На первом этапе осуществляется оцифровка голоса. Затем оцифрованные данные анализируются и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, передаваемых получателю. Как правило, на этом этапе происходит подавление ненужных пауз и фонового шума, а также компрессирование.
На следующем этапе полученная последовательность данных разбивается на пакеты и к ней добавляется протокольная информация - адрес получателя, порядковый номер пакета на случай, если они будут доставлены не последовательно, и дополнительные данные для коррекции ошибок. При этом происходит временное накопление необходимого количества данных для образования пакета до его непосредственной отправки в сеть.
Операторы сетей с пакетной коммутацией получают преимущества, присущие разделяемой инфраструктуре электросвязи по самой ее природе. Проще говоря, они могут продать больше, чем в действительности имеют, основываясь на статистическом анализе работы сети. Поскольку предполагается, что абоненты не будут круглосуточно и ежедневно задействовать всю оплаченную полосу, можно обслужить больше абонентов, не расширяя магистральную инфраструктуру. Оборот и прибыль при этом увеличиваются.
Иными словами, абонент, оплативший полосу 64 кбит/с, использует канал в среднем лишь на 25%. Следовательно, оператор способен продать имеющийся у него ресурс в четыре раза большему числу пользователей, не перегружая свою сеть. Такой сценарий выгоден обеим сторонам - и клиенту, и продавцу, - поскольку оператор увеличивает свои доходы и уменьшает абонентскую плату за счет снижения издержек. Это выигрышное решение уже признано в мире передачи данных, а теперь начинает использоваться и на рынке телефонии.
Полоса пропускания напрямую зависит от загруженности сети Интернет пакетами, содержащими данные, голос, графику и т.д., а значит, задержки при прохождении пакетов могут быть самыми разными. При использовании выделенных каналов исключительно для голосовых пакетов можно гарантировать фиксированную (или почти фиксированную) скорость передачи. Ввиду широкого распространения сети Интернет особый интерес вызывает реализация системы Интернет-телефонии, хотя следует признать, что в этом качество телефонной связи оператором не гарантируется.
Для того, чтобы осуществить междугородную (международную) связь с помощью телефонных серверов, организация или оператор услуги должны иметь по серверу 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.
Общий принцип действия телефонных серверов Интернет-телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны, сервер с Интернетом и может связаться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через Интернет по назначению с использованием протокола IP. Для пакетов, приходящих из сети на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети) происходит практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор.
Поскольку оператор представляет некоторый сервис и берет за него деньги, он обязан гарантировать его качество. Даже если клиент согласен (хотя в условиях жесткой конкуренции на рынке телекоммуникаций это маловероятно) время от времени мириться с не очень высоким уровнем качества, он может предъявить претензии в случае серьезных или длительных проблем. Как бы то ни было, оператор вынужден следить за качеством предоставляемых услуг, для чего в случае их масштабного предоставления ему требуется соответствующая аппаратура и программное обеспечение, которое достаточно дорого и имеется не во всех точках сети.
С точки зрения масштабируемости IP-телефония представляется вполне законченным решением. Во-первых, поскольку соединение на базе протокола IP может начинаться (и заканчиваться) в любой точке сети от абонента до магистрали. Соответственно, IP-телефонию в сети можно вводить участок за участком, что, кстати, на руку и с точки зрения миграции. Для решения IP-телефонии характерна определенная модульность: количество и мощность различных узлов - шлюзов, gatekeeper («привратников» - так в терминологии VoIP именуются серверы обработки номерных планов) - можно наращивать практически независимо, в соответствии с текущими потребностями.
Добрый день, уважаемые хабражители. В данной статье я постараюсь рассмотреть основные принципы IP-телефонии, описать наиболее часто используемые протоколы, указать способы кодирования и декодирования голоса, разобрать некоторые характерные проблемы.
Под IP-телефонией подразумевается голосовая связь, которая осуществляется по сетям передачи данных, в частности по IP-сетям (IP - Internet Protocol). На сегодняшний день IP-телефония все больше вытесняет традиционные телефонные сети за счет легкости развертывания, низкой стоимости звонка, простоты конфигурирования, высокого качества связи и сравнительной безопасности соединения. В данном изложении будем придерживаться принципов эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection basic reference model) и рассказывать о предмете “снизу-вверх”, начиная с физического и канального уровней и заканчивая уровнями данных.
"
Модель OSI и инкапсуляция данных
Принципы IP-телефонии
При осуществлении звонка голосовой сигнал преобразуется в сжатый пакет данных (подробнее этот процесс будет рассмотрен в главах “Импульсно кодовая модуляция” и “Кодеки”). Далее происходит пересылка данных пакетов поверх сетей с коммутацией пакетов, в частности, IP сетей. При достижении пакетами получателя, они декодируются в оригинальные голосовые сигналы. Эти процессы возможны благодаря большому количеству вспомогательных протоколов, часть из которых будет рассмотрена далее.В данном контексте, протокол передачи данных - некий язык, позволяющий двум абонентам понять друг друга и обеспечить качественную пересылку данных между двумя пунктами.
Отличие от традиционной телефонии
В традиционной телефонии установка соединения происходит при помощи телефонной станции и преследует исключительно цель разговора. Здесь голосовые сигналы передаются по телефонным линиям, через выделенное подключение. В случае же IP-телефонии, сжатые пакеты данных поступают в глобальную или локальную сеть с определенным адресом и передаются на основе данного адреса. При этом используется уже IP-адресация, со всеми присущими ей особенностями (такими как маршрутизация).При этом IP-телефония оказывается более дешевым решением как для оператора, так и для абонента. Происходит это благодаря тому, что:
- Традиционные телефонные сети обладают избыточной производительностью, в то время, как IP-телефония использует технологию сжатия голосовых пакетов и позволяет полностью использовать емкость телефонной линии.
- Как правило, на сегодняшний момент доступ в глобальную сеть есть у всех желающих, что позволяет сократить затраты на подключение или совсем исключить их.
- Звонки в локальной сети могут использовать внутренний сервер и происходить без участия внешней АТС.
- Телефонные серверы постоянно совершенствуются и алгоритмы их работы становятся более устойчивыми к задержкам или другим проблемам IP-сетей.
- В частных сетях их владельцы обладают полным контролем над ситуацией и могут изменять такие параметры, как ширина полосы пропускания, количество абонентов на одной линии, и, как следствие, величину задержки.
- Сети с коммутацией пакетов развиваются, и ежегодно вводятся новые протоколы и технологии, позволяющие улучшить качество связи (например, протокол резервирования полосы пропускания RSVP).
Физический уровень (Physical Layer)
На физическом уровне осуществляется передача потока битов по физической среде через соответствующий интерфейс. IP-телефония практически полностью опирается на уже существующую инфраструктуру сетей. В качестве среды передачи информации используются, как правило витая пара категории 5 (UTP5), одномодовое или многомодовое оптическое волокно, либо коаксиальный кабель. Тем самым в полной мере реализуется принцип конвергенции телекоммуникационных сетей.PoE
Интересно рассмотреть технологию PoE (Power Over Ethernet) - стандарты IEEE 802.3 af-2003 и IEEE 802.3at-2009. Ее суть заключается в возможности обеспечения питанием устройств посредством стандартной витой пары. Большинство современных IP-телефонов, в частности, модельный ряд Cisco Unified IP Phones 7900 Series, поставляются с поддержкой PoE. Согласно стандарту 2009 года, устройства могут получать ток мощностью до 25,5 Ватт.При подаче питания используются лишь две витых пары кабеля 100BASE-TX, однако некоторые производители задействуют все четыре, достигая мощности до 51 Ватт. Необходимо заметить, что технология не требует модификации уже существующих кабельных систем, в том числе и кабелей Cat 5.
Для определения того, является ли подключаемое устройство питаемым (PD - powered device) на кабель подается напряжение 2,8 - 10 В. Тем самым вычисляется сопротивление подключаемого устройства. Если данное сопротивление находится в диапазоне 19 - 26,5 кОм, то процесс переходит на следующий этап. Если же нет - проверка повторяется с интервалом ≥2 мс.
Далее происходит поиск диапазона мощностей питаемого устройства путем подачи более высокого напряжения и измерения тока в линии. Вслед за этим на линию подается 48 В - питающее напряжение. Также осуществляется постоянный контроль перегрузок.
Канальный уровень (Data Link Layer)
Согласно спецификации IEEE 802 канальный уровень разделяется на два подуровня:- MAC (Media Access Control) - обеспечивает взаимодействие с физическим уровнем;
- LLC (Logical Link Control) - обслуживает сетевой уровень.
Необходимо упомянуть механизм виртуальных локальных сетей (Virtual Local Area Network). Данная технология позволяет создавать логическую топологию сети без оглядки на ее физические свойства. Достигается это тегированием трафика, что подробно описано в стандарте IEEE 802.1Q.
Формат фрейма
В контексте IP-телефонии отметим Voice VLAN, широко применяющуюся для изоляции голосового трафика, генерируемого IP-телефонами, от других данных. Ее использование целесообразно по двум причинам:
- Безопасность. Создание отдельной голосовой VLAN уменьшает вероятность перехвата и анализа голосовых пакетов.
- Повышение качества передачи. Механизм VLAN позволяет задать повышенный приоритет голосовым пакетам, и, как следствие, улучшить качество связи.
Сетевой уровень (Network Layer)
На сетевом уровне происходит маршрутизация, соответственно основными устройствами сетевого уровня являются маршрутизаторы (Router). Именно здесь определяется, каким путем данные достигнут получателя с определенным IP-адресом.Основной маршрутизируемый протокол - IP (Internet Protocol), на основе которого и построена IP-телефония, а также всемирная сеть Интернет. Также существует множество динамических протоколов маршрутизации, самый популярный среди которых OSPF (Open Shortest Path First) - внутренний протокол, основанный на текущем состоянии каналов связи;
На сегодняшний момент существуют специальные VoIP-шлюзы (Voice Over IP Gateway), обеспечивающие подключение обычных аналоговых телефонов к IP-сети. Как правило, они имеют и встроенный маршрутизатор, позволяющий вести учет трафика, авторизовать пользователей, автоматически раздавать IP-адреса, управлять полосой пропускания.
Среди стандартных функций VoIP-шлюзов:
- Функции безопасности (создание списков доступа, авторизация);
- Поддержка факсимильной связи;
- Поддержка голосовой почты;
- Поддержка протоколов H.323, SIP (Session Initiation Protocol).
Как правило, в этих целях на маршрутизаторах используется очередность с малой задержкой (LLQ - Low-Latency queuing), либо взвешенная организация очередей на основе классов (CBWFQ - Class-Based Weighted Fair Queuing).
Кроме того, необходимы схемы маркировки с заданием приоритетов для рассмотрения голосовых данных, как наиболее важных для передачи.
Транспортный уровень (Transport Layer)
Для транспортного уровня характерны:- Сегментация данных приложений верхнего уровня;
- Обеспечение сквозного соединения;
- Гарантия надежности данных.
UDP
UDP базируется на сетевом протоколе IP и предоставляет транспортные услуги прикладным процессам. Его главное отличие от TCP - обеспечение негарантированной доставки, то есть при отправке и получении данных никаких подтверждений не запрашивается. Также при отправке информации не обязательно установление логического соединения между модулями UDP (источник и приемник).RTP
Несмотря на то, что RTP принято считать протоколом транспортного уровня, как правило он работает поверх UDP. С помощью RTP реализуется распознавание типа трафика, работа с метками времени, контроль передачи и нумерация последовательности пакетов.Основное назначение RTP состоит в том, что он присваивает каждому исходящему пакету временные метки, обрабатывающиеся на приемной стороне. Это позволяет принимать данные в надлежащем порядке, снижает влияние неравномерности времени прохождения пакетов по сети, восстанавливает синхронизацию между аудио и видео данными.
Уровни данных (Data Layers)
Три последних уровня модели OSI рассмотрим совместно. Такое объединение допустимо, так как процессы, происходящие на данных уровнях тесно связаны между собой, и описывать их безотносительно разделения на подуровни будет логичнее.H.323
Первым делом необходимо описать стек протоколов H.323, разработанный в 1996 году. Данный стандарт содержит описание оборудования, сетевых служб и терминальных устройств, предназначенных для осуществления аудио- и видеосвязи в сетях с коммутацией пакетов (Интернет). Для любого устройства стандарта H.323 обязательна поддержка обмена голосовой информацией.- Платформенную независимость.
- Стандарты кодирования аналоговых данных.
- Управление полосой пропускания.
- Гибкость и совместимость.
Согласно H.323 четырьмя основными компонентами VoIP-соединения являются:
- терминал;
- шлюз;
- контроллер зоны;
- контроллер управления многоточечной конференции (MCU - Multipoint Control Unit).
Пример структурной схемы сети в IP-телефонии
Выдержка из документа, описывающего стек протоколов H.323
1. Управление соединением и сигнализация:
1.а. H.225.0: протоколы сигнализации и пакетирования мультимедийного потока (использует подмножество протокола сигнализации Q.931).
1.б. H.225.0/RAS: процедуры регистрации, допуска и состояния.
1.в. H.245: протокол управления для мультимедиа.
2. Обработка звуковых сигналов:
2.а. G.711: импульсно-кодовая модуляция тональных частот.
2.б. G.722: кодирование звукового сигнала 7 кГц в 64 кбит/с.
2.в. G.723.1: речевые кодеры на две скорости передачи для организации мультимедийной связи со скоростью передачи 5.3 и 6.3 кбит/с.
2.г. G.728: кодирование речевых сигналов 16 кбит/с с помощью линейного предсказания с кодированием сигнала возбуждения с малой задержкой.
2.д. G.729: кодирование речевых сигналов 8 кбит/с с помощью линейного предсказания с алгебраическим кодированием сигнала возбуждения сопряженной структуры.
3. Обработка видеосигналов:
3.а. H.261: видеокодеки для аудиовизуальных услуг со скоростью 64 кбит/с.
3.б. H.263: кодирование видеосигнала для передачи с малой скоростью.
4. Конференц-связь для передачи данных:
4.а. T.120: стек протоколов (включает T.123, T.124, T.125) для передачи данных между оконечными пунктами.
5. Мультимедийная передача:
5.а. RTP: транспортный протокол реального времени.
5.б. RTCP: протокол управления передачей в реальном времени.
6. Обеспечение безопасности:
6.а. H.235: обеспечение безопасности и шифрование для мультимедийных терминалов сети H.323.
7. Дополнительные услуги:
7.а. H.450.1: обобщенные функции для управления дополнительными услугами в H.323.
7.б. H.450.2: перевод соединения на телефонный номер третьего абонента.
7.в. H.450.3: переадресация вызова.
7.г. H.450.4: удержание вызова.
7.д. H.450.5: парковка вызова (park) и ответ на вызов (pick up).
7.е. H.450.6: уведомление о поступившем вызове в состоянии разговора.
7.ж. H.450.7: индикация ожидающего сообщения.
7.з. H.450.8: служба идентификации имен.
7.и. H.450.9: служба завершения соединения для сетей H.323.
Сценарий установки соединения на основе протокола H.323
SIP (Session Initiation Protocol)
SIP - протокол сигнализации, предназначенный для организации, изменения и завершения сеансов связи. SIP независим от транспортных технологий, однако при установлении соединения предпочтительно использовать UDP. Для передачи самой голосовой и видеоинформации рекомендовано применять RTP, но возможность использования других протоколов не исключена.В SIP определены два типа сигнальных сообщений - запрос и ответ. Также существует шесть процедур:
- INVITE (приглашение) - приглашает пользователя принять участие в сеансе связи (служит для установления нового соединения; может содержать параметры для согласования);
- BYE (разъединение) - завершает соединение между двумя пользователями;
- OPTIONS (опции) - используется для передачи информации о поддерживаемых характеристиках (эта передача может осуществляться напрямую между двумя агентами пользователей или через сервер SIP);
- АСК (подтверждение) - используется для подтверждения получения сообщения или для положительного ответа на команду INVITE ;
- CANCEL (отмена) - прекращает поиск пользователя;
- REGISTER (регистрация) - передает информацию о местоположении пользователя на сервер SIP, который может транслировать ее на сервер адресов (Location Server).
Сценарий сеанса связи SIP
Кодеки
Аудиокодеком называют программу или алгоритм, который сжимает, либо разжимает цифровые звуковые данные, позволяя снизить требования к пропускной способности канала передачи данных. В IP-телефонии на сегодняшний день наиболее распространено преобразование посредством кодека G.729, а также сжатие G.711 по А-закону (alaw) и μ-закону (ulaw).G.729
G.729 является кодеком, который сжимает исходный сигнал с потерей данных. Основная идея, заложенная в G.729 - передача не самого оцифрованного сигнала, а его параметров (спектральной характеристики, количества переходов через ноль), достаточных для последующего синтезирования на принимающей стороне. При этом все основные характеристики голоса, такие как амплитуда и тембр сохраняются.Пропускная способность канала, на которую рассчитан данный кодек - 8 кбит/с. Длина кадра обрабатываемого G.729 - 10 мс, частота дискретизации - 8 кГц. Для каждого из таких кадров определяются параметры математической модели, которые в дальнейшем и передаются в канал в виде кодов.
При использовании кодирования G.729 задержка составляет 15 мс, из которых 5 мс тратится на заполнение предварительного буфера. Отметим также, что кодек G.729 предъявляет достаточно высокие требования к ресурсам процессора.
G.711
G.711 - голосовой кодек, который не предполагает никакого сжатия, помимо компандирования - метода уменьшения эффектов каналов с ограниченным динамическим диапазоном. В основе данного метода лежит принцип уменьшения количества уровней квантования сигнала в области высокой громкости, сохраняя при этом качество звука. Две широко использующиеся в телефонии схемы компандирования - alaw и ulaw.Сигнал в данном кодеке предоставлен потоком величиной 64 кбит/с. Частота дискретизации - 8000 кадров по 8 бит в секунду. Качество голоса субъективно лучше, нежели при применении кодека G.729.
alaw
alaw или А-закон - алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Европы и России.Для сигнала x преобразование по алгоритму alaw выглядит следующим образом:
Где А - параметр сжатия (обычно принимается равным 87,7).
ulaw
ulaw или μ-закон - алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Японии и Северной Америки.Для сигнала x преобразование по алгоритму ulaw выглядит следующим образом:
где μ принимается равным 255 (8 бит) в стандартах Северной Америки и Японии.
Импульсно кодовая модуляция (PCM - Pulse Code Modulation)
Импульсно кодовая модуляция - передача непрерывной функции в виде серии последовательных импульсов.Для получения на входе канала связи модулированного сигнала, мгновенное значение несущего сигнала измеряется АЦП с определенным периодом. При этом количество оцифрованных значений в секунду (иначе, частота дискретизации) должно быть большим или равным двукратной максимальной частоте в спектре аналогового сигнала.
Далее полученные значения округляются до одного из заранее принятых уровней. Заметим, что количество уровней необходимо принимать кратным степени двойки. В зависимости от того, сколько было определено уровней, сигнал кодируется определенным количеством бит.
Квантование сигнала
На данном рисунке представлено кодирование с помощью четырех битов (то есть все промежуточные значения аналогового сигнала будут округляться до одного из заранее заданных 16 уровней). Для примера, при времени равном нулю сигнал будет представлен подобным образом: 0111.
При демодуляции последовательность нулей и единиц преобразуется в импульсы демодулятором, уровень квантования которого равен уровню квантования модулятора. После этого ЦАП на основе данных импульсов восстанавливает сигнал, а сглаживающий фильтр окончательно убирает неточности.
В современной телефонии число уровней квантования должно быть большим или равным 100, то есть минимальное количество бит, которым может кодироваться сигнал - 7.
Вопросы качества обслуживания в IP-телефонии (Quality of Service - QoS)
В сетях на основе стека TCP/IP высокое качество обслуживания трафика, чувствительного к задержкам передачи не обеспечивается по умолчанию. При использовании протокола TCP имеется гарантия достоверной доставки информации, но ее перенос может осуществляться с непредсказуемыми задержками. Для UDP характерна минимизация задержек, но гарантия верной доставки пакета отсутствует.В то же время добротность речевого трафика сильно зависит от качества передачи, и в сети, где не реализованы механизмы, гарантирующие соответственное качество, реализация IP-телефонии может быть не удовлетворяющей требованиям пользователей.
Основными показателями качества обслуживания являются пропускная способность сети и задержка передачи. Задержка при этом определяется как промежуток времени, прошедший с момента отправки пакета, до момента его приема.
Также существуют такие характеристики, как готовность сети и ее надежность (оцениваются по результатам контроля уровня обслуживания в течение длительного времени, либо по коэффициенту использования).
Для улучшения качества связи используются следующие механизмы:
- Перемаршрутизация. При перегрузке одного из каналов связи позволяет осуществить доставку при помощи резервных маршрутов.
- Резервирование ресурсов канала связи на время соединения.
- Приоретизация трафика. Дает возможность помечать пакеты в соответствии с уровнем их важности и производить обслуживание на основе меток.
Задержка при кодировании информации в голосовых шлюзах или терминальном оборудовании. Уменьшается путем улучшения алгоритмов обработки и преобразования голоса.
- Задержка, вносимая сетью передачи. Уменьшается путем улучшения сетевой инфраструктуры, в частности, сокращением количества маршрутизаторов и использованием высокоскоростных каналов.
Источники задержки в IP-телефонии
Джиттер
Еще одно явление, характерное для IP-телефонии - джиттер, или, иначе, случайная задержка распространения пакета.Обуславливается джиттер тремя факторами:
- Ограниченная полоса пропускания или некорректная работа активных сетевых устройств;
- Высокая задержка распространения сигнала;
- Тепловой шум.
Обычно предусматривается динамическая подстройка длины буфера в течение всего времени существования соединения. Для выбора наилучшей длины используются эвристические алгоритмы.
Джиттер буфер
Для компенсации неравномерной скорости поступления пакетов на приемной стороне создают временное хранилище пакетов, или так называемый джиттер буфер. Его задача, собрать поступающие пакеты в правильном порядке в соответствии с временными метками и выдать их кодеку с правильными интервалами и правильном порядке.Джиттер буфер
Размер буфера приемное VOIP устройство рассчитывает в процессе работы, либо принудительно задается в настройках. С одной стороны он не может быть слишком большим, чтобы не увеличивать транспортную задержку. С другой стороны, маленький размер буфера вызывает потери пакетов при изменениях времени задержки в IP сети.
Отсюда и происходит одно из главных противоречий, между интернет провайдерами и пользователями IP телефонии. С точки зрения провайдера все пакеты доставлены абоненту, то есть, потерь нет. А с точки зрения VoIP устройства, разница во времени между приходом пакетов значительно превышает джиттер буфер. Поэтому фактически потери есть. На практике потеря более 1% вызывает определенные неприятные ощущения. При 2% разговор оказывается затруднен. При значениях больше 4% разговор уже практически невозможен.
Размер джиттер буфера
Случайная задержка распространения Ji для i-го пакета может определяться по формуле:
где:
Di – отклонение от ожидаемого времени прибытия i-го пакета.
Отклонение от ожидаемого времени прибытия i-го пакета Di определяется по формуле:
где:
R – время прибытия пакета в метках времени RTP,
S – временная метка RTP, взятая из пакета.
Приведем пример расчета ожидаемого размера случайной задержки распространения 5-го пакета, на основе двух предыдущих.
Пусть J4=10 мс; R4=10, R3=11, S4=6, S3=5, тогда D5 будет равно (10-11)-(6-5)=-2.
В среднем, случайная задержка времени распространения для одного пакета в текущем примере составит 10 мс (точнее можно посчитать по формуле, приведенной выше). Тогда для того, чтобы ни один пакет не был отброшен, размер джиттер буфера должен быть равным 10 мс.
Для определения требуемого размера джиттер буфера в мегабайтах, домножим полученное значение на 100 мбит/сек – среднюю пропускную способность сети: 10 10^-3 100 = 128 кб.
Размер джиттер-буфера должен быть больше, чем флуктуация транзитного времени в сети. Например, если для 10 пакетов время транзита колеблется от 5 до 10 мс, то буфер должен быть хотя бы 8 мс, чтобы ни один пакет не был потерян. Лучше, если буфер еще больше, например 12 мс, тогда сможет работать механизм перезапроса потерянных пакетов.
Решения для развертывания телефонной сети
Asterisk
Asterisk - программная АТС, способная коммутировать как VoIP вызовы, так и вызовы, осуществляемые между IP-телефонами и традиционной телефонной сетью общего пользования.
Поддерживаемые протоколы: IAX, SIP, H.323, Skinny, UNIStim.
Поддерживаемые кодеки: G.711 (ulaw и alaw), G.722, G.723, G.729, GSM, iLBC, LPC-10, Speex.
Asterisk - динамично развивающееся открытое программное обеспечение, которое может быть установлено без оглядки на лицензирование. Это делает данную программную АТС привлекательной для малого и среднего бизнеса. Количество абонентов в сети может достигать 2000 и ограничено только мощностью сервера.
Еще одно достоинство Asterisk - возможность гибкой настройки. Весь необходимый функционал либо уже реализован, либо может быть дописан самостоятельно без существенных временных и денежных затрат. Этому способствует принцип: одна задача - один программный модуль.
В сравнении с решениями от таких вендоров, как Cisco или Avaya, Asterisk привлекателен еще и стоимостью развертывания. Фактически все затраты сводятся только к покупке телефонных аппаратов и сервера, способного обеспечить требуемую нагрузку на сеть. Сама программа абсолютно бесплатна.
Cisco Unified Communication Manager (CallManager)
CallManager предназначен скорее для крупных сетей, включающих до 30000 абонентов. Данный программно-аппаратный комплекс обеспечивает надежность работы и позволяет конфигурировать множество параметров, таких как переадресация звонков или голосовое меню. Существует и “облегченная” express версия, предназначенная скорее для небольших офисов.
Из преимуществ Cisco CallManager следует отметить в первую очередь знаменитую техническую поддержку корпорации Cisco. При соответствующем уровне контракта на обслуживание, любая проблема, начиная с вопросов по настройке и заканчивая вышедшим из строя оборудованием, будет решена практически мгновенно. Поэтому Cisco CallManager подойдет компаниям, готовым платить немалые деньги, но и получать при этом высочайшее качество обслуживания.
Avaya IP Office
Система IP Office может стать неплохим выбором для среднего размера телефонной сети. Количество абонентов здесь ограничено не только мощностью сервера, но и количеством приобретенных лицензий. Лицензировать необходимо практически все - платы расширения, используемые приложения и т.д., что может доставить определенные неудобства.
Конфигурирование может осуществляться через ряд программ, но наиболее популярная и простая в обращении - Avaya IP Office Manager. Также возможно управление через консоль с помощью Avaya Terminal Emulator.
В целом, продукция корпорации Avaya не ограничивается одним IP Office. Avaya, в 2009 году слившаяся с еще одним известным производителем Nortel, является признанным лидером на рынке оборудования для IP-телефонии.
За последние годы было предложено несколько решений по созданию универсальной инфраструктуры для передачи разнородного трафика. В условиях повышенных требований к качеству сервиса и ширине полосы пропускания необходимы сети с услугами высокого качества и повышенной скоростью передачи.
IP играет ключевую роль в обеспечении гибкости обслуживания. Для того чтобы увеличить общую рентабельность сети, поставщики должны предоставить услуги, основанные на IP или способные «понимать» IP, так как большинство приложений, требующих предоставления услуг глобальных сетей, использует IP. А поскольку потребители продолжают требовать от своих поставщиков предоставления дополнительных функциональных возможностей, поставщики должны постоянно искать все новые и новые услуги, которые смогут дополнить и усилить приложения потребителей. Можно с уверенностью говорить о том, что эти услуги должны быть основаны на IP.
IP становится стандартным протоколом для корпоративных, intranet- и extranet-сетей. В 80-е годы территориально-распределенные корпоративные сети строились на основе выделенных каналов E1/T1. Для уплотнения каналов применялись мультиплексоры, используемые для интеграции голоса и данных в сетях общего пользования и в частных сетях. В то же время принципы построения телефонных сетей кардинально не менялись. В таких сетях телефонные соединения устанавливаются по предопределенным маршрутам (основным и альтернативным) и «страдают» множеством ограничений: высокая стоимость поддержания большого количества маршрутных таблиц каждой УАТС (PBX) и их реконфигурации при изменении телефонных потоков, неэффективное использование полосы пропускания, ухудшение качества речи при применении механизмов сжатия в сетях с множеством АТС и другие.
В последние годы были разработаны устройства, обеспечивающие передачу голоса по сетям, изначально нацеленным на передачу данных, таким как Frame Relay и IP-сети. Движущей силой при этом является стремление сократить расходы на использование арендуемых линий связи и повысить эффективность применения выделенных корпоративных коммуникаций.
Новый стимул развитию телефонных сетей дало появление технологии передачи голоса по АТМ-сетям, которая предусматривает возможность подключения АТС к АТМ-коммутаторам, способным обрабатывать как потоки данных, так и телефонные сигналы.
В данной статье описываются:
- технологии передачи голоса и данных по IP-сетям;
- проблемы построения интегрированных сетей;
- механизмы, обеспечивающие повышение эффективности полосы пропускания и гибкости управления потоками (компрессии, подавления пауз речи);
- оборудование ведущих производителей.
Что такое IP-телефония
Телефонная связь по IP - сравнительно молодая служба, использующая, как правило, управляемую IP-сеть для передачи телефонного трафика.
В течение следующих пяти лет ожидаются феноменальные темпы роста рынка услуг VoIP (голос поверх IP). Согласно данным Killen & Associates, в компаниях, входящих в список Fortune 1000, по IP-сетям сейчас проходит менее 1% голосового трафика; к 2002 году эта доля должна достигнуть 18%, а к 2005-му - 33%.
Пользователей и поставщиков услуг привлекают экономические выгоды применения IP для передачи телефонного трафика, проведения конференц-связи с одновременным обменом информацией, IP-центры обслуживания звонков, прозрачная маршрутизация запросов пользователей.
Сравнение качества стандартной телефонной связи по сетям общего пользования с первым поколением устройств VoIP оказывается не в пользу последних, в первую очередь из-за низкой надежности и невысокого качества обслуживания. Однако появление сложных современных приложений и устройств - высокопроизводительных коммутаторов и маршрутизаторов, использующих развитые механизмы управления качеством обслуживания (QoS) процессоров цифровых сигналов (DSP), - устраняет многие проблемы VoIP-систем второго поколения.
Под IP-телефонией понимается технология использования IP- сети (Internet или любой другой) в качестве средства организации и ведения телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени. IP-телефония является одним из наиболее сложных приложений компьютерной телефонии.
В общих чертах передача голоса в IP-сети происходит следующим образом. Входящий звонок и сигнальная информация из телефонной сети передаются на пограничное сетевое устройство, называемое телефонным шлюзом, и обрабатываются специальной картой устройства голосового обслуживания. Шлюз, используя управляющие протоколы семейства H.323, перенаправляет сигнальную информацию другому шлюзу, находящемуся на приемной стороне IP-сети. Приемный шлюз обеспечивает передачу сигнальной информации на приемное телефонное оборудование согласно плану номеров, гарантируя сквозное соединение. После установления соединения голос на входном сетевом устройстве оцифровывается (если он не был цифровым), кодируется в соответствии со стандартными алгоритмами ITU, такими как G.711 или G.729, сжимается, инкапсулируется в пакеты и отправляется по назначению на удаленное устройство с использованием стека протоколов TCP/IP.
Таким образом, используя IP-сеть, можно обмениваться цифровой информацией для пересылки голосовых или факсимильных сообщений между двумя компьютерами в режиме реального времени. Применение Internet позволит реализовать данную службу в глобальном масштабе.
Основными проблемами построения IP-сети для передачи телефонного трафика являются механизмы управления задержками и поддержание достаточной ширины полосы пропускания. Кроме того, важны способы установления тарифов на услуги и выставления счета за их использование, а также варианты оплаты в IP-сети дополнительных услуг, таких как переадресация вызова, определение номера абонента, маршрутизация в зависимости от времени суток и др.
Немаловажной является проблема оценки прибыльности новой технологии. Действительно ли объединение средств связи на базе IP-сетей сулит значительную экономию? Ответ на этот вопрос можно получить только при комплексном рассмотрении проблемы. Возможно, все обстоит именно так. Если стоимость передачи информации по сети составляет лишь 15-20% от всех затрат на поддержку сетевой инфраструктуры, то 70-процентная экономия сетевых расходов может показаться не столь привлекательной по сравнению с объемом работы, который необходимо будет проделать для перевода всех функций на универсальную основу, а также по сравнению с количеством затрачиваемых средств на создание универсальной инфраструктуры и возможностью использования имеющегося оборудования.
И это лишь малая часть всех проблем, связанных с внедрением универсальных линий связи. Поэтому, как правило, предложение поставщиками услуг интегрированных сетей начинается с создания небольших специализированных сетей, на которых происходит обкатка интеграционных технологий, поиск ответов на вопросы, возникающие при объединении различных видов связи. Однако уже сейчас можно говорить о реальности построения интегрированной инфраструктуры.
Общий подход к построению IP-сети для передачи телефонного трафика
- «компьютер - компьютер»
Данный вариант не является примером IP-телефонии, так как голос передается только по сети передачи данных, без выхода в телефонную сеть. Для организации передачи трафика пользователь приобретает необходимое оборудование и программное обеспечение, а также платит провайдеру за эксплуатацию канала связи. Достоинство этого варианта заключается в максимальной экономии средств. Недостаток - минимальное качество связи.
- «телефон - телефон»
Для организации такой связи необходимо наличие определенных сетевых устройств и механизмов взаимодействия. Голосовой трафик передается через IP-сеть, как правило, на отдельном дорогостоящем участке. Устройствами, организующими взаимодействие, являются шлюзы, состыкованные, с одной стороны, с телефонной сетью общего пользования, а с другой - с IP-сетью. Голосовая связь в таком режиме, по сравнению с вариантом «компьютер - компьютер», стоит дороже, однако качество ее значительно выше и пользоваться ею удобнее. Для того чтобы воспользоваться этой услугой, надо позвонить провайдеру, обслуживающему шлюз, ввести с телефонного аппарата код и номер вызываемого абонента и разговаривать так же, как при обычной телефонной связи. Все необходимые операции по маршрутизации вызова выполнит шлюз.
- «компьютер - телефон»
Здесь открывается больше возможностей использования для корпоративных пользователей, так как чаще всего применяется корпоративная сеть, обслуживающая вызовы от компьютеров до шлюза, которые уже затем передаются по телефонной сети общего пользования. Корпоративные решения с использованием связи «компьютер - телефон» могут помочь сэкономить деньги, а необходимое для этого оборудование будет рассмотрено ниже.
Итак, очевидно, что для построения сети IP-телефонии необходимы два основных элемента (рис. 1).
Первый - шлюз (gateway), обеспечивающий функции преобразования между пакетно-коммутируемой IP-сетью и телефонной сетью общего пользования, аналого-цифровое преобразование, управление форматами передачи и процедурами VoIP-вызовов. Возможно использование множества шлюзов в сети.
Второй основной элемент - устройство управления (gatekeeper), обеспечивающее ряд функций по управлению доступом в IP-сеть и из IP-сети, шириной полосы пропускания и адресацией. Кроме того, устройство управления осуществляет контроль всех шлюзов и терминалов, исполняет функции службы каталогов, контролирует счета пользователей.
Шлюз может поставляться в виде отдельного сетевого устройства или устанавливаться на персональном компьютере. При использовании шлюза VoIP-функция прозрачна для пользователя, использующего обычный телефон или факсимильный аппарат. Рассмотрим более подробно основные функции шлюза при передаче голоса через IP-сеть.
1. Функция поиска. Когда исходящий IP-шлюз размещает телефонный вызов через IP-сеть, он принимает номер вызывающего абонента и конвертирует его в IP-адрес шлюза назначения, исходя или из таблицы в исходящем шлюзе, или из данных централизованного сервера. Просмотр таблицы в исходящем шлюзе часто требует меньше времени, чем в централизованном сервере, и сокращает время соединения с 4-5 секунд до 1-2 секунд.
2. Функция связи. Исходящий шлюз устанавливает соединение со шлюзом назначения, обмениваясь информацией о параметрах соединения и совместимости устройств.
3. Оцифровка. Аналоговые сигналы телефонной связи оцифровываются шлюзом и преобразуются обычно в 64 Kбит/c ИКМ (импульсно-кодовая модуляция)-сигнал. Эта функция требует от шлюза поддержки разнообразных интерфейсов аналоговой телефонной связи.
Во многих случаях требуется также поддержка цифровой сети с интеграцией служб и интерфейсов T1/E1. Цифровая сеть с интеграцией служб и интерфейсы T1/E1 работают в формате ИКМ, так что аналого-цифровое преобразование в этом случае не требуется. Цифровая сеть с интеграцией служб BRI имеет один или два ИКМ-канала, T1 - до 24 каналов ИКМ и E1 - до 30 ИКМ-каналов. Цифровая сеть с интеграцией служб PRI может иметь до 24 или 30 каналов ИКМ.
4. Демодуляция. Поскольку некоторые шлюзы могут принимать только голосовой или только факсимильный сигнал, должны быть заранее определены магистральные каналы к модулям обработки голоса или факса. Более сложные шлюзы могут обрабатывать данные обоих типов, автоматически определяя, является ли цифровой сигнал звуковым или факсимильным, и производя обработку сигнала в зависимости от его типа. Факсимильный сигнал демодулируется сигнальным процессором (DSP) обратно в цифровой формат 2,4-14,4 Kбит/c, то есть в первоначальное представление до выдачи из факс-аппарата (факс-аппарат представляет выходной сигнал в аналоговом виде). Этот демодулированный сигнал затем помещается в IP-пакеты для передачи шлюзу назначения (рис. 2).
Демодулированная информация затем снова преобразуется шлюзом назначения в аналоговый факс-сигнал для доставки факс-аппарату.
Передача факса может быть осуществлена с использованием UDP/IP- или TCP/IP-протоколов. UDP/IP, в отличие от TCP/IP, не требует исправления ошибок, возникающих при передаче пакетов.
5. Компрессия. После того как определено, что сигнал является голосовым, он обычно сжимается сигнальным процессором с использованием одного из методов компрессии/декомпрессии (КОДЕК) (табл. 1) и помещается в IP-пакеты. При этом важно обеспечить хорошее качество речи и низкую задержку при оцифровывании сигнала.
Таблица 1. Методы компрессии (сжатия) речи
| Метод компрессии | Сложность | Качество | Задержка |
|---|---|---|---|
| G.726, G.727, ADPCM 40, 32, 24 Кбит/с | низкая (8 MIPS) | хорошее (40К), плохое (16К) | очень низкая (10-17 мс) |
| G.729 CS-ACELP 8 Кбит/с | высокая (30 MIPS) | хорошее | низкая |
| G.729A CA-ACELP 8 Кбит/с | умеренная | среднее | низкая |
| G.723.1 MP-MLQ 6,4/5,3 Кбит/с | умеренно высокая (20 MIPS) | хорошее (6,4), среднее (5,3) | высокая |
| G.728 LD-CELP 16 Кбит/с | очень высокая (40 MIPS) | хорошее | низкая |
Звуковой пакет передается как пакет UDP/IP, а не TCP/ IP для избежания довольно больших задержек, возникающих при повторной передаче TCP/IP-пакетов. Если используется режим FEC (непосредственное исправление ошибок), то искаженный или отсутствующий звуковой пакет может быть восстановлен на основе данных предыдущего звукового пакета. Если механизм FEC не применяется, то искаженный пакет просто отвергается и шлюз использует предыдущий хороший пакет. Этот механизм работает незаметно для пользователя в случае низкого процента искажения/потерь пакетов (< 5%).
Данные, оцифровываемые КОДЕКом, не содержат адрес IP-пакета и управляющую информацию («заголовок») (рис. 3), которые обычно составляют дополнительные 7 Кбит/с, если IP-маршрутизатор отдельно не компрессирует заголовок, в противном случае - 2-3 Кбит/с.
Сложность реализации КОДЕКа определяет мощность требуемого сигнального процессора, измеряемую в миллионах операций в секунду (MIPS), для обработки голосового сигнала, исключая функции компенсации эхо-сигнала и подавления молчания.
6. Декомпрессия/демодуляция. Шлюз, исполняя шаги 1-4, описанные выше, в то же самое время принимает пакеты от других IP-шлюзов и декомпрессирует пакеты в форму, понятную соответствующим устройствам аналоговой телефонной связи, цифровой сети с интеграцией служб или с интерфейсами T1/E1. Шлюз также осуществляет демодуляцию цифрового факсимильного сигнала в первоначальную форму, а затем в соответствующий интерфейс телефонной связи.
Кроме того, шлюз может выполнять функции согласования интерфейсов инициатора звонка и принимающего вызов.
Качество IP-речи
Для обеспечения высокого качества речи VoIP-шлюз должен использовать кодек с хорошим качеством речи и низкой задержкой. Кроме того, имеется несколько дополнительных технологий, необходимых для того, чтобы гарантировать хорошее качество речи: две из них - система приоритетов пакетов и компенсация эха. Компенсация эха - функция сигнального процессора, система приоритетов пакета - функция маршрутизатора и шлюза.
Когда двухпроводный телефонный кабель соединяется с четырехпроводным интерфейсом УАТС (PBX) или telco-интерфейсом центральной станции (СО), используется специальное электрическое соединение, называемое гибридной схемой, для согласования двухпроводного и четырехпроводного соединения. Хотя гибридные схемы очень эффективны для выполнения функций согласования, небольшой процент энергии телефонного сигнала не конвертируется, а отражается обратно к вызывающему абоненту. Этот сигнал называется «эхо-сигналом».
Если вызывающий абонент находится около УАТС или центрального коммутатора, эхо-сигнал возвращается достаточно быстро и для человека неразличим. Однако если задержка составляет более 10 мс, вызывающий абонент может услышать отраженный сигнал. Чтобы предотвратить появление эхо-сигнала, поставщики шлюзов включают специальный код в сигнальные процессоры, которые прослушивают эхо-сигнал и удаляют его из аудиосигнала. Компенсация эха особенно важна для поставщиков шлюзов, потому что задержка в IP-сети может легко превысить 40-50 миллисекунд, так что эхо-сигнал будет явно ощущаться на ближнем конце. Компенсация эхо-сигнала, идущего от дальнего конца линии, позволяет существенно повлиять на качество сигнала.
Основными источниками снижения качества речи являются сетевая задержка и флуктуация пакетов. Сетевая задержка представляет собой среднее значение времени передачи пакета по сети. Флуктуация - отклонение от среднего времени передачи пакета. Оба параметра важны для определения качества речи.
Поскольку время передачи по сети (полное время, включая время обработки кодеком) часто превышает 150 мс, общение двух абонентов будет все более и более напоминать режим полудуплексной связи с установлением нужной паузы при разговоре. Если паузы фиксируются плохо, то речь одного собеседника как бы «набегает» на речь другого.
Одним из основных средств борьбы с перегруженностью сети должно стать обеспечение качества сервиса (Quality of Service - QoS).
В чем смысл QoS? QoS означает динамическое предоставление гарантированной полосы пропускания для различных приложений и передачу данных в соответствии с требованиями, определяемыми пользователем. До сих пор не существует принимаемой всеми трактовки термина «QoS»; чаще всего под QoS понимают установку трафику приоритетов без гарантий на ширину полосы пропускания, обеспечение полосы пропускания фиксированной ширины при передаче данных между двумя заданными узлами сети на основе постоянных или коммутируемых виртуальных каналов, гарантированную поставщиками услуг Internet общую ширину полосы пропускания.
Хорошее качество речи, передаваемой через IP-сеть, объясняется в основном небольшой флуктуацией пакетов, а не низкими значениями сетевой задержки. Значения флуктуации пакетов сети поддерживаются интеллектуальными возможностями маршрутизаторов, которые могут управлять приоритетами голосовых пакетов в IP-сети. Маршрутизатор настраивается на поиск голосовых IP-пакетов и размещение их перед пакетами данных, ожидающими передачи. Система приоритетов голосовых пакетов особенно важна в региональных сетях связи со скоростями от 56 до 512 Кбит/с. При скоростях, характерных для линий T1/E1, это может не потребоваться.
Таким образом, в настоящее время требуемое качество обслуживания обеспечивается в основном средствами управления приоритетом трафика. Отметим, что в IP-сетях возможны и более сложные процедуры управления качеством.
Сегментация IP-пакетов является еще одним важным механизмом управления задержкой VoIP, позволяющим гарантировать, что очень длинный пакет данных не задержит пакет с речевой информацией на выходе из маршрутизатора. Это достигается настройкой маршрутизатора на сегментирование всех исходящих пакетов данных в соответствии с быстродействием сети связи. Комбинация системы приоритетов голоса/факсов и механизмов сегментации пакета создает хорошие предпосылки для построения VoIP-сети.
Другая технология, используемая некоторыми шлюзами для обеспечения хорошего качества речи, - непосредственное исправление ошибок (FEC).
Управление полосой пропускания
Как уже отмечалось, второй важной проблемой внедрения технологий передачи речи по IP-сети является минимизация используемой полосы пропускания канала связи. Здесь важную роль играют механизмы компрессии и подавления пауз. Механизмы, использующие технологию подавления пауз, определяют периоды молчания абонентов в течение сеанса связи или факсимильной передачи и останавливают посылку IP-пакетов в течение этих периодов.
Стремление к более эффективному использованию полосы пропускания стимулирует развитие механизмов сжатия речи. Стандартный ИКМ-сигнал для передачи речи, как уже отмечалось, требует выделения полосы пропускания шириной 64 Кбит/с (рекомендация МСЭ-Т G.711), что на самом деле слишком много.
Один из давно используемых алгоритмов сжатия речи называется АДИКМ (ADPCM, Adaptive Differential Pulse Code Modulation; стандарт G.726 был принят в 1984 году). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16 Кбит/с. Метод основан на кодировании не самой амплитуды сигнала, а ее изменения по сравнению с предыдущим значением; поэтому можно обойтись меньшим числом разрядов. В АДИКМ изменение уровня сигнала кодируется четырехразрядным числом, при этом частота измерения амплитуды сигнала сохраняется неизменной.
Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях о форме сигнала, не подходят для передачи сигнала с резкими скачками амплитуды. Именно такой вид имеет сигнал, генерируемый модемами или факсимильными аппаратами, поэтому аппаратура, поддерживающая сжатие, должна автоматически распознавать сигналы факс-аппаратов и модемов и обрабатывать их иначе, чем голосовой трафик.
Многие методы кодирования берут свое начало от метода кодирования с линейным предсказанием (LPC, Linear Predictive Coding). В качестве входного сигнала в LPC используется последовательность цифровых значений амплитуды, но кодирование применяется не к отдельным цифровым значениям, а к определенным их блокам. Для каждого такого блока значений вычисляются его характерные параметры: частота, амплитуда и ряд других. Именно эти значения и передаются по сети. При таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к вычислительным мощностям специализированных процессоров, используемых для обработки сигнала, а во-вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере. Важно, что задержка в передаче речи не только связана с необходимостью обработки цифрового сигнала (эту задержку можно уменьшить, увеличив мощность процессора), но и определяется методом сжатия. Этот метод позволяет достигать очень больших степеней сжатия с полосой пропускания 2,4 или 4,8 Кбит/с, однако качество звука сильно страдает. Поэтому в коммерческих приложениях он не используется, а применяется в основном для ведения служебных переговоров.
Более сложные методы сжатия речи основаны на применении ЛКП в сочетании с элементами кодирования формы сигнала. В этих алгоритмах используется кодирование с обратной связью, когда при передаче сигнала осуществляется оптимизация кода. Закодировав сигнал, процессор пытается восстановить его форму и сравнивает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодировки, добиваясь наилучшего совпадения. Добившись совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи; на противоположном конце происходит восстановление звукового сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.
Одной из наиболее распространенных разновидностей описанного метода кодирования является метод LD-CELP (Low-Delay Code-Excited Linear Prediction). Этот метод позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при пропускной способности 16 Кбит/с; он был стандартизован Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union - ITU) в 1992 году как алгоритм кодирования речи G.728. Алгоритм применяется к последовательности цифр, получаемых в результате аналого-цифрового преобразования голосового сигнала с 16-разрядным разрешением. Пять последовательных цифровых значений кодируются одним 10-битным блоком - это и дает 16 Кбит/с. Для применения этого метода требуются большие вычислительные мощности: в частности, для непосредственной реализации G.728 необходим процессор с быстродействием 44 MIPS.
В марте 1995 года ITU принял новый стандарт G.723, который предполагается использовать при сжатии речи для организации видеоконференций по телефонным сетям. Этот стандарт является частью более общего стандарта H.324, описывающего подход к организации таких видеоконференций. Целью его принятия является обеспечение видеоконференций с использованием обычных модемов. Основой G.723 является метод сжатия речи MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization). Он позволяет добиться весьма существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества звучания. В основе метода лежит описанная выше процедура оптимизации; с помощью различных усовершенствований можно сжимать речь до уровня 4,8; 6,4; 7,2 и 8,0 Кбит/с. Структура алгоритма позволяет изменять степень сжатия голоса в ходе передачи. Вносимая кодированием задержка не превышает 20 мс.
Повышая эффективность использования полосы пропускания, механизмы сжатия речи в то же время могут привести к снижению качества речи и увеличению задержек. Некоторые основные алгоритмы сжатия речи и создаваемые при этом задержки приведены в табл. 1.
Количественными характеристиками ухудшения качества речи являются параметры ухудшения качества сигнала при квантовании (QDU, Quantization Distortion Units). Один QDU соответствует ухудшению качества при оцифровке с использованием стандартной процедуры ИКМ; значения QDU для основных методов компрессии приведены в табл. 2. Дополнительная обработка речи ведет к дальнейшей потере качества. Согласно рекомендациям МСЭ-Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14. Отметим, что передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU.
Таблица 2. Ухудшение качества речи при использовании различных алгоритмов компрессии
| Методы компрессии | QDU |
|---|---|
| ADPCM 32 Кбит/с | 3,5 |
| ADPCM 24 Кбит/с | 7 |
| LD-CELP 16 Кбит/с | 3,5 |
| CS-CELP 8 Кбит/с | 3,5 |
Следовательно, при передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным требованием регулирующих органов, предъявляемым к сетям, подключенным к сетям общего пользования.
Подавление пауз - важная функция оборудования, обеспечивающего передачу голоса по IP-сетям. Суть технологии подавления пауз заключается в определении различия между моментами активной речи и молчания в период соединения. В результате применения этой технологии генерация пакетов происходит только в моменты активного разговора. Поскольку при типичном разговоре по телефону паузы составляют до 60% времени, возможна двукратная оптимизация количества передаваемых по линии данных. Объединение технологии сжатия речи и подавления пауз речи в коммутаторах приводит к уменьшению потока данных в канале в восемь раз.
Продолжение следует
КомпьютерПресс 5"1999
Допускается к защите.
«___»___________________ 2007 г.
Заведующий кафедрой ИС
д. т. н., проф.
Петрова И.Ю.
Д ипломный проект
Текстовая документация ДП 230201.007.2007
Астрахань – 2007 г.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Астраханский государственный университет»
Факультет математики и информационных технологий
Специальность «Информационные системы и технологии»
Кафедра «Информационные системы»
Утверждаю
Завкафедрой __________________
«____» ___________________20__ г.
по дипломному проекту студента
Кутепова Петра Викторовича
1. Тема проекта Организация сети передачи голоса по IP протоколу на базе распределённой локальной вычислительной сети АГУ
утверждена приказом по университету от«___» ____________2006г. № __________
2. Дата выдачи задания по дипломному проекту «_____»________________20__г.
3. Исходные данные к проекту.
Общий подход к построению IP-сети для передачи телефонного трафика на безе распределенной сети АГУ. Механизмы управления и решения проблем передачи голоса по IP. Обеспечение качества IP-речи. Управление полосой пропускания. Конфигурирование сетевого оборудования. Создание схемы IP сети для передачи голоса.
4. Функции, реализуемые системой:
· функции, связанные с протоколами передачи данных;
· Обследование предметной области
· Постановка задачи формирования исходных данных с последующим внедрением IP технологии.
· Разработка рабочего проекта - настройка сетевого оборудования, отладка, тестирование, создание документации по использованию
· Расчет экономической и социальной эффективности от внедрения разрабатываемой подсистемы
· Определение эргономических условий для рабочего места сотрудника учебной части
6. Перечень графического материала
Структура IP сети АГУ
1) Схема подключения в корпоративную сеть
2) Структура сети главного корпуса АГУ
3) Структура телефонной сети АГУ
5) Схема интеграции с корпоративной структурой и текущей телефонной системой
6) Структура сети АГУ с технологией IP телефонии
7) Структура сети главного корпуса АГУ с технологией IP телефонии
Руководитель ________________________________________
Задание принял к исполнению ___________________________________________
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
Наименование этапов дипломного проекта |
Срок выполнения этапов проекта | Отметка о выполнении, подпись руководителя |
| 1 | Представление проекта задания на дипломный проект | до 01.10.2006 |
| 2 | Согласование задания на дипломный проект с руководителем диплома и заведующим кафедрой | до 10.11.2006 |
| 3 | Введение. Обследование предметной области и подготовка 1-й главы дипломного проекта (10%) | до 01.12.2006 |
| 4 | Технический проект. Глава 2. Подробное описание функций проектируемой системы (25 %) |
до 10.01.2007 |
| 5 | Отчет по преддипломной практике с демонстрацией работы созданного программного продукта (60%) | до 07.04.2007 |
| 6 | Глава 3. Разработка рабочего проекта (80%) | до 28.04.2007 |
| 7 | Глава 4. Расчет экономического и социального эффекта (90%) | до 12.05.2007 |
| 8 | Глава 5. Обеспечение эргономики рабочего места (100%) | до 25.05.2007 |
| 9 | Оформление пояснительной записки | до 25.05.2007 |
| 10 | Подготовка презентационного ролика | до 25.05.2007 |
| 11 | Предварительная защита дипломного проекта | до 30.05.2007 |
Студент ___________________________________________
Руководитель ________________________________________
КОНСУЛЬТАНТЫ ПО ПРОЕКТУ
Руководитель _________________________
(подпись)
Задание принял к исполнению _________________________
(подпись)
1 РЕФЕРАТ
Локальная вычислительная сеть, телефония, цифровая автоматическая телефонная станция, маршрутизатор Cisco 3845, IP – телефон, передача голоса, междугородная связь.
Пояснительная записка представлена на 92 страницах и включает 7 таблиц и 30 схем и изображений. Было использовано 28 источников литературы.
Объектом работы является Астараханский государственный университет.
Цель проекта – снизить затраты на междугородные и международные звонки используя технологию IP телефонии, на основе локальной вычислительной сети Астраханского государственного университета.
Данный проект предназначен для:
В Астраханском государственном университете существует хорошо организованная IP сеть. Она построена с использованием маршрутизатора Cisco 3845 и коммутаторов Cisco Systems серии Catalyst 2950. Использование этого оборудования дает возможность организовать сеть передачи голоса и факсимильных данных по IP протоколу.
Проведен расчет экономической эффективности от внедрения проекта, и рассчитаны следующие показатели:
· Капитальные затраты - 101160 руб
· Амортизация - 860 руб
· Экономия - 34879 руб
· Окупаемость проекта - 4 месяца
|
Разработана структурная схема внедрения IP телефонии в сеть АГУ, схема соединения цифровой АТС ТОС 120 с маршрутизатором Cisco 3845, выбрано оборудование для реализации проекта, выбран провайдер услуг IP телефонии.
Введение. 9
1. Описание предметной области.. 10
1.1. Основные понятия IP телефонии и виды строения сетей IP телефонии. 10
1.2. Структура сети АГУ.. 14
1.3. Решения Cisco Systems для IP-телефонии. 15
1.4. Маршрутизаторы Cisco Systems. 16
1.5. Коммутатор серии Catalyst 2950. 18
1.6. IP телефон. 18
1.7. Функции IP телефонов. 19
1.8. Настройка VPN сети. 20
1.9. Способы и средства защиты информации. 21
2. Технический проект. 23
2.1. Структура сети главного корпуса АГУ.. 23
2.2. Структура телефонной сети АГУ.. 23
2.3. Описание организации сети IP телефонии. 26
2.4. Параметры качества связи. 27
3. Рабочий проект. 29
3.1. Исследование рынка IP телефонии. 29
3.2. Компании представляющие решения IP-телефонии. 31
3.3. Поиск оптимального по требованиям IP – провайдера. 36
3.4. Cisco Call Manager 40
3.5. Модуль Cisco Unity Express. 41
3.6. Модуль Cisco Systems VWIC-2MFT-E1 на 60 голосовых каналов. 42
3.7. Подключение цифровой АТС АГУ к маршрутизатору Cisco 3845. 43
3.9. Настройка Cisco CallManager 46
3.10. Виды соединений при использовании IP-телефонии. 48
3.11. Выбор операторов услуг IP телефонии. 49
3.12. Принципы работы SIPNET. 51
3.13. Настройка маршрутизации SIPNET. 52
3.14. Протокол SIP. Общие сведения. 53
3.15. Принципы протокола SIP. 55
3.16. Интеграция SIP с IP сетями. 56
3.17. Принцип работы VPN.. 59
4. Экономический и социальный эффект от внедрения проекта 61
4.1. Технико-экономическое обоснование проекта. 61
4.2. Экономия на междугородных и международных разговорах. 61
4.3. Ускоренная окупаемость капитальных затрат. 62
4.4. Расчет текущих затрат. 64
4.5. Амортизация. 65
4.6. Расчет финансовых результатов реализации проекта. 65
4.7. Выводы.. 66
5. Обеспечение эргономики рабочего места.. 68
5.1. Анализ условий труда при эксплуатации устройств IP телефонии. 69
5.2. Обеспечение оптимальных микроклиматических параметров. 71
5.3. Мероприятия по снижению шума. 72
5.4. Снижение нагрузки на зрение. 72
5.5. Общие требования к организации режима труда при работе с ЭВМ.. 74
5.6. Снижение статических физических нагрузок. 75
5.7. Мероприятия по снижению электромагнитного излучения. 77
5.8. Требования по электробезопасности и пожарной безопасности. 78
Заключение. 80
Литература.. 82
Приложение 1. Тарифы звонков в сети SIPNET и расход трафика на звонок по IP 84
Приложение 2. Конфигурационные настройки ЦАТС ТОС 120. 86
Приложение 3. Схема сетевого оборудования корпусов АГУ.. 89
Приложение 4. Настройка Cisco 3845 для ip - телефонии. 90
Приложение 5. Материал на электронном носителе. 902
Протокол IP стал всемирным стандартом передачи данных, и является общей платформой для передачи голосовой, видео и прочей информации. Крупнейшие телекоммуникационные компании мира инвестируют в развитие собственных IP сетей и в миграцию существующих голосовых сетей на IP.
Обычные телефонные звонки требуют разветвлённой сети связи телефонных станций, связанных закреплёнными телефонными линиями. Высокие затраты телефонных компаний приводят к дорогим междугородним разговорам.
В связи с повышением абонентской платы за использование телефонной сети, IP телефония становится более актуальным и выгодным вариантом передачи голоса и факсимильных данных.
В Астраханском государственном университете существует хорошо организованная IP сеть, что дает основу для организации передачи голоса и факсимильных данных по IP протоколу.
Цель проекта – снизить затраты на междугородные и международные звонки используя технологию IP телефонии, на основе локальной вычислительной сети Астраханского государственного университета.
Данный проект предназначен для:
· сокращения затрат на услуги связи
· повышения качества телефонной связи.
Передача голоса по IP протоколу позволит сократить затраты на услуги связи, использовать локальную вычислительную сеть АГУ для обеспечения телефонной связью и выхода в сеть Internet, повысить качество телефонной связи.
В Астраханском государственном университете существует IP сеть (рис. 1.5.). Она построена с использованием маршрутизатора Cisco 3845 SeriesIntegratedServicesRouters и коммутаторов CiscoSystems серии Catalyst 2950. Использование этого оборудования дает возможность организовать сеть передачи голоса и факсимильных данных по IP протоколу. Сеть АГУ построена на оборудовании CiscoSystems, для совместимости устройств целесообразно использовать оборудование именно этой фирмы.
Рис.1.5. Структура IP сети АГУ
Голосовые шлюзы обеспечивают подключение системы корпоративной IP телефонии к учрежденческим АТС и телефонной сети общего пользования, а также возможность подключения аналоговых телефонов и факсовых аппаратов. Компания Cisco выпускает широкий спектр голосовых шлюзов – от узкоспециализированных шлюзов начального уровня до функционально богатых универсальных шлюзов – операторского класса. Важнейшими критериями при выборе голосового шлюза являются количество и типы поддерживаемых голосовых интерфейсов, а также поддерживаемые протоколы сигнализации VoIP. Кроме того, при выборе голосового шлюза должны быть также учтены дополнительные требования к функциональности, специфичные для конкретного сетевого решения.
Достоинства, особенности и поддерживаемые функции:
· Решения основаны на единой линии маршрутизаторов Cisco и не требуют дополнительного аппаратного обеспечения
· Модульная, наращиваемая архитектура
· Совместимость со стандартом H.323
· Высокая производительность, основанная на использовании DSP (цифровых сигнальных процессоров)
· Подавление пауз
· Симуляция шумов в линии
· Развитое управление планом внутренней нумерации и отображением IP-адресов на этот план
· Поддержка DTMF
· Поддержка протокола T.30. (передача факсов)
· Выделенная телефонная линия (сквозное соединение)
· Поддержка групп обзвона
Mаршрутизаторы Cisco Integrated Services Routers поставляются со встроенными аппаратно-программными модулями обеспечения сетевой безопасности, что обеспечивает конечному потребителю единое решение, сочетающее в себе поддержку как функций безопасности, так и современных бизнес-приложений. Такие решения позволяют осуществлять быстрое внедрение как новых сетевых систем с широким набором поддерживаемых функций, так и модернизацию существующих комплексов. Маршрутизаторы семейства Cisco 3800 сочетают в себе функции обеспечения безопасности, маршрутизации и поддержку других сетевых сервисов, предоставляя возможность наиболее эффективно использовать имеющуюся пропускную способность физических линий связи.
Маршрутизаторы Cisco обеспечивают создание надежных и адаптирующихся сетевых решений для удаленных офисов и небольших организаций и предприятий за счет встроенных в них функций VPN, firewall, IPS (Intrusion Prevention System), а также VPN acceleration и IDS (Intrusion Detection System) на основе операционной системы Cisco IOS.
Интегрированные функции по обработке голосового трафика
Семейство маршрутизаторов Cisco 3800 создаёт основу для высокопроизводительных решений по пакетной обработке и передаче голосового трафика. Применяя эти устройства, конечные потребители (удаленные офисы, коммерческие организации и небольшие предприятия) получают возможность использования широчайшего спектра функций по обработке и передаче голосового трафика, встроенные непосредственно в маршрутизаторы доступа.
Маршрутизатор Cisco 3845 (рис. 1.6.) позволяет максимально оптимизировать затраты, связанные с созданием таких решений, устраняя необходимость в дорогостоящем оборудовании и программном обеспечении, реализующем подобный набор функций. Одновременно с этим, архитектура этих устройств позволяет использовать их не только для решения сегодняшних проблем и задач, но и для внедрения в будущем новых технологий и приложений.
Рис. 1.6. Маршрутизатор Cisco 3845
Архитектура маршрутизатора Cisco 3845 разработана специально для обеспечения высокого уровня производительности, доступности и отказоустойчивости, необходимых при масштабировании сетевых систем, характеризующихся высоким уровнем сетевой безопасности, обеспечивающих работу подсистем IP-телефонии, видео-приложений, сетевого анализа и приложений, основанных на технологиях Web. Этот маршрутизатор обеспечивает несколько уровней безопасности для различного рода сетевого трафика на скоростях, близких к максимальным возможностям кабельных систем.
Рис. 1.7. Коммутатор серии Catalyst 2950
Catalyst 2950 – серия интеллектуальных коммутаторов Cisco Systems (рис. 1.7.), с поддержкой Fast Ethernet фиксированной конфигурации, которые можно объединять в стек на скоростях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Коммутаторы имеют расширенные возможности обеспечения заданного качества обслуживания. Комбинация коммутатора Catalyst 2950 с коммутатором Catalyst 3845 позволяет осуществлять IP-маршрутизацию на участке от границы сети до ее магистрали. Управление коммутаторами осуществляется Cisco IOS и Web-доступом Cisco Cluster Management Suite (CMS), который позволяет администратору при помощи стандартного web-браузера одновременно конфигурировать несколько коммутаторов Catalyst, а также выявлять неполадки в их работе. Коммутаторы Catalyst 2950, имеющие порты 10/100/1000 BaseT, обеспечивают гигабитную скорость передачи по медной проводам и являются идеальным решением для перехода от технологии Fast Ethernet к Gigabit Ethernet. Порты Gigabit Ethernet этих коммутаторов допускают подключение через целый ряд гигабитных интерфейсных конверторов, включая модели Cisco GigaStack, 1000BaseT, 1000BaseSX, 1000BaseLX/LH и 1000BaseZX. Все порты способны автоматически определять скорость передачи и duplex-режим, что позволяет оптимизировать использование ресурсов полосы пропускания. Также осуществлена поддержка стандарта IEEE 802.1q.
Компания Cisco выпускает большой модельный ряд телефонных аппаратов – от базовых моделей цифровых IP телефонов до моделей, предназначенных для руководящих сотрудников, а также для абонентов, обслуживающих большие потоки звонков (рис. 1.8.).
Рис. 1.8. IP-телефоны Cisco: модели 7920,7905G,7912G, 7940G, 7960G с модулем расширения 7914, 7970G и беспроводной IP-телефон Cisco 7920
IP телефоны Cisco Systems являются стандартными телекоммуникационными устройствами, которые представляют новое поколение терминалов использующих передачу голоса через IP.
IP телефоны Cisco спроектированы с учетом роста системных возможностей. Новые функции будут добавляться лишь путем изменения программного обеспечения в flash памяти
· Пользователь может просмотреть неполученные вызовы, исходящие вызовы, которые он выполнял, и принятые им вызовы.
· Пользователь может сконфигурировать список быстрого набора номера для часто используемых номеров.
· Пользователь может установить индивидуальные настройки, такие как тип звонка и контрастность дисплея.
Примеры функций при работе с вызовами:
· Повторный набор номера.
· Идентификация вызывающей стороны (CLID)
· Ожидание вызова
· Удержание вызова
· Трехсторонняя конференция
Сетевые функции:
· Поддержка протоколов аудиокомпрессии G.711a, G.711u, G.729ab
· 10BASE-T Ethernet соединение через разъем RJ-45
· Возможность конфигурации телефона с использованием Trivial File Transfer Protocol (TFTP) сервера
· Получение сетевых параметров за счет использование протокола динамического конфигурации хостов (DHCP)
Стоимость трафика Интернет снижается с каждым днем, уже не имеет смысла использовать дорогостоящие выделенные каналы связи, которые ставят компании в зависимость от одного оператора.
Технология VPN создает виртуальные каналы связи через общедоступные сети, так называемые «VPN-туннели». Трафик, проходящий через туннели, связывающие удаленные офисы, шифруется. Злоумышленник, перехвативший шифрованную информацию, не сможет просмотреть ее, так как не имеет ключа для расшифровки.
Для пользователей VPN-туннели абсолютно прозрачны. К примеру, сотрудник представительства в Санкт-Петербурге получает доступ к данными, находящимся в Москве также просто, как и к данным у себя в офисе.
Частые и продолжительные звонки между центральным офисом и представительствами приводят к большим и неоптимизированным расходам на междугородную связь.
Технология Voice-over-IP (VoIP) позволяет передать голосовой трафик по сетям Интернет, минуя дорогостоящих традиционных операторов. Voice-enabled-шлюзы CISCO позволяют вставить голосовые пакеты c офисных АТС в общий IP-трафик, передаваемый между офисами компании.
С помощью технологии VPN можно связать в единую локальную сеть все удаленные офисы компании, обеспечив легкий способ доступа к данным в сочетании с безопасностью.
Кроме сокращения расходов на междугородние переговоры внедряется и набор по коротким номерам. Все удаленные офисы компании вписываются в общую корпоративную телефонную сеть.
В полностью конвергентном решении с использованием голосовых шлюзов CISCO в связке с офисными АТС появляется возможность совершать телефонные звонки с помощью VoIP не только между офисами, но и между телефонными сетями данных городов.
При создании системы информационной безопасности (СИБ) необходимо учитывать, что защитится от всех атак не возможно, постольку реализация подобной системы может стоить бесконечно дорого. Поэтому требуется четкое представление о том, какие атаки могут произойти с какой вероятностью. На основании этих сведений составляется список актуальных угроз, с риском возникновения которых существование невозможно. Хотя зачастую это представление, даваемое экспертной оценкой, довольно субъективно и может быть ошибочно.
Исходя из списка актуальных угроз, возможно создание комплекса мер противодействия. В него могут быть включены списки методов, средств и способов противодействия угрозам. Все вместе это образует политику информационной безопасности. Политика безопасности – это основополагающий документ, регламентирующий работу СИБ. Политика безопасности может включать в себя сведения об актуальных угрозах и требования к инструментарию обеспечения защиты информации. Кроме того, в ней могут быть рассмотрены административные процедуры. Примером политики информационной безопасности может быть Доктрина Информационной Безопасности РФ.
Следует отметить, что построение СИБ необходимо начинать с обеспечения физической безопасности. Упущения в обеспечении физической безопасности делает бессмысленным защиту более высокого уровня. Так, например, злоумышленник, получив физический доступ к какому-либо компоненту СИБ, скорее всего сможет провести удачную атаку.
Шифрование – математическая процедура преобразования открытого текста в закрытый. Может применяться для обеспечения конфиденциальности передаваемой и хранимой информации. Существует множество алгоритмов шифрования (DES, IDEA, ГОСТ и др.).
Электронно-Цифровая Подпись (ЭЦП), цифровые сигнатуры. Применяются для аутентификации получателей и отправителей сообщений. Строятся на основе схем с открытыми ключами. Кроме того, могут применяться схемы с подтверждением. Так, например, в ответ на посланное сообщение отправителю вернется сообщение, что сообщение было получено.
Резервирование, дублирование. Атаки на отказ системы (Denial of Service) – это один из самых \//распространенных типов атаки на информационную систему. Причем вывод системы из строя может быть произведено как сознательно, так и в силу каких-либо непредсказуемых ситуаций, будь то отключение электричества или авария. Для предотвращения, возможно применение резервирования оборудования, которое позволит динамично перейти с вышедшего из строя компонента на дубликат с сохранением функциональной нагрузки.
IP сеть охватывает все этажи главного корпуса АГУ (рис. 2.1.), это дает возможность установить IP-телефоны в любом отделе университета или использовать компьютеры для разговоров через локальную вычислительную сеть по IP-протоколу.
Рис. 2.1. Структура сети главного корпуса АГУ.
IP телефоны подключаются, непосредственно к портам коммутирующих устройств локальной вычислительной сети АГУ. Подробная схема сетевого оборудования корпусов АГУ в приложении 3.
В здании главного корпуса АГУ установлена ЦАТС ТОС-120 на 180 абонентов (рис. 2.2.) с городской нумерацией объединяющая три здания (главный корпус, общежитие №1 и общежитие №3), на сегодняшний день подключено 106 абонентов. (Табл. 2.1.)
Рис. 2.2. Структура телефонной сети АГУ
Назначение: городская оконечная, опорно-транзитная АТС
Характеристики:
· цифровое качество связи
· значительное сокращение эксплуатационных расходов за счет: - организации единого ЦТО (сопряжение модулей АТС и выносов осуществляется по цифровому стыку Е1 с сетевым протоколом ТОS); - простота конфигурирования, реконфигурирования, обслуживания и ремонта; - круглосуточного необслуживаемого режима работы
· высокая "живучесть" за счет модульной структуры АТС: неисправность одного модуля оказывает только ограниченное влияние на всю систему, из-за наличия в каждом модуле своей коммутационной машины с рабочими, тестовыми и сервисными программами
· для построения АТС любой конфигурации используется 2 вида ячеек
· абонентский комплект на 10 АЛ, расширение кратно 10
· наличие прямых, удаленных и транзитных абонентов
· наличие 4-х потоков Е1 для коммутации абонентских линий и 4-х потоков Е1 для коммутации внешних каналов в каждом базовом модуле
· полный набор услуг и сервиса для абонентов разного типа АТС
· безвозмездная передача очередных версий программного обеспечения
Отличительные особенности:
· прямое включение (без конвертации) существующих АТС с различными типами сигнализации (ОКС №7, EDSS1, 2ВСК, 1ВСК);
· максимальное использование существующего оборудования с различными линейными кодами (NRZ, AMI, HDB-3);
Таблица 2.1.
Параметры станции ТОС 120
| Характеристика | Значение |
| 1. Максимальная абонентская емкость, АЛ | 10 000 |
| 2. Максимальная линейная емкость, СЛ | Неограниченно | 0.25 | 0.9 |
| 5. Производительность, вызовов в ЧНН | 120 000 |
| 6. Сигнализация | ОКС №7, EDSS1, 2ВСК, 1ВСК |
| 7. Тип управления | Программное, Intel 80C186 |
| 8. Удельная потребляемая мощность, Вт/номер | 0.7 |
| 9. Удельный объем оборудования, дм.куб./номер | 0.2 |
| 10. Область применения | ВСС РФ |
| 11. Шаг наращивания, АЛ | 10 |
| 12. Язык программирования | C++, ASM |
| 13. Функция повременного учета соединений | Поддерживается |
| 14. Функция СОРМ | Поддерживается |
| 15. Дополнительные виды обслуживания | Поддерживается |
| 16. Наработка на отказ, часов | 10 000 |
| 17. Размеры модуля, мм | 482х266х185 |
| 18. Диапазон рабочих температур, 0 С | от +5 до +40 |
В здании естественного института установлена мини АТС LG GHX-46 имеющая 26 внутренних абонентов и выход в город по 6 телефонным линиям предоставленным филиалом ОАО ЮТК «Связьинформ». В здании факультета иностранных языков установлена мини АТС Siemens HiPath 3550 имеющая 17 внутренних абонентов и выход в город по 4 телефонным линиям предоставленным филиалом ОАО ЮТК «Связьинформ». Для поддержания работоспособности телефонной сети АГУ необходим контроль и обслуживание телефонных станций и их абонентов. В дальнейшем рост числа абонентов телефонной сети АГУ очевиден, поэтому планируется соединение телефонных станций между собой на основе существующей локально-вычислительной сети и внедрение IP-телефонии. Конфигурационные настройки ЦАТС ТОС 120 представлены в приложении 2.
Время задержки речевого сигнала (время, за которое сигнал от одного абонента дойдет до другого).
· Качество речевого сигнала.
· Количество электронных пакетов, которые не дошли до получателя.
Одним из самых важных факторов качества связи является время задержки речевого сигнала. Обычно это время составляет от 150 до 700 мсек. Это время необходимо для того, чтобы голосовой сигнал от первого абонента дошел по обычной телефонной линии до определенного шлюза, закодировался из аналогового в цифровой, затем в виде электронных пакетов дошел до шлюза, ближайшего к абоненту-получателю, декодировался из цифрового в обычный речевой (аналоговый) и по телефонной линии дошел до необходимого абонента.
Время задержки - важный параметр для телефонного разговора в реальном времени, т.к. для последнего очень важна именно динамика процесса. Эта проблема характерна не только для интернет - телефонии, но и для IP-телефонии, хотя и в значительно меньшей степени. В случае, если задержки окажутся меньше 250 мсек, они будут практически не ощутимы, и можно считать, что связь очень качественная. При таком качестве связи можно производить важные деловые переговоры. В случае, если задержки достигают 400 мсек, связь достаточно качественная, при общении речевой сигнал немного запаздывает. В том же случае, если задержка составляет 700 мсек и более, качество связи можно считать плохим, но достаточно приемлемым.
Сети IP-телефонии уже активно используются как частными лицами, так и целыми компаниями. Это понятно, ведь интеграция голоса и данных позволяет создавать единую сеть коммуникаций, обслуживание которой может производить один администратор. А если учесть, что Интернет-телефония существенно сокращает расходы за междугородние и международные разговоры, то сразу становится понятным, почему рынок IP-телефонии неуклонно растет. По прогнозам западных компаний (Frost&Sullivan, Killen&Associates, IDC) объем рынка в среднем будет возрастать на 130-140% ежегодно. Также повысится доля разговоров по IP-сетям относительно традиционной телефонии: если в 1998 году трафик по IP-сетям составлял 1% от общего объема услуг связи, то в 2007 году предполагается рост трафика IP-телефонии до 58%, особенно возрастет число звонков на дальние расстояния (около 70% трафика междугородних и международных переговоров).
Интерес к данной технологии позволил расширить области применения IP-телефонии. В данный момент с помощью мультисервисных сетей, по которым передаются потоки данных, оцифрованного голоса и видео, возможно создавать многочисленные дополнительные сервисы, такие как Центры телефонного обслуживания (Call-центры, ЦТО).
Call-центр - это программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить автоматизированный прием и обработку большого количества одновременных телефонных звонков, а также осуществлять массовые исходящие звонки. ЦТО (или операторский центр) строится на основе интеграционных технологий компьютерной телефонии (Computer-Telephony Integration - CTI). ЦТО интегрирует все доступные на предприятии информационные и коммуникационные ресурсы: базы данных, компьютерное и сетевое оборудование, подсистемы телефонии и пр. Основная область применения Центров телефонного обслуживания - это организация и автоматизация работы сервисных служб предприятий.
Таким образом, мы видим, что рынок IP-телефонии и смежных технологий бурно развивается. Для того чтобы разобраться в том, что представляют на этом рынке компании-конкуренты, а также в чем отличия между различными продуктами и решениями, нам необходимо определить, из каких основных частей складывается архитектура сети IP-телефонии.
Основным элементом сети является Шлюз (Gateway), подключенный как к глобальной IP-сети, так и к телефонной сети общего пользования, что обеспечивает пользователю доступ к любому персональному компьютеру и любому телефону. В функции шлюза входит:
· Обеспечение взаимодействия между оконечными пользователями
· Сжатие, восстановление, кодировка потоков цифровой информации
Как известно, качество разговора с помощью IP-телефонии обуславливается загруженностью сети. В результате слабой пропускной способности при разговоре абонентов могут возникать задержки, искажения и т.п. Для обеспечения приемлемого качества связи шлюз IP-телефонии следует рассматривать по следующим параметрам:
· Быстродействие
· Качество и скорость сжатия/восстановления
· Возможности восстановления утерянных пакетов
Шлюзы разных производителей отличаются способом подключения к телефонной сети, емкостью, аппаратной платформой, интерфейсом, возможностями администрирования и другими характеристиками.
В состав IP-сети также входит Диспетчер (GateKeeper). Это дополнительное устройство, подключенное только к IP-сети и выполняющее следующие функции:
· Маршрутизация вызовов между шлюзами
Биллинг, взаимодействующий с другими приложениями на основе стандартных интерфейсов.
Функции диспетчера можно сравнить с работой маршрутизаторов в локальных сетях. Следует отметить, что это сходство остается при рассмотрении технической реализации диспетчера: он может выступать как отдельное устройство, так и часть шлюза.
Еще одной обязательной составляющей архитектуры IP-сетей, конечно же, является абонентский узел, который может быть реализован не только аппаратным, но и программным способом.
Итак, сеть IP-телефонии состоит из трех основных частей: шлюза, диспетчера и абонентского места. Все эти части должны присутствовать в каждом из решений от различных компаний-производителей. Соответственно, выбор оптимального решения для нужд конкретной организации должен базироваться именно на дополнительных возможностях и услугах, поставляемых вместе с основным продуктом.
В настоящий момент существует два противоположных подхода к внедрению систем IP-телефонии. Один из них (революционный, как его принято называть) заключается в том, что требуется отказаться от традиционной телефонной сети и использовать только локальную сеть, которая по своим каналам обеспечит передачу голоса между абонентами. Второй подход (эволюционный), наоборот, предполагает сохранение существующей структуры и одновременное добавление нового оборудования для расширения функциональности телекоммуникационной системы. В каждом конкретном случае следует анализировать внешние условия, а также требования к комплексу оборудования, с той целью, чтобы обеспечить выбор правильной стратегии при внедрении систем IP-телефонии.
На мой взгляд, на рынке продуктов IP-телефонии масштаба предприятия можно выделить несколько компаний-лидеров, которые в совокупности представляют решения, удовлетворяющие практически весь спрос на этом рынке.
Компания Avaya предлагает на рынке решения, основой которых служит телекоммуникационный сервер Definity. Эти решения являются универсальными и подходят не только компаниям, создающим корпоративную телефонную сеть "с нуля", но и уже имеющим собственную инфраструктуру. Кроме того, решения на базе Definity допускают использование различного оборудования (в том числе от разных производителей) для полной интеграции телефонии и передачи данных. Это обеспечивается за счет применения протокола Н.323, на котором основаны решения компании Avaya.
Решения IP-телефонии на базе телекоммуникационного сервера Definity можно разделить на два направления:
Definity Trunk (используется для построения частных телефонных сетей на базе сети передачи данных и стандарта Н.323)
Definity IP Абонент (используется для передачи голоса по IP-сети от абонентского терминала к станции).
Решения компании Avaya в области IP-телефонии поддерживают абонентов, которые реализованы двумя способами: аппаратным (телефонные аппараты Avaya) и программным (IP Soft Phone и CentreVu IP Agent).
Использование телекоммуникационного сервера Definity обеспечивает полный набор услуг и функций, характерных для ведомственной сети связи (оповещение абонентов, голосовая почта, мониторинг сети и т. д.). Кроме этого, пользователи системы могут получить дополнительные преимущества от использования IP-телефонии. В пределах каждого сетевого домена (условно выделенного фрагмента IP-сети, через который осуществляется связь между станциями или между станцией и H.323-абонентами) может обеспечиваться определенный уровень качества предоставления услуг (QoS). Конфигурация сервера позволяет определить критические значения качества разговора (задержки, процент потери пакетов и т.д.), тем самым поддерживая необходимый уровень качества связи. Следует отметить, что компанией Avaya разработаны специальные механизмы, обеспечивающие QoS: DiffServ, приоритезация трафика и алгоритмы обхода IP-транка при ухудшении параметров канала связи.
Компания Avaya представила также новое решение ECLIPS, предназначенное для создания системы связи как в небольших офисах, так и в более крупных организациях. Это решение позволяет абонентам получить доступ к любым услугам связи, связывая при этом в единое целое телефонные и IP сети общего и внутреннего (корпоративного) пользования. Последующее масштабирование комплекса на базе ECLIPS может производиться без дополнительных инвестиций, что существенно сокращает расходы на содержание и расширение внутренней сети.
Совместимость решений компании Avaya с VoIP-оборудованием различных поставщиков по протоколу H.323 обеспечивает дополнительные конкурентные преимущества. В тоже время, рассматривая различные стандарты, можно с уверенностью сказать, что протокол SIP является более удобным и простым в реализации инструментом при разработке приложений на базе IP-телефонии. Если сравнивать возможности SIP и H.323, то последний обладает большей функциональностью и весьма распространен в глобальных сетях.
Таким образом, решения компании Avaya наиболее эффективно применять в тех организациях, где параллельно с функционированием традиционной телефонной сети требуется построить дополнительную сеть, обладающую более широкими возможностями и отвечающую требованиям заказчика.
Компания 3Com представляет на российском рынке два решения в области IP-телефонии: офисную телефонную систему 3Com NBX 100 Communication System и более мощную платформу SuperStack 3 NBX Networked Telephony Solution.
Отличительной чертой данных решений является то, что они реализованы на основе принципов Ethernet-телефонии. Другими словами, в сети для определения абонента используются не IP-адреса, а физические MAC-адреса устройств. Такой подход, по сравнению с IP-телефонией, упрощает процедуры установления соединения между абонентами и существенно сокращает требования к производительности платформ. Следует отметить, что применение протокола H.323 в этом случае становится необязательным. По этой причине взаимодействие между абонентскими телефонами и коммутационным сервером осуществляется по специальному протоколу, разработанному компанией 3Com.
Система NBX 100 является одним из популярных решений в области Ethernet-телефонии. Простота использования NBX 100 связана с тем, что вся система состоит из центрального блока, поддерживающего до 200 линий и работающего под управлением специализированного программного обеспечения, а также абонентских терминалов. Последние могут быть представлены в виде Ethernet-телефонов от компании 3Com, либо в виде приложения NBX PC Telephone, установленного на пользовательский компьютер. NBX 100 предоставляет абонентам разнообразные средства обработки звонков, а также преимущества использования локальной сети Ethernet. В данной системе с помощью программных шлюзов может поддерживается протокол Н.323, который позволяет интегрировать в сеть дополнительное оборудование от разных производителей, поддерживающих этот стандарт. Система NBX 100 ориентирована на предприятия и организации малого и среднего бизнеса, обеспечивая при этом оптимальное соотношение цена/функциональность.
Коммуникационный сервер самостоятельно инициализирует новый телефонный аппарат, подключаемый к локальной сети, то есть система NBX 100 практически реализует концепцию plug-and-play. Для управления офисной телефонной сетью не требуется специально подготовленный специалист. Коммуникационный сервер самостоятельно инициализирует новый телефонный аппарат, подключаемый к локальной сети, то есть система NBX 100 практически реализует концепцию plug-and-play. Для управления офисной телефонной сетью не требуется специально подготовленный специалист. Коммуникационный сервер самостоятельно инициализирует новый телефонный аппарат, подключаемый к локальной сети, то есть система NBX 100 практически реализует концепцию plug-and-play. Для управления офисной телефонной сетью не требуется специально подготовленный специалист.
SuperStack 3 NBX - одно из новых решений компании 3Com, в котором также реализованы принципы Ethernet-телефонии. Данное решение максимально позволяет подключить 750 линий, из которых 600 могут предоставляться внутренним пользователям. SuperStack 3 NBX позволяет своим абонентам использовать дополнительные сервисы, такие как: универсальный почтовый ящик (Unified Messaging), посылка уведомления о входящих сообщениях и звонках, интерактивный автоответчик и прочие.
Компания 3Com, поставляя свои продукты на рынок, ориентируется на полную замену офисных телефонных сетей на новую телекоммуникационную систему, основанную на решениях 3Com.
Таким образом, решения компании 3Com оптимально подходят в случае создания новой телекоммуникационной системы на предприятиях малого и среднего бизнеса. Эффективность решений обеспечивается за счет быстрой окупаемости инвестиций и предоставления достаточно широкого спектра услуг связи.
Компания Cisco представляет на рынке законченное решение для создания мультисервисных сетей, основанное на единой архитектуре AVVID (Architecture for Voice, Video and Integrated Data - архитектура для передачи голоса, видео и интегрированных данных). При внедрении данного решения осуществляется комплексный подход к проблемам и требованиям заказчика. Компания Cisco поставляет полный перечень оборудования, позволяющий на базе корпоративной сети построить единое информационное пространство, предоставляющее пользователям всевозможные телекоммуникационные услуги.
Архитектура представлена следующими компонентами:
· Центрами управления и контроля соединений
· IP-маршрутизаторами, выполняющие функции шлюзов VoIP
· Серверами приложений для предоставления услуг пользователям
Основой решения является хорошо масштабируемая платформа Cisco Call Manager, позволяющая строить корпоративные телефонные сети с различным количеством пользователей. Число обслуживаемых абонентов может колебаться от 1 до 10 000 000 (в распределенных решениях), при этом сохраняя единый план нумерации. Система IP-телефонии, основанная на одном сервере Call Manager и обслуживающая в данный момент десять абонентов, может быть легко расширена до 2500 пользователей. Дальнейший рост числа абонентов может производиться за счет создания кластера из нескольких серверов.
За счет применения стандартных протоколов Cisco Call Manager может взаимодействовать как с традиционными телефонными станциями, так и с программными продуктами других производителей. Интеграция Cisco Call Manager в корпоративную сеть позволяет абонентам телефонной сети получить доступ к базам данных и к различным корпоративным ресурсам, а также создавать новые приложения и настраивать отображаемую на экранах IP-телефонов информацию.
Кроме стандартных функций УАТС решения компании Cisco обладают множеством преимуществ. Среди успешных продуктов, разработанных в рамках стратегии конвергенции потоков голоса, видео и интегрированных данных, можно выделить следующие:
IP АА - автоматическая консоль
Unity - система унифицированной обработки сообщений
uOne - система управления пользовательскими директориями и универсальный почтовый ящик
IP Interactive Voice Response - система обработки поступающих звонков
IP Contact Center - средство распределенной интеллектуальной обработки вызовов в рамках интегрированной сети
В зависимости от требований заказчика решения на базе архитектуры AVVID позволяют создавать в корпоративных сетях центры обработки вызовов, системы интерактивных голосовых меню, системы унифицированной обработки сообщений и т.д.
Компания Cisco, ориентируясь на расширение возможностей своих решений, использует в архитектуре AVVID для передачи голоса, видео и интегрированных данных новый стандарт SIP, что позволяет создавать мультисервисные сети, обладающие необходимой функциональностью и простотой обслуживания. Но наряду с этим возникает проблема взаимодействия с платформами других производителей, использующих стандарт H.323. Распространенность последнего затрудняет интеграцию комплексных решений от компании Cisco в глобальные сети.
Таким образом, компания Cisco поставляет на рынок законченные решения, не требующие дополнительных затрат и программно-аппаратных компонент. Создание сети на основе AVVID, в составе которой находится система IP-телефонии, наиболее эффективно в случаях основательной реконструкции, либо создания "с нуля" телекоммуникационной системы предприятия.
Выбранные устройства:
· Маршрутизатор Cisco 3845
· IP-телефоны Cisco
· Цифровая АТС АГУ
Описание организации сети:
Маршрутизатор Cisco 3845 подключается к локальной сети интерфейсами Fast Ethernet и к телефонной сети интерфейсами Е1 через цифровую АТС АГУ. Настраивается связь между маршрутизатором Cisco 3845 и шлюзом оператора связи (рис. 3.3.).
Маршрутизатор Cisco 3845 выполняет несколько функций. Первая - это функция шлюза между офисной системой IP-телефонии и телефонной сети, то есть маршрутизатор сопрягает внутреннюю телефонную систему с городской телефонией. При этом голосовой трафик, передающийся внутри сети в виде IP-пакетов, преобразуется в «голосовой» трафик, традиционный для телефонных сетей общего пользования. Для этого преобразования используются сигнальные процессоры называемые DSP-кодеками.
Вторая функция, выполняемая маршрутизатором - функция коммуникационного сервера Cisco Call Manager Express. Коммуникационный сервер – это устройство, которое управляет установлением соединений между IP-телефонами внутри офиса и с внешними абонентами. Телефонный аппарат после включения регистрируется на коммуникационном сервере, получает принадлежащий ему номер и другие индивидуальные настройки. После этого телефон может осуществлять звонок. Установление вызова при этом происходит через коммуникационный сервер.
Третья функция, выполняемая маршрутизатором Cisco 3845 - это функция сервера голосовой почты. Для этого в шасси маршрутизатора устанавливается модуль голосовой почты Cisco Unity Express, имеющий встроенный жесткий диск для хранения приветствий и записи голосовых сообщений. В спецификации оборудования предусмотрена лицензия на 100 пользователей голосовой почты. В состав маршрутизатора входит десять аналоговых телефонных портов типа FXS для подключения факсов и радиотелефонов.
На рабочих местах пользователей устанавливаются IP-телефоны Cisco. Телефоны Cisco 7960G/7970G имеют больший по сравнению остальными моделями дисплей и большее количество функциональных клавиш. Кроме того, для работы секретарей рекомендуется к телефонам Cisco 7960G подключить блок расширения функциональных клавиш Cisco 7914. Все IP-телефоны подключаются к сети интерфейсами Fast Ethernet. При использовании данных моделей IP-телефонов пользовательские компьютеры подключаются не к коммутаторам ЛВС напрямую, а к IP-телефонам, имеющим для этих целей дополнительный порт Fast Ethernet. Максимальное количество IP-телефонов для данной конфигурации Cisco Call Manager Express может составлять 240 штук.
При такой схеме подключения IP телефонии мы получаем доступ с любого компьютера и IP телефона локальной вычислительной сети, а также с каждого номера ЦАТС АГУ для звонков по IP протоколу в любую страну мира. Используя операторов города Москва, мы получаем значительную выгоду в междугородних и международных звонках.
Cisco CallManager представляет собой центральный, управляющий компонент решения Cisco IP телефонии. Это программный комплекс, отвечающий за управление установлением телефонных соединений, а также обеспечивающий целый ряд дополнительных функций, таких как:
· настройка и управление системой IP телефонии с помощью удобного графического интерфейса. IP телефонов, шлюзов, настройка номерного плана, сбор и анализ статистической информации о функционировании системы и т. д. (предусмотрена возможность централизованной удаленной настройки системы);
· дополнительные функции для пользователей в системе корпоративной IP телефонии, в том числе поддержка аудиоконференций, интеграция с корпоративной директорией абонентов на базе протокола LDAP и др.;
· интеграция с пользовательскими приложениями, в том числе с системой голосовой почы унифицированной обработки сообщений (Unified Messaging)
Модуль Cisco Unity Express (рис. 3.4.) позволяет экономически эффективно интегрировать в свою текущую систему телефонии сервисы голосовой почты и автоматического секретаря (рис. 3.5.). Данный функционал интегрируется в маршрутизатор Cisco и имеет низкую совокупную стоимость владения.
Cisco Unity Express предоставляет:
Доступный сервис почтовых сообщений, приветствий и автосекретаря обеспечивает больший функционал при обслуживании клиентов, а сотрудники предприятия увеличивают производительность посредством голосовой почты.
Интуитивно понятный интерфейс пользователя голосовой почты и графический редактор для системы автоматического секретаря.
Масштабируемость от 4 до 16 одновременных сессий голосовой почты или автосекретаря, и от 12 до 250 почтовых ящиков.
Гибкое развертывание и интеграция с Cisco Unified CallManager Express, Cisco Unified CallManager и традиционными голосовыми АТС.
Рис. 3.5. Схема интеграции с корпоративной структурой и текущей телефонной системой
Интерфейсная карта VWIC-2MFT-E1 (рис. 3.6.) поддерживает голосовые приложения, приложения данных, а так же интегрированные (голос/данные) приложения. Технология программируемой функциональности (Multiflex), реализованная в этих интерфейсных картах, облегчает миграцию сетей, построенных на оборудовании Cisco, к однородным интегрированным решениям, реализующим пакетную передачу голоса и данных, снижает затраты на внедрение, управление и сопровождение сетей передачи данных в целом.
Данный модуль предназначен для соединения АТС АГУ с маршрутизатором Cisco 3845 по потоку Е1 дает возможность выхода звонка с ЦАТС через маршрутизатор на межгород.
Рис. 3.6. Модуль Cisco Systems VWIC-2MFT-E1 на 60 голосовых каналов.
Маршрутизатор Cisco 3845 подключается к локальной сети интерфейсами Fast Ethernet и к ЦАТС ТОС-120 интерфейсами Е1 (рис. 3.7.). Это позволит АТС АГУ перевести на IP-телефонию, а соответственно все телефонные аппараты Астраханского государственного университета (рис. 3.8.).
Рис. 3.7. Структура сети АГУ с технологией IP телефонии.
Внедрение IP-телефонии позволило соединить телефонные станций естественного института, корпуса иностранных языков и главного корпуса АГУ между собой на основе существующей локально-вычислительной сети.
Рис. 3.8. Структура сети главного корпуса АГУ с технологией IP телефонии.
Вся архитектура IP-сети является довольно сложной. Узловыми точками всей системы интернет-телефонии являются специальные шлюзы (Gateways) или так называемые IP-сервера. Именно в них происходит взаимодействие между обычной телефонной сетью и IP-сетью. В шлюзах аналоговые сигналы из телефонной сети преобразуются (зашифровываются) в электронные пакеты для IP-сети и наоборот. Шлюз производит поиск другого, наиболее подходящего, удаленного шлюза из расчета максимально близкого его расположения к вызываемому абоненту. Шлюз также производит ответ на запрос вызывающего абонента.
Диспетчер, или модуль-администратор сети (GateKeeper) является также неотъемлемой частью сети. Он выполняет роль связующего звена между шлюзами. Диспетчер указывает нужные маршруты для направления сигналов, ищет наиболее короткий путь для прохождения сигнала между двумя шлюзами. Занимается вопросами мониторинга и администрирования всей системы и управляет системой билинга.
Система билинга выполняет функцию правильного определения персонального номера абонента и проверку его пароля, занимается ведением баз данных всех переговоров различных абонентов (учитывает продолжительность каждого разговора, остаток средств на счету, автоматически исключает из счета абонента стоимость данного разговора). Управляет системой взаиморасчетов между клиентом и провайдером IP-телефонии.
3.8. Процесс преобразования звукового сигнала
IP-телефония опирается на две основных операции: преобразование двунаправленной аналоговой речи в цифровую форму 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 электрическая цепь, и этим обеспечивается фиксированная пропускная способность для передачи сигнала.
В то время как IP-сеть представляет собой систему, реализующую принцип коммутации и маршрутизации пакетов, и не предоставляет гарантированного пути между точками связи. Вся информация, передаваемая через IP (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 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. 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, протокол SIP.
После установки Cisco CallManager на сервер необходимо произвести его настройку. Доступ к Cisco CallManager осуществляется через Internet Explorer по адресу https://localhost/CCMAdmin/ (только через HTTPS). Набрав имя и пароль и попав в основное меню Cisco CallManager, необходимо сделать следующее.
1) Выбрать пункты меню System – Server, выбрать существующий сервер через систему поиска или создать новый. Настройка сервера требует ввода следующих параметров.
Host Name/IP Address – если в сети Cisco CallManager настроен DNS-сервер, можно использовать имя хоста (необходимо сначала настроить DNS-сервер на правильное разрешение имени сервера Cisco CallManager в его IP-адрес).
MAC Address – MAC-адрес сетевой карты сервера. Если планируется иногда перемещать сервер с места на место, необходимо ввести MAC-адрес, чтобы клиенты всегда однозначно его идентифицировали. В противном случае заполнение этого поля необязательно.
Description – описание сервера.
2) Выбрать пункты меню System - CallManager, выбрать существующий Cisco CallManager через систему поиска или создать новый. Настройка Cisco CallManager требует ввода следующих параметров. Cisco CallManager Server – выбрать сервер (из созданных в п. 1), на котором установлен Cisco CallManager. Только один сервер настраивается на один экземпляр Cisco CallManager.
Cisco CallManager Name – ввести имя, назначенное этому экземпляру Cisco CallManager.
Description – описание Cisco CallManager.
Starting Directory Number – первый номер из числа тех, которые будут использоваться при автоматической регистрации устройств.
Ending Directory Number - последний номер из числа тех, которые будут использоваться при автоматической регистрации устройств. Если правильно указаны первый и последний номера, автоматическая регистрация будет включена. Если первый и последний номера одинаковы, автоматическая регистрация будет выключена.
Partition – выбрать раздел (позволяет использовать несколько групп номеров для автоматической регистрации устройств), если разделы используются.
External Phone Number Mask – маска номера при звонке на внешние номера и номеров устройств, для которых номера назначены через систему авторегистрации. Если маска вводится целиком цифрами, например, 89534760000, такой номер будет подставляться вместо любого внутреннего номера при звонке во внешнюю сети. Если введен номер с маской, например, 8953476ХХХХ, то вместо последний 4 цифр (в данном примере) будет подставляться номер устройства.
Auto-registration Disabled on this Cisco CallManager – по умолчанию авторегистрация выключена по соображениям безопасности. Для включения снимите отметку.
Ethernet Phone Port – порт для связи Cisco CallManager с телефонами. По умолчанию 2000, если он занят, то любой свободный из диапазона 1024-49151.
Digital Port - портдлясвязи Cisco CallManager с Cisco Access Digital Trunk Gateway’ями. По умолчанию 2001, если он занят, то любой свободный из диапазона 1024-49151.
Analog Port - портдлясвязи Cisco CallManager с Cisco Access Analog Gateway. По умолчанию 2002, если он занят, то любой свободный из диапазона 1024-49151.
MGCP Listen Port – порт для получения сообщений от MGCP-Gateway. По умолчанию 2427, если он занят, то любой свободный из диапазона 1024-49151.
MGCP Keep-alive Port - порт для получения keep-alive-сообщений от MGCP-Gateway. По умолчанию 2428, если он занят, то любой свободный из диапазона 1024-49151.
3) Выбрать System – Cisco CallManager Group, выбрать существующую группу Cisco CallManager через систему поиска или создать новую. Настройка группы Cisco CallManager требует ввода следующих параметров.
Cisco CallManager Group – ввести имя новой группы.
Auto-registration Cisco CallManager Group – отметить, если эта группа будет использоваться по умолчанию при авторегистрации.
Available Cisco CallManagers – доступныедлявыбора Cisco CallManager.
Selected Cisco CallManagers - выбранные Cisco CallManager.
4) Выбрать System – Date/Time Group, выбрать существующую группу через систему поиска или создать новую. Настройка группы даты-времени требует ввода следующих параметров.
· Group Name – имя новой группы.
· Time Zone – временная зона для Cisco CallManager.
· Separator – разделитель полей даты и времени.
· Date Format – формат даты.
· Time Format – формат времени.
5) Убедиться, что у DHCP-сервера на сервере с Cisco CallManager настроена опция 66 - адрес TFTP-сервера, с которого телефоны будут грузить свои настройки и прошивки.
6) Подключив сервер Cisco CallManager и телефон, проверить, получает ли он настройки. Например, в моделях 7940, 7941, 7960, 7961 это можно сделать, нажав на кнопку квадратика с галочкой и выбрав пункт "Network Settings" ("Настройки сети" для русской локали). Одна из возможных проблем - наличие другого DHCP-сервера, который бужет передавать свои настройки. Если все в порядке, то при включенной авторегистрации телефон появится в списке доступных устройств в соответствующем меню Cisco CallManager. Настройка Cisco 3845 для IP-телефонии представлена в приложении 4.
1) Соединение компьютер - телефон
Это один из самых распространенных способов соединения для осуществления телефонной связи с использованием интернет-телефонии. Для этого компьютер оснащается мультимедийным набором. Компьютер должен быть подключен к провайдеру IP-телефонии и должен иметь выход в Internet. Этот способ связи, пожалуй, является самым дешевым из всех существующих. На компьютере устанавливается необходимое программное обеспечение. Этотакиепрограммы, как Internet Phone, WebPhone, PG Phone, Net2Phone. Процедура инсталляции таких программ простая, а вот процедура настройки требует большой точности и аккуратности.
2) Соединение телефон – телефон
Это соединение позволяет осуществить звонок с телефонного аппарата на обычный телефонный аппарат, скажем, находящийся в другой стране мира, через Internet. При этом не надо иметь никакого специального оборудования - только обычный телефон с тональным набором. Для этого достаточно набрать телефонный номер шлюза, дождаться голосового приветствия системы и перевести ваш телефон в тональный режим набора (как правило, это клавиша "звездочка"). Далее следует набрать идентификационный номер. После ответа системы, вводится: код страны, код зоны, номер абонента. Если правильно набран номер абонента, то система, как правило, сообщает вам остаток на вашем лицевом счете. После завершения разговора система билинга исключит из счета стоимость разговора.
3) Соединение телефон – компьютер
Это соединение позволяет дозвониться абоненту в то время, как он работает в сети Internet. Для этого на телефонной станции устанавливается переадресация звонка на сервер IP-телефонии в случае сигнала "занято". Как только звонок попадет на сервер IP-телефонии, в необходимом шлюзе произойдет переработка сигнала в цифровые пакеты, которые по сети Internet пойдут на компьютер того абонента, с которым вы хотели бы пообщаться. В ту же секунду абонент получит звуковой сигнал о том, что его вызывают на телефонный разговор. Аналогичным образом могут быть осуществлены и другие соединения, например, между двумя компьютерами.
4) Соединение Web-телефон
Сейчас существует хорошая перспектива развития такого вида связи, как Web-телефон. Это может оказаться очень удобным для тех людей, которые для своего бизнеса часто пользуются различными рекламными сайтами в Internet. При помощи данного вида связи вы, например, сможете позвонить агенту той или иной интересующей вас фирмы прямо со страницы Internet-сайта, на котором представлена продукция или услуги данной фирмы. Это позволит не только сократить расходы на телефонные переговоры, но и существенно сэкономить собственное время.
Исходя из выше перечисленных параметров необходимых для обеспечения качественной связи абонентов, выбран оператор SIPNET для организации IP телефонии в Астраханском государственном университете, используя цифровую АТС и локально вычислительную сеть АГУ построенную на маршрутизаторе Cisco 3845.
Исследуя рынок IP телефонии (рис. 3.9., 3.10., 3.11., 3.12.) были выбраны и проанализированы следующие операторы IP телефонии:
Рис.3.9. График анализа операторов в зависимости1 минуты разговора в г. Москва, см приложение 1.
Рис.3.10. График анализа операторов в зависимости от количества вариантов оплаты за переговоры.
Рис.3.11. График анализа операторов в зависимости от полноты сервиса предоставления услуг.
Рис.3.12. График анализа операторов в зависимости от качества каналов связи.
Исходя из результатов данного анализа был выбран оператор предоставления услуг Sipnet.
Компьютер или SIP-устройство преобразует голос в цифровые пакеты и направляет вызов по Интернету на ближайший сервер интернет - телефонии, который перенаправляет его через Интернет по маршруту в соответствии с набранным номером.
Если это обычный городской или мобильный абонент, голосовой пакет через Интернет попадает на ближайший к этому абоненту сервер интернет - телефонии и через специальный сервер-шлюз (также называемый приземляющий узел) преобразуется в обычный голос и направляется вызываемому абоненту через городскую или сотовую сеть. В отличие от обычного соединения, когда два абонента соединяются по дорогостоящей телефонной линии дальней связи, которая будет занята на все время разговора, интернет - телефония задействует только небольшой отрезок линии от сервера-шлюза до вызываемого абонента. Поэтому стоимость таких соединений на порядок ниже, чем обычно.
При прямых наборах между абонентами SIPNET ни городские, ни дальние линии связи не задействуются - разговор передается только по каналам Интернета, поэтому за соединения внутри сети SIPNET плата не взимается, а качество голосовой связи наилучшее.
При соединении обычных абонентов с пользователями SIPNET по SIP ID вызов попадает из городской сети на местный сервер интернет - телефонии, преобразуется и далее передается по Интернету непосредственно на компьютер или SIP-устройство абонента SIPNET.
В сети SIPNET технология такова, что каждый вызов готовы обслужить не один, а несколько десятков операторов (узлов передачи голосовой связи), предлагающих минуты разговора на данное направление по различной цене и с различным качеством.
Практически каждый вызов пользователя - это разовая покупка трафика по самым низким тарифам на биржевой площадке обмена VoIP трафика. Обслуживание соединения происходит автоматически по обобщенным критериям цена/качество.
Настройка маршрутизации - это задание персональных критериев цена/качество по выбранному направлению. Например, чтобы разговаривать с каким-либо городом дешевле с приемлемым для вас качеством, необходимо зайти в Личный кабинет и задать приоритет цены при обслуживании ваших соединений по данному направлению. Можно также задать приоритет узлов, которые будут обслуживать вызовы или исключить те узлы, качество передачи голоса или цена, которых не устраивают. Можно сделать безусловный приоритет узлов с максимальным качеством или узлов с минимальными ценами.
Для персональной настройки используются несколько несложных понятий:
Приземляющий узел - это сервер, который обрабатывает ваш вызов и направляет его в обычную телефонную сеть.
Номера узлов, работающих по направлениям ваших соединений, и их характеристики можно узнать в Личном кабинете в разделе «Настройка тарифов».
Параметры узла:
Цена - тариф на терминацию («приземление») данного направления у данного узла (у.е. за минуту). Эта цена используется при расчёте стоимости соединения
ASR - (Average Setup Rate) - отношение количества удачных соединений (Calls) к числу попыток позвонить (Atmp) в процентах
ACD - (Average Call Duration) - средняя продолжительность соединения данного узла на соответствующее направление
% - процент состоявшихся соединений с продолжительностью менее 30 секунд
Qi - обобщённый параметр качества соединений через данный узел
Например, малая средняя продолжительность разговора ACD косвенно говорит о неудовлетворенности пользователями качеством передачи голоса этим узлом по данному направлению, т.е. скорее всего абоненты быстро прекращали разговор из-за неудовлетворительного качества; малый процент успешных соединений ASR - о недостаточной производительности узла.
Телефонные сети и сети передачи данных сосуществовали в течение десятилетий и развивались независимо друг от друга. И те, и другие соответственно предоставляли свой независимый спектр услуг. IP-телефония объединяет их в единую коммуникационную сеть, которая предлагает мощное и экономичное средство связи. Возможность передавать речевой трафик с фиксированным качеством по пакетным сетям передачи данных предопределила дальнейшее направление развития в области телефонии. Помимо предоставления услуг телефонной связи в пределах сети передачи данных (в частности сети, работающей по протоколу IP), стало доступным осуществлять транзит речевого трафика между узлами ТфОП/ISDN, а так же устанавливать сеансы связи по сценарию <Компьютер-телефон> и <Телефон-компьютер>.
Существует несколько подходов к построению сетей IP-телефонии. Все они регламентируют управление мультимедиа-вызовами и передачу медиа-трафика в IP-сетях, но при этом реализуют различных подходы к построению систем телефонной сигнализации.
Исторически первый и самый распространенный в настоящее время - это введенный Международным союзом электросвязи (МСЭ) набор рекомендаций Н.323. По сути H.323 - это попытка перенести телефонную сигнализацию ISDN Q.931 на IP-соединения, то - есть как бы “наложить” традиционную телефонию на сети передачи данных.
Набор рекомендаций Н.323 не смог обеспечить серьезные улучшения для конечных пользователей. Она не смогла стать основной ни для разработки нового поколения конечных точек, ни для поддержки дополнительных видов обслуживания, подобных тем, что предоставляют традиционные учрежденческие АТС. Для того, чтобы обеспечить реальные инновации на уровне конечных узлов, индустрия должна упростить процесс разработки новых приложений, предложив для этого стандартные программные интерфейсы и высокоуровневый инструментарий. Но, как показывает развитие средств компьютерно - телефонной интеграции, даже этого недостаточно. Необходимо, чтобы модель предоставления телефонных услуг строилась на базе служб сетей передачи данных - тогда она позволит быстро разрабатывать удобные и совместимые решения для сетей NGN.
Внедрить развитую поддержку речевых коммуникаций в среду передачи данных можно с помощью протоколов, ориентированных в первую очередь на предоставление услуг конечным пользователям. Созданные на их базе продукты должны легко интегрироваться в существующие сети, требуя лишь минимальной модификации сетевых инфраструктур, а сами протоколы - легко расширяться, причем так, чтобы добавление в них новых функций не нарушало работу систем, основанных на предыдущих версиях, и не требовало соответствующего одобрения зачастую конкурирующими друг с другом организациями по стандартизации. Всем этим критериям соответствует протокол SIP (Session Initiation Protocol), предложенный одной из рабочих групп комитета IETF. Он регламентирует алгоритмы установления, модификации и завершения мультимедийных (в том числе речевых) соединений. SIP многое позаимствовал у таких популярных и уже доказавших свою состоятельность протоколов, как НТТР и SMTP.
Многие стандарты никогда не воплощаются в успешные коммерческие продукты. К SIP это не относится. На рынке уже есть поддерживающие его шлюзы, серверы- посредники, терминалы. Внедрение протокола SIP сопровождается работой по дальнейшему развитию и расширению протокола. Одно из возможных новых применений SIP - это использование его в качестве протокола установления соединения в сотовых сетях третьего поколения (3G).
Протокол SIP является перспективным современным протоколом для предоставления широкого спектра телекоммуникационных услуг. SIP и сопутствующие ему протоколы родились и развиваются в рамках IETF (Internet Engineering Task Force) - главного органа стандартизации Интернет. Первая версия протокола SIP была принята в марте 1999 г., на три года позже, чем H.323.
В SIP за основу были взяты протоколы, применяемые в самых популярных на сегодняшний день IP-сервисах, такие, как HTTP (Web) и SMTP (электронная почта). Идейно SIP основан на том же подходе, что HTTP: запрос - ответ (request - reply). Все сообщения SIP текстовые, и их можно читать глазами, а коды возврата такие же, как в HTTP, поэтому некоторые из них покажутся хорошо знакомыми не только сетевым администраторам, но и многим "продвинутым" пользователям интернета (404 - абонент не найден, 200 - OK).
Протокол инициирования сеансов - Session Initiation Protocol (SIP) является протоколом прикладного уровня и предназначается для организации, модификации и завершения сеансов связи: мультимедийных конференций, телефонных соединений и распределения мультимедийной информации. Пользователи могут принимать участие в существующих сеансах связи, приглашать других пользователей и быть приглашенными ими к новому сеансу связи. Приглашения могут быть адресованы определенному пользователю, группе пользователей или всем пользователям.
Протокол SIP разработан группой MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control) комитета IETF (Internet Engineering Task Force),а спецификации протокола представлены в документе RFC 2543. В основу протокола рабочая группа MMUSIC заложила следующие принципы:
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. Для этого пользователь с помощью специального сообщения - REGISTER - информирует о своих перемещениях сервер определения местоположения.
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.
Расширяемость протокола. Она характеризуется возможностью дополнения протокола новыми функциями при введении новых услуг и его адаптации к работе с различными приложениями.
В качестве примера можно привести ситуацию, когда протокол SIP используется для установления соединения между шлюзами, взаимодействующими с телефонной сетью при помощи сигнализации ОКС7 или DSS1. В настоящее время SIP не поддерживает прозрачную передачу сигнальной информации телефонных систем сигнализации. Вследствие этого дополнительные услуги ISDN оказываются недоступными для пользователей IP сетей.
Расширение функций протокола SIP может быть произведено за счет введения новых заголовков сообщений, которые должны быть зарегистрированы в уже упоминавшейся ранее организации IANA. При этом, если SIP сервер принимает сообщение с неизвестными ему полями, то он просто игнорирует их и обрабатывает лишь те поля, которые он знает.
Для расширения возможностей протокола SIP могут быть также добавлены и новые типы сообщений.
Интеграция в стек существующих протоколов Интернет, разработанных IETF. Протокол SIP является частью глобальной архитектуры мультимедиа, разработанной комитетом Internet Engineering TaskForce (IETF). Эта архитектура включает в себя также протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol - RSVP, RFC 2205),транспортный протокол реального времени (Real Time Transport Protocol - RTP, RFC 1889), протокол передачи потоковой информации в реальном времени (Real Time Streaming Protocol - RTSP, RFC 2326),протокол описания параметров связи (Session Description Protocol -SDP, RFC 2327). Однако функции протокола SIP не зависят ни от одного из этих протоколов.
Взаимодействие с другими протоколами сигнализации. Протокол SIP может быть использован совместно с протоколом Н.323. Возможно также взаимодействие протокола SIP с системами сигнализации телефонной сети - DSS1 и ОКС7. Для упрощения такого взаимодействия сигнальные сообщения протокола SIP могут переносить не только специфический SIP адрес, но и телефонный номер формата Е.164 или любого другого формата. Кроме того, протокол SIP, наравне с протоколами H.323 и ISUP/IP, может применяться для синхронизации работы устройств управления шлюзами; в этом случае он должен взаимодействовать с протоколом MGCP. Другой важной особенностью протокола SIP является то, что он приспособлен к организации доступа пользователей сетей IP телефонии к услугам интеллектуальных сетей, и существует мнение, что именно этот протокол станет основным при организации связи между указанными сетями.
Одной из важнейших особенностей протокола SIP является его независимость от транспортных технологий. В качестве транспорта могут использоваться протоколы Х.25, Frame Relay, AAL5/ATM, IPX и др. Структура сообщений SIP не зависит от выбранной транспортной технологии. Но, в то же время, предпочтение отдается технологии маршрутизации пакетов IP и протоколу UDP. При этом, правда, необходимо создать дополнительные механизмы для надежной доставки сигнальной информации. К таким механизмам относятся повторная передача информации при ее потере, подтверждение приема и др.
Здесь же следует отметить то, что сигнальные сообщения могут переноситься не только протоколом транспортного уровня UDP, но и протоколом TCP. Протокол UDP позволяет быстрее, чем TCP, доставлять сигнальную информацию (даже с учетом повторной передачи неподтвержденных сообщений), а также вести параллельный поиск местоположения пользователей и передавать приглашения к участию в сеансе связи в режиме многоадресной рассылки. В свою очередь, протокол TCP упрощает работу с межсетевыми экранами (firewall), а также гарантирует надежную доставку данных. При использовании протокола TCP разные сообщения, относящиеся к одному вызову, либо могут передаваться по одному TCP-соединению, либо для каждого запроса и ответа на него может открываться отдельное TCP-соединение. На рис. 3.13. показано место, занимаемое протоколом SIP в стеке протоколов TCP/IP.
Рис. 3.13. Место протокола SIP в стеке протоколов TCP/IP
По сети с маршрутизацией пакетов IP может передаваться пользовательская информация практически любого вида: речь, видео и данные, а также любая их комбинация, называемая мультимедийной информацией. При организации связи между терминалами пользователей необходимо известить встречную сторону, какого рода информация может приниматься (передаваться), алгоритм ее кодирования и адрес, на который следует передавать информацию. Таким образом, одним из обязательных условий организации связи при помощи протокола SIP является обмен между сторонами данными об их функциональных возможностях. Для этой цели чаще всего используется протокол описания сеансов связи - SDP (Session Description Protocol). Поскольку в течение сеанса связи может производиться его модификация, предусмотрена передача сообщений SIP с новыми описаниями сеанса средствами SDP.
Для передачи речевой информации комитет IETF предлагает использовать протокол RTP, но сам протокол SIP не исключает возможность применения для этих целей других протоколов.
Протокол SIP предусматривает организацию конференций трех видов:
· при помощи устройства управления конференции (MCU), к которому участники конференции передают информацию в режиме точка-точка, а оно, в свою очередь, обрабатывает ее (т.е. смешивает или коммутирует) и рассылает участникам конференции;
· путем соединения каждого пользователя с каждым в режиме точка-точка.
· Протокол SIP дает возможность присоединения новых участников к уже существующему сеансу связи, т.е. двусторонний сеанс может перейти в конференцию.
· Следует отметить то. что разработаны методы совместной работы этого протокола с преобразователем сетевых адресов - Network Address Translator (NAT).
Адресация протокола SIP
Для организации взаимодействия с существующими приложениями IP-сетей и для обеспечения мобильности пользователей протокол SIP использует адрес, подобный адресу электронной почты. В качестве адресов рабочих станций используются специальные универсальные указатели ресурсов - URL (Universal Resource Locators), так называемые SIP URL.
SIP-адреса бывают четырех типов:
· имя@домен;
· имя@хост,
· имя@IР-адрес;
· №телефона@шлюз.
Таким образом, адрес состоит из двух частей. Первая часть - это имя пользователя, зарегистрированного в домене или на рабочей станции. Если вторая часть адреса идентифицирует какой-либо шлюз, то в первой указывается телефонный номер абонента.
Во второй части адреса указывается имя домена, рабочей станции или шлюза. Для определения IP-адреса устройства необходимо обратиться к службе доменных имен - Domain Name Service (DNS). Если же во второй части SIP-адреса размещается IP-адрес, то с рабочей станцией можно связаться напрямую.
В начале SIP-адреса ставится слово, указывающее, что это именно SIP-адрес, т.к. бывают и другие. Ниже приводятся примеры SIP-адресов:
· sip: [email protected]
· sip: [email protected]
В своей простейшей форме виртуальные частные сети соединяют множество удаленных пользователей или удаленные офисы с сетью предприятия. Схема соединения для связи с отсутствующими служащими или с представительствами компании в других городах и странах очень проста. Удаленный пользователь посылает информацию в точку присутствия местного сервис–провайдера (ISP), затем вызов шифруется, проходит через Интернет и соединяется с сервером предприятия абонента. (рис. 3.14.)
Таким образом, работа VPN основана на формировании туннеля между двумя точками Интернета. Обычно, в самых распространенных случаях, клиентский компьютер устанавливает с провайдером стандартное соединение РРР, после чего подключается через Интернет к центральному узлу. При этом формируется канал VPN, представляющий собой туннель, по которому можно производить обмен данными между двумя конечными узлами. Этот туннель непрозрачен для всех остальных пользователей этого провайдера, включая самого провайдера.
Рис. 3.14. Схема организации VPN
Основным преимуществом VPN перед выделенными каналами обычно называют сохранение денег компании.
4.1. Технико-экономическое обоснование проекта
В Астраханском государственном университете существует IP сеть. Она построена с использованием маршрутизатора Cisco 3845 Series Integrated Services Routers и коммутаторов Cisco Systems серии Catalyst 2950. Использование этого оборудования дает возможность организовать сеть передачи голоса и факсимильных данных по IP протоколу.
В связи с повышением абонентской платы за использование телефонной сети, IP телефония становится более актуальным и выгодным вариантом передачи голоса и факсимильных данных.
Обычные телефонные звонки требуют разветвленной сети связи телефонных станций, связанных закрепленными телефонными линиями, подвода волоконно-оптических кабелей и спутников связи. Высокие затраты телефонных компаний приводят для нас к дорогим междугородным разговорам. Выделенное подключение телефонной станции также имеет много избыточной производительности или времени простоя в течение речевого сеанса.
Интернет-Телефония частично основывается на существующей сети закрепленных телефонных линий. Но главное, она использует самую передовую технологию сжатия наших голосовых сигналов, и полностью использует емкость телефонных линий. Поэтому пакеты данных от разных запросов, и даже различные их типы, могут перемещаться по одной и той же линии в одно и тоже время.
Уменьшение расходов, связанных с перемещением сотрудников. Пользователи могут перемещаться с одного места на другое в пределах компании; для того чтобы начать работу на новом месте, им нужно просто зарегистрироваться в системе, используя IP-телефон Cisco. Далее этому телефону присваиваются настройки пользователя и его телефонный номер.
Первым из экономических факторов является экономия на междугородных и международных телефонных разговорах за счет передачи голосового трафика через глобальные сети передачи данных. В более длительной перспективе серьезными факторами сокращения затрат становятся объединение функций управления всеми соединениями для выхода в глобальные сети, использование Интернет, коммутация локальных и международных телефонных разговоров через единый маршрутизатор/голосовой шлюз.
Экономическим стимулом является сокращение затрат на приобретение и обслуживание оборудования. Технология передачи данных развивается гораздо быстрее, чем индустрия телефонных станций. Жизненный цикл продукта в сетевой индустрии составляет до полутора лет на фоне ежегодного снижения стоимости самого сетевого оборудования. Вероятный эволюционный путь продуктов IP-телефонии не будет отклоняться от пути развития оборудования для передачи данных. Речь идет о постепенном снижении цен, росте функциональности за счет высокоуровневой интеграции продуктов и внедрения технологий следующего поколения. Эти факторы ведут к снижению стоимости владения системами IP-телефонии до значительно более низкого уровня, чем в случае традиционных систем телефонии.
В таблице представлены основные показатели сравнительного анализа базового и внедряемого вариантов. Данные междугородных переговоров были взяты за один месяц и сложены из предоставляемых телефонных услуг компаниями ЮТК и Астел. (Табл. 4.1)
Таблица 4.1.
Сводная таблица цен необходимого оборудования для данного проекта
Таблица 4.2.
Основные показатели сравнительного анализа вариантов
Процесс внедрения состоит из следующих шагов:
Установка программного обеспечения Cisco CallManager на маршртизатор Cisco 3845 и настройка данной программы для обеспечения маршрутизации голосовой информации между номерами абонентов.
Так как основа (IP сеть) для IP телефонии существует и хорошо организована, это позволит снизить затраты на приобретение дорогостоящего оборудования и привлечения специалистов для настройки оборудования.
Таким образом, реализация данного проекта позволит значительно уменьшить затраты рабочего времени на организационные вопросы а, следовательно, повысить производительность труда и экономическую эффективность проводимых работ (табл. 4.2).
Таблица 4.3.
Исходные данные для расчета
Совокупность капитальных вложений в проект рассчитывается по формуле 4.1:
К = Коб + Кпр (4.1)
К – капитальные затраты;
Коб – стоимость устанавливаемого оборудования;
Кпр – стоимость приобретаемых программных продуктов.
Таблица 4.4
Сводная таблица капитальных и эксплуатационных затрат
Формула совокупных расходов может быть представлена формулой 4.2:
Зп = З + А + Спо + Соб (4.2)
Зп – заработная плата персонала, занятого обслуживанием программного или технического средства, с отчислениями на социальные нужды;
А – расходы на амортизацию оборудования (аппаратных средств), программного обеспечения;
З - зарплата обслуживающего персонала;
Спо – стоимость программного обеспечения;
Соб – стоимость оборудования.
Зп = 82560 + 5695,97 + 860 + 18600 = 107715,97
Так как сотрудники занимаются выполнением поставленной задачи ежемесячно в равных объемах планируемого времени, то годовая заработная плата работника рассчитывается по формуле 4.3:
ЗПг = ЗПм * 12 (4.3)
ЗПмес = 5695,97 руб
Амортизация (А) составляет 12.5 % от балансовой стоимости технических средств (формула 4.4). В университете балансовая стоимость средств составляет 82560 руб. Таким образом, амортизация за месяц составляет: А = 860 руб.
А = К об *12% (4.4)
Так как университет является некоммерческой организацией и для него достаточно проблематичен подсчет прибыли от его деятельности, для расчета экономической эффективности будет использоваться снижение стоимости междугородних переговоров.
За счет внедрения IP телефонии упрощается администрирование маршрутизации звонков (табл. 4.5.)
Таблица 4.5
Потенциальный эффект применения проекта
| Сфера воздействия | Дает возможность совершать междугородние и международные телефонные звонки с телефонов ЦАТС АГУ и с IP телефонов ЛВС АГУ |
| управление | Уменьшение издержек на междугородние и международные переговоры Усиление контроля за переговорами Простота настройки маршрутизации звонков |
| Информационная система | Совершенствование структуры потоков информации Со временем замена телефонной сети, что приводит к уменьшению морального устарения технологии и оборудования Обмену информации посредством сети. |
Для определения годового экономического эффекта, достигнутого за счет внедрения проекта рассчитаем стоимость сэкономленных ресурсов (формула 4.5):
E =Пб - Пп (4.5)
Е - экономический эффект;
Пб – затраты на телефонные переговоры базового варианта;
Пп – затраты на телефонные переговоры проектируемого варианта
Е = 45699,87 - 10820,76 = 34879,11 руб
Срок окупаемости данного проекта равен:
107715,97/34879,11 = 3,09 округляем в большую сторону 4 месяца или 1/3 года
Проведенный анализ экономического и социального эффекта от внедрения данного проекта показывает, что его применение достаточно эффективно. Оплата за междугородние и международные переговоры уменьшается в 3,44 раза, что в абсолютном выражении позволяет экономить в среднем 34879,11 руб. в месяц. При использовании данного проекта экономический эффект достигается за счет низких тарифов междугородних и международных звонков, использования уже существующей IP сети и коммутационного оборудования.
По мере перехода к комплексной автоматизации производства возрастает роль человека как субъекта труда и управления. Человек несет ответственность за эффективную работу всей технической системы и допущенная им ошибка может привести в некоторых случаях к очень тяжелым последствиям.
Эргономика занимается комплексным изучением и проектированием трудовой деятельности с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда, а также профессионального мастерства.
Ее предметом является трудовая деятельность, а объектом исследования - системы "человек - орудие труда - предмет труда - производственная среда".
Эргономика относится к тем наукам, которые можно различать по предмету и специфическому сочетанию методов, применяемых в них. Она в значительной мере использует методы исследований, сложившиеся в психологии, физиологии и гигиене труда. Проблема состоит в координации различных методических приемов при решении той или иной эргономической задачи, в последующем обобщении и синтезировании полученных с их помощью результатов. В ряде случаев этот процесс приводит к созданию новых методов исследований в эргономике, отличных от методов тех дисциплин, на которые она возникла.
Эргономический подход к изучению трудовой деятельности не дублирует исследований, проводимых в сфере психологии, физиологии и гигиены труда, но опирается на них и дополняет их.
Комплексный подход, характерный для эргономики, позволяет получить всестороннее представление о трудовом процессе и тем самым открывает широкие возможности его совершенствования. Именно эта сторона эргономических исследований представляет особую ценность для научной организации труда, при которой практическому внедрению конкретных мероприятий предшествует тщательный научный анализ трудовых процессов и условий их выполнения, а сами практические меры базируются на достижения современной науки и передовой практики.
Внедрение результатов эргономических исследований в практику дает ощутимый социально-экономический эффект. Как отечественный, так и зарубежный опыт внедрения эргономических требований свидетельствует о том, что приводит к существенному повышению производительности труда. При этом грамотный учет человеческого фактора представляет собой не разовый источник повышения, а постоянный резерв увеличения эффективности общественного производства
Эксплуатация должна проходить в помещении с ВДТ и ПЭВМ. Для обеспечения оптимальных параметров микроклимата необходимо чтобы температура в помещении была в пределах 18-22 градусов по Цельсию, относительная влажность была не менее 31-39 % и скорость движения воздуха не более 0,1 м/c.
Для повышения влажности воздуха в помещениях с ВДТ и ПЭВМ следует применять увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной питьевой водой. Помещения с ВДТ и ПЭВМ периодически должны быть проветрены, что обеспечивает улучшение качественного состава воздуха, в том числе и аэроионный режим. Уровни положительных и отрицательных аэроионов в воздухе помещений с ВДТ и ПЭВМ должны соответствовать нормам: при оптимальном уровне это должно составлять n+: 1500-3000 и n-: 300-5000 число ионов в 1 см. куб. воздуха. Помещения с ВДТ и ПЭВМ должны оборудоваться системами отопления, кондиционирования воздуха или эффективной приточно-вытяжной вентиляции. Расчет воздухообмена следует проводить по теплоизбытку от машин, людей, солнечной радиации и искусственного освещения.
Поверхность пола в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ должна быть ровной, без выбоин, нескользкой, удобной для очистки и влажной уборки, обладать антистатическими свойствами, нежелательно использование ковровых покрытий.
При выполнении основной работы на ВДТ и ПЭВМ в помещении уровень шума на рабочем месте не должен превышать 50 дБА, вибрация на рабочем месте не должна превышать допустимых норм вибрации. Снизить уровень шума в помещении с ВДТ и ПЭВМ можно использованием звукопоглощающих материалов с максимальными коэффициентами звукопоглощения в области частот 63 - 8000 Гц для отделки помещений (разрешенных органами и учреждениями Госсанэпиднадзора России), подтвержденных специальными акустическими расчетами. Дополнительным звукопоглощением служат однотонные занавеси из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен и подвешенные в складку на расстоянии 15 - 20 см от ограждения. Ширина занавеси должна быть в 2 раза больше ширины окна.
Искусственное освещение в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения. Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300 - 500 лк. Допускается установка светильников местного освещения для подсветки документов. Местное освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана и увеличивать освещенность экрана более 300 лк.
Следует ограничивать прямую блесткость от источников освещения, при этом яркость светящихся поверхностей (окна, светильники и др.), находящихся в поле зрения, должна быть не более 200 кд/кв. м. Следует ограничивать отраженную блесткость на рабочих поверхностях (экран, стол, клавиатура и др.) за счет правильного выбора типов светильников и расположения рабочих мест по отношению к источникам естественного и искусственного освещения, при этом яркость бликов на экране ВДТ и ПЭВМ не должна превышать 40 кд/кв. м и яркость потолка при применении системы отраженного освещения не должна превышать 200 кд/кв. м. Показатель ослепленности для источников общего искусственного освещения в помещениях для работы с ВДТ и ПЭВМ - не более 25. Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя ВДТ и ПЭВМ, при этом соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1 - 5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования - 10: 1. В качестве источников света при искусственном освещении должны применяться преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ. Допускается применение ламп накаливания в светильниках местного освещения.
Общее освещение следует выполнять в виде сплошных или прерывистых линий светильников, расположенных сбоку от рабочих мест, параллельно линии зрения пользователя при рядном расположении ВДТ и ПЭВМ. Применение светильников без рассеивателей и экранирующих решеток не допускается. Яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения от 50 до 90 градусов с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 кд/кв. м, защитный угол светильников должен быть не менее 40 градусов. Светильники местного освещения должны иметь непросвечивающий отражатель с защитным углом не менее 40 градусов. Для обеспечения нормируемых значений освещенности в помещениях использования ВДТ и ПЭВМ следует проводить чистку стекол оконных рам и светильников не реже двух раз в год и проводить своевременную замену перегоревших ламп.
Рабочие места с ВДТ и ПЭВМ по отношению к световым проемам должны располагаться так, чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно слева (рис. 5.1.).
Рис. 5.1. Расположение компьютеров относительно светопроемов
Оконные проемы в помещениях использования ВДТ и ПЭВМ должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др. Кроме того, работающим должно соблюдаться оптимальное расстояние до монитора 600 - 700 мм, необходимо поддерживать правильный режим работы: делать перерывы, заниматься гимнастикой для глаз.
Режимы труда и отдыха при работе с ПЭВМ и ВДТ должны организовываться в зависимости от вида и категории трудовой деятельности.
Виды трудовой деятельности разделяются на 3 группы:
группа А - работа по считыванию информации с экрана ВДТ или ПЭВМ с предварительным запросом;
группа Б - работа по вводу информации;
группа В - творческая работа в режиме диалога с ЭВМ.
При выполнении в течение рабочей смены работ, относящихся к разным видам трудовой деятельности, за основную работу с ПЭВМ и ВДТ следует принимать такую, которая занимает не менее 50% времени в течение рабочей смены или рабочего дня.
Для видов трудовой деятельности устанавливается 3 категории тяжести и напряженности работы с ВДТ и ПЭВМ (приложение №15) СанПиН 2.2.2./2.4 1340-03 .
Для персонала, обслуживающего рабочий процесс в помещениях с ВДТ и ПЭВМ, продолжительность работы не должна превышать 6 часов в день.
Для обеспечения оптимальной работоспособности и сохранения здоровья профессиональных пользователей, на протяжении рабочей смены должны устанавливаться регламентированные перерывы.
Время регламентированных перерывов в течение рабочей смены следует устанавливать в зависимости от ее продолжительности, вида и категории трудовой деятельности.
Продолжительность непрерывной работы с ВДТ без регламентированного перерыва не должна превышать 2 часов.
Во время регламентированных перерывов с целью снижения нервно-эмоционального напряжения, утомления зрительного анализатора, устранения влияния гиподинамии и гипокинезии, предотвращения развития познотонического утомления целесообразно выполнять комплексы упражнений.
С целью уменьшения отрицательного влияния монотонии целесообразно применять чередование операций осмысленного текста и числовых данных (изменение содержания работ), чередование редактирования текстов и ввода данных (изменение содержания работы).
В случаях возникновения у работающих с ВДТ и ПЭВМ зрительного дискомфорта и других неблагоприятных субъективных ощущений, несмотря на соблюдение санитарно-гигиенических, эргономических требований, режимов труда и отдыха следует применять индивидуальный подход в ограничении времени работ с ВДТ и ПЭВМ коррекцию длительности перерывов для отдыха или проводить смену деятельности на другую, не связанную с использованием ВДТ и ПЭВМ.
Работающим на ВДТ и ПЭВМ с высоким уровнем напряженности во время регламентированных перерывов и в конце рабочего дня показана психологическая разгрузка в специально оборудованных помещениях (комната психологической разгрузки).
Конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей (размер ВДТ и ПЭВМ, клавиатуры, пюпитра и др.), характера выполняемой работы. При этом допускается использование рабочих столов различных конструкций. Конструкция рабочего стула должна обеспечивать поддержание рациональной рабочей позы при работе на ВДТ и ПЭВМ, позволять изменять позу с целью снижения статического напряжения мышц шейно - плечевой области и спины для предупреждения развития утомления. Тип рабочего стула должен выбираться в зависимости от характера и продолжительности работы с ВДТ и ПЭВМ с учетом роста пользователя. Поверхность сиденья, спинки и других элементов стула (кресла) должна быть полумягкой, с нескользящим, неэлектризующимся и воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающим легкую очистку от загрязнения.
Экран монитора должен находиться от глаз пользователя на оптимальном расстоянии 600 - 700 мм, но не ближе 500 мм с учетом размеров алфавитно - цифровых знаков и символов. Рекомендуется держать монитор на расстоянии вытянутой руки. Рабочий стол должен иметь пространство для ног высотой не менее 600 мм, шириной - не менее 500 мм, глубиной на уровне колен - не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног - не менее 650 мм (рис. 5.2 и 5.3.).
Рис. 5.2. Правильная и неправильная позы за компьютером
Рис. 5.3. Правильная позиция за компьютером
Неправильное положение рук при печати на клавиатуре приводит к хроническим растяжениям кисти. Важно не столько отодвинуть клавиатуру от края стола и опереть кисти о специальную площадку, сколько держать локти параллельно поверхности стола и под прямым углом к плечу. Клавиатура должна располагаться в 10-15 см (в зависимости от длины локтя) от края стола. В этом случае нагрузка приходится не на кисть, в которой вены и сухожилия находятся близко к поверхности кожи, а на более "мясистую" часть локтя. Также необходимо соблюдать оптимальный режим работы (рис. 5.4.)
Рис. 5.4. Положение запястья и кисти при работе на клавиатуре
Для снижения влияния электромагнитного излучения необходимо то, что схемы размещения рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ должны учитывать расстояния между рабочими столами с видеомониторами (в направлении тыла поверхности одного видеомонитора и экрана другого видеомонитора), которое должно быть не менее 2,0 м, а расстояние между боковыми поверхностями видеомониторов - не менее 1,2 м. (рис.5.5.) Также учитывается режим работы и расположение ЭВМ относительно друг друга. Расположение ЭВМ в помещении должно соответствовать Санитарным нормам, т.е. необходимо располагать ЭВМ к стене задней частью. Напряженность электромагнитного поля на расстоянии 50 см. Вокруг ВДТ по электрической составляющей должна быть не более: в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц около 25В/м. Плотность магнитного потока должна быть в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц не более 250 нТл. Поверхностный электростатический потенциал не должен превышать 500 В.
Рис. 5.5. Расположение компьютеров в помещении относительно друг друга
Необходимо использовать технику, прошедшую сертификацию и соответствующую стандартам защиты от воздействия электрических и магнитных полей таким как ТСО-92, ТСО-95, ТСО-99, ТСО-2003; минимально допустимой частотой обновления изображения на экране монитора является частота 75 Гц при разрешении экрана в 800*600 пикселей (или 640*480 пикселей). Также нужно соблюдать оптимальное расстояние до ЭВМ (рис. 4.5.).
Помещения, где применяются ЭВМ, относятся к помещениям с повышенной опасностью, так как в помещении имеется возможность поражения электрическим током.
Опасность возникает тогда, когда одновременно человек прикасается к заземленным металлоконструкциям, с одной стороны и металлическим корпусам электрооборудования, с другой.
Для обеспечения электробезопасности применяется защитное заземление, которое подключается к ЭВМ. Так как бытовая электрическая сеть с напряжением 1000 В, то защитное заземление применяется в трехфазных сетях переменного тока с изолированной нетралью.
Защитное заземление используется для того, чтобы не возникало разности потенциалов между компьютером м периферийными устройствами, раздельно подключенными к электросети, а также между двумя соседними персональными компьютерами. Что особенно важно в случае работы в помещении достаточно большого количества пользователей.
Необходимо принять меры к предотвращению доступа пользователей к частям компьютера, находящихся под опасным напряжением, защитным корпусом. Необходим контроль за состоянием изоляции. Работу по ремонту компьютера следует производить только лицам, имеющим соответствующую подготовку и прошедшим инструктаж по технике безопасности.
Помещения с ПЭВМ относятся к помещениям с пожароопасностью категории В. В этих помещениях очень высокая плотность размещения электропотребляющей техники. В непосредственной близости друг от друга располагаются соединительные провода и коммуникационные кабели. При протекании по ним электрического тока может выделяться значительное количество теплоты, что может привести к повышению температуры до 90-1200С. При этом возможно оплавление изоляции соединительных проводов, их оголение и, как следствие, короткое замыкание, которое сопровождается искрением, ведет к быстрому нагреву и перегрузкам электрических сетей. Это может вызвать загорание близлежащих легковоспламеняющихся веществ.
В целях обеспечения пожарной безопасности локальные компьютерные сети и электропроводка изготовлены из плохо воспламеняющихся проводов. Проводка осуществлена по несгораемым конструкциям и защищена сверху стальной трубой. В качестве первичных средств пожаротушения в помещении имеется огнетушитель. Регулярная техническая профилактика включает в себя осмотр проводки. Ведется журнал по технике безопасности, проводится инструктаж перед началом работы с ПЭВМ. Помещение оборудовано пожарной сигнализацией из расчета 1 на 15м2. Планировка рабочих мест продумана таким образом, что бы обеспечить легкий доступ пользователей к своим рабочим местам и предотвратить возможность опрокидывания мониторов и другого оборудования при эвакуации, а также исключить возможность травматизма и несчастных случаев при эксплуатации.
Вывод
Благодаря описанию в данном разделе мероприятий по безопасности труда, эффективность внедрения результатов данного проекта будет выше.
За время дипломного проектирования была проведена следующая работа :
· Изучена локальная вычислительная сеть АГУ.
· Проанализирован рынок IP телефонии. Выбраны устройства необходимые для организации IP телефонии.
· Исходя из критериев цены и качества предоставляемых услуг IP телефонии был выбран оператор SIPNET.
· Изучены варианты соединения и настройки ЦАТС с маршрутизатором Cisco 3845.
· Разработана структурная схема организации IP телефонии.
· Разработана структурная схема подключения маршрутизатора Cisco 3845 к цифровой АТС ТОС 120.
Для внедрения данного проекта необходимо приобрести:
· Модуль с портом E1 для подключения цифровой АТС к маршрутизатору Cisco 3845.
· Cisco Call Manager программное обеспечение для настройки IP телефонии.
· IP телефоны
При изучении проекта были выделены основные характеристики экономического обоснования внедрения данного проекта:
· Экономия на междугородных и международных телефонных разговорах.
· Получается за счет передачи телефонных разговоров через глобальные сети передачи данных, где нет жестко регулируемых телекоммуникационными компаниями тарифов. В более длительной перспективе серьезными факторами сокращения затрат становятся консолидация управления всеми соединениями для выхода в глобальные сети, коммутация всех телефонных разговоров через единый голосовой шлюз.
· Быстрая окупаемость капитальных затрат. Это связано, прежде всего, с постепенным снижением цены на оборудование для IP-телефонии и с появлением программного обеспечения, которое значительно дешевле, чем аналогичное ПО для обычных телефонных станций.
· Сокращение затрат на администрирование. Теперь вместо двух сетей данных используется только одна, соответственно сокращается количество персонала, занимающегося обслуживанием ИТ - инфраструктуры. Более того, обучение персонала служб автоматизации не потребует значительных ресурсов, так как при управлении IP-телефонной станцией используется то же программное обеспечение для удаленного администрирования из окна Web-браузера, что и при управлении другими сетевыми устройствами. Сотрудники информационных служб хорошо знакомы с этим ПО, в отличие от ПО для управления существующими цифровыми АТС.
· Объединение голосовой связи с программными приложениями для ПК. Internet, являющийся публичной IP-сетью, обеспечит пользователей одновременным доступом к информации и голосовым службам, основанным на системах IP-телефонии. Дополнительные функции, которые возникли в инфраструктуре обычной телефонии, например голосовая почта, автоматическая справочная, интерактивный автоответчик, станут программными приложениями и будут взаимодействовать с обычными приложениями для хранения и обработки данных. Это снизит затраты на внедрение и одновременно обеспечит новые важные функциональные возможности, возникшие за счет интеграции.
Итература
1. Бакланов И.Г. ISDN и IP-телефония / Вестник связи, 1999, №4.
2. Брау Д. Грядет год стандарта Н.323? / Сети и системы связи, №14.
3. Варакин Л. Телекоммуникационный феномен России / Вестник связи International, 1999, №4.
4. Варламова Е. IP-телефония в России / Connect. Мир связи, 1999, №9.
5. Вендров А.М. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. – М.: Финансы и статистика, 1998. – 176 с.
6. Вендров А.М. Практикум по проектированию программного обеспечения экономических информационных систем: Учеб. пособие. - М.: Финансы и статистика, 2002. - 192 с.: ил.
7. Габбасов Ю.Ф. Internet 2000. – СПб.: БХВ – Санкт – Петербург, 2000.
8. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. Том 1. М.: Радио и связь, 1998.
9. Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М., Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети. М.: Радио и связь, 2000.
10. Евсюков К.Н., Колин К.К. Основы проектирования информационно- вычислительных систем. - М.: Статистика, 1977.
11. Информационная технология. Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы: (Сборник): ГОСТ 34.003 - 90, РД 50 - 680 - 88, РД 50 - 682 - 89, ГОСТ 34. 201 - 89 - ГОСТ 34.602.89 – М.: Изд-во стандартов, 1992. - 150 с.
12. Кон А.И. Секреты Internet. изд. Ростов н/Д: «Феникс», 2000.
13. Кузнецов А.Е., ПинчукА. В., Суховицкий А.Л. Построение сетей IP- телефонии / Компьютерная телефония, 2000, №6.
14. Кузнецов С.Д. Проектирование и разработка корпоративных информационных систем. Центр информационных технологий. М.: МГУ, 1998 – http://www.citforum.ru/cfin/prcorpsys/
15. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Изд. «Питер», 1999.
16. Лазуткина Е.А. Методические указания по выполнению курсового проекта. Астрахань: АГУ, 2006 - http://www.ido.aspu.ru
17. Леонтьев В.П. Персональный компьютер: универсальный справочник пользователя. М.: 2000
18. Ломакин Д. Технические решения IP-телефонии / Мобильные системы, 1999 №8.
19. Могилев А.В. Пак Н.И. Хеннер Е.К. Информатика. М.: изд. «Академия», 2001
20. Мюнх Б., Скворцова С. Сигнализация в сетях IP-телефонии. - Часть I, II/Сети и системы связи, 1999. - №13(47), 14(48).
21. Силич В.А. Содержательные модели систем и их использование при проектировании АСУ. - Томск: Изд-во ТГУ, 1984. – 115 с.
22. Симонович С. Евсеев Г. Новейший самоучитель по работе в Internet. М.: изд. «ДЕСС КОМ», 2000.
23. Стиф Мак-Квери, Келли Мак-Грю, Стефан Фой. Передача голосовых данных по сетям Cisco Frame Realy, ATM и IP М. Издательский дом “Вильямс”, 2002 – 506с.
24. Тиори Т., Фрей Дж. Проектирование структур баз данных. В двух книгах. М.: Мир, 1985
25. Уиллис Д. Интеграция речи и данных. В начале долгого пути./Сети и системы связи, 1999.-№16.
26. Фигурнов В. Э. IBMPC для пользователя. Краткий курс. – М.: ИНФРА – М, 1999.
27. Шафрин Ю.А. Информационные технологии. М.: изд. ЛБЗ, 2001
28. Шнепс-Шнеппе М.А. Интеллектуальные услуги - это ДВО / Информ - курьер-связь, 2000 - №9.
За последние годы было предложено несколько решений по созданию универсальной инфраструктуры для передачи разнородного трафика. В условиях повышенных требований к качеству сервиса и ширине полосы пропускания необходимы сети с услугами высокого качества и повышенной скоростью передачи.
IP играет ключевую роль в обеспечении гибкости обслуживания. Для того чтобы увеличить общую рентабельность сети, поставщики должны предоставить услуги, основанные на IP или способные «понимать» IP, так как большинство приложений, требующих предоставления услуг глобальных сетей, использует IP. А поскольку потребители продолжают требовать от своих поставщиков предоставления дополнительных функциональных возможностей, поставщики должны постоянно искать все новые и новые услуги, которые смогут дополнить и усилить приложения потребителей. Можно с уверенностью говорить о том, что эти услуги должны быть основаны на IP.
IP становится стандартным протоколом для корпоративных, intranet- и extranet-сетей. В 80-е годы территориально-распределенные корпоративные сети строились на основе выделенных каналов E1/T1. Для уплотнения каналов применялись мультиплексоры, используемые для интеграции голоса и данных в сетях общего пользования и в частных сетях. В то же время принципы построения телефонных сетей кардинально не менялись. В таких сетях телефонные соединения устанавливаются по предопределенным маршрутам (основным и альтернативным) и «страдают» множеством ограничений: высокая стоимость поддержания большого количества маршрутных таблиц каждой УАТС (PBX) и их реконфигурации при изменении телефонных потоков, неэффективное использование полосы пропускания, ухудшение качества речи при применении механизмов сжатия в сетях с множеством АТС и другие.
В последние годы были разработаны устройства, обеспечивающие передачу голоса по сетям, изначально нацеленным на передачу данных, таким как Frame Relay и IP-сети. Движущей силой при этом является стремление сократить расходы на использование арендуемых линий связи и повысить эффективность применения выделенных корпоративных коммуникаций.
Новый стимул развитию телефонных сетей дало появление технологии передачи голоса по АТМ-сетям, которая предусматривает возможность подключения АТС к АТМ-коммутаторам, способным обрабатывать как потоки данных, так и телефонные сигналы.
В данной статье описываются:
- технологии передачи голоса и данных по IP-сетям;
- проблемы построения интегрированных сетей;
- механизмы, обеспечивающие повышение эффективности полосы пропускания и гибкости управления потоками (компрессии, подавления пауз речи);
- оборудование ведущих производителей.
Что такое IP-телефония
Телефонная связь по IP - сравнительно молодая служба, использующая, как правило, управляемую IP-сеть для передачи телефонного трафика.
В течение следующих пяти лет ожидаются феноменальные темпы роста рынка услуг VoIP (голос поверх IP). Согласно данным Killen & Associates, в компаниях, входящих в список Fortune 1000, по IP-сетям сейчас проходит менее 1% голосового трафика; к 2002 году эта доля должна достигнуть 18%, а к 2005-му - 33%.
Пользователей и поставщиков услуг привлекают экономические выгоды применения IP для передачи телефонного трафика, проведения конференц-связи с одновременным обменом информацией, IP-центры обслуживания звонков, прозрачная маршрутизация запросов пользователей.
Сравнение качества стандартной телефонной связи по сетям общего пользования с первым поколением устройств VoIP оказывается не в пользу последних, в первую очередь из-за низкой надежности и невысокого качества обслуживания. Однако появление сложных современных приложений и устройств - высокопроизводительных коммутаторов и маршрутизаторов, использующих развитые механизмы управления качеством обслуживания (QoS) процессоров цифровых сигналов (DSP), - устраняет многие проблемы VoIP-систем второго поколения.
Под IP-телефонией понимается технология использования IP- сети (Internet или любой другой) в качестве средства организации и ведения телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени. IP-телефония является одним из наиболее сложных приложений компьютерной телефонии.
В общих чертах передача голоса в IP-сети происходит следующим образом. Входящий звонок и сигнальная информация из телефонной сети передаются на пограничное сетевое устройство, называемое телефонным шлюзом, и обрабатываются специальной картой устройства голосового обслуживания. Шлюз, используя управляющие протоколы семейства H.323, перенаправляет сигнальную информацию другому шлюзу, находящемуся на приемной стороне IP-сети. Приемный шлюз обеспечивает передачу сигнальной информации на приемное телефонное оборудование согласно плану номеров, гарантируя сквозное соединение. После установления соединения голос на входном сетевом устройстве оцифровывается (если он не был цифровым), кодируется в соответствии со стандартными алгоритмами ITU, такими как G.711 или G.729, сжимается, инкапсулируется в пакеты и отправляется по назначению на удаленное устройство с использованием стека протоколов TCP/IP.
Таким образом, используя IP-сеть, можно обмениваться цифровой информацией для пересылки голосовых или факсимильных сообщений между двумя компьютерами в режиме реального времени. Применение Internet позволит реализовать данную службу в глобальном масштабе.
Основными проблемами построения IP-сети для передачи телефонного трафика являются механизмы управления задержками и поддержание достаточной ширины полосы пропускания. Кроме того, важны способы установления тарифов на услуги и выставления счета за их использование, а также варианты оплаты в IP-сети дополнительных услуг, таких как переадресация вызова, определение номера абонента, маршрутизация в зависимости от времени суток и др.
Немаловажной является проблема оценки прибыльности новой технологии. Действительно ли объединение средств связи на базе IP-сетей сулит значительную экономию? Ответ на этот вопрос можно получить только при комплексном рассмотрении проблемы. Возможно, все обстоит именно так. Если стоимость передачи информации по сети составляет лишь 15-20% от всех затрат на поддержку сетевой инфраструктуры, то 70-процентная экономия сетевых расходов может показаться не столь привлекательной по сравнению с объемом работы, который необходимо будет проделать для перевода всех функций на универсальную основу, а также по сравнению с количеством затрачиваемых средств на создание универсальной инфраструктуры и возможностью использования имеющегося оборудования.
И это лишь малая часть всех проблем, связанных с внедрением универсальных линий связи. Поэтому, как правило, предложение поставщиками услуг интегрированных сетей начинается с создания небольших специализированных сетей, на которых происходит обкатка интеграционных технологий, поиск ответов на вопросы, возникающие при объединении различных видов связи. Однако уже сейчас можно говорить о реальности построения интегрированной инфраструктуры.
Общий подход к построению IP-сети для передачи телефонного трафика
- «компьютер - компьютер»
Данный вариант не является примером IP-телефонии, так как голос передается только по сети передачи данных, без выхода в телефонную сеть. Для организации передачи трафика пользователь приобретает необходимое оборудование и программное обеспечение, а также платит провайдеру за эксплуатацию канала связи. Достоинство этого варианта заключается в максимальной экономии средств. Недостаток - минимальное качество связи.
- «телефон - телефон»
Для организации такой связи необходимо наличие определенных сетевых устройств и механизмов взаимодействия. Голосовой трафик передается через IP-сеть, как правило, на отдельном дорогостоящем участке. Устройствами, организующими взаимодействие, являются шлюзы, состыкованные, с одной стороны, с телефонной сетью общего пользования, а с другой - с IP-сетью. Голосовая связь в таком режиме, по сравнению с вариантом «компьютер - компьютер», стоит дороже, однако качество ее значительно выше и пользоваться ею удобнее. Для того чтобы воспользоваться этой услугой, надо позвонить провайдеру, обслуживающему шлюз, ввести с телефонного аппарата код и номер вызываемого абонента и разговаривать так же, как при обычной телефонной связи. Все необходимые операции по маршрутизации вызова выполнит шлюз.
- «компьютер - телефон»
Здесь открывается больше возможностей использования для корпоративных пользователей, так как чаще всего применяется корпоративная сеть, обслуживающая вызовы от компьютеров до шлюза, которые уже затем передаются по телефонной сети общего пользования. Корпоративные решения с использованием связи «компьютер - телефон» могут помочь сэкономить деньги, а необходимое для этого оборудование будет рассмотрено ниже.
Итак, очевидно, что для построения сети IP-телефонии необходимы два основных элемента (рис. 1).
Первый - шлюз (gateway), обеспечивающий функции преобразования между пакетно-коммутируемой IP-сетью и телефонной сетью общего пользования, аналого-цифровое преобразование, управление форматами передачи и процедурами VoIP-вызовов. Возможно использование множества шлюзов в сети.
Второй основной элемент - устройство управления (gatekeeper), обеспечивающее ряд функций по управлению доступом в IP-сеть и из IP-сети, шириной полосы пропускания и адресацией. Кроме того, устройство управления осуществляет контроль всех шлюзов и терминалов, исполняет функции службы каталогов, контролирует счета пользователей.
Шлюз может поставляться в виде отдельного сетевого устройства или устанавливаться на персональном компьютере. При использовании шлюза VoIP-функция прозрачна для пользователя, использующего обычный телефон или факсимильный аппарат. Рассмотрим более подробно основные функции шлюза при передаче голоса через IP-сеть.
1. Функция поиска. Когда исходящий IP-шлюз размещает телефонный вызов через IP-сеть, он принимает номер вызывающего абонента и конвертирует его в IP-адрес шлюза назначения, исходя или из таблицы в исходящем шлюзе, или из данных централизованного сервера. Просмотр таблицы в исходящем шлюзе часто требует меньше времени, чем в централизованном сервере, и сокращает время соединения с 4-5 секунд до 1-2 секунд.
2. Функция связи. Исходящий шлюз устанавливает соединение со шлюзом назначения, обмениваясь информацией о параметрах соединения и совместимости устройств.
3. Оцифровка. Аналоговые сигналы телефонной связи оцифровываются шлюзом и преобразуются обычно в 64 Kбит/c ИКМ (импульсно-кодовая модуляция)-сигнал. Эта функция требует от шлюза поддержки разнообразных интерфейсов аналоговой телефонной связи.
Во многих случаях требуется также поддержка цифровой сети с интеграцией служб и интерфейсов T1/E1. Цифровая сеть с интеграцией служб и интерфейсы T1/E1 работают в формате ИКМ, так что аналого-цифровое преобразование в этом случае не требуется. Цифровая сеть с интеграцией служб BRI имеет один или два ИКМ-канала, T1 - до 24 каналов ИКМ и E1 - до 30 ИКМ-каналов. Цифровая сеть с интеграцией служб PRI может иметь до 24 или 30 каналов ИКМ.
4. Демодуляция. Поскольку некоторые шлюзы могут принимать только голосовой или только факсимильный сигнал, должны быть заранее определены магистральные каналы к модулям обработки голоса или факса. Более сложные шлюзы могут обрабатывать данные обоих типов, автоматически определяя, является ли цифровой сигнал звуковым или факсимильным, и производя обработку сигнала в зависимости от его типа. Факсимильный сигнал демодулируется сигнальным процессором (DSP) обратно в цифровой формат 2,4-14,4 Kбит/c, то есть в первоначальное представление до выдачи из факс-аппарата (факс-аппарат представляет выходной сигнал в аналоговом виде). Этот демодулированный сигнал затем помещается в IP-пакеты для передачи шлюзу назначения (рис. 2).
Демодулированная информация затем снова преобразуется шлюзом назначения в аналоговый факс-сигнал для доставки факс-аппарату.
Передача факса может быть осуществлена с использованием UDP/IP- или TCP/IP-протоколов. UDP/IP, в отличие от TCP/IP, не требует исправления ошибок, возникающих при передаче пакетов.
5. Компрессия. После того как определено, что сигнал является голосовым, он обычно сжимается сигнальным процессором с использованием одного из методов компрессии/декомпрессии (КОДЕК) (табл. 1) и помещается в IP-пакеты. При этом важно обеспечить хорошее качество речи и низкую задержку при оцифровывании сигнала.
Таблица 1. Методы компрессии (сжатия) речи
| Метод компрессии | Сложность | Качество | Задержка |
|---|---|---|---|
| G.726, G.727, ADPCM 40, 32, 24 Кбит/с | низкая (8 MIPS) | хорошее (40К), плохое (16К) | очень низкая (10-17 мс) |
| G.729 CS-ACELP 8 Кбит/с | высокая (30 MIPS) | хорошее | низкая |
| G.729A CA-ACELP 8 Кбит/с | умеренная | среднее | низкая |
| G.723.1 MP-MLQ 6,4/5,3 Кбит/с | умеренно высокая (20 MIPS) | хорошее (6,4), среднее (5,3) | высокая |
| G.728 LD-CELP 16 Кбит/с | очень высокая (40 MIPS) | хорошее | низкая |
Звуковой пакет передается как пакет UDP/IP, а не TCP/ IP для избежания довольно больших задержек, возникающих при повторной передаче TCP/IP-пакетов. Если используется режим FEC (непосредственное исправление ошибок), то искаженный или отсутствующий звуковой пакет может быть восстановлен на основе данных предыдущего звукового пакета. Если механизм FEC не применяется, то искаженный пакет просто отвергается и шлюз использует предыдущий хороший пакет. Этот механизм работает незаметно для пользователя в случае низкого процента искажения/потерь пакетов (< 5%).
Данные, оцифровываемые КОДЕКом, не содержат адрес IP-пакета и управляющую информацию («заголовок») (рис. 3), которые обычно составляют дополнительные 7 Кбит/с, если IP-маршрутизатор отдельно не компрессирует заголовок, в противном случае - 2-3 Кбит/с.
Сложность реализации КОДЕКа определяет мощность требуемого сигнального процессора, измеряемую в миллионах операций в секунду (MIPS), для обработки голосового сигнала, исключая функции компенсации эхо-сигнала и подавления молчания.
6. Декомпрессия/демодуляция. Шлюз, исполняя шаги 1-4, описанные выше, в то же самое время принимает пакеты от других IP-шлюзов и декомпрессирует пакеты в форму, понятную соответствующим устройствам аналоговой телефонной связи, цифровой сети с интеграцией служб или с интерфейсами T1/E1. Шлюз также осуществляет демодуляцию цифрового факсимильного сигнала в первоначальную форму, а затем в соответствующий интерфейс телефонной связи.
Кроме того, шлюз может выполнять функции согласования интерфейсов инициатора звонка и принимающего вызов.
Качество IP-речи
Для обеспечения высокого качества речи VoIP-шлюз должен использовать кодек с хорошим качеством речи и низкой задержкой. Кроме того, имеется несколько дополнительных технологий, необходимых для того, чтобы гарантировать хорошее качество речи: две из них - система приоритетов пакетов и компенсация эха. Компенсация эха - функция сигнального процессора, система приоритетов пакета - функция маршрутизатора и шлюза.
Когда двухпроводный телефонный кабель соединяется с четырехпроводным интерфейсом УАТС (PBX) или telco-интерфейсом центральной станции (СО), используется специальное электрическое соединение, называемое гибридной схемой, для согласования двухпроводного и четырехпроводного соединения. Хотя гибридные схемы очень эффективны для выполнения функций согласования, небольшой процент энергии телефонного сигнала не конвертируется, а отражается обратно к вызывающему абоненту. Этот сигнал называется «эхо-сигналом».
Если вызывающий абонент находится около УАТС или центрального коммутатора, эхо-сигнал возвращается достаточно быстро и для человека неразличим. Однако если задержка составляет более 10 мс, вызывающий абонент может услышать отраженный сигнал. Чтобы предотвратить появление эхо-сигнала, поставщики шлюзов включают специальный код в сигнальные процессоры, которые прослушивают эхо-сигнал и удаляют его из аудиосигнала. Компенсация эха особенно важна для поставщиков шлюзов, потому что задержка в IP-сети может легко превысить 40-50 миллисекунд, так что эхо-сигнал будет явно ощущаться на ближнем конце. Компенсация эхо-сигнала, идущего от дальнего конца линии, позволяет существенно повлиять на качество сигнала.
Основными источниками снижения качества речи являются сетевая задержка и флуктуация пакетов. Сетевая задержка представляет собой среднее значение времени передачи пакета по сети. Флуктуация - отклонение от среднего времени передачи пакета. Оба параметра важны для определения качества речи.
Поскольку время передачи по сети (полное время, включая время обработки кодеком) часто превышает 150 мс, общение двух абонентов будет все более и более напоминать режим полудуплексной связи с установлением нужной паузы при разговоре. Если паузы фиксируются плохо, то речь одного собеседника как бы «набегает» на речь другого.
Одним из основных средств борьбы с перегруженностью сети должно стать обеспечение качества сервиса (Quality of Service - QoS).
В чем смысл QoS? QoS означает динамическое предоставление гарантированной полосы пропускания для различных приложений и передачу данных в соответствии с требованиями, определяемыми пользователем. До сих пор не существует принимаемой всеми трактовки термина «QoS»; чаще всего под QoS понимают установку трафику приоритетов без гарантий на ширину полосы пропускания, обеспечение полосы пропускания фиксированной ширины при передаче данных между двумя заданными узлами сети на основе постоянных или коммутируемых виртуальных каналов, гарантированную поставщиками услуг Internet общую ширину полосы пропускания.
Хорошее качество речи, передаваемой через IP-сеть, объясняется в основном небольшой флуктуацией пакетов, а не низкими значениями сетевой задержки. Значения флуктуации пакетов сети поддерживаются интеллектуальными возможностями маршрутизаторов, которые могут управлять приоритетами голосовых пакетов в IP-сети. Маршрутизатор настраивается на поиск голосовых IP-пакетов и размещение их перед пакетами данных, ожидающими передачи. Система приоритетов голосовых пакетов особенно важна в региональных сетях связи со скоростями от 56 до 512 Кбит/с. При скоростях, характерных для линий T1/E1, это может не потребоваться.
Таким образом, в настоящее время требуемое качество обслуживания обеспечивается в основном средствами управления приоритетом трафика. Отметим, что в IP-сетях возможны и более сложные процедуры управления качеством.
Сегментация IP-пакетов является еще одним важным механизмом управления задержкой VoIP, позволяющим гарантировать, что очень длинный пакет данных не задержит пакет с речевой информацией на выходе из маршрутизатора. Это достигается настройкой маршрутизатора на сегментирование всех исходящих пакетов данных в соответствии с быстродействием сети связи. Комбинация системы приоритетов голоса/факсов и механизмов сегментации пакета создает хорошие предпосылки для построения VoIP-сети.
Другая технология, используемая некоторыми шлюзами для обеспечения хорошего качества речи, - непосредственное исправление ошибок (FEC).
Управление полосой пропускания
Как уже отмечалось, второй важной проблемой внедрения технологий передачи речи по IP-сети является минимизация используемой полосы пропускания канала связи. Здесь важную роль играют механизмы компрессии и подавления пауз. Механизмы, использующие технологию подавления пауз, определяют периоды молчания абонентов в течение сеанса связи или факсимильной передачи и останавливают посылку IP-пакетов в течение этих периодов.
Стремление к более эффективному использованию полосы пропускания стимулирует развитие механизмов сжатия речи. Стандартный ИКМ-сигнал для передачи речи, как уже отмечалось, требует выделения полосы пропускания шириной 64 Кбит/с (рекомендация МСЭ-Т G.711), что на самом деле слишком много.
Один из давно используемых алгоритмов сжатия речи называется АДИКМ (ADPCM, Adaptive Differential Pulse Code Modulation; стандарт G.726 был принят в 1984 году). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16 Кбит/с. Метод основан на кодировании не самой амплитуды сигнала, а ее изменения по сравнению с предыдущим значением; поэтому можно обойтись меньшим числом разрядов. В АДИКМ изменение уровня сигнала кодируется четырехразрядным числом, при этом частота измерения амплитуды сигнала сохраняется неизменной.
Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях о форме сигнала, не подходят для передачи сигнала с резкими скачками амплитуды. Именно такой вид имеет сигнал, генерируемый модемами или факсимильными аппаратами, поэтому аппаратура, поддерживающая сжатие, должна автоматически распознавать сигналы факс-аппаратов и модемов и обрабатывать их иначе, чем голосовой трафик.
Многие методы кодирования берут свое начало от метода кодирования с линейным предсказанием (LPC, Linear Predictive Coding). В качестве входного сигнала в LPC используется последовательность цифровых значений амплитуды, но кодирование применяется не к отдельным цифровым значениям, а к определенным их блокам. Для каждого такого блока значений вычисляются его характерные параметры: частота, амплитуда и ряд других. Именно эти значения и передаются по сети. При таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к вычислительным мощностям специализированных процессоров, используемых для обработки сигнала, а во-вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере. Важно, что задержка в передаче речи не только связана с необходимостью обработки цифрового сигнала (эту задержку можно уменьшить, увеличив мощность процессора), но и определяется методом сжатия. Этот метод позволяет достигать очень больших степеней сжатия с полосой пропускания 2,4 или 4,8 Кбит/с, однако качество звука сильно страдает. Поэтому в коммерческих приложениях он не используется, а применяется в основном для ведения служебных переговоров.
Более сложные методы сжатия речи основаны на применении ЛКП в сочетании с элементами кодирования формы сигнала. В этих алгоритмах используется кодирование с обратной связью, когда при передаче сигнала осуществляется оптимизация кода. Закодировав сигнал, процессор пытается восстановить его форму и сравнивает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодировки, добиваясь наилучшего совпадения. Добившись совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи; на противоположном конце происходит восстановление звукового сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.
Одной из наиболее распространенных разновидностей описанного метода кодирования является метод LD-CELP (Low-Delay Code-Excited Linear Prediction). Этот метод позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при пропускной способности 16 Кбит/с; он был стандартизован Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union - ITU) в 1992 году как алгоритм кодирования речи G.728. Алгоритм применяется к последовательности цифр, получаемых в результате аналого-цифрового преобразования голосового сигнала с 16-разрядным разрешением. Пять последовательных цифровых значений кодируются одним 10-битным блоком - это и дает 16 Кбит/с. Для применения этого метода требуются большие вычислительные мощности: в частности, для непосредственной реализации G.728 необходим процессор с быстродействием 44 MIPS.
В марте 1995 года ITU принял новый стандарт G.723, который предполагается использовать при сжатии речи для организации видеоконференций по телефонным сетям. Этот стандарт является частью более общего стандарта H.324, описывающего подход к организации таких видеоконференций. Целью его принятия является обеспечение видеоконференций с использованием обычных модемов. Основой G.723 является метод сжатия речи MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization). Он позволяет добиться весьма существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества звучания. В основе метода лежит описанная выше процедура оптимизации; с помощью различных усовершенствований можно сжимать речь до уровня 4,8; 6,4; 7,2 и 8,0 Кбит/с. Структура алгоритма позволяет изменять степень сжатия голоса в ходе передачи. Вносимая кодированием задержка не превышает 20 мс.
Повышая эффективность использования полосы пропускания, механизмы сжатия речи в то же время могут привести к снижению качества речи и увеличению задержек. Некоторые основные алгоритмы сжатия речи и создаваемые при этом задержки приведены в табл. 1.
Количественными характеристиками ухудшения качества речи являются параметры ухудшения качества сигнала при квантовании (QDU, Quantization Distortion Units). Один QDU соответствует ухудшению качества при оцифровке с использованием стандартной процедуры ИКМ; значения QDU для основных методов компрессии приведены в табл. 2. Дополнительная обработка речи ведет к дальнейшей потере качества. Согласно рекомендациям МСЭ-Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14. Отметим, что передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU.
Таблица 2. Ухудшение качества речи при использовании различных алгоритмов компрессии
| Методы компрессии | QDU |
|---|---|
| ADPCM 32 Кбит/с | 3,5 |
| ADPCM 24 Кбит/с | 7 |
| LD-CELP 16 Кбит/с | 3,5 |
| CS-CELP 8 Кбит/с | 3,5 |
Следовательно, при передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным требованием регулирующих органов, предъявляемым к сетям, подключенным к сетям общего пользования.
Подавление пауз - важная функция оборудования, обеспечивающего передачу голоса по IP-сетям. Суть технологии подавления пауз заключается в определении различия между моментами активной речи и молчания в период соединения. В результате применения этой технологии генерация пакетов происходит только в моменты активного разговора. Поскольку при типичном разговоре по телефону паузы составляют до 60% времени, возможна двукратная оптимизация количества передаваемых по линии данных. Объединение технологии сжатия речи и подавления пауз речи в коммутаторах приводит к уменьшению потока данных в канале в восемь раз.
Продолжение следует
КомпьютерПресс 5"1999
