Автоматические системы управления и связь

Размещено на http://allbest.ru

Домашнее задание

по теме:

«Автоматические системы управления и связь»

Выполнил слушатель:

Проверил преподаватель:



Из истории развития телефонии

Изначально для передачи голоса использовался аналоговый сигнал - электромагнитная волна, передаваемая по медному проводу. Для одновременной передачи нескольких аналоговых сигналов по одному проводу использовалось частотное мультиплексирование (уплотнение).

Основная полоса частот канала делится на некоторое число полос (подканалов) с помощью фильтров с частотами среза, сдвинутыми на 4 кГц относительно друг друга (фактическая полоса пропускания канала - 3,1:4 кГц). Полосы сдвигаются друг относительно друга методом амплитудной модуляции.

Для устранения взаимного влияния подканалов используется защитная полоса, как правило, шириной 900 Гц (иногда ее можно услышать в трубке как шипение или вой). При высоких уровнях сигнала в каналах возникает перекрестная наводка, из-за которой слышен параллельный разговор или радио (последнее - результат улавливания радиосигнала каким-либо контуром).

Если уменьшить ширину полосы, в основной диапазон можно запихнуть больше подканалов. Модем на такой линии будет работать очень плохо (или вообще не сможет), хотя голос будет вполне узнаваем (мозг способен восстанавливать нечеткий или ошибочный сигнал так, как это не снилось современным адаптивным кодекам типа CS-ACELP).

Потом придумали временное мультиплексирование, при которой для передачи сигнала каждого подканала используется фиксированный временной интервал (тайм-слот), а за ней - импульсно-кодовую модуляцию, позволившую перейти от аналогового сигнала к цифровому. Когда это случилось (довольно давно, кстати), конвергенция в традиционных сетях связи завершилась, хотя связисты об этом даже не подозревали.



Телефония будущего

Впервые концепция IP-телефонии, была предложена израильской компанией VocalTec в 1995 году, выглядевшая, скорее всего, как развлечение, однако в первый же год новая технология привлекла внимание всего Мира. Сегодня Интернет-телефония развивается стремительно. И то, что вчера казалось уделом энтузиастов, сегодня становится нормой жизни.

· По мнению некоторых, концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера зародилась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 г. Чарли Кляйн выпустил в свет Maven, первую программу для передачи голоса по сети с помощью PC. Одновременно одним из самых популярных мультимедийных приложений в сети стала CU-SeeMe, программа видеоконференций для Macintosh (Mac), разработанная в Корнельском университете.

· Апрель 1994 г. Во время полета челнока Endeavor NASA передало на Землю его изображение с помощью программы CU-SeeMe. Одновременно, используя Maven, попробовали передавать и звук. Полученный сигнал из Льюисовского исследовательского центра поступал на Мае, 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 Мае, так и для PC.

· Февраль 1995 г. Израильская компания VocalTec предложила первую версию программы Internet Phone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под Windows. Это стало важной вехой в развитии Интернет-телефонии! VocalTec надеялась использовать очень популярные (текстовые) каналы Internet Relay Chat (IRC) в качестве двустороннего средства общения между людьми, имеющими сходные интересы. Но компании не удалось связаться с Eris Free Network (EFNet), курирующей IRC, и проинформировать о потенциально возможном увеличении графика, поэтому доступ к этим общественным каналам для Internet Phone был закрыт. Через несколько недель компания VocalTec уладила свои разногласия с EFNet. За это время была создана частная сеть серверов Internet Phone, и уже тысячи людей загрузили эту программу с домашней страницы VocalTec и начали общаться.

После запуска на мультимедийном компьютере программы VOCALTECR Internet Phone (и многих аналогичных продуктов, появившихся с тех пор) пользователю предоставляется возможность говорить с другим таким же пользователем в микрофон и слушать его ответы через колонки. Несмотря на то, что на этом уровне реализации технологии она была скорее некой увлекательной компьютерной игрушкой, чем коммерческим предложением (хотя бы потому, что связь между двумя абонентами можно было установить только при наличии у каждого из них ПК и программы), в первый же год своего появления технология IP-телефонии привлекла внимание всего мира. С тех пор она непрерывно совершенствуется.

К настоящему времени уже десятки 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 том же 1995 г. другие компании очень быстро оценили перспективы, которые открывала возможность разговаривать, находясь в разных полушариях и не платя при этом за международные звонки!!! На рынок обрушился поток продукции, предназначенной для телефонии через Сеть.

· В сентябре того же года в розничной продаже появилась первая из таких программ - DigiPhone, разработанная небольшой компанией в Далласе (штат Техас), которая предложила <дуплексные> возможности, позволяя говорить и слушать одновременно. Вот в этот момент и родилась привлекательная для абонентов настоящая интерактивная связь. А нам, абонентам, какая, собственно, разница, каким именно способом передается речь. Было бы слышно Крыжополь из Нью-Йорка. Вскоре нашлись энтузиасты, которые с помощью программ подобного типа стали организовывать марафоны типа <сеанс разговора>, во время которых люди со всей страны могли подключаться и говорить часами.

· В марте 1996 г. VOCALTECR объявил о своей совместной работе с компанией Dialogic. Целью работы являлось создание первого специализированного телефонного сервера для IP-телефонии, впоследствии названного VOCALTECR Telephony Gateway (VTG). Его успешное создание явилось ключевым моментом, обеспечившим серьёзный прорыв (технический и коммерческий) в области IP-телефонии. Связав традиционную телефонию с Интернетом, телефонные сервера дали возможность использовать преимущества IP-телефонии при помощи наиболее общеизвестного, простейшего и самого мобильного в мире терминала - стандартного телефона. Отныне любой человек, имеющий телефон, мог поговорить с любым другим человеком, у которого есть телефон, даже если он не имел ни малейшего представления ни о компьютерах, ни тем более об IP-сетях.

VTG использует голосовые платы компании Dialogic для прямого взаимодействия с телефонной сетью общего пользования (PSTN, в России- ТфОП) или местными линиями офисной АТС. VTG показал себя простой в обращении и надежной системой. Обеспечивая поддержку пользователям IP-телефонии, VOCALTECR Telephony Gateway до настоящего времени является основным выбором провайдеров услуг IP-телефони и весьма успешно эксплуатируется многими провайдерами Интернет-телефонии, в том числе и в странах СНГ.

Многоканальные голосовые платы позволяли, во-первых, одной системе VTG поддерживать до восьми независимых телефонных разговоров через Сеть, а во-вторых, убрали проблему адресации, взяв на себя преобразование обычных телефонных номеров в IP-адреса (и обратно). Для разговора одного пользователя в том продукте достаточно было ширины полосы канала порядка 11 кбит/с (у современных продуктов она бывает другой). Вот так возможность высокого уплотнения канала и малая стоимость связи создали предпосылки для коренных изменений телекоммуникационного мира. Сегодня многим ясно, что ИТ - лишь шаг на пути к глобальной мультимедиа-связи.

· Еще через год стали вполне обычными соединения через Интернет двух обычных телефонных абонентов, находящихся в совершенно разных местах планеты. Вот так в течение всего каких-то двух лет стал на ноги альтернативный способ телефонной связи.

Интернет-телефония - одно из самых молодых и быстроразвивающихся направлений телекоммуникационного бизнеса. После того, как в 2000 году доходы от предоставления услуг IP-телефонии составили 1800 млн. долларов - на перспективную технологию обратили свое внимание такие "киты", как AT&T, Quest, Global One, которые начали скупку акций провайдеров и разработчиков этого вида связи. Практически все крупные производители оборудования для отрасли (уровня Lucent и Siemens) занялись разработкой аппаратных комплексов для развертывания интернет-телефонных сетей.

Необходимо также отметить, что например и в России Интернет-телефония развивается не менее стремительно, используя при этом самые прогрессивные методы маркетинговой и рекламной политики по продвижению своих продуктов пакетной телефонии и на рынки стран СНГ в том числе.

Итак, что же такое IP-телефония?

IP-телефония - это технология, которая связывает воедино преимущества телефонии и Интернет. До недавнего времени сети с коммутацией каналов (телефонные сети) и сети с коммутацией пакетов (IP-сети) существовали практически независимо друг от друга и использовались для различных целей.

Телефонные сети использовались только для передачи голосовой информации, а IP-сети - для передачи данных. Технология IP-телефонии объединяет эти сети посредством устройства, называемого шлюз или gateway. Шлюз представляет собой устройство, в которое с одной стороны включаются телефонные линии, а с другой стороны - IP-сеть (например, Интернет).

В сетях на основе протокола IP все данные - голос, текст, видео, компьютерные программы или информация в любой другой форме - передаются в виде пакетов. Любой компьютер и терминал такой сети имеет свой уникальный IP-адрес, и передаваемые пакеты маршрутизируются к получателю в соответствии с этим адресом, указываемом в заголовке.

Данные могут передаваться одновременно между многими пользователями и процессами по одной и той же линии. При возникновении проблем IP-сети могут изменять маршрут для обхода неисправных участков. При этом протокол IP не требует выделенного канала для сигнализации.

Процесс передачи голоса по IP-сети состоит из нескольких этапов.

На первом этапе осуществляется оцифровка голоса. Затем оцифрованные данные анализируются и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, передаваемых получателю. Как правило, на этом этапе происходит подавление ненужных пауз и фонового шума, а также компрессирование.

На следующем этапе полученная последовательность данных разбивается на пакеты и к ней добавляется протокольная информация - адрес получателя, порядковый номер пакета на случай, если они будут доставлены не последовательно, и дополнительные данные для коррекции ошибок. При этом происходит временное накопление необходимого количества данных для образования пакета до его непосредственной отправки в сеть. Извлечение переданной голосовой информации из полученных пакетов также происходит в несколько этапов.

Когда голосовые пакеты приходят на терминал получателя, то сначала проверяется их порядковая последовательность. Поскольку IP-сети не гарантируют время доставки, то пакеты со старшими порядковыми номерами могут прийти раньше, более того, интервал времени получения также может колебаться.

Для восстановления исходной последовательности и синхронизации происходит временное накопление пакетов. Однако некоторые пакеты могут быть вообще потеряны при доставке, либо задержка их доставки превышает допустимый разброс. В обычных условиях приемный терминал запрашивает повторную передачу ошибочных или потерянных данных.

Но передача голоса слишком критична ко времени доставки, поэтому в этом случае либо включается алгоритм аппроксимации, позволяющий на основе полученных пакетов приблизительно восстановить потерянные, либо эти потери просто игнорируются, а пропуски заполняются данными случайным образом.

Полученная таким образом (не восстановленная!) последовательность данных декомпрессируется и преобразуется непосредственно в аудио-сигнал, несущий голосовую информацию получателю.

Таким образом, с большой степенью вероятности, полученная информация не соответствует исходной (искажена) и задержана (обработка на передающей и приемной сторонах требует промежуточного накопления). Однако в некоторых пределах избыточность голосовой информации позволяет мириться с такими потерями.

Операторы сетей с пакетной коммутацией получают преимущества, присущие разделяемой инфраструктуре электросвязи по самой её природе. Проще говоря, они могут продать больше, чем в действительности имеют, основываясь на статистическом анализе работы сети. Поскольку предполагается, что абоненты не будут круглосуточно и ежедневно задействовать всю оплаченную полосу, можно обслужить больше абонентов, не расширяя магистральную инфраструктуру. Оборот и прибыль при этом увеличиваются.

Иными словами, абонент, оплативший полосу 64 кбит/с, использует канал в среднем лишь на 25%. Следовательно, оператор способен продать имеющийся у него ресурс в четыре раза большему числу пользователей, не перегружая свою сеть. Такой сценарий выгоден обеим сторонам - и клиенту, и продавцу, - поскольку оператор увеличивает свои доходы и уменьшает абонентскую плату за счет снижения издержек. Это выигрышное решение уже признано в мире передачи данных, а теперь начинает использоваться и на рынке телефонии.

В настоящее время в IP-телефонии существует два основных способа передачи голосовых пакетов по IP-сети:

· через глобальную сеть Интернет (Интернет-телефония);

· используя сети передачи данных на базе выделенных каналов (IP-телефония).

В первом случае полоса пропускания напрямую зависит от загруженности сети Интернет пакетами, содержащими данные, голос, графику и т.д., а значит, задержки при прохождении пакетов могут быть самыми разными. При использовании выделенных каналов исключительно для голосовых пакетов можно гарантировать фиксированную (или почти фиксированную) скорость передачи. Ввиду широкого распространения сети Интернет особый интерес вызывает реализация системы Интернет-телефонии, хотя следует признать, что в этом случае качество телефонной связи оператором не гарантируется.

Для того, чтобы осуществить междугородную (международную) связь с помощью телефонных серверов, организация или оператор услуги должны иметь по серверу в тех местах, куда и откуда планируются звонки. Стоимость такой связи на порядок меньше стоимости телефонного звонка по обычным телефонным линиям. Особенно велика эта разница для международных переговоров.

Общий принцип действия телефонных серверов Интернет-телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны, сервер связан с Интернетом и может связаться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через Интернет по назначению с использованием протокола IP. Для пакетов, приходящих из сети на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети) происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Например, звонок <телефон-компьютер> или <компьютер-телефон> может обеспечивать один телефонный сервер. Для организации связи телефон (факс)-телефон (факс) нужно два сервера.

Основным сдерживающим фактором на пути масштабного внедрения IP-телефонии является отсутствие в протоколе IP механизмов обеспечения гарантированного качества услуг, что делает его пока не самым надежным транспортом для передачи голосового трафика. Сам протокол IP не гарантирует доставку пакетов, а также время их доставки, что вызывает такие проблемы, как <рваный голос> и просто провалы в разговоре. Сегодня эти проблемы решаются: организации по стандартизации разрабатывают новые протоколы, производители выпускают новое оборудование, но на этом уровне дела с совместимостью и стандартизацией обстоят уже не так хорошо, как с <упаковкой> речи в пакеты. Заметим, что если в рамках частной корпоративной сети некоторая потеря качества голосовой связи при сильной загруженности ресурсов вполне терпима при условии, что средний показатель будет вполне удовлетворительным, то в случае сети общего пользования все намного серьезнее.

С точки зрения масштабируемости (если отвлечься от проблем с неконтролируемым ухудшением качества при росте нагрузки на сеть) IP-телефония представляется вполне законченным решением. Во-первых, поскольку соединение на базе протокола IP может начинаться (и заканчиваться) в любой точке сети от абонента до магистрали. Соответственно, IP-телефонию в сети можно вводить участок за участком, что, кстати, на руку и с точки зрения миграции, так как ее можно проводить <сверху вниз>, <снизу вверх> или по любой другой схеме. Для решений IP-телефонии характерна определенная модульность: количество и мощность различных узлов - шлюзов, gatekeeper (<привратников> - так в терминологии VoIP именуются серверы обработки номерных планов) - можно наращивать практически независимо, в соответствии с текущими потребностями. Естественно, проблемы наращивания ресурсов собственно сетевой инфраструктуры мы сейчас не учитываем, поскольку узлы самой сети могут быть независимы от системы IP-телефонии, а могут и совмещать в себе их функции.

Голосовая связь через IP-сеть может осуществляться различными способами:

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

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

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

Конечному пользователю никакого дополнительного оборудования не требуется. Достаточно иметь под рукой телефон с возможностью тонального набора. Это нужно для того, чтобы, дозвонившись до оператора, ввести свой код в тональном режиме, а дальше действия абонента ничем не отличаются от привычных. В большинстве современных телефонных аппаратов, включая таксофоны и мобильные телефоны, эта функция предусмотрена. Если такого телефона почему-то нет, то с функцией набора может справиться бипер или, в крайнем случае, специальная программа, которую можно скачать из Интернета.

4. <WEB - телефон>. Еще одна новая услуга - это звонок с Веб-сайта, позволяющий осуществлять вызов, выбрав со страницы Интернет ссылку на имя вызываемого абонента или просто набрав абонентский телефонный номер . Это решение направлено, прежде всего, на расширение возможностей электронной коммерции. WEB - телефон позволяет пользователям Интернет напрямую поговорить, например, с торговым представителем либо со специалистом технической поддержки интересующей его фирмы. Установление телефонного соединения происходит обычным, привычным способом набора номера или простым нажатием мышкой на ссылке, представляющую собой, например, название компании, имя вызываемого абонента и т. д. на странице Интернет.

При этом пользователю не требуется вторая телефонная линия или прерывание работы в Интернет, необходимо лишь загрузить небольшое клиентское программное обеспечение, которое обычно можно найти на той же WEB-странице, и которое устанавливается автоматически. С другой стороны WEB - телефон позволяет представителям компаний отвечать на вопросы, демонстрировать WEB-страницы, передавать необходимую информацию, улучшая тем самым качество предоставляемых услуг.



Технические аспекты

Начнем с того, что попробуем рассеять некоторые распространенные заблуждения относительно самой технологии.

Во-первых, Интернет-телефония - это не компьютерная телефония. Понятие компьютерной телефонии предполагает возможность передачи голоса по компьютерным сетям передачи данных с помощью дополнительных аппаратных и программных средств, Под это определение попадают тысячи разнообразных приложений. В этом смысле оно значительно шире, чем просто передача голоса по Интернету, и охватывает различные офисные системы, центры телефонного обслуживания, системы регистрации переговоров, а также массу других приложений. Интернет телефония - лишь одно из них, характеризующееся тем, что голосовой трафик передается по пакетным сетям передачи данных на основе протокола IP. Правильнее называть эту область IP-телефонией или службой пакетных голосовых соединений, что звучит менее броско, зато наиболее точно отражает суть дела. Важно понимать, что IP-сеть является при этом носителем телефонного трафика, в то время как разговор происходит между абонентами городских или офисных АТС. Таким образом, этот процесс, безусловно, относящийся к области телефонии, в корне отличается от того, что сейчас в сетях передачи данных называется передачей голоса поверх IP-протокола.

Далее, существует целый ряд разновидностей Интернет-телефонии.

Исторически пальма первенства принадлежит всевозможным Интернет-телефонам, благодаря которым можно было устраивать голосовые переговоры между двумя мультимедийными компьютерами. Оцифрованный голос просто упаковывался в IP-пакеты и пересылался через сеть Интернет без всякой гарантии. Качество было ужасающим, область применения - неясной.

Наконец, далеко не все из того, что относят к Интернет-телефонии, строго говоря, ею является.

Термин <Интернет-телефония> часто применяют для обозначения технологий передачи голоса через все сети IP - как публичные, так и частные. Между тем слово <Интернет> относится именно к публичным сетям, Тем не менее, можно сказать, что IP-телефония и Интернет-телефония стали почти синонимами, и именно так мы их и будем использовать, хотя это и не вполне корректно.

Сейчас под Интернет-телефонией понимают в первую очередь такую технологию, в которой голосовой трафик частично передается через телефонную сеть общего пользования, а частично - через Интернет. Именно таким образом осуществляются звонки с телефона на телефон, с компьютера на телефон, с телефона на компьютер (здесь вместо номера телефона используется IP-адрес), а также ставший в последнее время особенно популярным Surf'n'Call - звонок с Web-браузера на телефон (просматривая какой-нибудь корпоративный Web-узел, пользователь нажимает мышкой на кнопку Call и получает телефонное соединение с офисом этой компании или например, с любым sip-абонентом или sip-устройством).

Для понимания принципов IP-телефонии необходимо знание основ выделенных каналов на основе IP и отличия от традиционных коммутируемых телефонных сетей общего пользования (Public Switched Telephone Network, PSTN). Несмотря на то, что существуют общие аспекты функционирования телефонных сетей, мировая сеть выделенных каналов имеет важные отличия.

Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра. Когда происходит разговор, между телефонными аппаратами вызвающего и вызываемого абонентов создается электрическая цепь. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удаленности и расположения точек вызова и места ответа.

С другой стороны, выделенные каналы, как и сеть Интернет исторически представляют собой сеть реализующую принцип коммутации пакетов, поскольку предназначен для разделения вычислительных ресурсов и приложений, где гарантирована фиксированная пропускная способность. Сети Интернет с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи. Вся информация, передаваемая через IP (голос, текст, изображения, и т.п.) разделяется на пакеты данных, имеющие в своем составе адреса точек назначения (приема и передачи) и порядковый номер. Узлы IP направляют эти пакеты по сети до окончания маршрута доставки.

После прибытия всех пакетов к точке назначения, для восстановления исходного объема упорядоченных данных используются порядковые номера пакетов. Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, таких как e-mail, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации, а также увеличением пропускной способности каналов и приводят к возможности успешной конкуренции IP-телефонии с традиционными телефонными сетями.

Основная расчетная стратегия IP-каналов состоит из оплаты только скорости передачи (пропускной способности) или времени сеанса связи и лишь косвенной зависимости от удаленности. Сейчас цены на выделенные каналы снижаются.

С текущей ценовой политикой IP-телефонии, пользователи могут разговаривать с абонентами в любой точке мира по наиболее низкой цене за единицу времени.



Какое качество от IP-телефонии могут ожидать пользователи?

Это зависит от загруженности промежуточных каналов IP. Существуют две важных характеристики, определяющие качество связи канала. Первая - время задержек при передаче сигнала. Эта проблема характерна не только для Интернет телефонии, но и для IP-телефонии, хотя и в значительно меньшей степени. Часто голосовая связь через Интернет относительно задержек при разговоре может сравниваться с трансляцией обычного телефонного разговора через спутниковый канал. Время задержек в подавляющем большинстве случаев не является, однако, заметной помехой для связи. Если рассматривать численные величины задержек, то получается следующая картина:

1-й уровень: до 200 мс - отличное качество связи. Для сравнения, в сети PSTN допустимы задержки до 150-200 мс

2-ой уровень: до 400 мс - считается хорошим качеством связи. Но если сравнивать с качеством связи по сетям PSTN, разница будет видна. Если задержки постоянно удерживается на верхней границе 2-го уровня (на 400 мс.), то не рекомендуется использовать эту связь для деловых переговоров.

3-й уровень: до 700 мс - считается приемлемым качеством связи для ведения неделовых переговоров. Такое качество связи возможно, также при передаче пакетов по спутниковой связи.

Качество Интернет-телефонии попадает под 2-3 уровни, причем невозможно уверенно сказать, что тот или иной провайдер Интернет-телефонии работает по 2-му уровню, так как задержки с сети Интернет изменчивы. Более точно можно сказать о провайдерах IP-телефонии, работающих по выделенным каналам. Они попадают под 1-2 уровни. Также необходимо учитывать задержки при кодировании/декодировании голосового сигнала. Средние суммарные задержки при использовании IP-телефонии обычно находятся в пределах 150-250 мс.

Другая важная характеристика определяет качество передаваемого речевого сигнала, которое зависит от многих факторов. Важны как качество микрофона и колонок абонентов, так и потери IP-пакетов при передаче через канал. Здесь есть важное преимущество перед традиционными сетями: даже в случае загруженности каналов IP и потери части пакетов со сжатым речевым сигналом, программное или аппаратное обеспечение клиента или платформы могут исправить сигнал путем интерполяции соседних пакетов с учетом особенностей речевого спектра.

Почему Интернет-телефония стоит меньше?

Обычные телефонные звонки требуют разветвленной сети связи телефонных станций, связанных закрепленными телефонными линиями, подвода волоконно-оптических кабелей и спутников связи. Высокие затраты телефонных компаний приводят для нас к дорогим междугородным разговорам. Выделенное подключение телефонной станции также имеет много избыточной производительности или времени простоя в течение речевого сеанса. Интернет-Телефония частично основывается на существующей сети закрепленных телефонных линий. Но главное, она использует самую передовую технологию сжатия наших голосовых сигналов, и полностью использует емкость телефонных линий. Поэтому пакеты данных от разных запросов, и даже различные их типы, могут перемещаться по одной и той же линии в одно и тоже время.

Почему IP-телефония привлекает так много внимания и оптимистичных прогнозов?

Основной аспект - это потенциал роста выделенных каналов и особенность сетевого взаимодействия в независимости цены доступа от удаленности точки доступа для конечного клиента, благодаря чему резко снижается цена сеансов связи. Значительным преимуществом IP-телефонии перед Интернет-телефонией является качество связи и возможность передачи факсов в реальном времени. Дополнительно, IP-телефония вносит абсолютно новые аспекты в сферу телекоммуникаций: аудио- и видеоконференции, одновременный доступ к приложениям, быстрый поиск абонента и другие.

С чего всё началось

На самом деле, передавать голос через цифровые каналы додумались телефонисты, а не интернетчики. Они уже достаточно давно стали задумываться над тем, как уплотнить несколько голосовых разговоров за счёт применения цифровых каналов.

Отбрасывая весь эволюционный путь развития магистральных каналов, от аналоговых с частотным уплотнением до волоконно-оптических с разделением по спектру, опишем лишь текущее состояние современных магистральных каналов. На данный момент связисты используют, в основном, волоконно-оптические каналы связи, где через одно волокно одновременно могут передаваться сотни тысяч разговоров. Причём эти каналы интегрированы в сети операторов связи так, что конечные пользователи и не догадываются, что используются цифровые каналы. Правда, полностью цифровой связью пользуются только абоненты ISDN-сетей, которых у нас не так много, остальные же - только отчасти. "Отчасти" потому, что у подавляющего большинства абонентов стоят аналоговые телефоны, где аналоговый сигнал передаётся только на "последней миле", т.е. на отрезке от АТС до абонента. На самой АТС сигнал преобразовывается в цифровой, и именно в этом виде "путешествует" между АТС. Есть и исключения - т.н. аналоговые АТС, которые по-прежнему работают с аналоговыми сигналами при передаче голоса.

Отличным качеством междугородней и международной связи мы обязаны именно тому, что между АТС практически всегда сигнал идёт в цифровом виде. Как правило, и звонок соседу, и звонок в крупный город за тысячи километров получаются одного качества - цифровой сигнал не искажается при передаче.

Аналогичным образом работают и сети сотовых операторов, только там "последняя миля" вообще отсутствует - мобильные телефоны стандартов GSM и CDMA2000 являются полностью цифровыми устройствами, которые напрямую работают в цифровой же сети оператора сотовой связи. Именно поэтому в сотовых сетях этих стандартов невозможно услышать помехи - им просто неоткуда взяться. А те "похрюкивания" и провалы, которые иногда возникают, вызваны потерей пакетов с голосовыми данными из-за плохой радиосвязи. Такие искажения характерны так же и для VoIP, но подробно о них мы расскажем дальше.

Механизм

Чтобы понять механизм VoIP и телефонии вообще, нужно понять, как работает обычный телефон. А работает он так: ваш голос принимается микрофоном, который выдаёт некий электрический сигнал, который соответствует вашему голосу. Этот сигнал подаётся в линию, передаётся по ней и достигает телефонного аппарата вашего собеседника. Там он подаётся на динамик, встроенный в трубку, и воспроизводится в ухо вашему собеседнику. Аналогичная схема работает и со стороны второго участника разговора - его голос передаётся в вашу трубку.

Это схема для двух телефонов, когда же их много, то между ними устанавливается коммутирующее оборудование - автоматическая станция, которая "знает", на каком порту - какой абонент находится, и переключает вызывающего на нужную линию. Линии в данном случае сопоставляется цифровой номер - именно тот, который должен набрать вызывающий, чтобы "попасть" к этому абоненту.

Соответственно, в связи участвуют 3 точки: абонент 1, абонент 2 и точка регистрации абонентов. В обычной телефонии абоненты - это телефонные аппараты, а точка регистрации - АТС. Тут важно отметить, что в чисто цифровых системах, например, в ISDN, для набора номера не используются даже тональные сигналы: когда абонент 1 набирает номер абонента 2, то этот номер передаётся на АТС в цифровом виде. Для этого в технологии ISDN имеется специальный канал для управления соединениями - т.н. D-канал. Если вспомнить об ISDN подробнее, то абонентское подключение представляет собой формулу 2B+D. 2B - это два B-канала пропускной способностью по 64 кбит в сек. каждый, а D-канал имеет пропускную способность 16 кбит в сек. Причём каналы эти являются виртуальными - их сигналы передаются по одному проводу (как правило, по медной паре), а разделение полосы, которая в сумме составляет 144 кбит в сек., осуществляется методом мультиплексирования.

Мы так подробно рассказываем про ISDN потому, что на её основе довольно просто понять, как работает VoIP, ведь ISDN, являясь первой полностью цифровой массовой системой связи, стала прообразом VoIP. Так вот, ISDN-абонент имеет 2 B-канала, каждый из которых может передавать голос, факс или данные. Скорость 64 кбит в сек. была выбрана неслучайно - именно такая полоса требуется кодеку, который с минимальными потерями может передавать голос. Те, кто уже имел дело с VoIP, могут заметить, что 64 кбит в секунду это, вообще-то, многовато для одного голосового соединения. Да, это так, но не будем забывать, что во времена разработки ISDN скорость аналоговых модемов составляла 14.4 кбит в сек., а технологий ADSL и VoIP вообще не существовало. Соответственно, телефонистам не имело большого смысла экономить полосу пропускания, усложняя (и удорожая) ISDN-телефоны. Более того, скорость подключения к Интернет - 64 кбит в сек, которую обеспечивал ISDN, была в то время очень и очень высокой.

Вернёмся к телефонии. При работе ISDN в качестве голосовой связи используется 2 канала: B-канал (64 кбит в сек.) для передачи голоса и D-канал (16 кбит в сек.) для т.н. сигнализации, т.е. управления установкой и обслуживанием соединения. Именно принцип разделения голосового трафика и сигнализации является одним из признаков чисто цифровых систем. Аналоговые системы вынуждены управлять соединением по тому же каналу. Например, при пульсовом наборе телефон специальным образом замыкает линию и тем самым "сообщает" АТС номер вызываемого абонента. При тоновом наборе коды номера подаются прямо в аналоговом виде.

Разделение управления вызовом и голосового трафика сохраняется и в VoIP. Вообще, VoIP, по сути своей, очень схож с ISDN: та же полностью цифровая связь, наличие специальных абонентских терминалов. Вот только среда передачи - протокол IP.

Основные проблемы при использовании IP для передачи голосового трафика

Протокол IP (Internet Protocol) разрабатывался ещё во времена, когда каналы передачи были довольно медленными и плохо поддавались контролю. Именно поэтому IP был изначально ориентирован на каналы без гарантированной полосы пропускания и без гарантий задержек при передаче. Другими словами, принцип его работы заключается в следующем: "пытаться передать данные через любой канал". Речи об обеспечении параметров передачи трафика не шло.

В противоположность IP-сетям, каналы телефонной связи изначально проектировали с гарантированной полосой пропускания и контролем задержек. У телефонистов были достаточно жёсткие стандарты качества. И именно этим стандартам мы обязаны, имея сегодняшнюю связь, индустрия которой весьма консервативна.

Протокол IP передаёт данные, разбивая их на пакеты. При этом каждый пакет, кроме данных, содержит также и служебную информацию. Это важный момент, поскольку механизм работы VoIP таков, что часто голосовые данные в IP-пакете занимают лишь небольшую часть его объёма - остальное занимают служебные заголовки. Этот недостаток вызван схемой работы самого протокола IP. Итак, первая проблема VoIP: Большие объёмы служебной информации в каждом пакете.

Когда разрабатывался протокол IP, было решено, что при перегрузке каналов передачи, маршрутизаторы будут просто сбрасывать (уничтожать) пакеты, которые невозможно передать. Принцип тут простой: "не можем передать - уничтожаем". В VoIP это отразилось таким образом, что если голосовой поток просто не "проходит" в имеющуюся на данный момент полосу пропускания канала, пакеты просто сбрасываются и часть голосовой информации теряется. Именно это вызывает "похрюкивания" и провалы при использовании VoIP - точно так же, как и в GSM. Только в GSM потери пакетов возникают не вследствие перегрузки каналов, а по причине плохого качества радиосвязи (дело в том, что сети GSM - это, прежде всего, сети голосовой связи, которые при передаче голоса предоставляют гарантированную полосу и параметры задержек).

VoIP просто вынужден мириться и подстраиваться под идеологию работы протокола IP. А именно - использовать кодеки с минимальными требованиями к полосе пропускания и способностью сглаживать провалы, которые возникают при потере пакетов из-за перегрузок каналов. Следовательно, вторая проблема VoIP: Потери пакетов с голосовым трафиком, являющиеся результатом нормальной работы протокола IP.

Отдельной проблемой является ещё один механизм работы протокола IP - так называемые очереди. Суть работы этого механизма заключается в том, что при передаче пакетов через канал они ставятся в очередь, и если в очереди много пакетов большого размера, то пакеты с голосовым трафиком передаются с задержкой. Представьте себе ситуацию, что в очереди "стоят" 3 пакета с голосовым трафиком размером по 128 байт и 30 пакетов с бинарными данными по 1500 байт. Предположим, что пропускная способность канала - 64 кбит в сек, тогда каждый пакет в 1500 байт будет передаваться примерно 0.19 сек, но таких пакетов в 10 раз больше, чем пакетов с голосовым трафиком. Соответственно, можно предположить, что на каждый пакет с голосовым трафиком может передаваться по 10 пакетов размеров 1500 байт, а это уже задержка в 1.9 секунды! Между каждым пакетом с голосовым трафиком!

Данное явление получило название задержки (delays), именно с ним вы сталкиваетесь, когда используете VoIP и слышите своего собеседника с большим запозданием. Третья проблема VoIP: Задержки при передаче голосового трафика.

Сразу можно упомянуть о четвертой проблеме: ведь в очереди не обязательно будет стоять 30 пакетов по 1500 байт и 10 по 128 байт. Возможны и другие комбинации. Это приводит к тому, что пауза между пакетами VoIP будет постоянно изменяться в зависимости от того, какие ещё пакеты и в каком количестве стоят в очереди вместе с ними. Это явление получило название джиттер (jitter) и оно является четвёртой проблемой использования VoIP: Неравномерность задержек между соседними пакетами VoIP.

Топология VoIP

У решений для работы в Интернет, как правило, две основные топологии - "с сервером" и "клиент-клиент". В топологии с сервером, абоненты подключаются к нему и передают все данные только через сервер. При использовании топологии клиент-клиент, абоненты могут напрямую обмениваться данными. Существует и третья, гибридная, топология - когда используется топология клиент-клиент, но при этом, задействован и сервер, но не для обмена всей информацией, а только для регистрации и поиска абонента для вызова.

Топология с использованием сервера, как правило, используется в том случае, если абоненты находятся за межсетевыми экранами или трансляцией адресов.

В этом случае они часто не могут обмениваться пакетами напрямую, поскольку входящие соединения блокируются межсетевым экраном или трансляцией адресов. В этой топологии абоненты полностью осуществляют обмен через сервер.

Топология "клиент-клиент" используется, как правило, когда клиенты могут обмениваться пакетами непосредственно друг с другом. Это самая эффективная топология для VoIP, поскольку отсутствует необходимость содержания постоянного сервера и каналов связи до него. Ведь каждый VoIP-разговор может занимать полосу пропускания от 32 до 160 кбит в сек., и если умножить эту цифру на количество одновременных разговоров, то может получиться очень приличное значение.

Однако в такой топологии могут возникнуть сложности с определением IP-адреса, на который нужно "звонить".



Проблему регистрации VoIP-клиентов решает гибридная топология, использующая сервер, но не для обмена голосовым трафиком, а для регистрации и поиска абонентов.

Тем самым, сервер в данном случае является как бы АТС для этих двух абонентов.

Именно гибридная топология является самой перспективной, поскольку она не требует мощного сервера и канала его связи с Интернет, но при этом сохраняет возможность централизованной регистрации и поиска абонентов.

Всё это верно, если говорить о VoIP-абонентах в Интернет. Но ведь VoIP- абоненты могут общаться не только между собой, но и звонить абонентам обычной телефонной сети и даже получать от них звонки. Для решения этой задачи используются т.н. VoIP-шлюзы.

Это специальные устройства, которые способны подключаться к сети традиционной телефонии, но при этом являться и абонентами VoIP-сети. В итоге получается устройство, которое доступно как для VoIP-абонентов, так и для абонентов традиционной телефонии.

Это позволяет абонентам VoIP и традиционной телефонии звонить друг другу через подобные шлюзы.

Так как установка и поддержание шлюзов стоят ощутимых денег, то в подавляющем большинстве случаев их использование является платным.



Причины использования VoIP

Казалось бы, при использовании VoIP возникает столько проблем, стоит ли вообще её использовать? Ответ на этот вопрос далеко не всегда однозначен. В первую очередь потому, что по каждому случаю стоит реально оценивать необходимость использования VoIP, а не обычной телефонии.

На Западе, откуда и началось распространение VoIP, оно было предварено распространением широкополосного доступа по ADSL. При этом стоимость аренды каналов передачи данных была достаточно низкой, чтобы иметь возможность использовать высокоскоростные соединения. Всё это, в конечном итоге, привело к тому, что стоимость трафика стала стремиться к нулю, хотя доступ в Интернет - это фактически международный доступ по всему миру.

Разумеется, первым делом начался охват самого прибыльного рынка - рынка международной телефонии. Ведь стоимость международного звонка, осуществляемого стандартным способом, и стоимость трафика для совершения такого звонка через Интернет различаются в десятки раз. Даже для Беларуси цена трафика при использовании ADSL и звонке в США, в 20 раз ниже стоимости аналогичного звонка по обычному телефону! Для России уже меньше - в 8 раз.

Соответственно и прибыльность предоставления услуг международной связи посредством VoIP очень высокая. Именно выгодность международных звонков стала основным двигателем VoIP в массы.

Однако не стоит забывать и о том, что VoIP работает далеко не всегда так же хорошо, как и стандартная телефония. А для экономии в 20 раз на звонках в США нужно не только иметь у себя компьютер для совершения звонков по VoIP, но и чтобы собеседник на той стороне тоже использовал компьютер и совместимое ПО, а это не всегда достижимо.

В итоге может возникнуть необходимость совершать звонки на обычные телефоны в США, а тут без помощи оператора традиционной телефонии не обойтись - придётся платить ему за звонки через его шлюз в США. Зато при этом можно звонить на любой телефон, а не только пользователям компьютера.

Стоит такая услуга около $0.03 в минуту, а это уже не в 20, а только в 10 раз дешевле, и т.д. А для звонков в Москву этот показатель снижается уже до 4 раз. При учёте всех факторов, как-то: надёжность, качество и простота оплаты, вы запросто можете прийти к выводу, что "игра не стоит свеч". Особенно, когда звонить нужно немного и не часто.

Итак, причины использования VoIP для международных звонков чисто экономические - сэкономить деньги. Особенно эффективно использование VoIP, когда требуется звонить в больших объёмах, учитывая при этом, что собеседник на той стороне будет готов мириться с более низким качеством связи.

Возникает логичный вопрос: "А как же так получилось, что телефонисты выпустили такой лакомый кусок прибыли?" Вопрос закономерный. Несколько лет назад телефонисты даже инициировали ряд законодательных инициатив, призванных ограничить использование VoIP для сохранения прибылей операторов традиционной телефонии. Однако это оказалось не так просто, а операторы VoIP-телефонии и поныне живут и здравствуют.

Действительно, смешно было бы ограничивать поставщиков, например, природного газа, чтобы защитить поставщиков мазута. Любая отрасль, которая перестаёт приносить прибыль и не является стратегически важной для государства, должна быть либо реструктурирована, либо санирована по всем законам экономики.

Вторая причина использования VoIP - удобство. Некоторым людям, количество которых постоянно растёт, просто удобней звонить с компьютера, чем использовать стационарный телефон. В этой связи нет никаких сомнений, что рано или поздно VoIP полностью вытеснит проводную телефонию, точно так же, как компакт-диски вытеснили магнитные кассеты, а сами впоследствии были вытеснены MP3-проигрывателями.

Тут вопрос только в экономической целесообразности (пока проводная телефония значительно дешевле) и техническом уровне пользователей (пользоваться проигрывателем кассет с магнитной лентой проще, чем MP3-проигрывателем).

Третья причина кроется в корпоративном рынке. Дело в том, что VoIP может заменить традиционную телефонию, например, на уровне предприятия. Если решить все технические проблемы VoIP, описанные ранее, то эта технология вполне может стать альтернативой офисным мини-АТС, поскольку имеет ряд преимуществ:

· не требует отдельной проводки для телефонов - использует существующую сеть Ethernet;

· не требует собственно мини-АТС, как устройства, - достаточно запустить специальный сервис на одном из имеющихся серверов;

· позволяет вводить шифрование разговоров на уровне телефонного аппарата;

· легко интегрируется как с сетями VoIP, так и с сетями традиционной телефонии.

Все эти преимущества позволяют производителям VoIP-решений с оптимизмом смотреть в будущее.

телефония компьютер мультиплексирование



Сценарии использования

На данный момент достаточно чётко сформировалось три основных направления использования VoIP:

Звонки с компьютера на компьютер или традиционный телефон: Это направление, в основном, обязано своей популярности проекту Skype и другим Интернет-пейджерам с поддержкой голосовой связи.

Используется для бесплатных звонков через Интернет непосредственно между пользователям соответствующего ПО либо для звонков с компьютера в сеть традиционной телефонии (как правило, платных).

Использование Интернет в качестве дешёвого транспорта: Сюда попадают карточки т.н. IP-телефонии - это когда вы покупаете предоплаченную карточку и используете её для доступа на шлюз VoIP, который пробрасывает звонок через Интернет и соединяет вас с VoIP-шлюзом в стране назначения.

В этом случае сам оператор экономит значительные средства на поддержании международных каналов голосовой связи, и именно по этой причине звонки по таким карточкам дешевле, чем с традиционного телефона.

Последнее время набирают популярность организации как исходящих звонков через VoIP, так и входящих, когда VoIP-абоненту присваивается номер традиционной телефонии, и он может полноценно совершать и принимать звонки.

Правда, у нас это пока не практикуется, но вот в России уже весьма распространено.

Не брезгуют более дешёвым транспортом и международные операторы, чтобы, с одной стороны, снизить свои расходы на каналы или в моменты пиковой нагрузки задействовать резервные мощности через VoIP.

Например, когда вы звоните по международной связи и ощущаете значительную задержку передачи голоса от вашего собеседника, слышите эхо своего голоса или искажения голоса, как при плохой сотовой связи, знайте - ваш звонок пошёл через VoIP.

Корпоративный сегмент

Именно на этом сегменте есть, где разгуляться фантазии проектировщиков VoIP-решений. Дело в том, что когда речь идёт о телефонии отдельно взятого предприятия, то описанные проблемы с VoIP, вызванные использованием протокола IP, можно эффективно решить, поскольку предприятие полностью контролирует свою сеть.

Предприятие может применить в своей сети технологии семейства QoS (Quality of Service - качество обслуживания - передачи), чтобы получить требуемые параметры передачи голосового трафика по своей сети.

Огромный плюс VoIP состоит в том, что эта технология практически безгранично масштабируема и гибка - она "ложится" на имеющуюся корпоративную сеть предприятия.

А такие функции, как шифрование разговоров на уровне телефон-телефон, возможность видео-связи и широкий набор сервисов (голосовая почта, интерактивное меню для входящих звонков, и т.д.), делают эту технологию очень перспективной.