IP-телефония и видеосвязь

В голосовых шлюзах IP-телефонии понятие кодека подразумевает не только алгоритмы кодирования/декодирования, но и их аппаратную реализацию. Большинство кодеков, используемых в IP-телефонии, описаны рекомендациями семейства «G» стандарта Н.323 (см. рисунок 16).



Рисунок 16- Стандарты для кодирования речевых сигналов

Рекомендация G.711, утверждённая МККТТ в 1984 году, описывает кодек, использующий ИКМ преобразование аналогового сигнала с точностью 8 кГц и простейшей компрессией амплитуды сигнала. Скорость потока данных на выходе преобразователя составляет 64 кбит/с (8 бит х 8 кГц). Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой при кодировании используется нелинейное квантование по уровню. Кодек G.711 широко распространён в системах традиционной телефонии. Несмотря на то, что рекомендация G.711 в стандарте Н.323 является основной и первичной, в шлюзах IP-телефонии данный кодек применяется редко из-за высоких требований к полосе пропускания и задержкам в канале передачи. Использование G.711 в системах IP-телефонии обосновано лишь в тех случаях, когда требуется обеспечить максимальное качество кодирования речевой информации при небольшом числе одновременных разговоров.

Один из старейших алгоритмов сжатия речи АДИКМ адаптивная дифференциальная ИКМ (стандарт G.726 был принят в 1984 году). Этот алгоритм даёт практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего 16 32 кбит/с. Метод основан на том, что в аналоговом сигнале, передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности. Поэтому, если кодировать не саму амплитуду сигнала, а её изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций.

Рекомендация G.723.1 описывает гибридные кодеки, использующие технологию кодирования речевой информации MP MLQ (MultyPulse Multy Level Quantization множественная импульсная, многоуровневая квантизация), данные кодеки можно охарактеризовать, как комбинацию АЦП/ЦАП и вокодера. Кодек G.723.1 осуществляет преобразование аналогового сигнала в поток данных со скоростью 64 кбит/c (ИКМ), а затем при помощи многополосного цифрового фильтра/вокодера выделяет частотные фонемы, анализирует их и передаёт по IP каналу информацию только о текущем состоянии фонем в речевом сигнале. Данный алгоритм позволяет снизить скорость до 5,3 6,3 кбит/с без видимого ухудшения качества речи. Процесс преобразования вносит задержку 37 мс. Кодек G.723.1 широко применяется в голосовых шлюзах и прочих устройствах IP-телефонии. Кодек уступает по качеству кодирования G.729, но менее требователен к ресурсам процессора и пропускной способности канала.

Кодеки G.729 сокращённо называют CSACELP (Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction сопряжённая структура с управляемым алгебраическим кодом линейным предсказанием). Скорость кодирования речевого сигнала составляет 8 кбит/с. В устройствах VoIP этот кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии.

Гибридный кодек, описанный в рекомендации G.728 в 1992 году относится к категории LDCELP Lowe DelayCode Excited Linear Prediction кодек с управляемым кодом линейным предсказанием и малой задержкой. Кодек обеспечивает скорость преобразования 16 кбит/с, вносит задержку при кодировании 35мс и для реализации необходим процессор с быстродействием более 40 MIPS. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций. В устройствах IP-телефонии данный кодек применяется достаточно редко.

7.2 Обеспечение качества на базе протоколов RSVP, RTP и RTCP

Одним из средств обеспечения качества IP-телефонии является использование протокола резервирования ресурсов (Resourse Reservation Protocol, RSVP), рекомендованного комитетом IETF. С помощью RSVP мультимедиа программы могут потребовать специального качества обслуживания (QoS) посредством любого из сетевых протоколов IP, а также UDP, чтобы обеспечить качественную передачу видео и аудиосигналов. Протокол RSVP предусматривает гарантированное QoS благодаря тому, что через каждый компьютер, или узел, может передаваться определённое количество данных.

Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о свободном количестве ресурсов сообщением RSVP Path (см. рисунок 17). Транзитные маршрутизаторы по мере прохождения этого сообщения также анализируют имеющееся у них количество свободных ресурсов и подтверждают его соответствующим сообщением RSVP Resv, передаваемых в обратном направлении. Если ресурсов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов недостаточно, получатель должен снизить требования или прекратить передачу информации.

Рисунок 17 - Применение протокола RSVP



В виду зависимости RSVP от совместимости предела своих возможностей, когда он не может гарантировать запрошенный уровень QoS, все последующие запросы будут игнорироваться и удаляться. При отказе только одного узла обслуживать запрос вся стройная система RSVP распадается на части.

RSVP имеет весьма хорошие перспективы на корпоративном уровне, где администратор имеет возможность определить, какие параметры будет использовать маршрутизатор для обслуживания запросов о предоставлении QoS. В глобальных сетях маршрутизаторы вовсе необязательно находятся под той же юрисдикцией, что и хосты и приложения, производящие запросы, что осложняет гарантированное QoS.

Для уменьшения значений джиттера и задержек на сетевом уровне применяются гарантирующие пользователю заданный уровень качества механизмы RSVP, MPLS, ATM и другие. Они улучшают качество услуг, предоставляемых сетью, но не могут полностью устранить образование очередей в сетевых устройствах, а, следовательно, и совсем убрать джиттер.



Лекция 8. Принципы реализации IP-телефонии

Цель лекции : рассмотреть вопросы реализации IP-телефонии.

8.1 Оборудование IP-телефонии

Ниже приведены перечень целого ряда компаний, преуспевших в разработке программных средств и оборудования IP-телефонии, среди которых-VocalTec, Dialogic, Cisco, Ascend, 3Com, Nortel, Lucent, IBM, Motorola, RAD, Rock-well, Digitcom и др.

Примером практической реализации концепции Nortel Networks является платформа MMCS (MultiMedia Carrier Switch), прошедшая сертификацию для ВСС России и известная по публикациям в журналах. Другими примерами являются семейство Magellan - пакетные коммутаторы серии DPN (протоколы Х.25, FR) и модельный ряд Passport - устройства доступа с компрессией речи по протоколу FR - Passport 4400, мультипротокольные маршрутизаторы серии Passport 7000/6000, пограничные устройства Passport Voice Gateway, сопрягающие телефонные сети и сети ATM, а также высокоскоростные АТМ-коммутаторы Passport 15000. Все это оборудование позволяет полностью интегрировать речь, факсимильные сообщения, видеоинформацию, данные по протоколам IP, FR, SNA, X.25, HDLC, и обеспечивать мультимедийные услуги, оптимизируя использование имеющихся ресурсов (например, при передаче речи применяется технология передачи пакетов с переменной скоростью).

Еще одним примером оборудования IP-телефонии может служить универсальный маршрутизатор 1Р45/951 с функциями передачи речи и мультимедийной информации по IP-сетям, входящий в гамму продуктов корпорации NEC, Япония. Маршрутизатор 1Р45/951 реализует функции шлюза и привратника. Маршрутизатор поддерживает большое количество алгоритмов кодирования речи, в том числе, ITU-T G.729, G.729a, G.729b, G.729ab, G.723.1, G.729.1a, G.711, G.711VAD, G.728 и G.728VAD. Это позволяет маршрутизатору 1Р45/951 соединяться практически со всеми шлюзами, поддерживающими протокол Н.323, в то время как возможности многих шлюзов ограничены небольшим количеством поддерживаемых алгоритмов кодирования. Маршрутизатор 1Р45/951 обеспечивает хорошее качество передачи речи благодаря следующим особенностям: применение современных алгоритмов кодирования; подавление эха (64 мс); сглаживание джиттера; подавление пауз в разговоре; генерация комфортного шума; поддержка протокола RSVP; сжатие заголовков IP/UDP/RTP; поддержка приоритетов для различных видов трафика.

За последнее время появились следующие виды оборудования IP-телефонии для всех этих сценариев.

1. Автономные шлюзы IP-телефонии, подключаемые к АТС через цифровые и аналоговые интерфейсы и осуществляющие предварительную обработку речевых сигналов, компрессию, упаковку в IP-пакеты и передачу их по сети.

2. Магистральные речевые платы с интерфейсом 10/100BaseT (ЛВС Ethernet) для подключения учрежденческих АТС существующих моделей к корпоративной IP-сети. После установки в АТС такой платы речевой трафик в виде IP-пакетов может быть направлен по локальной или глобальной пакетной сети подобно тому, как он сейчас передается от АТС по телефонной сети.

3. Телефонные аппараты, упаковывающие речевую информацию в IP-пакеты (IP-телефоны) и подключаемые не к телефонной сети, а непосредственно к ЛВС Ethernet. Как правило, такие аппараты требуют от сетевого администратора минимальных настроек, используя протокол динамической конфигурации -Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP).

4. Специализированные коммутаторы речевых пакетов, предназначенные для выполнения функций традиционной АТС на базе протокола IP. В литературе такие устройства часто называют IP-АТС, но это название не совсем корректно, поскольку в данном случае осуществляется не автоматическая коммутация каналов, а коммутация пакетов.

В ранних моделях цифровая обработка сигнала производилась программными средствами. Позднее программную обработку сменила аппаратная, основную роль стали выполнять платы DSP (Digital Signal Processing), что разгрузило основной процессор и оперативную память, увеличило число портов оборудования и уменьшило время задержки речевой информации. Наиболее известны платы DSP фирм Texas Instrument, Dialogic (DM3 IP Link) и Natural MicroSystems (Quad E1).

Другим, не менее важным аспектом внедрения IP-телефонии являются шлюзы, обеспечивающие взаимодействие сетей с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. кодирование цифровой телевизионный сигнал

В настоящее время несколько десятков компаний выпускают подобные изделия, среди них Cisco Systems, VocalTec, Lucent Technologies и др. Более того, на базе этих шлюзов почти каждая крупная телекоммуникационная компания имеет или заявленное, или уже поставляемое изделие IP-телефонии. Предлагаются АТС, реализованные на основе технологии маршрутизации IP-пакетов. Компания Cisco выпустила интегрированный сервер доступа AS5300 с коммутатором Catalyst 5500. Компания Ascend Communications Inc. объединила модем для коммутируемых каналов TNT с гигабитным маршрутизатором GRF. Компания 3Com добавила передачу речи по IP и факса в свой концентратор Total Control Hub.

При внедрении технологии передачи речевой информации по сетям с маршрутизацией IP-пакетов в единой телефонной сети помимо рассмотренных выше, возникают следующие специфические трудности:

- при подключении оборудования IP-телефонии к АТС телефонной сети общего пользования по двухпроводным аналоговым абонентским линиям препятствием часто становится большое затухание сигналов в этих линиях;

- при подключении оборудования IP-телефонии к коммутационному оборудованию СТОП по межстанционным соединительным линиям затруднения связаны с тем, что декадно-шаговые и координатные АТС имеют специфические системы сигнализации, основная из которых определяется неформальным, но весьма точным термином «R полтора»; присутствующие в СТОП декадно-шаговые АТС создают большие помехи и поддерживают только импульсный набор номера.

Рассмотрим на примере оборудования Протей-ITG построение IP-сети для казахстанских условий. Шлюз IP-телефонии Протей-ITG реализует передачу речевого трафика и факсимильной информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP по протоколу Н.323, версия 2. Основным функциональным назначением шлюза является преобразование речевой информации, поступающей от СТОП с постоянной скоростью передачи, в вид, пригодный для передачи по сетям с маршрутизацией пакетов IP: кодирование и упаковка речевой информации в пакеты RTP/U DP/IP, а также обратное преобразование. Кроме того, шлюз конвертирует сигнальные сообщения систем сигнализации E-DSS1 и ОКС7 (ISUP-R, российская версия) в сигнальные сообщения Н.323 и производит обратное преобразование по рекомендации ITU H.246.

Шлюз Протей-ITG подключается к СТОП по цифровым линиям со скоростью передачи 2048 Кбит/с (Е1) с использованием сигнализации ISUP-R системы общеканальной сигнализации ОКС7, абонентской сигнализации E-DSS1, а также сигнализации по двум выделенным сигнальным каналам «R1.5», а к сетям с маршрутизацией пакетов IP - при помощи интерфейса 10/100Вазе-Т.

На рисунке 18 изображена обобщенная структура шлюза IP-телефонии Протей-ITG. Следует отметить, что кодирование и пакетирование речевых сигналов, поступающих из СТОП для последующей их передачи по IP-сети, реализованы в Протей-ITG на базе специализированных процессоров обработки цифровых сигналов - Digital Signal Processors (DSP). Остальные функции выполняются программным обеспечением, использующим универсальный процессор.

Рисунок 18 - Структурная схема шлюза Протей-ITC

Модуль обработки телефонной сигнализации взаимодействует с телефонным оборудованием, преобразуя сигналы систем DSS1 и ОКС7 во внутрисистемные примитивы, которые отражают состояния процесса обслуживания вызова (соединения, отбой и т.п.) и используются модулем логики услуг шлюза для установления соединений между СТОП и IP-сетью.

Модуль сигнализации Н.323 обрабатывает сигнальную информацию протоколов RAS, Н.225.0 (Q.931) и Н.245. Информация о состояниях процесса обслуживания вызова в IP-сети передается в модуль логики услуг шлюза.

Модуль логики услуг шлюза IP-телефонии отвечает за маршрутизацию вызова, поступившего из СТОП в IP-сеть. Производятся такие операции, как контроль доступа и анализ телефонного номера вызываемого абонента с последующим определением и предоставлением требуемой услуги. При наличии в сети IP-телефонии привратника многие функции могут быть возложены на него.

Модуль пакетирования речи выполняет функции подготовки речевого сигнала, поступающего из СТОП с постоянной скоростью, для дальнейшей его передачи по сети с маршрутизацией пакетов IP. Основными функциями модуля являются: преобразование речевого сигнала методом импульсно-кодовой модуляции, эхокомпенсация, кодирование речевого сигнала, обнаружение активных периодов и пауз в речи и адаптация воспроизведения. Кроме того, модуль отвечает за детектирование и генерацию сигналов DTMF и за обработку факсимильных и модемных сигналов. Структура модуля пакетирования речи представлена на рисунке 19.

Механизм обнаружения активных периодов речи проверяет получаемый из СТОП сигнал на наличие в нем речевой информации. Если в течение определенного времени речевая информация не обнаружена, передача речевых пакетов в IP-сеть прекращается.

Рисунок 19 - Модуль пакетирования речи

В привратнике сосредоточен весь интеллект сети IP-телефонии. Он выполняет функции управления зоной сети IP-телефонии, в которую входят терминалы, шлюзы и устройства управления конференциями, зарегистрированные в этом привратнике.

В число наиболее важных функций, выполняемых привратником с целью обеспечения нормального функционирования управляемой зоны сети, входят:

- регистрация оконечного оборудования;

- контроль доступа пользователей системы к услугам IP-телефонии при помощи сигнализации RAS (Рекомендация ITU Н.225.0);

- преобразование a/yas-адреса (имени абонента, телефонного номера, адреса электронной почты и др.) в транспортный адрес сети с маршрутизацией пакетов IP (IP адрес номер порта TCP/UDP);

- контроль, управление и резервирование пропускной способности сети;

- ретрансляция сигнальных сообщений Н.225.0 и Н.245 между терминалами.

В последнем случае привратник в любое время знает состояние конечных пользователей и может предоставлять дополнительные услуги, такие как переключение связи, переадресация, постановка на ожидание, перехват вызова и т.д.

Возможны два варианта организации связи с использованием оборудования IP-телефонии платформы Протей. В первом варианте шлюз IP-телефонии Протей-ITG и привратник Протей-GK подключаются к существующей сети IP-телефонии.

Если сеть построена на базе оборудования VocalTec или, по крайней мере, с наличием привратника, произведенного фирмой VocalTec, который, как правило, занимается начислением платы за разговоры абонентов, то шлюз Протей-ITG общается с привратником по протоколу RAS, входящему в семейство протоколов Н.323.



Лекция 9. Адресация в IP-сетях

Цель лекции: ознакомить студентов с принципами адресации в IP-сетях.

Принятый в IP-сетях способ адресации узлов в немалой степени способствует масштабируемости данной технологии, которая позволяет однозначно идентифицировать миллионы сетевых интерфейсов (вспомним хотя бы Интернет с его многомиллионной армией пользователей). Однако чтобы обеспечить такую возможность в технологию TCP/IP, пришлось включить целый ряд специальных механизмов и протоколов.

9.1 Типы адресов стека TCP/IP

В стеке TCP/IP используются три типа адресов:

-локальные, или аппаратные, адреса, используемые для адресации узлов в пределах подсети;

-сетевые, или IP-адреса, используемые для однозначной идентификации узлов в пределах всей составной сети:

-доменные имена - символьные идентификаторы узлов, к которым часто обращаются пользователи.

В общем случае сетевой интерфейс может иметь одновременно один или несколько локальных адресов и один или несколько сетевых адресов, а также одно или несколько доменных имен.

Итак, аппаратный (локальный) адрес идентифицирует узел в пределах подсети. Если подсеть использует одну из базовых технологий LAN - Ethernet, FDDI, Token Ring, - то для доставки данных любому узлу такой подсети достаточно указать MAC-адрес. Таким образом, в этом случае аппаратным адресом является MAC-адрес.

В составную сеть TCP/IP могут входить подсети, построенные на основе более сложных технологий, к примеру, технологии IPX/SPX. Эта сеть сама может быть разделена на подсети, и, так же как IP-сеть, она идентифицирует свои узлы аппаратными и сетевыми IPX-адресами. Но поскольку для составной сети TCP/IP составная сеть IPX/SPX является обычной подсетью, в качестве аппаратных адресов узлов этой подсети выступают те адреса, которые однозначно определяют узлы в данной подсети, а такими адресами являются IPX-адреса. Аналогично, если в составную сеть включена сеть Х.25, то локальными адресами для протокола IP соответственно будут адреса Х.25.

IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает пакеты между сетями. Эти адреса состоят из 4 байт, например 109.26.17.100. IP-адрес назначается администратором при конфигурировании компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно либо назначен по рекомендации специального подразделения Интернета (Internet Network Information Center, InterNIС), если сеть должна работать как составная часть Интернета. Обычно поставщики услуг Интернета получают диапазоны адресов у подразделений InterNIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей, поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес.

Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Символьные имена в IP-сетях называются доменными и строятся по иерархическому признаку. Составляющие полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя хоста, затем имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более крупной группы (поддомена) и так до имени домена самого высокого уровня (например, домена, объединяющего организации по географическому принципу: RU -- Россия, UK - Великобритания, SU - США). Поэтому доменные имена называют также DNS-именами.

9.2 Формы записи IP-адреса

IP-адрес имеет длину 4 байта (32 бита) и состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети.

Наиболее употребляемой формой представления IP-адреса является запись в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме и разделенных точками, например:

126.10.2.30.

Этот же адрес может быть представлен в двоичном формате:

10000000 00001010 00000010 00011110.

А также в шестнадцатеричном формате:

80.0A.02.1D.

Заметим, что запись адреса не предусматривает специального разграничительного знака между номером сети и номером узла. Каким образом маршрутизаторы, на которые поступают пакеты, выделяют из адреса назначения номер сети, чтобы по нему определить дальнейший маршрут? Какая часть из 32 бит, отведенных под IP-адрес, относится к номеру сети, а какая -- к номеру узла? Можно предложить несколько вариантов решений этой проблемы.

Простейший вариант состоит в том, что все 32-битовое поле адреса заранее делится на две части не обязательно равной, но фиксированной длины, в одной из которых всегда будет размещаться номер сети, а в другой - номер узла. Решение очень простое, но хорошее ли? Поскольку поле, которое отводится для хранения номера узла, имеет фиксированную длину, все сети будут иметь одинаковое максимальное число узлов.

Если, например, под номер сети отвести один первый байт, то всё адресное пространство распадется на сравнительно небольшое (28) число сетей огромного размера (224 узлов). Если границу передвинуть дальше вправо, то сетей станет больше, но все равно все они будут одинакового размера. Очевидно, что такой жесткий подход не позволяет дифференцированно подходить к потребностям отдельных предприятий и организаций. Именно поэтому такой способ структуризации адреса и не нашел применения.

Второй подход основан на использовании маски, которая позволяет максимально гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла. В данном случае маска - это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит последовательность единиц в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность. Граница между последовательностью единиц и последовательностью нулей в маске соответствует границе между номером сети и номером узла в IP-адресе. При таком подходе адресное пространство можно представить как совокупность множества сетей разного размера.

Вводится несколько классов сетей, и для каждого класса определены свои размеры. Классы IP-адресов

Традиционная схема деления IP-адреса на номер сети и номер узла основана на понятии класса, который определяется значениями нескольких первых битов адреса. Именно потому, что первый байт адреса 185.23.44.206 попадает в диапазон 128-191, мы можем сказать, что этот адрес относится к классу B, а значит, номером сети являются первые два байта IP-адреса, дополненные двумя нулевыми байтами - 185.23,0.0, а номером узла - два младшие байта, дополненные с начала двумя нулевыми байтами - 0.0.44.206.

Принадлежность IP-адреса к классу определяется значениями первых битов адреса. На рисунке. 20 показана структура IP-адресов разных классов.



Рисунок 20-. Структура IP-адресов

Если адрес начинается с 0, то этот адрес относится к классу A, в котором под номер сети отводится один байт, а остальные три байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети, имеющие номера в диапазоне от 1 (00000001) до 126 (01111110), называются сетями класса А. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) Сетей класса А немного, зато количество узлов в них может достигать 224, то есть 16777216 узлов.

Если первые два бита адреса равны 10, то адрес относится к классу В. В адресах: класса В под номер сети и под номер узла отводится по два байта. Сети, имеющие номера в диапазоне от 128.0 (1000000000000000) до 191.255 (1011111111111111), называются сетями класса В. Таким образом, сетей класса В больше, чем сетей класса А, но размеры их меньше, максимальное количество узлов в них составляет 216 (65536).

Если адрес начинается с последовательности битов 110, то это адрес класса С. В этом случае под номер сети отводился 24 бита, а под номер узла - 8 бит. Сети класса C наиболее распространены, но число узлов в них ограничено значением 28 (256) узлов.

Еще два класса адресов D и Е не связаны непосредственно с сетями.

Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес (multicast). Групповой адрес идентифицирует группу узлов (сетевых интерфейсов), которые в общем случае могут принадлежать разным сетям. Интерфейс, входящий в группу, получает наряду с обычным индивидуальным IP-адресом еще один групповой адрес. Если при отправке пакета в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должен быть доставлен всем узлам, которые входят в группу.

Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу E. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.

В табл. 1. приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей.

Таблица 1-. Характеристики адресов разного класса

Класс	Первые биты	Наименьший номер сети	Наибольший номер сети	Максимальное число узлов в сети
А	0	1.0.0.0	126.0.0.0	224
В	10	128.0.0.0	191.255.0.0	216
С	110	192.0.1.0	223.255.255.0	28
D	1110	224.0.0.0	239.255.255.255	Multicast
Е	11110	240.0.0.0	247.255.255.255	Зарезервирован

Большие сети получают адреса класса A, средние - класса B, а небольшие - класса С:

-если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast). Ограниченность в данном случае означает, что пакет не выйдет за границы маршрутизатора ни при каких условиях;.

-если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

Специальные адреса, состоящие из последовательностей нулей, могут быть использованы только в качестве адреса отправителя, а адреса, состоящие из последовательностей единиц, -- только в качестве адреса получателя.



Лекция 10. Таблицы маршрутизации в IP-сетях

Цель лекции: ознакомить студентов с маршрутизацией в IP-сетях.

Программные модули протокола IP устанавливаются на всех конечных станциях и маршрутизаторах сети. Для продвижения пакетов они используют таблицы маршрутизации.

10.1 Примеры таблиц для маршрутизаторов различных типов

Структура таблицы маршрутизации стека TCP/IP соответствует общим принципам построения таблиц маршрутизации, рассмотренным выше. Однако важно отметить, что вид таблицы IP-маршрутизации зависит от конкретной реализации стека TCP/IP. Приведем пример трех вариантов таблицы маршрутизации, с которыми мог бы работать маршрутизатор M1 в сети, представленной на рисунке 21.

Рисунок 21 - Пример маршрутизируемой сети

Назначение полей таблицы маршрутизации

Несмотря на достаточно заметные внешние различия, во всех трех таблицах есть все ключевые параметры, необходимые для работы маршрутизатора и рассмотренные ранее при обсуждении концепции маршрутизации.

К таким параметрам, во-первых, относится адрес сети назначения (столбцы «Destination» в маршрутизаторах NetBuilder и UNIX или «Network Address» в маршрутизаторе MPR). Заметим, что в некоторых случаях, когда маршрут к одному из узлов сети отличается от маршрута ко всем остальным узлам данной сети, в этом столбце указывается адрес данного конкретного узла назначения.

Вторым обязательным полем таблицы маршрутизации является адрес следующего маршрутизатора (столбцы «Gateway» в маршрутизаторах NetBuilder и UNIX или «Gateway Address» в маршрутизаторе MPR).

Третий ключевой параметр - адрес порта, на который нужно направить пакет, в некоторых таблицах указывается прямо (поле «Interface» в таблице Windows NT), а в некоторых -- косвенно. Так, в таблице UNIX-маршрутизатора вместо адреса порта задается его условное наименование - lе0 для порта с адресом 198.21.17.5, le1 для порта с адресом 213.34.12.3 и lo0 для внутреннего порта с адресом 127.0.0.1.

В маршрутизаторе NetBuilder II поле, обозначающее выходной порт в какой-либо форме, вообще отсутствует. Это объясняется тем, что адрес выходного порта всегда можно косвенно определить по адресу следующего маршрутизатора. Наличие или отсутствие поля маски в таблице говорит о том, насколько современен данный маршрутизатор. Стандартным решением сегодня является использование поля маски в каждой записи таблицы, как это сделано в таблицах маршрутизаторов MPR Windows NT (поле «Netmask») и NetBuilder (поле «Mask»). Обработка масок при принятии решения маршрутизаторами будет рассмотрена ниже. Отсутствие поля маски говорит о том, что либо маршрутизатор рассчитан на работу только с тремя стандартными классами адресов, либо он использует для всех записей одну и ту же маску, что снижает гибкость маршрутизации.

Маршрутизация без использования масок

Рассмотрим на примере IP-сети алгоритм работы средств сетевого уровня по продвижению пакета в составной сети (рисунок 22). При этом будем считать, что все узлы сети, рассматриваемой в примере, имеют адреса, основанные на классах, а маски не используются. Особое внимание будет уделено взаимодействию протокола IP с протоколами разрешения адресов ARP и DNS.

Рисунок 22 - Пример взаимодействия компьютеров через сеть

1. Итак, пусть пользователь компьютера cit.dol.ru, находящегося в сети Ethernet и имеющего IP-адрес 194.87.23.17 (адрес класса С), обращается по протоколу FTP к компьютеру s1.msk.su, принадлежащему другой сети Ethernet и имеющему IP-адрес 142.06.13.14 (адрес класса В):

> ftp s1.msk.su.

2. Модуль FTP упаковывает свое сообщение в сегмент транспортного протокола TCP который, в cвою очередь, помещает свой сегмент в пакет протокола IP. В заголовке IP-пакета должен быть указан IP-адрес узла назначения. Так как пользователь компьютера cit.dol.ru указывает символьное имя компьютера s1.msk.su, то стек TCP/IP должен определить IP-адрес узла назначения самостоятельно.

3. При конфигурировании стека TCP/IP в компьютере cit.dol.fu был задан его собственный IP-адрес, IP-адрес маршрутизатора по умолчанию и IP-адрес DNS-сервера. Модуль IP может сделать запрос к серверу DNS, но обычно сначала просматривается локальная таблица соответствия символьных имен и IP-адресов. Такая таблица хранится чаще всего в виде, текстового файла простой структуры - каждая его строка содержит запись об одном символьном имени и его IP-адресе. В ОС UNIX такой файл традиционно носит имя hosts и находится в каталоге /etc.

4. Будем считать, что компьютер cit.dol.ru имеет файл hosts, а в нем есть строка:

142.06.13.14 s1.msk.su.

5. Таким образом, разрешение имени выполняется локально, и протокол IP может теперь формировать IP-пакеты с адресом назначения 142,06,13.14 для взаимодействия с компьютеров s1.msk.su.

6. Модуль IP компьютера cit.dol.ru проверяет, нужно ли маршрутизировать пакеты с адресом 142.06.13.14. Так как адрес сети назначения (142.06.0.0) не совпадает с адресом (194.87.23.0) сети, которой принадлежит компьютер-отправитель, то маршрутизация необходима.

7. Компьютер cit.dol.ru начинает формировать кадр Ethernet для отправки IP-пакета маршрутизатору по умолчанию, IP-адрес которого известен - 194.87.23.1, но неизвестен MAC-адрес, необходимый для перемещения кадра в локальной сети. Для определения MAC-адреса маршрутизатора протокол IP обращается к протоколу ARP, который просматривает ARP-таблицу. Если в последнее время компьютер cit.dol.ru выполнял какие-либо межсетевые обмены, то скорее всего искомая запись, содержащая соответствие между IP- и MAC-адресами маршрутизатора по умолчанию, уже находится в кэш-таблице протокола ARP. Пусть в данном случае нужная запись была найдена именно в кэш-таблице:

194.87.23.1 008048ЕВ7Е60.

8. Обозначим найденный MAC-адрес 008048ЕВ7Е60 в соответствии с номером маршрутизатора и его порты через MAC11.

9. В результате компьютер cit.dol.ru отправляет по локальной сети пакет, упакованный в кадр Ethernet.

10. Кадр принимается портом 1 маршрутизатора 1 в соответствии с протоколом Ethernet, так как MAC-узел этого порта распознает свой адрес МАС11. Протокол Ethernet извлекает из этого кадра IP-пакет и передает его программному обеспечению маршрутизатора, реализующему протокол IP. Протокол IP извлекает из пакета адрес назначения 142.06.13.14 и просматривает записи своей таблицы маршрутизации. Пусть маршрутизатор 1 имеет в своей таблице маршрутизации следующую запись:

142.06.0.0 135.12.0.11 2.

11. Эта запись говорит о том, что пакеты для сети 142.06.0.0 нужно передавать маршрутизатору 135.12.0.11, находящемуся в сети, подключенной к порту 2 маршрутизатора 1.

12. Маршрутизатор 1 просматривает параметры порта 2 и находит, что к нему подключена сеть FDDI. Так как сеть FDDI имеет значение MTU большее, чем сеть Ethernet, то фрагментация IP-пакета не требуется.

Поэтому маршрутизатор 1 формирует кадр формата FDDI. На этом этапе модуль IP должен определить MAC-адрес следующего маршрутизатора по известному IP-адресу 135.12.0.11. Для этого он обращается к протоколу ARP. Допустим, что нужной записи в кэш-таблице не оказалось, тогда в сеть FDDI отправляется широковещательный ARP-запрос, содержащий наряду с прочей следующую информацию:

-порт 1 маршрутизатора 2 распознает свой IP-адрес и посылает ARP-ответ по адресу запросившего узла;

-теперь, зная MAC-адрес следующего маршрутизатора 00E0F77F51A0, маршрутизатор 1, отсылает кадр FDDI по направлению к маршрутизатору 2.

13. Аналогично действует модуль IP на маршрутизаторе 2. Получив кадр FDDI, он отбрасывает его заголовок, а из заголовка IP извлекает IP-адрес сети назначения и просматривает свою таблицу маршрутизации. Там он может найти запись о конкретной сети назначения:

142.06.0.0 203.21.4.12 216.

14. При отсутствии такой записи будет использована запись о маршрутизаторе по умолчанию:

default 203.21.4.12 2.

15. Определив IP-адрес следующего маршрутизатора 203.21.4.12, модуль IP формирует кадр Ethernet для передачи пакета маршрутизатору 3 по сети Ethernet. С помощью протокола АКР он находит МАС-адрес этого маршрутизатора и помещает его в заголовок кадра. IP-адрес узла назначения, естественно, остается неизменным.:

16. Наконец, после того, как пакет поступит в маршрутизатор сети назначения (маршрутизатор 3), появляется возможность передачи этого пакета компьютеру назначения. Маршрутизатор 3 определяет, что пакет нужно передать в сеть 142.06.0.0, которая непосредственно подключена к его первому порту. Поэтому он посылает ARP-запрос по сети Ethernet с IP-адресом компьютера s1.msk.su. ARP-ответ содержит MAC-адрес конечного узла, который модуль IP передает канальному протоколу для формирования кадра Ethernet.

17. Сетевой адаптер компьютера s1.msk.su захватывает кадр Ethernet, обнаруживает совпадение MAC-адреса, содержащегося в заголовке, со своим собственным адресом и направляет его модулю IP. После анализа полей IP-заголовка из пакета извлекаются данные, которые в свою очередь, содержат сообщение вышележащего протокола. Поскольку в данном примере рассматривается обмен данными по протоколу FTP, который использует в качестве транспортного протокола TCP, то в поле данных IP-пакета находится TCP-сегмент, определив из TCP-заголовка номер порта, модуль IP переправляет сегмент в соответствующую очередь, из которой данный сегмент попадет программному модулю FTP-сервера.



Лекция 11. Протоколы маршрутизации и маршрутизаторы

Цель лекции: рассмотреть протоколы маршрутизации.

Протоколы маршрутизации предназначены для автоматического построения таблиц маршрутизации, на основе которых происходит продвижение пакетов сетевого уровня. Протоколы маршрутизации, в отличие от сетевых протоколов, таких как IP и IPX, не являются обязательными, так как таблица маршрутизации может быть построена администратором сети вручную. Однако в крупных сетях со сложной топологией и большим количеством альтернативных маршрутов протоколы маршрутизации выполняют очень важную и полезную работу, автоматизируя построение таблиц маршрутизации, динамически адаптируя текущий набор рабочих маршрутов к состоянию сети и повышая тем самым ее производительность и надежность.

11.1 Классификация протоколов маршрутизации

Назначение протоколов маршрутизации

Продвижение пакетов в составных сетях осуществляется на основе таблиц маршрутизации. Общим в таблицах маршрутизации является то, что в них содержится информация, достаточная для принятия решения о продвижении любого поступающего в маршрутизатор пакета. Как правило, каждая запись такой таблицы связывает адрес сети назначения с адресом или номером выходного интерфейса, на который нужно передать пакет с этим адресом. Каждый маршрутизатор сети имеет собственную таблицу маршрутизации, определяющую один шаг многошагового процесса перемещения пакета по сети.

Нетрудно заметить, что задача продвижения пакета от сети источника до сети назначения в каждом маршрутизаторе естественно распадается на две задачи:

-обработка пакета с помощью имеющейся таблицы маршрутизации;

-построение таблицы маршрутизации.

Назначение протоколов маршрутизации состоит в автоматическом решении второй задачи. Для этого маршрутизаторы сети обмениваются специальной служебной информацией о топологии составной сети, на основе которой каждый маршрутизатор выбирает маршруты к узлам назначения. Создаваемые таблицы маршрутизации обеспечивают рациональность маршрутов следования пакетов через сеть, при этом критерии выбора маршрутов могут быть различными. Напомним, что обычно выбирается «кратчайший» маршрут, где под расстоянием, проходимым пакетом, понимается либо количество промежуточных маршрутизаторов (хопов), либо комплексный показатель, учитывающий также номинальную пропускную способность каналов между маршрутизаторами, надежность каналов или вносимые ими задержки. Протокол маршрутизации должен создавать в маршрутизаторах согласованные друг с другом таблицы маршрутизации, то есть такие, которые обеспечат доставку пакета от исходной сети в сеть назначения за конечное число шагов. Современные протоколы маршрутизации обеспечивают согласованность таблиц, однако это их свойство не абсолютно - при изменениях в сети, например при отказе каналов связи или самих маршрутизаторов, существуют периоды нестабильной работы сети, вызванной временной несогласованностью таблиц разных маршрутизаторов. Протоколу маршрутизации обычно нужно некоторое время, чтобы после нескольких итераций обмена служебной информацией все маршрутизаторы сети внесли измерения в свои таблицы и в результате таблицы снова стали согласованными.

Маршрутизация без таблиц

Прежде чем перейти к классификации протоколов маршрутизации, необходимо отметить, что существуют такие способы продвижения пакетов в составных сетях, которые вообще не требуют наличия таблиц маршрутизации в маршрутизаторах, а значит, и протоколов маршрутизации.

Наиболее простым способом передачи пакетов по сети является так называемая лавинная маршрутизация, когда каждый маршрутизатор передает пакет всем своим непосредственным соседям, кроме того, от которого его получил. Понятно, что это не самый рациональный способ, так как пропускная способность сети используется крайне расточительно, но он работоспособен (именно так мосты и коммутаторы локальных сетей поступают с кадрами, имеющими неизвестные адреса).

Другой вариант маршрутизации без таблицы -- это маршрутизация, управляемая событиями (Event Dependent Routing), когда пакет к определенной сети назначения посылается по маршруту, который уже приводил ранее к успеху (для данного адреса назначения). Это достаточно эффективный метод маршрутизации, но он требует наличия обратной связи, чтобы маршрутизатор-отправитель мог фиксировать факт успеха доставки пакета.

Маршрутизация, управляемая событиями, может сочетаться с таблицей маршрутизации. В такой таблице для каждой сети назначения указывается несколько возможных соседей, которым целесообразно направлять запрос на установление соединения (или тестирующий эхо-запрос). Подобный подход применяется в телефонных сетях, в которых указывается несколько возможных «направлений» передачи запроса на установление соединения, и эти запросы передаются сначала по первому из указанных направлений, пока не будет исчерпана его коммутационная емкость, затем по следующему и т. д.

Еще одним видом маршрутизации; не требующим наличия таблиц маршрутизации, является маршрутизация от источника (Source Routing). В этом случае отправитель помещает в пакет информацию о том, какие промежуточные маршрутизаторы должны участвовать в передаче пакета к сети назначения. На основе этой информации каждый маршрутизатор считывает адрес следующего маршрутизатора и, если он действительно является адресом его непосредственного соседа, передает ему пакет для дальнейшей обработки. Вопрос о том, как отправитель узнает точный маршрут следования пакета через сеть, остается открытым. Маршрут может прокладывать либо администратор вручную, либо узел-отправитель автоматически, но в этом случае ему нужно поддерживать тот или иной протокол маршрутизации, который сообщит узлу о топологии и состоянии сети.

Адаптивная маршрутизация

В тех случаях, когда маршрутизация осуществляется на основании таблиц, различают статическую и адаптивную (динамическую) маршрутизацию. В первом случае таблицы составляются и вводятся в память каждого маршрутизатора вручную администратором сети, все записи в таблице имеют статус «статических» (static), что подразумевает бесконечный срок их жизни. При изменении состояния какого-нибудь элемента сети администратору необходимо срочно внести изменения в таблицы маршрутизации тех маршрутизаторов, для которых такое изменение требует смены маршрута (или маршрутов) следования пакетов - иначе сеть будет работать некорректно, и пакеты либо вообще перестанут доходить до сети назначения, либо их маршрут окажется не рациональным. Таким образом, при статической маршрутизации протоколы маршрутизации оказываются невостребованными, так как всю их работу выполняет один или несколько администраторов. Адаптивная маршрутизация обеспечивает автоматическое обновление таблиц маршрутизации после изменения конфигурации сети. Для адаптации таблиц как раз и нужны протоколы маршрутизации. Эти протоколы работают на основе алгоритмов, позволяющих всем маршрутизаторам собирать информацию о топологии связей в сети, оперативно отрабатывая все изменения конфигурации связей. В таблицах маршрутизации при адаптивной маршрутизации обычно имеется информация об интервале времени, в течение которого данный маршрут будет оставаться действительным. Это время называют временем жизни маршрута (Time То Live, TTL). Если истечении времени жизни существование маршрута не подтверждается протоколом маршрутизации, то он считается нерабочим, пакеты по нему больше не посылаются.

Протоколы маршрутизации могут быть распределенными и централизованными. При распределенном подходе в сети отсутствуют какие-либо выделенные маршрутизаторы, которые собирали бы и обобщали топологическую информацию: эта работа распределяется между всеми маршрутизаторами сети. Каждый маршрутизатор строит свою собственную таблицу маршрутизации, основываясь на данных, получаемых по протоколу маршрутизации от остальных маршрутизаторов сети.

При централизованном подходе в сети существует один маршрутизатор, который собирает всю информацию о топологии и состоянии сети от других маршрутизаторов. Затем этот выделенный маршрутизатор (который иногда называют сервером маршрутов) может выбрать несколько вариантов поведения. Он может построить таблицы маршрутизации для всех остальных маршрутизаторов сети, а затем распространить их по сети, чтобы каждый маршрутизатор получил собственную таблицу и в дальнейшем самостоятельно принимал решение о продвижении каждого пакета. Центральный маршрутизатор может также сообщить о выбранных маршрутах только конечным узлам (или пограничным маршрутизаторам), чтобы они направляли пакеты в сеть в соответствии с техникой маршрутизации от источника. В сети может быть не один, а несколько выделенных маршрутизаторов, каждый из которых обслуживает определенную группу подчиненных ему маршрутизаторов.

Адаптивные протоколы обмена маршрутной информацией, применяемые в настоящее время в вычислительных сетях, в свою очередь, делятся на две группы, каждая из которых связана с одним из следующих типов алгоритмов:

-дистанционно-векторные алгоритмы (Distance Vector Algorithms, DVA);

-алгоритмы состояния связей (Link State Algorithms, LSA).

Лекция 12. Видеосвязь

Цель лекции: рассмотреть вопросы развития видеосвязи

Видеоконференции по каналам Интернет и ISDN

Расширение международных контактов и реализация проектов с "удаленными" отечественными партнерами делает актуальной проблему экономии командировочных расходов особенно в случае коротких поездок (1-7 дней). Одним из средств решения проблемы является использование видеоконференций. Видеоконференции по каналам Интернет могут быть привлекательны для дистанционного обучения и медицинской диагностики. В отличие от телевизионных программ обучение с использованием Интернет предполагает диалог между преподавателем и обучаемым, что делает процесс более эффективным (эта техника может успешно дополнить WWW-методику, широко используемую в университетах США и Европы). Медицинские приложения еще более многообещающи. Видеоконференции позволят проконсультироваться в клинике, отстоящей на тысячи километров, устроить консилиум с участием врачей из разных городов, оперативно передать томограмму или многоканальную кардиограмму пациента с целью ее интерпретации и т.д. В более отдаленной перспективе технология видеоконференций может быть применена для целей телевидения.

Для проведения видеоконференции необходимо иметь цифровой канал с пропускной способностью не менее 56-128 кбит/с. Если канал не позволяет, можно ограничиться аудиоконференцией. Помимо стандартного оборудования рабочей станции требуется интерфейс для подключения видеокамеры и микрофонов. Этот интерфейс обычно снабжается аппаратной схемой сжатия видео и аудио данных. Многие современные мультимедиа интерфейсы снабжены входами для видеокамеры. Полезным дополнением может служить сканер, который позволит с высоким разрешением передать изображения документов или чертежей, видеомагнитофон, а также видеопроектор для отображений принятого изображения на экране или телевизор с большим экраном.

Видеоконференции обеспечивают не только "живое" общение партнеров, но также оперативное обсуждение и редактирование чертежей и документов. При этом разрешающая способность может превышать в 10-100 раз ту, которая доступна для факсов.

Реализовать видеоконференцию можно разными путями, из них два наиболее реальны:

а) использование оборудования, каналов и программного обеспечения ISDN; полоса и качество здесь гарантируются, но стоимость весьма высока;

б) применение каналов Интернет, соответствующего (обычно общедоступного) программного обеспечения и оборудования общего применения; вариант относительно дешев, но качество здесь пока не гарантируется, ведь информационный поток при проведении сеанса конкурирует с потоками от других процессов в Интернет.

При видеоконференциях используется технология codec (coder/decoder) для выделенных и телефонных коммутируемых линий (>56 Кбит/с, интерфейс V35), применим и режим коммутации пакетов (multicast backbone, >256 Кбит/с). Базовым протоколом для работы в локальных сетях является H.323. Этот стандарт обеспечивает видеоконференции для соединений точка-точка и для многоточечных топологий в рамках стека протоколов TCP/IP, он регламентирует также принципы сжатия видео и аудио информации. Привлекательность стандарта заключается в том, что он применим к уже существующей инфраструктуре телекоммуникаций с широкими вариациями задержек отклика. Способствует этому возрастающая пропускная способность локальных (fast ethernet и gigabit ethernet) и региональных сетей (SDH, ATM, FDDI, Fibre Channel и т.д.)

H.323 определяет четыре главных составляющих коммуникационной системы:

- терминалы;

- шлюзы;

- блоки многоточечного управления;

- системы управления доступом (gatekeepers).

Терминалы служат для предоставления пользователям определенных услуг и обеспечивают двухсторонний обмен данными в реальном масштабе времени. Все терминалы H.323 должны также поддерживать стандарт H.245, который служит для выбора параметров канала.

Интерфейс RAS (registration/admission/status) служит для взаимодействия с блоком доступа (gatekeeper) и поддерживает протоколы RTP/RTCP. Опционными частями H.323 являются видео кодеки, протоколы для проведения информационных конференций (T.120) и возможности поддержания многоточечной связи (mcu). Внешний шлюз также является опционным элементом конференций H.323. Шлюз может выполнять функции интерфейса для согласования с требованиями других форматов, например, H.225 - H.221 или других коммуникационных процедур, например, H.245 - H.242. Типичным шлюзом можно считать соединитель H.323 с коммутируемой телефонной сетью (GSTN). Данный шлюз устанавливает аналоговую связь с терминалами GSTN, с терминалами H.320 по каналам ISDN и с терминалами H.324 по сети GSTN. Терминалы взаимодействуют со шлюзом через протоколы H.245 и Q.931. Применяя соответствующую перекодировку, можно обеспечить работу шлюза H.323 с терминалами, поддерживающими протоколы V.70, H.322, H.310 и H.321. Многие функции шлюза не стандартизованы, к их числу, например, относится нумерация подключенных терминалов.