какое сокращение связано с использованием телефонной связи через сеть интернет
Терминология в IP-телефонии
В последнее время можно много услышать об IP-телефонии и терминах связанных с ней. Некоторые люди, сталкиваясь с этой тематикой, могут вообще не понимать о чем идет речь. Данная статья, подготовленная специалистами компании «1ATS», поможет новичкам ознакомиться с основными понятиями IP-телефонии, узнать о назначении каждого компонента и его роли в технологии.
IP-телефония (VoIP-телефония)
Для начала необходимо понимать что же такое IP-телефония. Это голосовая связь, видеообщение и текстовые сообщения, прием и передача которых осуществляется посредством протокола IP по сетям передачи данных. Среда, в которой происходит такой обмен данными, может быть как Интернет, так и другие IP-сети. Часто в связи с этим можно услышать и другой термин – VoIP-телефония. Протокол VoIP (Voice over IP) обеспечивает передачу исключительно голосовых данных в IP-сетях. При этом следует понимать, что технология подразумевает варианты передачи звука через IP, не обязательно связанных с телефонией. К примеру, VoIP часто используют для передачи звука в системах видеонаблюдения и оповещения, при просмотре фильмов онлайн, трансляции вебинаров.
OSI (Open Systems Interconnection basic reference model)
Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection basic reference model) или базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) – это модель, описывающая взаимодействие сетевых устройств, таких как сетевые карты компьютеров, маршрутизаторы, IP-телефоны и т.д., на 7 протокольных уровнях: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления, приложений.
Используемые и интегрируемые сети
IP-телефония работает в различных IP-сетях, но может быть интегрирована и с другими сетями. Остановимся на каждой из них более подробно.
ЦСИО (цифровая сеть интегрального обслуживания) (ISDN) – это сеть, обеспечивающая передачу данных на разных скоростях в едином физическом канале, то есть по абонентской проводной телефонной линии. В таких сетях может передаваться голосовая и текстовая информация, изображения и другие данные по одному и тому же соединению.
AVVID (Architecture for Voice, Video and Integrated Data. Cisco AVVID) – это архитектурная модель построения сети, которая соединяет различные приложения данных, голоса и видео в единую интеллектуальную сетевую инфраструктуру и состоит из 4 уровней: инфраструктурного, обработки вызовов, уровня приложений, клиентского.
FMC (Fixed Mobile Convergence) – это технология, позволяющая создать единую сеть мобильных и офисных телефонов с использованием коротких внутренних номеров.
CTI (Computer Telephony Integration) – другими словами, компьютерная телефония – технология, с помощью которой возможно взаимодействие компьютеров и обычной телефонной сети.
Протоколы и их элементы
Прием и передача данных в IP-телефонии происходит по следующим протоколам и их компонентам.
IP (Internet Protocol) – маршрутизируемый межсетевой протокол, обеспечивающий соединение с помощью коммутации каналов. Именно он объединяет все компьютеры в единую всемирную сеть Интернет. Находится на сетевом уровне модели OSI. Этот протокол осуществляет обмен пакетами данных между различными узлами сети, независимо от количества промежуточных узлов.
UDP (User Datagram Protocol) – протокол транспортного уровня OSI, базирующийся на IP-протоколе и позволяющий осуществлять передачу данных, не устанавливая при этом соединения. Он не потребляет много трафика, так как не способен обеспечить корректность или подтверждение передачи данных и не может отправить их повторно.
RTP (Real-time Transport Protocol) – еще один из протоколов транспортного уровня, работающий поверх UDP-протокола. Осуществляет передачу данных в режиме реального времени. С его помощью можно присваивать временные метки каждому исходящему пакету данных, благодаря чему можно контролировать их передачу, принимать их в правильном порядке, а также синхронизировать аудио и видео данные.
H.323 – протокол, определяющий набор стандартов, необходимых для передачи мультимедийных данных в сетях с пакетной передачей. Находится на уровне данных модели OSI.
MGCP-протокол осуществляет управление медиашлюзами, соединяющими между собой традиционную телефонию и VoIP-системы.
Megaco/H.248 используется для взаимодействия между шлюзом и контроллером шлюза в телекоммуникационных сетях с коммутацией каналов. Представляет собой усовершенствованный MGCP-протокол.
SIGTRAN – группа протоколов, осуществляющих туннелирование PSTN-сигнализации на программный коммутатор. Служит для взаимодействия традиционных телефонных сетей и VoIP.
SCTP – протокол транспортного уровня, позволяющий организовать гарантированную доставку пакетов в IP-сетях.
SCCP – закрытый протокол, осуществляющий управление медиашлюзами и IP-телефонами, используемый в устройствах компании CISCO.
IAX2 – протокол, позволяющий осуществлять обмен VoIP-данными между IP-PBX Asterisk. Медиапоток и сигнализация передаются через один и тот же порт.
SRTP – используется для шифрования и защиты данных, обеспечивает целостность и подлинность передаваемого сообщения.
ZRTP – протокол, используемый для согласования ключей шифрования в VoIP-системах.
TCP – транспортный протокол управления передачи данных, который способствует установлению связи между двумя компьютерами в локальной сети и организации обмена данными между ними в дуплексном режиме.
ATM – сетевой протокол, использующий асинхронный способ передачи данных. Такая технология является одной из разновидностей быстрой коммутации пакетов.
NАТ (транслятор адреса сети) позволяет пересылать внутренние IP-адреса во внешние. Используется как гарантия безопасности внутренней сети с выходом в Интернет. Решает проблему нехватки реальных IP-адресов.
Кодеки (Codec) (кодеки используемые в VoIP: G.711, G.723.1 (6.3), G.723.1 (5.3), G.726-32, G.726-24, G.726-16, G.729 (8), G.729 (6.4)) – программное обеспечение, применяемое для сжатия видео или звуковых данных для удобства дальнейшего их транспортирования по сети.
VAD (Voice Activity Detector) – детектор голосовой активности, применяющийся в кодеках для сжатия звукового сигнала. Используется для определения промежутков времени, в которые абонент говорит.
Системы и оборудование
Для взаимодействия сетей, посредством которых организовывается IP-телефония, используется определенное оборудование и различные системы. Рассмотрим более подробно некоторые виды оборудования и узнаем, как именно они используются в применении к IP-телефонии.
Виртуальная АТС – комплекс программ, с помощью которого можно реализовать функции АТС и организовать удобную корпоративную офисную связь. Такое программное обеспечение устанавливается на любой компьютер, ноутбук или удаленный сервер, а связь осуществляется через интернет.
IP-PBX (Private Branch eXchange) – офисная IP-АТС, ориентированная на использование внутри компании и работает на основе IP-протокола. Такие АТС бывают трех типов: аппаратные, программные и виртуальные. IP-PBX может объединять в единую интеллектуальную сеть офисные телефоны, либо сочетать локальную сеть и телефонную сеть общего пользования.
Прокси-сервер – сервер, который выступает посредником между основным сервером и пользователями. Он позволяет им выполнять непрямые запросы к другим сетевым службам и получать ответы. Такие сервера применяются для обеспечения доступа локальных компьютеров к сети интернет, для кэширования и сжатия данных, для защиты локальной сети, а также для ограничения ее доступа во внешнюю сеть.
IP-телефон, VoIP-телефон, SIP-телефон – это телефонный аппарат, с помощью которого можно организовать голосовое общение пользователей по IP-сетям.
VoIP-шлюз – устройство, благодаря которому к сетям IP-телефонии можно подключить офисные мини-АТС и обычные телефонные аппараты.
Маршрутизатор (Router) – специализированное устройство, которое пересылает пакеты данных между различными сетевыми точками. Как правило, на всем пути передачи пакетов встречается несколько таких точек, где также установлены роутеры.
Коммутатор (свитч) – устройство, соединяющее несколько сетевых узлов в одном или нескольких сетевых сегментах.
Gatekeeper диспетчер (гейткипер) – дополнительное устройство, подключаемое исключительно к IP-сети и позволяющее выполнять различные базовые функции сети IP-телефонии: аутентификацию и авторизацию пользователей, распределение вызовов между шлюзами, регистрацию оборудования, взаимодействие с другими гейткиперами и другое.
Порты: FXO, FXS, E&M, BRI, PRI. Порт FXO используется для подключения аналоговых телефонов к IP-АТС. Шлюз FXO эмулирует работу телефонного аппарата. Порт FXS – это голосовой интерфейс, который эмулирует работу АТС, позволяющий подключить обычный телефонный аппарат или шлюз FXO. E&M представляет собой двухпроводной или четырехпроводной интерфейс, аналогичный по функционалу порту FXS. BRI – базовый интерфейс доступа к сети, состоящий из 3 каналов, чаще всего используется для домашнего пользования или небольших компаний. PRI – первичный или основной интерфейс доступа к сети. Состоит из 31 канала и используется в основном для подключения к телефонии крупных предприятий.
Программы и приложения
В работе IP-телефонии используется различный софт. Остановимся подробно на наиболее распространенном.
CRM (система управления взаимоотношениями с клиентами) – прикладное программное обеспечение, предназначенное для повышения результативности взаимодействия с клиентами и улучшения их обслуживания. Интеграция СRM-систем и IP-телефонии на сегодняшний день – один из основных инструментов для бизнеса.
Биллинговая система (Billing System) – программное обеспечение, предназначенное для учета, аналитики, тарификации расходов за телефонные переговоры и выставление счетов. Чаще всего идет в связке с IP-телефонией.
Софтфон – программный продукт, предназначенный для совершения видео- и голосовых звонков посредством Интернета. Для полноценной работы программного телефона необходима гарнитура, веб-камера, если планируется видеосвязь, колонки и микрофон.
Softswitch – программный коммутатор, использующийся для обеспечения полноценной работы услуг аналоговой и IP-телефонии. Поддерживает работу всех протоколов, необходимых в работе IP-телефонии.
TAPI (Telephony Applications Programming Interface) – стандартный интерфейс для разработки программных приложений для телефонии. Разработан на базе Microsoft Windows. Позволяет подключать персональные компьютеры к аналоговым телефонным аппаратам и офисным АТС.
API – интерфейс прикладного программирования, представляющий собой описание различных способов, с помощью которых возможно взаимодействие двух компьютерных программ. Используется разработчиками софта для написания приложений.
Least Cost Routing System (LCR) – функция, отслеживающая в режиме реального времени изменения тарифов, что позволяет проложить маршрут между двумя абонентами по пути наименьшей стоимости телефонного соединения.
Сервисы
При подключении IP-телефонии пользователям становятся доступны различные сервисы. Вот некоторые из них.
IVR (Interactive Voice Response) – интерактивная система голосового меню, использующая предварительно записанные голосовые сообщения для маршрутизации при звонке: выбора опций путем ввода абонентом цифр или их комбинаций на клавиатуре телефонного аппарата при помощи DTMF (Dual-Tone Multi-Frequency) – тонального набора.
Direct Dial-In (DDI) – технология, позволяющая совершать вызовы из телефонной сети общего пользования сразу на внутренний номер абонента, минуя соединение с оператором или голосовое меню.
Call Detail Record – CDR данные о звонке. Чаще всего используются в биллинговой программе для формирования телефонных счетов и оценки использования трафика.
Callback – услуга, которая позволяет совершать международные звонки по тарифам IP-телефонии. Использование данной функции дает возможность клиенту соединиться с нужным абонентом так, что звонок для обоих будет квалифицироваться как входящий.
Call-tracking – технология отслеживания звонков, с помощью которой можно выявить наиболее эффективный канал рекламы.
Номера Toll Free – телефонные номера с кодом 8800, звонки на которые будет оплачивать принимающий абонент. Такие номера часто используются при звонках в техподдержку компании.
Номера DEF – телефонные номера с кодами не географической нумерации, например мобильные номера: 8926…, 8958. и т.п.
WebRTC – благодаря такой технологии можно совершать видеозвонки через браузер. Для того, чтобы присоединиться к звонку, пользователю следует лишь перейти по ссылке на нужную страницу.
DNIS (Dialed Number Identification System) – система определения номера при входящем звонке.
Монитор (Administration manager) – один из дополнительных модулей IP-телефонии, использующийся для удаленного администрирования различных сетевых устройств: шлюзов, диспетчеров.
Процессы и явления
В основе работы IP-телефонии лежат определенные процессы и возникают некоторые явления.
Импульсно-кодовая модуляция преобразует аналоговый сигнал в цифровой, для чего используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство, благодаря которому можно цифровой двоичный сигнал преобразовать в аналоговый.
Коммутация пакетов (Packet Switching) – позволяет организовать соединение при помощи дробления информации на пакеты, последующей их передачи и восстановления информации на приеме. Недостатком такой услуги является невозможность гарантирования качества обслуживания. К преимуществам можно отнести большую эффективность каналов с фиксированной полосой.
Передача данных – это физический перенос цифровых данных от одной точки к другой или между несколькими точками в виде сигнала по каналам передачи данных для последующей обработки их средствами вычислительной техники.
Джиттер – изменение (скачки) времени задержки при передаче пакетных данных. Это может произойти вследствие загруженности сети, нестабильной работы оборудования или ограниченной полосы пропускания.
Джиттер буфер – временное хранилище пакетов данных, созданное на приемной стороне. Используется для борьбы с джиттером.
Параметры и показатели
В работе IP-телефонии используются различные параметры и показатели. Например:
В данной статье были рассмотрены основные термины и обозначения, использующиеся в IP-телефонии. Чтобы ознакомиться с терминологией и определенными моментам в работе IP-телефонии более детально, можно обратить внимание на другие узкоспециализированные статьи нашего блога.
Основы IP-телефонии, базовые принципы, термины и протоколы
Добрый день, уважаемые хабражители. В данной статье я постараюсь рассмотреть основные принципы IP-телефонии, описать наиболее часто используемые протоколы, указать способы кодирования и декодирования голоса, разобрать некоторые характерные проблемы.
Под IP-телефонией подразумевается голосовая связь, которая осуществляется по сетям передачи данных, в частности по IP-сетям (IP — Internet Protocol). На сегодняшний день IP-телефония все больше вытесняет традиционные телефонные сети за счет легкости развертывания, низкой стоимости звонка, простоты конфигурирования, высокого качества связи и сравнительной безопасности соединения. В данном изложении будем придерживаться принципов эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection basic reference model) и рассказывать о предмете “снизу-вверх”, начиная с физического и канального уровней и заканчивая уровнями данных.
»
Модель OSI и инкапсуляция данных
Принципы IP-телефонии
При осуществлении звонка голосовой сигнал преобразуется в сжатый пакет данных (подробнее этот процесс будет рассмотрен в главах “Импульсно кодовая модуляция” и “Кодеки”). Далее происходит пересылка данных пакетов поверх сетей с коммутацией пакетов, в частности, IP сетей. При достижении пакетами получателя, они декодируются в оригинальные голосовые сигналы. Эти процессы возможны благодаря большому количеству вспомогательных протоколов, часть из которых будет рассмотрена далее.
В данном контексте, протокол передачи данных — некий язык, позволяющий двум абонентам понять друг друга и обеспечить качественную пересылку данных между двумя пунктами.
Отличие от традиционной телефонии
В традиционной телефонии установка соединения происходит при помощи телефонной станции и преследует исключительно цель разговора. Здесь голосовые сигналы передаются по телефонным линиям, через выделенное подключение. В случае же IP-телефонии, сжатые пакеты данных поступают в глобальную или локальную сеть с определенным адресом и передаются на основе данного адреса. При этом используется уже IP-адресация, со всеми присущими ей особенностями (такими как маршрутизация).
При этом IP-телефония оказывается более дешевым решением как для оператора, так и для абонента. Происходит это благодаря тому, что:
Физический уровень (Physical Layer)
На физическом уровне осуществляется передача потока битов по физической среде через соответствующий интерфейс. IP-телефония практически полностью опирается на уже существующую инфраструктуру сетей. В качестве среды передачи информации используются, как правило витая пара категории 5 (UTP5), одномодовое или многомодовое оптическое волокно, либо коаксиальный кабель. Тем самым в полной мере реализуется принцип конвергенции телекоммуникационных сетей.
Интересно рассмотреть технологию PoE (Power Over Ethernet) — стандарты IEEE 802.3 af-2003 и IEEE 802.3at-2009. Ее суть заключается в возможности обеспечения питанием устройств посредством стандартной витой пары. Большинство современных IP-телефонов, в частности, модельный ряд Cisco Unified IP Phones 7900 Series, поставляются с поддержкой PoE. Согласно стандарту 2009 года, устройства могут получать ток мощностью до 25,5 Ватт.
При подаче питания используются лишь две витых пары кабеля 100BASE-TX, однако некоторые производители задействуют все четыре, достигая мощности до 51 Ватт. Необходимо заметить, что технология не требует модификации уже существующих кабельных систем, в том числе и кабелей Cat 5.
Для определения того, является ли подключаемое устройство питаемым (PD — powered device) на кабель подается напряжение 2,8 — 10 В. Тем самым вычисляется сопротивление подключаемого устройства. Если данное сопротивление находится в диапазоне 19 — 26,5 кОм, то процесс переходит на следующий этап. Если же нет — проверка повторяется с интервалом ≥2 мс.
Далее происходит поиск диапазона мощностей питаемого устройства путем подачи более высокого напряжения и измерения тока в линии. Вслед за этим на линию подается 48 В — питающее напряжение. Также осуществляется постоянный контроль перегрузок.
Канальный уровень (Data Link Layer)
Согласно спецификации IEEE 802 канальный уровень разделяется на два подуровня:
Необходимо упомянуть механизм виртуальных локальных сетей (Virtual Local Area Network). Данная технология позволяет создавать логическую топологию сети без оглядки на ее физические свойства. Достигается это тегированием трафика, что подробно описано в стандарте IEEE 802.1Q.
Формат фрейма
В контексте IP-телефонии отметим Voice VLAN, широко применяющуюся для изоляции голосового трафика, генерируемого IP-телефонами, от других данных. Ее использование целесообразно по двум причинам:
Сетевой уровень (Network Layer)
На сетевом уровне происходит маршрутизация, соответственно основными устройствами сетевого уровня являются маршрутизаторы (Router). Именно здесь определяется, каким путем данные достигнут получателя с определенным IP-адресом.
Основной маршрутизируемый протокол — IP (Internet Protocol), на основе которого и построена IP-телефония, а также всемирная сеть Интернет. Также существует множество динамических протоколов маршрутизации, самый популярный среди которых OSPF (Open Shortest Path First) — внутренний протокол, основанный на текущем состоянии каналов связи;
На сегодняшний момент существуют специальные VoIP-шлюзы (Voice Over IP Gateway), обеспечивающие подключение обычных аналоговых телефонов к IP-сети. Как правило, они имеют и встроенный маршрутизатор, позволяющий вести учет трафика, авторизовать пользователей, автоматически раздавать IP-адреса, управлять полосой пропускания.
Среди стандартных функций VoIP-шлюзов:
Транспортный уровень (Transport Layer)
Для транспортного уровня характерны:
UDP базируется на сетевом протоколе IP и предоставляет транспортные услуги прикладным процессам. Его главное отличие от TCP — обеспечение негарантированной доставки, то есть при отправке и получении данных никаких подтверждений не запрашивается. Также при отправке информации не обязательно установление логического соединения между модулями UDP (источник и приемник).
Несмотря на то, что RTP принято считать протоколом транспортного уровня, как правило он работает поверх UDP. С помощью RTP реализуется распознавание типа трафика, работа с метками времени, контроль передачи и нумерация последовательности пакетов.
Основное назначение RTP состоит в том, что он присваивает каждому исходящему пакету временные метки, обрабатывающиеся на приемной стороне. Это позволяет принимать данные в надлежащем порядке, снижает влияние неравномерности времени прохождения пакетов по сети, восстанавливает синхронизацию между аудио и видео данными.
Уровни данных (Data Layers)
Три последних уровня модели OSI рассмотрим совместно. Такое объединение допустимо, так как процессы, происходящие на данных уровнях тесно связаны между собой, и описывать их безотносительно разделения на подуровни будет логичнее.
Первым делом необходимо описать стек протоколов H.323, разработанный в 1996 году. Данный стандарт содержит описание оборудования, сетевых служб и терминальных устройств, предназначенных для осуществления аудио- и видеосвязи в сетях с коммутацией пакетов (Интернет). Для любого устройства стандарта H.323 обязательна поддержка обмена голосовой информацией.
Рекомендации H.323 предполагают:
Согласно H.323 четырьмя основными компонентами VoIP-соединения являются:
1. Управление соединением и сигнализация:
1.а. H.225.0: протоколы сигнализации и пакетирования мультимедийного потока (использует подмножество протокола сигнализации Q.931).
1.б. H.225.0/RAS: процедуры регистрации, допуска и состояния.
1.в. H.245: протокол управления для мультимедиа.
2. Обработка звуковых сигналов:
2.а. G.711: импульсно-кодовая модуляция тональных частот.
2.б. G.722: кодирование звукового сигнала 7 кГц в 64 кбит/с.
2.в. G.723.1: речевые кодеры на две скорости передачи для организации мультимедийной связи со скоростью передачи 5.3 и 6.3 кбит/с.
2.г. G.728: кодирование речевых сигналов 16 кбит/с с помощью линейного предсказания с кодированием сигнала возбуждения с малой задержкой.
2.д. G.729: кодирование речевых сигналов 8 кбит/с с помощью линейного предсказания с алгебраическим кодированием сигнала возбуждения сопряженной структуры.
3. Обработка видеосигналов:
3.а. H.261: видеокодеки для аудиовизуальных услуг со скоростью 64 кбит/с.
3.б. H.263: кодирование видеосигнала для передачи с малой скоростью.
4. Конференц-связь для передачи данных:
4.а. T.120: стек протоколов (включает T.123, T.124, T.125) для передачи данных между оконечными пунктами.
5. Мультимедийная передача:
5.а. RTP: транспортный протокол реального времени.
5.б. RTCP: протокол управления передачей в реальном времени.
6. Обеспечение безопасности:
6.а. H.235: обеспечение безопасности и шифрование для мультимедийных терминалов сети H.323.
7. Дополнительные услуги:
7.а. H.450.1: обобщенные функции для управления дополнительными услугами в H.323.
7.б. H.450.2: перевод соединения на телефонный номер третьего абонента.
7.в. H.450.3: переадресация вызова.
7.г. H.450.4: удержание вызова.
7.д. H.450.5: парковка вызова ( park ) и ответ на вызов ( pick up ).
7.е. H.450.6: уведомление о поступившем вызове в состоянии разговора.
7.ж. H.450.7: индикация ожидающего сообщения.
7.з. H.450.8: служба идентификации имен.
7.и. H.450.9: служба завершения соединения для сетей H.323.
Сценарий установки соединения на основе протокола H.323
SIP (Session Initiation Protocol)
SIP — протокол сигнализации, предназначенный для организации, изменения и завершения сеансов связи. SIP независим от транспортных технологий, однако при установлении соединения предпочтительно использовать UDP. Для передачи самой голосовой и видеоинформации рекомендовано применять RTP, но возможность использования других протоколов не исключена.
В SIP определены два типа сигнальных сообщений — запрос и ответ. Также существует шесть процедур:
Кодеки
Аудиокодеком называют программу или алгоритм, который сжимает, либо разжимает цифровые звуковые данные, позволяя снизить требования к пропускной способности канала передачи данных. В IP-телефонии на сегодняшний день наиболее распространено преобразование посредством кодека G.729, а также сжатие G.711 по А-закону (alaw) и μ-закону (ulaw).
G.729 является кодеком, который сжимает исходный сигнал с потерей данных. Основная идея, заложенная в G.729 — передача не самого оцифрованного сигнала, а его параметров (спектральной характеристики, количества переходов через ноль), достаточных для последующего синтезирования на принимающей стороне. При этом все основные характеристики голоса, такие как амплитуда и тембр сохраняются.
Пропускная способность канала, на которую рассчитан данный кодек — 8 кбит/с. Длина кадра обрабатываемого G.729 — 10 мс, частота дискретизации — 8 кГц. Для каждого из таких кадров определяются параметры математической модели, которые в дальнейшем и передаются в канал в виде кодов.
При использовании кодирования G.729 задержка составляет 15 мс, из которых 5 мс тратится на заполнение предварительного буфера. Отметим также, что кодек G.729 предъявляет достаточно высокие требования к ресурсам процессора.
G.711 — голосовой кодек, который не предполагает никакого сжатия, помимо компандирования — метода уменьшения эффектов каналов с ограниченным динамическим диапазоном. В основе данного метода лежит принцип уменьшения количества уровней квантования сигнала в области высокой громкости, сохраняя при этом качество звука. Две широко использующиеся в телефонии схемы компандирования — alaw и ulaw.
Сигнал в данном кодеке предоставлен потоком величиной 64 кбит/с. Частота дискретизации — 8000 кадров по 8 бит в секунду. Качество голоса субъективно лучше, нежели при применении кодека G.729.
alaw или А-закон — алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Европы и России.
Для сигнала x преобразование по алгоритму alaw выглядит следующим образом:
Где А — параметр сжатия (обычно принимается равным 87,7).
ulaw или μ-закон — алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Японии и Северной Америки.
Для сигнала x преобразование по алгоритму ulaw выглядит следующим образом:
где μ принимается равным 255 (8 бит) в стандартах Северной Америки и Японии.
Импульсно кодовая модуляция (PCM — Pulse Code Modulation)
Импульсно кодовая модуляция — передача непрерывной функции в виде серии последовательных импульсов.
Для получения на входе канала связи модулированного сигнала, мгновенное значение несущего сигнала измеряется АЦП с определенным периодом. При этом количество оцифрованных значений в секунду (иначе, частота дискретизации) должно быть большим или равным двукратной максимальной частоте в спектре аналогового сигнала.
Далее полученные значения округляются до одного из заранее принятых уровней. Заметим, что количество уровней необходимо принимать кратным степени двойки. В зависимости от того, сколько было определено уровней, сигнал кодируется определенным количеством бит.
Квантование сигнала
На данном рисунке представлено кодирование с помощью четырех битов (то есть все промежуточные значения аналогового сигнала будут округляться до одного из заранее заданных 16 уровней). Для примера, при времени равном нулю сигнал будет представлен подобным образом: 0111.
При демодуляции последовательность нулей и единиц преобразуется в импульсы демодулятором, уровень квантования которого равен уровню квантования модулятора. После этого ЦАП на основе данных импульсов восстанавливает сигнал, а сглаживающий фильтр окончательно убирает неточности.
В современной телефонии число уровней квантования должно быть большим или равным 100, то есть минимальное количество бит, которым может кодироваться сигнал — 7.
Вопросы качества обслуживания в IP-телефонии (Quality of Service — QoS)
В сетях на основе стека TCP/IP высокое качество обслуживания трафика, чувствительного к задержкам передачи не обеспечивается по умолчанию. При использовании протокола TCP имеется гарантия достоверной доставки информации, но ее перенос может осуществляться с непредсказуемыми задержками. Для UDP характерна минимизация задержек, но гарантия верной доставки пакета отсутствует.
В то же время добротность речевого трафика сильно зависит от качества передачи, и в сети, где не реализованы механизмы, гарантирующие соответственное качество, реализация IP-телефонии может быть не удовлетворяющей требованиям пользователей.
Основными показателями качества обслуживания являются пропускная способность сети и задержка передачи. Задержка при этом определяется как промежуток времени, прошедший с момента отправки пакета, до момента его приема.
Также существуют такие характеристики, как готовность сети и ее надежность (оцениваются по результатам контроля уровня обслуживания в течение длительного времени, либо по коэффициенту использования).
Для улучшения качества связи используются следующие механизмы:
— Задержка при кодировании информации в голосовых шлюзах или терминальном оборудовании. Уменьшается путем улучшения алгоритмов обработки и преобразования голоса.
— Задержка, вносимая сетью передачи. Уменьшается путем улучшения сетевой инфраструктуры, в частности, сокращением количества маршрутизаторов и использованием высокоскоростных каналов.
Источники задержки в IP-телефонии
Джиттер
Еще одно явление, характерное для IP-телефонии — джиттер, или, иначе, случайная задержка распространения пакета.
Обуславливается джиттер тремя факторами:
Обычно предусматривается динамическая подстройка длины буфера в течение всего времени существования соединения. Для выбора наилучшей длины используются эвристические алгоритмы.
Джиттер буфер
Для компенсации неравномерной скорости поступления пакетов на приемной стороне создают временное хранилище пакетов, или так называемый джиттер буфер. Его задача, собрать поступающие пакеты в правильном порядке в соответствии с временными метками и выдать их кодеку с правильными интервалами и правильном порядке.
Джиттер буфер
Размер буфера приемное VOIP устройство рассчитывает в процессе работы, либо принудительно задается в настройках. С одной стороны он не может быть слишком большим, чтобы не увеличивать транспортную задержку. С другой стороны, маленький размер буфера вызывает потери пакетов при изменениях времени задержки в IP сети.
Отсюда и происходит одно из главных противоречий, между интернет провайдерами и пользователями IP телефонии. С точки зрения провайдера все пакеты доставлены абоненту, то есть, потерь нет. А с точки зрения VoIP устройства, разница во времени между приходом пакетов значительно превышает джиттер буфер. Поэтому фактически потери есть. На практике потеря более 1% вызывает определенные неприятные ощущения. При 2% разговор оказывается затруднен. При значениях больше 4% разговор уже практически невозможен.
Размер джиттер буфера
Случайная задержка распространения Ji для i-го пакета может определяться по формуле:
где:
Di – отклонение от ожидаемого времени прибытия i-го пакета.
Отклонение от ожидаемого времени прибытия i-го пакета Di определяется по формуле:
где:
R – время прибытия пакета в метках времени RTP,
S – временная метка RTP, взятая из пакета.
Приведем пример расчета ожидаемого размера случайной задержки распространения 5-го пакета, на основе двух предыдущих.
Пусть J4=10 мс; R4=10, R3=11, S4=6, S3=5, тогда D5 будет равно (10-11)-(6-5)=-2.
В среднем, случайная задержка времени распространения для одного пакета в текущем примере составит 10 мс (точнее можно посчитать по формуле, приведенной выше). Тогда для того, чтобы ни один пакет не был отброшен, размер джиттер буфера должен быть равным 10 мс.
Для определения требуемого размера джиттер буфера в мегабайтах, домножим полученное значение на 100 мбит/сек – среднюю пропускную способность сети: 10•10^-3•100 = 128 кб.
Размер джиттер-буфера должен быть больше, чем флуктуация транзитного времени в сети. Например, если для 10 пакетов время транзита колеблется от 5 до 10 мс, то буфер должен быть хотя бы 8 мс, чтобы ни один пакет не был потерян. Лучше, если буфер еще больше, например 12 мс, тогда сможет работать механизм перезапроса потерянных пакетов.
Решения для развертывания телефонной сети
Asterisk
Asterisk — программная АТС, способная коммутировать как VoIP вызовы, так и вызовы, осуществляемые между IP-телефонами и традиционной телефонной сетью общего пользования.
Поддерживаемые протоколы: IAX, SIP, H.323, Skinny, UNIStim.
Поддерживаемые кодеки: G.711 (ulaw и alaw), G.722, G.723, G.729, GSM, iLBC, LPC-10, Speex.
Asterisk — динамично развивающееся открытое программное обеспечение, которое может быть установлено без оглядки на лицензирование. Это делает данную программную АТС привлекательной для малого и среднего бизнеса. Количество абонентов в сети может достигать 2000 и ограничено только мощностью сервера.
Еще одно достоинство Asterisk — возможность гибкой настройки. Весь необходимый функционал либо уже реализован, либо может быть дописан самостоятельно без существенных временных и денежных затрат. Этому способствует принцип: одна задача — один программный модуль.
В сравнении с решениями от таких вендоров, как Cisco или Avaya, Asterisk привлекателен еще и стоимостью развертывания. Фактически все затраты сводятся только к покупке телефонных аппаратов и сервера, способного обеспечить требуемую нагрузку на сеть. Сама программа абсолютно бесплатна.
Cisco Unified Communication Manager (CallManager)
CallManager предназначен скорее для крупных сетей, включающих до 30000 абонентов. Данный программно-аппаратный комплекс обеспечивает надежность работы и позволяет конфигурировать множество параметров, таких как переадресация звонков или голосовое меню. Существует и “облегченная” express версия, предназначенная скорее для небольших офисов.
Из преимуществ Cisco CallManager следует отметить в первую очередь знаменитую техническую поддержку корпорации Cisco. При соответствующем уровне контракта на обслуживание, любая проблема, начиная с вопросов по настройке и заканчивая вышедшим из строя оборудованием, будет решена практически мгновенно. Поэтому Cisco CallManager подойдет компаниям, готовым платить немалые деньги, но и получать при этом высочайшее качество обслуживания.
Avaya IP Office
Система IP Office может стать неплохим выбором для среднего размера телефонной сети. Количество абонентов здесь ограничено не только мощностью сервера, но и количеством приобретенных лицензий. Лицензировать необходимо практически все — платы расширения, используемые приложения и т.д., что может доставить определенные неудобства.
Конфигурирование может осуществляться через ряд программ, но наиболее популярная и простая в обращении — Avaya IP Office Manager. Также возможно управление через консоль с помощью Avaya Terminal Emulator.
В целом, продукция корпорации Avaya не ограничивается одним IP Office. Avaya, в 2009 году слившаяся с еще одним известным производителем Nortel, является признанным лидером на рынке оборудования для IP-телефонии.
Что можно почитать по теме: