Проблемы, связанные с осуществлением телефонных переговоров по сетям с пакетной передачей и коммутацией

Введение

Наблюдаемый в мире стремительный рост объемов передаваемых данных

привел к резкому увеличению доли высокоскоростных транспортных сетей, строящихся с применением IP-технологий. Операторы и производители оборудования постоянно работают над увеличением их пропускной способности. Во многом это обусловлено популярностью сети Интернет и существенной экономией при построении универсальных транспортных сетей, ориентированных на передачу не только телефонного трафика, но и данных произвольного вида и структуры.

Организация передачи речевого трафика непосредственно через сеть IP сопряжена со множеством проблем. Часть из них до сих пор полностью не решена, чем можно объяснить более скромное внедрение услуг IP-телефонии по сравнению с прогнозами первых лет развития этой технологии.

Внедрение IP-телефонии достаточно трудоемкий процесс, требующий больших затрат.

Тем не менее, возможности, открывающиеся при использовании IP-технологий в системах передачи и мультиплексирования, весьма широки. В качестве возможного эволюционного пути перестройки сети на основе IP-телефонии можно представить сочетание традиционного телефонного оборудования и элементов оборудования IP-телефонии, выполняющего отдельные функции.

В данной работе рассматриваются некоторые проблемы, связанные с осуществлением телефонных переговоров по сетям с пакетной передачей и коммутацией. Эти проблемы многоплановы и захватывают широкий спектр вопросов научного, технического, юридического, экономического, организационного и др. характеров. Я коснусь лишь некоторых сторон, которые на мой взгляд требуют наиболее полного освещения.

Глава 1. Базовые понятия IР-телефонии

Развитие информационных услуг и инфраструктур происходит под воздействием многочисленных факторов. Потребители требуют лучших, более оперативных, надежных, гибких, дешевых и разнообразных услуг.

До недавнего времени казалось, что основное предназначение информационных услуг - речевое общение людей. Анализ показывает, что сейчас в мировых телекоммуникационных сетях до 70 % трафика приходится на передачу голоса, а 30 % - на передачу данных. При этом четко наблюдается тенденция к перераспределению в будущем этого соотношения в пользу передачи данных (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1 Тенденции перераспределения потребностей в предоставляемых услугах связи

Классы предоставляемых услуг связи	Приложения предоставляемых услуг связи	Потребность в ближайшем будущем	Потребность в отдаленной перспективе
Интерактивная речь	Телефония, аудиоконференции	Высокая	Высокая
Передача изображений в реальном времени	Факсимильная связь	Высокая	Низкая
Электронная почта	Текстовая почта, голосовая почта, факсимильная почта	Низкая	Средняя
Поиск мультимедийных документов	WWW, базы данных, изображений, видеотекст	Низкая	Высокая
Видео, аудио- по требованию	Фильмы по требованию, новости по требованию, аудио по требованию	Низкая	Средняя
Интерактивное видео	Видеотелефония, видеоконференции, интерактивные игры, телепродажа, телемедицина, телеобучение	Низкая	Высокая
Распределенная обработка данных	Распределенное делопроизводство, управление товарами в реальном времени	Низкая	Высокая

Однако, несмотря ни на что, потребности в телефонной связи огромны. Мировой опыт показывает, что наибольшая экономическая эффективность телефонных сетей не может быть достигнута без учета и использования возможностей новых технологий.

В течение последних лет были разработаны устройства, обеспечивающие передачу голоса по сетям, изначально нацеленным на передачу данных, таким, как frame relay (FR) и IP-сети. Движущей силой при этом является стремление сократить расходы на использование арендуемых линий связи и повысить эффективность применения выделенных корпоративных коммуникаций. Новый импульс развитию телефонных сетей дало появление механизмов, обеспечивающих передачу голоса по сетям с асинхронным режимом передачи (ATM), которые предусматривают возможность подключения АТС к АТМ-коммутаторам, способным коммутировать как потоки данных, так и голоса.

Технология ATM позволяет передавать данные со скоростью десятков Мбит/с и выше, но как показывает петербургская практика, пока только единичные клиенты обладают реальной потребностью в подобных скоростях и готовностью за них платить.

 

1.1 Общее понятие IP-телефонии

Под IP-телефонией понимается технология, позволяющая использовать сеть с коммутацией IP-пакетов, например - Internet, в качестве средства организации и ведения телефонных разговоров и передачи факсов между удаленными абонентами. IP-телефония является одним из наиболее сложных и системных приложений компьютерной телефонии. Термин IP-телефония буквально - обеспечение телефонных переговоров с использованием протокола межсетевого взаимодействия (Internet Protocol).

Внедрение IP-телефонии существенно изменяет подход к обеспечению телефонной связи. Для телефонии с начала века используются коммутируемые каналы с гарантированной полосой пропускания, чем и обеспечивается непрерывная связь. В IP-телефонии используется коммутация пакетов. Принципиально разница состоит в следующем. В традиционно обеспечиваемой телефонной связи каждому абоненту в монопольное распоряжение выделяется линия связи. При коммутации пакетов несколько пользователей одновременно используют один и тот же канал. Уплотняя трафик путем разбиения на пакеты непрерывного разговора и эффективно заполняя ими доступный канал, можно существенно понизить стоимость использования дорогого цифрового канала для каждого отдельного пользователя. В этом смысле стоимость переговоров для абонента IP-телефонии значительно ниже соединения через сеть связи общего пользования.

 

1.2 Основные сценарии IP- телефонии

В настоящее время под IP-телефонией понимают в первую очередь такую технологию, в которой голосовой трафик частично передается через телефонную сеть общего пользования, а частично - через сети с IP-коммутацией.

Ключевым элементом IP-телефонии является связка Шлюз - Сеть - Шлюз. Шлюз представляет собой компьютер-сервер, дополненный специальными платами расширения и соответствующим программным обеспечением. Он служит интерфейсом между передающим звук устройством пользователя (телефоном, компьютером и т. п.) и сетью с коммутацией пакетов. Шлюз обеспечивает прием и преобразование данных в форму, пригодную для пересылки по сети (и обратное преобразование). Абоненту всего лишь нужно связаться с ним тем или иным способом. Шлюз, имеющий выход в Internet, передаст по сети данные на другой такой же шлюз, ближайший к вызываемому абоненту. После этого, претерпев обратное преобразование, звук достигнет абонента и соединение осуществится.

Рассмотрим основные варианты организации связи между двумя абонентами IP-телефонии, их три:

·        телефон - телефон;

·        компьютер - компьютер;

·        компьютер - телефон.

Для связи в режиме «телефон - телефон» не нужен ни компьютер, ни модем. Подключение к сети с коммутацией пакетов и связанные с этим расходы тоже не потребуются. До шлюза сигнал идет по телефонной сети связи общего пользования (рис. 1.1). При этом в него (как и в любой другой телефонный сигнал) могут добавляться помехи. С другой стороны, любые задержки на «последней миле» полностью отсутствуют.

Рис. 1.1 Организация соединения «телефон - телефон»

На уровень задержек, а следовательно, на комфортность и качество разговора в режиме «телефон - телефон» влияние оказывает лишь пропускная способность линий связи провайдера IP-телефонии и загруженность сети на маршруте следования пакетов. Подробнее о задержках смотри пункт 3.5.

Проблема качества звука может решаться путем оптимизации задержек на пути следования сигнала. Из нескольких возможных маршрутов система выбирает наименее загруженные, а там, где это допустимо, повышает приоритет голосовых пакетов. За счет этих мер паузы в разговоре удается сделать практически незаметными даже в часы максимальной загрузки. Если в непосредственной близости от абонента шлюза все-таки не оказалось, звонок отправляется по обычным телефонным маршрутам (на рис. 1.1 эта линия показана пунктиром).

Два компьютера, подключенные к сети с коммутацией пакетов (см. рис. 1.2), могут общаться без посредников: из общей схемы исчез шлюз, поскольку необходимость преобразования сигнала отпала (в качестве шлюза выступает некая программа - «IP-телефон», запущенная на обоих компьютерах). Данные сразу передаются по стандартным протоколам сети с коммутацией пакетов, поэтому помехи проникнуть в пакет данных не могут. Все, на что помехи способны, - это задержать пакеты в пути.

Рис. 1.2 Организация соединения «компьютер - компьютер»

Будучи многофункциональным устройством, компьютер легко снимает ограничения на способы общения, которые присущи обыкновенному телефону. При разговоре можно не только слышать собеседника, но и видеть его, обмениваться файлами и т. д. Связь «компьютер-компьютер» позволяет обойтись вовсе без услуг провайдера IP-телефонии. Однако в этом случае пользователь лишается ряда полезных функций. Например, ни абонент не сможет позвонить на обыкновенный телефон, ни ему невозможно будет позвонить с обычного телефона.

Установив на свой компьютер программу IP-телефонии, пользователь не утратит возможность связаться с человеком, у которого компьютера нет (см. рис. 1.3). Принципиально правила организации соединения в этом случае диктуются статусом участников соединения. Если терминал пользователя (компьютер) не использует услуги провайдера, то «позвонить» ему с обычного телефона невозможно. С другой стороны, возможности абонента, использующего терминал, ограничены только составом программного обеспечения.

Рис. 1.3 Организация соединения «компьютер-телефон» («телефон-компьютер»)

Последовательность установления соединения для абонентов, использующих компьютер и телефон сети связи общего пользования, различна. Если абонент, использующий телефон, набирает номер «доступа» - телефонный номер провайдера IP-телефонии и, следуя инструкциям, взаимодействует с программным обеспечением шлюза, вводя в тональном режиме набора цифр, необходимую информацию, то пользователь компьютера, как правило, либо выбирает из списка зарегистрированных абонентов, либо, используя интерфейсную часть программы IP-телефонии, указывает город, в который необходимо позвонить и номер телефона. Важно понимать, что именно сервер IP-телефонии обеспечивает преобразование номеров абонентов сети связи общего пользования в «электронные адреса» IP-телефонии и обратно. На шлюз провайдера возлагается сложная задача организации взаимодействия сети с коммутацией пакетов и АТС, обеспечивающих подключение абонентов.

 

1.3 IP-телефония: «за» и «против»

Следует разобраться, почему IP-телефония может оказываться как весьма недорогим решением, так и дорогостоящим. Все зависит от масштабов решения и целей его внедрения. Internet уже существует, стоимость канала по сравнению с другими технологиями весьма низка, а дополнительное оборудование (шлюзы, в первую очередь) обходится недорого, поскольку может базироваться на платформе ПК. Сравнительно невысокие инвестиции в оборудование и каналы, а также «обход» телефонных операторов позволяют сделать стоимость междугородных разговоров весьма низкой. К сожалению, таких результатов удается добиваться, только пока масштабы внедрения такой услуги невелики, а качество и другие характеристики услуги не имеют серьезного значения.

С переходом от предоставления недорогих звонков небольшому проценту абонентов небольшим процентом провайдеров к массовому внедрению таких услуг проблемы неизбежны. Это, кстати, не означает, что услуги IP-телефонии станут нерентабельными, поскольку, как и любое мультисервисное решение, IP-телефония обладает достаточной экономической эффективностью. Однако выход на новый уровень потребует немалых затрат на новое оборудование и каналы. Утверждения о высокой стоимости внедрения IP-телефонии основываются на оценке стоимости оборудования для корпоративных сетей, точнее, на стоимости полного IP-решения для корпоративной телефонной сети. В первую очередь критике за свою высокую стоимость подвергаются IP-телефоны, т. е. телефонные аппараты, подключаемые непосредственно к компьютерной сети. Понятно, что пока выпуск этих аппаратов только осваивается, поэтому и стоимость их крайне высока, в перспективе с ростом объема их производства и продаж цены должны снизиться, но не ясно, насколько.

С учетом стоимости остального оборудования, а также вероятных затрат на повышение производительности сети (или даже просто на увеличение количества портов сетевого оборудования) стоимость одного абонентского места оказывается весьма высокой, даже по сравнению с традиционной телефонией. Это также, хотя и в меньшей степени, относится и к стоимости массового оснащения компьютеров в организации платами компьютерной телефонии, гарнитурами и специальным программным обеспечением (ПО). Однако стоит помнить о том, что прямое сравнение стоимости корректно только в случае адекватных решений.

Если же абонента интересует только возможность получения входящего звонка и, соответственно, возможность звонка другому абоненту, то преимущество традиционной телефонии в цене становится неоспоримым. С этих позиций, чем проще телефонный аппарат, тем лучше. Но IP-телефония может предложить больше, чем просто возможность разговора двух абонентов. Очевидно, что на базе системы IP-телефонии (ядро которой составляет УАТС уровня предприятия, например) можно внедрять в телефонной сети организации самые различные сервисы, образно говоря, все, которые нужны в данный момент, а также те, что понадобятся потом.

При пересчете стоимости абонентского места с учетом предоставляемых сервисов даже сегодня ценовой отрыв IP-телефонии становится уже не таким пугающим. С этих позиций для организаций, потребности которых предполагают наличие в массовых количествах на рабочих местах сотрудников цифровых телефонных аппаратов с широкой функциональностью, некоторый избыток начальных расходов должен окупиться впоследствии.

Таким образом, крайности в оценке стоимости IP-телефонии и, соответственно, экономической отдачи от ее внедрения можно отбросить и рассмотреть приложения, в которых IP-телефония имеет спрос (или может его получить) уже сегодня, разумеется, применительно к отечественному рынку.

Помимо традиционных задач компьютерной телефонии в корпоративной среде есть еще ряд задач, которые внедрение IP-телефонии позволяет успешно решить.

Прежде всего, это реализация концепции «универсального почтового ящика», хотя в данном случае его уместней назвать «универсальным персональным коммуникатором». Возможность осуществлять все служебные контакты из одной точки, из единой адресной книги, очевидно, должна повысить продуктивность работы сотрудника, когда по долгу службы ему приходится контактировать с большим количеством людей. Например, сотрудник получает по электронной почте письмо, прочитав которое, он решает, что необходимо немедленно связаться с автором. Если имя корреспондента занесено в адресную книгу со всеми необходимыми атрибутами, то с такой же легкостью, как обычно, инициируется ответ на письмо, ему можно перезвонить в ответ нажатием одной кнопки в окне письма.

В IP-телефонии понятие «линия занята» теряет свой смысл. Если абонент говорит по телефону (точнее, осуществляет звонок, так как в качестве аппарата он использует ПК), то в отличие от обычного телефонного разговора технически он имеет возможность отслеживать и попытки до него дозвониться. По исходящему номеру ПО может автоматически определить, кто звонит, если этот номер фигурирует в адресной книге. (Впрочем, если звонящий абонент сам использует такое же рабочее место, то в запросе на звонок он может явным образом указать свое имя.) Если сотрудник видит, что кто-то дозванивается до него, то он может прервать текущий разговор (или временно его приостановить) и ответить другому собеседнику.

Концепция универсальной адресной книги и универсального коммуникатора также позволяет вести учет практически всех контактов сотрудника с каждым конкретным адресатом. При необходимости всю историю общения сотрудника с адресатом, включая письма, звонки и факсы по тому или иному вопросу с датами и временем, можно будет восстановить.

Немаловажную роль IP-телефония играет в обеспечении доступа мобильных и удаленных пользователей к корпоративным информационным и телекоммуникационным ресурсам. Помимо того, что удаленный пользователь имеет возможность совершать телефонные звонки в своей корпоративной сети (и через нее), где бы он ни находился (при условии, что он имеет подключение к Internet), он сам полностью доступен по стандартному корпоративному телефонному номеру. Если в случае мобильного рабочего места в отеле он может, в принципе, столкнуться с серьезными техническими проблемами с качеством обслуживания, то при командировке в удаленный офис своей организации (где, очевидно, имеется надежный канал связи с головным офисом) прозрачность будет практически полной.

Вторая ниша IP-телефонии на нашем рынке - дополнительные услуги провайдеров Internet. Это позволяет реализовать естественное стремление пользователей рынка одновременно иметь доступ в Internet и возможность говорить по телефону. На Западе проблема параллельного подключения жилых помещений к Internet и телефонной сети решается при помощи ISDN, ADSL или дополнительных каналов. В российской действительности не каждый может позволить себе такую роскошь. Хорошо, если вопрос решается за счет коллективного подключения, тогда можно идти западным путем, а как быть индивидуальному пользователю? Очевидно, что предлагаемая провайдером услуга IP-телефонии может решить этот вопрос.

Не факт, правда, что она всегда может быть реализована абсолютно прозрачно (т. е. абонент будет доступен по своему домашнему телефону независимо от того, работает он в Internet или нет). Прозрачность возможна, только если провайдер тесно интегрирован с телефонным оператором или же совмещает оба статуса в одном лице. Однако просто наличие дополнительного «интернетовского» номера уже будет достаточным удобством.

Хорошие перспективы IP-телефония имеет на рынке так называемого «кабельного» Internet, т. е. при подключении пользователей по сетям кабельного телевидения. Наилучшие перспективы такие сети имеют в населенных пунктах типа районных центров или городов-сателлитов Областных центров. В таких населенных пунктах нередко очень хорошо развито кабельное телевидение, а с телефонами и тем более связью с областными центрами явные проблемы.

Операторы КТВ (они же по совместительству провайдеры) получают возможность предложить при помощи IP-телефонии своим подписчикам услуг Internet стандартный набор телефонных сервисов. Учитывая, что в подобных населенных пунктах возможности развития бизнеса "вширь" ограничены достаточно небольшим населением, интерес к внедрению подобных услуг (дополнительных для оператора при той же клиентской базе) должен быть встречным.

Глава 2. Межсетевой протокол IP

В настоящее время наиболее эффективная передача потока любых дискретных (цифровых) сигналов, в том числе и несущих речь (голос), обеспечивается цифровыми сетями электросвязи, в которых реализована пакетная технология IP (Internet Protocol).

Следует подчеркнуть, что протокол IP реализуется не только в глобальной сети Интернет, для которой он был первоначально разработан, но может быть применен и в других цифровых телекоммуникационных сетях.

Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед IP не ставится задача надежной доставки сообщений от отправителя к получателю. Протокол IP обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими IP-пакетами. В протоколе IP нет механизмов, обычно применяемых для увеличения достоверности конечных данных: отсутствует квитирование - обмен подтверждениями между отправителем и получателем, нет процедуры упорядочения, повторных передач или других подобных функций. Если во время продвижения пакета произошла какая-либо ошибка, то протокол IP по своей инициативе ничего не предпринимает для исправления этой ошибки. Например, если на промежуточном маршрутизаторе пакет был отброшен по причине истечения времени жизни или из-за ошибки в контрольной сумме, то модуль IP не пытается заново послать испорченный или потерянный пакет. Все вопросы обеспечения надежности доставки данных по составной сети в стеке TCP/IP решает протокол TCP, работающий непосредственно над протоколом IP.

2.1 Структура IP-пакета

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру (рис. 2.1).

Рис. 2.1 Структура заголовка IP-пакета

Поле Номер версии (Version), занимающее 4 бит, указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 (IPv4) и готовится переход на версию 6 (IPv6). Протоколу IPv6 посвещен пункт 2.4.

Поле Длина заголовка (IHL) IP-пакета занимает 4 бит и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Опции (IP Options). Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence).

Приоритет может иметь значения от самого низкого - 0 (нормальный пакет) до самого высокого - 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит Т - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трех критериев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Поле Общая длина (Total Length) занимает 2 байта и означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. Хостам рекомендуется отправлять пакеты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслуживать пакеты такого размера.

Поле Идентификатор пакета (Identification) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним) фрагментом. Оставшийся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU. Смещение должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Live) занимает один байт и означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задержки меньше секунды. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Идентификатор Протокол верхнего уровня (Protocol) занимает один байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета (например, это могут быть сегменты протокола TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol), пакеты ICMP (Internet Control Message Protocol)).

Контрольная сумма (Header Checksum) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в процессе передачи пакета по сети (например, время жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP-заголовка. Если контрольная сумма неверна, то пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

Поля IP-адрес источника (Source IP Address) и IP-адрес назначения (Destination IP Address) имеют одинаковую длину - 32 бита - и одинаковую структуру.

Поле Опции (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Опции должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Поле Выравнивание (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, что IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

Программные модули протокола IP устанавливаются на всех конечных станциях и маршрутизаторах сети.

 

2.2 Правила маршрутизации в протоколе IP

Для отправляемых IP-пакетов, поступающих от верхнего уровня иерархии эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), протокол IP должен определить способ доставки - прямой или косвенный - и выбрать сетевой интерфейс. Этот выбор делается на основании результатов поиска в таблице маршрутов.

Для принимаемых IP-пакетов, поступающих от сетевых драйверов, протокол IP должен решить, нужно ли ретранслировать IP-пакет по другой сети или передать его на верхний уровень. Если в процессе обработки принято решение, что IP-пакет должен быть ретранслирован, то дальнейшая работа с ним осуществляется также, как с отправляемыми IP-пакетами.

2.2.1 Прямая маршрутизация

В том случае, когда корреспондент, подключенный к узлу А посылает IP-пакет корреспонденту, подключенному к узлу В, заголовок IP-пакета содержит в поле отправителя IP-адрес узла А, а заголовок Ethernet-кадра содержит в поле отправителя Ethernet-адрес узла А. Кроме этого, IP-заголовок содержит в поле получателя IP-адрес узла В, а Ethernet-заголовок содержит в поле получателя Ethernet-адрес узла В (см. рис. 2.2 и табл. 2.1).

Рис. 2.2 Прямая маршрутизация

Таблица 2.1 Адреса в Ethernet-кадре, передающем IP-пакет от А к В

Адрес	Отправитель	Получатель
IP-заголовок	А	В
Ethernet-заголовок	А	В

В этом простом примере протокол IP является излишеством, которое мало что добавляет к услугам, предоставляемым сетью Ethernet. Однако протокол IP требует дополнительных расходов на создание, передачу и обработку IP-заголовка. Когда в узле В модуль IP получает IP-пакет от узла А, он сопоставляет IP-адрес места назначения со своим и, если адреса совпадают, то передает датаграмму протоколу верхнего уровня. В данном случае при взаимодействии А с В используется прямая маршрутизация.

2.2.2 Косвенная маршрутизация

В том случае, если корреспондент, подключенный к узлу А, взаимодействует с корреспондентом, подключенным к узлу Е, включенному в другую IP-сеть, то взаимодействие уже не будет прямым. Пусть узел D - шлюз между двумя IP-сетями. Такое взаимодействие называется «косвенным». Если корреспондент, подключенный к узлу А, посылает корреспонденту, подключенному к узлу Е, IP-пакет, то IP-адрес и Ethernet-адрес отправителя соответствуют адресам узла А. IP-адрес места назначения является адресом узла Е, но, поскольку модуль IP в узле А посылает IP-пакет через узел D, Ethernet-адрес места назначения является адресом узла D (см. рис. 2.3 и табл. 2.2).

Рис. 2.3 Косвенная маршрутизация

Таблица 2.2 Адреса в Ethernet-кадре при косвенной маршрутизации (до шлюза D)

Адрес	Отправитель	Получатель
IP-заголовок	А	Е
Ethernet-заголовок	А	D

Модуль IP в узле D получает IP-пакет и проверяет IP-адрес места назначения. Определив, что это не его IP-адрес, узел D посылает этот IP-пакет на узел Е (см. табл. 2.3).

Таблица 2.3 Адреса в Ethernet-кадре при косвенной маршрутизации (после шлюза D)

Адрес	Отправитель	Получатель
IP-заголовок	А	Е
Ethernet-заголовок	D	Е

Таким образом, при прямой маршрутизации IP- и Ethernet-адреса отправителя соответствуют адресам того узла, который послал IP-пакет, a IP- и Ethernet-адреса места назначения соответствуют адресам получателя. При косвенной маршрутизации IP- и Ethernet-адреса не образуют таких пар.

Маршрутизация IP-пакетов выполняется модулями IP и является прозрачной для модулей TCP, UDP и прикладных процессов.

Реальные сети могут быть гораздо сложнее, так как могут содержать несколько шлюзов и несколько типов физических сред передачи.

 

2.3 Адресация в IP-сетях

 

.3.1 Типы адресов: физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя)

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

·              Локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

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

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

·              Символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

 

.3.2 Классы IP-адресов.

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:

.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса,

00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.

Класс А

0

N сети

N узла

Класс В

1

0

N сети

N узла

Класс С

1

1

0

N сети

N узла

Класс D

1

1

1

0

адрес группы multicast

Класс Е

1

1

1

1

0

зарезервирован

Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

·              Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.)

·              Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 28 - 216. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.

·              Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.

·              Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

·              Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

В таблице 2.4 приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

Таблица 2.4

Класс	Наименьший адрес	Наибольший адрес
A	1.0.0.0	126.0.0.0
B	128.0.0.0	191.255.0.0
C	192.0.0.0	223.255.255.0
D	224.0.0.0	239.255.255.255
E	240.0.0.0	247.255.255.255

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов:

·              если IР-адрес состоит только из двоичных нулей,

0 0 0 0 ................................... 0 0 0 0

то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет;

·              если в поле номера сети стоят 0,

0 0 0 0 .......0

Номер узла

то по умолчанию считается, что этот узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет;

·              если все двоичные разряды IP-адреса равны 1,

1 1 1 1 .........................................1 1

то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast);

·              если в поле адреса назначения стоят сплошные 1,

Номер сети

1111................11

то пакет, имеющий такой адрес рассылается всем узлам сети с заданным номером. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast);

·              адрес 127.0.0.1 зарезервирован для организации обратной связи при тестировании работы программного обеспечения узла без реальной отправки пакета по сети. Этот адрес имеет название loopback.

Уже упоминавшаяся форма группового IP-адреса - multicast - означает, что данный пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения в отличие от широковещательных называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом.

В протоколе IP нет понятия широковещательности в том смысле, в котором оно используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения в интерсети - они ограничены либо сетью, к которой принадлежит узел - источник пакета, либо сетью, номер которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.

телефония межсетевой протокол маршрутизация

2.3.3 Отображение физических адресов на IP-адреса: протоколы ARP и RARP

IP-адрес узла, то есть адрес компьютера или порта маршрутизатора, назначается произвольно администратором сети и прямо не связан с его локальным адресом. Подход, используемый в IP, удобно использовать в крупных сетях и по причине его независимости от формата локального адреса, и по причине стабильности, так как в противном случае, при смене на компьютере сетевого адаптера это изменение должны бы были учитывать все адресаты всемирной сети Internet (в том случае, конечно, если сеть подключена к Internet'у).

Локальный адрес используется в протоколе IP только в пределах локальной сети при обмене данными между маршрутизатором и узлом этой сети. Маршрутизатор, получив пакет для узла одной из сетей, непосредственно подключенных к его портам, должен для передачи пакета сформировать кадр в соответствии с требованиями принятой в этой сети технологии и указать в нем локальный адрес узла, например его МАС-адрес. В пришедшем пакете этот адрес не указан, поэтому перед маршрутизатором встает задача поиска его по известному IP-адресу, который указан в пакете в качестве адреса назначения. С аналогичной задачей сталкивается и конечный узел, когда он хочет отправить пакет в удаленную сеть через маршрутизатор, подключенный к той же локальной сети, что и данный узел.

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса Address Resolution Protocol, ARP. Протокол ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети - протокол локальной сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (X.25, frame relay), как правило не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивный ARP - RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера.

В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола канального уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом.

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета. Так как локальные адреса могут в различных типах сетей иметь различную длину, то формат пакета протокола ARP зависит от типа сети.

 

.3.4 Отображение символьных адресов на IP-адреса: служба DNS

DNS (Domain Name System) - это распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. DNS требует статической конфигурации своих таблиц, отображающих имена компьютеров в IP-адрес.

Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня. Этот протокол несимметричен - в нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты. DNS-серверы хранят часть распределенной базы данных о соответствии символьных имен и IP-адресов. Эта база данных распределена по административным доменам сети Internet. Клиенты сервера DNS знают IP-адрес сервера DNS своего административного домена и по протоколу IP передают запрос, в котором сообщают известное символьное имя и просят вернуть соответствующий ему IP-адрес.

Если данные о запрошенном соответствии хранятся в базе данного DNS-сервера, то он сразу посылает ответ клиенту, если же нет - то он посылает запрос DNS-серверу другого домена, который может сам обработать запрос, либо передать его другому DNS-серверу. Все DNS-серверы соединены иерархически, в соответствии с иерархией доменов сети Internet. Клиент опрашивает эти серверы имен, пока не найдет нужные отображения. Этот процесс ускоряется из-за того, что серверы имен постоянно кэшируют информацию, предоставляемую по запросам. Клиентские компьютеры могут использовать в своей работе IP-адреса нескольких DNS-серверов, для повышения надежности своей работы.

База данных DNS имеет структуру дерева, называемого доменным пространством имен, в котором каждый домен (узел дерева) имеет имя и может содержать поддомены. Имя домена идентифицирует его положение в этой базе данных по отношению к родительскому домену, причем точки в имени отделяют части, соответствующие узлам домена.

Корень базы данных DNS управляется центром Internet Network Information Center. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций используются следующие аббревиатуры:

·              com - коммерческие организации (например, microsoft.com);

·              edu - образовательные (например, mit.edu);

·              gov - правительственные организации (например, nsf.gov);

·              org - некоммерческие организации (например, fidonet.org);

·              net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Каждый домен DNS администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Каждый домен имеет уникальное имя, а каждый из поддоменов имеет уникальное имя внутри своего домена. Имя домена может содержать до 63 символов. Каждый хост в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем (fully qualified domain name, FQDN), которое включает имена всех доменов по направлению от хоста к корню. Пример полного DNS-имени : citint.dol.ru.

 

.3.5 Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети - протокол DHCP

Как уже было сказано, IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в интерсети и должны поэтому полагаться на администраторов.

Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем. Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов.

В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ на их запросы к DHCP-серверу.

При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавливается в момент первичного назначения сервером DHCP IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами. Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.

DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра "продолжительности аренды" (lease duration), которая определяет, как долго компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.

Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компьютер, являющийся клиентом DHCP, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.

Протокол DHCP использует модель клиент-сервер. Во время старта системы компьютер-клиент DHCP, находящийся в состоянии "инициализация", посылает сообщение discover (исследовать), которое широковещательно распространяется по локальной сети и передается всем DHCP-серверам частной интерсети. Каждый DHCP-сервер, получивший это сообщение, отвечает на него сообщением offer (предложение), которое содержит IP-адрес и конфигурационную информацию.

Компьютер-клиент DHCP переходит в состояние "выбор" и собирает конфигурационные предложения от DHCP-серверов. Затем он выбирает одно из этих предложений, переходит в состояние "запрос" и отправляет сообщение request (запрос) тому DHCP-серверу, чье предложение было выбрано.

Выбранный DHCP-сервер посылает сообщение DHCP-acknowledgment (подтверждение), содержащее тот же IP-адрес, который уже был послан ранее на стадии исследования, а также параметр аренды для этого адреса. Кроме того, DHCP-сервер посылает параметры сетевой конфигурации. После того, как клиент получит это подтверждение, он переходит в состояние "связь", находясь в котором он может принимать участие в работе сети TCP/IP. Компьютеры-клиенты, которые имеют локальные диски, сохраняют полученный адрес для использования при последующих стартах системы. При приближении момента истечения срока аренды адреса компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера, а если этот IP-адрес не может быть выделен снова, то ему возвращается другой IP-адрес.

В протоколе DHCP описывается несколько типов сообщений, которые используются для обнаружения и выбора DHCP-серверов, для запросов информации о конфигурации, для продления и досрочного прекращения лицензии на IP-адрес. Все эти операции направлены на то, чтобы освободить администратора сети от утомительных рутинных операций по конфигурированию сети.

Однако использование DHCP несет в себе и некоторые проблемы. Во-первых, это проблема согласования информационной адресной базы в службах DHCP и DNS. Как известно, DNS служит для преобразования символьных имен в IP-адреса. Если IP-адреса будут динамически изменятся сервером DHCP, то эти изменения необходимо также динамически вносить в базу данных сервера DNS. Хотя протокол динамического взаимодействия между службами DNS и DHCP уже реализован некоторыми фирмами (так называемая служба Dynamic DNS), стандарт на него пока не принят.

Во-вторых, нестабильность IP-адресов усложняет процесс управления сетью. Системы управления, основанные на протоколе SNMP, разработаны с расчетом на статичность IP-адресов. Аналогичные проблемы возникают и при конфигурировании фильтров маршрутизаторов, которые оперируют с IP-адресами.

Наконец, централизация процедуры назначения адресов снижает надежность системы: при отказе DHCP-сервера все его клиенты оказываются не в состоянии получить IP-адрес и другую информацию о конфигурации. Последствия такого отказа могут быть уменьшены путем использовании в сети нескольких серверов DHCP, каждый из которых имеет свой пул IP-адресов.

 

.3.6 Пример взаимодействия узлов с использованием протокола IP

Рассмотрим на примере интерсети, приведенной на рисунке 2.4, каким образом происходит взаимодействие компьютеров через маршрутизаторы и доставка пакетов компьютеру назначения.

Рис. 2.4 Пример взаимодействия компьютеров через интерсеть

Пусть в приведенном примере пользователь компьютера cit.dol.ru, находящийся в сети Ethernet с IP-адресом 194.87.23.0 (адрес класса С), хочет взаимодействовать по протоколу FTP с компьютером s1.msk.su, принадлежащем сети Ethernet с IP-адресом 142.06.0.0 (адрес класса В). Компьютер cit.dol.ru имеет IP-адрес 194.87.23.17, а компьютер s1.msk.su - IP-адрес 142.06.13.14.

. Пользователь компьютера cit.dol.ru знает символьное имя компьютера s1.msk.su, но не знает его IP-адреса, поэтому он набирает команду

> ftp s1.msk.su

для организации ftp-сеанса.

В компьютере cit.dol.ru должны быть заданы некоторые параметры для стека TCP/IP, чтобы он мог выполнить поставленную перед ним задачу.

В число этих параметров должны входить собственный IP-адрес, IP-адрес DNS-сервера и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. Так как к сети Ethernet, к которой относится компьютер cit.dol.ru, подключен только один маршрутизатор, то таблица маршрутизации конечным узлам этой сети не нужна, достаточно знать IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. В данном примере он равен 194.87.23.1.

Так как пользователь в команде ftp не задал IP-адрес узла, с которым он хочет взаимодействовать, то стек TCP/IP должен определить его самостоятельно. Он может сделать запрос к серверу DNS по имеющемуся у него IP-адресу, но обычно каждый компьютер сначала просматривает свою собственную таблицу соответствия символьных имен и IP-адресов. Такая таблица хранится чаще всего в виде текстового файла простой структуры - каждая его строка содержит запись об одном символьном имени и его IP-адресе. В ОС Unix такой файл традиционно носит имя HOSTS.

. Будем считать, что компьютер cit.dol.ru имеет файл HOSTS, а в нем есть строка

.06.13.14 s1.msk.su.

Поэтому разрешение имени выполняется локально, так что протокол IP может теперь формировать IP-пакеты с адресом назначения 142.06.13.14 для взаимодействия с компьютером s1.msk.su.

. Протокол IP компьютера cit.dol.ru проверяет, нужно ли маршрутизировать пакеты для адреса 142.06.13.14. Так как адрес сети назначения равен 142.06.0.0, а адрес сети, к которой принадлежит компьютер, равен 194.87.23.0, то маршрутизация необходима.

. Компьютер cit.dol.ru начинает формировать кадр Ethernet для отправки IP-пакета маршрутизатору по умолчанию с IP-адресом 194.87.23.1. Для этого ему нужен МАС-адрес порта маршрутизатора, подключенного к его сети. Этот адрес скорее всего уже находится в кэш-таблице протокола ARP компьютера, если он хотя бы раз за последнее включение обменивался данными с компьютерами других сетей. Пусть этот адрес в нашем примере был найден именно в кэш-памяти. Обозначим его МАС₁₁, в соответствии с номером маршрутизатора и его порта.

. В результате компьютер cit.dol.ru отправляет по локальной сети кадр Ethernet, имеющий следующие поля:

DA (Ethernet)	...	DESTINATION IP	... ...
МАС11		142.06.13.14

. Кадр принимается портом 1 маршрутизатора 1 в соответствии с протоколом Ethernet, так как МАС-узел этого порта распознает свой адрес МАС₁₁. Протокол Ethernet извлекает из этого кадра IP-пакет и передает его программному обеспечению маршрутизатора, реализующему протокол IP. Протокол IP извлекает из пакета адрес назначения и просматривает записи своей таблицы маршрутизации. Пусть маршрутизатор 1 имеет в своей таблице маршрутизации запись 142.06.0.0 135.12.0.11 2 1, которая говорит о том, что пакеты для сети 142.06. 0.0 нужно передавать маршрутизатору 135.12.0.11, подключенному к той же сети, что и порт 2 маршрутизатора 1.

. Маршрутизатор 1 просматривает параметры порта 2 и находит, что он подключен к сети FDDI. Так как сеть FDDI имеет значение максимального транспортируемого блока MTU больше, чем сеть Ethernet, то фрагментация поля данных IP-пакета не требуется. Поэтому маршрутизатор 1 формирует кадр формата FDDI, в котором указывает MAC-адрес порта маршрутизатора 2, который он находит в своей кэш-таблице протокола ARP:

DA (FDDI)	...	DESTINATION IP	... ...
МАС21		142.06.13.14

8. Аналогично действует маршрутизатор 2, формируя кадр Ethernet для передачи пакета маршрутизатору 3 по сети Ethernet c IP-адресом 203.21.4.0:

DA (Ethernet)	...	DESTINATION IP	... ...
МАС32		142.06.13.14

. Наконец, после того, как пакет поступил в маршрутизатор сети назначения - маршрутизатор 3, появляется возможность передачи этого пакета компьютеру назначения. Маршрутизатор 3 видит, что пакет нужно передать в сеть 142.06.0.0, которая непосредственно подключена к его первому порту. Поэтому он посылает ARP-запрос по сети Ethernet c IP-адресом компьютера s1.msk.su (считаем, что этой информации в его кэше нет), получает ответ, содержащий адрес MAC_s1, и формирует кадр Ethernet, доставляющий IP-пакет по локальной сети адресату.

DA (Ethernet) ... DESTINATION IP ... ...
МАСs1		142.06.13.14

 

.3.7 Структуризация сетей IP с помощью масок

Часто администраторы сетей испытывают неудобства, из-за того, что количество централизовано выделенных им номеров сетей недостаточно для того, чтобы структурировать сеть надлежащим образом, например, разместить все слабо взаимодействующие компьютеры по разным сетям.

В такой ситуации возможны два пути. Первый из них связан с получением от NIC дополнительных номеров сетей. Второй способ, употребляющийся более часто, связан с использованием так называемых масок, которые позволяют разделять одну сеть на несколько сетей.

Маска - это число, двоичная запись которого содержит единицы в тех разрядах, которые должны интерпретироваться как номер сети.

Например, для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

.0.0.0 - маска для сети класса А,

.255.0.0 - маска для сети класса В,

.255.255.0 - маска для сети класса С.

В масках, которые использует администратор для увеличения числа сетей, количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты.

Пусть, например, маска имеет значение 255.255.192.0 (11111111 11111111 11000000 00000000). И пусть сеть имеет номер 129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000), из которого видно, что она относится к классу В. После наложения маски на этот адрес число разрядов, интерпретируемых как номер сети, увеличилось с 16 до 18, то есть администратор получил возможность использовать вместо одного, централизованно заданного ему номера сети, четыре:

.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000)

.44.64.0 (10000001 00101100 01000000 00000000)

.44.128.0 (10000001 00101100 10000000 00000000)

.44.192.0 (10000001 00101100 11000000 00000000)

Например, IP-адрес 129.44.141.15 (10000001 00101100 10001101 00001111), который по стандартам IP задает номер сети 129.44.0.0 и номер узла 0.0.141.15, теперь, при использовании маски, будет интерпретироваться как пара:

.44.128.0 - номер сети, 0.0. 13.15 - номер узла.

Таким образом, установив новое значение маски, можно заставить маршрутизатор по-другому интерпретировать IP-адрес. При этом два дополнительных последних бита номера сети часто интерпретируются как номера подсетей.

Еще один пример. Пусть некоторая сеть относится к классу В и имеет адрес 128.10.0.0 (рисунок 2.5). Этот адрес используется маршрутизатором, соединяющим сеть с остальной частью интерсети. И пусть среди всех станций сети есть станции, слабо взаимодействующие между собой. Их желательно было бы изолировать в разных сетях. Для этого сеть можно разделить на две сети, подключив их к соответствующим портам маршрутизатора, и задать для этих портов в качестве маски, например, число 255.255.255.0, то есть организовать внутри исходной сети с централизовано заданным номером две подсети класса C (можно было бы выбрать и другой размер для поля адреса подсети). Извне сеть по-прежнему будет выглядеть, как единая сеть класса В, а на местном уровне это будут две отдельные сети класса С. Приходящий общий трафик будет разделяться местным маршрутизатором между подсетями.

Рис. 2.5 Пример использования масок для структурирования сети

Необходимо заметить, что, если принимается решение об использовании механизма масок, то соответствующим образом должны быть сконфигурированы и маршрутизаторы, и компьютеры сети.

2.4 Развитие стека TCP/IP

 

.4.1 Протокол IPv.6

Технология стека TCP/IP сложилась в основном в конце 1970-х годов, и с тех пор основные принципы работы базовых протоколов, таких как IP, TCP, UDP и ICMP, практически не изменились. Однако сам компьютерный мир за эти годы значительно изменился, поэтому долго назревавшие усовершенствования в технологии стека TCP/IP сейчас стали необходимостью.

Основными обстоятельствами, из-за которых требуется модификация базовых протоколов стека TCP/IP, являются следующие:

. Повышение производительности компьютеров и коммуникационного оборудования. За время существования стека производительность компьютеров возросла на два порядка, объемы оперативной памяти выросли более чем в 30 раз, пропускная способность магистрали Internet в Соединенных Штатах выросла в 800 раз.

. Появление новых приложений. Коммерческий бум вокруг Internet и использование ее технологий при создании Intranet привели к появлению в сетях TCP/IP, ранее использовавшихся в основном в научных целях, большого количества приложений нового типа, работающих с мультимедийной информацией. Эти приложения чувствительны к задержкам передачи пакетов, так как такие задержки приводят к искажению передаваемых в реальном времени речевых сообщений и видеоизображений. Особенностью мультимедийных приложений является также передача очень больших объемов информации. Некоторые технологии вычислительных сетей, например, Frame Relay и ATM, уже имеют в своем арсенале механизмы для резервирования полосы пропускания для определенных приложений. Однако эти технологии еще не скоро вытеснят традиционные технологии локальных сетей, не поддерживающие мультимедийные приложения (например, Ethernet). Следовательно, необходимо компенсировать такой недостаток средствами сетевого уровня, то есть средствами протокола IP.

. Бурное расширение сети Internet. В начале 90-х годов сеть Internet расширялась очень быстро, новый узел появлялся в ней каждые 30 секунд, но 95-й год стал переломным - перспективы коммерческого использования Internet стали отчетливыми и сделали ее развитие просто бурным. Первым следствием такого развития стало почти полное истощение адресного пространства Internet, определяемого полем адреса IP в четыре байта.

. Новые стратегии администрирования. Расширение Internet связано с его проникновением в новые страны и новые отрасли промышленности. При этом в сети появляются новые органы администрирования, которые начинают использовать новые методы администрирования. Эти методы требуют появления новых средств в базовых протоколах стека ТСР/IР.

Сообщество Internet уже несколько лет работает над новой спецификацией для базового протокола стека - протокола IP. Выработано уже достаточно много предложений, от простых, предусматривающих только расширения адресного пространства IP, до очень сложных, приводящих к существенному увеличению стоимости реализации IP в высокопроизводительных (и так недешевых) маршрутизаторах.

Основным предложением по модернизации протокола IP является предложение, разработанное группой IETF (Internet Engineering Task Force). Сейчас принято называть ее предложение версией 6 - IPv6. Остальные предложения группируются под названием IPng (IP Next Generation).

В предложении IETF протокол IPv6 оставляет основные принципы IPv4 неизменными. Однако в деталях реализации протокола IPv6 имеются существенные отличия от IPv4. Эти отличия коротко можно описать следующим образом:

. Использование более длинных адресов. Новый размер адреса -наиболее заметное отличие IPv6 от IPv4. Версия 6 использует 128-битные адреса;

. Гибкий формат заголовка. Вместо заголовка с фиксированными полями фиксированного размера (за исключением поля Резерв), IPv6 использует базовый заголовок фиксированного формата плюс набор необязательных заголовков различного формата;

. Поддержка резервирования пропускной способности. В IPv6 механизм резервирования пропускной способности заменяет механизм классов сервиса версии IPv4;

. Поддержка расширяемости протокола. Это одно из наиболее значительных изменений в подходе к построению протокола - от полностью детализированного описания протокола к протоколу, который разрешает поддержку дополнительных функций.

 

.4.2 Адресация в IPv6

Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов: - индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел - компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту. - адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).

Multicast - адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.

Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.

Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast. Структура адреса этого класса показана на рисунке 2.6.

010

Registry ID

Provider ID

Subscriber ID

Intra- Subscriber

Рис. 2.6 Структура адреса класса Provider-Assigned Unicast.

Поле RegistryID идентифицирует ответственную за присвоение адреса регистратуру Internet, например, InterNIC в Северной Америке или APNIC в Азии. Поле ProviderID идентифицирует оператора Internet. Поле SubscriberID, ответственность за назначение которого несет оператор, идентифицирует конкретного пользователя. Оставшиеся 64 разряда в адресе по принадлежности к провайдеру идентифицируют сеть и хост во многом тем же образом, что и адреса IPv4 с класса А по класс С.

Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы, и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.

Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.

Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС - адреса локальных сетей непосредственно.

Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 00000000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.

В IPv6 128-разрядные адреса записываются в виде восьми 16-разрядных целых чисел, разделенных двоеточием. Каждое целое число представлено четырьмя шестнадцатеричными цифрами; иными словами, вы будете вынуждены ввести 32 шестнадцатеричных цифры для задания IP-адреса. При задании адреса IPv6 разрешает опустить начальные нули в шестнадцатеричных числах, а также использовать пару двоеточий (::) внутри адреса для замены последовательности нулевых чисел.

В качестве иллюстрации я предлагаю рассмотреть следующий 128-разрядный адрес:

А:0000: 0000:0000:OOFC: ABCD: 3F1F:3D5A. Так как IPv6 позволяет пропустить начальные нули в каждом блоке из 4 шестнадцатеричных цифр в адресе, данный адрес можно записать в сокращенном виде следующим образом: 501A:0:0:0:FC:ABCD:3F1F:3D5A. Однако, если воспользоваться принятым соглашением об исключении последовательных блоков нулей, адрес можно записать еще короче 501A::FC: ABCD:3F1F:3D5A. Теперь адрес состоит всего из пяти шестнадцатеричных чисел вместо восьми. Таким образом, пара двоеточий представляет 3 целых числа, значение которых равно нулю.

Глава 3. Анализ обобщенной модели передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией

 

.1 Способы организации передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией

В теории связи существует фундаментальное понятие - сообщение, т. е. форма представления информации, имеющая признаки начала и конца и предназначенная для передачи через сеть связи. В частности, “Сообщением” является и телефонный разговор. Как любое другое сообщение, телефонный разговор характеризуется шириной занимаемого канала, временем передачи, категорийностью, адресами источника и приемника, формой представления информации - аналоговой или дискретной.

Под сетью передачи данных с пакетной коммутацией (в дальнейшем пакетной сетью) будем понимать совокупность средств для передачи данных между ЭВМ (другими оконечными устройствами), где информационная связь между абонентами устанавливается коммутацией пакетов. Коммутация пакетов производится путем разбивки сообщения на пакеты - элементы сообщения, снабженные заголовком, имеющие фиксированную максимальную длину, и последующей передачи пакетов по маршруту, определяемому узлами сети (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1 Разбиение сообщения на пакеты

Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Основными моментами при передачи речи по сети передачи данных с пакетной коммутацией являются: преобразование аналогового речевого сигнала в цифровой вид, формирование пакетов, передача пакетов по пакетной сети, восстановлении речевого сигнала на приемном конце. Таким образом, для организации телефонной связи на передающем и приемном концах необходимо иметь набор аппаратно-программных средств, осуществляющих оцифровку/восстановление речи формирование пакетов и ввод этих пакетов вместе с пакетами данных в пакетную сеть.

При организации телефонной (речевой) связи по пакетной сети важную роль играют некоторые характеристики телефонного разговора, которые могут накладывать существенные ограничения на выбор той или иной модели передачи.

В самом общем виде схема организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией представлена на рис. 3.2.

 

Рис. 3.2 Схема организации телефонной связи по пакетной сети.

Подразумевается, что УСПРД - устройство совместной передачи речи и данных, приведенное на рис. 3.2, включает весь набор аппаратно-программных средств, реализующих возможность совместной передачи речи и данных по сети передачи данных с пакетной коммутацией.

3.2 Структура программного обеспечения, необходимого для реализации возможности передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией

Для организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией необходим набор аппаратно-программных средств, функциями которого является:

преобразование речевого аналогового сигнала и сигналов телефонной сигнализации в информационные единицы протоколов (пакеты или кадры);

объединение речевого трафика и трафика данных.

Для частичной реализации первой функции используется цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС), который необходим для преобразования речевого сигнала в цифровой вид и формирования речевых кадров. Остальные преобразования реализуются программными средствами с использованием обычных универсальных процессоров. На рис. 3.3 изображена структура ПО для реализации возможности передачи речи по сети передачи данных с пакетной коммутацией.

Рис. 3.3 Структура программного обеспечения организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией

Данное ПО организует интерфейсы для речевых сигналов и сигналов сигнализации, исходящих из телефона или УПАТС и преобразует их в единый информационный поток для передачи по сети. ПО разделено на четыре части, с тем чтобы обеспечить четкий интерфейс между программным обеспечением ЦПОС и остальным ПО для возможности использования различных протоколов пакетной передачи речи. ПО для реализации возможности передачи речи по сети с пакетной коммутацией состоит из следующих частей:

. ПО пакетирования речи. Это ПО запускается на ЦПОС и используется для подготовки речевых элементов для последующей передачи их по сети передачи данных с пакетной коммутацией. Это ПО позволяет реализовать: алгоритм речепреобразования, алгоритм эхоподавления, алгоритм обнаружения активности речи и алгоритм удаления джиггера.

. ПО шлюза телефонной сигнализации. Данное ПО взаимодействует с телефонным оборудованием, преобразуя сигналы телефонной сигнализации в так называемые изменяемые состояния (установление соединения, отбой и т.п.), которые используются в модуле сетевых протоколов для установления соединений.

. ПО сетевых протоколов. Это ПО обрабатывает информацию о сигнализации и преобразует ее из формата телефонных протоколов сигнализации в конкретный протокол передачи сигнальной информации по сетям с коммутацией пакетов. Кроме того, это ПО выполняет упаковку речевых кадров и сигнальной информации в информационные единицы сетевых протоколов, используемых в пакетной сети.

. ПО управления сетью. Это ПО предоставляет интерфейс управления передачей речи для конфигурации и обслуживания модулей системы пакетной передачи речи.

 

.2.1 Программное обеспечение пакетирования речи

Программное обеспечение пакетирования речи выполняет подготовку речевого сигнала для дальнейшей передачи по пакетной сети. В связи с этим, в его основные функции входит: преобразование речевого сигнала в цифровую форму, кодирование речевого сигнала, эхоподавление, обнаружение активности речи и адаптация воспроизведения. Кроме того, для нужд системы сигнализации вырабатываются специальные тоны сигнализации. Структура модуля пакетирования речи представлена на рис. 3.4

Определение активности речи заключается в том, что полученный сигнал проверяется на наличие в нем речевой информации. Если в течение определенного времени активность не обнаружена, то ПО информирует об этом протокол пакетной передачи речи. Данная функция позволяет избежать передачи речевых пауз, что может существенно влиять на эффективность использования полосы пропускания.

Рис. 3.4 Модуль пакетирования речи

Адаптация воспроизведения заключается в буферизации речевых кадров для их равномерного воспроизведения. Реализация этой функции имеет следующие особенности: организуется буфер FIFO (First In First Out), предназначенный для хранения речевых элементов перед воспроизведением и компенсации задержек при передачи речевых пакетов; выбирается время измерения джиттера, которое позволяет осуществлять адаптивный контроль задержки FIFO.

3.2.2 Программное обеспечение шлюза телефонной сигнализации

Данное ПО осуществляет телефонную сигнализацию для обнаружения нового вызова и собирает адресную информацию (номер вызываемого абонента), которая используется системой для передачи вызова в порт получателя. ПО взаимодействует с ЦПОС для детектирования и генерации тонов сигнализации, а также для управления режимами работы, основанное на наблюдении состояния телефонной линии. Кроме того, ПО взаимодействует с телефонным интерфейсом для обеспечения функций сигнализации.

Структура программного обеспечения шлюза телефонной сигнализации, представлена на рис. 3.5

Рис. 3.5 Структура ПО шлюза телефонной сигнализации

Функционирование ПО телефонной сигнализации происходит следующим образом: модуль телефонного интерфейса (цифровой вход) осуществляет периодический контроль интерфейсов сигнализации и в случае обнаружения вызова подключает модуль обработки вызовов, который поддерживает различные стандарты телефонной сигнализации. В модуле трансляции адресов телефонные номера преобразуются в сетевые адреса для передачи вызова по пакетной сети. На приемном конце модуль преобразования протоколов сигнализации переведет сообщения телефонной сигнализации, принятые в конкретной пакетной сети, в формат, совместимый с протоколом сигнализации инициатора сеанса связи.

Драйвер интерфейса ЦПОС занимается распределением управляющей информации между основным микропроцессором и одним или несколькими ЦПОС.

 

.2.3 Основные характеристики наиболее известных типов устройств речепреобразования (вокодеров)

Одним из основных узлов ПО пакетирования речи является устройство речепреобразования (вокодер).

Преобразование аналогового речевого сигнала в цифровой вид обычно осуществляется методом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). После такой обработки речевой сигнал уже пригоден для передачи по цифровым каналам. Однако для передачи такого цифрового потока необходимо выделение полосы пропускания 64 кбит/с (рекомендация ITU G.711 [11]), что является явно избыточным.

Существует еще одно преобразование речевого сигнала - адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16-32 кбит/с (стандарт ITU G.726 [14]). Метод основан на том, что в аналоговом сигнале, передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности. Поэтому если кодировать не саму амплитуду сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов. Блок-диаграмма кодека АДИКМ представлена на рис. 3.6

Рис. 3.6 Блок-диаграмма кодека АДИКМ

АДИКМ является основой стандарта ITU G.727 [15], который определяет преобразование речи методом EADPCM - Embedded Adaptive Differential Pulse Code Modulation (вложенная адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция). В данном стандарте речевой сигнал преобразуется в цифровой вид методом АДИКМ. Затем формируется речевой кадр, состоящий из блоков бит, причем первый блок содержит старшие биты всех закодированных отсчетов, второй блок - следующие по убыванию старшинства биты и т. д. В пределах блока, биты упорядочиваются согласно номеру отсчета, который они определяют. Особенность этого метода заключается в том, что некритичная к удалению информация расположена в позициях, где она может быть легко отвергнута (в конце кадра).

Например, в случае преобразования EADPCM в речевом кадре будет содержаться четыре блока, и наименее значимые блоки - два последних (блоки расширения), могут отвергаться в случае перегрузки. Эта особенность используется в рекомендации FRF.11 [19], регламентирующей передачу речи по сети Frame Relay. Согласно Приложению G этой рекомендации, сформированный методом EADPCM речевой кадр передается в двух кадрах Frame Relay: основная информация - в кадрах с битом DE = 0 (Discard Eligibility - Разрешение Сброса), и информация расширения - в кадрах с установленным битом (DE =1). Это означает что в случае перегрузки кадры с установленным битом DE могут быть уничтожены.

Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях о форме сигнала, эффективны лишь при скорости передачи цифрового речевого сигнала большей 32 кбит/с. Дальнейшее снижение скорости возможно путем устранения избыточности, содержащейся в речевом сигнале, на основе анализа речи при передаче и воссоздания при приеме. В результате по каналу связи передают не собственно речь в цифровом виде, а ее характеристики, позволяющие восстановить речевой сигнал при приеме. Для выполнения процессов анализа-синтеза речи используют специальные кодеры-декодеры речевого сигнала, называемые вокодерами (сокращение от английских слов voice coder).

Наиболее эффективными являются вокодеры на основе метода линейного предсказания речи. Процесс кодирования в этом случае разбивается на ряд типовых процедур, каждую из которых выполняют методами цифровой фильтрации. При кодировании выявляют периодические процессы в речевом сигнале, определяют их параметры, а затем устраняют из речевого сигнала избыточность, исключая найденные периодичности. В результате получают остаточный речевой сигнал, который аппроксимируют и передают вместе с параметрами периодических процессов в речи по каналу связи. Перечисленные процедуры составляют процесс анализа речи.

В приемнике, в декодирующем устройстве, по принятому остаточному сигналу и параметрам периодических процессов речи восстанавливают речевой сигнал, выполняя процесс синтеза речи.

Отметим, что при таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к вычислительным мощностям ЦПОС, 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 (см. рис. 3.7).

Рис. 3.7 Схема функционирования вокодера, реализованного на основе метода линейного предсказания речи

Более сложные методы сжатия речи основаны на применении метода линейного предсказания речи 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 кодирования, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи. На противоположном конце происходит восстановление речевого сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.

Одной из самых распространенных разновидностей описанного метода кодирования является метод LD-CELP - Low-Delay Code-Excited Linear Prediction (метод линейного предсказания с кодовым возбуждением и низкой задержкой). Он позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при скорости передачи по каналу меньшей 16 кбит/с. Этот метод был стандартизован ITU в 1992 г. как алгоритм кодирования речи G.728 [16]. Алгоритм применяется к цифровой последовательности, получаемой в результате аналого-цифрового преобразования речевого сигнала с 16-разрядным разрешением.

В марте 1995 г. ITU принял новый стандарт - G.723 [13]. Основой G.723 являются методы сжатия речи MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization) и ACELP (Algebraic CELP). Они позволяют добиться весьма существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества воспроизведения.

Характеристики некоторых основных алгоритмов кодирования речи приведены в табл. 3.1

Таблица 3.1 Основные характеристики наиболее известных типов вокодеров

Название алгоритма	Рекомендация	Скорость кодирования (кбит/с)	Размер кадра (мс)	Задержка при кодировании (мс)
PCM	ITU G.711	64	0.125	0.75
ADPCM	ITU G.726	32	0.125	1
LD-CELP	ITU G.728	16	0.625	От 3 до 5
CS-ACELP	ITU G.729	8	10	10
MP-MLQ	ITU G.723.1	6.3	30	30
ACELP	ITU G.723.1	5.3	30	30

Примечание:

РСМ - (Pulse Code Modulation) - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

CS-ACELP - (Conjugate Structure - Algebraic Code Excited Linear Prediction) - линейное предсказание с алгебраическим кодовым возбуждением и сопряженной структурой.

3.3 Методы оценки качества воспроизведения речи при цифровой передаче

Критерии и методы оценки качества воспроизведения речи подразделяются на объективные и субъективные. Объективные используют некоторые формализованные параметры, позволяющие судить о степени различия переданного по каналу связи и восстановленного на приёмной стороне сигналов. Однако, поскольку человек, как получатель информации, является основным потребителем услуг любой телекоммуникационной системы, качество сигнала может оцениваться по его субъективному восприятию речи.

Такие тесты обязательны при выборе стандартных кодеров, когда качество передачи речи в сетях общего пользования должно быть гарантировано.

Средняя экспертная оценка - MOS (Mean Opinion Scores) - это субъективное измерение, определённое в рекомендациях ITU-T для оценки качества передачи речи в телефонных сетях. Шкала оценок MOS приведена в табл. 3.2 при применении к речевой полосе (200... 3400 Гц).

Таблица 3.2 Шкала средней экспертной отценки MOS

Оценка	Качество	Искажения
5 4 3 2 1	Превосходно Хорошо Посредственно Плохо Неудовлетворительно	Незначительные Заметны, но не раздражающие Немного раздражают Раздражают, но не неудобны Очень раздражают

В табл. 3.3 приведены оценки MOS для наиболее распространённых кодеров.

Таблица 3.3 Показатели MOS основных алгоритмов кодирования речи

Название алгоритма	MOS
G.711 (PCM; 64 кбит/c)	4,1
G.726 (ADPCM; 32 кбит/c)	3,85
G.728 (LD-CELP; 16 кбит/c)	3,61
G.729 (CS-ACELP; 8 кбит/c)	3,92
G.723.1 (MP-MLQ; 6,3 кбит/c)	3,9
G.723.1 (ACELP; 5,3 кбит/c)	3,65

Оценка 3,5...4 относится к качеству сетей связи. Такое качество считается допустимым в приложениях, таких как голосовая почта и подвижная радиосвязь. Оценка 2,5...3 относится к качеству синтезированной речи.

Другие измерения направлены на оценку искажения качества (QDU, Quantization Distortion Units), которые определены в рекомендациях ITU-T G.113 как искажения, вносимые одной парой кодеров по стандарту G.711 ИКМ со скоростью 64 кбит/с. Для количественной характеристики ухудшения качества речи применяют единицы QDU. Величина 1 QDU соответствует ухудшению качества речи при цифровом преобразовании речи с использованием стандартной процедуры ИКМ. Дополнительная обработка речи ведёт к дальнейшему ухудшению её качества. Согласно рекомендациям ITU - Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14, причём передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU. Следовательно, при передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU: (2x5 + 4=14). Алгоритмы ADPCM, обеспечивающие скорость 32 кбит/с (G.726 [14]), LD-CELP (G.728) и CS-CELP (G.729 [17]) могут «испортить» качество речи на 3.5 QDU, а алгоритм ADPCM при 24 кбит/с - на 7 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 по отношению ко всем сетям, подключаемых к сетям общего пользования.

Еще одним распространенным методом оценки качества воспроизведения речи является артикуляционный метод - критерий разборчивости. В его основе лежит измерение разборчивости S, %, которая определяется процентом правильно принятых элементов речи - звуков, слогов, слов или фраз. При некоторых типах искажений разборчивость функционально связана с другими показателями качества, например отношением сигнал-шум (ОСШ), и достаточно полно характеризует качество речи в целом.

В ряде случаев возникает необходимость перехода от одного вида разборчивости к другой, которая осуществляется на основе существующих объективных зависимостей между формантной А, звуковой D, слоговой S, словесной W и фразовой I разборчивостью. Наиболее широко распространённые зависимости приведены на рис. 3.8

Рис. 3.8 Функциональные зависимости различных видов разборчивости речи

Самым популярным и широко применяемым тестом на разборчивость является диагностический тест на рифмы (DRT, Diagnostic Rhyme Test). В этом тесте представлено одно слово из каждой группы рифмованных слов, и слушателя просят определить, какое слово было произнесено. Слова каждой группы, например «дом - том», различаются только первым согласным. Затем представляется оценка этого теста в процентном соотношении правильно определённых слов Q:

где N_R- число верных ответов; N_w - число неверных ответов; N - общее число использованных слов.

Обычно оценка этого теста колеблется от 75 до 95 %. Для определения смысла полученных результатов с оценками разборчивости обычно связывают категории характеристик. Например, 95... 100 соответствует «превосходно», 87...95 - «хорошо», 79...87 - «посредственно», 70...79 -«недостаточно», меньше 70 рассматривается как недопустимый результат или «плохо».

Для большинства стандартных кодеров речи, работающих на скоростях выше 4 кбит/с, оценка DRT выше 90%.

К недостаткам перечисленных методов оценки качества речи в первую очередь следует отнести низкую оперативность и сложность получения результатов. Поэтому чаще всего предпочитают использовать объективные (формализованные показатели) качества.

Объективные измерения эффективны с точки зрения цены и повторяемости результатов, однако много внимания должно быть уделено выбору правильного метода измерения для данных типов кодеров. Примеры объективных измерений речи включают:

·        отношение сигнал/шум и воспринимаемое взвешенное отношение сигнал/шум;

·        индекс артикуляции (AI);

·        искажения логарифмического спектра (LSD) и логарифмическое кепстральное расстояние (LCD).

Наиболее общим измерением искажений является среднеквадратическая ошибка (Mean Square Error, MSE), определяемая как:

 

где х - вектор входных значений, у - вектор оценок, N - общее число отсчетов.

Популярность среднеквадратической ошибки связана с её простотой. В методе среднеквадратической ошибки допускается, что искажения, вносимые каждым элементом вектора х, имеют равный вес. В общем случае можно ввести неравные веса, чтобы отразить вклады отдельных элементов в искажение как более важные, чем другие. Таким образом, взвешенная среднеквадратическая ошибка определяется как:

 

где W- положительно определённая взвешивающая матрица.

Для количественной оценки качества речевого сигнала обычно используют нормированный показатель погрешности, характеризующий средний квадрат ошибки воспроизведения  , усреднённой по времени и приведённой к дисперсии сообщения  :

 (1)

Величина, обратная нормированному показателю погрешности, является отношением мощности сигнала к мощности шумов:

При объективных методах оценки для анализа качества систем передачи речи необходимо оценивать отношение мощности сигнала к суммарной мощности шума - ОСШ_E и знать взаимосвязь между ОСШ_E и S.

Известно, что значения ОСШ имеют устойчивую связь с субъективными оценками качества восприятия речи. При субъективных оценках наиболее часто используются численные характеристики разборчивости фрагментов речи, в частности слогов. Для слоговой разборчивости S* найдены функции взаимосвязи с другими видами разборчивости: слов, фраз, фонем.

Поскольку в выражении (1) используется дисперсия сигнала  и шума , вычисленные (или измеренные) за время речевого теста, данный показатель будем именовать долгосрочным ОСШ.

Следует отметить, что исследование цифровых методов передачи речи и особенно различных адаптивных методов кодирования, выявили серьёзные расхождения субъективных оценок при одинаковых значениях ОСШ. Это объясняется различным характером искажений, создаваемых адаптивными и неадаптивными системами передачи. В неадаптивных системах имеет место стационарный шум с уровнем, независящим от уровня сигнала. Качество тракта передачи при этом определяется, главным образом, по восприятию шума в паузах речи. В адаптивных системах шумы незанятого канала могут быть неощущаемыми на слух. Восприятие искажений будет определяться нестационарным сопровождающим шумом, дисперсия которого определяется и уровнем сигнала и его спектральными характеристиками. В связи с этим при объективной оценке различных алгоритмов кодирования и восстановления речи используются специальные устройства, генерирующие шум, коррелированный с речевым сигналом. Такие устройства называются MNRU (Modulated Noise Reference Unit).

Использование MNRU позволяет учесть нестационарность возникновения шумов при изменении текущей мощности речевого сигнала. Отметим, однако, что не учитывается изменение модели спектра сигнала при произношении вокализованных и невокализованных звуков.

Кроме того, при использовании адаптивных кодеров, например АДИКМ, выявились значительные расхождения субъективных и объективных оценок. В результате для оценки качества предложена более корректная оценка, получившая название сегментного ОСШ:

 

где  и  - дисперсии ошибок речевого сообщения и ошибки, вычисленные на i-м сегменте длительностью Т, М - общее количество сегментов в испытуемом сигнале.

Взаимосвязь качества речи в баллах и значений ОСШ - суммарного и сегментного ОСШ _сег представлена в табл. 3.4

Таблица 3.4 Распределение оценки качества речи в баллах

Балл	ОСШE, Дб	ОСШсег , Дб
5 4 3 2 1	25 20.0 15.4 10.7 5.9	29 23.3 17.8 12.8 6.7

3.4 Требования различных типов приложений к качеству обслуживания

Основной движущей силой развития сети являются приложения. В ответ на постоянно растущие требования приложений к пропускной способности сети появляются новые высокоскоростные технологии. Перенос в компьютерные сети новых видов трафика: IP-телефонии, аудио- и видеовещания, привел к появлению новых требований, связанных с обеспечением низкого уровня задержек пакетов, поддержкой групповой доставки пакетов и т. д. Простое повышение пропускной способности сети уже больше не является гарантией того, что разнообразные приложения, работающие в сети, получат то обслуживание, которое им требуется. Нужны новые механизмы обеспечения качества обслуживания, учитывающие всё многообразие требований, предъявляемых приложениями к сети.

К настоящему времени проделана большая работа по классификации трафика различных приложений. В качестве основных критериев классификации были приняты три характеристики трафика:

·          относительная предсказуемость скорости передачи данных;

·        чувствительность трафика к задержкам пакетов;

·        чувствительность трафика к потерям и искажениям пакетов.

В отношении предсказуемости скорости трафика приложения делятся на два больших класса.

Приложения, трафик которых представляет собой равномерный поток (Stream). Этот класс приложений характеризуется высокой степенью предсказуемости порождаемого трафика, который поступает в сеть со сравнительно постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR). Хотя скорость потока может изменяться, тем не менее, она имеет легко вычисляемую верхнюю границу. Например, аудиопотоки данных являются трафиком CBR, и для элементарного голосового потока верхняя граница известна - она равна 64 Кбит/с.

Приложения с пульсирующим трафиком (Burst). Отличаются высокой степенью непредсказуемости, когда периоды молчания сменяются пульсацией, соответствующей доставке больших «блоков данных». В результате трафик характеризуется переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR). Так, при работе приложений файлового сервиса интенсивность трафика, требуемая приложению, может увеличиться от нуля, когда файлы не передаются, до бесконечности, когда после передачи запроса с координатами файла приложению требуется как можно более быстрая передача данных файла. (Понятно, что реальная скорость передачи ограничена возможностями сети.) Строго говоря, любые приложения генерируют пульсирующий трафик, в том числе и потоковые. Просто коэффициент пульсации (то есть отношение максимальной мгновенной скорости к средней) у этих двух приложений существенно отличается. Если у приложений с пульсирующим трафиком они обычно находится в пределах от 10:1 до 100:1 и более, то у приложений с CBR этот коэффициент не превышает 1:8, в обычных условиях 1:1, 5...7.

Критерий классификации приложений по типу трафика учитывает их чувствительность к задержкам пакетов. Основные типы приложений в порядке повышения чувствительности к задержкам пакетов следующие:

·        Асинхронные приложения: практически нет ограничений на время задержки («эластичный» трафик). Пример такого приложения - электронная почта.

·        Синхронные приложения: чувствительны к задержкам, но допускают их.

·        Интерактивные приложения: задержки могут быть замечены пользователями, но они не сказываются негативно на функциональности приложений. Пример: текстовый редактор, работающий с удалённым файлом.

·        Изохронные приложения: имеется порог чувствительности к задержкам, при превышении которого резко снижается функциональность приложения. Пример: передача голоса, когда при превышении порога задержек в 100-150 мс резко снижается качество воспроизводимого голоса.

·        Сверхчувствительные к задержкам приложения: задержка доставки данных сводит к нулю функциональность приложения. Пример: приложения, управляющие техническим объектом в реальном времени.

Вообще говоря, интерактивность приложения всегда повышает его чувствительность к задержкам. Например, широковещательное распространение аудиоинформации может выдерживать значительные задержки передачи пакетов, а интерактивный телефонный разговор не терпит их.

Наряду с приведённой выше классификацией, тонко дифференцирующей чувствительность приложений к задержкам и их вариациям, существует и более грубое деление приложений по этому же признаку на два класса: асинхронные и синхронные приложения. К асинхронным относят те приложения, которые не чувствительны к задержкам передачи данных в очень широком диапазоне, вплоть до нескольких секунд, а все остальные приложения, на функциональность которых задержки влияют существенно относят к синхронным приложениям. К синхронным приложениям в этом широком смысле относятся такие типы приложений приведенной выше тонкой классификации, как изохронные и сверхчувствительные. Интерактивные приложения могут относиться как к асинхронным (например, текстовый редактор), так и к синхронным (например, видеоконференция).

И, наконец, третьим критерием классификации приложений является их чувствительность к потерям пакетов. Здесь обычно делят приложения на две группы.

Чувствительные к потерям пакетов приложения. Практически все приложения, передающие алфавитно-цифровые данные (к которым относятся текстовые документы, коды программ, числовые массивы и т.п.), обладают высокой чувствительностью к потере отдельных, даже небольших, фрагментов данных. Такие потери часто ведут к полному обесцениванию остальной, успешно принятой информации. Например, отсутствие хотя бы одного байта в коде программы делает её совершенно неработоспособной. Все традиционные сетевые приложения (файловый сервис, сервис баз данных, электронная почта и т.д.) относятся к этому типу приложений.

Устойчивые к потерям приложения. К этому типу относят многие приложения, передающие трафик, несущий информацию об инерционных физических процессах. Устойчивость к потерям объясняется тем, что небольшое количество отсутствующих данных можно определить на основе принятых. Так, при потере одного пакета, несущего несколько последовательных замеров голоса, отсутствующие замеры при воспроизведении голоса могут быть заменены аппроксимацией на основе соседних значений. К такому типу приложений относится большая часть приложений, работающих с мультимедийным трафиком (аудио- и видеоприложения). Однако устойчивость к потерям имеет свои пределы, поэтому процент потерянных пакетов не может быть большим, например не более 1%. Можно отметить также, что не любой мультимедийный трафик так устойчив к потерям данных, например, компрессированный голос или видеоизображение очень чувствительны к потерям, поэтому относятся к первому типу приложений.

Вообще говоря, между значениями трёх, приведенных выше, характеристик качества обслуживания нет строгой взаимосвязи. То есть, приложение с равномерным потоком может быть как асинхронным, так и синхронным, синхронное приложение может быть как чувствительным, так и нечувствительным к потерям пакетов. Однако практика показывает, что из всего многообразия возможных сочетаний этих трех характеристик есть несколько таких, которые охватывают большинство используемых сегодня приложений.

Например, следующее сочетание характеристик приложения «порождаемый трафик - равномерный поток, изохронное, устойчивое к потерям» соответствует таким популярным приложениям, как IP-телефония, поддержка видеоконференций, аудиовещание через Internet.

 

3.5 Факторы, влияющие на качество речи, передаваемой по сетям передачи данных с пакетной коммутацией

Передача телефонного трафика по сетям с пакетной коммутацией сопряжена с определенными трудностями, которые вытекают из естественных особенностей телефонного разговора.

Основное нежелательное явление - задержка передачи речевого сигнала от одного абонента другому. Задержка вызывает два нежелательных явления - эхо и наложение речи.

Под эхом понимается физический процесс отражения звуковых сигналов, поступающих на дифференциальную систему, осуществляющую согласование 4-проводного и 2-проводного каналов. Отраженные таким образом сигналы поступают обратно к говорящему абоненту и ухудшают разборчивость принимаемой речи.

Эхо становится существенной проблемой, если задержка распространения звукового сигнала от источника к приемнику и обратно становится большей 50 мс. В сетях с пакетной коммутацией такая задержка почти всегда выше 50 мс, и в связи с этим должен быть предусмотрен механизм устранения эха.

Наложение речи - процесс, при котором речь одного говорящего прослушивается в телефоне другого в тот момент, когда он ведет активный разговор, в отличие от эха, когда абонент прослушивает собственный голос. Согласно рекомендации ITU-T G.114 [12] данная проблема становится существенной, если односторонняя задержка становится большей 150 миллисекунд.

Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов.

а) Задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера.

б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать цифровой процессор обработки сигналов такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или, по крайней мере, равна задержке накопления. Выбор ЦПОС можно сделать на основании данных о сложности применяемого алгоритма кодирования. Эти данные приведены в табл. 3.5. Производительность ЦПОС должна быть выше или равна указанным величинам.

Таблица 3.5 Показатели сложности алгоритмов

Стандарт	Сложность алгоритма (млн. оп/с)
G.726 (ADPCM)	8
G.728 (LD-CELP)	40
G.729 (CS-ACELP)	30
G. 723.1 (ACELP, MP-MLQ)	20

в) Задержка формирования пакетов. Эта задержка вызвана процессом подготовки речевых пакетов (как информационных единиц протоколов). Например, в одном пакете могут быть собраны три речевых кадра, полученных в результате преобразования G.729 (30 мс речи). Это приводит к тому, что задержка пакета составит 30 мс, а не 10 мс, как если бы в нем передавался 1 кадр.

г) Сетевая задержка. Эта задержка возникает при передаче пакетов по сети и зависит от используемых в сети каналов и протоколов передачи, а также приемных буферов для удаления джиггера. Данная задержка может занимать существенную часть общей задержки, и в некоторых сетях IP и Frame Relay составляет 70 - 100 мс и больше.

Рассмотрим проблему удаления джиггера в приемном буфере, так как эта операция может существенно влиять на задержку сети. По определению, джиггер - это величина, равная разнице во времени между моментами времени поступлений пакетов в приемный буфер, которая возникает вследствие передачи пакетов по сети. Процедура удаления джиггера заключается в объединении пакетов и удержании их некоторое время в буфере, чтобы позволить самым «медленным» пакетам успеть прибыть и занять соответствующее место в последовательности. Естественно, это приводит к дополнительной задержке. Таким образом, две противоречивые цели уменьшения задержки и удаления джиггера привели к созданию различных схем оптимизации размера приемного буфера. Эта оптимизация имеет цель уменьшения размера приемного буфера и вносимой задержки, а также предотвращает приемный буфер от переполнения. Возможны два подхода к оптимизации размера приемного буфера.

Первый подход состоит в наблюдении изменения уровня (порядкового номера) пакета в приемном буфере за некоторый период времени и постепенно приводить размер буфера в соответствие с расчетным джиттером. Этот подход более всего пригоден для сетей, которые обеспечивают последовательное изменение джиггера во времени.

Второй подход состоит в том, чтобы подсчитать число пакетов, прибывших с опозданием, и определить отношение таких пакетов к числу успешно обработанных пакетов. Этот коэффициент затем используется, чтобы отрегулировать приемный буфер. Это подход лучше всего использовать в сетях, для которых характерны большие изменения интервалов между прибываемыми пакетами, например, в сетях IP.

Для того, чтобы обеспечить гарантированное качество речевой связи, сеть должна быть конфигурируема и управляема таким образом, чтобы обеспечивать минимальную задержку и джиттер.

При передаче сообщений по сетям передачи данных с пакетной коммутацией нередко случаются потери отдельных пакетов. Это явление возникает вследствие искажения пакетов в канале связи, а также при применении схем удаления джиттера приемного буфера. При передаче данных эта проблема легко решается соответствующими протоколами, но в случае передачи речи эти протоколы могут быть неприменимы из-за вносимых ими задержек.

Получили распространение следующие подходы решения данной проблемы.

а) Замена потерянного пакета предыдущим успешно принятым пакетом. Этот подход применим, когда количество потерянных пакетов невелико (до 5%).

б) Передача избыточной информации за счет дополнительного использования полосы пропускания. В этом случае вместе с n+1-м пакетом посылается и n-й пакет. Однако в случае использования этого подхода нерационально используется полоса пропускания и создается большая задержка.

 

3.6 Меры по обеспечению гарантированного качества передачи речи

Для того, чтобы привести все нежелательные факторы, возникающие при передаче речи по сетям с пакетной коммутацией, в соответствие с допустимыми нормами, необходимо придерживаться ряда мер по обеспечению гарантированного качества услуг (Quality of Service, QoS).

Обеспечить гарантированное качество услуг - значит распределить внутренние сетевые ресурсы коммутаторов и маршрутизаторов таким образом, чтобы данные могли передаваться точно по назначению, быстро, стабильно и надежно. Существует несколько способов обеспечения QoS. Самый простой из них - увеличение полосы пропускания сети. Можно использовать и такие приемы, как задание приоритетов данных, организация очередей, предотвращение перегрузок и формирование трафика. Управление сетью по заданным правилам в перспективе должно объединить все эти способы в единую автоматизированную систему, которая будет гарантировать качество услуг абсолютно на всех участках сети.

Базовая архитектура службы QoS включает элементы трех основных типов, представленных на рис. 3.9

Рис. 3.9 Базовая архитектура средств QoS

) Средства QoS узла сети, выполняющие обработку поступающего в узел трафика в соответствии с требованиями качества обслуживания.

) Протоколы QoS-сигнализации для координации работы сетевых элементов по поддержке качества обслуживания «из-конца - в-конец».

) Централизованные функции политики, управления и учёта QoS, позволяющие администраторам сети централизованно воздействовать на сетевые элементы для разделения ресурсов сети между различными видами трафика с требуемым уровнем QoS.

Средства QoS узла - основной исполнительный механизм службы QoS, так как именно они непосредственно влияют на процесс продвижения пакетов между входными и выходными интерфейсами коммутаторов и маршрутизаторов и, следовательно, определяют вклад данного устройства в характеристики качества обслуживания сети. Средства QoS узла в свою очередь могут включать компоненты двух типов:

·                 механизмы обслуживания очередей;

·              механизмы кондиционирования трафика.

Механизмы обслуживания очередей являются необходимым элементом любого устройства, работающего по принципу коммутации пакетов. Когда скорость поступления трафика становится больше скорости его продвижения, возникают очереди. Как раз в такие периоды и нужны механизмы обслуживания очередей: варьируя выборкой пакетов, они влияют на время их нахождения в очереди, а значит, и на величину задержки - один из важнейших параметров качества обслуживания. По умолчанию в сетевых устройствах очереди обслуживаются по простейшему алгоритму FIFO ("первым пришел - первым обслужен"), что достаточно только для реализации сервиса "по мере возможности", для поддержки же "истинных" сервисов QoS нужны более сложные механизмы, обрабатывающие несколько классов потоков, например алгоритмы приоритетного или взвешенного обслуживания.

Механизмы кондиционирования трафика решают задачу создания условий для качественного обслуживания трафика другим способом - не за счет выбора оптимального алгоритма обслуживания очереди, а за счет ее сокращения. При этом сокращение очереди достигается путем воздействия на входной трафик: например, снижения скорости поступления потока в данный узел, уменьшения его неравномерности и т. п. Механизм кондиционирования трафика обычно включает выполнение следующих функций.

§   Классификация трафика выделяет из общей последовательности пакетов, поступающих в устройство, пакеты одного потока с общими требованиями к качеству обслуживания. Классификация может выполняться на основе различных формальных признаков пакета - адресов источника и назначения, значений портов TCP/UDP, значения приоритета, значения метки потока (в версии IPv6).

§   Профилирование трафика на основе правил (policing) подразумевает проверку соответствия каждого входного потока параметрам его профиля. В случае нарушения параметров профиля (в частности, при превышении длительности посылки или средней скорости) происходит отбрасывание или маркировка пакетов этого потока. Отбрасывание нечастых пакетов снижает интенсивность потока и приводит его параметры в соответствие с указанными в профиле. Маркировка пакетов без отбрасывания нужна для того, чтобы они все же были обслужены данным узлом (или последующими по потоку), пусть и с более низким качеством (например, с увеличенным значением задержки). Для проверки соответствия входного трафика заданному профилю механизм кондиционирования выполняет измерение параметров потока. Для этого, например, используется алгоритм "дырявого ведра" (leaky bucket).

§   Формирование трафика (shaping) предназначено для придания прошедшему профилирование трафику нужного распределения по времени. С помощью данной функции стремятся сгладить пульсации трафика, чтобы поток пакетов на выходе из устройства был более равномерным, чем на входе. Сглаживание пульсаций уменьшает очереди в сетевых устройствах, которые будут обрабатывать трафик далее по потоку. Формирование трафика целесообразно и для восстановления временных соотношений трафика приложений, работающих с равномерными потоками, например голосовых приложений.

Механизмы кондиционирования трафика могут быть реализованы в каждом узле сети либо только в пограничных устройствах. Последний вариант часто используют провайдеры при кондиционировании трафика своих клиентов.

Протоколы сигнализации QoS нужны для того, чтобы механизмы QoS в отдельных узлах могли обмениваться служебной информацией для координации усилий по обеспечению параметров качества обслуживания на всем пути следования потока, т. е. "из конца в конец". Например, с помощью средств сигнализации приложение может зарезервировать себе вдоль всего маршрута следования требуемую среднюю пропускную способность (для сетей IP эту функцию поддерживает протокол RSVP).

Одно из примитивных средств сигнализации - маркировка пакета признаком с информацией о требуемом для него качестве обслуживания. Наиболее часто для этого используется поле приоритета (в пакете IPv4 - первые три бита поля Type Of Service, TOS). Перемещаясь от устройства к устройству, пакет переносит вдоль пути следования свои требования к качеству обслуживания, правда, в достаточно обобщенной форме - так как поле приоритета имеет всего несколько возможных значений, то и качество обслуживания будет предоставляться дифференцированно по нескольким агрегированным потокам сети.

Инициировать работу протокола сигнализации может не только конечный узел, но и промежуточное устройство. Например, пограничный маршрутизатор в сети провайдера способен выполнить классификацию трафика и зарезервировать данному потоку клиента некоторую пропускную способность. В этом случае координация сетевых устройств будет происходить не на всем пути следования трафика, а только в пределах сети данного провайдера, что, конечно, снижает качество обслуживания трафика.

Централизованные функции политики, управления и учета QoS не обязательно присутствуют в архитектуре службы QoS, но они очень желательны в крупных сетях. Каждый пользователь и каждое приложение стремятся получить обслуживание с максимально высоким уровнем качества (например, пропускной способности). Следовательно, необходимы средства, с помощью которых администратор мог бы задавать рациональный уровень качества обслуживания для отдельных пользователей и приложений или для их групп. Функции политики позволяют администратору создавать правила, по которым сетевые устройства могут формально, на основании набора признаков, распознавать отдельные типы трафика и применять к ним определенные возможности QoS.

Правила могут конфигурироваться и храниться отдельно в каждом сетевом устройстве. Однако это требует от администратора крупной сети значительных усилий и служит источником большого количества ошибок, что приводит к несогласованной работе сетевых устройств. К примеру, одно из них выделило некоторому потоку пропускную способность 1 Мбит/с, а другое - 1 Кбит/с.

Для крупной сети необходимость централизации средств QoS достаточно очевидна. В этом случае единые правила, справедливые для всех устройств сети, хранятся на сервере политики (или нескольких серверах, что позволяет обеспечить надежность и производительность системы поддержки политики). Администратор конфигурирует правила в одной точке, что снижает затраты его труда и количество ошибок. Затем с помощью специального протокола они распространяются по всем сетевым устройствам, поддерживающим качество обслуживания, а те, в свою очередь, применяют их для кондиционирования трафика и управления очередями в соответствии с указанными параметрами.

Службы QoS с централизованными системами поддержки политики, называются службами QoS на базе правила (policy-based QoS). Правила политики, координирующие работу сетевых устройств, полезны не только для управления QoS, но и для выполнения других функций, например защиты трафика. Поэтому централизованная система политики сети обычно базируется на общей справочной службе сети (Directory Service, DS), где традиционно хранятся все учетные данные о пользователях. В последнее время ее назначение расширено для хранения самых разнообразных данных о сети, в том числе и данных о политике QoS, политике безопасности и т. п.

3.6.1 Назначение приоритетов

Способы приоритезации данных можно условно подразделить на явные и неявные. При неявном назначении приоритетов маршрутизатор или коммутатор автоматически присваивает передаваемым пакетам соответствующие уровни, исходя из заданных администратором сети критериев (например, типа приложения для применяемого протокола передачи или адреса источника). Каждый входящий пакет анализируется (фильтруется) на соответствие этим критериям. Механизм неявной приоритезации поддерживают практически все маршрутизаторы.

При явной приоритезации данных соответствующее приложение запрашивает определенный уровень службы, а коммутатор или маршрутизатор пытается удовлетворить запрос. Вероятно, самым популярным механизмом явной приоритезации станет протокол IP Precedence (протокол старшинства), получивший второе название IP TOS (IP Type Of Service). IP TOS резервирует ранее не используемое поле TOS в стандартном заголовке пакета IP, где могут быть указаны признаки QoS, определяющие время задержки, скорость передачи и уровень надежности передачи пакета.

Три первых бита этого поля (0 - 2) позволяют устанавливать восемь уровней приоритета (IP Precedence):

- управление сетью (Network Control);

- межсетевое управление (Internetwork Control);

101-CRITIC/ECP;

- сверхсрочный (Flash Override);

- срочный (Flash);

- неотложный (Immediate);

- приоритетный (Priority);

000 - обычный (Routine).

В документе RFC 791 биты 3, 4 и 5 были выделены для указания трёх классов обслуживания:

бит 3: задержка 0 - нормальная, 1 - низкая;

бит 4: пропускная способность 0 - нормальная, 1 - высокая;

бит 5: надёжность 0 - обычная, 1 - высокая.

Биты 6 и 7 были зарезервированы для будущего использования. Однако после принятия документа RFC 1349 ранее разобщённые биты 3,4,5 и 6 стали рассматриваться как единое целое и называться полем toss. Они служат для указания следующих классов обслуживания:

- с низкой задержкой;

- с высокой пропускной способностью;

- с высокой надёжностью;

-е низкой стоимостью;

- стандартный (normal).

Принципиальная разница между двумя указанными в байте ToS параметрами - уровнем приоритета (IP Precedence) и классом обслуживания (поле ToS) - заключается в следующем: первый предназначен для указания приоритета конкретной дейтаграммы и учитывается при обслуживании очередей; второй позволяет определять, какое соотношение между пропускной способностью, задержкой, надёжностью и стоимостью оптимально для данного типа трафика, и соответствующим образом выбирать маршрут его передачи.

Протокол резервирования ресурсов RSVP предусматривает более сложный, чем в IP TOS, механизм передачи от приложения к машрутизатору запроса на гарантированное качество услуг. Как и IP TOS, протокол RSVP пока не получил широкой поддержки разработчиков - он реализован лишь в отдельных типах маршрутизаторов. Распространение RSVP сдерживается из-за того, что не решены некоторые вопросы, связанные с совместимостью различных сетей. К тому же применение RSVP значительно увеличивает нагрузку на маршрутизаторы и может привести к снижению быстродействия этих устройств.

Видимо, в обозримом будущем неявная приоритезация, не требующая серьезных вычислительных мощностей маршрутизатора, останется более популярной, чем явная. Кроме того, при явном задании приоритетов значительно усложняется управление сетью. Конечные пользователи, скорее всего, будут настраивать свое программное обеспечение на запрос наивысшего из возможных уровней услуг. Соответственно, администратору сети придется разрабатывать правила управления пользователями и, возможно, даже настраивать службы с гарантированным качеством для каждого пользователя в отдельности.

 

.6.2 Организация и обслуживание очередей

После того, как передаваемым по сети данным назначены соответствующие приоритеты (при помощи явных или неявных методов), требуется определить порядок передачи этих данных, задав алгоритм обслуживания очередей с необходимым качеством (уровнем QoS). По сути, очереди представляют собой области памяти коммутатора или маршрутизатора, в которых группируются пакеты с одинаковыми приоритетами передачи. Алгоритм обслуживания очереди определяет порядок, в котором происходит передача хранящихся в ней пакетов. Смысл применения всех алгоритмов сводится к тому, чтобы обеспечить наилучшее обслуживание трафика с более высоким приоритетом при условии, что и пакету с низким приоритетом гарантируется соответствующее внимание.

Наиболее известными алгоритмами обработки очередей являются алгоритмы: FIFO (First In First Out) «первым пришел - первым обслужен», PQ (Priority Queuing) - с абсолютным приоритетом, CQ (Custom Queuing) - настраиваемый, WFQ (Weighted Fair Queuing) - равномерного пропорционального (или взвешенного) обслуживания. Каждый из этих механизмов был создан для решения конкретных задач и по-разному воздействует на потоки данных и производительность сети.

Механизм FIFO, по сути, не предполагает никакого управления трафиком и предназначен для обслуживания одной очереди. Но он работает очень быстро и при отсутствии перегрузок его использование на скоростных интерфейсах (более 2 Мбит/с) вполне оправданно.

Механизм PQ предоставляет безусловный приоритет доступа к каналу для трафика, определенного списком доступа. Деление трафика может быть выполнено на основании разных критериев, например по типу протокола, адресу подсети или конкретного хоста, номеру протокольного порта TCP. Передача трафика из менее приоритетных очередей начинается только после полного освобождения более приоритетных. Механизм PQ предусматривает наличие всего четырех очередей.

Механизм CQ делит полосу пропускания между разными очередями пропорционально их весу. Очереди обслуживаются в циклическом порядке, причем из каждой берется число байт, пропорциональное ее весу. При отсутствии трафика в очереди начинается обработка следующей, таким образом пропускная способность канала связи динамически распределяется между очередями с трафиком. Наполнение очередей, как и в случае механизма PQ, осуществляется на основе списков доступа. Механизм CQ поддерживает до 16 очередей.

Для обработки трафика реального времени, в первую очередь речевого и видео, лучше всего подходит механизм WFQ. При использовании WFQ весь трафик с одинаковым уровнем приоритета попадает в очереди одного класса обслуживания, в пределах которого все потоки получают равные права на доступ к каналу, что обеспечивает им приблизительно равную задержку.

Алгоритм WFQ работает с учетом двух основных механизмов сигнализации QoS - IP Precedence и RSVP. На этапе классификации трафика, в ходе которой могут учитываться разные характеристики потока, например номера протокольных портов TCP, каждому потоку назначается вес, определяющий порядок его отправки. Протокол RSVP использует WFQ для того, чтобы выделить буферное пространство и гарантировать в будущем полосу пропускания для обслуживаемых им (RSVP) потоков. Механизм WFQ минимизирует необходимость настройки, автоматически адаптируясь к изменению состояния сети и уровня загрузки интерфейса. Он позволяет эффективно использовать полосу пропускания канала, передавая трафик из очередей с малым приоритетом, если высокоприоритетные очереди пусты.

Еще одним достоинством механизма WFQ является то, что он заметно улучшает работу других алгоритмов, например, по контролю за перегрузкой, и «медленный старт» (оба относятся к TCP). Все это обеспечивает более предсказуемую загрузку каналов и стабилизирует время ответа для всех активных потоков. Данный эффект объясняется тем, что WFQ вынуждает источники TCP-потоков, способные адаптироваться к состоянию сети, передавать данные как можно более равномерно (в рамках своего веса), сглаживая выбросы в обе стороны и перераспределяя полосу пропускания при завершении потоков или появлении новых. Это приводит к более «организованному» использованию канала и, следовательно, к более эффективному расходованию его ресурсов.

Следует отметить, что основные производители маршрутизаторов сами разрабатывают алгоритмы обслуживания очередей и используют для их описания собственную терминологию.

 

.6.3 Управление нагрузкой

Служба QoS дает возможность использовать для управления сетью два важных механизма - управления в условиях перегрузки и предотвращения перегрузок. Первый из них позволяет конечной станции сразу снижать скорость передачи данных, когда в сети начинается потеря пакетов. В протоколах TCP/IP и SNA этот механизм поддерживается уже в течение нескольких лет. И хотя сам по себе он не гарантирует качества передачи, при его использовании совместно с механизмом предотвращения перегрузок результаты оказываются намного лучшими. В сетях TCP/IP механизм предотвращения перегрузок применяется достаточно давно.

Стандартным способом предотвращения перегрузок в сети стало применение механизма случайного выделения пакетов (Random Early Detection, RED). При заполнении очередей выше определенной критической отметки этот механизм заставляет маршрутизатор выбирать из очереди по случайному закону некоторые пакеты и «терять» их. Скорость передачи данных станциями-отправителями снижается, что и позволяет избежать переполнения очереди.

Механизм пропорционального случайного выделения пакетов - WRED (Weighted RED) можно считать следующей, более совершенной «версией» RED. Он базируется на алгоритме RED и учитывает значения битов IP Precedence. Учет механизмом WRED значений битов IP Precedence позволяет «оберегать» пакеты с более высоким приоритетом и обеспечивать разные уровни производительности для потоков с разным классом сервиса.

Последние усовершенствования, внесенные в алгоритм WRED (Flow-WRED), позволяют учитывать значимость каждого потока так же, как это делается в механизме WFQ. Как только поток превышает предустановленный лимит буферного пространства выходного интерфейса, вероятность сброса его пакетов повышается. Благодаря этому предотвращается захват полосы пропускания канала теми потоками, которые не способны реагировать на перегрузки.

 

.6.4 Формирование трафика

Формирование трафика - это общий термин, которым принято обозначать различные способы манипулирования данными для повышения качества их передачи. Один их таких способов - сегментация пакетов. В сетях ATM гарантированно высокий уровень QoS достигается в том числе и за счет малого размера передаваемых пакетов (ячеек - в терминологии ATM). Максимальное время задержки при передаче любого пакета сети ATM - это время передачи одной ячейки.

Заимствуя полезные механизмы технологии ATM, производители маршрутизаторов и коммутаторов начинают обеспечивать в своих продуктах возможность сегментации пакетов. Например, маршрутизаторы Cisco серии 12000 имеют встроенный механизм сегментации пакетов на ячейки размером 64 байта, что позволяет гарантировать качество передачи данных маршрутизатором. Некоторые устройства, предназначенные для сетей Frame Relay, сегментируют пакеты, передаваемые по каналам глобальных сетей, чтобы гарантировать конкретное время передачи и минимизировать задержки.

Еще одним способом повышения качества передачи данных является сжатие заголовков RTF-пакетов (Compressed Real-Time Protocol -GRTP). Использование протокола CRTP позволяет уменьшить размер заголовка RTP-пакета с 40 до 2 - 4 байт, что, в свою очередь, примерно в два раза уменьшает полосу пропускания, необходимую для передачи речевого потока, обработанного, например, кодеком G.729

 

.6.5 Объединение всех средств реализации QoS

Независимо от того, с помощью каких средств реализуется QoS в маршрутизаторе или коммутаторе, это устройство выполняет свою часть работы по передаче данных отдельно от других элементов сети. Пакет, успешно миновавший несколько узлов, может «застрять» в устройстве, не поддерживающем необходимые механизмы гарантии качества услуг. Устройства, через которые пакет уже прошел, не могут повлиять на его маршрут, чтобы предотвратить попадание пакета в несовершенный элемент сети.

Однако в настоящее время уже разрабатываются так называемые policy-based management systems, т. е. системы управления сетью по заданным правилам. В их функции входит объединение всех средств и формирование алгоритмов управления, обеспечивающих QoS на всех участках сети.

Специальное ПО, которое использует данные мониторинга и параметры администрирования, будет следить за работой сети, определять оптимальные способы реализации заданного уровня QoS и динамически настраивать маршрутизаторы и коммутаторы. Серверы правил будут "опираться" и на данные сетевых каталогов, устанавливая с их помощью, какие уровни служб соответствуют уровню запроса пользователя или приложения. Для связи серверов и каталогов чаще всего будет служить протокол LDAP (Lightweight Directory Access Protocol - облегченный протокол доступа к каталогам).

 

3.7 Обобщенная модель передачи речи по сетям с коммутацией пакетов

 

В результате, проанализировав основные этапы передачи речи по сети с коммутацией пакетов, я разработал обобщенную модель передачи речи по сетям с коммутацией пакетов (см рис.3.10). Опираясь на эту модель я составил порядок передачи речи по сетям с коммутацией пакетов (см рис 3.11).

Рис.3.11 Порядок передачи речи по сетям с коммутацией пакетов

Глава 4. Анализ возможности передачи речи по сети передачи данных Frame Relay

Целью настоящего анализа является оценка вместимости каналов корпоративной сети передачи данных (КСПД) для организации в них речевых трактов, при передаче речи согласно методу VoFR, а также анализ задержки передачи речи по сети передачи данных Frame Relay, как основного показателя качества передачи речи.

 

4.1 Метод передачи речи по сетям передачи данных Frame Relay

Метод передачи речи по сетям передачи данных - Voice over Frame Relay (VoFR), принятый Форумом Frame Relay в качестве стандарта FRF.11 [19], расширяет область применения сетей передачи данных Frame Relay, и предусматривает набор мер (протоколов), позволяющих передавать по ним речевой трафик и некоторые другие виды информации.

Данный стандарт предусматривает:

·              поддержку множества алгоритмов кодирования речи;

·              эффективное использование низкоскоростных соединений Frame Relay;

·              мультиплексирование до 255 подканалов в одном логическом соединении;

·              поддержку различных речевых информационных элементов различных подканалов в пределах одного кадра;

·              мультиплексирование подканалов данных и речевых подканалов в единственном DLC (Data Link Connection).

Транспортировка речи обеспечивается универсальным форматом кадра, который поддерживает мультиплексирование речевых подканалов и подканалов данных в единственном DLC.

Доступ к сети осуществляется посредством специального устройства - VFRAD (Voice Frame Relay Access Device), которое использует метод Frame Relay в интерфейсе ”пользователь - сеть” (UNI) как средство передачи речи, телефонной сигнализации и данных. VFRAD подключаются к UNI через физические интерфейсы.

В качестве оконечных устройств могут использоваться: ПК с соответствующим программным обеспечением, факсимильный аппарат, телефонный аппарат, УПАТС, и т.п.

FRF.11 поддерживает такие возможности как: инициализацию и завершение вызовов для оконечных устройств, обеспечение межсетевого обмена между индивидуальными подканалами в интерфейсе VoFR и подканалами в другом типе речевого интерфейса, коммутацию вызовов.

Для того, чтобы в полной мере реализовать описанные возможности, стек протоколов должен обеспечить полнодуплексный обмен информацией. Обмен информацией осуществляется посредством передачи двух типов информационных элементов: основных информационных элементов (ИЭ) и сигнальных ИЭ.

К основным информационным ИЭ относятся:

1.       Закодированна речь.

2.       Закодированна факсимильная информация.

.         Кадры с данными.

К сигнальным ИЭ относятся:

1.       Цифры телефонного номера: DTMF или импульсы.

2.       Биты сигнализации (Внутриканальна сигнализация).

.         Индикатор аварии.

.         Сообщения о сигнализации (в случае использования сигнализации по общему каналу).

.         Закодированна факсимильная информация.

.         Дескриптор информации о паузе.

Дескриптор информации о паузе (SID) информируют о паузе в разговоре и обеспечивает передачу параметров генерации комфортного шума. SID поддерживают алгоритмы обнаружения активности речи (VAD) и схемы подавления пауз.

В случае использования VAD, подкадры SID могут быть дополнительно переданы за последним закодированным речевым подкадром. Прием подкадра SID происходит после того, как речевой подкадр был интерпретирован как явное указание конца речевого потока. Кроме того, подкадры SID могут передаваться в любое время в течение интервала тишины для коррекции генерации комфортного шума.

VoFR предусматривает организацию множества речевых подканалов и подканалов данных в единственном DLC. На Рис.4.1 представлен пример мультиплексирования речи и данных.

Рис.4.1. Возможность мультиплексирования множества речевых подканалов.

На Рис.4.2 представлен формат речевого ИЭ, где поле ”Тип кодирования” определяет тип применяемого алгоритма кодирования речи.

Рис.4.2. Формат речевого информационного элемента.

Каждый ИЭ упакован как подкадр в пределах информационного поля кадра. Подкадры (см. Рис. 4.3) могут объединяться в пределах единственного кадра Frame Relay, с тем чтобы повысить эффективность обработки и транспортировки. Каждый подкадр содержит заголовок и информационный элемент. Заголовок подкадра идентифицирует речевой подканал и, когда требуется, тип информационного элемента (основной или сигнальный) и его длину.

Минимальный заголовок подкадра - 1 октет, содержащий младшие биты идентификатора речевого подканала, а также указания расширения и длины. Октет расширения, содержащий старшие биты идентификатора речевого подканала тип ИЭ используется в случае, когда установлен бит ”Указание Расширения” (Extension Indication). Октет с длиной ИЭ используется в случае, когда установлен бит ”Указание Длины” (Length Indication).

Рис.4.3. Формат подкадра VoFR.

 

4.2 Наиболее вероятная схема организации речевой связи по сети передачи данных Frame Relay

При организации телефонной связи на основе сети передачи данных Frame Relay основным руководящим документом является стандарт FRF.11. В нем четко сформулированы функции VFRAD, а также способы подключения к нему телефонного оборудования и место VFRAD в структуре сети. Для кодирования речи желательно использовать вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU G.723.1. Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением качество речи / скорость потока. Характеристики вокодера можно найти в разделе 3.2.3. На Рис. 4.4 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети Frame Relay.

Рис. 4.4. Схема организации телефонной связи по сети передачи данных Frame Relay.

Для определенности предположим, что услугами телефонной связи пользуются абоненты двух узлов. Для этого выделен постоянный виртуальный канал, в рамках которого может быть организовано до 255 речевых трактов (подканалов). Теоретически, максимальная гарантированная скорость передачи по виртуальному каналу (СIR) не может превышать величины пропускной способности физического канала связи, соединяющего узлы сети.

Положим, что в сети организован виртуальный канал, с максимально возможной гарантированной скоростью передачи, и в рамках него организовано максимально возможное количество речевых трактов. Для этого рассмотрим два типа каналов: с пропускной способностью 19,2 кбит/c и 2048 кбит/c.

 

4.3 Оценка количества речевых трактов при организации речевой связи по физическому каналу 19,2 кбит/с

Исходя из того, что скорость алгоритма кодирования речи составляет 5,3 кбит/c, можно делать выводы о возможном количестве речевых трактов. Ясно, что их количество по крайней мере должно быть не более 3 (19,2 / 5,3 = 3,6; где 19,2 - скорость физического канала в кбит/c, а 5,3 - скорость алгоритма в кбит/c). Это означает, что номера подканалов можно представить в виде 6 разрядного двоичного числа и тем самым уменьшить на один байт размер заголовка подкадра (см. описание структуры подкадров в разделе 4.1). Исходя из того, что размер речевого кадра составляет 20 байтов, формат речевого подкадра согласно стандарту FRF.11 будет иметь вид, представленный на Рис. 4.5.

Рис. 4.5. Формат речевого подкадра.

Предположим, что в одном виртуальном канале функционируют 3 речевых тракта. Это означает, что кадр Frame Relay, согласно стандарту FRF.11, будет иметь вид, представленный на Рис. 4.6.

Рис. 4.6. Формат кадра Frame Relay, при организации 3 речевых подканалов.

Из Рис. 4.6 видно, что общий размер кадра Frame Relay составляет 28 байтов. Из них 20 байтов - полезная нагрузка. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 7,4 кбит/c (20 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/c, следовательно 28 байтов кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью 7,4 кбит/c для своевременной доставки речевого кадра). Этот вывод показывает, что для организации 3-х речевых трактов потребуется 22,2 кбит/c пропускной способности физического канала (7,4 кбит/c x 3 = 22,2 кбит/c), и это означает, что невозможно организовать 3 речевых тракта в канале 19,2 кбит/c. Возможна организация лишь 2 речевых трактов. В случае организации двух речевых трактов, необходимо 14,8 кбит/c пропускной способности канала связи.

Воспользуемся такой возможностью метода VoFR как мультиплексирование различных подканалов в единственном кадре Frame Relay и попробуем вложить в кадр Frame Relay 3 речевых подкадра различных пользователей. В этом случае, в соответствии со стандартом FRF.11, кадр Frame Relay, будет иметь формат, представленный на Рис.4.7.

Рис. 4.7. Формат кадра Frame Relay с несколькими речевыми кадрами.

Из рисунка видно, что общий размер кадра Frame Relay составляет 73 байта. Из них 60 байтов - полезная нагрузка. Исходя условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 19,3 кбит/c (20 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/c, следовательно 73 байта кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью 19,3 кбит/c, для своевременной доставки речевого кадра). Т.о. даже в случае мультиплексирования нескольких речевых кадров в пределах одного кадра Frame Relay нельзя организовать 3 речевых тракта в канале 19,2 кбит/c.

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что при использовании физического канала связи с пропускной способностью 19,2 кбит/c и алгоритма кодирования речи G.723.1 (ACELP - 5,3 кбит/c) для передачи речи по сети Frame Relay можно организовать 2 речевых тракта.

 

4.4 Оценка количества речевых трактов, при организации речевой связи по физическому каналу 2048 кбит/с

При определении размера кадра Frame Relay будем исходить из того, что в одном кадре Frame Relay передается один речевой кадр. Дело в том, что мультиплексирование различных подканалов в пределах одного кадра Frame Relay приводит к дополнительной задержке.

Количество речевых трактов для данного физического канала по крайней мере должно быть не более 386 (2048 / 5,3 = 386,4; где 2048 - скорость физического канала в кбит/c, а 5,3 - скорость алгоритма в кбит/c). Рассмотим виртуальный канал с максимальным числом речевых трактов (т.е. 255 речевых подканалов). Это означает, что номера 63 первых подканалов будут представлены 6 разрядным двоичным числом, поэтому заголовок подкадра будет составлять 1 байт, а номера последующих 192 подканалов будут представлены в виде 8 разрядного двоичного числа, т.е заголовок подкадра будет иметь размер 2 байта (см. описание структуры подкадров в разделе 4.1). Кроме того, каждый речевой кадр должен быть снабжен фиксированным заголовком в 1 байт. Таким образом размер 63 кадров Frame Relay составит 28 и размер 192 кадров - 29 байтов.

Рассматривается час наибольшей нагрузки, когда все речевые тракты одновременно активны. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, 63 кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью не менее 7,4 кбит/c, а 192 кадра - со скоростью 7,7 кбит/c, для своевременной доставки речевых кадров. Исходя из этого условия можно определить полосу пропускания необходимую для организации 255 речевых трактов ([63 * 7,4 кбит/c] + [192 * 7,7 кбит/c] = 1945 кбит/c).

Видно, что при использовании канала 2048 кбит/с остается еще 103 кбит/c пропускной способности, где можно организовать дополнительный виртуальный канал для нужд речевой связи.

Количество речевых подканалов по крайней мере не будет превышать 19 (103 / 5,3 = 19). Это означает, что номера подканалов могут быть представлены 6 разрядным двоичным числом, и следовательно размер кадра составит 28 байтов. Исходя из того, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, кадр Frame Relay должен быть передан со скоростью не менее 7,4 кбит/c. Это означает, что в случае активности всех речевых трактов для данной пропускной способности их число составит 13.

Окончательно можно сделать вывод о том, что при использовании физического канала связи с пропускной способностью 2048 кбит/c и алгоритма кодирования речи G.723.1 (ACELP - 5,3 кбит/c) для передачи речи по сети Frame Relay можно организовать 2 виртуальных канала с общим числом речевых трактов равным 268.

4.5 Анализ задержки передачи речи по сети передачи данных Frame Relay

Основным показателем качества передачи речи является совокупная задержка передачи речевого сигнала, поэтому основное внимание следует обратить именно на этот показатель качества телефонной связи.

Основными составляющими, которые необходимо учитывать при расчете полной задержки являются:

·        задержка в выходной и входной очередях (величина переменная, зависит от загрузки маршрутизатора, канала и способа приоритезации, t_накопл);

·        задержка в сглаживающем буфере коммутатора (величина переменная, t_{посл.комм});

·        задержка трафика при распространении по ЛВС и по КСПД (величины переменные, t_ЛВС и t_pacnp, соответственно).

На Рис.4.8 представлена схема распределения задержек, возникающих при передачи речи по сети Frame Relay корпоративной сети передачи данных.

Рис. 4.8. Схема распределения задержек в сети передачи данных Frame Relay.

Опираясь на приведенную схему распределения задержек можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных Frame Relay в соответствии со следующим соотношением:

Величины задержек накопления и обработки были приведены при описании основных характеристик вокодеров, в разделе 3.2.3

4.6 Пример практического внедрения метода передачи речи VoFR

В качестве средств обеспечения VoFR можно использовать концентраторы доступа Cisco MC3810, которые поддерживают все возможности стандарта FRF.11.

Cisco MC3810 подключается к любой стандартной УПАТС и внутренней коммутирующей телефонной системе, позволяя установить до 30 речевых трактов. Для сжатия (вплоть до 8 кбит/с) применяется стандартный алгоритм G.729 CS-ACELP. Анализ показывает, что при использовании этого алгоритма в канале 2048 кбит/с можно организовать до 138 речевых подканалов. Кроме того, концентратор доступа MC3810 подавляет эхо в речевых каналах и поддерживает механизм обнаружения пауз в разговоре.

MC3810 поддерживает различные варианты обработки вызовов при речевых соединениях и способен работать в режиме двухтонального многочастотного набора (DTMF), а на небольших узлах телефоны и магистральные каналы можно подключать к MC3810, чтобы он играл роль местного коммутатора телефонных вызовов. Благодаря этому, устраняется необходимость в УПАТС и других аналогичных средствах коммутации.

Концентратор доступа MC3810 использует тот же интерфейс управления, что и другие системы компании Cisco, и использует расширенный список команд для управления передачей речи и видео. Для управления концентратором доступа MC3810 можно также использовать приложение сетевого управления CiscoView, комплект управляющих инструментов Netsys Technologies и новейшие средства управления, которые компания Cisco разработала для телекоммуникационных компаний.

На Рис. 4.9 приведено техническое решение межрегионального (в смысле реализации технологии VoFR) узла КСПД на базе оборудования фирмы Cisco.

Рис.4.9 Техническое решение межрегионального узла.

Глава 5. Анализ возможности передачи речи по сети передачи данных IP

Как и в предыдущей главе, целью данного анализа является оценка возможного числа речевых трактов, которые можно организовать на основе физических каналов сети передачи данных пропускной способности 19,2 и 2048 кбит/c, а также анализ общей задержки, возникающей при передаче речи по сети передачи данных IP корпоративной сети передачи данных.

 

5.1 Метод передачи речи по сетям передачи данных IP

В настоящее время разработкой и исследованием стандартов связанных с передачей речи по сетям IP (и в частности по сети Internet), занимается Форум Voice over IP (VoIP Forum). Это рабочая группа Международного Консорциума Мультимедийных Телеконференций (International Multimedia Teleconferencing Consortium), организованная с целью обеспечения взаимодействия персональных компьютеров и телефонов в сети Internet. Членами Форума являются многие ведущие компании - разработчики сетевого оборудования: Cisco Systems Inc., 3Com, Action Consulting, Creative Labs, Dialogic, MICOM Communications, Microsoft, NetSpeak, Nortel, Nuera Communications, Octel, U.S. Robotics, Vienna Systems, Vocaltec и Voxware. Деятельность Форума имеет несколько направлений: выработка набора открытых, последовательных руководящих принципов для реализации устройств, обеспечивающих передачу речи по сетям передачи данных IP; гарантирование полной совместимости оборудования и программных средств, а также высокого качества услуг. Форум VoIP подготовил так называемое соглашение о внедрении (Implementation Agreement - IA 1.0 [20]), регламентирующее основные принципы и эталонную модель передачи речи по сетям передачи данных IP.

Соглашение о внедрении Форума VoIP основывается на рекомендации ITU Н.323[18]. Кроме того, VoIP IA 1.0 определяет комплексный каталог и службу управления вызовами (Management Agent System), которая объединяет имеющуюся в сети службу каталогов с динамической адресацией IP и обеспечивает инфраструктуру для усовершенствованной службы управления вызовами. В качестве средства обеспечения гарантированного качества услуг рекомендовано использование протокола RSVP.

 

.1.1 Основные положения стандарта H.323

Вообще говоря, H.323 это не один стандарт, а целая серия стандартов для поддержки передачи речи и видео по сетям без обеспечения качества услуг. Он содержит спецификации алгоритмов кодирования речи и видео, протоколы установления и управления соединениями, меры для обеспечения передачи в реальном времени, интерфейсы с другими сетями и т. д. H.323 не привязан к какому-либо конкретному типу сети, однако H.323 нашел применение преимущественно именно в сетях на базе IP.

Стек протоколов H.323, приведен на Рис. 5.1.

Рис.5.1 Cтек протоколов H.323

H.323 включает также такие стандарты кодирования речи, как G.711, G.722, G.723.1, G.728 и G.729, из которых G.711 является основным. Несмотря на обязательность применения G.711 и достаточную пропускную способность локальных сетей для поддержки предусматриваемых им скоростей передачи, эксперты предсказывают широкую популярность другому стандарту кодирования речи, а именно G.723.1, так как ему требуется очень небольшая скорость передачи, а это обстоятельство становится очень важным при передаче по территориально распределенным сетям.

Особое положение занимает подгруппа стандартов для контроля вызовов, в том числе для установления соединения, управления потоками, контроля доступа, передачи служебных сообщений и т. п. Ключевым компонентом этой подгруппы является протокол управляющего канала H.245 для передачи разного рода служебной информации во время сеансов H.323. Он применяется для согласования конечными точками взаимоприемлемых параметров, открытия и закрытия логических каналов, передачи сообщений для управления потоками и других необходимых команд и запросов.

Соединение же между двумя устройствами H.323 устанавливается и закрывается с помощью другого протокола данной подгруппы - протокола сигнализации вызова Q.931, а регистрация и контроль доступа, контроль за доступной пропускной способностью и статусом устройств H.323 осуществляются посредством третьего протокола этой подгруппы - RAS (в его названии перечислены основные выполняемые им функции - регистрация (Registration), контроль доступа (Admission) и мониторинг статуса (Status)).

H.323 использует транспортировку информации как с гарантией доставки, так и без нее. Первая применяется для передачи служебных сообщений и данных, так как в этом случае потери информации недопустимы, а вторая - для речи и видео, поскольку запоздавший пакет вряд ли будет полезен соответствующему приложению. Доставка с гарантией обеспечивается протоколом TCP, а доставка без гарантии осуществляется посредством UDP.

Доставка речи и видео в реальном масштабе времени обеспечивается протоколами RTP (Real-Time Transfer Protocol) и RTCP (Real-Time Transfer Control Protocol).

Каждый пакет RTP имеет основной заголовок, а также дополнительные поля, в случае, когда число участников сеанса больше двух.

На Рис. 5.2 представлена структура пакета RTP в случае организации речевой связи между двумя абонентами.

Рис.5.2 Формат пакета RTP.

Заголовок RTP состоит из следующих полей:

·              поле версии (2 бита): текущая версия вторая;

·              P - поле заполнения (1 бит): это поле сигнализирует о наличии заполняющих октетов в конце полезной нагрузки. (Заполнение применяется, когда приложение требует, чтобы размер полезной нагрузки был кратен, например, 32 битам.) В этом случае последний октет указывает число заполняющих октетов;

·              X - поле расширения заголовка (1 бит): когда это поле задано, то за основным заголовком следует еще один дополнительный, используемый в экспериментальных расширениях RTP;

·              CC - поле числа отправителей (4 бита): это поле содержит число идентификаторов отправителей, чьи данные находятся в пакете, причем сами идентификаторы следуют за основным заголовком; поле маркера (1 бит): смысл бита маркера зависит от типа полезной нагрузки. Бит маркера используется обычно для указания границ потока данных. В случае передачи видео он задает конец кадра. В случае передачи речи он задает начало разговора после периода молчания;

·              поле типа полезной нагрузки (7 бит): это поле идентифицирует тип полезной нагрузки и формат данных, включая сжатие и шифрование. В стационарном состоянии отправитель использует только один тип полезной нагрузки в течение сеанса, но он может его изменить в ответ на изменение условий, если об этом сигнализирует протокол управления передачей в реальном времени (Real-Time Transport Control Protocol);

·              поле порядкового номера (16 бит): каждый источник начинает нумеровать пакеты с произвольного номера, увеличиваемого затем на единицу с каждым посланным пакетом данных RTP. Это позволяет обнаружить потерю пакетов и определить порядок пакетов с одинаковой отметкой о времени. Несколько последовательных пакетов могут иметь одну и ту же отметку о времени, если логически они порождены в один и тот же момент (например, пакеты, принадлежащие к одному и тому же видеокадру);

·              поле отметки о времени (32 бита): здесь записывается момент времени, в который был создан первый октет данных полезной нагрузки. Единицы, в которых время указывается в этом поле, зависят от типа полезной нагрузки. Значение определяется по локальным часам отправителя;

·              поле идентификатора источника синхронизации: генерируемое случайным образом число, уникальным образом идентифицирующее источник в течение сеанса;

·              поле полезной нагрузки: в случае передачи речи, полезной нагрузкой являются речевые кадры, сформированные вокодером. Размеры речевых кадров различных типов вокодеров были приведены в разделе 3.2.3.

Протокол RTP используется только для передачи пользовательских данных. Отдельный протокол управления передачей в реальном времени (RTCP) работает с несколькими адресатами для обеспечения обратной связи с отправителями данных RTP и другими участниками сеанса. RTCP использует тот же самый базовый транспортный протокол, что и RTP (обычно UDP), но другой номер порта. Сообщения отправителя позволяют получателям оценить скорость данных и качество передачи. Сообщения получателей содержат информацию о проблемах, с которыми они сталкиваются, включая утерю пакетов и избыточную неравномерность передачи.

 

.1.2 Операционная среда VoIP

Операционная среда VoIP описывает физические элементы, которые обеспечивают передачу речи по сети IP в соответствии со стандартом VoIP IA 1.0 и могут взаимодействовать друг с другом. Эти элементы представлены на Рис.5.3.

Рис.5.3 Операционная среда VoIP.

Терминалы H.323 - это конечные точки сети, с помощью которых пользователи могут взаимодействовать друг с другом в реальном времени. Типичными примерами терминалов могут служить клиентские ПК с программным обеспечением аудио- или видеоконференций типа NetMeeting компании Microsoft; в последнее время их число пополнили так называемые Internet-телефоны. В обязательном порядке все терминалы должны поддерживать сжатие голоса по алгоритму G.711, H.245 - для согласования параметров соединения, Q.931 - для установления и контроля соединения, канал RAS - для взаимодействия с привратником (gatekeeper), а также RTP/RTCP - для оптимизации доставки речи и/или видео.

Другим архитектурным компонентом H.323 является шлюз. Его основная функция состоит в преобразовании форматов и протоколов передачи. Шлюз позволяет связать терминалы H.323 с другими, не поддерживающими данный стандарт конечными устройствами, в частности с обычными телефонами, а также с терминальными устройствами ISDN. Терминалы передают шлюзам необходимую информацию с помощью протоколов H.245 и Q.931.

Шлюз является необязательным компонентом и применяется только в случае необходимости организации взаимодействия с другими сетями. Многие функции шлюзов оставлены на усмотрение разработчика. Например, стандарт не оговаривает, сколько терминалов, соединений, конференций должен поддерживать шлюз и какие преобразования форматов и протоколов он обязан выполнять.

Третий, и наиболее важный, компонент любой сети H.323 - это привратник. Он выступает в качестве центра обработки вызовов внутри своей зоны и выполняет важнейшие функции управления вызовами. (Зона определяется как совокупность всех терминалов и шлюзов под юрисдикцией данного привратника.) Кроме того, привратник выполняет контроль доступа, т. е. идентификацию вызовов с помощью RAS.

Сервер DNS (Domain Name System) используется в системе адресации и хранит соответствия между всеми именами хостов и адресами IP для данного домена (домен охватывает все нижележащие ветви для данного узла дерева DNS).

 

5.2 Наиболее вероятная схема организации речевой связи по сети передачи данных IP

Основными устройствами, обеспечивающими передачу речи, являются шлюз VoIP, к которому может быть подключена УПАТС или отдельные телефонные аппараты, и речевой терминал. В качестве речевого терминала, в частности, может выступать персональный компьютер удаленного абонента корпоративной сети, снабженный соответствующими аппаратными и программными средствами.

Как правило, в сетях передачи данных используется оборудование не позволяющее в полной мере реализовать все требования стандарта VoIP IA 1.0, так как не все маршрутизаторы поддерживают протокол резервирования ресурсов RSVP, который рассматривался в этом стандарте как средство обеспечения гарантированного качества передачи речи.

Для кодирования речи будет использоваться вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU G.723.1. Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением качество речи / скорость потока. Характеристики вокодера можно найти в разделе 3.2.3.

На Рис. 5.4 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети IP.

Рис. 5.4. Схема организации телефонной связи по сети передачи данных IP.

В качестве протокола канального уровня, при передачи информации между узлами сети, используется протокол Frame Relay. Для передачи информации, между соседними узлами сети выделяется виртуальный канал с максимально возможной согласованной скоростью передачи.

 

5.3 Оценка количества речевых трактов, при организации речевой связи по физическому каналу 19,2 кбит/с

Исходя из того, что размер речевого кадра составляет 20 байтов, формат пакета IP согласно стандарту VoIP IA 1.0 будет иметь вид, представленный на Рис. 5.5.

Рис. 5.5. Формат пакета IP.

При передачи этот пакет упаковывается в кадр Frame Relay, который добавляет еще 6 байтов служебной информации (2 байта - флаги, 2 байта - FCS, 2 байта - стандартный заголовок). Итого, полный размер кадра Frame Relay составит 74 байта.

Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 19,6 кбит/c (20 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/c, следовательно 74 байта кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью 19,6 кбит/c, для своевременной доставки речевого кадра). Т.о. канал пропускной способности 19,2 кбит/c нельзя использовать для передачи речи в соответствии со стандартом VoIP IA 1.0.

5.4 Оценка количества речевых трактов при организации речевой связи по физическому каналу 2048 кбит/с

Как и в предыдущем случае, рассуждения основаны на том, что между соседними узлами на базе физического канала 2048 кбит/c создан виртуальный канал с максимально возможной согласованной скоростью передачи.

В рамках этого канала передаются речевые пакеты IP от различных абонентов, одновременно ведущих телефонные переговоры. Требуется определить максимально возможное количество телефонных абонентов, которые будут иметь возможность одновременно использовать данный канал.

Размер пакета IP составляет 68 байтов, и таким образом размер кадра Frame Relay составит 74 байта (2 байта - флаги, 2 байта - FCS, 2 байта - стандартный заголовок, 68 байтов - пакет IP).

Необходимо вычислить, какое количество кадров Frame Relay можно передать по каналу 2048 кбит/c за 30 мс (это условие обосновывается тем, что речевой кадр размером 20 байтов любого из абонентов должен быть передан от узла к узлу со скоростью не менее 5,3 кбит/с). Количество речевых кадров, а значит и число возможных абонентов составит 104.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что в физическом канале пропускной способности 2048 кбит/с можно организовать одновременную передачу речевой информации от 104 различных абонентов КСПД (имеющих различные адреса IP), что равносильно организации 104 отдельных речевых трактов.

 

5.5 Анализ задержки передачи речи по сети передачи данных IP

Напомню, что основными составляющими, которые необходимо учитывать при расчете полной задержки являются:

·  задержка при обработке сигнала кодеком (величина постоянная, t_обраб);

·        задержка в выходной и входной очередях (величина переменная, зависит от загрузки маршрутизатора, канала и способа приоритезации, t_накопл);

·        задержка в сглаживающем буфере коммутатора (величина переменная, t_{посл.комм});

·        задержка в маршрутизаторе (величина постоянная при данных скорости канала и размере пакета, t_маршр);

·        задержка трафика при распространении по ЛВС и по КСПД (величины переменные, t_ЛВС и t_pacnp, соответственно).

На Рис. 5.6 представлена схема распределения задержек при передачи речи по сети IP КСПД.

Рис. 5.6. Схема распределения задержек в сети IP.

Опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов, при передачи речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных IP КСПД, в соответствии со следующим соотношением:

В качестве примера, в табл. 5.1 представлены величины задержек, возникающих при передаче речи между абонентами некоторых узлов корпоративной сети с коммутацией пакетов, построенной на основе цифровых каналов 2048 кбит/с.

Таблица 5.1 Односторонняя задержка передачи речевого сигнала по сети IP.

	Москва-1	С.-Петербург	Екатеринбург	Новосибирск	Хабаровск
ЦУС	190 мс	193 мс	193 мс	256 мс	327 мс
Москва-1		193 мс	193 мс	256 мс	327 мс
С.-Петербург			253 мс	316 мс	387 мс
Екатеринбург				196 мс	267 мс
Новосибирск					204 мс

5.6 Пример практического внедрения метода передачи речи VoIP

Создание телефонной сети на базе имеющейся сети передачи данных видимо эффективнее осуществлять с использованием метода VoFR, но когда речь идет об обеспечении услугами речевой связи обычных удаленных пользователей локальных сетей, необходимо вспомнить о технологии VoIP - именно в этом заключается вся ее привлекательность.

Однако выбор оборудования и процесс внедрения подобной технологии должен быть всесторонне обоснован, поскольку реализация приемлемой речевой связи требует решения целого ряда сложных и взаимосвязанных технических и организационных проблем.

В настоящее время лидером сетевой индустрии является компания Cisco Systems и, по мнению экспертов, предлагающая наилучшие решения по передаче речевого трафика в сетях передачи данных. В частности, для обеспечения качества речи в сетях IP фирма Cisco Systems предусматривает использование в своем оборудовании таких возможностей как: RTP, RSVP, IP precedence, Weighted Fair Queing (WFQ), сжатие заголовков RTP и другие. Для уменьшения требований к полосе пропускания поддерживаются практически все стандарты сжатия речи, в том числе G.711, G.729 и G.723.1.

В качестве оборудования для передачи речи по сетям IP можно выделить такие серии как: Cisco AS5300 и Cisco 3600.

Универсальный сервер доступа серии AS5300 представляет собой многоцелевую платформу, обеспечивающую функции сервера доступа, маршрутизатора и пула цифровых модемов на едином шасси.

AS5300 имеет модульную архитектуру и может быть укомплектован различными интерфейсными модулями со встроенными модемами, что позволяет создавать конфигурации, точно соответствующие требованиям пользователя. Кроме того, это позволяет динамически наращивать конфигурацию по мере необходимости путем добавления требуемых модулей. Серверы являются полностью управляемыми платформами через программное обеспечение SNMP.

Недавно для устройств серии Cisco AS5300 была выпущена специальная карта (voice/fax feature card), которая обеспечивает передачу речевого трафика через сети IP. С появлением этой карты появилась возможность использовать устройство Cisco AS5300 Access Server как шлюз VoIP между сетями IP и телефонными сетями общего пользования (с соответствующим программным обеспечением). Каждая карта обеспечивает 24 цифровых речевых тракта для канала T1 или 30 речевых трактов для канала E1. В каждое устройство AS5300 можно установить до 2 карт, что обеспечивает 48/60 речевых трактов в одном шасси. Кодирование речи осуществляется согласно стандартам G.711, G.729 G.723.1, G.726, G.728, G.729a. Кроме того, Cisco AS5300 может быть укомплектован программным обеспечением Cisco Voice Manager (СVM). CVM является Web-совместимым приложением сетевого управления, которое предоставляет простое в использовании, но мощное решение для конфигурирования, мониторинга и диагностики сетей, построенных в соответствии с технологией VoIP. Cisco Voice Manager автоматически определяет речевую активность, включает средства решения сетевых проблем, и предоставляет детальную информацию о звонках, включая информацию о качестве связи. CVM устанавливает соединения с устройствами VoIP и шлюзами через сеть IP. Взаимодействие между сервером CVM и клиентским браузером Web осуществляется по протоколу HTTP, а взаимодействие между сервером CVM и речевым устройством - по протоколам SNMP и Telnet.

В качестве примера внедрения технологии VoIP в КСПД, можно предложить техническое решение центрального (в смысле реализации технологии VoIP) узла КСПД на базе оборудования фирмы Cisco, представленное на Рис. 5.7.

Рис.5.7. Структура центрального узла сети.

Модульные маршрутизаторы серии Cisco 3600 являются многофункциональными платформами, предоставляющими множество решений по интеграции голоса и данных, доступа к ISDN, глобальным и локальным сетям.

Сетевые модули речь/факс для устройств серии Cisco 3600 обеспечивают передачу речи и факсимильной информации по сети IP. В устройства серии Cisco Cisco 3620 может быть установлен 1 голосовой модуль с двумя слотами расширения, а в устройство Cisco 3640 можно установить до 3 таких модулей. Каждый модуль можно укомплектовать двухпортовыми картами FXS, FXO или E&M. Таким образом, максимальное количество речевых портов в устройствах серии Cisco 3620 равно 4, а в устройстве Cisco 3640 равно 12.

На Рис. 5.8 приведена схема межрегионального узла КСПД с возможностью подключения речевых абонентов в соответствии с методом VoIP.

Рис.5.8. Узел с возможностью подключения речевых абонентов.

Глава 6. Сравнение методов передачи речи VoFR и VoIP

 

.1 Сравнение размеров служебной информации кадра Frame Relay и пакета IP

Основное различие VoIP и VoFR состоит в том, что размер служебной информации пакета IP существенно больше кадра Frame Relay. Сравним оба метода на предмет использования полосы пропускания, и в качестве примера рассмотрим вокодер G.723.1 (5,3 кбит/c). Усредненное потребление полосы пропускания при использовании методов VoFR и VoIP приведено соответственно в Табл.6.1 и Табл.6.2.

Таблица.6.1 Заголовок кадра FR и усредненное потребление полосы пропускания.

Полоса пропускания используемая кодером	5,3 кбит/c
Для передачи служебной информации кадра Frame Relay с речью	2,1 кбит/c
Суммарное использование полосы пропускания в сети Frame Relay.	7,4 кбит/c
Удаление пауз речи (60%)	- 4,4 бит/c
Окончательное использование полосы пропускания, усредненное за период 20-30 секунд разговора.	3 кбит/c

Необходимо заметить, что при сравнении не учитывается размер служебной информации, добавляемой к пакету IP, при его передаче на канальном уровне.

Таблица.6.2. Заголовок пакета IP и усредненное потребление полосы пропускания.

Полоса пропускания используемая кодером	5,3 кбит/c
Для передачи служебной информации речевого пакета IP	12,7 кбит/c
Суммарное использование полосы пропускания в сети IP	18 кбит/c
Удаление пауз речи (60%)	- 7,2 кбит/c
Окончательное использование полосы пропускания, усредненное за период 20-30 секунд разговора.	10,8 кбит/c

6.2 Сравнение VoFR и VoIP с точки зрения использования полосы пропускания

Предприятия обычно не имеют собственных линий связи между территориально распределенными объектами и для организации своей сети должны арендовать каналы у других операторов или создавать спутниковую сеть. Арендная плата за каналы составляет основную долю расходов на содержание сети, поэтому экономия полосы пропускания является в большинстве случаев основным критерием при выборе технологии пакетной передачи голоса и данных.

Скорость пакетной передачи речи зависит от нескольких факторов: скорости кодирования сигнала, размера речевого пакета, объема служебной информации протоколов канального, сетевого и транспортного уровней, наличия или отсутствия механизма сжатия заголовков пакетов, числа передаваемых по линии телефонных каналов, степени использования механизма детектирования речевого сигнала (Voice Activity Detection - VAD), a также от того, какова допустимая доля потерянных пакетов при перегрузке выходного порта мультиплексора Frame Relay или маршрутизатора.

Рассмотрим влияние этих факторов на скорость передачи телефонного трафика по одному телефонному каналу на примере использования кодека G.729. Он обеспечивает сжатие речи до 8 Кбит/с, при этом минимальная длительность отрезка анализируемого сигнала составляет 10 мс. За этот интервал времени кодек выдает битовую последовательность длиной 10 байт. Далее формируются речевые пакеты - к полезной нагрузке добавляется заголовок длиной от 1 до 3 байтов. Этот заголовок обеспечивает передачу информации о типе сообщения (речь, факс или данные) и сигнализации, параметрах VAD и длине пакета. Типичная длина заголовка речевого пакета составляет 2 байта, поэтому полная длина такого пакета может составлять 12, 22 байта и т. д. - до 82 байт в зависимости от числа помещенных в один пакет элементарных 10-байт последовательностей полезной нагрузки.

В случае использования протокола Frame Relay речевой пакет помещается в кадр этого протокола с заголовком 6 байт (общий объем полей служебной информации конкретного протокола). На этом подготовка к передаче речевой информации заканчивается. Затем кадры VoFR поступают в сетевой порт вместе с кадрами данных, если, конечно, речь передается совместно с данными.

Скорость передачи одного телефонного канала для варианта VoFR определяем по известному полному объему кадра в битах и времени, в течение которого он должен быть передан. Например, если речевой пакет содержит две элементарные последовательности битов полезной нагрузки, общее время анализа речевого сигнала составит 2*10= 20 мс, а объем передаваемой информации - 8*(22 + 6) = 224 бит, в результате скорость передачи будет равна 11,2 Кбит/с. При длине речевого пакета 62 байт скорость равнялась бы 9,07 Кбит/с.

Когда речь передается с помощью протокола IP, речевые пакеты по стандарту G.729 формируются точно так же, как и для варианта VoFR, однако последующие процедуры гораздо сложнее. Прежде всего речевой пакет помещается в поле данных пакета протокола RTP (Realtime Transfer Protocol), заголовок которого имеет размер 12 байт. Затем этот пакет помещается в поле данных пакета протокола транспортного уровня UDP с заголовком длиной 8 байт, и, наконец, наступает очередь собственно протокола IP, пакет которого имеет заголовок 20 байт. Таким образом, общая величина накладных расходов протоколов IP/UDP/RTP составляет 40 байт.

Но пакет IP по сети перемещается при помощи протокола канального уровня: РРР, HDLC, Frame Relay, ATM или любого другого. В поле данных кадров этих протоколов помещается пакет IP, после чего он готов для передачи по сети. Типичным вариантом организации IP-сетей является использование протокола РРР с заголовком длиной 8 байт. В результате для рассмотренного ранее случая передачи речевых пакетов стандарта G.729 с полезной нагрузкой 20 байт полная длина IP-пакета составит 22 + 40 + 8 = 70 байт. Передать эти данные за те же 20 мс можно при условии, что скорость в канале будет равна 28 Кбит/с - это примерно в 2,5 раза больше, чем при передаче такого же речевого пакета посредством технологии VoFR.

 

6.3 Сравнение сегментации кадров VoFR и пакетов VoIP

Принцип последовательной передачи пакетов по каналу связи приводит к тому, что передача длинного пакета с данными может существенно увеличить время ожидания передачи речевого пакета. Например, передача 1500 байтового пакета Ethernet по каналу доступа 56 кбит/с составит более 200 мс.

Следовательно для УСПРД важно, чтобы имелась возможность просегментировать любые длинные пакеты данных, особенно для низкоскоростных каналов доступа. Ограничения на размеры пакетов с данными приведены в Табл.6.3.

Таблица.6.3 Максимальные размеры пакетов с данными.

Размер полосы пропускания канала доступа (кбит/c)	Максимальный размер пакета (байт)
56/64	256
128	512
192	768
256	1024
384	1536
512	2048
1544	6144

Последствием сегментации пакетов данных является уменьшение эффективности предачи данных. Поскольку есть фиксированный заголовок для каждого пакета, то создание небольших пакетов увеличивает процент служебной информации. Последствия сегментации в сетях Frame Relay менее чувствительны, чем в сетях IP поскольку размер заголовка Frame Relay существенно меньше.

В сетях IP эффективность функционирования сети может уменьшиться на 10-15%; в сетях Frame Relay - на 2-4%.

При использовании метода VoFR, сегментация пакетов происходит автоматически в VFRAD всякий раз, когда есть речевой вызов. В случае завершения разговора сегментация прекращается.

При использовании VoIP сегментация пакетов происходит в маршрутизаторе доступа по команде администратора сети или под управлением протокола “шлюз-маршрутизатор”, как например, RSVP. При использовании RSVP, устанавливается сеанс RSVP с маршрутизатором, в течении которого маршрутизатор сегментирует пакеты с данными.

Поскольку большинство маршрутизаторов и шлюзов VoIP не поддерживают RSVP или аналогичный управляющий протокол, принудительная сегментация, при использовании VoIP, в среднем на 10%-15% снижает эффективность функционирования сети на низкоскоростных каналах, независимо от того, присутствуют или нет телефонные вызовы.

Если сравнивать технологии VoFR и VoIP с точки зрения эффективности использования ресурсов корпоративной сети при условии обеспечения качества речи, то следует предпочесть VoFR.

Основными преимуществами VoFR над VoIP являются:

·              более эффективное использование полосы пропускания каналов;

·              меньшие показатели задержек передачи речи;

·              автоматическая сегментация данных.

Заключение

В данной дипломной работе в Главе №1 излагаются базовые понятия IP-телефонии, необходимые для понимания обобщенной модели.

Глава №2 посвящена межсетевому протоколу IP.

В Главе №3 проведен анализ обобщенной модели передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией. А именно: рассмотрены способы организации передачи речи, структура необходимого для этого программного обеспечения, основные характеристики наиболее известных типов вокодеров. Так же описаны методы оценки качества речи, факторы влияющие на качество речи и меры по обеспечению гарантированного качества передачи речи.

В Главах №4 и №5 была проанализирована возможность передачи речи по сетям Frame Relay и IP соответственно.

В Главе №6 приводится сравнение методов передачи речи VoFR и VoIP с точки зрения размеров служебной информации кадра, использования полосы пропускания и сегментации кадров.

В результате можно сделать следующие выводы:

Для передачи речи по сети передачи данных IP в соответствии с рекомендацией ITU-T H.323 необходима скорость передачи канала связи 19,6 кбит/с, при условии, что для кодирования речи используется алгоритм G.723.1 (ACELP; 5,3 кбит/c), обладающий наиболее выгодным соотношением качество речи / скорость передачи, и рассматривался сеанс речевой связи абонентов двух узлов в час наибольшей нагрузки при отсутствии трафика данных и трафика систем управления. В физическом канале со скоростью передачи 2048 кбит/с можно организовать 104 отдельных речевых тракта. С этих позиций можно делать выводы о количестве абонентов КСПД, имеющих возможность вести телефонные переговоры по сети IP.

Вносимая в речь задержка может достигать значительных величин, существенно превышающих рекомендованное ITU-T в рекомендации G.114 значение 150 мс.

В случае передачи речи по сети передачи данных Frame Relay в соответствии со стандартом FRF.11 количество возможных телефонных абонентов в сети увеличивается. В канале пропускной способности 19,2 кбит/с можно организовать 2 речевых тракта, а в канале 2048 кбит/c - 268.

Величина вносимой в речь задержки несколько ниже, чем при передаче речи по сети IP, но и она может достигать значительных величин.

Литература

1.  А. Г. Жданов, Д. А. Рассказов, Д. А. Смирнов, М. М. Шипилов. Передача речи по сетям с коммутацией пакетов (IP-телефония)//СПб.: СПбГУТ, 2001.

2.       Б.С. Гольдштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий. IP-ТЕЛЕФОНИЯ// M.: Радио и связь, 2001.

.         Рабинер Л. Р., Шафер Р. В. Цифровая обработка речевых сигналов// М.: Радио и связь, 1981.

.         Сигнализация в сетях IP-телефонии. Б. Мюнх, С. Скворцова// Сети и системы связи, №13, 1999.

.         Что нужно для успешного внедрения IP-телефонии. Д. Уиллис// Сети и системы связи, №4, 1999.

.         АТС на базе IP работает, и неплохо. Э. Холл// Сети и системы связи, №12, 1998.

.         Передача голоса: подходы, проблемы, решения. Алексей Шереметьев, Александр Непомнящий, Алексей Любимов // PC WEEK/RE №30-31, 1998.

8.       Качество обслуживания. Наталья Олифер <mailto:olifer@hotbox.ru>//LAN/ЖУРНАЛ СЕТЕВЫХ РЕШЕНИЙ, №11, 2001 <file:///D:\4\OSP_RUИздательство%20Открытые%20системыИнформационные%20технологииLANSysAdminПервые%20урокиКачество%20обслуживания>

.         Пакетная телефония. Габриэль ДЮСИЛЬ// Сети <http://www.airport.sakhalin.ru/ospru/nets/index.htm>, №10, 1998

.         Всё в одном флаконе. Александр Авдуевский// LAN/ЖУРНАЛ СЕТЕВЫХ РЕШЕНИЙ №10, 1999.

11.     ITU-Т Recommendation G.711. Pulse Code Modulation of Voice Frequencies, 1988.

12.     ITU-T Recommendation G.114. One-way transmission time, March 1993.

13.     ITU-T Recommendation G.723.1. Dual Rate Speech Coder for Multimedia Communications Transmitting at 5.3 & 6.3 kbit/s, March 1996.

14.     ITU-T Recommendation G.726. 40, 32, 24, 16 kbit/s Adaptive Differential Pulse Code Modulation, March 1991.

.         ITU-T Recommendation G.727. 5-,4-,3- and 2 bits Sample Embedded Adaptive Differential Pulse Code Modulation, November 1994.

.         ITU-T Recommendation G.728. Coding of Speech at 16 kbit / s Using Low_delay Code Excited Linear Prediction (LD_CELP). -1992.

.         ITU-T Recommendation G.729. Speech codec for multimedia telecommunications transmitting at 8 / 13 kbit / s. - 1996.

.         ITU-T Recommendation H.323. Packet based multimedia communication systems. - Geneva, 1998.

.         FRF.11. Voice over Frame Relay Implementation Agreement, May 1997.

.         IMTC Voice over IP Forum Service Interoperability Implementation Agreement1.0, December 1997.