Проектирование услуг пакетной телефонии

Федеральное агентство связи РФ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

Высшего профессионального образования

БИИК ВО «СибГУТИ»

Курсовая работа

по дисциплине «Пакетная телефония»

Проектирование услуг пакетной телефонии

                                                             Выполнил:

                                                                                      Студент гр. ИКТ-13

                                                                       Кропачёв А.А.    

                                                                Проверил:    

                                                                       Арабжаева З.Б.                            

Улан-Удэ, 2015

1.  Источники нагрузки (количество  и типы):

2. Структурный  состав терминалов, подключаемых  по Z-интерфейсу (аналоговые абонентские линии к АТС и AGW):

3. Удельная речевая нагрузка от одного SIP-терминала квартирного сектора – 0,13 Эрл

4. Удельная речевая нагрузка от одного SIP-терминала народно-хозяйственного сектора – 0,27 Эрл

5. Структурный  состав и характеристики типов  аудиокодеков в SIP-терминалах:

6. Структурный  состав и характеристики типов аудиокодеков в шлюзах TGW/AGW:

Содержание

Исходные данные                                                                                                                        

Введение                                                                                                                                        

1. Обзор сервисных платформ                                                                                                             
2. Технология IP-телефонии на базе семейства протоколов H.323                                                                
3. Технология IP-телефонии на базе SIP протокола                                                                            
4. Разработка структурной схемы для обеспечения телефонных услуг на базе заданной технологии IP-телефонии                                                           
5. Расчет интенсивностей телефонной нагрузки                                                             
1. Выбор типа аудиокодека
2. Расчет коэффициента избыточности
3. Расчет местной нагрузки
4. Распределение нагрузки по направлениям                            
6. Расчет числа соединительных линий                          
7. Выбор оборудования                                                                                                    

Заключение                                                                                                                                

Список использованных источников                                                                                      

Введение

  Сеть IP-телефонии представляет собой совокупность оконечного оборудования, каналов связи и узлов коммутации. Сети IP-телефонии строятся по тому же принципу, что и сети Интернет. Однако в отличие от сетей Интернет, к сетям IP-телефонии предъявляются особые требования по обеспечению качества передачи речи.

 IP-телефония – это технология, позволяющая использовать Интернет или любую другую IP-сеть для ведения международных, междугородных или других телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени. Для организации телефонной связи по IP-сетям используется специальное оборудование – шлюзы IP-телефонии. Каждый шлюз должен быть соединен с телефонным аппаратом или абонентской линией АТС, пользователи которых будут являться абонентами IP-шлюза.

IP-телефония является одной из  областей передачи данных, где  важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными  методами кодирования и передачи  информации. Для обеспечения стабильной телефонной связи по IP-сетям введены специальные протоколы передачи данных, например, RTP. При передаче в режиме реального времени до 30% пакетов могут быть утеряны или получены с опозданием (что в режиме реального времени одно и то же). Хорошее приложение IP-телефонии должно возместить нехватку пакетов, восстановив потерянные данные. Сам алгоритм кодирования речи также оказывает влияние на восстановление данных. Для кодирования звуковой информации обычно используются следующие кодеки: G.711, G.722, G.723, G.723.1, G.726, G.728, и G.729.

Два абонента разных IP-шлюзов, разделенные расстоянием в тысячи километров, могут общаться в режиме реального времени, оплачивая только время подключения к IP-сети. С равным успехом IP-шлюз может использоваться и в локальной IP-сети. Общий принцип действия телефонных шлюзов IP-телефонии таков: с одной стороны шлюз подключается к аналоговым телефонным линиям – и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны шлюз подключен к IP-сети – и может связаться с любым компьютером в мире. Шлюз принимает телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через IP-сеть по назначению с использованием протокола IP. Для пакетов, приходящих из IP-сети на шлюз и направляемых в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Обе составляющие процесса связи (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети) происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор.

На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Для того, чтобы осуществить междугородную (международную) связь с использованием технологии IP-телефонии, организация или оператор услуги должны иметь по шлюзу (или IP-телефону) в тех местах, куда и откуда планируются звонки. Стоимость такой связи на порядок меньше стоимости телефонного звонка по обычным телефонным линиям. Особенно велика эта разница для международных переговоров. IP-телефония опирается на две основных операции: преобразование (сжатие) речи внутри кодирующего/декодирующего устройства (кодека) и упаковку в пакеты для передачи по IP-сети. В IP-телефонии используется особая система передачи пакетов со звуковой информацией, что обусловлено спецификой передачи данных по IP-сетям.

В традиционных телефонных линиях между абонентами во время разговора создается канал, чем обеспечивается фиксированная пропускная способность для передачи сигнала. В то время, как IP-сеть представляет собой систему, реализующую принцип коммутации и маршрутизации пакетов. IP-сеть не предоставляет гарантированного пути между точками связи, вся передаваемая информация (голос, текст, изображения, и т.п.) разделяется на пакеты данных, имеющие в своем составе адреса точек назначения (приема и передачи) и порядковый номер. Узлы IP-сети направляют эти пакеты по сети до окончания маршрута доставки. После прибытия пакетов к точке назначения, для восстановления исходного объема упорядоченных данных используются порядковые номера пакетов. Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов, таких как e-mail, время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения.

1. Обзор сервисных платформ.

   Сети связи следующего/нового поколения (NGN) – это пакетные сети, способные предоставлять инфокоммуникационные услуги, в том числе с использованием различных видов широкополосных соединений, транспортных технологий с обеспечением QoS, в которых процедуры предоставления услуг независимы от транспортных технологий, на которых они реализованы. Это обеспечивает пользователям открытый доступ к различным сервис-провайдерам и поддерживает обобщенную мобильность (generalized mobility), которая обеспечивает общепринятый и единообразный порядок предоставления услуг пользователям.

Рис.1

    Оборудование Softswitch взаимодействует со многими компонентами в телекоммуникационной системе. В верхней части рисунка показаны такие функциональные блоки: система тарификации, платформа услуг и приложений, а также сеть общеканальной сигнализации (ОКС). Следует только отметить возможность выхода через сеть ОКС на узел управления услугами (Services Control Point – SCP), входящий в состав интеллектуальной сети, что позволяет дополнить услуги и приложения, доступные абонентам непосредственно через Softswitch, интеллектуальными услугами.

    Логика обработки вызовов реализуется в контроллере шлюзов (Media Gateway Controller – MGC). Взаимодействие Softswitch с коммутационными станциями других сетей осуществляется через оборудование Media Gateway (MG). Для этих целей используется протокол MGCP (Megaco), разработка которого была выполнена в IETF (Инженерная группа по проблемам Интернет) подгруппой Megaco (Media Gateway Control). Протокол MGCP в силу того, что он был разработан в IETF, ориентирован, в основном, на IP-технологии. В результате работы МСЭ появился проект рекомендации H.248, который ориентирован скорее на передачу мультимедийной информации, чем передачу неструктурированного трафика данных. Пунктирной линией на рисунке 1.1 показана связь Softswitch с пакетной сетью, которая, как правило, базируется на технологиях IP и ATM. Пакетная сеть обрабатывает основную часть трафика телекоммуникационной системы. Переход к сети с коммутацией пакетов целесообразно осуществлять путем постепенной эволюции телекоммуникационной системы.

          Технология пакетной телефонии.

Классические» телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов (рис. 4.1), которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соединения.

   Следовательно, один телефонный  разговор представляет собой  одно физическое соединение телефонных каналов.

   В этом случае аналоговый  сигнал шириной 3,1 кГц передается на ближайшую АТС, где он мультиплексируется по технологии временного разделения с сигналами, которые поступают от других абонентов, подключенных к этой АТС.

   Далее групповой сигнал  передается по сети межстанционных  каналов. Достигнув АТС назначения, сигнал демультиплексируется и доходит до адресата.

   Основным недостатком телефонных  сетей с коммутацией каналов  является неэффективное использование  полосы канала - во время пауз  в речи канал не несет никакой  полезной нагрузки.

Рис.2

    Переход от аналоговых к цифровым технологиям стал важным шагом для возникновения современных цифровых телекоммуникационных сетей. Одним из таких шагов в развитии цифровой телефонии стал переход к пакетной коммутации. В сетях пакетной коммутации по каналам связи передаются единицы информации, которые не зависят от физического носителя. Такими единицами могут быть пакеты, кадры или ячейки (в зависимости от протокола), но в любом случае они передаются по разделяемой сети (рис. 4.2), более того - по отдельным виртуальным каналам, не зависящим от физической среды. Каждый пакет идентифицируется заголовком, который может содержать информацию об используемом им канале, его происхождении (т.е. об источнике или отправителе) и пункте назначения (о получателе или приемнике).

   В сетях на основе протокола IP все данные - голос, текст, видео, компьютерные  программы или информация в любой другой форме - передаются в виде пакетов. Любой компьютер и терминал такой сети имеет свой уникальный IP-адрес, и передаваемые пакеты маршрутизируются к получателю в соответствии с этим адресом, указываемом в заголовке. Данные могут передаваться одновременно между многими пользователями и процессами по одной и той же линии. При возникновении проблем IP-сети могут изменять маршрут для обхода неисправных участков. При этом протокол IP не требует выделенного канала для сигнализации.

Сети IP-телефонии предоставляют возможности для вызовов четырех основных типов:

• «От телефона к телефону» (рис.3). Вызов идет с обычного телефонного аппарата к АТС, на один из выходов которой подключен шлюз IP-телефонии, и через IP-сеть доходит до другого шлюза, который осуществляет обратные преобразования.
• «От компьютера к телефону» (рис.4). Мультимедийный компьютер, имеющий программное обеспечение IP-телефонии, звуковую плату (адаптер), микрофон и акустические системы, подключается к IP-сети или к сети Интернет, и с другой стороны шлюз IP-телефонии имеет соединение через АТС с обычным телефонным аппаратом.

     Рис 3.

Рис. 4

• «От компьютера к компьютеру» (рис. 5). В этом случае соединение устанавливается через IP-сеть между двумя мультимедийными компьютерами, оборудованными аппаратными и программными средствами для работы с IР-телефонией.
• «От WEB браузера к телефону» (рис. 6). С развитием сети Интернет стал возможен доступ и к речевым услугам. Например, на WEB-странице некоторой компании в разделе «Контакты» размещается кнопка «Вызов», нажав на которую можно осуществить речевое соединение с представителем данной компании без набора телефонного номера. Стоимость такого звонка для вызывающего пользователя входит в стоимость работы в сети Интернет.

Рис. 5

Рис.6

2. Технология IP телефонии на базе протокола H.323

Рекомендации ITU-T, входящие в стандарт H.323, обеспечивают проведение мультимедийных конференций в пакетных сетях, главным образом ЛВС Ethernet. Они определяют порядок функционирования абонентских терминалов в сетях с разделяемым ресурсом, не гарантирующих качества обслуживания (QoS).

Стандарт H.323 не связан с протоколом IP, однако, большинство реализаций основано на этом протоколе. Набор рекомендаций определяет сетевые компоненты, протоколы и процедуры, позволяющие организовать мультимедиа-связь в пакетных сетях.

H.323 следует рассматривать как  объединение различных, уже известных спецификаций. Это пять стандартов на аудио, 2 - на видеокодеки, один - на мультиплексирование данных, 3 стандарта сигнализации, а также версия протокола передачи в режиме реального времени (RTP) речевых и видеопакетов.

Стандарт H.323 определяет четыре основных компонента, которые вместе с сетевой структурой позволяют проводить двусторонние (точка-точка) и многосторонние (точка - много точек) мультимедиа-конференции.

Терминал может представлять собой ПК или автономное устройство, способное выполнять мультимедиа-приложение. Он обязан обеспечивать звуковую связь и может дополнительно поддерживать передачу видео или данных. Вследствие того, что основной функцией терминала является передача звука, он играет ключевую роль в предоставлении сервиса IP- телефонии.

H.323 терминал должен поддерживать  следующие протоколы:

• H.245 - для согласования параметров соединения
• Q.931 - для установления и контроля соединения
• RAS - для взаимодействия с привратником
• RTP/RTCP - для оптимизации доставки потокового аудио (видео)

• семейство протоколов H.450 - для поддержки обязательных в H.323 дополнительных видов обслуживания (ДВО) аудиокодек G.711. Дополнительными компонентами могут быть другие аудиокодеки и видеокодеки H.261 и H.263. поддержка T.120 для совместной работы над документами необязательна.

Шлюз (gateway) не входит в число обязательных компонентов сети H.323. Он необходим только в случае, когда требуется установить соединение с терминалом другого стандарта. Эта связь обеспечивается трансляцией протоколов установки и разрыва соединений, а также форматов передачи данных. Шлюзы H.323 сетей широко применяются в IP телефонии для сопряжения IP сетей и цифровых или аналоговых коммутируемых телефон-ных сетей.

Привратник (gatekeeper) выступает в качестве центра обработки вызовов внутри своей зоны и выполняет важнейшие функции управления вызовами. (Зона определяется как совокупность всех терминалов, шлюзов и MCU под юрисдикцией данного привратника.) Привратник - необязательный компонент сети H.323, однако, если он присутствует в сети, то терминалы и шлюзы должны использовать его услуги.

Сервер многосторонней конференции (MCU) обеспечивает связь трёх или более H.323 терминалов. Все терминалы, участвующие в конференции, устанавливают соединение с MCU. Сервер управляет ресурсами конференции, согласовывает возможности терминалов по обработке звука и видео, определяет аудио и видеопотоки, которые необходимо направлять по многим адресам.

Использование H.323 протокола не ограничивается ЛВС. Реализация этого стандарта на IP позволяет предоставить клиенту по одному физическому каналу услуги телефонии и Интернет. У заказчика устанавливается маршрутизатор с голосовыми модулями (вариант а), к которым подключаются телефонные аппараты (или офисная АТС). Голосовые модули выполняют функции шлюза между IP - сетью и аналоговыми телефонными аппаратами, преобразуя голос в IP пакеты. Наряду с подключением телефонных аппаратов к голосовым портам маршрутизатора возможно использование IP-телефонов (вариант б). В таком случае оцифровка речи и упаковка её в пакеты происходит непосредственно в IP-телефоне.

Количество телефонов и скорость доступа в Интернет для пользователей в ЛВС зависят от пропускной способности линии связи. При использовании G.729 кодека необходимая пропускная способность для каждого голосового соединения составит 12 кбит/с. При отсутствии телефонных разговоров вся ёмкость канала используется для доступа в Интернет. Подключение осуществляется по выделенному каналу или по каналу Frame Relay к территориально-распределённой сети поставщика услуг Интернет и IP телефонии.

Такая схема даёт возможность клиенту подключить удалённый офис к территориально - распределённой сети (ТРС) предоставления интегрированных услуг Интернет и IP-телефонии. Естественно, что такой вариант подключения возможен лишь в случае нахождения офиса в пределах территории обслуживания:

• поставщика услуг Интернет и IP-телефонии
• узла предоставления интегрированной услуги корпоративной сети (в случае подключения к корпоративной IP сети)

Достоинство такого способа подключения в том, что, имея одну линию связи, клиент может получить выделенный доступ в Интернет и даже прямые городские телефонные номера.

3. Технология IP телефонии на базе протокола SIP.

SIP - Session Initiation Protocol (протокол инициирования  сеансов) - используется для создания, изменения и разрыва "сессий" между одним или несколькими участниками. Понятие "сессии" в протоколе SIP достаточно широкое. Под "сессией" могут подразумеваться не только телефонные звонки, но и передача данных, конференции, децентрализованные игры и т. д. SIP регламентирует только процедуру установки соединения между устройствами, поэтому обычно наряду с SIP используется протокол передачи информации. В случае IP-телефонии в качестве таких протоколов выступают RTP и SDP. Разработкой протокола SIP занимался комитет MMUSIC организации IETF, поэтому в отличие от протокола H.323 (разработанного телефонистами из ITU-T) протокол SIP является более интернет-ориентированным и предназначен для предоставления несколько других (по сравнению с H.323) услуг. Ключевые возможности протокола SIP:

• Мультимедийность.
• Персональная мобильность пользователей. Пользователи могут перемещаться без ограничений в пределах сети, поэтому услуги связи должны предоставляться им в любом месте этой сети. Пользователю присваивается уникальный идентификатор, а сеть предоставляет ему услуги связи вне зависимости от того, где он находится.
• Масштабируемость сети. Она характеризуется в первую очередь возможностью увеличения количества элементов сети при её расширении. Серверная структура сети, построенной на базе протокола SIP, в полной мере отвечает этому требованию.

• Открытость и простота. По убеждению авторов и специалистов, SIP позволит наполнить решения и продукты новыми сервисами и возможностями. Что касается простоты, то достаточно сказать, что все используемые в SIP сообщения имеют текстовый формат и поддерживают вложение любых типов данных. Поэтому голосовое соединение может сопровождаться обменом данными между приложениями. Так, разговор по протоколу SIP свободно дополняется передачей данных от одного абонента другому, например, электронной визитки, цифровых фотографий или даже файла MP3.
• Клиент-серверная архитектура.
• Возможность реакции на события. Так, клиент может "подписаться" на определенное событие (например, обновление статуса пользователя), и как только оно наступит, сервер вышлет соответствующее обновление.

Протокол SIP во многом схож с широко используемым протоколом HTTP, который также можно считать сигнальным (клиенты запрашивают у сервера нужные им документы). При установке соединения параметры сессии описываются в соответствии с SDP и вместе с заголовками протокола SIP передаются клиенту. Коды ответов протокола SIP также очень похожи на стандартные коды протокола HTTP. В случае удачного ответа клиенту посылается код 200, адрес не найден (404), ошибка авторизации (403) и др. Клиенты SIP-сети идентифицируются по универсальным идентификаторам SIP-URI, внешне похожим на адреса электронной почты: sip:[email protected]. Таким образом, имя клиента SIP состоит из персональной части (до знака @), идентифицирующей пользователя, и доменной части (после @), определяющей, например, организацию. В качестве доменной части возможно использование DNS-имени. Протокол SIP выделяет следующие типы объектов сети:

• Агенты.
• Серверы регистрации.
• Серверы перенаправления.
• Прокси-серверы.

4. Разработка структурной схемы для обеспечения телефонных услуг на базе технологии  IP телефонии.

   Исходя из полученных  исходных данных, строим структурную  схему обеспечения телефонных  услуг на базе технологии IP телефонии.

Рис. 7

Каждый терминал в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

- Физический (МАС-адрес) — локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети — это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-A0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта — идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, включая X.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

- Сетевой (IP-адрес), состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно или назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.