует сжатие.

Избежать тандемного сжатия просто. Достаточно упростить конфигурацию маршрутизатора за счет качества речи.

Рассмотрим тот же пример с тремя РВХ, связанными с тремя маршрутизаторами VoIP: перенастройка маршрутизаторов VoIP упрощает последовательность вызовов и позволяет избежать тандемного кодирования, [рис. 6].

Рис. 6 Сеть VoIP без тандемного кодирования

Одно из преимуществ сети IP заметно на [рис. 6]: для установки соединения между двумя РВХ необязательно арендовать канал связи у телефонной компании. Если два пункта соединены сетью данных, то передача данных VoIP между ними вполне возможна.

Система номеров центрального РВХ доступна каждому из маршрутизаторов VoIP. Это позволяет каждому устройству VoIP принимать решения о маршрутизации вызовов и избежать необходимости в объединяющих линиях. Такое изменение особенно полезно тем, что позволяет избавиться от бесполезных циклов компрессии-декомпрессии.

2.2 Транспортные протоколы

Характеристики протокола Интернета (Internet Protocol -- IP) определяют два основных транспортных механизма -- протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol -- UDP) и протокол управления передачей (Transmission Control Protocol -- TCP). Как правило, когда необходимо надежное соединение, имеет смысл использовать протокол TCP, а если необходима простота, но необязательна надежность -- протокол UDP.

В связи с "чувствительным" ко времени характером голосового трафика для передачи голоса логично было выбрать протокол UDP/IP. Однако передача "пакет за пакетом", характерная для протокола UDP, обеспечивает недостаточно подробную информацию, чем необходимо. Для передачи в реальном масштабе времени, а также для передачи трафика, чувствительного к задержке, Инженерная группа по решению конкретных задач Интернета (Internet Engineering Task Force -- IETF) выбрала протокол RTP. Данные VoIP передаются поверх протокола RTP, который, в свою очередь, передается поверх протокола UDP. Следовательно, пакет VoIP передается с заголовком пакета RTP/UDP/IP.

2.2.1 Протокол RTP

Протокол RTP (Real-Time Transport Protocol -- протокол передани данных в реальном масштабе времени) -- это стандарт для передачи чувствительного к задержке трафика через пакетные сети. Как упоминалось раньше, данные протокола RTP передаются поверх протокола UDP и IP. Протокол RTP предоставляет принимающей станции информацию, отсутствующую в не требующих установления соединения потоках UDP/IP. В [табл. 2] показаны два важнейших бита информации - порядковый номер (sequence number) и временная метка (timestamp). Протокол RTP использует информацию о последовательности пакетов, чтобы определить, по порядку ли они прибывают, а информация о временных метках нужна для определения времени "путешествия" пакета от отправителя до получателя (т.е. дребезга).

Табл. 2 Заголовок транспортного протокола реального времени

Версия	IHL	Тип оборудования	Общая длина
Идентификация	Флаги	Смещение
Время жизни	Протокол	Контрольная сумма
Адрес отправителя
Адрес получателя
Параметры	Дополнение
Порт отправителя	Порт получателя
Длина	Контрольная сумма
V=2	P	X	CC	MP	T	Порядковый номер
Временная метка
Идентификатор SSRC

При необходимости, протокол RTP можно использовать как для передачи мультимедийных данных, так и для интерактивных служб вроде телефонии Интернета. Протокол RTP, впоследствии названный протоколом контроля RTP (RTP Control Protocol -- RTCP), имеет две составляющие -- часть данных (data part) и часть контроля (control part).

Часть данных протокола RTP -- это тонкий протокол, который обеспечивает поддержку для приложений реального времени, таких как непрерывная передающая среда (например, аудио и видео), включая восстановление синхронизации (timing reconstruction), обнаружение потерь и идентификацию содержимого (content identification).

Протокол RTCP обеспечивает поддержку конференцсвязи Интернета в реальном масштабе времени для групп любого размера. Сюда относится идентификация отправителя и поддержка для шлюзов (например, аудио- и видеомостов), а также преобразование многоадресатных пакетов в одноадресатные. Кроме того, предлагается обратная связь получателей QoS с многоадресатной группой, а также обеспечение синхронизации различных потоков передающей среды.

В документе RFC 36II определенно еще одно новое предложение: протокол контроля RTP с дополнительными отчетами (RTP Control Protocol Extended Reports -- RTCP XR), который предоставляет богатый набор данных для управления VoIP. Данные для этих дополнительных отчетов могут быть предоставлены такой технологией, как VQmon, встроенной в телефоны VoIP или шлюзы. Во время вызова эти данные должны периодически отсылаться, чтобы обеспечить в реальном времени обратную связь по качеству речи. Созданные отчеты представляют собой очень полезный набор метрических данных VoIP, включая информацию о потере сетевых пакетов, о задержке пакетов RTP и т.д.

Для трафика реального времени протокол RTP -- весьма важное и полезное приобретение, но существуют и некоторые недостатки. Заголовки IP/RTP/UDP составляют 20, 8 и 12 байт соответственно. В целом получается уже 40-байтовый заголовок, который вдвое больше, чем полезная нагрузка при использовании G.729 с двумя голосовыми выборками (20 мс). Столь большой заголовок можно сжать до 2-4 байт, используя сжатие заголовка RTP (RTP Header Compression -- CRTP).

2.2.2 Надежный пользовательский протокол передачи данных

Надежный пользовательский протокол передани данных (Reliable User Data Protocol-- RUDP) придает дополнительную надежность протоколу UDP без установления соединения. Протокол RUDP обеспечивает надежность, не нуждаясь в ориентированном на соединение протоколе, вроде TCP. Метод, на котором основан протокол RUDP, заключается в рассылке множества копий пакета, а принимающая станция имеет возможность отказаться от ненужных или избыточных пакетов. Такой механизм существенно повышает вероятность того, что один из пакетов отправителя все-таки дойдет до получателя.

Этот механизм известен также как предварительное исправление ошибок (Forward Error Correction-- FEC). Существует несколько реализаций FEC, отличающихся использованием полосы пропускания (удвоение или утроение объема используемой полосы пропускания).

2.3 Проектирование системы номеров

Наибольшие затруднения при проектировании сети корпоративной телефонии (Enterprise Telephony -- ЕТ) вызывает система номеров (dial plan). Причиной является комплекс проблем интеграции несоразмерных сетей. Большинство таких несоразмерных сетей было разработано без учета возможности интеграции.

Хорошим примером соединения несоразмерных сетей является объединение двух компаний. При таком развитии событий, следует соединить сети передачи данных компаний (IP-адресация, бухгалтерские приложения и инвентарная база данных). Вероятность того, что обе компании использовали одинаковые методологии при реализации своих сетей данных, очень мала, поэтому, скорее всего, возникнут определенные проблемы.

Такие же проблемы могут возникнуть и в телефонных сетях. При объединении двух компаний их телефонные системы (голосовая почта, бухгалтерия, дополнительные возможности и системы набора номеров) могут оказаться несовместимыми.

Подобные проблемы могут возникнуть у компании при приобретении корпоративной системы набора номеров. Рассмотрим компанию X. Последние три года для компании X обернулись стремительным ростом, и теперь она управляет 30 офисами во всем мире со штаб-квартирой в Рубцовске. В настоящее время компания X звонит на все 29 отдаленных офиса через сеть PSTN. Теперь она хочет упростить систему набора для всех отдаленных офисов, чтобы улучшить и упорядочить коммуникации между служащими.

Ныне штаб-квартира компании X владеет большой системой РВХ, а в отдаленных офисах системы РВХ поменьше. Для этой компании возможны следующие варианты:

· Приобрести арендованные каналы между штаб-квартирой и всеми отдаленными офисами.

· Приобрести у телефонной компании виртуальную закрытую сеть (Virtual Private Network -- VPN) и звонить используя код доступа куда угодно.

· Воспользоваться существующей инфраструктурой данных и передавать голос, используя сеть данных.

Независимо от выбранного компанией X пути он должен учитывать проблемы проектирования системы набора номеров, управления сетью и стоимости.

Не вдаваясь в детали, большинство компаний должно принимать решения о проектировании системы набора номеров, учитывая следующее.

· Перспективы развития.

· Цена арендованных каналов или VPN.

· Цена дополнительного оборудования для голосовых пакетов.

· Совпадение номеров (когда один телефонный номер принадлежит нескольким абонентам).

· Последовательности вызова (схема вызова каждого абонента).

· Бизнес-время (время дня, в которое ожидается наибольшее количество вызовов).

В зависимости от размера компании система номеров может иметь от двух до семи или восьми цифр. Здесь важно не останавливаться на одном решении, пока не решены предыдущие проблемы.

Компания X планирует 20-30-процентный рост, поэтому, согласно схеме роста, она решает остановиться на системе номеров с семью цифрами. Такой выбор, кроме всего прочего, позволяет избежать совпадения номеров.

Таким образом, у компании X будет трехзначный код офиса и четыре цифры для абонентской линии. Такое решение было принято потому, что в компании вряд ли будет больше 999 филиалов.

2.3.1 Порядок вызова у конечной коммутационной станции и IP-телефонии

Чтобы упростить объяснение последовательности вызова через TDM или конечную коммутационную станцию и сеть IP, рассмотрим в примеры звонка соседу по сети PSTN и Интернету. На [рис. 7] приведен пример последовательности вызова через современную сеть PSTN.

Рис. 7 Звонок соседу через современную PSTN

В этом примере Боб звонит своей соседке Джудит. Они оба абоненты локальной конечной коммутационной станции, а следовательно, сеть SS7 им не нужна. Ниже приведена последовательность действий.

1. Боб снимает телефонную трубку.

2. Локальная конечная коммутационная станция посылает Бобу сигнал ответа АТС (гудок).

3. Боб набирает семизначный номер телефона Джудит.

4. Конечная коммутационная станция получает и анализирует семизначный номер, чтобы выявить получателя телефонного вызова. О том, что кто-то звонит из дома Боба, конечная коммутационная станция узнает через определенный порт, который был выделен Бобу.

5. Коммутатор анализирует вызываемый семизначный номер, чтобы определить, является ли номер локальным (т.е. может ли его обслужить коммутатор).

6. Коммутатор выясняет абонентскую линию Джудит.

7. Затем конечная коммутационная станция уведомляет канал Джудит звонком на ее телефон.

8. Бобу на голосовой канал возвращается длинный гудок, который посылает конечная коммутационная станция. Боб слышит гудок, и знает, что телефон Джудит звонит. (Звонок телефона Джудит и гудки, которые слышит Боб, никак не синхронизированы.)

9. Джудит поднимает телефонную трубку.

10. Конечная коммутационная станция устанавливает голосовой канал между Бобом и Джудит. Это дуплексный канал DS-0 (Digital Service, Level 0 -- цифровой сервис, уровень 0) на 64 Кбит/с через центральную коммутационную станцию, вполне допускающий передачу голоса.