Принцип работы VoIP (Voice over Internet Protocol)
Введение
Телефонная связь
и голосовое общение в
До недавнего времени единственным способом такой голосовой коммуникации была обычная аналоговая телефония. Однако развитие интернета и ограниченные возможности традиционной телефонии не так давно привели к появлению цифровой телефонии.
IP-телефония
(произносится «АйПи») известная
еще как Интернет-телефония - это
современный вид связи,
В отличие от традиционных телефонных сетей общего пользования (ТфОП), где голос передается непрерывно в «естественном», аналоговом виде, в IP-сетях вся информация транслируется исключительно в цифровом виде. Голос кодируется в цифровую последовательность, пересылается в пункт назначения, где снова декодируется в исходную человеческую речь. Перед отправкой оцифрованная голосовая информация сжимается и дробится на мелкие «куски» – пакеты данных, отсюда еще одно название IP-телефонии – «пакетная телефония». Пакеты, добравшись, зачастую разными маршрутами, до места назначения, снова собираются в единое целое, выстроившись в исходном порядке.
Для чего это делается? Для наиболее рационального использования каналов связи. Ведь очевидно, что через одну и ту же трубу достаточного диаметра кубометр теннисных шариков пройдет быстрее и легче, чем кубометр футбольных мячей. К тому же, плотность потока в первом случае будет выше, а неиспользуемых пустот будет меньше. В сети Интернет, в отличие от трубы, пакеты, в зависимости от загрузки каналов, пересылаются различными маршрутами (маршрутизация), т.е. потоков не один, а много; благодаря чему скорость передачи информации выше.
Целью данной работы является детальное рассмотрение сферы VoIP технологий. Обзор преимуществ и недостатков по сравнению с аналоговыми телефонными линиями, Виды соединении и применяемые технологии. Особое внимание указывается проблемам VoIP и методам их решений. В практической части рассматривается использование тандемного кодирования, различные транспортные протоколы и проектирование системы номеров для предприятия.
Глава 1. Изучение принципов работы VoIP
1.1 История создания и развития VoIP
Создание и развитие технологии VoIP началось, по историческим меркам, сравнительно недавно. Бытует мнение, что концепция передачи голоса с помощью персонального компьютера через сеть с пакетной коммутацией зародилась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 году Чарли Кляйн (Charley Kline) реализовал эту идею, создав Maven - первую программу для PC, обеспечивающую передачу голоса по сети. Тогда же одним из самых популярных сетевых мультимедийных приложений стала разработанная в Корнельском университете программа для организации видеоконференций на платформе Macintosh - CU-SeeMe.
В апреле 1994 года обе программы были опробованы для трансляции в Интернете полета космического челнока Endeavor. NASA передавало на Землю изображение с помощью программы CU-SeeMe, а звук - с помощью Maven. Полученные сигналы из Льюисовского исследовательского центра поступали на Macintosh, подключенный к Интернет, и любой желающий мог следить за происходящим и слышать голоса астронавтов. Позже программы объединили и появился вариант CU-SeeMe с полноценной поддержкой аудио и видео функций для обеих компьютерных платформ - Macintosh и PC.
В феврале 1995 года
появился первый пакет программного
обеспечения для Интернет-
Тем временем уже была создана частная сеть серверов Internet Phone, а с сайта VocalTec были скачаны тысячи копий программы. Другие компании, оценив привлекательность практически дармовых международных разговоров, буквально наводнили рынок продуктами для IP-телефонии. В сентябре небольшая компания из Далласа выпустила в продажу свою разработку – DigiPhone, которая обеспечивала уже дуплексную связь, позволяя говорить и слушать одновременно.
В марте 1996 года VocalTec объявила о своем совместном с крупнейшим производителем ПО для компьютерной телефонии Dialogic проекте – «Internet Telephone Gateway». Целью проекта было создание первого специализированного телефонного шлюза для IP-телефонии, получившего название VocalTec Telephonе Gateway (VTG), объединяющего сеть Интернет и ТфОП. Связав традиционные телефонные каналы с Интернетом, VTG обеспечивали возможность абонентам обычных телефонных станций, не имевшим ни малейшего представления ни о компьютерах, ни тем более об IP-сетях, воспользоваться всеми преимуществами IP-телефонии.
В августе 1997 года компания VocalTec объявила о своей программе телефонии следующего поколения NextGen Telephony Program и совместном соглашении по маркетингу IP-телефонии во всем мире с несколькими ITSP, среди которых Delta Three, Biztrans Technology, PacificNet, NetTel, Halidon и Access Power. Благодаря этой программе пользователи последней версии Internet Phone могут использовать шлюз одного из указанных ITSP для связи с обычным телефоном. Тогда же начали использоваться глобальные выделенные сети для передачи голоса по IP, предназначенные только для этого, а не общедоступная сеть Internet и качество голосовой связи стало выше.
1.2 Преимущества
Еще совсем недавно телефонные сети и IP-сети существовали независимо друг от друга и выполняли свои специализированные функции: сети с коммутацией каналов обеспечивали телефонную и факсимильную связь, а сети с коммутацией пакетов – передачу цифровых данных. Технология VoIP позволила объединить оба типа сетей, а IP-телефония, построенная на этой технологии, вобрала в себя их преимущества.
Низкая стоимость связи (особенно для междугородных и международных телефонных звонков). Обычная телефония базируется на разветвленной сети кабелей и станций, монтаж и эксплуатация которых весьма затратны, отсюда и высокие тарифы, и их зависимость от расстояния. Кроме того, долгое время оставаясь монополистами на рынке услуг связи, телефонные операторы традиционно завышают цены. IP-телефония, используя сжатие данных и многопотоковость, максимально эффективно использует каналы связи, идущие «в обход» междугородных и международных телефонных операторов, что снижает стоимость звонков через Интернет в разы.
Простота пользования. Воспользоваться IP-телефонией так же просто, как и традиционной телефонной связью. От абонента не требуется никаких специальных знаний, это может сделать даже человек, никогда не слышавший об Интернет и компьютерах.
Качество и надежность связи, в сравнении с ранними решениями IP-телефонии, неуклонно растет. Улучшенные алгоритмы кодирования голоса и восстановления потерянных пакетов позволили выйти на такой уровень, когда собеседники воспринимают речь практически так же, как при обычной телефонной связи. Незначительные, в пределах 150-250 мс, задержки могут оказывать влияние на темп беседы, но не снижают качество речи.
Расширение возможностей корпоративных сетей – объединение региональных филиалов в единую информационную структуру с общекорпоративной телефонной и компьютерной сетью. IP-телефония идеально подходит для создания виртуальной частной сети (VPN) компании. Такая интрасеть обеспечивает наиболее оперативное управление филиалами и обмен данными при решении деловых задач, а совмещение телефонного трафика, передачи данных и доступа в Интернет позволяет сократить количество арендуемых каналов связи.
Глобальный роуминг услуг связи, построенный на технологии VoIP, отличается гораздо большей гибкостью по сравнению с традиционными решениями и на порядок меньшими затратами, что весьма привлекательно для операторов мобильной связи.
1.3 Недостатки
Технология Voice over IP (VoIP), успешно развиваясь и обладая целым рядом неоспоримых преимуществ, все же не лишена и недостатков, о которых следует помнить, выбирая оптимальную конфигурацию для телефонной и факсимильной связи.
Несмотря на расхожее утверждение маркетологов, IP-телефония не всегда самый дешевый вид связи и не единственный способ снижения стоимости междугородных и международных звонков. Например, относительно дешевый «межгород» можно получить, воспользовавшись внутрисетевым роумингом сотовых операторов. В то же время у VoIP-оператора может не оказаться выхода на ТфОП нужного населенного пункта, и расстояние до него от ближайшего шлюза будет покрыто с помощью традиционной телефонной сети, что увеличит стоимость звонка.
Качество Интернет-телефонии неуклонно повышается, но иногда оно все же уступает качеству обычной телефонии. Один из основных недостатков VoIP – это задержки прохождения пакетов с речевой информацией по каналам IP сети, зависящие от множества факторов. Причем повлиять на эти факторы за пределами своей локальной сети, особенно при использовании публичных каналов Интернет, практически невозможно.
При организации корпоративной телефонии на основе существующей сети передачи данных необходимо учитывать, что подобные сети могли быть созданы относительно давно и поэтому не всегда пригодны для VoIP. В такой ситуации потребуются дополнительные инвестиции на модернизацию сетевой инфраструктуры, что может существенно снизить экономическую привлекательность перехода на IP-телефонию.
В плане надежности
связи неоспоримым
Есть проблемы и со звонками в службы неотложной помощи – не везде VoIP-операторы предоставляют возможность экстренного вызова, скажем по номеру 911. Связано это с тем, что абоненты IP телефонии не имеют жесткой географической привязки и сложно определить откуда поступил звонок, чтобы перенаправить его в ближайшую службу спасения.
Уделяя максимум внимания повышению качества передачи речи (QoS), VoIP-операторы порой пренебрегают безопасностью. А ведь при использовании общедоступных IP-сетей инфраструктурам VoIP угрожают традиционные для сетей передачи данных опасности, в том числе различные вирусы. Наиболее опасны DoS атаки, способные с помощью одного-единственного соответствующим образом подготовленного SIP-пакета вывести из строя целую корпоративную сеть на десятки часов. Конфиденциальность телефонного разговора по VoIP без использования соответствующих механизмов защиты не обеспечивается. Появилась и своя разновидность спама - спит (SPIT - Spam over Internet Telephony), неоправдывающая себя в обычной, относительно дорогой телефонии.
1.4 Виды соединений
1.4.1 Компьютер – компьютер
Самое простое и исторически первое решение Интернет-телефонии. Все, требуемое для его реализации оборудование, – пара подключенных к Интернет компьютеров со звуковыми картами, наушниками и микрофоном. Преобразования речи и пересылка пакетов выполняется специальным программным обеспечением. Поскольку услуги каких-либо операторов связи, кроме Интернет-провайдера, не используются, стоимость связи равна стоимости фактически израсходованного трафика.
1.4.2 Компьютер – телефон
При такой схеме реализации IP-телефонии один из абонентов вместо мультимедийного компьютера использует обычный телефон. Связь осуществляется через шлюз, который, с одной стороны, подключен к телефонной сети (ТфОП) и может соединиться с любым телефоном, а с другой – к сети Интернет, и может соединиться с любым компьютером. Шлюз оцифровывает, сжимает и пакетирует поступающий из телефонной сети сигнал и передает его по IP-сети на компьютер. Сигнал, поступающий от компьютера, проходит обратную обработку и передается в телефонную сеть. Прохождение сигналов в обе стороны происходит практически одновременно, что обеспечивает привычную дуплексную связь, позволяющую говорить и слушать одновременно.
1.4.3 Телефон – телефон
При таком соединении
абонентам не нужны никакие знания
о компьютерах или Интернет и
никакое специальное
1.4.4 Web – телефон
Звонок с веб-сайта или «click-to-call» (другое название – «Surf&Call») - это относительно новая услуга Интернет-телефонии, позволяющая инициировать телефонный разговор с компьютера одним кликом по кнопке (ссылке) на web-странице. Никакого номера при этом набирать не нужно, а стоимость звонка равна стоимости потраченного трафика. Для осуществления такого разговора может потребоваться установка программы-клиента – обычно это делается автоматически с той же самой страницы. Услуга click-to-call успешно используется в электронной коммерции и позволяет клиентам Интернет-компаний оперативно связаться со службой поддержки. Как вариант, на веб-странице может быть предложено ввести свой номер телефона, на который вам позвонит оператор службы поддержки, так называемый обратный звонок – call back.
1.5 Технология
Наибольшее распространение получил вариант построения сетей IP-телефонии, предложенный Международным союзом электросвязи (ITU) в рекомендациях H.323, определяющих следующие элементы архитектуры:
- шлюз (gateway)
- диспетчер (gatekeeper)
- монитор (administration manager)
Таким образом, сеть IP-телефонии представляет собой соединенные посредством IP-сети шлюзы, непосредственно связывающие IP сеть с телефонной сетью и осуществляющие оцифровку, сжатие и пакетирование голоса/факса и их обратное восстановление. Управление работой и взаимодействием шлюзов выполняют контроллеры - диспетчеры. Для удобства удаленного администрирования сети IP-телефонии может быть использован необязательный ее элемент - монитор.
1.5.1 Шлюз
Шлюз или Gateway - основной и неотъемлемый элемент архитектуры сети IP-телефонии, непосредственно связывающий IP сеть с телефонной сетью. Он обеспечивает передачу речевого трафика, поступающего из сети с коммутацией каналов по сетям с коммутацией пакетов. Основным функциональным назначением шлюза является преобразование речевой информации или факс-сигнала, поступающих со стороны ТфОП в цифровой вид, пригодный для передачи по IP сетям и обратное преобразование для передачи в телефонную сеть. Кроме того, шлюз выполняет роль пользовательского интерфейса, отвечая на звонки вызывающего абонента и установливая соединение с вызываемым абонентом.
Шлюзы разных производителей отличаются программно-аппаратной реализацией, способом подключения, емкостью, интерфейсом и другими характеристиками, но выполняют одни и те же функции, определяемые технологией IP-телефонии.
1.5.2 Диспетчер
Диспетчер, или gatekeeper, – это самостоятельный логический модуль, задающий алгоритм работы сети IP-телефонии, управляющий терминалами и шлюзами. Диспетчер необходим в любой сети IP-телефонии, содержащей более двух шлюзов. Функциональное назначение диспетчера – аутентификация и авторизация абонента, распределение вызовов и управление взаимодействием шлюзов, а также поддержка работы систем биллинга.
1.5.3 Монитор
Монитор - необязательный дополнительный элемент сети IP-телефонии, представляющий собой интерфейс для удаленного конфигурирования и поддержки через IP-сеть шлюзов и диспетчеров сети IP-телефонии. В первых шлюзах для администрирования использовались стандартные сетевые приложения, такие как pcAnywhere. Позднее для удобства работы производители оборудования IP-телефонии начали выпускать для этих целей собственные приложения.
1.6 Проблемы VoIP и методы их решения
Чтобы правильно
спроектировать сеть, необходимо хорошо
разбираться в недостатках
- Задержка и время ожидания.
- Дребезг.
- Сжатие голосовых данных.
- Эхо.
- Потеря пакетов.
- Обнаружение голосовой активности.
1.6.1 Задержка и время ожидания
Для VoIP задержка (delay), или время ожидания (latency), означает период времени, за который голос проделывает путь от рта диктора до уха слушателя. Нынешние телефонные сети унаследовали три типа задержки: задержка на распространение (propagation delay), задержка на сериализацию (serialization delay) и задержка на обработку (handling delay). Задержка на распространение вызвана длиной пути, который должен пройти свет по оптоволоконному кабелю или электрический импульс по медным проводам. Задержка на обработку обусловлена множеством различных причин (фактическое пакетирование, сжатие и коммутация пакетов) и обуславливается устройствами, передающими фрейм по сети. Задержка на сериализацию — это период времени, в течение которого бит или байт помещается в интерфейс. Её влияние на общую задержку незначительно.
1.6.1.1 Задержка на распространение
Скорость света в вакууме составляет 300 000 км/с, а электроны перемещаются по медному или оптоволоконному кабелю со скоростью приблизительно 200 000 км/с. Для оптоволоконной сети, охватывающей полмира (80 000 км), односторонняя задержка составит примерно 70 миллисекунд. Хотя такая задержка практически неощутима человеческим ухом, вместе с задержками на обработку она может вызвать значительное ухудшение качества голоса.
1.6.1.2 Задержка на обработку
Появление задержки
на обработку обуславливают
Цифровой процессор сигналов (Digital Signal Processor — DSP) продукта Cisco IOS VoIP, создает выборки голоса каждые 10 миллисекунд, согласно стандарту G.729. В пакет помещаются каждые две голосовые выборки (обе с задержкой 10 мс). Следовательно, задержка пакета составляет 20 мс. Стандарт G.729 предусматривает начальную предварительную задержку в 5 мс, поэтому для первого голосового фрейма общая задержка составит 25 мс. Производители могут сами решать, сколько голосовых выборок пересылать в одном пакете. Поскольку стандарт G.729 использует 10-миллисекундные выборки, каждое увеличение количества выборок во фрейме увеличивает задержку на 10 мс. На самом деле, Cisco IOS позволяет пользователям самим устанавливать количество выборок, помещаемых в каждый фрейм.
Чтобы уменьшить нагрузку на маршрутизатор и шлюз, в Cisco основную ответственности за кадрирование и формирование пакетов возложили на процессор DSP. Например, заголовок протокола передачи данных в реальном масштабе времени (Real-Time Transport Protocol — RTP) помещается в кадр процессором DSP, а не маршрутизатором.
1.6.2 Дребезг
Дребезг (jitter) — это неравномерность периодов времени на доставку пакетов. Дребезг относится как раз к тем проблемам, которые существуют только в пакетных сетях. В пакетной голосовой системе отправитель ожидает, что голосовые пакеты будут передаваться с одинаковыми интервалами (например, через каждые 20 мс). Эти голосовые пакеты могут задержаться в сети и не достичь принимающей станции за обычный интервал. Разница во времени между тем, когда ожидалось получение пакета и временем фактического получения, называется дребезгом. [Рис 1]
Рис. 1 Неравномерность времени поступления пакетов (дребезг)
Время
отправления и получения
Дребезг и общая задержка — это не одно и то же; в богатых на дребезг пакетных сетях может увеличиваться сумма общей задержки сети. Чем больше дребезга, тем большим должен быть буфер компенсации дребезга, чтобы компенсировать непредсказуемый характер пакетной сети.
1.6.3 Сжатие голосовых данных
Общепринятыми сейчас являются два основных варианта РСМ на 64 Кбит/с: µ-стандарт (используемый в Северной Америке) и а-стандарт (принятый в Европе). Оба они используют логарифмический метод сжатия, чтобы достичь 12-13-битового качества канала РСМ при восьмибитовых словах, а отличаются незначительными деталями. Метод µ-стандарта имеет небольшое преимущество перед методом а-стандарта по низкоуровневой производительности и отношению сигнал/шум. Следует заметить, что во время междугородного звонка ответственность за необходимое преобразование функции µ вида к функции а-вида несет страна, использующая функцию вида µ.
Другой популярный метод сжатия — адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (Adaptive Differential Pulse Code Modulation — ADPCM). Общепринятым стандартом ADPCM является ITU-T G.726, по которому кодирование происходит с помощью 4-битовых выборок, обеспечивающих частоту передачи 32 Кбит/с. В отличие от РСМ, четырьмя битами непосредственно кодируется не амплитуда голоса, а разница амплитуды (как частота изменения амплитуды).
РСМ и ADPCM — это
примеры кодеков аналого-
Эти методы, как правило, объединены в исходные кодеки, включающие такие варианты, как кодирование методом линейного предсказания (Linear Predictive Coding — LPC), алгоритм сжатия при кодировании методом линейного предсказания (Code Excited Linear Prediction Compression — CELP) и мультиимпульсное многоуровневое квантование (Multipulse, Multilevel Quantization— MP-MLQ).
1.6.3.1 Стандарты кодирования голосовых данных
Схемы кодирования CELP, MP-MLQ РСМ и ADPCM стандартизированы ITU-T в рекомендациях серии G. Вот наиболее популярные стандарты кодирования голосовых данных для телефонов и голосовых пакетов.
- Стандарт G.711 описывает уже известную методику кодирования голосовых данных РСМ на 64 Кбит/с. Стандарт кодирования G.711 подразумевает немедленное преобразование голосовых данных в формат, необходимый для цифровой голосовой передачи по открытой телефонной сети или РВХ.
- Стандарт G.726 описывает технологию кодирования ADPCM со скоростями передачи 40, 32, 24 и 16 Кбит/с; при этом закодированная ADPCM может передаваться в виде голосовых пакетов по обычной телефонной сети или РВХ, если последние поддерживают ADPCM.
- Стандарт G.728 — вариант спецификации технологии сжатия голоса CELP с низкой задержкой и скоростью передачи 16 Кбит/с.
- Стандарт G.729 описывает технологию сжатия голоса CELP со скоростью передачи 8 Кбит/с;
- Стандарт G.723.1 — спецификация технологии сжатия, которая может использоваться для сжатия голосовых или аудиосигналов с очень низкой скоростью передачи. Входит в семейство стандартов Н.324. Этот кодек имеет две скорости передачи — 5,3 и 6,3 Кбит/с.
- Кодек iLBC (Internet Low Bitrate Codec — кодек для Интернета с низкой скоростью передачи) — бесплатный голосовой кодек, подходящий для надежной передачи голоса по сети IP. Кодек разработан для узкой голосовой полосы и обеспечивает передачу данных на скорости 13,33 Кбит/с при длине фрейма кодировки 30 мс и 15,20 Кбит/с при длине фрейма кодировки 20 мс.
1.6.3.2 Усредненная оценка разборчивости голоса
Качество голоса можно определить двумя способами — субъективно или объективно. Люди оценивают субъективно, в то время как компьютеры, их сложнее "ввести в заблуждение" схемами сжатия, обманывающими человеческое ухо, выполняют объективную проверку.
Кодеки были разработаны и настроены на основе субъективных показателей качества речи. Стандартные объективные показатели качества, такие как общее гармоническое искажение (total harmonic distortion) и отношение сигнал/шум (signal-to-noise ratio), не очень хорошо соотносятся с большинством человеческих методов восприятия голоса.
Наиболее популярным субъективным эталоном для проверки эффективности голосового кодека является усредненная оценка разборчивости речи (Mean Opinion Score — MOS). Тесты MOS раздаются группе слушателей. Поскольку качество голоса и звука для слушателя — понятия субъективные, при проведении теста MOS очень важно обеспечить участие как можно большего количества слушателей, а также разнообразие материала. Слушатели присваивают каждой выборке голосового материала оценку от 1 (плохо) до 5 (превосходно). Затем баллы подсчитывают и получают усредненную оценку разборчивости речи [табл. 1].