IP-телефония в основе сети будущего поколения NGN

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ВВЕДЕНИЕ

Работа устройств в сети Интернет осуществляется с использованием специального Интернет-протокола (Internet Protocol - IP). В настоящее время протокол IP используется не только в сети Интернет, но и в других сетях передачи данных с пакетной коммутацией (локальных, корпоративных, региональных и др.). И во всех этих сетях, имеется возможность передавать речевые сообщения с использованием пакетов данных. Такой способ передачи речи и получил название IP-телефония и употребляется аббревиатура VoIP - Voice over IP.

Интерес различных субъектов рынка телекоммуникационных услуг Узбекистана (операторов связи, провайдеров Интернет, производителей оборудования и пользователей) к данному виду связи необычайно возрос в последние два года в связи с разработкой новых стандартов и протоколов, когда IP-телефонный разговор вплотную приблизился по качеству к телефонному разговору по «классическим» телефонным сетям. Этот интерес объясняется тем, что IP-телефония позволяет существенно экономить требуемую полосу пропускания каналов, что неизбежно ведет к снижению тарифов, особенно на междугородные и международные телефонные разговоры. Однако не все так гладко на пути внедрения новой технологии: имеются проблемы с обеспечением сквозного качества телефонной связи, затруднена совместная работа оборудования различных производителей, требуется новое, достаточно дорогое аппаратное и программное обеспечение и др.

Использование IP-телефонии позволяет предлагать пользователям совершенно новые, невозможные для традиционной телефонии сервисы и приложения. Да и сам фактор экономии затрат на телефонную связь играет не последнюю роль даже с учетом более низкого, но приемлемого, качества передачи разговора. Все это говорит о том, что технология IP-телефонии по большому счету выгодна всем: и пользователям, и операторам сетей, и производителям оборудования.

В международных организациях и форумах идет непрерывная разработка новых стандартов и протоколов, связанных с передачей речи по сетям с пакетной коммутацией. Производители аппаратного и программного обеспечения регулярно представляют на рынок свои новые продукты.

В данном дипломном проектировании рассмотрен пример организации передачи речи с помощью VoIP. Проектируемый город Ок-йул связан с TShTT посредством IP сети.

1.1 История развития IP-телефонии

Концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера зародилась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 г. Чарли Кляйн выпустил в свет первую программу для передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера Maven.

В апреле 1994 г. во время полета космического челнока Endeavor Американское агенство по аэронавтике NASA передало на Землю его изображение с помощью программы CU-SeeMe. Одновременно, используя программу Maven, попробовали передавать и звук. Полученный сигнал из Льюисовского исследовательского центра поступал на компьютер Мас, соединенный с Интернет, и любой желающий мог услышать голоса астронавтов. Потом одну программу встроили в другую, и появился вариант CU-SeeMe с полными функциями аудио и видео как для Мас, так и для персональных компьютеров (PC).

В феврале 1995 г. израильская компания VocalTec предложила первую версию программы Internet Phone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под операционной системой Windows.

В марте 1996 г. осуществился совместный проект под названием «Internet Telephone Gateway» двух компаний: уже известной нам VocalTec и крупнейшего производителя программного обеспечения для компьютерной телефонии Dialogic. Целью было научить работать через Интернет обычный телефонный аппарат, для чего между сетью Интернет и ТфОП устанавливался специализированный шлюз. К настоящему времени уже сотни компаний предложили свои коммерческие решения для IP-телефонии. Одновременно практически все крупные телекоммуникационные компании, использующие традиционные средства для организации телефонных переговоров, почувствовав угрозу рынку предоставляемых ими услуг, начали интенсивные исследования с целью оценки её реальности и масштаба.

В 1996 году IP-телефония за один год выросла на 997% (от оцененного в 1.8 миллионов долл. рынка), но в 1997 г. объем рынка оборудования, программного обеспечения и услуг IP-телефонии оценен уже в 210 млн. долл. Доходы от предоставления услуг телефонной и факсимильной связи в IP-сетях составили 123 млн. дол. Хотя голосовой трафик IP-телефонии составляет менее 1% от всех междугородных и международных звонков, рынок Интернет-телефонии в 1999 году достиг 560 миллионов долл.

1.2 Преимущества использования IP-телефонии

Конечный пользователь IP-телефонии сохраняет имеющиеся преимущества телефонной сети общего пользования, которые включают широкий диапазон услуг, простоту использования, надежность и качество голоса, но и получает следующие дополнительные преимущества:

- более низкие цены на традиционные услуги телефонной связи;

- IP-телефония одновременно поддерживает голос и данные, удовлетворяя требованиям конвергенции. Это означает, что клиенты получат дополнительные преимущества от экономии в развитии, возможные за счет использования единой сети, а также за счет того, что объемы трафика и шаблоны быстро сменяются от данных к голосу и наоборот и это защищает клиента;

- феноменальная мобильность пользователя, которую обеспечивает сеть IP-телефонии: звонки и факсы автоматически перенаправляются в любую точку мира, пользователи будут иметь доступ к одному и тому же набору услуг вне зависимости от того, где и как они подключаются к сети. Эта распределенная архитектура обеспечивает прекрасную гибкость и делает возможным отсутствие привязки к месту предоставления услуги;

- новый набор устройств доступа, от традиционных телефонов и факсов до компьютеров;

- доступ к новым услугам (голосовая почта, конференцсвязь, передача факса и др.) через открытый интерфейс архитектуры па базе IP, что обеспечивает совместимость для широкого спектра разработчиков приложений;

- возможность настройки набора услуг;

- простота оплаты услуг IP-телефонии (обычно с помощью предоплаченных телефонных карточек);

- простота контроля пользователем состояния его расчетного счета (через сеть Интернет).

Наряду с провайдерами IP-телефонии Интернет-провайдеры также могут занять определенную нишу на рынке услуг IP-телефонии, так как существующая у них IP-инфраструктура дает хорошие возможности для внедрения услуг голосовой связи. Необходимые для этого аппаратные и программные средства можно устанавливать поэтапно. Интернет-провайдеры уже имеют точки присутствия, связанные с коммутаторами местных провайдеров и операторов сети общего пользования.

Для Интернет-провайдеров услуга Интернет-телефонии обеспечивает следующие преимущества:сбережение капитальных вложений за счет использования открытых компьютерных платформ;

- снижение эксплуатационных расходов как результат предоставления разнообразия услуг на единой сети;

- открытая среда разработчика услуги означает более конкурентную, а следовательно, менее дорогую разработку новых услуг.

- множество услуг может быть доступно через единственный канал с пользователем, что означает больше услуг (прибыли) в расчете на одного пользователя.

Крупные телекоммуникационные операторы, обслуживающие тысячи и сотни тысяч клиентов, вынуждены вкладывать для достижения качества, достойного их имени, такие средства, какие мало уступают инвестициям для создания традиционной сетевой инфраструктуры. Речевой трафик множества абонентов нужно где-то собрать, преобразовать его в пакеты данных, передать в нужный регион по IP-сети и, преобразовав обратно в исходный вид, подать в местную телефонную сеть общего пользования (ТфОП). Для гарантии качества вместо каналов общедоступного Интернета нужны выделенные магистральные каналы (хотя и уплотненные с помощью технологии IP-телефонии) во все требуемые регионы и страны, нужна более мощная местная телефонная сеть в местах установки шлюза или требуется установка нескольких шлюзов (для этого нужно вкладывать в местную ТфОП соответствующие инвестиции) и многое другое. Именно так и работают сегодня серьезные поставщики услуг IP-телефонии. Таким образом, для крупных операторов IP-телефония сегодня - это способ более эффективно использовать существующий сетевой ресурс и возможность предоставления своим клиентам современного спектра дополнительных услуг (голосовая почта, конференцсвязь, поиск номеров, контроль за расчетами и многое другое), которые не реализуемы в традиционной телефонной сети, и за счет которых оператор может получить дополнительную прибыль.

1.3 Виды соединений в сети IP-телефонии

Сети IP-телефонии предоставляют возможности для вызовов четырех основных типов:

1. «От телефона к телефону» (рис. 1). Вызов идет с обычного телефонного аппарата к АТС, на один из выходов которой подключен шлюз IP-телефонии, и через IP-сеть доходит до другого шлюза, который осуществляет обратные преобразования.

2. «От компьютера к телефону» (рис. 2). Мультимедийный компьютер, имеющий программное обеспечение IP-телефонии, звуковую плату (адаптер), микрофон и акустические системы, подключается к IP-сети или к сети Интернет, и с другой стороны шлюз IP-телефонии имеет соединение через АТС с обычным телефонным аппаратом

3. «От компьютера к компьютеру» (рис. 3). В этом случае соединение устанавливается через IP-сеть между двумя мультимедийными компьютерами, оборудованными аппаратными и программными средствами для работы с IP-телефонией.

4. «От WEB браузера к телефону» (рис. 4). С развитием сети Интернет стал возможен доступ и к речевым услугам. Например, на WEB-странице некоторой компании в разделе «Контакты» размещается кнопка «Вызов», нажав на которую можно осуществить речевое соединение с представителем данной компании без набора телефонного номера. Стоимость такого звонка для вызывающего пользователя входит в стоимость работы в сети Интернет.

Рис. 1 Схема связи «телефон-телефон»

Рис. 2 Схема связи «компьютер-телефон»



Рис. 3 Схема связи «компьютер-компьютер»

Рис. 4 Схема связи «WEB-браузер - телефон»

1.4 Стандартизация IP-телефонии

Начальное развитие техники IP-телефонии опиралось в большей степени на рекомендации Международного союза электросвязи (ITU-T). В первую очередь, это Рекомендации G.729a и G.723.1, устанавливающие стандарты на компрессию речи до скорости 8 кбит/с и 6,3/5,3 кбит/с, соответственно, и Рекомендация Н.323 v.2 ,(02/98). Последняя рекомендация определяет порядок взаимодействия между системами передачи мультимедийной информации (в том числе в реальном времени) и сетями пакетной коммутации, которые могут не обеспечивать гарантированного качества обслуживания (Quality of Service, QoS). Для передачи речевой информации через IP-сеть Рекомендация Н.323 v.2 обязательна, т.е. фактически является стандартом.

Набор рекомендаций МСЭ-Т Н.323 определяет сетевые компоненты, протоколы и процедуры, позволяющие организовать мультимедиа-связь в пакетных сетях, в том числе в ЛВС Ethernet. Они определяют порядок функционирования абонентских терминалов в сетях с разделяемым ресурсом, не гарантирующих качества обслуживания QoS. Н.323-совместимые устройства могут применяться для телефонной связи (IP-телефония), передачи звука и видео (видеотелефония), а также звука, видео и данных (мультимедийные конференции).

В связи с появлением множества аппаратно-программных средств организации телефонной связи по протоколу IP потребовалось внести изменения в спецификации Н.323, так как эти средства зачастую оказывались несовместимыми друг с другом. В частности, понадобилось обеспечить взаимодействие телефонных устройств на базе ПК и обычных телефонов для сетей, функционирующих по принципу коммутации каналов. Вторая версия Н.323, учитывающая новые требования, была принята в январе 1998 г.

В настоящее время готовится следующая версия стандарта. В ней будут описаны создание пакетных сетей факсимильной связи и организация связи между Н.323-шлюзами. Речь идет и о функциях, распространенных в современной телефонии, включая уведомление о поступлении второго вызова и режим справки. Некоторые компании добиваются включения в Н.323 поддержки мультимедиа-возможностей, основанных на предложенном IETF протоколе Session Initiation Protocol. Помимо «телефонных» функций новая версия будет дополнена средствами, позволяющими учитывать параметры сеансов для целей тарификации, а также поддержкой каталогов - вместо цифровых IP-адресов можно будет пользоваться именами абонентов.

Стандарт Н.323 входит в семейство рекомендаций Н.32х, описывающих порядок организации мультимедиа-связи в сетях различных типов:

- Н.320 - узкополосные цифровые коммутируемые сети, включая -ISDN;

- Н.321 - широкополосные сети ISDN и ATM;

- Н.322 - пакетные сети с гарантированной полосой пропускания;

- Н.324 - телефонные сети общего пользования (ТфОП).

Одна из основных целей разработки стандарта Н.323 - обеспечение взаимодействия с другими типами сетей мультимедиа-связи. Данная задача реализуется с помощью шлюзов, осуществляющих трансляцию сигнализации и форматов данных. Стандарт Н.323 позволяет создать надежные решения для организации коммуникаций по ненадежным сетям с переменной задержкой. При условии соответствия стандарту устройства с различными возможностями могут и взаимодействовать друг с другом. Например, терминалы с видеосредствами могут участвовать в аудиоконференции. В совокупности с другими стандартами МСЭ-Т на мультимедийную связь и телеконференции рекомендации Н.323 применимы для любых видов соединений - от многоточечных до соединений «точка-точка».

Стандарт Н. 323 определяет также порядок взаимодействия с оконечными устройствами других стандартов. Наиболее часто такая задача возникает при сопряжении телефонных сетей с коммутацией пакетов и коммутацией каналов. Сети стандарта Н.323 совместимы и с другими типами Н.32х-сетей. Межсетевое взаимодействие различных Н.32х-сетей определяет рекомендация Н.246. На следующем этапе развития IP-телефонии к спецификациям Н.323, соответствующим нижним уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), будут добавлены новые. Они зафиксируют возможности обеспечения классов (class-of-service, CoS) и качества обслуживания (quality-of-service, QoS), т. е. услуг, относящихся, соответственно, ко второму (канальному) и третьему (сетевому) уровням. Разработкой спецификаций CoS/QoS занимается ряд организаций, в том числе рабочие группы IEEE 802.1р и IETF Diff-Serv, а также Европейский институт стандартизации в области электросвязи (ETSI), который включил продукты Н.323 в свой проект Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks (TIPHON).

1.5 Архитектура системы на базе стандарта Н.323

Рекомендация Н.323 разработана Сектором стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) и содержит описания терминальных устройств, оборудования и сетевых служб, предназначенных для осуществления мультимедийной связи в сетях с коммутацией пакетов (например, в корпоративной интрасети или Интернет). Терминальные устройства и сетевое оборудование стандарта Н.323 могут передавать данные, речь и видеоинформацию в масштабе реального времени. В Рекомендации Н.323 не определены: сетевой интерфейс, физическая среда передачи информации и транспортный протокол, используемый в сети. Сеть, через которую осуществляется связь между терминалами Н.323, может представлять собой сегмент или множество сегментов со сложной топологией. Терминалы Н.323 могут быть интегрированы в персональные компьютеры или реализованы как автономные устройства. Поддержка речевого обмена -- обязательная функция для устройства стандарта Н.323.

В рекомендации Н.323 описываются четыре основных компонента:

- терминал;

- gatekeeper (контроллер зоны);

- шлюз;

- устройство управления многоточечной конференцией (MCU).

сеть оборудование телефония шлюз



Рис 5. Основные компоненты рекомендации H.323

Терминал Н.323 представляет собой конечную точку в сети, способную передавать и принимать трафик в масштабе реального времени, взаимодействуя с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления многоточечной конференцией (MCU).

Для обеспечения этих функций терминал включает в себя:

- элементы аудио (микрофон, акустические системы, телефонный микшер, система акустического эхоподавления);

- элементы видео (монитор, видеокамера);

- элементы сетевого интерфейса;

- интерфейс пользователя.

Н.323-терминал должен поддерживать протоколы Н.245, Q.931, RAS, RTP/RTCP и семейство протоколов Н.450, а также включать в себя аудиокодек G.711. Также немаловажна поддержка протокола совместной работы над документами Т. 120.

Примером терминала, поддерживающим стандарт Н.323, является аппарат фирмы Selsius Systems (приобретена компанией Cisco Systems). Он выглядит как обычный цифровой системный телефон, только оснащенный интерфейсом Ethernet вместо порта RJ-11. Такой терминал, используя собственные процессоры, микропрограммные кодеки и стек TCP/IP, обеспечивает высокие качество звука и уровень надежности/

Технология передачи голоса по IP-сети вместо классической сети с коммутацией каналов предусматривает конфигурацию с установкой шлюзов. Шлюз обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование ее в IP-пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы.

Такое преобразование информации не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени.

Более полно основные функции, выполняемые шлюзом, состоят в следующем.

- Реализация физического интерфейса с телефонной и IP-сетью.

- Детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации.

- Преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты данных и обратно.

- Преобразование речевого сигнала в пакеты данных и обратно.

- Соединение абонентов.

- Передача по сети сигнализационных и речевых пакетов.

- Разъединение связи.

Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуются в процессах прикладного уровня.

Наличие разноплановых с вычислительной точки зрения функций, выполняемых системой, порождает проблему ее программной и аппаратной реализации. Рациональное решение этой проблемы основано на использовании распределенной системы, в которой управленческие задачи и связь с сетью осуществляется с помощью универсального процессора, а решения задач сигнальной обработки и телефонного интерфейса выполняются на цифровом процессоре обработки сигналов.



Рис 6. Схема обработки сигналов в шлюзе

Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную систему, которая разделяет приемную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с "просочившейся" частью сигнала приема подается на аналого-цифровой преобразователь (ADC) и превращается либо в стандартный 12-разрядный сигнал, либо в 8-разрядный сигнал. В последнем случае обработка должна также включать соответствующий экспандер. В устройстве эхо-компенсации (Echo canceller) из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхо-компенсатор представляет собой адаптивный нерекурсивный фильтр, длина памяти (порядок) которого и механизм адаптации выбираются такими, чтобы удовлетворить требованиям рекомендации МСЭ-Т G.165. Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере (Speech Coder). В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определенной длительности (в зависимости от метода кодирования) и каждому входному блоку сопоставляется информационный кадр соответствующей длины.

Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности (VAD - voice activity detector), который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой. При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передается лишь каждый пятый «паузный» информационный кадр. Кроме того, при отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приемной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума (Noise Generator), который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры генератора обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхо-компенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого дает составляющую электрического эха в передаваемом сигнале.

Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.

При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов - речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.

С построением кодеков тесно связана задача синтеза VAD. Основная трудность состоит в правильном детектировании пауз речи на фоне достаточно интенсивного акустического шума (шум офиса, улицы, автомобиля и т.д.)

Функцию управления вызовами выполняет gatekeeper (контроллер зоны). Gatekeeper выполняет следующие функции:

- преобразовывает адреса-псевдонимы в транспортные адреса;

- контролирует доступ в сеть на основании авторизации вызовов, наличия необходимой для связи полосы частот и других критериев, определяемых производителем;

- контролирует полосу пропускания;

- управляет зонами.

Причем gatekeeper осуществляет вышеперечисленные функции в отношении терминалов, шлюзов и устройств управления, зарегистрированных в нем. Идентификация узла может осуществляться по его текущему IP-адресу, телефонному номеру Е.164 или подстановочному имени - строке символов, наподобие адреса электронной почты. Gatekeeper упрощает процесс вызова, позволяя использовать легко запоминающееся подстановочное имя.

Функции gatekeeper могут быть встроены в шлюзы, элементы распределенных УПАТС, блоки управления многоточечными конференциями, а также в конечные узлы Н.323 (терминалы). С помощью механизмов RAS (Registration/Admissions/Status) терминалы могут находить gatekeeper и регистрироваться в них.

1.6 КЛАССИФИКАЦИЯ ШЛЮЗОВ IP-ТЕЛЕФОНИИ

Шлюзы IP-телефонии по масштабности применения можно разделить на два основных типа: шлюзы, ориентированные на корпоративное применение, и шлюзы, предназначенные для операторов и поставщиков услуг связи. Продукты последнего типа отличаются большой емкостью и масштабируемостью, присутствием средств аутентификации и мониторинга, а также дополнительных возможностей биллинга. Примерами таких устройств являются следующие шлюзы: IPTC компании Ericsson, PacketStar IP Gateway 1000 компании Lucent Technologies, MainStreetXpress 36100 от Newbridge, Hi-Gate 1000 компании ECI Telecom, Clarent Gateway фирмы Clarent. Типовая инсталляция этих шлюзов предусматривает их подключение с одной стороны к IP-сети (например, через Ethernet-интерфейс), а с другой - к традиционной телефонной сети общего пользования (обычно по Е1-каналам).

1) Автономные IP-шлюзы. Большинство производителей шлюзов предлагает автономные IP-шлюзы, которые обычно состоят из серверов на базе персональных компьютеров с комплектом голосовых плат. Голосовые платы не предназначены для компрессии/декомпрессии звука, поэтому данная операция должна выполняться главным процессором ПК.

Существуют шлюзы на базе ПК-серверов с платами с цифровой обработкой сигналов (Digital Signal Processing, DSP). Фирма Dialogic выпускает плату DM3 IP (с программным обеспечением от VocalTec); Micomплаты IP-телефонии для аналоговых линий, Т-1 и Е-1; NMS - платы E-Fusion Inc., используемые многими разработчиками, в том числе Inter-Tel. Оборудование этого типа производят также компании Vocaltec Communications Ltd., Neura Communications Inc., Netrix Corp. и другие. Автономные устройства могут стать хорошим решением для сетей, уже имеющих маршрутизаторы от различных производителей. Платы маршрутизаторы, в свою очередь, применимы для дополнительного оснащения работающего оборудования функциями IP-телефонии.

2) Маршрутизаторы-шлюзы. В мире производителей оборудования телекоммуникаций наметилась тенденция к тому, что крупные компании традиционное сетевое оборудование оснащают узлами, отвечающими за IP-телефонию. Одной из первых в этом направлении стала работать компания Cisco Systems (устройства серии 2600 и 3600), за которой последовали другие фирмы (Memotec Comminications Inc. с машиной СХ950 Access Switch, Motorola Inc. с устройством Vanguard). Эта продукция - маршрутизаторы и устройства доступа к распределенным сетям со встроенными шлюзами IP-телефонии - занимает отдельную, важную нишу на рынке сетевого оборудования.

3) RAS-шлюзы. Свою часть рынка оборудования для IP-телефонии занимают шлюзы для VoIP, состоящие из плат, устанавливаемых в серверы дистанционного доступа (RAS). В этом направлении работают компании Ascend Communications и Digi International (устройства Multivoice Gateway и Netblazer 8500 соответственно). Установка устройств данного типа при построении IP-сетей оправдана при работе с приложениями с множеством голосовых портов и имеющими предельно важное значение.

4) Шлюзы-модуль и для УПАТС. В настоящее время получили распространение шлюзы IP-телефонии, представляющие собой конструктивно модули .для классических учрежденческих АТС. Компании Lucent Technologies и Nortel Networks производят их для своих станций Defmity и Meridian 1. Причем, такая система перед тем, как установить соединение через IP-сеть, проверяет качество связи. В случае достаточного ее качества (норма устанавливается администратором системы), соединение устанавливается. Иначе, вызов направляется по традиционным линиям связи. Таким образом, налицо стремление фирм-производителей постепенно заменять транспортную среду, не затрагивая при этом телефонный сервис, предоставляемый конечным пользователям.

5) Шлюзы с интеграцией бизнес-приложений. По мере развития систем IP-телефонии на ведущие роли выходят сервис-функции. При этом оборудование должно ориентироваться не только на интеграцию трафика, но и на интеграцию бизнес-приложений, позволяющую повысить продуктивность работы предприятий. К таким продуктам следует отнести систему eBridge Interactive Web Responce компании eFusion, обеспечивающую интеграцию Web-служб и центров по обработке вызовов. Она позволяет реализовать службу типа "щелкни и говори" для установления телефонной связи между посетителями Web-узла компании и ее сотрудниками.

6) Учрежденческие АТС на базе шлюзов. Еще одно направление развития оборудования IP-телефонии - построение учрежденческих телефонных систем на базе инфраструктур ЛВС. Примерами такого оборудования могут послужить продукты фирм NBX (приобретена компанией 3COM) и Selsius (приобретена компанией Cisco Systems).

В случае, когда нецелесообразна установка отдельного сервера для преобразования телефонных сигналов в IP-пакеты, используются сетевые устройства, подключаемые напрямую к сети lOBaseT (по типу концентраторов Ethernet). При этом каждый концентратор представляет, по сути, небольшую УАТС с голосовой почтой и автоматическим секретарем, подключаемую через разъем RJ-14 к внешним и внутренним телефонным линиям и через соединители RJ-45 к локальной сети Ethernet.

Обладая простотой управления и наличием встроенных средств компьютерно-телефонной интеграции эти системы в состоянии составить конкуренцию обычным учрежденческим АТС.

7) Сетевые платы с функциями телефонии. Одним из решений IP-телефонии являются многоцелевые сетевые платы с функциями телефонии (небольшие устройства типа Internet PhoneJACK от Quicknet Technologies, EtherPhone фирмы PhoNet Communications или крупные устройства типа плат ATM от Sphere Communications). Такие устройства оборудованы портами RJ-11 для подключения обычного телефонного аппарата.

8) Автономные IP-телефоны. Представляют собой решение "все в одном" для одной линии. По внешнему виду и базовым сервисным возможностям аппаратные реализации IP-телефонов ничем особо не отличаются от обычных телефонов, но их электронная «начинка» позволяет существенно уменьшить нагрузку на персонал, отвечающий за телефонную связь. Такой тип продуктов предлагает компания Cisco Systems.

Помимо аппаратной существуют и программные реализации IP-телефонов. В этом случае персональный компьютер (ПК), оборудованный телефонной гарнитурой или микрофоном и акустическими системами, превращается в многофункциональный коммуникационный центр. Пользователь ПК, кроме доступа к обычному телефонному сервису, получает набор дополнительных возможностей: получение информации о звонящем клиенте (благодаря наличию стандартного интерфейса TAPI к другим программам), контроль за телефонными вызовами и работой с речевой почтой. Примером могут послужить программные продукты NetMeeting от Microsoft и InternetPhone фирмы Vocaltec Communications. Недостатками таких систем является неполная совместимость с Н.323 версии 2, а также отсутствие поддержки функций по обеспечению безопасности в работе с gatekeeper.

1.7 Общие принципы сигнализации в сетях IP-телефонии

Для обеспечения широкомасштабного внедрения IP-телефонии одним из самых важных факторов является обеспечение совместимости систем разных фирм. Достижение совместимости возможно только на базе стандартных протоколов сигнализации. Протоколы сигнализации обеспечивают установление, администрирование и завершение сеанса связи между конечными точками (пользователями), однозначно идентифицируемыми заданной схемой адресации. Понятие «сигнализация» относится ко всей информации, связанной с вызовами и необходимой для их установления, маршрутизации, мониторинга и завершения как на физическом, так и на логическом уровне.

В традиционной телефонии вызывающий пользователь набирает номер нужного ему абонента, а телефонная сеть использует его для маршрутизации вызова. Процедура управления вызовами делится на три фазы: установление соединения, передача речи или данных и разъединение. Сообщения системы сигнализации инициируют и завершают эти фазы, а стандартные контрольные сигналы и (или) записанные голосовые сообщения информируют абонента о характере прохождения его вызова.

Во всех современных сетях с коммутацией каналов система сигнализации основана на семействе ОКС №7. Они обеспечивают обмен сообщениями, которые необходимы для маршрутизации вызовов, резервирования ресурсов, трансляции адресов, установления соединений, управления ими, выставления счетов. Кроме того, на Взаимоувязанной сети связи Узбекистана используется еще много других систем сигнализации (аналоговых и цифровых).

По сравнению с сигнализацией в обычных телефонных сетях сигнализация IP-телефонии должна обладать более широкими возможностями в силу специфики конечных узлов. Они могут иметь самые разные характеристики в части требуемой полосы пропускания, кодирования/декодирования аудиосигналов, передачи данных и т.д., и для установления сеанса связи между ними необходимо убедиться в совместимости этих характеристик.

В системах IP-телефонии процедуры управления вызовами выполняются протоколами сигнализации, а непосредственная маршрутизация трафика через IP-сеть обеспечивается протоколами: OSPF или ВGР (резервирование сетевых ресурсов возможно, например, при помощи протокола RSVP). Таким образом, архитектура сети IP-телефонии предусматривает разделение плоскостей управления и передачи пользовательской информации, что является наиболее благоприятным условием для внедрения новых услуг.

В настоящее время еще окончательно не решен вопрос выбора оптимальной архитектуры управления вызовами особенно для Интернет-телефонии: должна ли она быть интегрирована с существующими службами Интернет или развернута отдельно для обеспечения управления в режиме реального времени. Первый подход привлекает Интернет-провайдеров, которые рассматривают услуги Интернет-телефонии лишь как небольшую часть своего сервисного пакета. Они планируют предлагать эти услуги по фиксированным тарифам, используя максимально упрощенную схему управления услугами. За второй подход ратуют операторы, для которых Интернет-телефония является основной или даже единственной предлагаемой услугой. Им необходимы системы, способные обеспечить высокий уровень контроля за использованием сетевых ресурсов и мощные средства биллинга.

В обычной телефонной сети общего пользования (ТфОП) абонент подключается к АТС через фиксированный местный шлейф, поэтому идентифицировать его телефонный аппарат очень просто. В сети IP-телефонии все гораздо сложнее, поскольку существует множество разных способов доступа к ней: с обычного телефона через ТфОП, по модемному соединению через сервер удаленного доступа, через ЛВС и территориально распределенную сеть и т.д. Кроме этого, пользователи могут перемещаться между различными сетями, таким образом, абонента нельзя идентифицировать по используемой им линии доступа.

Рис 7 Управление вызовами в сети IP-телефонии

Для эффективного контроля за доступом оператор должен аутентифицировать каждого пользователя, запрашивающего услугу. С увеличением числа операторов IP-телефонии требуются также средства контроля за трафиком на границе между их сетями. Такие средства должны осуществлять контроль за доступом и использованием сетевых ресурсов и выполнением соглашений по качеству обслуживания. При их отсутствии оператору может оказаться проблематичным гарантировать пользователю определенный класс обслуживания, если его - трафик частично проходит через сеть другого оператора.

На рис. 8 показано место механизмов сигнализации IP-телефонии в протокольном стеке: над ними находятся приложения, под ними - транспортные службы IP. Приложение может представлять собой телефонный шлюз.

В общем случае для установления соединения между вызываемым и вызывающим абонентом шлюзы IP-телефонии должны:

- найти gatekeeper, на котором возможна регистрация оконечного устройства;

- зарегистрировать свой мнемонический адрес на gatekeeper;

- указать требуемую полосу пропускания;

- передать запрос на установление соединения;

- установить соединение;

- в процессе вызова управлять параметрами соединения;

- разъединить соединение.



Рис. 8 Механизмы сигнализации IP-телефонии в протокольном стеке

Для выполнения этих операций в настоящее время могут использоваться различные протоколы сигнализации

Сигнализация по стандарту Н.323. Рекомендация Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) Н.323 определяет основы процесса передачи аудио, видео и данных по сетям с коммутацией пакетов, например по сетям IP. В ней описаны объекты, необходимые для мультимедийной связи, их функции и способы взаимодействия, в частности алгоритмы формирования пакетов, сжатия аудио- и видеоинформации. Кроме того, рекомендация Н.323 нацелена на решение задач администрирования конечных пользователей, адресации, контроля за использованием полосы пропускания сети и сетевых объектов. В настоящее время действительна версия 2 Н.323 - это зонтичная рекомендация, в которой описаны компоненты сети и даны рекомендации к применению множества дополнительных рекомендаций. Все вместе эти рекомендации часто называют семейством Н.323

Сейчас готовится следующая версия стандарта. В ней будут описаны: создание пакетных сетей факсимильной связи и организация связи между Н.323-шлюзами. Речь идет и о таких функциях, распространенных в современной телефонии, включая уведомление о поступлении второго вызова и режим справки. Некоторые компании добиваются включения в Н.323 поддержки мультимедиа-возможностей, основанных на предложенном IETF протоколе Session Initiation Protocol. Помимо «телефонных» функций, новая версия будет дополнена средствами, позволяющими учитывать параметры сеансов для целей тарификации, а также поддержкой каталогов - вместо цифровых IP-адресов можно будет пользоваться именами абонентов.

Для выполнения действий сигнализации между шлюзами и gatekeeper в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т Н.323 должны использоваться следующие протоколы:

- сигнализация RAS (Registration, Admission, Status);

- сигнализация Q.931 (согласно Н.225.0);

- протокол управления Н.245.

Сигнализация RAS. Протокол сигнализации RAS (регистрации, подтверждения и состояния) применяется для передачи служебных сообщений между терминалами и контроллером зоны Н.323. RAS-сообщения служат для регистрации терминалов, допуска их к сеансу связи, изменения используемой полосы пропускания, информирования о состоянии сеанса и его прекращении. В отсутствии контроллера зоны (gatekeeper) протокол RAS не задействуется.

Функции сигнализации RAS используют сообщения протокола Н.225.0. Канал сигнализации RAS не зависит от канала управления вызовом и канала управления Н.245.

С помощью сигнализации RAS должно осуществляться:

- нахождение gatekeeper, на котором возможна регистрация оконечного оборудования;

- регистрация оконечного устройства;

- определение географического положения оконечного устройства;

- указание необходимой полосы пропускания;

- изменение полосы пропускания.

Передача сообщений RAS осуществляется в дейтаграммах UDP. Для адресации RAS должна использоваться адресная информации, в которую входят:

- сетевой адрес оборудования;

- идентификатор TSAP (Transport Layer Service Access Point);

- мнемонический адрес (Alias Address).

Сетевой адрес является адресом в формате, используемом в сети с коммутацией пакетов, например, адрес в форматах IPv4, IPv6, IPX, NetBIOS.

Идентификатор TSAP используется для идентификации информационных потоков, отправленных с одного сетевого адреса. Для gatekeeper выделены постоянные значения идеyтификатора TSAP: 1718 (для поиска gatekeeper) и 1719 (для передачи сообщений сигнализации RAS).



Рис. 9. Этапы прохождения вызова в среде Н.323

Мнемонический адрес служит для адресации оконечного оборудования в удобной пользователю форме. Адресом может быть телефонный номер в формате ЕЛ 64, телефонный номер в корпоративной сети, адрес электронной почты и т.д. Gatekeeper не имеет мнемонического адреса.

Рис. 11. Совокупность рекомендаций Н.323

Нахождение gatekeeper должно осуществляться с помощью широковещательного запроса GRQ (Gatekeeper Request), передаваемого оконечным оборудованием с идентификатором TSAP, равным 1718. Если gatekeeper найден, и он готов обслужить запрос от оконечного оборудования, в ответ оно должно получить сообщение GCF (Gatekeeper Confirm). Если оконечное оборудование получило ответ от нескольких gatekeeper, выбор одного из них должен осуществляться оконечным оборудованием произвольным образом. Если gatekeeper не может обслужить запрос от оконечного оборудования, то в ответ он должен передать сообщение GRJ (Gatekeeper Reject), в котором должна сообщаться причина отказа, и может содержаться адрес альтернативного gatekeeper. При нахождении gatekeeper между ним и оконечным оборудованием осуществляется установление логического канала сигнализации, по которому будут передаваться остальные сообщения RAS.

После нахождения gatekeeper оконечное оборудование в сообщении RRQ (Registration Request) должно сообщить gatekeeper свой сетевой и мнемонический адрес. В ответ gatekeeper должен передать сообщение RCF (Registration Confirm) для подтверждении регистрации оконечного оборудования, либо RRJ (Registration Reject) в случае отказа от регистрации. Сообщение RRQ может передаваться при включении оконечного оборудования. Если при повторной регистрации мнемонический и сетевой адреса, переданные gatekeeper оконечным оборудованием, совпадают с ранее переданными, то gatekeeper должен передать сообщение RCF. Если при повторной регистрации мнемонический адрес равен ранее указанному, а сетевые отличаются, должно быть передано сообщение RRJ с причиной отказа «duplicate registration». Для отмены регистрации используются сообщения URQ (Unregistered Request), передаваемое оконечным оборудованием, и UCF (Unregistered confirm), URJ (Unregistered reject), передаваемые gatekeeper оконечному оборудованию.

Регистрация оконечного оборудования на gatekeeper может осуществляться один раз и не повторяться при включении оконечного оборудования. В этом случае gatekeeper должен определять состояние оконечного оборудования. Для этого gatekeeper должен периодически передавать сообщение IRQ (Information Request). Интервал определяется производителем оборудования и должен быть не менее 10 секунд.

После регистрации оконечного оборудования на gatekeeper оно может установить соединение с вызываемым оконечным оборудованием. Для этого оконечное оборудование-инициатор должно передать сообщение ARQ (Admissions Request) и установить логический канал для передачи сообщений Q.931. В сообщении ARQ указываются скорость передачи, кратная 100 бит/с, и количество каналов, необходимых для передачи речевой информации.

Например, при использовании интерфейсов ISDN для выделения полосы 192 кбит/с необходимо указать значения соответственно 640 и 3. Скорость указывается без учета размеров заголовков пакетов и блоков данных транспортных протоколов. Если сеть может обеспечить требуемые параметры, то gatekeeper должен передать подтверждение ACF (Admissions Confirm), в противном случае передается сообщение ARJ (Admissions Reject) с указанием причины отказа.

После получения подтверждения оконечное оборудование устанавливает соединение с вызываемым оконечным оборудованием с использованием сигнализации Q.931 (в соответствии с Н.225.0). Сообщения сигнализации Q.931 могут передаваться по логическому каналу через gatekeeper или непосредственно между двумя оконечными устройствами. Выбор способа осуществляет gatekeeper и сообщает об этом оконечному оборудованию в сообщении ACF.

Если сообщения передаются через gatekeeper, то он может либо закрыть логический канал после установления соединения для передачи речевой информации, либо оставить его до конца сеанса связи, если поддерживаются дополнительные услуги.

Сигнализация по концепции TIPHON. Базируясь на стандарте Н.323 для IP-сети, спецификация TIPHON дополняет его некоторыми обязательными процедурами, а также механизмами взаимодействия с сетями коммутации каналов. Функциональная модель TIPHON состоит из тех же компонентов -gatekeeper, шлюза и терминала, - что и модель Н.323, однако в ней предусмотрено разделение шлюза на три функциональных объекта. Это шлюз сигнализации (SG - Signalling Gate- way), транспортный шлюз (MG - Media Gateway) и контроллер транспортного шлюза (MGC - Media Gateway Controller).



Рис. 12. Функциональная модель сети по проекту TIPHON

Шлюз сигнализации .служит промежуточным звеном сигнализации между сетями с пакетной и канальной коммутацией. В задачи транспортного шлюза входит преобразование и/или перекодирование передаваемой информации; он обеспечивает терминирование ИКМ-трафика телефонных сетей и пакетного трафика, транслирует адреса, подавляет эхо, воспроизводит различные сообщения для абонентов, принимает и передает цифры кодом DTMF и т.д. Контроллер сигнализации MGC выполняет процедуры сигнализации Н.323, которые определены в рекомендациях Н.323, Н.225 (RAS и Q.931) и Н.245, и преобразует сообщения сигнализации телефонных сетей в сообщения сигнализации Н.323. Основная его задача -управлять работой транспортного шлюза, т.е. осуществлять контроль за соединениями, использованием ресурсов, трансляцией протоколов и т.п. Следует отметить, что MGC не обеспечивает управление вызовами. Это задачи gatekeeper, который выполняет их в соответствии с рекомендациями Н.323.

При использовании сигнализации ОКС №7 в контроллер MGC по IP-сети будут передаваться сообщения ISUP (подсистемы обслуживания вызовов сети ISDN). Если же применяется сигнализация по выделенному каналу (CAS), сигнальные сообщения сначала вместе с информацией абонента поступят в транспортный шлюз, а затем уже будут выделены в контроллер MGC. При этом предполагается использовать протокол MDTP (Multi-Network Datagram Transmission Protocol), который служит для инкапсуляции телефонных протоколов сигнализации (ISUP, CAS, PRI) и передачи переносимой ими информации в контроллер транспортного шлюза.

MGC анализирует информацию сигнализации и передает управляющую информацию в транспортный шлюз посредством специального протокола управления, в задачи которого входит обеспечение управления различными ресурсами (системой интерактивного речевого отклика, мостами конференцсвязи и т.д.), приемом и формированием сигналов DTMF, формированием тональных сигналов (готовности к набору номера, контроля посылки вызова, «занято» и пр.), эхо-подавлением, использованием кодеков (G.711, G.723.1, G.729, GSM и т.д.), сбором статистики, тестированием конечных точек (например, испытания по шлейфу), резервированием, разъединением и блокировкой конечных точек, шифрованием.

Протокол управления транспортными шлюзами MGCP представляет собой достаточно простой протокол клиент-сервер. Логика управления вызовами выполняется агентом (Call Agent), находящимся вне транспортного шлюза. Сам же транспортный шлюз представляется в виде объекта, состоящего из конечных точек - точек входа/выхода информационных потоков и соединений - двух или более соединенных конечных точек. Модель определяет физические конечные точки (например, окончания соединительных линий) и виртуальные конечные точки (например, аудиоисточники). Сам протокол MGCP использует принцип «ведущий/ведомый», согласно которому агент управления вызовами передает транспортному шлюзу команды для управления конечными точками и соединениями, а также инициации определенных действий.

MGCP является достаточно универсальным протоколом, способным обеспечить распределенное управление различными типами транспортных шлюзов, в частности телефонными шлюзами и серверами доступа. Он может использоваться для установления соединения и выполнения разных функций обслуживания, например тестирования шлейфа.

Дальнейшим развитием протокола MGCP является протокол управления вызовами Megaco (Media Gateway Control), известный также как стандарт ITU H.248, который определяет взаимодействие, с одной стороны, шлюза между разными средами передачи данных (Media Gateway, MG) и, с другой, - контроллера шлюзов между средами передачи данных (Media Gateway Controller, MGC) Иными словами, Megaco разработан для внутри-доменного удаленного управления устройствами, отвечающими за установление соединения или проведение сеанса связи, включая шлюзы VoIP, серверы удаленного доступа, мультиплексоры цифровых абонентских линий (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM), маршрутизаторы с поддержкой многопротокольной коммутации с использованием меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS), оптические кросс-коннекторы, модули агрегирования сеансов РРР и другие.

Рис. 13. Использование протокола Megaco в сети IP-телефонии

MGCP и Megaco - эти сравнительно низкоуровневые протоколы управления устройствами, которые сообщают шлюзу, каким образом связать потоки, поступающие в сеть с коммутацией пакетов или ячеек, с потоками пакетов или ячеек, переносимыми, например, транспортным протоколом реального времени (Real-Time Transport Protocol, RTF). По существу, Megaco повторяет MGCP в отношении архитектуры и взаимодействия контроллера со шлюзом, но при этом Megaco поддерживает более широкий диапазон сетевых технологий, в том числе ATM.

Типичным примером работы протокола MGCP является проверка состояния конечной точки на предмет снятия трубки (которую поднимает абонент, чтобы сделать звонок). После фиксации события «снятие трубки» шлюз сообщает об этом контроллеру, после чего последний может послать шлюзу команду подать в линию непрерывный гудок и ждать тональных сигналов DTMF набираемого номера абонента. После получения номера контроллер решает, по какому маршруту следует направить вызов, и, используя протокол сигнализации между контроллерами, в том числе Н.323, SIP или Q.BICC, взаимодействует с оконечным контроллером. Оконечный контроллер дает соответствующему шлюзу указание подать звонок на вызываемую линию. Когда этот шлюз определяет, что вызываемый абонент снял трубку, оба контроллера дают соответствующим шлюзам команды на установление двухсторонней голосовой связи по сети передачи данных. Таким способом данные протоколы распознают состояния конечных точек, уведомляют об этих состояниях контроллер,- генерируют в линии сигналы (например, непрерывный гудок), а также формируют потоки данных между подключенными к шлюзу конечными точками и сетью передачи данных, например потоки RTP.

Протоколы MGCP и Megaco очень похожи друг на друга, и для многих приложений не имеет значения, какой из них будет использоваться. Однако Megaco лучше интегрирован с приложениями с поддержкой нескольких сред передачи, чем MGCP, потому что в базовый протокол включены семантические элементы для конференций. Благодаря этому MGCP может быть лучшей основой для приложений, не привязанных к какой-либо среде, например для управления сеансами на базе MPLS.

Для установления соединения используются сообщения Setup и Connect, после передачи которых устанавливается канал управления Н.245. Канал для передачи информации управления Н.245 может быть установлен двумя способами: через gatekeeper или непосредственно между оконечными устройствами. В случае, если логический канал сигнализации Q.931 устанавливается через gatekeeper, то канал для передачи информации управления Н.245 также должен устанавливаться через gatekeeper. Способ установления канала для передачи информации управления Н.245 между оконечным оборудованием в настоящее время не специфицирован.

Если канал сигнализации RAS установлен, то он может использоваться для установления нескольких соединений. Идентификация сообщений сигнализации, принадлежащих одному и тому же соединению, осуществляется с помощью идентификатора Call ID.

2. IP- телефония в основе сети будущего поколения NGN

Сети следующего поколения, или Next Generation Network (NGN), вызывают сегодня повышенный интерес как со стороны телекоммуникационных операторов, так и их заказчиков. Такой интерес обусловлен увеличением влияния современных инфокоммуникационных технологий на повседневную жизнь человека и бизнес.