Проектирование сети провайдера IP-услуг

1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ IP-ТЕХНОЛОГИИ

 

Основу  транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия - IP (Internet Protocol).

К основным функциям протокола IP относятся:

• перенос между сетями различных типов адресной информации в унифицированной форме;
• сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным максимальным значением длины пакета.

Двумя основными протоколами обмена маршрутной информацией с стеке TCP/IP являются адаптивные протоколы RIP и OSPF.

Пример  архитектуры сети IP приведен на рисунке А.1.

 

1.1 Технология VoIP

 

Процесс передачи голоса по IP-сети состоит из нескольких этапов.

На  первом этапе осуществляется оцифровка  голоса.

Принцип действия АЦП основан на последовательном выполнении трех основных операций:

• дискретизация аналогового сигнала по времени, в результате чего формируется импульсный сигнал, промодулированный по амплитуде (АИМ-сигнал);
• квантование АИМ-сигнала по уровню;
• кодирование отсчетов АИМ-сигнала.

Приведем  структурную схему АЦП на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема АЦП

 

Затем оцифрованные данные анализируются и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, передаваемых получателю. Как правило, на этом этапе происходит подавление ненужных пауз и фонового шума, а также компрессирование.

На  следующем этапе полученная последовательность данных разбивается на пакеты и к  ней добавляется протокольная информация - адрес получателя, порядковый номер  пакета на случай, если они будут  доставлены не последовательно, и дополнительные данные для коррекции ошибок. При  этом происходит временное накопление необходимого количества данных для  образования пакета до его непосредственной отправки в сеть.

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

Для организации телефонной связи по пакетной сети 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 ЦПОС (цифровой процессор  обработки сигналов), который необходим  для преобразования речевого сигнала  в цифровой вид и формирования речевых кадров. Остальные преобразования реализуются программными средствами с использованием обычных универсальных  процессоров.

На  рисунке 2 изображена структура программного обеспечения (ПО)  для реализации возможности передачи речи по пакетной сети.

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 СПД. В состав ПО входят: вокодер, алгоритм эхоподавления, алгоритм обнаружения активности речи и алгоритм удаления джиттера.

 

Рисунок 2 – Структура ПО организации  телефонной связи по СПД с пакетной коммутацией

 

• 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].

Затем оцифрованные данные анализируются  и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, происходит подавление ненужных пауз и фонового шума, а также компрессирование.

На  следующем этапе полученная последовательность данных разбивается на пакеты и к  ней добавляется протокольная информация - адрес получателя, порядковый номер  пакета на случай, если они будут  доставлены не последовательно, и дополнительные данные для коррекции ошибок. При  этом происходит временное накопление необходимого количества данных для образования пакета до его непосредственной отправки в сеть [1]. Структура модуля пакетирования речи представлена на рисунке Д.1.

Извлечение  переданной голосовой информации из полученных пакетов также происходит в несколько этапов. Когда голосовые  пакеты приходят на терминал получателя, то сначала проверяется их порядковая последовательность. Поскольку IP-сети не гарантируют время доставки, то пакеты со старшими порядковыми номерами могут прийти раньше, более того, интервал времени получения также может колебаться. Для восстановления исходной последовательности и синхронизации происходит временное накопление пакетов. Однако некоторые пакеты могут быть вообще потеряны при доставке, либо задержка их доставки превышает допустимый разброс. В обычных условиях приемный терминал запрашивает повторную передачу ошибочных или потерянных данных. Но передача голоса слишком критична ко времени доставки, поэтому в этом случае либо включается алгоритм аппроксимации, позволяющий на основе полученных пакетов приблизительно восстановить потерянные, либо эти потери просто игнорируются, а пропуски заполняются данными случайным образом.

Полученная  таким образом (не восстановленная) последовательность данных декомпрессируется  и преобразуется непосредственно  в аудио-сигнал, несущий голосовую  информацию получателю.

С большой  степенью вероятности, полученная информация не соответствует исходной (искажена) и задержана (обработка на передающей и приемной сторонах требует промежуточного накопления). Однако в некоторых  пределах избыточность голосовой информации позволяет мириться с такими потерями.

В настоящее  время в IP-телефонии существует два основных способа передачи голосовых пакетов по IP-сети:

• через глобальную сеть Интернет (Интернет-телефония);
• используя сети передачи данных на базе выделенных каналов (IP-телефония).

В первом случае полоса пропускания напрямую зависит от загруженности сети Интернет пакетами, содержащими данные, голос, графику и т.д., а значит, задержки при прохождении пакетов могут  быть самыми разными. При использовании  выделенных каналов исключительно  для голосовых пакетов можно  гарантировать фиксированную (или  почти фиксированную) скорость передачи. Ввиду широкого распространения  сети Интернет особый интерес вызывает реализация системы Интернет-телефонии, хотя следует признать, что в этом случае качество телефонной связи оператором не гарантируется.

Для того чтобы осуществить междугородную (международную) связь с помощью  телефонных серверов, организация или  оператор услуги должны иметь по серверу  в тех местах, куда и откуда планируются  звонки. Стоимость такой связи  на порядок меньше стоимости телефонного  звонка по обычным телефонным линиям. Особенно велика эта разница для  международных переговоров.

Общий принцип действия телефонных серверов Интернет-телефонии таков: с одной  стороны, сервер связан с телефонными  линиями и может соединиться  с любым телефоном мира. С другой стороны, сервер связан с Интернетом и может связаться с любым  компьютером в мире. Сервер принимает  стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно  сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через Интернет по назначению с использованием протокола IP . Для пакетов, приходящих из сети на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети) происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Например, звонок «телефон-компьютер» или «компьютер-телефон» может обеспечивать один телефонный сервер. Для организации связи телефон (факс) - телефон (факс) нужно два сервера.

Кодеки  IP-телефонии

За  все время существования данного  направления было разработано большое  количество кодеков, используемых для  передачи аудио- и видеоинформации  в системах IP-телефонии. Наиболее популярными (по количеству пользователей и поддержки в конечных устройствах) в настоящее время являются.

Кодек G.711 – рекомендация утверждена в  1984 г., описывает кодек, использующий ИКМ преобразование аналогового сигнала с точностью 8 бит, тактовой частотой 8 кГц и простейшей компрессией амплитуды сигнала. Скорость потока данных на выходе преобразователя составляет 64 кбит/с. Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой при кодировании используется нелинейное квантование по уровню  согласно специальному псевдо-логарифмическому закону. Использование G.711 в системах IP-телефонии обосновано лишь в тех случаях, когда требуется обеспечить максимальное качество кодирования речевой информации при небольшом числе одновременных разговоров. Одним из примеров применения кодека G.711 могут послужить IP-телефоны компании Cisco.

Кодек G.726 – один из старейших алгоритмов сжатия речи ADPCM - адаптивная дифференциальная ИКМ (стандарт G.726 был принят в 1984 г.). 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. 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. В ADPCM изменение уровня сигнала кодируется четырехразрядным числом, при этом частота измерения амплитуды сигнала сохраняется неизменной. Процесс преобразования не вносит существенной задержки и требует от DSP 5,56,4 MIPS (Million Instructions Per Second). Кодек может применяться совместно с кодеком G.711 для снижения скорости кодирования последнего. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций.

Кодек G.723.1 – рекомендация G.723.1 описывает  гибридные кодеки, использующие технологию кодирования речевой информации, сокращенно называемую - MP-MLQ (Multy-Pulse - Multy Level Quantization - множественная импульсная, многоуровневая квантизация). Данные кодеки можно охарактеризовать, как комбинацию АЦПУЦАП и вокодера. Своим возникновением гибридные кодеки обязаны системам мобильной связи. Применение вокодера позволяет снизить скорость передачи данных в канале, что принципиально важно для эффективного использования радиотракта и IP-канала. Основной принцип работы вокодера - синтез исходного речевого сигнала посредством адаптивной замены его гармонических составляющих соответствующим набором частотных фонем и согласованными шумовыми коэффициентами. Кодек G.723 осуществляет преобразование аналогового сигнала в поток данных со скоростью 64 кбит/с (ИКМ), а затем при помощи многополосного цифрового фильтра/вокодера выделяет частотные фонемы, анализирует их и передает по IP-каналу информацию только о текущем состоянии фонем в речевом сигнале. Данный алгоритм преобразования позволяет снизить скорость кодированной информации до 5,3-6,3 кбит/с без видимого ухудшения качества речи. Кодек имеет две скорости и два варианта кодирования: 6,3 кбит/с с алгоритмом MP-MLQ и 5,3 кбит/с с алгоритмом CELP. Первый вариант предназначен для сетей с пакетной передачей голоса и обеспечивает лучшее качество кодирования по сравнению с вариантом CELP, но менее адаптирован к использованию в сетях со смешанным типом трафика (голос/данные). Кодек G.723.1 широко применяется в голосовых шлюзах и прочих устройствах 1Р-телефонии. Кодек уступает но качеству кодирования речи кодеку G.729a, но менее требователен к ресурсам процессора и пропускной способности канала.

Кодеки G.729 – включает кодеки G.729, G.729 Annex A, G.729 Annex В (содержит VAD и генератор комфортного шума). Кодеки G.729 сокращенно называют CS-ACELP Conjugate Structure - Algebraic Code Excited Linear Prediction - сопряженная структура с управляемым алгебраическим кодом линейным предсказанием. Процесс преобразования использует DSP 21,5 MIPS и вносит задержку 15 мс. Скорость кодированного речевого сигнала составляет 8 кбит/с. В устройствах VoIP данный кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии.

Кодек G.728 – гибридный кодек, описанный  в рекомендации G.728 в 1992 г. относится к категории LD-CELP - Low Delay - Code Excited Linear Prediction - кодек с управляемым кодом линейным предсказанием и малой задержкой. Кодек обеспечивает скорость преобразования 16 кбит/с, вносит задержку при кодировании от 3 до 5 мс и для реализации необходим процессор с быстродействием более 40 MIPS. Кодек предназначен для использования, в основном, в системах видеоконференций. В устройствах IP-телефонии данный кодек применяется достаточно редко.