Проектирование мультимедиа сети IP-телефонии
РЕФЕРАТ
Дипломний проект містить – ______ стор., _____мал., ____таблиць,____ джерел.
Об'єкт розробки – мультимедійна мережа.
У дипломній роботі проведено аналіз існуючих мультимедійних мереж, розглянуті особливості передачі голосу в IP – мережах, проведено розрахунок інтенсивності навантаження у різних напрямках, розраховано пропускну здатність для передачі голосового трафіку, розраховано параметри, характеризуючі якість передачі голосу, побудовано відповідні графіки залежностей, розглянута проблема підключення університету до проекту sip.edu, розглянута комплектція обладнання.
ABSTRACT
Degree work: __ p., ___ fig., __ appendix, __ sources.
A research object is multimedia network.
The purpose of the work is the designing of a multimedia network based on the project проектуand the analysis of its functioning.
User Agent, Gateway, Real Time Control Protocol, Jitter, Quality of Service, rerouting, Mean Opinion Score, R-factor, Call Detail Record, Delay, Packet loss concealment, router, Air-conditioning, annual charges
СОДЕРЖАНИЕ
Список условных сокращений………………………………...…………… |
|
1 Постановка
задачи реализации мультимедийн |
|
1.1 Обзор архитектуры VoIP на базе стандарта SIP………………………………. |
|
1.2 Типовые решения ……………………………………………………………….. |
|
2. РАСЧЕТ
ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОНЕНТОВ |
|
2.1 Расчет интенсивности возникающей нагрузки………………………………... |
|
2.2 Расчет требуемой пропускной способности для передачи речевого трафика |
|
3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ IP-телефонии………………………. |
|
3.1 Анализ вариантов
подключения к провайдеру……………… |
|
3.2 Подключение с использованием УАТС………………………………………... |
|
3.3 Маршрутизаторы с
интеграцией сервисов ……………………… |
|
3.4 Обзор IP-телефонов D-Link…………………………………………………….. |
|
3.5 Предложения по формированию
комплекта оборудования для |
|
Заключение…...………………………………...… |
|
Список используемой литературы…………………………………………………. |
Перечень условных обозначений
ACR – Absolute Category Rating
ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line
ADU – Application Data Unit
CDR – Call Detail Record
DB – Data Base
DCR – Degradation Category Rating
DNS – Domane Name Service
DSP - Digital Signal Processor
ENUM – Electronic Numeration
ESS - Enterprise Survivable Server
ETSI – European Telecommunications Standards Institute
FEC – Forward Error Correction
FW – Fire Wall
IP – Internet Protocol
ISDN - Integrated Service Digital Network
ISR – Integration Service Router
LDAP – Light Directory Access Protocol
LSD – Least Significant Difference
LSP - Layered Service Provider
MOS – Mean Opinion Score
NAT – Network Address Translator
NGN – Next Generation Network
PLC– Packet Loss
PLC – Packet Loss Concealment
RSVP – Resource ReSerVation Protocol
RTCP – Real-Time Control Protocol
RTP – Real-Time Protocol
SASL/TLS – Simple Authentication and Security Layer/ Transport Layer Security
SER – SIP Express Router
SIP – Session Initiation Protocol
SNMP - Simple Network Management Protocol
TDM - Time Division Multiplexing
TCP – Transport Control Protocol
TIA – Telecommunication Industry Association
UAC – User Agent Client
UAS – User Agent Server
UDP – User Datagram Protocol
URI – Uniform Resource Identifier
USB - Universal Serial Bus
VAD - Voice Activity Detector
VoIP – Voice over IP
VPN – Virtual Personal Network
WLAN –Wireless Local Area Network
АТС – автоматизированная телефонная станция
ДВО – дополнительные виды обслуживания
ИТ – информационные технологии
МСЭ - Международный Союз Электросвязи
ОТ – охрана труда
ПО – программное обеспечение
РАТС – Районная АТС
СПРИ – системы передачи речевой информации
ТФоП – Телефонная сеть общего пользования
УАТС – Учрежденческая АТС
ЦОВ - Центр обработки вызовов
ЭВМ – электронно-вычислительная машина
Введение
В данной работе предлагается построение учрежденческой сети передачи речи по протоколам IP телефонии и подключение ее с одной стороны к телефонной сети общего пользования (ТФоП), а с другой – к глобальной информационной сети Internet. Проект предполагает: консультирование о подключении систем IP телефонии на базе протокола сигнализации Session Initiation Protocol (SIP), его изучение и проведение экспериментов с протоколом SIP. Кроме того, это позволит связаться с любым абонентом, подключенным к ТофП или Интернет.
Особенностью SIP протокола является то, что номера абонентов представлены в виде адреса электронной почты, что позволяет использовать существующие e-mail адреса для установления связи с абонентами и упрощает настройку системы на уже существующей IP сети передачи данных.
Анализ показал, что использование данной технологии выгоднее чем ее аналоги, т.к. по одной физической среде предаются как речь, так и данные. Нет необходимости строить сеть с нуля, а только добавить недостающие элементы.
1 Постановка задачи реализации мультимедийной сети
- Обзор архитектуры VoIP на базе стандарта SIP
Краткий обзор архитектуры VoIP показан на рисунке 1.1. Существующие в сети передачи данных компоненты показаны серым цветом, а новые компоненты и модификации к существующим конфигурациям показаны белым цветом.
Рисунок 1.1 Архитектура концепции SIP
Два главных компонента функционирования VoIP: SIP - прокси сервер и шлюз SIP-PRI. Они должны взаимодействовать друг с другом. Что еще более важно, SIP - прокси сервер должен взаимодействовать с каталогом пользователей учебного заведения (campus' Person directory), а шлюз SIP-PRI - с АТС, к которой подключаются пользователи. Кроме того, должно быть создано несколько новых записей в доменной системе имен (DNS).
В общем случае, компоненты реализации проекта VoIP включают:
- прокси сервер SIP, который взаимодействует с каталогом пользователей, содержащим внутренние alias-имена номеров в PBX (псевдонимы). Прокси сервер SIP преобразует адрес электронной почты в каждом прибывающем запросе SIP в форму, содержащую номер и передает запрос к шлюзу. Множество разных функций можно реализовать в зависимости от выбора прокси сервера.
- шлюз SIP-PRI соединяет сеть передачи данных учреждения с УАТС (PBX). Шлюз переводит SIP адресацию в номерную и осуществляет преобразование аудиоинформации. Для соединения УАТС со шлюзом необходимы дополнительные каналы. Рекомендуют использовать ISDN PRI, хотя это не обязательное требование. Это может пригодится в будущем, например, для идентификации звонящего.
- SIP DNS – сервер служит
для регистрации обращений к
прокси серверу SIP (или множеству
серверов, если желательна
1.2 Типовые решения
С помощью представленной системы решаются следующие задачи:
1. У провайдера уже есть небольшое количество неиспользованных УАТС – номеров. С увеличением количества SIP – клиентов становится более важным, чтобы пользователи могли использовать уже назначенные УАТС – номера в своих SIP – агентах SIP User Agent (UA). Преимущество в том, что пользователи могут быть доступны как со стационарных, так и с обычных телефонов.
2. Они позволяют сотрудникам абонентам, используя прокси – сервер, звонить и принимать звонки независимо от того, где они находятся. Это очень важно для тех пользователей, которые путешествуют. В то же время, они не позволяют неавторизированным пользователям обманывать принимать звонки, им не предназначенные.
Рис.1.2 Схема подключения к VoIP существующей сети провайдера
3. Они принимают звонки от любых пользователей из Интернет, которые знают их контактную информацию. Это аналогично тому, что на УАТС – телефоны может звонить любой, кто знает номера.
4. Выполнение предотвращения мошеннических звонков через свою УАТС. Он не хочет обеспечивать дешевую связь на дальние расстояния всем подряд пользователям из Интернета.
Возможные сценарии звонков:
Сценарий №1 – Эллис звонит Джейн (SIP-клиент из Интернета к/от SIP-клиента hawaii.edu):
- URI Джейн: [email protected] или [email protected].
- Агент пользователя Эллис обращается к DNS-серверу, находит адрес внешнего прокси-сервера провайдера (proxy server2) и посылает ему запрос INVITE.
- proxy server2 обращается к базе данных пользователя (Subscriber database) и отправляет INVITE внутреннему прокси-серверу провайдера (proxy server1).
- proxy server1 обращается к базе данных регистрации (Registry database) и отправляет запрос к IP –телефону Джейн (Jane's hard phone), который уже успел зарегистрироваться на прокси.
Сценарий №2 – Эллис звонит Джону (SIP-клиент из Интернета к SIP-клиенту hawaii.edu и пользователю стационарного телефона):
- Такая же последовательность, как при соединении Эллис с Джейн, только прокси-сервер отсылает запрос не на IP-телефон, а агенту пользователя на компьютере (soft phone).
- Одновременно, если у Джона есть стационарный телефон, прокси-сервер обращается по протоколу LDAP к LDAP – серверу, на котором находится e-mail – адреса и номерные псевдонимы, и отправляет INVITE на шлюз SIP/PBX.
- Если у Джона нет SIP – клиента, proxy server2 (не proxy server1) к базе данных маршрутов (Routes database) и отправляет INVITE к шлюзу SIP/PBX.
Сценарий №3 – Джейн звонит Джону на стационарный телефон (SIP клиент hawaii.edu к пользователю стационарного телефона hawaii.edu):
- Джейн звонит [email protected]
- Proxy server1 смотрит в свою базу данных регистрации и отправляет INVITE к шлюзу SIP/PBX.
- Если у Джона есть SIP – клиент, то сервер 1 использует записи в базе данных регистрации и отправляет INVITE еще и на него.
Сценарий №4 – Джейн звонит Джону на SIP soft phone (SIP-клиент hawaii.edu к/от SIP-клиента hawaii.edu):
- Джейн звонит [email protected]
- Proxy server1 смотрит в свою базу данных регистрации и отправляет INVITE Джону на SIP soft phone
Рисунок 1.3 Схема подключения c использованием SIP-proxy
Окружение IP телефонии состоит из следующих элементов:
Прокси сервер SIP (SIP Proxy)
В качестве SIP прокси сервера используется SIP Экспресс Маршрутизатор (SIP Express Router, SER) от iptel.org.
SER был расширен специальными модулями, написанными на С для интеграции с уже существующими услугами провайдта. Основные правила использования специальных С - модулей:
- значительно быстрее чем
- нет новых процессов порожденных втечении операции;
- возможность возвращения
- LDAP и связь с БД может быть постоянной, т.е. связи открыты, когда модуль SER загружен и повторно используются во время каждого последующего вызова функций экспортируемых модулей.
Пояснение назначения компонентов:
1) SIP Registrar (сервер регистрации)
По умолчанию на сервере регистрации (SER registrar) хранятся все активные клиенты SIP, которые зарегестрированы.
2) PeerPoint (Jasomi Networks)
Контроллер шлюза, необходимый для поддержки агентов пользователя, использующих NAT/Firewalled и сокрытия внутренней топологии SIP окружения (прокси, шлюзов, серверов).
3) LDAP nethz
LDAP nethz хранит имена пользователей, пароли, e-mail-адреса (основной и псевдоним (aliases)) и внутренний телефонный номер.
4) PermissionDB (БД прав доступа)
Хранит телефонные номера, установочные параметры и права доступа для пользователей. В ближайшем будующем, права доступа БД будут интегрированы в инфраструктуру LDAP.
5) Web-Интерфейс
Вместо web-сервера, мы используем специальный web-сайт с интерфейсом для SER. В ближайшее время, web интерфейс будет интегрирован в web-интерфейс сложившейся службы LDAP(n.ethz.ch). Web-интерфейс также дает необходимую информацию об этом проекте и следит за состоянием компонентов окружения.
6) RADIUS
Санкционированные действия над существующей
инфраструктурой сервера
- Регистрация пользователей SIP (REGISTER)
- Установления связи, используя номерной заголовок n.ethz.ch (INVITE)
7) Location DB, Accounting
- Location DB – это база данных определения местоположения. Accounting используется толко для статистических исследований.
8) DNS
- Служба домкнных имен ethz.ch (обслуживает около 450 поддоменов) полностью интегрированнна с SER. Любой разработчик e-mail может принимать решение по SIP-учету или по внутреннему телефонному номеру телефонной сети общего пользования.
9) Шлюзы (Gateways)
- Шлюзы подключают уже существующую ТфОП. Авторизованные Sip пользователи могут подключать любой внутренний или внешний телефон.
10) Голосовая почта (Voice Mail)
Система голосового почтового ящика доступна пользователю. Система базируется на Asterisk.
11) TCP/IP (Wired)
Проводная TCP/IP – сеть. Используются IP-адреса (никаких брандмауэров и преобразований номерной формы)
12) HOME (FW, NAT)
Инфраструктура, используемая сотрудниками, когда они дома или в дороге.
13) ETH WLAN
Инфраструктура беспроводной LAN ETH. Для официальных пользователей WLAN доступ только к внутренним IP адресам ETH (таким как домашняя страница www.ethz.ch). Другие адреса могут быть доступны только через VPN - аттестацию. Если это невозможно с существующими беспроводными SIP-телефонами, то предоставляется доступ к SIP Server / MEDIA Proxy. Телефон, зарегистрированный на SIP-сервере будет способен устанавливать соединения с другими телефонами Интернет.
Провайдер благодаря такой структуре может предоставить следующие услуги:
1) Интеграцию бизнес – телефонной системы
ETH business telephony system использует номера, состоящие из пяти цифр. Все номера могут быть доступны извне путем +41 44 63.
На все ETH бизнес-телефоны можно позвонить напрямую путем набора SIP:[email protected], где 12345 – пятизначный номер.
2) Использование Интернет - номеров
Интернет – номера являются личными и не замещают бизнес-номера. Интернет – номера могут использоваться как преподавателями, так и студентами. Они могут использовать их за пределами университета.
Пользователи с Интернет – номерами могут зарегистрировать свои SIP – телефоны на SIP – прокси. Имена и пароли проверяются при помощи RADIUS-авторизации.
Интернет-номера – это реальные телефонные номера, которые соответствуют швейцарской телефонной нумерации и доступны напрямую с ТфОП всего мира. Для них выделен специальный район (058).
3) Маршрутизацию звонков с использоанием e-mail адресов в качестве идентификатора
E-mail – адреса и
номера внутренних телефонов хранятся
на LDAP. Эта информация общедоступна и поэтому
нет необходимости в предосторожности
при извлечении её с LDAP – сервера.
Сначала
обращается внимание на URI из запроса invite вида sip:[email protected]. Если инет-номер
соответствует E-Mail адресу, то URI перезаписывается,
и с SIP клиентом, зарегестрированным на
SER proxy сначала вступают в контакт по нему.
Если инет-номера нет, то URI перезаписывается
в пять цифр бизнес-номера.
Дополнительно, некоторые E-Mail – псевдонимы хранятся на ActiveDirectory. В отличие от обычной LDAP для основных e-mail адресов, нет внешней директории для псевдонимов. Поэтому SER подключается к этой активной директории, используя другие С модули для осуществления защиты SASL/TLS обращения к LDAP. Снова, E-Mail адреса перезаписываются в инет-номера, если это возможно. Если инет-номеров нет, то то URI перезаписывается в пять цифр бизнес-номера.
4) Авторизацию Интернет-номеров
Пользователи, у которых есть инет-номера могут зарегистрироваться при помощи SIP-клиента на SER – прокси-сервере. О каждом абоненте ведется учет в n.ethz. Полномочия пользователей могут быть установлены, RADIUS или LDAP. Для SIP – проекта Швейцарский университет выбрал использование auth_radius для аутентификации SIP-клиентов – пользователей инет-номеров, что позволяет использование аутентификации по схеме вызов/ответ.
Авторизация была расширена специальной MYSQL – таблицей, которая, как только пользователь зарегистрировался на proxy server – позволяет детально контролировать, кто куда может позвонить (например, на внутренние телефонные номера, в службы экстренной помощи, на национальные номера ТфОП, на национальные мобильные номера. Администраторы SIP – системы могут изменять права, используя специальный web – интерфейс.
5) Отправку Моментальных сообщений (Instant Messaging)
Пользователи могут посылать моментальные сообщения либо при помощи SIP-клиентов, которым доступна эта служба, либо используя web – интерфейс. Так как большинство SIP-клиентов не поддерживает моментальные сообщения, то шлюз переводит моментальные сообщения в e-mail формат (для получения to e-mail адресов используется LDAP).
Подсистема моментальных сообщений уже работает.
6) Голосовую почту
Система голосовой почты пока не внедрена. Это будет осуществлено позже.
Интеграция ENUM
SIP Proxy поддерживает ENUM для звонков за границу. Если номер начинается с «+», например, sip:[email protected], то отсылается запрос на e164.arpa ENUM – сервера. Если есть запись для этого номера, то звоним, в соответствии с ней. Если записи нет, то адрес интерпретируется с международным ТфОП- номером.
Более простой вариант сети, но и более дешевый (рис.1.4-1.11).
Рис.1.4 Структура сети
Рис.1.5 Структура сети (происходит обращение к DNS – серверу для получения адреса SIP-сервера домена, к которому принадлежит вызываемый пользователь)
Рис.1.6 Структура сети (SIP-серверу [email protected] посылается запрос INVITE от SIP-пользователя)
Рис.1.7 Структура сети (SIP-сервер по протоколу LDAP обращается к LDAP-server чтоб определить номер стационарного телефона пользователя)
Рис.1.8 Структура сети (SIP-сервер посылает запрос INVITE шлюзу SIP/PRI Gateway)
Рис.1.9 Структура сети (разговор между SIP-пользователем и пользователем стационарным телефоном УАТС по протоколу RTP)
Рис.1.10 Структура сети (разговор между SIP-пользователем и пользователем IP-телефоном по протоколу RTP)
Рис.1.11 Структура сети (используя шлюз, можно также звонить и на другие стационарные телефоны)
Обратим внимание на то, что во всех трех вариантах построения сети используется протокол LDAP. LDAP - Lightweight Directory Access Protocol - протокол, используемый для доступа к каталогам. Каталог, в данном случае, - это особый вид базы данных, которая содержит информацию как древовидную структуру. Серверы каталогов устанавливаются и особым образом конфигурируются во многих университетах и на предприятиях. Их назначение — предоставлять информацию в формате, совместимом с почтовым сервисом данной организации, с системой аутентификации и методами управления доступом к приложениям и ресурсам. Достоинствами этой технологии являются как ее гибкость, так и совместимость с существующими приложениями.
2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
2.1 Расчет интенсивности возникающей нагрузки
Для расчета интенсивности загрузки сначала необходимо определить количество абонентов различных категорий.
Всех абонентов можно
- абоненты, включенные в городскую телефонную сеть (N =250);
- ip - абоненты (Nip=400);
Существующие направления связи рассматриваемой телефонной сети приведены на рисунке 2.1.
Со стороны абонентов, включенных в РАТС702 (далее абоненты РАТС702):
- внутристанционное соединение
абонентов, включенных в
- соединении абонентов РАТС702 с абонентами ГТС и ТФоП (КТФоП = 0,49 );
- соединение абонентов РАТС702 с IP-абонентами через VoIP (КТФоП-IP = 0,10);
Со стороны IP-абонентов:
- внутрикорпоративный трафик между IP-абонентами (КIP = 0,10);
- к абонентам в РАТС702 (КIPлок= 0,40);
- к абонентам ТФоП через PRI шлюз (КIP -ТФоП= 0,49 );
Со стороны абонентов к IP-абонентам (КТФоП-IP = 0,0006).
Рассчитаем числа станционных приборов, портов шлюза VoIP и соединительных линий с учетом максимально допустимых потерь и величин телефонных нагрузок, определенных в таблице 2.1.
Рисунок 2.1 – Существующие направления в проектируемой сети
Таблица 2.1– Максимально допустимые суммарные потери вызовов
Виды связи |
Суммарные потери вызовов от абонента до абонента ‰ |
На ГТС | |
1 При местной связи |
20 |
2 При местной связи с УПАТС, с пригородной зоной |
25 |
3 При внутризоновой связи |
40/80* |
4 Для абонентов (в том числе и абонентов СПС): |
|
а) от абонента ОПС до УСС; |
1 |
б) от УСС до экстренной службы; |
1 |
в) от УСС до справочно-информационных и заказных служб (муниципальных и других операторов); |
должны быть не более 30 |
Продолжение таблицы 2.1 | |
Виды связи |
Суммарные потери вызовов от абонента до абонента ‰ |
г) от абонента до службы АМТС по ЗСЛ; |
20 |
д) от УСС до служб доступа к
федеральным сетям |
по согласованию с оператором |
На СТС | |
5 При местной связи |
30/70* |
6 При внутризоновой связи |
40/80* |
7 Для абонентов (в том числе и абонентов СПС): |
|
а) от абонента ОС до ЦС (УСС); |
10 |
б) от ЦС (УСС) до экстренных спецслужб |
1 |
в) от ЦС (УСС) до справочно-информационных и заказных служб (муниципальных и других операторов); |
должны быть не более 30 |
г) от ЦС до службы АМТС по ЗСЛ; |
10 |
д) от ЦС (УСС) до служб доступа к
федеральным сетям |
по согласованию с оператором |
* - При взаимодействии Примечание: для расчета СЛ, использующих ОКС №7, пользоваться данной таблицей. |
Произведем расчет времени занятия коммутационных приборов отдельно для случаев:
- соединения обычных и IP абонентов через PRI и шлюз VoIP (tТФоП-IP);
- соединение IP-абонентов с абонентами ТФоП (tIP-ТФоП)
- соединение обычных абонентов c абонентами ПРОЕКТУ(tТФоП-EDU)
Средняя длительность одного занятия приборов УАТС при выходе на ГТС определяется по формуле
tГТС =ai∙Pp(tсо+ntt+tу+tпв+ Ti+tот). (2.1)
Каждая категория источников нагрузки характеризуется средней продолжительностью разговора – Ti =55 с.
Продолжительности отдельных этапов установления соединения, входящих в формулу (3.1), определяются следующими величинами:
tco = 3 с – средняя длительность слушания сигнала ответа станции;
tи = 1,5 с – средняя длительность набора одной цифры номера с телефонного аппарата, снабженного дисковым номеронабирателем;
tи = 0,8 с – средняя длительность набора одной цифры номера с телефонного аппарата с кнопочным номеронабирателем;
tt = 0,5 с – средняя длительность сигнала при тональном наборе номера;
tпв = 7 с – средняя длительность сигнала посылки вызова при состоявшемся разговоре;
tу – средняя длительность установления соединения, которая зависит от АТС равна 1секунде;
tот – длительность отбоя, принимается равной 1 секунде.
TГТС =1,22∙0,5(3+8∙0,5+1+7+55+1)= 43,31 с.
Примем, что длительность занятия коммутационных приборов при соединении обычных и IP абонентов через PRI составит:
tТФоП-IP =ai∙Pp(tсо+nniptt+ tсоip+tt ∙nIP +tуip+ tпв+Ti+tот), (2.2)
где: Ti=55 c;
nnip–7 – количество цифр индекса выхода на VoIP шлюз;
tсоip–3 с – средняя длительность слушания сигнала ответа станции IP;
tt = 0,5 с – средняя длительность набора цифры номера при DTMF сигнализации;
nip=3– количество цифр, которые набирает абонент обращаясь к IP абонентам;
tуip = 2 с – время установления соединения через элементы VoIP.
tТФоП-IP=1,22∙0,5(3+7∙0,5+3+3∙
Длительность занятия коммутационных приборов при соединении IP абонентов через шлюз VoIP и PRI:
- Проектирование мультимедийного обучающего курса
- Проектирование мясоперерабатывающего цеха
- Проектирование наладки станков с ЧПУ на обработку детали Червяк 2А061.00.00.12
- Проектирование нефтебазы
- Проектирование нового участка по текущему ремонту автомобилей
- Проектирование новой модели стилизованного платья «Очаровательная лилия»
- Проектирование новой транспортной схемы карьера “Удачный”
- Проектирование мероприятий по формированию конкурентных преимуществ фирмы
- Проектирование механосборочный цех по выпуску золотника
- Проектирование микропроцессорной системы управления вакуумным компрессором
- Проектирование многоуровневой парковки
- Проектирование моечной станции для легковых автомобилей
- Проектирование моста через реку Вилюйв городе Саха
- Проектирование мостового крана