Телефонія - це комплекс технологій обміну голосовими повідомленнями в режимі реального часу. IP-телефонія - комплекс технологій обміну голосовими повідомленнями, що використовує мережу IP як транспортна. Виходячи з другого визначення, виділимо ширшу множину - комплекс технологій обміну голосовими повідомленнями і що використовує мережі з комутацією пакетів як транспортні. У основі всіх цих технологій лежать загальні технічні принципи. Отже, IP-телефонія є підмножина ширшого поняття - пакетній телефонії. А термін «IP-телефонія» прижився просто завдяки моді на Інтернет і всьому, що з ним пов'язане.
Небагато історія: телефонія
Спочатку для передачі голосу використовувався аналоговий сигнал - електромагнітна хвиля, що передається по мідному дроту. Для одночасної передачі декількох аналогових сигналів по одному дроту використовувалося частотне мультиплексування (ущільнення). Основна смуга частот каналу ділиться на деяке число смуг (підканалів) за допомогою фільтрів з частотами зрізу, зрушеними на 4 кгц щодо один одного (фактична смуга пропускання каналу - 3,1.4 кгц). Смуги зрушуються один щодо одного методом амплітудної модуляції.
Для усунення взаємного впливу підканалів використовується захисна смуга, як правило, шириною 900 Гц (іноді її можна почути в трубці як шипіння або завивання). При високих рівнях сигналу в каналах виникає перехресне наведення, із-за якого чутна паралельна розмова або радіо (останнє - результат уловлювання радіосигналу яким-небудь контуром).
.
Якщо зменшити ширину смуги, в основний діапазон можна запихнути більше підканалів. Модем на такій лінії працюватиме дуже погано (або взагалі не зможе), хоча голос буде цілком впізнанний (мозок здатний відновлювати нечіткий або помилковий сигнал так, як це не снилося сучасним адаптивним кодекам типа CS-ACELP).
Потім придумали тимчасове мультиплексування, при якій для передачі сигналу кожного підканалу використовується фіксований часовий інтервал (тайм-слот), а за нею - імпульсний-кодову модуляцію, що дозволила перейти від аналогового сигналу до цифрового. Коли це трапилося (досить давно, до речі), конвергенція в традиційних мережах зв'язку завершилася, хоча зв'язківці про це навіть не підозрювали.
Ще небагато історія: передача даних
Мережі передачі даних створювалися для обміну цифровою інформацією. Основною особливістю трафіку даних є його асинхронность. Коли комп'ютери були великими, а процесорний час дорогим, використовувалася пакетна обробка даних: формувався пакет завдань, який завантажував центральний процесор, а результати лунали всім користувачам після закінчення обчислення. Тому тимчасове мультиплексування на каналах введення-висновку було звичайною справою. Крім того, при передачі цифрових даних застосовуються коди з корекцією помилок, а також алгоритми перезапроса зниклих при передачі пакетів.
А ви куди дзвоните?
Окремим завданням в мережах телефонії є маршрутизація і комутація викликів. Спочатку ці функції виконував розумний пристрій під назвою «панночка». Потім хтось великий, не пам'ятаю хто, винайшов автоматичний комутатор. По легенді він був похоронних справ майстром, а дружина його конкурента працювала на телефонному вузлі розумним комутатором і, першою дізнається про потенційного покупця, сполучала з конторою чоловіка. Тому бізнес у нашого трунаря йшов погано, і він вирішив податися в зв'язківці.
Зараз для маршрутизації викликів в телефонній мережі використовується група протоколів SS7 (російський аналог - ОКС 7). Найцікавіше, що для передачі сигнальних повідомлень в SS7 використовується пакетний протокол із статичною маршрутизацією (в термінах IP). Розвиток мереж передачі даних привів до відмови від тимчасового мультиплексування на користь пакетної комутації зі встановленням з'єднання (X. 25, Frame Relay, АТМ). Ця тенденція була обумовлена необхідністю вичавити з місткості фізичного каналу якомога більше, і мережі з пакетною комутацією використовують для цього асинхронность, властиву природі трафіку даних.
Проте маршрутизація викликів в таких мережах будувалася на основі старих добрих телефонних принципів (до речі, X. 25 і АТМ мають однаковий з телефонією стандарт адресації ITU-T E. 164). Спочатку по службовому каналу відбувалася сигналізація встановлення з'єднання (тобто всім транзитним комутаторам повідомлялося про необхідність резервування ресурсів під канал передачі), а потім починалася власне передача даних. Тому ці мережі були жорстко ієрархічними і централізованими. Виключенням є мережі АТМ, але до моменту виникнення цієї технології вже був накопичений величезний досвід динамічної маршрутизації в мережах IP.
.
Використовувані абревіатури
АТМ (Asynchronous Transfer Mode) - технологія високошвидкісної одночасної передачі трафіку всіх видів (дані, голос і відео) в мережах з комутованими каналами; стандарт на комутовані мережі, затверджений МККТТ в 1985 р.
SNA (Systems Network Architecture) - архітектура комп'ютерної мережі для корпоративних систем, розроблена IBM.
APPN (Advanced Peer-to-Peer Networking) - розширення архітектури SNA, що дозволяє системі автоматично настроюватися на топологію мережі і направляти інформацію по мережі, минувши хост-комп'ютер.
TDM (Time-Division Multiplexing) - технологія об'єднання інформації, що поступає по декількох низькошвидкісних лініях, і її подальшої передачі поодинці високошвидкісному каналу зв'язку.
ISDN (Integrated Services Digital Network) - стандарт зв'язку, що забезпечує високошвидкісну передачу по цифровій лінії різних типів даних: текстових, цифрових, звукових, відео і ін.
OSI (Open Systems Interconnection) - семирівнева модель протоколів передачі даних, затверджена ISO в 1984 р. для забезпечення взаємодії відкритих систем.
DWDM (Dense Wave Division Multiplexing, Dense WDM) - технологія ущільнення в оптоволоконних лініях зв'язку, заснована на використанні світлових хвиль різної довжини.
xDSL - збірна назва, що позначає групу технологій цифрової абонентської лінії DSL(Digital Subscriber Line)
IETF (Internet Engineering Task Force) - громадська організація, в якій обговорюються технічні проблеми мережі Internet і створюються робочі групи для їх вирішення.
DTMF (Dual Tone Multi-Frequency) - двохтональний багаточастотний набір номера, кожна цифра передається комбінацією двох тональних сигналів.
детальніше розшифровку абревіатур можна подивитися на сайтах: www.midnight-computing.com (по-англійськи) і kolbi.ru (по-російськи).
Від реальності до віртуальності
Наступним кроком стала концепція віртуального комутатора, що оформилася за наслідками всієї цієї титанічної роботи. Традиційна телефонна мережа жорстко ієрархична по рівнях: зона, регіон, центр агрегації (toll switch), міський комутатор, учрежденчеській комутатор, PBX. Відповідно для організації регіонального транзиту телефонного трафіку необхідно встановити в кожному регіоні могутній комутатор і зв'язати їх всіх між собою величезною кількістю транкових каналів і каналів сигналізації, об'єднавши в мережу SS7. Транзитний виклик спочатку «піднімається» за допомогою протоколів сигналізації по рівнях, а потім «опускається» для визначення кінцевого абонента в іншому регіоні.
Всім комутаторам віддається команда забезпечити з'єднання (виділити осередки в комутаційній матриці). При цьому число транкових каналів, а значить, кількість одночасних з'єднань і місткість комутаційної матриці АТС завжди у багато разів менше, ніж загальна кількість абонентів, підключених до комутатора, оскільки статистично всі користувачі одночасно не розмовляють. Якщо таке раптом трапиться, телефонна мережа захлинеться (до речі, так і відбувається в Новий рік, коли за п'ять хвилин до бою курантів народ кидається поздоровляти один одного).
.
Припустимо, АТМ або IP-мережа з вузлами доступу є в кожному регіоні. На граничному комутаторі визначається адреса кінцевого абонента, а потім виклик маршрутізіруєтся за цією адресою автоматично. При цьому вся мережа працює як один великий розподілений комутатор. Використання концепції «віртуального комутатора» дозволяє значно скоротити вкладення в інфраструктуру при побудові крупних мереж зв'язку.
Проблеми IP-телефонії і методи їх рішення
Основна проблема IP-мереж - якість обслуговування при транзиті трафіку реального часу. IP-протокол не потребує встановлення з'єднання. Його базовий принцип полягає в тому, що зв'язність (connectivity) є фундаментальний атрибут мережі, що дозволяє будь-якому абонентові здійснювати комунікацію з будь-яким іншим абонентом без процедури встановлення з'єднання, резервування ресурсів на транзитних комутаторах і т.д. Проте це означає, що додатки, засновані на IP, не повинні залежати від варіації затримок при передачі пакетів. Для HTTP-протоколу не важливо, викачується веб-сторінка п'ять або п'ятнадцять секунд.
Для голосового трафіку варіація затримки навіть критичніша, ніж втрата пакетів. Пропажа одного або декількох пакетів з короткими голосовими фрагментами може бути компенсована алгоритмом кодека за допомогою адаптивної екстраполяції. Врешті-решт, пропажа ланцюжка фрагментів сприймається вухом лише як клацання. А ось варіація затримки приводить до запізнювання і плавання звуку, що заважає розмовляти. З того ж фундаментального принципу IP виходить, що транзитний шлях кожного конкретного пакету може бути разним. Отже виникає ще і проблема переупорядковування пакетів.
.
Щоб вирішити загальні проблеми якості обслуговування в IP, прикладалися колосальні зусилля. Були розроблені механізми попередження і управління перевантаженнями транзитних комутаторів і диференціації класів IP-трафіку. Але для забезпечення крізного контролю якості від джерела до приймача їх опинилося недостатньо. В результаті був розроблений протокол резервування ресурсів для контролю якості обслуговування (RSVP).
Він є протоколом сигналізації всім транзитним комутаторам про резервування ресурсів для передачі високопріоритетного трафіку і виконує дві функції: визначення оптимального (з погляду якості обслуговування) шляху від джерела до приймача і резервування необхідних ресурсів. Поява цього механізму фактично означає повернення до принципу попередньої сигналізації і встановлення з'єднання із заданими параметрами, як це і відбувається в мережах традиційної телефонії і успадкованих пакетних мережах.
.
Інша проблема IP - надмірність заголовків. Є таке поняття, як «затримка на пакетізацию голоси». Це час, використовуваний для заповнення пакету оцифрованими голосовими фрагментами. Чим воно більше, тим більше голосових фрагментів можна упакувати в пакет і тим ефективніше використання смуги пропускання. Проте абсолютна величина цієї затримки обмежена. Якщо сумарна затримка в мережі телефонії перевищує 50 мс, виникає луна-ефект і повинні застосовуватися алгоритми ехоподавленія. При розробці АТМ було встановлено, що розмір корисного простору осередку (payload), рівний 32 октетам, приводить до затримки пакетізациі в 15 мс, що дозволяє обійтися без ехоподавленія.
Проте найбільша ефективність заповнення осередку (з урахуванням того, що АТМ-ЗАГОЛОВОК містить всього п'ять октетів), а значить, і ефективність використання смуги пропускання досягається при 64 октетах. Після довгих суперечок ITU-T схвалив фіксований корисний розмір осередку, рівний 48 октетам, що є середнім арифметичним між швидкістю і ефективністю.
.
Заголовок IP-пакету складає 24 октети. Існує також заголовок другого рівня моделі OSI. Це означає, що для адекватного використання смуги необхідно збільшити ефективний простір пакету мінімум в п'ять разів. Крім того, має місце затримка транзитної передачі по мережі. У реальному житті IP-телефонія з прийнятним рівнем якості живе при загальній затримці в 200-250 мс (хоча деякі вмудряються розмовляти і при 400-500 мс) завдяки застосуванню механізмів ехоподавленія і розумних кодеків. Проте, це приводить до значного об'єму непотрібного трафіку, та і якість не зовсім комерційна.
Для передачі мультимедіа-дані був розроблений протокол RTP/RTCP (Real Time (Control) Protocol), що забезпечує визначення типу трафіку, секвенсированіє, тимчасові мітки фрагментів, синхронізацію і контроль передачі. RTP працює поверх UDP (це ще плюс 20 октетів заголовків). Механізм такий: спочатку, використовуючи протокол TCP, посилається сигнал виклику. Абонент підтверджує з'єднання (знімає трубку), встановлюється контрольне з'єднання (RTCP) і відкривається декілька UDP сесій для передачі RTP-трафіку.
.
Щоб уникнути надмірності заголовків, була розроблена технологія компресії заголовків CRTP, що дозволяє скоротити їх розмір в середньому до 2-4 октетів при передачі RTP-трафіку. Принцип компресії заголовків придуманий Ван Якобсоном на зорі розвитку IP-стека і заснований на тому, що після встановлення з'єднання службова інформація заголовків вже не потрібна, якщо дві системи домовилися про параметри з'єднання. Алгоритм Ван Якобсона, описаний в RFC 1144, застосовний для протоколу TCP, орієнтованого на встановлення з'єднання. CRTP - більш просунута технологія, що забезпечує компресію IP/UDP/RTP-заголовков.
Ідея полягає в тому, що для обміну контекстом компресії (статичною інформацією, що міститься в заголовках початкових інкапсуляцій, інформацією про синхронізацію і т.п. ) виділяється спеціальне TCP-з'єднання. Проте, протокол CRTP не вирішив всіх проблем, пов'язаних з надмірністю заголовків. На з'єднаннях з великою кількістю транзитних вузлів (маршрутизаторів), а також на повільних або переобтяжених каналах виникли проблеми масштабованості.
Кожен втрачений в дорозі компрессированний пакет вимушує приймач скидати і перезапрашивать цілу ланцюжок, оскільки контекст компресії рассинхронізіруєтся на час всього циклу шляху (round-trip-time - час проходження пакету туди і назад). Тому застосування CRTP часто обмежене двома сусідніми маршрутизаторами, сполученими прямими каналами. Крім того, реалізація CRTP вимагає великих обчислювальних ресурсів.
.
Еволюція технології
Спроби будівництва на базі стека IP мультисервисных мереж з підтримкою QOS, а також поява технологій, що дозволяють збільшити пропускну спроможність фізичної інфраструктури передачі даних (DWDM для оптоволокна і xDSL для міді), привела до еволюції самої технології комутації IP-пакетів. До Інтернету жодна мережа не досягала таких масштабів без того, щоб не звалитися під вагою комплексних архітектурних проблем. Модернізації IPv4 назріла давно, і нова версія стека IPv6 відповідає на безліч системних питань. Але поява IPv6 не стала революційним стрибком - масового переходу на нову версію не було.
Інтернет демонструє гнучкість і здатність еволюціонувати, зберігаючи спадкоємність додатків. Технології, рішення конкретних проблем, що розробляються в рамках, приводять до змін загальної архітектури мереж зв'язку на системному рівні. Одна з таких технологій - MPLS - технологія мультипротокольной комутації влучний.
.
MPLS спочатку розроблялася для вирішення завдань оптимізації маршрутизації IP по мережах АТМ і прискорення пошуку адреси приймача по таблиці маршрутизації. Принцип ізоляції IP-стека від канального і фізичного рівня моделі OSI дозволяє легко переносити IP-додатку на будь-яке фізичне середовище передачі, проте викликає ряд проблем ефективності маршрутизації. Якщо IP-мережа побудована на комутованих віртуальних з'єднаннях в АТМ-ОБЛАКЕ, то при відмові одного із з'єднань спочатку відбудеться конвергенція на рівні АТМ, а вже потім почнеться конвергенція IP-мережі.
Це фундаментальна проблема, оскільки на рівні АТМ можуть бути ухвалені рішення об маршрутизації, що конфліктують з рішеннями, прийнятими на рівні IP. Припустимо, в АТМ-ОБЛАКЕ виникло перевантаження одного або декількох комутаторів, що відбилося на якості обслуговування віртуальних з'єднань. Рівень IP про це поняття не має, отже, мови про маршрутизацію пріоритетних IP-пакетів із заданою якістю обслуговування бути не може.
.
Вирішуючи ці проблеми, розробники MPLS запропонували розділити контрольну і комутаційну компоненти при маршрутизації трафіку, а також ввести фіксований ідентифікатор пакету - мітку. Мітка є заголовком фіксованої довжини, що ідентифікує безліч пакетів, що передаються певним чином (наприклад, одному і тому ж адресатові або відповідно до деякого класу обслуговування). Мітка має локальне для комутатора значення, тобто не є адресою.
Контрольна компоненту архітектури включає протокол маршрутизації третього рівня моделі OSI (у разі IP це OSPF або IS-IS), який працює погоджено з процедурами розподілу і розповсюдження влучний. Вона виконує функції встановлення значень влучний уздовж шляху комутації відповідно до маршрутної інформації IP (або іншого протоколу). Ці функції реалізуються за допомогою протоколу розповсюдження влучний (LDP).
Після цього про АТМ всі поступово забули і почали розробляти нові можливості технології, такі як нова концепція віртуальних приватних мереж (VPN) і технології управління потоками трафіку в магістральних мережах (Traffic Engineering). Останні мають безпосереднє відношення до проблеми якості обслуговування в IP-мережах.
Протоколи маршрутизації в IP-мережах засновані на алгоритмі Дейкстри - алгоритмі побудови найкоротшого шляху в зв'язному графові (SPF-протоколи, такі як OSPF, IS-IS). Всі маршрутизатори будують дерево найкоротшого шляху до решти вузлів мережі. Маршрутні таблиці будуються на підставі цього дерева.
При чому тут IP-телефонія?
В кінці 1999 року один з підписчиків списку розсилки IETF, присвяченого розробці стандартів MPLS, поставив сакраментальне питання: чому в назві MPLS присутнє слово «мультипротокольная», адже робота йде над проблемами комутації IP. На що гуру йому відповіли: мов, концепція, що розробляється, може бути застосована до будь-якого маршрутізіруємому протоколу, але раз вже IP є домінуючим, то ради нього всі і стараються. Товариш на цьому не заспокоївся і ініціював дискусію про передачу голосу по MPLS-мережі. Ідея проста і базується на принципах комутації в традиційних мережах телефонії.
Якщо сигналізація і встановлення шляху відокремлені від комутації трафіку, навіщо додавати зайву інкапсуляцію рівня IP для передачі оцифрованих голосових фрагментів? Дискусія завершилася виділенням цього направлення з робочої групи IETF, проте робота йшла, і врешті-решт MPLS Forum випустив рекомендацію «Voice over MPLS implementation agreement». Суть цього документа - визначення архітектури, форматів заголовків для оцифрованих голосових фрагментів, DTMF-сигналів, передачі внутрішньоканальній сигналізації (CAS) і т.п. Деякі компанії вже проводять устаткування, що дозволяє будувати системи, засновані на цих принципах.
.
Що попереду
Існує безліч інших системних і технологічних проблем в області IP-телефонії, які в даний час достатньо успішно вирішуються Інтернет-співтовариством. Це проблеми загальної архітектури мережі, ефективної маршрутизації телефонних викликів (анонсування маршрутів до абонентів і точок шлюзування трафіку і їх атрибутів, таким як якість, вартість, величина транспортної затримки і ін.), проблеми адресації, авторизації і обліку користування ресурсами мережі для телефонних абонентів і т.д.
Що ж робить IP-телефонію (і взагалі пакетну телефонію) привабливою і які її перспективи?
Перш за все, пакетну телефонію не можна розглядати у відриві від інших видів мультимедійного трафіку, таких, наприклад, як відеоконференцзв'язок, пакетне телерадіомовлення і т.п. Природа мультимедійного трафіку одноманітна для всіх його видів. Тому IP-телефонія і напрацьовані в цій області технології складають базу для мультимедійного світу майбутнього. Більш того, вже зараз при середньостроковому плануванні ІТ-інфраструктури потрібно враховувати можливість появи цих сервісів.
Впровадження IP-телефонії як простій альтернативи стандартного телефонного зв'язку для корпоративних клієнтів, на мій погляд, малоефективно. Так, можна трохи заощадити на міжміських переговорах і понизити витрати на інфраструктуру і супровід. Але якщо вам потрібна просто учрежденчеськая АТС, краще купити просто учрежденчеськую АТС. Багато виробників підходять до IP-телефонії як до додаткової іграшки на базі АТС, підключаючи до неї локальну мережу і вішаючи на неї модні IP-телефони. Цей шлях представляється мені тупиковим.
IP-телефонія цінна тим, що на базі єдиної технологічної платформи інтегруються в єдиний інформаційний простір два мири: мир комп'ютерної обробки інформації і мир послуг голосового зв'язку. На перетині цих світів відкриваються нові можливості, які підприємства можуть використовувати для підвищення продуктивності, а компанії, що розвивають бізнес інтегрованих ІТ-УСЛУГ, - для розробки нових бізнес-моделей. IP-телефон зараз є універсальним терміналом, що працює за технологією тонкого клієнта з універсальним мультимедійним сервером.
Програмування на базі відкритих стандартів дозволяє легко перетворювати цей телефон на спеціалізований термінал, що виконує ті або інші виробничі операції, наприклад диспетчерський пульт, одержуючий дані з інформаційної системи і використовуваний для екстреного зв'язку або введення інформації, що управляє. На основі мультимедійних серверів можна організовувати універсальні портали для загальнийкорпоративної роботи, інтегруючи web-технології, відеоконференцзв'язок, електронну пошту і телефонію. Можливості безмежні.
.
0 Відгуків на “IP-телефонія - огляд технологій”
Залишити відгук