IP-телефонія

Кодування мовної інформації

Джерелом інформаційних даних є мовний сигнал, можливою моделлю якого є нестаціонарний випадковий процес. У першому наближенні можна виділити наступні типи сигнальних фрагментів: вокалізірованниє, невокалізірованниє, перехідні і паузи. При передачі мові в цифровій формі кожен тип сигналу при одній і тій же тривалості і однаковій якості вимагає різного числа битий для кодування і передачі. Отже, швидкість передачі різних типів сигналу також може бути різною, що обумовлює застосування кодеків із змінною швидкістю.
В результаті передача мовних даних в кожному напрямі дуплексного каналу розглядається як передача асинхронних логічно самостійних фрагментів цифрових послідовностей (транзакцій) з датаграммной синхронізацією усередині транзакції, наповненої блоками різної довжини. У основі кодека мови із змінною швидкістю лежить класифікатор вхідного сигналу, що визначає ступінь його інформативності і, таким чином, задаючий метод кодування і швидкість передачі мовних даних. Найбільш простим класифікатором мовного сигналу є Voice Activity Detector (VAD), який виділяє у вхідному мовному сигналі активну мову і паузи.
При цьому, фрагменти сигналу, що класифікуються як активна мова, кодуються яким-небудь з відомих алгоритмів (як правило, на базі методу Code Excited Linear Prediction - CELP) з базовою швидкістю 4-8 кбит/с. Фрагменти, класифіковані як паузи, кодуються і передаються з низькою швидкістю близько 0. 1 - 0. 2 Кбит/с, або не передаються взагалі. При цьому передача мінімальній інформації про фрагменти пауз переважна. Дана стратегія дозволяє оптимізувати швидкість кодування 2-4 кбит/с при достатній якості мови, що синтезується. При цьому для особливо критичних фрагментів мовного сигналу виділяється велика швидкість передачі, для менш відповідальних - менша.
Разом з тим необхідно відзначити, що вокодер вносить додаткову затримку близько 15-45 мс, що виникає з наступних причин:

.

Дану затримку необхідно враховувати при розрахунку крізних затримок (табл. 1). Проведений в різних дослідницьких групах аналіз якості передачі мовних даних через мережу Інтернет показує, що основним джерелом виникнення спотворень, зниження якості і розбірливості синтезованої мови є переривання потоку мовних даних, викликане:

Це вимагає рішення задачі оптимізації затримок в мережі і створення алгоритмів компресії мови стійких до втрат пакетів (відновлення втрачених пакетів).

Кодеки

Безкоштовні:

Механізми оптимізації затримок в мережі

Затримки пакетів в IP-мережах визначаються: випадковою затримкою пакетів на обробку в транзитних маршрутизаторах;

Відповідно до цього існує декілька підходів до оптимізації затримок з метою забезпечення необхідної якості передачі.

1. Реалізація першого підходу передбачає резервування частини пропускної спроможності мережі для передачі пакетів з мовною інформацією. Для того, щоб ефективніше використовувати зарезервовану смугу пропускання, на крайовому або шлюзовому устаткуванні повинна здійснюватися попередня концентрація мовної інформації. При цьому IP-пакети повинні формуватися не у міру надходження мовних сигналів, а з деякою затримкою, достатньою для збірки інформаційного блоку великих розмірів.
Передача мові у великих інформаційних блоках спрощує процедуру управління чергами на транзитних вузлах, що дуже істотно у зв'язку з нерозвиненою системою пріоритетів існуючого протоколу IP. Проте реалізація цього підходу приводить до появи додаткової затримки.

.

Для резервування смуги пропускання в мережі IP може використовуватися метод WFQ (Weighted Fair Queuing) або протокол RSVP.

2. Також одним із способів оптимізації затримки в мережі є використання протоколу RTCP (Real-Time Transport Control Protocol), який дозволяє додатку реагувати на зміну стану мережі.

3. Третій підхід передбачає побудова магістральної транспортної мережі Інтернет на основі технології Frame Relay або АТМ. В цьому випадку прикордонні вузли IP взаємодіють один з одним через віртуальні з'єднання мережі Frame Relay або АТМ, для яких гарантуються параметри якості обслуговування (швидкість передачі, час і джіттер затримки). Використання Frame Relay або АТМ дозволяє відмовитися від застосування транзитних маршрутизаторів IP. При цьому можливе ефективніше використання смуги пропускання за рахунок встановлення з'єднання для кожної телефонної розмови.

Декодування мовною інформациіс обліком можливих втрат пакетів в мережі для відновлення мовного потоку на приймальній стороні використовується протокол реального часу - Real Time Protocol (RTP). У заголовку даного протоколу, зокрема, передаються тимчасова мітка і номер пакету. Ці параметри дозволяють при мінімальних затримках визначити порядок і момент декодування кожного пакету, а також інтерполювати втрачені пакети. Відновлена послідовність, з можливими пропусками як одиночних пакетів, так і груп пакетів, поступає на декодер.
Декодер повинен забезпечити відновлення мовної інформації, заповнення пауз фоновим шумом, а також ехокомпенсацию кодованого сигналу, виявлення і детектування телефонної сигналізації.

.

Програмне рішення

1. Сучасні вимоги до VOIP

Загальновідомо, що технологія VOICE-OVER-IP (VOIP) розвивається виключно швидкими темпами. Проте, як і до будь-якої перспективної технології, до неї пред'являється ряд вимог. Ось основні з них:

Поєднання передачі голосу і даних по одній мережі

1. Просте і зрозуміле рішення без якого-небудь виділення віртуальних або фізичних мереж для VOIP

2. Забезпечення безпеки для системи VOIP і її компонентів на додаток до безпеки трафіку даних

3. Роздільне управління голосовим трафіком і трафіком даних (UDP) з погляду QOS і виділень смуги пропускання, у тому числі і у внутрішній мережі

4. Гарантування і перепризначення ширини смуги для голосових і відеопотоків в умовах пікових сплесків трафіку даних

Забезпечення глобального безпечного доступу до корпоративної служби VOIP

1. Можливість дзвонити з будь-якого місця в будь-яке місце на землі

2. Забезпечення безпеки корпоративних даних

3. Можливість обробляти зашифрований трафік VOIP

Зручність в обслуговуванні і масштабуванні

1. Можливість географічного розширення послуг VOIP

2. Можливість підтримувати і працювати з будь-яким типом мережі, будь-якою її конфігурацією, топологією і різним мережевим устаткуванням

3. Можливість передачі медіатрафіка безпосередньо між абонентами для зменшення затримок і спотворень

4. Підвищення продуктивності IP PBX

5. Сумісність з великою кількістю різноманітних протоколів передачі сигналу і їх версіями

6. CALEA і підтримка обліку дзвінків

Надійна інфраструктура мережі, здатна підтримувати безперервну цілодобову роботу VOIP

1. Дублювання IP PBX

2. Дублювання доступу до IP PBX

3. Дублювання доступу до мережі PSTN

4. Розвинені можливості по ближньому і видаленому моніторингу стану IP PBX з детальним інформуванням про результати

Для виконання всіх вищеперелічених вимог інженери Ranch Networks розробили нову концепцію системи VOIP, узявши за основу недорогу IP PBX Asterisk на відкритих кодах. Для пояснення суті унікального рішення Ranch Networks по VOIP в даній статті передбачається, що для встановлення з'єднання використовується широко поширений протокол SIP.

2. Наявні рішення

Сьогодні на ринку пропонується три типи рішень по VOIP: прикордонні контроллери сесій, звичайні міжмережеві екрани і міжмережеві екрани SIP-додатків (або міжмережеві екрани SIP). У кожного з цих рішень є свої достоїнства і свої недоліки, але жодне з них не дозволяє вирішити всі проблеми, перераховані вище.

Прикордонні контроллери сесій (SBC)

Спочатку послуги VOIP надавалися просто як доповнення до існуючої телефонної мережі загального користування (PSTN). SBC є зримим прикладом такого підходу. Концептуально контроллери - це пристрої, призначені для підтримки виключно сервісу VOIP, тому по-справжньому конвергированная IP-мережа на базі таких контроллерів була б украй складною і дорогою. Контроллери НЕ призначені для обробки трафіку даних або виконання інших мережевих функцій. Це означає, що їх необхідно доповнювати міжмережевими екранами і іншими мережевими пристроями, що украй утрудняє забезпечення якості обслуговування (QOS) в такій мережі.
Оскільки контроллери термінують трафік SIP і RTP, їх необхідно постійно модернізувати для підтримки нових версій і опциональних можливостей протоколів SIP і RTP, а також нових моделей IP-телефонів і відеофонів, що з'являються на ринку. За наявності в корпоративній мережі декількох контроллерів SBC, постійне їх одночасне оновлення і синхронізація з IP PBX стає украй недешевим заняттям.

.

Крім того, термінация SIP неймовірно утрудняє або робить взагалі неможливим підвищення безпеки шляхом кодування протоколів SIP і RTP. Вартість контроллерів зазвичай достатньо велика, і більшість підприємств малого або середнього бізнесу просто не можуть дозволити собі їх придбання.

Міжмережеві екрани для мереж передачі даних. На відміну від контроллерів SBC звичайні МСЕ є достатньо недорогими і широко вживаними пристроями, що мають цілий ряд функцій, необхідних для управління мережею. З іншого боку, МСЕ - це пристрій, спочатку призначений для забезпечення безпеки даних, що у свою чергу робить проблематичною побудову по-справжньому конвергентних мереж.

Концептуально звичайні МСЕ захищають мережу за статично передвстановленими правилами, згідно яким вирішується або блокується проходження певного трафіку. Використання ж протоколу SIP вимагає динамічної зміни правив. В результаті для підтримки послуг VOIP, заснованих на використанні протоколу SIP, МСЕ необхідно постійно тримати відкритими для цілого ряду портів і адрес IP. Такий підхід за визначенням суперечить вимогам безпеки, і для її забезпечення доводиться розносити мережі передачі даних і мережу VOIP. До того ж це не захищає IP PBX і IP-телефони від атак DOS і інших видів атак.
Використання звичайних МСЕ не дозволяє вирішити проблему NAT і украй утрудняє рішення задач QOS.

.

Обидві ці проблеми в значній мірі обмежують топологію мережі, а їх рішення може зажадати додаткової інфраструктури (устаткування, лінії і т.д.).

Шлюзи прикладного рівня (ALG ) або міжмережеві екрани SIP

В спрощеному виді ALG є звичайний МСЕ з можливістю термінувати трафік SIP. Так само, як і у випадку з SBC, термінация протоколу SIP в ALG украй утрудняє або робить взагалі неможливим застосування кодування для підвищення безпеки протоколів SIP і/або RTP. А по аналогії із звичайним МСЕ шлюз ALG не здатний вирішити проблему NAТ, коли декілька філіалів використовують одну і ту ж приватну адресу IP. Ця проблема пов'язана з особливостями протоколу SIP і обмежує топологію мережі.
Як і SBC, ALG вимагає постійного оновлення для синхронізації з IP PBX, підтримка нових опцій протоколу SIP, а також при використанні нових моделей IP-телефонів і відеофонів, що є великим головним болем. Як правило, шлюз ALG обходиться дешевшим за контроллер SBC, але значно дорожче звичайного МСЕ.