Подготовка Ethernet линии к предоставлению услуг VOIP

1  2

---

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 Введение

2 Основы, понятие, особенности технологий Ethernet и VoIP

2.1Технология Ethernet: основы, понятие, особенности

2.2 Технология  VoIP и ее особенности

3 Разработка руководства (инструкции) по подготовке Ethernet линии  к предоставлению услуг VoIP

3.1 Концептуальная модель  Ethernet линии (сети) для услуг VoIP

3.2 Выбор аппаратуры, оборудования и  техническое  обеспечение

3.3 Этапы подготовки Ethernet линии  к предоставлению услуг VoIP. Архитектура VoIP

3.4 Тестирование Ethernet линии (сети) для услуг VoIP

4 Охрана труда и техника безопасности

5 Заключение

6 Список используемой литературы

7 Приложения

 

1 ВВЕДЕНИЕ

 

Популярность услуг Ethernet на предприятиях продолжает расти, что вызывает необходимость в широкомасштабном внедрении VoIP – принципиально нового вида связи, основанного на использовании Интернет протоколов и IP-серверов, преобразующих привычный голосовой сигнал в цифровой формат. Технология VoIP (Voice over Internet Protocol – голоса по интернет-протоколу или интернет-телефонии) позволила превратить такую незаменимую вещь, как телефонные переговоры, в удобный, качественный, универсальный и, что немаловажно, дешевый инструмент общения, который стал доступен каждому.

При переходе к VoIP абоненты ожидают как хорошего качества голосовой связи, так и высокоскоростной передачи информации по линиям Ethernet.

Услуги VoIP позволяют получить высококачественное телефонное соединение между двумя абонентами, находящимися совершенно в разных точках земного шара. Классическое понимание телефонных переговоров уступает свое место универсальности и надежности, так как в качестве промежуточных коммутаторы станций и прочих аналоговых устройств используется все пространство сети Интернет с множеством «развилок» и «обходных путей», строящий саму глобальную сеть. Итог один — всегда качественная и стабильная связь в любой части света.

Итак, актуальность технологии VoIP состоит в том, что она даёт возможность проводить целые конференции по телефону, а это особенно важно в бизнесе при решении различных вопросов сразу со всеми партнерами. Одновременно с этим тарифы VoIP позволяют добиться существенной экономии денежных средств по сравнению с классическими системами телефонных сетей. Причиной тому является все та же глобальная сеть Интернет, ресурсы которой позволяют обмениваться любой информацией вне зависимости от ее формата. Это чрезвычайно удобно и практично, а главное — действительно экономично.

Однако, так или иначе, подключение VoIP требует наличия специализированного оборудования, которое еще совсем недавно не являлось распространенным и общедоступным. Но технологии и их развитие не стоят на месте, каждодневно упрощая и оптимизируя аппаратные средства, делая их, что называется, по карману широкой массе потребителей.

К тому же, данный вид телефонии никак не привязан к месту нахождения абонента, что  позволяет вам общаться с любого места нашей планеты, естественно при подключенном интернете.

Отличительные особенности и актуальность VoIP неоспоримы. Но все же, являясь достаточно сложной и высокоинтеллектуальной технологией, подобное средство связи и все сопутствующее оборудование нуждаются в профессиональной установке и настройке.

Основное преимущество VoIP перед коммутируемыми телефонными се-тями общего пользования (ТфОП или Public Switched Telephone Network, PSTN) – это низкая стоимость международных и междугородних звонков. В ряде случаев вызовы из сети VoIP абонентов ТфОП могут быть в разы дешевле, так как могут быть переданы по корпоративной IP-сети или через Internet, практически не попадая в каналы связи междугородных или международных операторов.

Так же, неоспоримым преимуществом VoIP является отсутствие такого понятия как занятая линия. Абонент может принимать один вызов, не прерывая при этом другой, организовывать конференцсвязь, ставить вызовы в удержание.

Для корпоративных клиентов, не менее важной является возможность создания собственной корпоративной сети телефонной связи, построенной с использованием инфраструктуры существующей локальной вычислительной сети, объединения региональных филиалов в единую телефонную сеть с минимальными первоначальными капиталовложениями. Используя технологии VoIP, предприятие легко может организовывать различные дополнительные сервисы, такие как голосовая почта, парковка вызовов, многоканальные линии, перенаправление звонков и т.д., реализация которых с использованием традиционных технологий офисной телефонии требовала бы гораздо больших затрат на дорогостоящее специализированное оборудование. Стал более доступным глобальный роуминг с использованием технологий VoIP, так как для соединения абонента и сервера телефонии можно использовать сеть Internet, то нет жесткой географической привязки абонента.

Объектом дипломного проекта является ЗАО «Центр технических решений TeleComma».  Политикой ЗАО «Центр технических решений TeleComma» в области услуг по технической поддержке и техническому сопровождению оборудования связи, компьютерного, офисного оборудования и информационных систем является полное удовлетворение настоящих и возможных потребностей клиентов на основе высокого качества продукции и ее конкурентоспособности, постоянное развитие и завоевание признания посредством исключительно положительной деловой репутации.

ЗАО «Центр технических решений TeleComma» оказывает следующие виды услуг:

— техническая поддержка;

— техническое сопровождение;

— гарантийное обслуживание оборудования;

— аутсорсинг IT персонала;

— аудит технических систем.

Практически с момента основания главного офиса в городе Владивосток, в виду необходимости, были основаны филиалы в таких городах, как Находка и Уссурийск.

Актуальность работы состоит в том, что для компаний, использующих постоянную телефонную связь, в качестве которой выступает традиционная телефонная сеть общего пользования (ТфОП), представление услуг быстроразвивающейся технологии VoIP-телефонии, которая в будущем сможет полностью заменить традиционную телефонию, повышает эффективность управления, коммуникаций, производства, бизнеса в целом.

Задачей дипломной работы является проектирование VoIP сети на базе IP-PBX Asterisk между филиалами, находящихся в разных городах Приморского края, ЗАО «Центр технических решений TeleComma».

Данная VoIP-сеть должна осуществлять следующие функции:

• объединить филиалы компании в единую корпоративную телефонную сеть;
• минимизировать расходы компании на осуществление междугородних звонков;
• видеозвонки;
• аудиоконференции;
• использование альтернативных маршрутов, через операторов связи, при выходе из строя корпоративной VoIP сети.

Структура работы следующая: пояснительная записка, состоящая из двух глав: «Основы, понятие, особенности технологий Ethernet и VoIP», в которой рассматриваются общие вопросы технологий Ethernet и VoIP и их особенности и «Разработка руководства (инструкции) по подготовке Ethernet линии  к предоставлению услуг VoIP», в которой рассматриваются концептуальная модель  Ethernet-сети для услуг VoIP, выбор аппаратуры, оборудования и  технического  обеспечения, этапы подготовки Ethernet линии  к предоставлению услуг VoIP, архитектура VoIP и тестирование Ethernet-сети для услуг VoIP, а также графического приложения – схемы корпоративной сети VoIP.

2 ОСНОВЫ, ПОНЯТИЕ, ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ETHERNET И VOIP

 

2.1 Технология Ethernet: основы, понятие, особенности

 

Ethernet – это наиболее распространённая технология организации локальных сетей. Стандарты Ethernet описывают реализацию двух первых уровней модели OSI – проводные соединения и электрические сигналы (физический уровень), а так же форматы блоков данных и протоколы управления доступом к сети (канальный уровень). Начнём с идеи, лежащей в основе Ethernet. Название Ethernet произошло от двух английских слов – ether (эфир) и net (сеть). Ethernet использует концепцию общего эфира. Каждый ПК посылает данные в этот эфир и указывает, кому они адресованы. Данные могут дойти до всех ПК сети, но обрабатывает их только тот ПК, которому они предназначены. Остальные ПК чужие данные игнорируют. Такая работа аналогична эфиру радиостанций. Все радиостанции транслируют свои передачи в общее электромагнитное поле – радиоэфир. Ваш радиоприёмник получает электромагнитные сигналы всех станций. Но слушаете вы не всё сразу, а ту станцию, которая вам нужна.

Плюсы:

– наилучшее соотношение цена/скорость/возможности в сравнении со всеми другими технологиями

– возможность использовать внутренние ресурсы сетей на огромной скорости без ограничений и дополнительной оплаты

– никаких первоначальных вложений на оборудование в квартире

– независимость ни от наличия городского телефона/телевизионного кабеля, ни от их техсостояния

– существует множество дополнительных устройств для простого подключения на одну линию нескольких компьютеров и/или других устройств (игровые приставки, IP-камеры, видеонаблюдения и пр.), т.к это основная и самая распространённая сетевая технология сегодня и в обозримом будущем.

– возможность получить высокоскоростные тарифы, достаточные для самых продвинутых пользователей

– возможность быстро, без проблем и дополнительных расходов на оборудование сменить провайдера

Минусы:

– необходимость ввода в квартиру дополнительного кабеля

Ethernet — это не один, а целое семейство стандартов, имеющих разные пользовательские характеристики.

Если за основу сравнения этих стандартов взять скорость передачи данных и максимально возможное расстояние между двумя узлами (диаметр сети), то получим такую сравнительную таблицу:

Таблица 1 – Типы технологии Ethernet

 

Сначала рассмотрим принцип построения локальных сетей на основе исторически первого варианта Ethernet (10 Мбит/с), который появился в конце 70–х годов как стандарт трёх компаний — Digital, Intel, Xerox.

Эта технология, как и технологии Fast Ethernet, Gigabit Ethernet основана на понятии разделяемой среды: каждый узел получает всё, что передаётся по сети; передачу выполняет только один узел, остальные ждут паузы для начала собственной передачи.

В основе технологии 10G Ethernet положен другой принцип: информация не “разбрасывается” по всей сети, а целенаправленно “проталкивается” от узла к узлу по направлению к пункту назначения. За продвижение данных в такой сети отвечают маршрутизаторы. Они определяют соседний узел, в который нужно передвинуть информационный пакет для приближения его к пункту назначения. Такие сети называются сетями с коммутацией пакетов.

На рисунке 1  показана схема сети Ethernet на коаксиальном кабеле. Сегмент кабеля на концах оборудован терминаторами (“заглушками”) для поглощения распространяемого сигнала (на рисунке терминаторы нарисованы чёрными квадратиками).

Рисунок 1 – Схема сети Ethernet

Кабель при помощи Т-образного разъёма соединяет между собой сетевые адаптеры компьютеров.

Принцип работы Ethernet

Любой участник может послать в сеть сообщение, но только тогда, когда в ней “тихо” — нет другой передачи.

Например, узел 2 (см. рисунок выше) слушает сеть, и стартует передачу, начиная её адресами отправителя и получателя (“компьютер 2 передаёт сообщение для компьютера 4”).

Передача распространяется по кабелю в обе стороны (поглощаясь терминаторами на концах), и все участники слышат её (в том числе и сам отправитель).

Все, кроме компьютера 4, игнорируют передаваемые данные, обнаружив чужой адрес получателя, а компьютер 4 принимает данные полностью.

Понятно, что при таком способе передачи нельзя допустить длительного захвата сети одним узлом. Если компьютер 2 задумает переслать компьютеру 4 большой файл, все остальные сетевые участники не скоро получат возможность начать передачу.

В силу этой причины сообщения передаются разделёнными на пакеты (в технологии Ethernet они называются кадрами). Длина пакета лежит в диапазоне от 64 до 1518 байтов.

Передав один пакет, узел на некоторое время прерывает работу, и если в сети “тихо”, отправляет следующий пакет. Но паузой может воспользоваться другой узел и начать свой сеанс передачи. Таким образом, все узлы разделяют одну среду (кабель), имея равные возможности для посылки в сеть информационных пакетов.

Fast Ethernet

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 100 Мбит/c.

Логика работы сетей Fast Ethernet и Ethernet совершенно одинаковая. Все отличия лежат на физическом уровне построения сети.

В 10 раз увеличилась скорость передачи сигнала, значит, в 10 раз должен уменьшиться максимальный диаметр одного разделяемого сегмента (чтобы избежать в нём поздних коллизий).

Признаком свободного состояния среды в Fast Ethernet является передача специального символа простоя источника (а не отсутствие сигнала, как в стандарте классической Ethernet).

Коаксиальный кабель исключён из списка разрешённых сред передачи. Стандарт Fast Ethernet установил три спецификации:

– 100Base-TX — неэкранированная или экранированная витая пара (две пары в кабеле).

– 100Base-T4 — неэкранированная витая пара (четыре пары в кабеле).

– 100Base-FX — волоконно-оптический кабель (с двумя волокнами).

Максимальные длины для кабельных сегментов приводятся в таблице 1.2.

Таблица 2 – Стандарты Fast Ethernet

Полудуплексный канал работает на передачу и приём по очереди, а дуплексный — одновременно.

Правило 4 хабов для Fast Ethernet превращается в правило одного или двух хабов (в зависимости от класса хаба).

100Base-TX

Среда передачи — 2 витых пары в одной общей оболочке.

100Base-T4

Среда передачи — 4 витых пары в одной общей оболочке.

Три пары используются для параллельной передачи сигнала со скоростью 33,3 Мбит/с (всего получается 100 Мбит/с ), четвёртая пара всегда “слушает” сеть на предмет обнаружения коллизий.

100Base-FX

Среда передачи — оптоволоконный кабель с двумя волокнами.

Gigabit Ethernet

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 1000 Мбит/c.

Поддерживаются кабели, используемые в Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара.

Для предотвращения поздних коллизий длина сегмента кабеля должна уменьшиться в 10 раз по сравнению со стандартом Fast Ethernet, но это было бы неприемлемо. Вместо этого в технологии Gigabit Ethernet увеличена длина минимального пакета с 64 байтов до 512 байт и, кроме того, разрешено передавать несколько пакетов подряд (общий размер — не более 8192 байт). Конечно, это увеличивает ожидание паузы для начала передачи, но на скорости 1000 Мбит/c эта задержка не слишком существенна.

Для поддержки заявленной скорости передачи, в технологии Gigabit Ethernet применяются и некоторые другие технические решения, но структура сети остаётся прежней:

– дерево разделяемых сред;

– для соединения узлов в одном домене коллизий используются хабы;

– коммутаторы и маршрутизаторы соединяют домены коллизий.

10G Ethernet

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 10 000 Мбит/c.

Технология построения сети 10G Ethernet принципиально отличается от других Ethernet-технологий.

Сети 10G Ethernet — это сети с коммутацией пакетов.

Если в сетях с разделяемыми средами пакет, переданный одной станцией, поступает на все другие станции, то в коммутируемых сетях пакет следует от передающей станции к станции назначения по маршруту, который уточняется по мере продвижения пакета от одного маршрутизатора к другому.

Сеть с разделяемыми средами, построенная только на хабах и коммутаторах, должна иметь строго иерархическую структуру: на схеме соединений не должно быть циклов.

Сеть, приведённая на рисунке 2, имеет иерархическую структуру. Между любыми двумя узлами существует ровно один путь, например, путь от А к Б пролегает через узлы: А–2–1–3–5–Б.

Рисунок 2 – Сеть с иерархической структурой

На следующем рисунке 3 показана сеть с циклом. Между узлами А и Б теперь имеются два пути: А–2–1–3–5–Б и А–5–Б:

Рисунок 3 – Сеть с циклом

Сети с коммутацией пакетов могут иметь ячеистую структуру, в которой между двумя станциями может существовать два и более вариантов прохождения пакета.

Ячеистые сети более надежны: если один маршрут перестаёт работать по техническим причинам, для доставки пакета выбирается другой.

Сети с коммутацией пакетов имеют бóльшую пропускную способность по сравнению с сетями на разделяемых средах (пакеты не транслируются во все стороны, а следуют строго к пункту назначения; станции передают, не дожидаясь тишины в сети).

В качестве проводящей среды в сетях 10G Ethernet используют оптоволоконный кабель и кабель с витыми парами.

Длина сегмента оптического кабеля может достигать 40 км, а длина сегмента витой пары — 100 м. Причина ограничения длины кабеля теперь не в поздних коллизиях (при коммутации пакетов коллизий не бывает), а в затухании сигнала при его прохождению по кабелю.

 

2.2 Технология  VoIP и ее особенности

 

VoIP (англ. Voice over IP; IP-телефония, произносится «войп») — система связи, обеспечивающая передачу речевого сигнала по сети Интернет или по любым другим IP-сетям. Сигнал по каналу связи передаётся в цифровом виде и, как правило, перед передачей преобразовывается (сжимается) с тем, чтобы удалить избыточность.

Голосовая и видеосвязь посредством компьютерных сетей стала популярной во всём мире с начала XXI века и в настоящее время широко используется как частными пользователями, так и в корпоративном секторе. Применение систем VoIP позволяет компаниям-операторам связи значительно снизить стоимость звонков (особенно международных) и интегрировать телефонию с сервисами Интернета, предоставлять интеллектуальные услуги.

Технология VoIP реализует задачи и решения, которые с помощью технологии PSTN (Public Switched Telephone Network — Публичная Коммутируемая Телефонная Сеть (ТфОП)) реализовать будет труднее, либо дороже.

Примеры:

— возможность передавать более одного телефонного звонка в рамках высокоскоростного телефонного подключения, поэтому технология VoIP используется в качестве простого способа для добавления дополнительной телефонной линии дома или в офисе;

— безопасные звонки, со стандартизованным протоколом (такие как SRTP), большинство трудностей для включения безопасных телефонных соединений по традиционным телефонным линиям, такие как оцифровка сигнала, передача цифрового сигнала, уже решены в рамках технологии VoIP, необходимо лишь произвести шифрование сигнала и его идентификацию для существующего потока данных;

— независимость от месторасположении, нужно только интернет-соединение для подключения к провайдеру VoIP. Например, операторы центра звонков с помощью VoIP-телефонов могут работать из любого офиса, где есть в наличии эффективное быстрое и стабильное интернет-подключение;

— доступна интеграция с другими через интернет, включая видеозвонок, обмен сообщениями и данными во время разговора, аудиоконференции, управление адресной книгой и получение информации о том, доступны ли для звонка другие абоненты;

— дополнительные телефонные свойства такие как маршрутизация звонка, всплывающие окна, альтернативный GSM-роуминг и внедрение IVR — легче и дешевле внедрить и интегрировать. Тот факт, что телефонный звонок находится в той же самой сети передачи данных, что и персональный компьютер пользователя, открывает путь ко многим новым возможностям.

Для передачи голоса по IP-сети, человеческий голос оцифровывается (АЦП) при помощи импульсно-кодовой модуляции, сжимается (кодируется) и разбивается на пакеты. На принимающей стороне, происходит обратная процедура — данные извлекаются из пакетов, декодируются и преобразуются обратно в аналоговый сигнал (ЦАП).

Кодирование вносит дополнительную задержку порядка 15—45 мс, возникающую по следующим причинам:

— использование буфера для накопления сигнала и учёта статистики последующих отсчётов (алгоритмическая задержка);

— математические преобразования, выполняемые над речевым сигналом, требуют процессорного времени (вычислительная задержка).

Подобная задержка появляется и при декодировании речи на другой стороне.

Задержку кодека необходимо учитывать при расчёте сквозных задержек (см. выше). Кроме того, сложные алгоритмы кодирования/декодирования требуют более серьёзных затрат вычислительных ресурсов системы.

Проведённый в различных исследовательских группах анализ качества передачи речевых данных через Интернет показывает, что основным источником возникновения искажений, снижения качества и разборчивости синтезированной речи является прерывание потока речевых данных, вызванное:

— потерями пакетов при передаче по сети связи;

— превышением допустимого времени доставки пакета с речевыми данными.

Это требует решения задачи оптимизации задержек в сети и создание алгоритмов компрессии речи, устойчивых к потерям пакетов (восстановления потерянных пакетов).

Для кодирования данных, используются кодеки. Применяемые алгоритмы сжатия голоса при передаче по IP-сети довольно разнообразны. Некоторые практически не сжимают голос, оставляя его на уровне импульсно-кодовой модуляции (т.е. 64 килобит в секунду), другие кодеки позволяют сжимать цифровой голосовой поток в 8 и более раз за счёт эффективных алгоритмов кодирования. Существует немало хороших свободных кодеков, использование которых не требует лицензирования. Для других же требуется достижения соответствующей лицензионной сертификации между производителем оборудования (программного обеспечения) и авторами метода сжатия.

Открытые:

— GSM

— G.711 μ-law

— G.711 a-Law

— G.722

— G.726

— Speex

— iLBC

Проприетарные:

— G.729

— G.729A

— G.723

Таблица 3 –  Сравнительные характеристики VoIP-кодеков

В данном проекте, для хорошей передачи звуковых сигналов,  будут использоваться кодеки G.711 и G.729.

G.711 — это ITU-T стандарт для аудио компандирования. В основном используется в телефонии. Впервые был представлен в 1972 году.

G.711 — стандарт для представления 8-ми битной компрессии PCM голоса с частотой дискретизации 8000 кадров/секунду и 8 bit/кадр. Таким образом, G.711 кодек создаёт поток 64 kbit/s — ОЦК (Основной цифровой канал).

G.729 — узкополосный речевой кодек, который применяется для эффективного цифрового представления узкополосной телефонной речи (сигнала телефонного качества). Такая речь характеризуется полосой между 300 и 3400 Гц и может быть оцифрована с частотой дискретизации 8 кГц. В идеале речевой кодек должен представлять речь такой разрядностью, какая только возможна. В этом случае восстановленная речь будет точно соответствовать оригиналу. На практике приходится выбирать разрядность кодека и мириться с некоторой погрешностью квантования.

G.729 — широко используемый тип кодека, скорость 8 Кбит/с. Согласно теории, речевой сигнал длительностью в одну секунду можно полностью описать (то есть оцифровать, передать или сохранить в цифровом виде и затем восстановить в исходный сигнал по цифровому представлению) цифровым потоком 60 байт/сек. Идея оцифровывать и передавать (или сохранять) в цифровом виде не сам сигнал, а его параметр (количество переходов через ноль, спектральные характеристики и др.), чтобы затем по этим параметрам выбирать модель голосового тракта и синтезировать исходный сигнал, лежит в основе «вокодеров» (VOice CODER) или «синтезирующих кодеков».

Для всех типов кодеков справедливо правило: чем меньше плотность цифрового потока, тем больше восстановленный сигнал отличается от оригинала. Однако восстановленный сигнал гибридных кодеков обладает вполне высокими характеристиками, восстанавливается тембр речевого сигнала, его динамические характеристики, другими словами, его «узнаваемость» и «распознаваемость».

Алгоритм основан на модели кодирования с использованием линейного предсказания с возбуждением по алгебраической кодовой книге (CELP-модель). Кодер оперирует с кадрами речевого сигнала длиной 10 мс, дискретизованными с частотой 8 КГц, что соответствует 80-ти 16-битным отсчётам в линейном законе. Для каждого кадра производится анализ речевого сигнала и выделяются параметры модели (коэффициенты фильтра линейного предсказания, индексы и коэффициенты усиления в адаптивной и фиксированной кодовых книгах). Далее эти параметры кодируются и передаются в канал.

В декодере битовая посылка используется для восстановления параметров сигнала возбуждения и коэффициентов синтезирующего фильтра. Речь восстанавливается путём пропускания сигнала возбуждения через кратковременный синтезирующий фильтр.

Синтезирующий фильтр имеет полюсную передаточную функцию 10-го порядка. Для работы синтезатора основного тона используется адаптивная кодовая книга. Впоследствии речь улучшается адаптивной постфильтрацией.

В случае потери передаваемой кодером битовой посылки, исходные данные для речевого синтезатора получаются интерполяцией данных с предыдущих «хороших» кадров, но при этом энергия интерполированного речевого сигнала постепенно уменьшается, что не создаёт особого дискомфорта у слушателя.

Вокодер обрабатывает кадры речевых сигналов длиной 10 мс. Дополнительно существует задержка длиной 5 мс (look-ahead buffer), что в сумме выливается в алгоритмическую задержку 15 мс («10+5»). Задержки речевого сигнала в практическом приложении этого алгоритма также определяются временем, затрачиваемым на:

— процессы кодирования и декодирования;

— передачу по каналу;

— мультиплексирование при комбинировании аудиоданных с другими видами данных.

Основными преимуществами VoIP является снижение требований к полосе пропускания, что обеспечивается учётом статистических характеристик речевого трафика:

— блокировкой передачи пауз (диалоговых, слоговых, смысловых и др.), которые могут составлять до 40-50 % времени занятия канала передачи;

— высокой избыточностью речевого сигнала и его сжатием (без потери качества при восстановлении) до уровня 20-40 % исходного сигнала.

В тоже время для VoIP критичны задержки пакетов в сети, хотя технология обладает некоей толерантностью (устойчивостью) к потерям отдельных пакетов. Так, потеря до 5 % пакетов не приводит к ухудшению разборчивости речи.

При передаче телефонного трафика по технологии VoIP должны учитываться жёсткие требования стандарта ISO 9000 к качеству услуг, характеризующие:

— качество установления соединения, определяемое в основном быстротой установления соединения;

— качество соединения, показателем которого являются сквозные (воспринимаемые пользователем) задержки и качество воспринимаемой речи.

Общая приемлемая задержка по стандарту — не более 250 миллисекунд. Причины задержек в передаче голосовых данных по сети IP, в большой степени связаны с особенностями транспорта пакетов. Протокол TCP обеспечивает контроль доставки пакетов, однако достаточно медленный и потому не используется для передачи голоса. UDP быстро отправляет пакеты, однако восстановление потерянных данных не гарантируется, что приводит к потеряным частям разговора при восстановлении (обратном преобразовании) звука.

Любое VoIP соединение имеет целый ряд параметров, общепринятых как точные показатели оценки качества соединения. Кроме того большинство существующих операторов VoIP при оказании услуг позволяют даже выбирать узел через который пройдет звонок не только руководствуясь ценой, но и дополнительным статистическими параметрами, характеризующими качество связи:

ASR/ABR — отношение количества обслуженных звонков к числу попыток позвонить в процентах. Характеризует наилучший дозвон.

ACD — средняя продолжительность звонков через узел на данное направление; % — процент состоявшихся звонков с длительностью меньше 30 секунд. Характеризует наиболее устойчивую связь во время разговора.

Иногда операторами связи для оценки направления применяются и другие статистические параметры: эрланг, посленаборная задержка (PDD), процент потери пакетов (QoS), максимальное нарастание вызовов в секунду (Calls per seconds, CPS).

Протоколы VoIP сети

Протоколы обеспечивают регистрацию IP-устройства (шлюз, терминал или IP-телефон) на сервере или гейткипере провайдера, вызов и/или переадресацию вызова, установление голосового или видеосоединения, передачу имени и/или номера абонента. В настоящее время широкое распространение получили следующие VoIP-протоколы:

— SIP — протокол сеансового установления связи, обеспечивающий передачу голоса, видео, сообщений систем мгновенного обмена сообщений и произвольной нагрузки, для сигнализации обычно использует порт 5060 UDP. Поддерживает контроль присутствия;

— H.323 — протокол, более привязанный к системам традиционной телефонии, чем SIP, сигнализация по порту 1720 TCP, и 1719 TCP для регистрации терминалов на гейткипере;

— IAX2 — через 4569 UDP-порт и сигнализация, и медиатрафик;

— MGCP (Media Gateway Control Protocol) — протокол управления медиашлюзами;

— Megaco/H.248 — протокол управления медиашлюзами, развитие MGCP;

— SIGTRAN — протокол тунеллирования PSTN сигнализации ОКС-7 через IP на программный коммутатор (SoftSwitch);

— SCTP (Stream Control Transmission Protocol) — протокол для организации гарантированной доставки пакетов в IP-сетях;

— SGCP;

— SCCP (Skinny Call Control Protocol) — закрытый протокол управления терминалами (IP-телефонами и медиашлюзами) в продуктах компании Cisco.

Unistim — закрытый протокол передачи сигнального трафика в продуктах компании Nortel.

Протокол SIP

SIP (англ. Session Initiation Protocol — протокол установления сеанса) — стандарт на способ установления и завершения пользовательского интернет-сеанса, включающего обмен мультимедийным содержимым (видео- и аудиоконференция, мгновенные сообщения, онлайн-игры). В модели взаимодействия открытых систем SIP является сетевым протоколом прикладного уровня.

Протокол описывает, каким образом клиентское приложение (например, софтфон) может запросить начало соединения у другого, возможно, физически удалённого клиента, находящегося в той же сети, используя его уникальное имя. Протокол определяет способ согласования между клиентами об открытии каналов обмена на основе других протоколов, которые могут использоваться для непосредственной передачи информации (например, RTP). Допускается добавление или удаление таких каналов в течение установленного сеанса, а также подключение и отключение дополнительных клиентов (то есть допускается участие в обмене более двух сторон — конференц-связь). Протокол также определяет порядок завершения сеанса.

Разработкой занималась организация IETF MMUSIC Working Group. Протокол начал разрабатываться в 1996 году Хенингом Шулзри (Henning Schulzrinne, Колумбийский университет) и Марком Хэндли (Университетский колледж Лондона). Наряду c другим распространённым протоколом H.323, SIP — один из протоколов, лежащих в основе Voice over IP.

В основу протокола рабочая группа MMUSIC заложила следующие принципы:

— простота, включает в себя только шесть методов (функций);

— независимость от транспортного уровня, может использовать UDP, TCP, ATM и т. д.;

— персональная мобильность пользователей. Пользователи могут перемещаться в пределах сети без ограничений. Это достигается путем присвоения пользователю уникального идентификатора. При этом набор предоставляемых услуг остается неизменным. О своих перемещениях пользователь сообщает с помощью сообщения REGISTER;

— масштабируемость сети. Структура сети на базе протокола SIP позволяет легко ее расширять и увеличивать число элементов;

— расширяемость протокола. Протокол характеризуется возможностью дополнять его новыми функциями при появлении новых услуг;

— интеграция в стек существующих протоколов Интернет. Протокол SIP является частью глобальной архитектуры мультимедиа, разработанной комитетом IETF. Кроме SIP, эта архитектура включает в себя протоколы RSVP (протокол), RTP, RTSP, SDP.

— взаимодействие с другими протоколами сигнализации. Протокол SIP может быть использован совместно с другими протоколами IP-телефонии, протоколами ТфОП, и для связи с интеллектуальными сетями.

Клиенты SIP традиционно используют порт 5060 TCP и UDP для соединения элементов SIP-сети. В основном, SIP используется для установления и разъединения голосовых и видеозвонков. При этом он может использоваться и в любых других приложениях, где требуется установка соединения, таких, как системы оповещения, мобильные терминалы и так далее. Существует большое количество рекомендаций RFC, относящихся к SIP и определяющих поведение таких приложений. Для передачи самих голосовых и видеоданных используют другие транспортные протоколы, чаще всего Real-time Transport Protocol (RTP).

Главной задачей разработки SIP было создание сигнального протокола на базе IP, который мог бы поддерживать расширенный набор функций обработки вызова и услуг, представленных в существующей ТфОП. Сам протокол SIP не определяет этих функций, а сосредоточен только на процедурах установления звонка и сигнализации. При этом он был спроектирован с поддержкой таких функциональных элементов сети, как прокси-серверы (Proxy Servers) и Пользовательские Агенты (User Agents). Эти элементы обеспечивают базовый набор услуг: набор номера, вызов телефонного аппарата, звуковое информирование абонента о статусе вызова.

Телефонные сети на основе SIP могут поддерживать и более современные услуги, обычно предоставляемые ОКС-7, несмотря на значительное различие этих двух протоколов. ОКС-7 характеризуется сложной, централизованной интеллектуальной сетью и простыми, неинтеллектуальными, терминалами (традиционные телефонные аппараты). SIP — наоборот, требует очень простую (и, соответственно, хорошо масштабируемую) сеть с интеллектом, встроенным в оконечные элементы на периферии (терминалы, построенные как физические устройства или программы).

SIP используется вместе с несколькими другими протоколами и участвует только в сигнальной части сессии связи. SIP выполняет роль носителя для SDP, который описывает параметры передачи медиаданных в рамках сессии, например используемые порты IP и кодеки. В типичном применении сессии SIP — это просто потоки пакетов RTP. RTP является непосредственным носителем голосовых и видеоданных.

Для организации взаимодействия с существующими приложениями IP-сетей и для обеспечения мобильности пользователей, SIP использует адрес, подобный адресу электронной почты. В качестве адресов рабочих станций используются универсальные указатели ресурсов URL, так называемые SIP URL:

— имя@домен;

— имя@хост;

— имя@IP-адрес;

— №телефона@шлюз.

В начале SIP-адреса (в тексте) ставится слово sip:, указывающее, что это именно SIP-адрес, так как бывают и другие c таким же форматом (например, адреса электронной почты, обозначаемые mailto:).

Адрес состоит из двух частей. Первая часть — имя пользователя, зарегистрированного в домене или на рабочей станции. Если вторая часть идентифицирует какой-либо шлюз, то в первой указывается телефонный номер абонента. Во второй части адреса указывается имя домена сети, хоста или IP-адрес.

Имена пользователей представляют собой обычные алфавитно-цифровые идентификаторы. В IP-телефонии, как правило, используют чисто цифровые идентификаторы («номера») для удобства расширения/замены классических телефонных сетей. Номера местной связи, как правило, 2-3-4-значные.

Номер телефона, передаваемый шлюзу — любой доступный через него, и может быть как номером местной связи, так и номером мобильного или обычного городского телефона. Адрес шлюза (IP-адрес или доменное имя) задаётся в настройках телефона или программы-клиента, а пользователю для совершения звонка достаточно только набора номера.

Протокол SIP имеет клиент-серверную архитектуру. Клиент выдаёт запросы, с указанием того, что он хочет получить от сервера. Сервер принимает и обрабатывает запросы, выдаёт ответы, содержащие уведомление об успешности выполнения запроса, уведомление об ошибке или информацию, запрошенную клиентом.

Обслуживание вызова распределено между различными элементами сети SIP. Основным функциональным элементом, реализующим функции управления соединением, является абонентский терминал. Остальные элементы сети могут отвечать за маршрутизацию вызовов, а иногда служат для предоставления дополнительных сервисов.

Терминал. Когда клиент и сервер реализованы в оконечном оборудовании и взаимодействуют непосредственно с пользователем, они называются пользовательским агентским клиентом — User Agent Client (UAC) — и пользовательским агентским сервером — User Agent Server (UAS). Если в устройстве присутствуют и UAC, и UAS, то оно называется пользовательским агентом — User Agent (UA), а по своей сути представляет собой терминальное оборудование SIP.

Сервер UAS и клиент UAC имеют возможность непосредственно взаимодействовать с пользователем. Другие клиенты и серверы SIP этого делать не могут.

Прокси-сервер (от англ. proxy — «представитель») представляет интересы пользователя в сети. Он принимает запросы, обрабатывает их и выполняет соответствующие действия. Прокси-сервер состоит из клиентской и серверной частей, поэтому может принимать вызовы, инициировать запросы и возвращать ответы.

Предусмотрено два типа прокси-серверов:

— с сохранением состояний (stateful). Такой сервер хранит в своей памяти все полученные запросы и связанные с ним новые сформированные запросы до окончания транзакции;

— без сохранения состояний(stateless). Такой сервер просто обрабатывает получаемые запросы. Но на его базе нельзя реализовать сложные, интеллектуальные услуги.

Сервер переадресации используется для определения текущего местоположения пользователя. Сервер переадресации не терминирует вызовы и не инициирует собственные запросы, а только сообщает адрес необходимого терминала или прокси-сервера. Для этих целей он взаимодействует с сервером определения местоположения.

Однако, для осуществления соединения пользователь может не использовать сервер переадресации, если он сам знает текущий адрес требуемого пользователя.

Сервер определения местоположения пользователей. Пользователь может перемещаться в пределах сети SIP, поэтому существует механизм определения его местоположения в текущий момент времени. Сервер определения местоположения пользователей служит для хранения текущего адреса пользователя и представляет собой базу данных адресной информации.

Пользователь, которому нужна адресная информация не связывается с сервером определения местоположения напрямую. Эту функцию выполняют другие SIP-серверы при помощи протоколов LDAP, RWHOIS, или других протоколов.

Таблица 4 – Сравнение SIP и Н.323

— INVITE — Приглашает пользователя к сеансу связи. Обычно содержит SDP-описание сеанса.Протокол SIP, для сигнализации и регистрации устройств использует запросы. В первоначальной версии протокола SIP (RFC 3261) было определено шесть типов запросов. С помощью запросов клиент сообщает о текущем местоположении, приглашает пользователей принять участие в сеансах связи, модифицирует уже установленные сеансы, завершает их и т. д. Тип запроса указывается в стартовой строке:

— АСК — Подтверждает приём ответа на запрос INVITE.

— BYE — Завершает сеанс связи. Может быть передан любой из сторон, участвующих в сеансе.

— CANCEL — Отменяет обработку ранее переданных запросов, но не влияет на запросы, которые уже закончили обрабатываться.

— REGISTER — Переносит адресную информацию для регистрации пользователя на сервере определения местоположения.

— OPTIONS — Запрашивает информацию о функциональных возможностях терминала.

Но в процессе развития, в протокол было добавлено еще несколько типов запросов, которые дополнили его функциональность:

— PRACK — временное подтверждение;

— SUBSCRIBE — подписка на получение уведомлений о событии;

— NOTIFY — уведомление подписчика о событии;

— PUBLISH — публикация события на сервере INFO — передача информации, которая не изменяет состояние сессии;

— REFER — запрос получателя о передаче запроса SIP;

— MESSAGE — передача мгновенных сообщений средствами SIP;

— UPDATE — модификация состояния сессии без изменения состояния диалога.

Протокол Н.323

В 1990 году был одобрен первый международный стандарт в области видеоконференцсвязи — спецификация H.320 для поддержки видеоконференций по ISDN. Затем ITU одобрил еще целую серию рекомендаций, относящихся к видеоконференцсвязи. Эта серия рекомендаций, часто называемая H.32x, помимо H.320, включает в себя стандарты H.321-H.324, которые предназначены для различных типов сетей.

Во второй половине 90-х годов интенсивное развитие получили IP сети и Интернет. Они превратились в экономичную среду передачи данных и стали практически повсеместными. Однако, в отличие от ISDN, IP сети плохо приспособлены для передачи аудио и видеопотоков. С целью проведения аудио и видеоконференций по телекоммуникационным сетям ITU-T разработала серию рекомендаций H.32x :

— H.320 — по сетям ISDN;

— H.321 — по сетям Ш-ЦСИО и ATM;

— H.322 — по сетям с коммутацией пакетов с гарантированной пропускной способностью;

— H.323 — по сетям с коммутацией пакетов с негарантированной пропускной способностью;

— H.324 — по телефонным сетям общего пользования;

— H.324/C — по сетям мобильной связи.

Эта серия включает в себя ряд стандартов по обеспечению проведения видеоконференций.

Рекомендации ITU-T, входящие в стандарт H.323, определяют порядок функционирования абонентских терминалов в сетях с разделяемым ресурсом, не гарантирующих качества обслуживания (QoS). Стандарт H.323 не связан с протоколом IP, однако, большинство реализаций основано на этом протоколе. Набор рекомендаций определяет сетевые компоненты, протоколы и процедуры, позволяющие организовать мультимедиасвязь в пакетных сетях. Стандарт H.323 определяет четыре основных компонента, которые вместе с сетевой структурой позволяют проводить двусторонние (точка-точка) и многосторонние (точка — много точек) мультимедиаконференции.

Терминал может представлять собой ПК или автономное устройство, способное выполнять мультимедийное приложение. Он обязан обеспечивать звуковую связь и может дополнительно поддерживать передачу видео или данных. Вследствие того, что основной функцией терминала является передача звука, он играет ключевую роль в предоставлении сервиса IP- телефонии. H.323 терминал должен поддерживать следующие протоколы:

— H.245 — для согласования параметров соединения;

— Q.931 — для установления и контроля соединения;

— RAS — для взаимодействия с привратником;

— RTP/RTCP — для оптимизации доставки потокового аудио (видео);

— семейство протоколов H.450 — для поддержки обязательных в H.323 дополнительных видов обслуживания (ДВО).

Дополнительными компонентами могут быть другие аудио- и видеокодеки (H.261, H.263, MPEG).

Шлюз (gateway) не входит в число обязательных компонентов сети H.323. Он необходим только в случае, когда требуется установить соединение с терминалом другого стандарта. Эта связь обеспечивается трансляцией протоколов установки и разрыва соединений, а также форматов передачи данных. Шлюзы H.323 сетей широко применяются в IP телефонии для сопряжения IP сетей и цифровых или аналоговых коммутируемых телефонных сетей.

Привратник (gatekeeper) выступает в качестве центра обработки вызовов внутри своей зоны и выполняет важнейшие функции управления вызовами. Зона определяется как совокупность всех терминалов, шлюзов и MCU под управлением данного привратника. Привратник — необязательный компонент сети H.323, однако, если он присутствует в сети, то терминалы и шлюзы должны использовать его услуги.

Основные:

— трансляция адресов — преобразование внутренних адресов ЛВС и телефонных номеров формата E.164 в адреса протоколов IP/IPX;

— управление доступом — авторизация доступа в H.323 сеть;

— управление полосой пропускания — разрешение или запрещение запрашиваемой терминалом полосы пропускания.

Дополнительные:

— управление процессом установления соединения — при двусторонней конференции привратник способен обрабатывать служебные сообщения протокола сигнализации Q.931, а также может служить ретранслятором таких сообщений от конечных точек;

— авторизация соединения — допускается отклонение привратником запроса на установление соединения. Основания — ограничение прав или времени доступа, и иные, лежащие вне рамок H.323;

— управление вызовами — привратник может отслеживать состояние всех активных соединений, что позволяет управлять вызовами, обеспечивая выделение необходимой полосы пропускания и баланс загрузки сетевых ресурсов за счёт переадресации вызовов на другие терминалы и шлюзы.

Сервер многосторонней конференции (Multipoint Control Unit) обеспечивает связь трёх или более H.323 терминалов. Все терминалы, участвующие в конференции, устанавливают соединение с MCU. Сервер управляет ресурсами конференции, согласовывает возможности терминалов по обработке звука и видео, определяет аудио и видеопотоки, которые необходимо направлять по многим адресам.

В результате появления стандарта H.323, описывающего механизмы взаимодействия устройств обеспечивающих передачу голоса и видео по IP сетям, появилась возможность объединять в сети устройства различных производителей, что эффективно для сетей специальной связи.

Протокол IAX2

Протокол был разработан для Asterisk как альтернативный протокол. Первая версия протокола использовала порт UDP 5036. Данная версия протокола IAX устарела и широко не применяется, поэтому часто обычно термины IAX и IAX2 обозначают вторую версию протокола. Группа разработчиков в составе: Марк Спенсер, Фрэнк Миллер, Кенни Шумард, Эд Гай и Брайан Капоч подала заявку в IETF и 20-го февраля 2009 года протокол был утверждён под RFC 5456.

IAX2 — Inter-Asterisk eXchange protocol — протокол обмена VoIP данными между IP-PBX Asterisk. Наиболее приспособлен к трансляции сетевых адресов NAT, в отличие от SIP и H.323 использует только один порт 4569 протокола UDP для сигнализации и медиапотока, тогда как последние используют для этих целей разные порты. Данный протокол позволяет существенно экономить сетевой трафик по сравнению с протоколом SIP, что объясняется передачей сигнальной информации в битовых полях, а не текстом. Так же протокол позволяет совмещать множество голосовых потоков и передавать их внутри единого транка, уменьшая накладные расходы, связанные с передачей заголовков IP пакетов.

Протокол IAX версии 2 используется в Asterisk VoIP PBX, как альтернатива протоколам SIP, H.323, и т.д. при работе с другими устройствами, которые поддерживают IAX протокол (на данный момент список их небольшой, но он быстро растет).

Технические особенности:

— полностью бинарный протокол (в отличии от SIP) — экономия трафика;

— используется один единственный UDP-порт 4569, что упрощает конфигурацию файрвола и улучшает работу через NAT;

— поддерживается транкинг, при этом в каждом пакете передаются данные сразу нескольких параллельных каналов — экономия трафика.

Преимущества:

— экономнее чем SIP в требованиях к трафику;

— проще конфигурация NAT и файрвола;

— меньше неочевидных проблем (при наличии файрвола невозможна ситуация, когда соединение устанавливается, а голосовые данные пройти не могут, в отличии от SIP)

— IAX2 эффективнее RTP (SIP) для любого количества одновременных соединений, и при использовании любого кодека. Экономия начиная от 2.4k для единственного вызова, до приблизительно утроения количества одновременных соединений через мегабитовый поток для G.729 при использовании trunk mode.

Для построения VoIP сети дипломного проекта будет использоваться только протокол SIP, так как он более легок в использовании и настройке.

---

1  2