 |
Принципы установления соединения в сетях IP-телефонии
|
|
|
|
В традиционной телефонии вызывающий пользователь набирает номер нужного ему абонента, а телефонная сеть использует его для маршрутизации вызова. Процедура управления вызовами делится на три фазы: установления соединения, передача речи или данных и разъединение. Сообщения системы сигнализации инициируют и завершают эти фазы, а стандартные контрольные сигналы и записанные голосовые сообщения информируют абонента о характере прохождения его вызова.В системах IP-телефонии процедуры управления вызовами (см. рисунок 9) выполняются протоколами сигнализации.
Рисунок 9 – Управление вызовами в сети IP-телефонии
Ещё важный вопрос в IP-телефонии – это контроль за доступом к сети. В сети телекоммуникаций общего пользования (СТОП) абонент подключается к АТС через фиксированный местный шлейф, поэтому идентифицировать его телефонный аппарат очень просто. В сети IP-телефонии всё гораздо сложнее, поскольку существует множество разных способов доступа к ней:- с обычного телефона через СТОП;- по модемному соединению через сервер удалённого доступа;- через ЛВС и территориально распределённую сеть.В общем случае для установления соединения между вызываемым и вызывающим абонентом шлюзы IP-телефонии должны:- найти контроллер зоны, на котором возможна регистрация оконечного устройства;- зарегистрировать свой мнемонический адрес на контроллере зоны;- указать требуемую полосу пропускания;- передать запрос на установление соединения;- установить соединение;- в процессе вызова управлять параметрами соединения;- разъединить соединение. Алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединения В общем случае алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединений по Н.323 включают в себя следующие фазы: - фаза А. Установление соединения;- фаза В. Определение ведущего/ведомого оборудования и обмен данными о функциональных возможностях; - фаза С. Установление аудиовизуальной связи между вызывающим и вызываемым оборудованием;- фаза D. Изменение полосы пропускания, запрос текущего состояния оборудования, создание конференций и обращение к дополнительным услугам;- фаза Е. Завершение соединения.Базовое соединение с участием контроллера зоны осуществляется: вызывающее оборудование передаёт сообщение ARQ с alias адресом вызывающего абонента, в ответ на которое контроллер зоны передаёт сообщение ACF с уведомлением, что именно он будет маршрутизировать сигнальные сообщения, и с указанием транспортного адреса своего сигнального канала. Далее вызывающее оборудование передаёт на этот транспортный адрес запрос соединения Setup (установка). Контроллер зоны пересылает сообщение Setup вызываемому оборудованию и передаёт вызывающему оборудованию сообщение Call Proceeding (переход запроса), означающее, что полученной информации достаточно для обслуживания поступившего вызова. Вызываемое оборудование также отвечает на Setup сообщением Call Proceeding. Если оборудование имеет возможность принять вызов, то оно передаёт запрос допуска к ресурсам сети ARQ, на который контроллер зоны может ответить подтверждением ACF или отказом в допуске к ресурсам сети ARG. В первом случае вызываемое оборудование передаёт сообщение Alerting (приведение в готовность), и контроллер зоны маршрутизирует его к вызывающему оборудованию. Вызываемому пользователю подаётся визуальный или акустический сигнал о входящем вызове, а вызывающему подаётся индикация того, что вызываемый пользователь не занят и ему подаётся вызывной сигнал. При отказе в допуске к ресурсам сети вызываемое оборудование закрывает сигнальный канал путём передачи контроллеру зоны сообщения Release Complete (освобождение).После того, как вызываемый пользователь примет входящий вызов, контроллеру зоны передаётся сообщение Connect с транспортным адресом управляющего канала Н.245 вызываемого оборудования. Контроллер заменяет этот адрес транспортным адресом своего управляющего канала Н.245 и пересылает Connect вызывающему оборудованию, после чего открывается управляющий канал Н.245. Чтобы ускорить открытие разговорной сессии, управляющий канал может быть открыт вызываемым оборудованием после получения сообщения Setup c транспортным адресом управляющего канала Н.245 вызывающего оборудования или контроллера зоны, или вызывающим пользователем после получения сообщения Call Proceeding или Alerting, содержащего транспортный адрес управляющего канала Н.245 вызываемого пользователя или контроллера зоны.После открытия управляющего канала Н.245 начинается обмен данными о функциональных возможностях оборудования. В нашем случае все управляющие сообщения, передаваемые от одного оконечного оборудования к другому, маршрутизируются контроллером зоны. Терминалы обмениваются сообщениями TerminalCapabilitySet (терминальный набор способностей), в которых указываются возможные алгоритмы декодирования принимаемой информации. Следует отметить, что сообщение TerminalCapabilitySet должно быть первым сообщением, передаваемым по управляющему каналу. Оборудование, принявшее сообщение TerminalCapabilitySet от другого оборудования, подтверждает его получение передачей сообщения TerminalCapabilitySetAck. Затем инициируется процедура определения ведущего/ведомого оборудования, необходимая для разрешения конфликтов, возникающих между двумя устройствами при организации конференции, когда оба они могут быть активными контроллерами конференций, или между двумя устройствами, пытающимися одновременно открыть двунаправленные логические каналы. В ходе процедуры устройства обмениваются сообщениями masterSlaveDetermination (определение главного).В ответ на полученные сообщения (mSD) оба устройства передают сообщения mSDAck, в которых указывается, какое из этих устройств является для данного соединения ведущим, а какое ведомым. Оборудование, передавшее сообщение mSD и получившее в ответ сообщение mSDAck, передаёт сообщение mSDAck.После обмена данными о функциональных возможностях и определения ведущего и ведомого оборудования может выполняться процедура открытия однонаправленных логических каналов. В требовании открыть логический канал Open LogicalChannel (открыть логический канал) оборудование указывает вид информации, который будет передаваться по этому каналу, и алгоритм кодирования. Логический канал предназначается для переноса речи, поэтому в сообщении OpenLogicalChannel включается параметр media Control Channel с указанием транспортного адреса канала RTCP, при помощи которого производится контроль передачи RTP пакетов. В ответ на сообщение OpenLogicalChannel оборудование должно передать подтверждение OpenLogicalChannelAck, в котором указывается транспортный адрес, на который передающей стороне следует посылать RTP пакеты, а также транспортный адрес канала RTCP.Далее открывается разговорная сессия. Оборудование вызывающего пользователя передаёт речевую информацию, упакованную в пакеты RTP/UDP/IP, на транспортный адрес RTP канала оборудования вызванного пользователя, а вызванный пользователь передаёт пакетированную речевую информацию на транспортный адрес RTP канала оборудования вызывающего пользователя. При помощи канала RTCP ведётся контроль передачи информации по RTP каналам. После окончания разговорной фазы начинается фаза разрушения соединения. Оборудование пользователя, инициирующего разъединение, должно прекратить передачу речевой информации, закрыть логические каналы и передать по управляющему каналу Н.245 сообщение end Session Command (команда об окончании сессии), означающее, что пользователь хочет завершить соединение. Далее от встречного оборудования ожидается сообщение endSessionCommand, после приёма которого управляющий канал Н.245 закрывается. Далее, если сигнальный канал ещё открыт, передаётся сообщение Release Complete.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пользователь, получивший команду endSessionCommand от пользователя, инициировавшего разрушение соединения, должен прекратить передачу речевой информации, закрыть логические каналы и передать сообщение end Session Command. Далее, если сигнальный канал остался открытым, передаётся сообщение Release Complete, и сигнальный канал закрывается.После всех этих действий оконечное оборудование извещает контроллер зоны об освобождении зарезервированной полосы пропускания. С этой целью каждый из участников соединения передаёт по каналу RAS запрос выхода из соединения DRQ, на который контроллер зоны должен ответить подтверждением DCF, после чего обслуживание вызова считается завершённым.
|
|
|
Показатели качества IP-телефонии Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удалённости и расположения точек вызова и места ответа. Сети с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи. Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов (например, электронная почта) 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. Основными составляющими качества IP-телефонии являются качество речи и сигнализации (см. рисунок 14). Качество речи включает: - диалог или возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме; - разборчивость или чистота и тональность речи; - эхо слышимость собственной речи; - уровень или громкость речи. Качество сигнализации включает:- установление вызова или скорость успешного доступа и время установления соединения;- завершение вызова или время отбоя и скорость разъединения;- DTMF или определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.
Рисунок 14 – Факторы, влияющие на качество IP-телефонии
Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории: качества IP сети и шлюза.
Факторы качества IP сети:- максимальная пропускная способность или максимальное количество полезных и избыточных данных, которая она передаёт;- задержка или промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;- джиттер или задержка между двумя последовательными пакетами.- потеря пакета или пакеты, потерянные при передаче через сеть.Факторы качества шлюза:- требуемая полоса пропускания или различные вокодеры требуют различную полосу;- задержка или время, необходимое цифровому процессору или другим устройствам обработки для кодирования или декодирования речевого сигнала;- буфер джиттера или сохранение пакетов данных до тех пор, пока все пакеты не будут получены и можно будет передать в требуемой последовательности для минимизации джиттера;- потеря пакетов или потеря пакетов при сжатии или передаче в оборудовании IP-телефонии;- подавление эха или механизм для подавления эха, возникающего при передаче по сети;- управление уровнем или возможность регулировать громкость речи.
|
|
|
Процедуры обработки речи
Для обеспечения качественной передачи речевых сигналов в IP-телефонии необходима их следующая обработка: а) устранение всех нежелательных компонентов из входного аудиосигнала. После оцифровки речи надо удалить эхо из динамика в микрофон, комнатное эхо и непрерывный фоновой шум, а также отфильтровать шумы переменного тока на низких частотах звукового спектра. Эти функции реализуются аудиокомпонентами персонального компьютера, так что сама система IP-телефонии может их и не иметь; б) подавление пауз в речи; распознавание остаточного фонового шума (внешних шумов) и кодирование для восстановления на дальнем конце. Паузы лучше полностью подавлять на ближнем конце. Сигналы DTMF и другие сигналы можно заменить на короткие коды для восстановления на дальнем конце. Из-за того, что функция подавления пауз активизируется, когда громкость речи становится ниже определённого порога, некоторые системы обрезают начала и концы слов (в периоды нарастания и снижения энергии);в) сжатие голосовых данных. Сжать оцифрованный голос можно разными способами. В идеале решения, используемые в IP-телефонии, должны быть быстрыми, сохранять качество речи и давать на выходе небольшие массивы данных;г) нарезание сжатых голосовых данных на короткие сегменты равной длины, их нумерация по порядку, добавление заголовков пакетов и передача;д) приём и переупорядочивание пакетов в адаптивном буфере ресинхронизации для обеспечения интеллектуальной обработки потерь или задержек пакетов. Главной целью является преодоление влияния переменной задержки между пакетами. Решение этой проблемы состоит в буферизации достаточного числа поступающих пакетов с тем, чтобы воспроизведение было непрерывным, даже если время между поступлением пакетов разное. Одним из важных факторов эффективного использования пропускной способности IP канала, является выбор оптимального алгоритма кодирования/декодирования речевой информации кодека. Все типы речевых кодеков по принципу действия можно разделить на три группы:а) кодеки с ИКМ и адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ), появившиеся в 50х годах и использующиеся сегодня в системах традиционной телефонии. В большинстве случаев представляют собой сочетание АЦП/ЦАП;б) кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радиотракта. Эта группа кодеков использует гармонический синтез сигнала на основании информации о его вокальных составляющих фонемах. Обычно такие кодеки реализованы как аналоговые устройства;в) комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных процессоров. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер. 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.
Сеть Интернет и протокол IP Создатели технологии Интернет исходили из двух основополагающих соображений: невозможно создать единую физическую сеть, которая позволит удовлетворить потребности всех пользователей; пользователям нужен универсальный способ для установления соединений друг с другом. В пределах каждой физической сети подсоединённые компьютеры используют ту или иную технологию (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN, соединения типа точка-точка, а в последнее время к этому списку добавились сеть АТМ и даже беспроводные технологии). Между механизмами коммуникаций, зависящими от данных физических сетей, и прикладными системами встраивается новое программное обеспечение, которое обеспечивает соединение различных физических сетей друг с другом. При этом детали этого соединения скрыты от пользователей и им предоставляется возможность работать как бы в одной большой физической сети. Такой способ соединения в единое целое множества физических сетей и получил название технологии Интернет, на базе которой реализована одноимённая сеть Интернет. Основной протокол, на базе которого строится сеть Интернет, называется Интернет протоколом или протоколом IP. Для соединения двух и более сетей в сети Интернет используются маршрутизаторы - устройства, которые физически соединяют сети друг с другом и с помощью специального программного обеспечения передают пакеты из одной сети в другую. Технология Интернет не навязывает какой-то определённой топологии межсетевых соединений. Добавление новой сети к сети Интернет не влечёт за собой её подсоединения к некоторой центральной точке коммутации или установке непосредственных физических соединений со всеми уже входящими в сеть Интернет сетями. Маршрутизатор знает топологию сети Интернет за пределами тех физических сетей, которые он соединяет, и, основываясь на адресе сети назначения, передаёт пакет по тому или иному маршруту. В сети Интернет используются универсальные идентификаторы подсоединённых к ней компьютеров (адреса), поэтому любые две машины имеют возможность взаимодействовать друг с другом. В Интернет должен также быть реализован принцип независимости пользовательского интерфейса от физической сети, то есть должно существовать множество способов установления соединений и передачи данных (см. рисунок 1), одинаковых для всех физических сетевых технологий.
Рисунок 1 – Внутренняя структура сети Интернет
Фундаментальным принципом Интернет является равнозначность всех объединённых с её помощью физических сетей: любая система коммуникаций рассматривается как компонент Интернет, независимо от её физических параметров, размеров передаваемых пакетов данных и географического масштаба. На рисунке 1 использованы одинаковые обозначения для любых физических сетей, объединённых в сеть Интернет.Универсальная сеть Интернет строится на основе семейства протоколов TCP/IP и включает в себя протоколы четырех уровней коммуникаций (см. рисунок 2).
| Прикладной Telnet, FTP, E mail |
| Транспортный TCP, UDP |
| Сетевой IP, ICMP, IGMP |
| Сетевой интерфейс драйвер устройства и сетевая плата |
Рисунок 2 – Четыре уровня стека протоколов TCP/IP
Уровень сетевого интерфейса отвечает за установление сетевого соединения в конкретной физической сети компоненте сети Интернет, к которой подсоединён компьютер. На этом уровне работают драйвер устройства в операционной системе и соответствующая сетевая плата компьютера. Сетевой уровень основа стека протоколов TCP/IP. Именно на этом уровне реализуется принцип межсетевого соединения, в частности маршрутизация пакетов по сети Интернет. Протокол IP - основной протокол сетевого уровня, позволяющий реализовывать межсетевые соединения. Он используется обоими протоколами транспортного уровня TCP и UDP. Протокол IP определяет базовую единицу передачи данных в сети Интернет IP дейтаграмму, указывая точный формат всей информации, проходящей по сети TCP/IP. Программное обеспечение уровня IP выполняет функции маршрутизации, выбирая путь данных по соединениям физических сетей. Для определения маршрута поддерживаются специальные таблицы; выбор осуществляется на основе адреса сети, к которой подключён компьютер-адресат. Протокол IP определяет маршрут отдельно для каждого пакета данных, не гарантируя надёжной доставки в нужном порядке. Он задаёт непосредственное отображение данных на нижележащий физический уровень передачи и реализует тем самым высокоэффективную доставку пакетов. На сетевом уровне протокол IP реализует ненадёжную службу доставки пакетов по сети от системы к системе без установления соединения. Это означает, что будет выполнено всё необходимое для доставки пакетов, однако эта доставка не гарантируется. Пакеты могут быть потеряны, переданы в неправильном порядке, продублированы и т.д. Протокол IP не обеспечивает надёжность коммуникации. Нет контроля ошибок для поля данных, а имеется только контрольная сумма для заголовка. Надежную передачу данных реализует следующий уровень, транспортный, на котором два основных протокола, TCP и UDP, осуществляют связь между машиной-отправителем пакетов и машиной-адресатом. Прикладной уровень - это приложения типа клиент-сервер, базирующиеся на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трёх уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и не интересуются способами передачи данных по сети. Среди основных приложений TCP/IP, имеющихся практически в каждой его реализации, протокол эмуляции терминала TELNET, протокол передачи файлов FTP, протокол электронной почты SMTP, протокол управления сетью SNMP, используемый в системе World Wide Web (WWW), протокол передачи гипертекста HTTP и другие. Между конечными системами может быть несколько десятков маршрутизаторов и множество промежуточных физических сетей различных типов, но приложение будет воспринимать этот конгломерат как единую физическую сеть. Это и обуславливает основную силу и привлекательность технологии Интернет и протокола IP.
|
|
|
