Лекция 5

 

Уровни архитектуры IP-телефонии

 

   Архитектура технологии Voice over IP может быть упрощенно представлена в виде двух плоскостей. Нижняя плоскость - это базовая сеть с маршрутизацией пакетов IP, верхняя плоскость - это открытая архитектура управления обслуживанием вызовов (запросов связи).

   Нижняя плоскость, говоря упрощенно, представляет собой комбинацию известных протоколов Интернет: это - RTP (Real Time Transport Protocol), который функционирует поверх протокола UDP (User Datagram Protocol), расположенного, в свою очередь, в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP.

   Таким образом, иерархия RTP/UDP/IP представляет собой своего рода транспортный механизм для речевого трафика. Этот механизм будет более подробно рассмотрен в [1], глава 4, посвященной протоколам Интернет для передачи речи в реальном времени. Здесь же отметим, что в сетях с маршрутизацией пакетов IP для передачи данных всегда предусматриваются механизмы повторной передачи пакетов в случае их потери. При передаче информации в реальном времени использование таких механизмов только ухудшит ситуацию, поэтому для передачи информации, чувствительной к задержкам, но менее чувствительной к потерям, такой как речь и видеоинформация, используется механизм негарантированной доставки информации RTP/UDPD/IP.

   Рекомендации ITU-Т допускают задержки в одном направлении не превышающие 150 мс. Если приемная станция запросит повторную передачу пакета IP, то задержки при этом будут слишком велики. Эти проблемы более подробно рассматриваются в [1] глава 10, посвященной качеству обслуживания.

   Теперь перейдем к верхней плоскости управления обслуживанием запросов связи.                                               Вообще говоря, управление обслуживанием вызова предусматривает принятие решений о том, куда вызов должен быть направлен, и каким образом должно быть установлено соединение между абонентами.

   Инструмент такого управления-телефонные системы сигнализации, начиная с систем, поддерживаемых декадно-шаговыми АТС и предусматривающих объединение функций маршрутизации и функций создания коммутируемого разговорного канала в одних и тех же декадно-шаговых искателях. Далее принципы сигнализации эволюционировали к системам сигнализации по выделенным сигнальным каналам, к многочастотной сигнализации, к протоколам общеканальной сигнализации №7 [5, 6] и к передаче функций маршрутизации в соответствующие узлы обработки услуг Интеллектуальной сети [7].

   В сетях с коммутацией пакетов ситуация более сложна. Сеть с маршрутизацией пакетов IP принципиально поддерживает одновременно целый ряд разнообразных протоколов маршрутизации.

   Такими протоколами на сегодня являются:

RIP - Routing Information Protocol,

IGRP - Interior Gateway Routing Protocol,

EIGRP – Enhanced Interior Gateway Routing Protocol,

IS-IS - Intermediate System-to-intermediate System,

OSPF - Open Shortest Path First,

BGP - Border Gateway Protocol и др.

   Точно так же и для IP-телефонии разработан целый ряд протоколов. Рассматриваемые в этой лекции стандарты содержат положения, относящиеся к передаче речи по IP-сетям [1] глава 3 и к сигнализации для IP-телефонии [1] главы 6, 7, 8 и 9.

   Наиболее распространенным является протокол, специфицированный в рекомендации Н.323 ITU-T, в частности, потому, что он стал применяться раньше других протоколов, которых, к тому же, до внедрения Н.323 вообще не существовало. Этот протокол подробно рассматривается в [1] главы 5 и 6.

   Другой протокол плоскости управления обслуживанием вызова - SIP - ориентирован на то, чтобы сделать оконечные устройства и шлюзы более интеллектуальными и поддерживать дополнительные услуги для пользователей. Этот протокол подробно рассматривается в [1] глава 7.

   Еще один протокол - SGCP - разрабатывался, начиная с 1998 года, для того, чтобы уменьшить стоимость шлюзов за счет реализации функций интеллектуальной обработки вызова в централизованном оборудовании.

   Протокол IPDC очень похож на SGCP, но имеет много больше, чем SGCP, механизмов эксплуатационного управления (ОАМ&Р).

   В конце 1998 года рабочая группа MEGACO комитета IETF разработала протокол MGCP, базирующийся, в основном, на протоколе SGCP, но с некоторыми добавлениями в части ОАМ&Р. Протокол MGCP подробно рассматривается в [1] глава 8.

Рабочая группа MEGACO не остановилась на достигнутом, продолжала совершенствовать протокол управления шлюзами и разработала более функциональный, чем MGCP, протокол MEGACO. Его адаптированный к Н.323 вариант (под названием Gateway Control Protocol) ITU-T предлагает в рекомендации Н.248. Протоколу MEGACO/H.248 посвящена глава 9.1.5 в [1].

 

Различные подходы к построению сетей IP-телефонии

 

   Чтобы стало понятно, чем конкретно отличаются друг от друга перечисленные в предыдущем параграфе протоколы, кратко рассмотрим архитектуру сетей, построенных на базе этих протоколов, и процедуры установления и завершения соединения с их использованием.

 

Построение сети по рекомендации Н.323

 

   Первый в истории подход к построению сетей IP-телефонии на стандартизованной основе предложен Международным союзом электросвязи (ITU) в рекомендации Н.323 [7]. Сети на базе протоколов Н.323 ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных. В частности, процедура установления соединения в таких сетях IP-телефонии базируется на рекомендации Q.931 [8] и аналогична процедуре, используемой в сетях ISDN.  

   Рекомендация Н.323 предусматривает довольно сложный набор протоколов, который предназначен не просто для передачи речевой информации по IP-сетям с коммутацией пакетов. Его цель - обеспечить работу мультимедийных приложений в сетях с

негарантированным качеством обслуживания. Речевой трафик - это только одно из приложений Н.323, наряду с видеоинформацией и данными. А так как ничего в технике (как и в жизни) не достается даром, обеспечение совместимости с Н.323 различных мультимедийных приложений требует весьма значительных усилий.

   Например, для реализации функции переключения связи (call transfer) требуется отдельная спецификация Н.450.2. Вариант построения сетей IP-телефонии, предложенный Международным союзом электросвязи в рекомендации Н.323, хорошо подходит тем операторам местных телефонных сетей, которые заинтересованы в использовании сети с коммутацией пакетов (IP- сети) для предоставления услуг междугородной и международной связи. Протокол RAS, входящий в семейство протоколов Н.323, обеспечивает контроль использования сетевых ресурсов, поддерживает аутентификацию пользователей и может обеспечивать начисление платы за услуги. На рис 5.1. представлена архитектура сети на базе рекомендации Н.323. Основными устройствами сети являются:

 

 

 

 

 

Рис. 5.1. Архитектура сети Н.323

 

   Терминал Н.323 - оконечное устройство пользователя сети IP-телефонии, которое обеспечивает двухстороннюю речевую (мультимедийную) связь с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления конференциями.

   Шлюз IP-телефонии реализует передачу речевого трафика по сетям с маршрутизацией пакетов IP по протоколу Н.323. Основное назначение шлюза - преобразование речевой информации, поступающей со стороны ТФОП, в вид, пригодный для передачи по сетям с маршрутизацией пакетов IP. Кроме того, шлюз преобразует сигнальные сообщения систем сигнализации DSS1 и ОКС7 в сигнальные сообщения Н.323 и производит обратное преобразование в соответствии с рекомендацией ITU H.246.

   В привратнике сосредоточен весь интеллект сети IP-телефонии. Сеть, построенная в соответствии с рекомендацией Н.323, имеет зонную архитектуру (рис. 5.2). Привратник выполняет функции управления одной зоной сети IP-телефонии, в которую входят:

терминалы, шлюзы, устройства управления конференциями,

зарегистрированные у данного привратника.

   Отдельные фрагменты зоны сети Н.323 могут быть территориально разнесены и соединяться друг с другом через маршрутизаторы.

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.2 Зона сети Н.323

 

   Наиболее важными функциями привратника являются:

• регистрация оконечных и других устройств;

• контроль доступа пользователей системы к услугам IP-

телефонии при помощи сигнализации RAS;

• преобразование alias-адреса вызываемого пользователя

(объявленного имени абонента, телефонного номера, адреса

электронной почты и др.) в транспортный адрес сетей с

маршрутизацией пакетов IP (IP адрес + номер порта TCP);

• контроль, управление и резервирование пропускной

способности сети;

• ретрансляция сигнальных сообщений Н.323 между

терминалами.

   В одной сети IP-телефонии, отвечающей требованиям рекомендации ITU Н.323, может находиться несколько привратников, взаимодействующих друг с другом по протоколу RAS. Кроме основных функций, определенных рекомендацией Н.323, привратник может отвечать за аутентификацию пользователей и начисление платы (биллинг) за телефонные соединения.

   Устройство управления конференциями обеспечивает

возможность организации связи между тремя или более участниками. Рекомендация Н.323 предусматривает три вида конференции (рис. 5.3):

 

 

 

Рис. 5.3. Виды конференции в сетях Н.323

 

   Преимуществом централизованной конференции является

сравнительно простое терминальное оборудование, недостатком - большая стоимость устройства управления конференциями.

   Для децентрализованной конференции требуется более сложное терминальное оборудование и желательно, чтобы в сети IP поддерживалась передача пакетов IP в режиме многоадресной рассылки (IP multicasting). Если этот режим в сети не поддерживается, терминал должен передавать речевую информацию каждому из остальных участников конференции в режиме точка-точка.

   Устройство управления конференциями состоит из одного

обязательного элемента-контроллера конференций (Multipoint Controller - МС), и, кроме того, может включать в себя один или более процессоров для обработки пользовательской информации

   (Multipoint Processor - МР). Контроллер может быть физически совмещен с привратником, шлюзом или устройством управления конференциями, а последнее, в свою очередь, может быть совмещено со шлюзом или привратником. Контроллер конференций используется для организации конференции любого вида. Он организует обмен между участниками конференции данными о режимах, поддерживаемых их терминалами, и указывает, в каком режиме участники конференции могут передавать информацию, причем в ходе конференции этот режим может изменяться, например, при подключении к ней нового участника. Так как контроллеров в сети может быть несколько, для каждой вновь создаваемой конференции должна быть проведена специальная процедура выявления того контроллера, который будет управлять данной конференцией.

   При организации централизованной конференции, кроме контроллера МС, должен использоваться процессор МР, обрабатывающий пользовательскую информацию. Процессор МР отвечает за переключение или смешивание речевых потоков, видеоинформации и данных. Для централизованной конференции процессор не нужен.

   Существует еще один элемент сети Н .323 - прокси-сервер Н.323, т.е. сервер-посредник. Этот сервер функционирует на прикладном уровне и может проверять пакеты с информацией, которой обмениваются два приложения. Прокси-сервер может определять, с каким приложением (Н.323 или другим) ассоциирован вызов, и осуществлять нужное соединение. Прокси-сервер выполняет следующие ключевые функции:

• подключение через средства коммутируемого доступа или

локальные сети терминалов, не поддерживающих протокол резервирования ресурсов (RSVP). Два таких прокси-сервера могут образовать в IP-сети туннельное соединение с заданным качеством обслуживания;

• маршрутизацию трафика Н.323 отдельно от обычного трафика данных;

• обеспечение совместимости с преобразователем сетевых

адресов, поскольку допускается размещение оборудования Н.323 в сетях с пространством адресов частных сетей;

• защиту доступа - доступность только для трафика Н.323.

   Более подробно архитектура сети Н.323 будет рассмотрена в главе 5, а сейчас целесо-

образно сказать несколько слов о протоколах сигнализации, входящих в семейство Н.323.

   Протокол RAS (Registration, Admission, Status) обеспечивает взаимодействие оконечных и других устройств с привратником. Основными функциями протокола являются: регистрация устройства в системе, контроль его доступа к сетевым ресурсам, изменение полосы пропускания в процессе связи, опрос и индикация текущего состояния устройства. В качестве транспортного протокола используется протокол с негарантированной доставкой информации UDP.

   Протокол Н.225.0 (Q.931) поддерживает процедуры установления, поддержания и разрушения соединения. В качестве транспортного протокола используется протокол с установлением соединения и гарантированной доставкой информации TCP.

   По протоколу Н.245 происходит обмен между участниками соединения информацией, которая необходима для создания логических каналов. По этим каналам передается речевая информация, упакованная в пакеты RTP/UDP/IP.

Выполнение процедур, предусмотренных протоколом RAS, является начальной фазой установления соединения с использованием сигнализации Н.323. Далее следуют фаза

сигнализации Н.225.0 (Q.931) и обмен управляющими сообщениями Н.245. Разрушение соединения происходит в обратной последовательности: в первую очередь закрывается управляющий канал Н.245 и сигнальный канал Н.225.0, после чего привратник по каналу RAS оповещается об освобождении ранее занимавшейся полосы пропускания.

   Сложность протокола Н.323 демонстрирует рис. 5.4, на котором представлен упрощенный сценарий установления соединения между двумя пользователями. В данном сценарии предполагается, что конечные пользователи уже знают IP-адреса друг друга. В обычном случае этапов бывает больше, поскольку в установлении соединения

участвуют привратники и шлюзы. 

   Рассмотрим шаг за шагом этот упрощенный сценарий.

1. Оконечное устройство пользователя А посылает запрос

соединения - сообщение SETUP - к оконечному устройству

пользователя В на ТСР-порт 1720.

2. Оконечное устройство вызываемого пользователя В отвечает на сообщение SETUP сообщением ALERTING, означающим, что устройство свободно, а вызываемому пользователю подается сигнал о входящем вызове.

3. После того, как пользователь В принимает вызов, к

вызывающей стороне А передается сообщение CONNECT с номером ТСР-порта управляющего канала Н.245.

4. Оконечные устройства обмениваются по каналу Н.245

информацией о типах используемых речевых кодеков(G.729, G.723.1 и т.д.), а также о других функциональных возможностях оборудования, и оповещают друг друга о номерах портов RTP, на которые следует передавать информацию.

5. Открываются логические каналы для передачи речевой

информации.

6. Речевая информация передаётся в обе стороны в сообщениях протокола RTP; кроме того, ведется контроль передачи информации при помощи протокола RTCP.

 

 

 

 

 

Рис. 5.4. Упрощённый сценарий установления соединения в сети Н.323

 

   Приведенная процедура обслуживания вызова базируется на протоколе Н.323 версии 1. Версия 2 протокола Н.323 позволяет передавать информацию, необходимую для создания логических каналов, непосредственно в сообщении SETUP протокола Н.225.0 без использования протокола Н.245. Такая процедура называется «быстрый старт» (Fast Start) и позволяет сократить количество циклов обмена информацией при установлении соединения.

   Кроме организации базового соединения, в сетях Н.323 предусмотрено предоставление дополнительных услуг в соответствии с рекомендациями ITU H.450.X.

   Следует отметить еще одну важную проблему - качество обслуживания в сетях Н.323. Оконечное устройство, запрашивающее у привратника разрешение на доступ, может, используя поле transport QoS в сообщении ARQ протокола RAS, сообщить о своей способности резервировать сетевые ресурсы. Рекомендация Н.323 определяет протокол резервирования ресурсов (RSVP) как средство обеспечения гарантированного качества обслуживания, что предъявляет к терминалам требование поддержки протокола RSVP. К сожалению, протокол RSVP используется отнюдь не повсеместно, что оставляет сети Н.323 без основного механизма обеспечения гарантированного качества обслуживания.         Это- общая проблема сетей IP-телефонии, характерная не только для сетей Н.323.

   Мониторинг качества обслуживания обеспечивается протоколом RTCP, однако обмен информацией RTCP происходит только между оконечными устройствами, участвующими в соединении. Более подробно эта проблематика рассматривается в [1] глава 10, целиком

посвященной качеству обслуживания вызовов IP-телефонии.

 

 

Контрольные вопросы

 

  1. Изобразите и охарактеризуйте два уровня архитектуры VoIP.
  2. Какие протоколы служат транспортным механизмом речевого трафика.
  3. Какие протоколы поддерживает сеть с маршрутизацией пакетов IP.
  4. Перечислите протоколы разработанные для IP телефонии.
  5. Перечислите основные элементы сети на базе протокола H.323.
  6. Изобразите архитектуру сети H.323.
  7. Что такое и для чего служит терминал  в сети H.323.
  8. Что такое и для чего служит шлюз в сети H.323.
  9. Что такое и для чего служит привратник в сети H.323.
  10. Что такое и для чего служит MCU  в сети H.323.
  11. Сколько и какие виды конференций предусмотрены в H.323.
  12. Приведите схему централизованной конференции.
  13. Приведите схему децентрализованной конференции.
  14. Для чего нужны MP и MC в сети H.323.
  15. Изобразите зонную архитектуру  H.323 и перечислите ее основные элементы.
  16. Что такое прокси-сервер Н.323 и для чего он служит.
  17. Перечислите основные функции прокси-сервера сети Н.323.
  18. Дайте характеристику протоколу RAS.
  19. Дайте характеристику протоколу Н.225.0.
  20. Дайте характеристику протоколу Н.245.
  21. Изобразите сценарий установления соединения в сети Н.323.
  22. Для чего служит и что означает сообщение SETUP в Н.323.
  23. Для чего служит и что означает сообщение ALERTING в Н.323.
  24. Для чего служит и что означает сообщение CONNECT в Н.323.
  25. В сообщениях какого протокола передается речевая информация в сети Н.323.

 

 

 

 

Библиография

 

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

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

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

4.      Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. Том 1. М.: Радио и связь, 1998.

5.      Гольдштейн Б.С. Протоколы сети доступа. Том 2. М.: Радио и связь, 1999.

6.      Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М., Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети. М.: Радио и связь, 2000.

7.      ITU-T Recommendation H.323. Packet based multimedia communication systems. - Geneva, 1998.

8.      ITU-T Recommendation Q.931. ISDN User-Network Interface Layer 3 Specification for Basic Call Control. - 1993.