Лекция 4

 

Общие принципы IP-телефонии

 

Терминология

 

   В технической литературе используются три основных термина для обозначения тех­нологии передачи речи по сетям с пакетной коммутацией на базе протокола IP (Internet Protocol):

   Хотя терминология в области IP-телефонии не устоялась окончательно, попробуем все-таки внести некоторую ясность хотя бы в рамках данного курса.

   Под IP-телефонией будем понимать технологию, позволяющую использовать любую сеть с пакетной коммутацией на базе протокола IP (например, сеть Интернет) в качестве средства организации и ведения международных, междугородных и местных телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени.

   За рубежом технология передачи голосовой информации с использованием протокола IP имеет устоявшееся название Voice over IP (VoIP). В отношении сервисов и технологий между IP-телефонией и VoIP нет никакой разницы. Различные производители могут предпо­читать один или другой термин либо использовать их в равной степени. С точки же зрения сетевых решений «IP-телефония», безусловно, - термин более содержательный, так как она реализуется не только на уровне каналов передачи (как глобальных, так и локальных), но и на уровне абонентского оборудования и, что немаловажно, учрежденческих автоматических телефонных станций (УАТС). Последнее действительно означает фактическую интеграцию телефонии в ее привычном понимании и IP-сетей.

Интернет-телефония - это частный случай IP-телефонии, когда в качестве каналов передачи пакетов телефонного трафика либо от абонента к оператору, либо на магистрали (либо на обоих названных участках) используются обычные каналы сети Интернет.

   Спор о терминах в области IP-телефонии до сих пор не решен на международном уровне.    Так организаторы семинара Международного союза электросвязи (ITU), посвящен­ного IP-телефонии (Женева, 14-16 июня 2000 г.), выступили с предложением считать IP-телефонию общим понятием, включающим Интернет-телефонию и VoIP.

Участникам семинара было предложено для обсуждения следующее различие техно­логий:

   В процессе обсуждения документа выяснилось, что подходы стран-участниц ITU к то­му, что есть IP-телефония и как с ней следует поступать, совершенно различны. Существуют два противоположных взгляда на IP-телефонию:

   Но даже при втором подходе возникли противоречия в определениях: IP-телефония -эта услуга реального или нереального времени? В некоторых странах для разделения услуг телефонной сети общего пользования (ТфОП) и IP-телефонии используются понятия: за­держка и качество обслуживания. И отсюда возможны два подхода к определению IP-телефонии:

В итоге участники семинара пришли к выводу, что право на жизнь имеет целый ряд тер­минов и определений, особенно, принимая во внимание быстрое развитие данной технологии.

 

Принципы пакетной передачи речи

 

   «Классические» телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов (рис. 4.1), которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соедине­ния.

   Следовательно, один телефонный разговор представляет собой одно физическое соеди­нение телефонных каналов.

   В этом случае аналоговый сигнал шириной 3,1 кГц передается на ближайшую АТС, где он мультиплексируется по технологии временного разделения с сигна­лами, которые поступают от других абонентов, подключенных к этой АТС.

   Далее групповой сигнал передается по сети межстанционных каналов. Достигнув АТС назначения, сигнал де­мультиплексируется и доходит до адресата.

   Основным недостатком телефонных сетей с коммутацией каналов является неэффективное использование полосы канала - во время пауз в речи канал не несет никакой полезной нагрузки.

 

 

Рис. 4.1. Соединение в «классической» телефонной сети

 

   Переход от аналоговых к цифровым технологиям стал важным шагом для возникнове­ния современных цифровых телекоммуникационных сетей. Одним из таких шагов в развитии цифровой телефонии стал переход к пакетной коммутации. В сетях пакетной коммутации по каналам связи передаются единицы информации, которые не зависят от физического носителя. Такими единицами могут быть пакеты, кадры или ячейки (в зависимости от протокола), но в любом случае они передаются по разделяемой сети (рис. 4.2), более того - по отдельным вир­туальным каналам, не зависящим от физической среды. Каждый пакет идентифицируется заго­ловком, который может содержать информацию об используемом им канале, его происхожде­нии (т.е. об источнике или отправителе) и пункте назначения (о получателе или приемнике).

   В сетях на основе протокола IP все данные - голос, текст, видео, компьютерные про­граммы или информация в любой другой форме - передаются в виде пакетов. Любой компью­тер и терминал такой сети имеет свой уникальный IP-адрес, и передаваемые пакеты маршру­тизируются к получателю в соответствии с этим адресом, указываемом в заголовке. Данные могут передаваться одновременно между многими пользователями и процессами по одной и той же линии. При возникновении проблем IP-сети могут изменять маршрут для обхода неис­правных участков. При этом протокол IP не требует выделенного канала для сигнализации.

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

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

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

 

 

Рис. 4.2. Соединение в сети с коммутацией пакетов

 

   Извлечение переданной голосовой информации из полученных пакетов также про­исходит в несколько этапов. Когда голосовые пакеты приходят на терминал получателя, то сначала проверяется их порядковая последовательность. Поскольку IP-сети не гарантируют время доставки, то пакеты со старшими порядковыми номерами могут прийти раньше, более того, интервал времени получения также может колебаться. Для восстановления исходной последовательности и синхронизации происходит временное накопление пакетов. Однако некоторые пакеты могут быть вообще потеряны при доставке, либо задержка их доставки пре­вышает допустимый разброс. В обычных условиях приемный терминал запрашивает повтор­ную передачу ошибочных или потерянных данных. Но передача голоса слишком критична ко времени доставки, поэтому в этом случае либо включается алгоритм аппроксимации, позво­ляющий на основе полученных пакетов приблизительно восстановить потерянные, либо эти потери просто игнорируются, а пропуски заполняются данными случайным образом.

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

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

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

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

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

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

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

   Общий принцип действия телефонных серверов Интернет-телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны, сервер связан с Интернетом и может связаться с любым компьюте­ром в мире.

   Сервер принимает стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через Интер­нет по назначению с использованием протокола IP. Для пакетов, приходящих из сети на теле­фонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке.

   Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной се­ти) происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный раз­говор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Например, звонок «телефон-компьютер» или «компьютер-телефон» может обеспечивать один телефонный сервер. Для организации связи телефон (факс)-телефон (факс) нужно два сервера.

   Основным сдерживающим фактором на пути масштабного внедрения IP-телефонии является отсутствие в протоколе IP механизмов обеспечения гарантированного качества ус­луг, что делает его пока не самым надежным транспортом для передачи голосового трафика.

   Сам протокол IP не гарантирует доставку пакетов, а также время их доставки, что вызывает такие проблемы, как «рваный голос» и просто провалы в разговоре. Сегодня эти проблемы решаются: организации по стандартизации разрабатывают новые протоколы, производители выпускают новое оборудование, но на этом уровне дела с совместимостью и стандартизаци­ей обстоят уже не так хорошо, как с «упаковкой» речи в пакеты. Заметим, что если в рамках частной корпоративной сети некоторая потеря качества голосовой связи при сильной загру­женности ресурсов вполне терпима при условии, что средний показатель будет вполне удов­летворительным, то в случае сети общего пользования все намного серьезнее.

   Поскольку оператор предоставляет некоторый сервис и берет за него деньги, он обязан гарантировать его качество. Даже если клиент согласен (хотя в условиях жесткой конкуренции на рынке телекоммуникаций это маловероятно) время от времени мириться с не очень высоким уровнем качества, он может предъявить претензии в случае серьезных или длительных про­блем. Как бы то ни было, оператор вынужден следить за качеством предоставляемых услуг, для чего в случае их масштабного предоставления ему требуется соответствующая аппаратура и программное обеспечение, которое достаточно дорого и имеется не во всех точках сети.

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

 

Виды соединений в сети IP-телефонии

 

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

 

 

  

Рис. 4.3. Схема связи «телефон-телефон»

 

   Следует отметить, что в соединениях 1 и 2 типов вместо телефонных аппаратов могут быть включены факсимильные аппараты, и в этом случае сеть IP-телефонии должна обеспе­чивать передачу факсимильных сообщений.

 

Рис. 4.4. Схема связи «компьютер-телефон»

 

 

Рис. 4.5. Схема связи «компьютер-компьютер»

 

 

 

Рис. 4.6. Схема связи «WEB-браузер - телефон»

 

Преимущества использования IP-телефонии

 

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

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

   Для Интернет-провайдеров услуга Интернет-телефонии обеспечивает следующие пре­имущества:

   Операторы «классических» телефонных сетей настороженно отнеслись к появлению IP-телефонии, так как передача речи по IP-сетям неизбежно вынуждает их снижать тарифы на междугородные и международные разговоры, что приведет к прямому сокращению их доходов. Так, финансовые службы США обещают убытки крупнейшего поставщика тради­ционного телефонного сервиса - компании AT&T от 620 до 950 миллионов долларов на ме­ждународных звонках от потери доли рынка в пользу средств IР-телефонии.

   С появлением IP-телефонии в рядах операторов дальней связи началась легкая паника, которая вызвала первое и вполне логичное желание вытеснить с рынка появившихся конку­рентов с помощью известных лоббистских приемов, позволяющих оказывать давление на национальные администрации связи с целью ограничения лицензирования, а также с помо­щью повышения платы за доступ в Интернет. Некоторые американские операторы, напри­мер, пытались добиться запрета IP-телефонии через Федеральную комиссию связи, однако ввиду потенциального ущемления прав потребителей все это успеха не имело.

   В результате традиционные телефонисты вынуждены были сами заняться IP-технологиями и, надо отдать им должное, довольно быстро преуспели в этом, используя IP-решения как минимум для создания резервных каналов для пропуска трафика на случай пе­регрузок или аварий, что позволило получать им дополнительную прибыль. Одновременно в настоящее время проектируются универсальные магистральные IP-сети, которые в будущем должны не то чтобы заменить традиционные телефонные сети, но существенно их дополнить услугами передачи данных, видео и мультимедиа.

   Тем временем оказалось, что, к сожалению, IP-телефония, не приводит к многократ­ной экономии средств оператора, вкладываемых в передачу голосового трафика на дальние расстояния, как это на первый взгляд может показаться при анализе деятельности сегодняш­них компаний, предоставляющих эти услуги. И камнем преткновения здесь является все то же качество передачи речи. В результате сегодня IP-технологии с успехом успешно приме­няются для создания выделенных мультисервисных корпоративных сетей связи. Но если речь идет о выходе в общедоступный Интернет, в котором работают миллионы пользовате­лей, - гарантировать высокое качество передачи речевого трафика не берется никто. Ведь передача речи весьма чувствительна к задержкам, а Интернет вовсе не гарантирует не то что задержку, но простую доставку всех посланных IP-пакетов, которые могут приходить в пункт назначения различными путями и совсем не в том порядке, в каком посылались. И то, что обычному пользователю Интернета, бродящему по Web-сайтам, порой незаметно, поль­зователю Интернет-телефонии очень даже мешает.

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

   Поэтому, несмотря на имеющее сегодня в мире место превышение объемов трафика данных над объемами голосового трафика в ближайшие годы не ожидается каких-либо рево­люционных изменений, например, как полное вытеснение традиционных технологий переда­чи голоса.

 

 

Контрольные вопросы

 

  1. Перечислите термины для обозначения технологии передачи речи по сетям IP.
  2. Что такое IP телефония.
  3. Что такое интернет телефония.
  4. Что является основным сдерживающим фактором при внедрении IP телефонии.
  5. Перечислите виды соединений в IP телефонии.
  6. Изобразите и охарактеризуйте схему связи IP телефонии «телефон-телефон».
  7. Изобразите и охарактеризуйте схему связи IP телефонии «компьютер-телефон».
  8. Изобразите и охарактеризуйте схему связи IP телефонии «компьютер-компьютер».
  9. Изобразите и охарактеризуйте схему связи IP телефонии «WEB-браузер - телефон».
  10. Изобразите и охарактеризуйте соединение в сети с коммутацией каналов.
  11. Изобразите и охарактеризуйте соединение в сети с коммутацией пакетов.
  12. Перечислите семь преимуществ использования IP телефонии.
  13. Перечислите преимущества использования IP телефонии для интернет провайдеров.
  14. Каким образом осуществляется сопряжение IP сети и ТфОП.

 

Библиография

 

1.      Росляков А. В., и др. IP-телефония.М., Эко-Трендз, 2003.

2.      Гольдштейн Б.С. и др. IP-телефония.М., Радио и Связь, 336с.

3.      Дэвидсон Д. и др. Основы передачи голосовых данных по сетям IP.,М., 2007.,391 с.