pr1.3

Приложение 1.3
Научно-образовательный материал
«IP-телефония: теория, практика, приложения»
Программа курса «IP-телефония: теория, практика, приложения»
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ IP-ТЕЛЕФОНИИ.
2. ПРОТОКОЛЫ ДЛЯ IP-ТЕЛЕФОНИИ
3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОТОКОЛОВ СИГНАЛИЗАЦИИ IPТЕЛЕФОНИИ
4. ШЛЮЗЫ IP-ТЕЛЕФОНИИ
5. СИСТЕМА АДМИНИСТРИРОВАНИЯ ДЛЯ IP-ТЕЛЕФОНИИ, СИСТЕМЫ
СБОРА СТАТИСТИКИ И БИЛЛИНГА
6. ТЕХНОЛОГИИ АБОНЕНТСКОГО РАДИОДОСТУПА
7. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕЛЕФОНИИ
8. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕЛЕФОНИИ
9. ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ПРИЛОЖЕНИЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕЛЕФОНИИ
10. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНОЙ СИСТЕМЫ
11. ПОДДЕРЖКА ПРОТОКОЛОВ ТЕЛЕФОННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
СРЕДСТВАМИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕЛЕФОНИИ
12. РАЗРАБОТКА ОФИСНОЙ АТС
13. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ РЕШЕНИЙ IP-ТЕЛЕФОНИИ.
13.1. ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ НА БАЗЕ IMS
13.2. ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ НА БАЗЕ SOFTSWITCH
13.3. CЕТИ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ ПАКЕТНОЙ КОММУТАЦИИ
1.3.1. Основные понятия и термины IP-телефонии
Две современные технологии пакетного голоса
1) передача голоса поверх IP (VoIP)
2) IP-телефония (IP-Telephony)
Передача голоса поверх IP
Технология передачи голосовой информации с использованием протокола IP.
Переход в телефонии от технологии коммутации каналов к технологии коммутации
пакетов.
В качестве транспорта выбран протокол IP, но первые эксперименты по передаче
пакетного голоса берут начало с попыток реализации технологий передачи
голосовой информации с использованием сетей Х.25 (продукты компаний MICOM,
TELEMATICS)
1
Следующий этап – переход к технологии передачи голоса с использованием
технологии Frame Relay (VoFR).
Быстрое развитие данных технологий было вызвано стремлением получить
экономию на стоимости междугородних и международных каналов связи путем
интеграции голоса и данных в одном канале. «Заказчиками» выступали крупные
компании, владеющие корпоративными сетями. Из-за этого решения были
ориентированные на корпоративный сектор (продукты Cisco, Motorola, Alcatel,
Nortel и др.)
Отдельно следует сказать о технологиях АТМ и передаче голоса поверх АТМ.
АТМ обладает встроеными механизмами качества обслуживания, что позволяет
решить проблему качества пакетного голоса (компенсации задержки и вариации
задержки , обеспечения необходимой полосы пропускания)
Вопрос: почему данная технология не получила широкого распространения?
Ответ: большинство корпоративных приложений было ориентировано на протокол
IP.
Инкапсуляция протокола IP и других в АТМ оказалась крайне неэффективной из-за
фиксированного размера АТМ-ячейки (53 байта, средняя длина IP пакета больше).
Основное преимущество технологии АТМ обернулось ее основным недостатком.
Появление технологий быстрой коммутации (fast switching и др.), что позволило
обрабатывать пакеты переменной длины за фиксированное время (внутри
коммутаторов и маршрутизаторов)
Произошло сближение телефонных сетей.
Передача голосовой информации происходит путем ее преобразования в пакетный
вид, ключевой элемент телефонии (коммутатор) остался неизменным, зато
появилось новое устройство – медиа-шлюз (gateway), которое занялось
преобразованием аналогово или цифрового голосовых потоков в пакеты сетей IP,
Frame Relay или АТМ.
Gateway - устройство, которое реализует в себе интерфейсы традиционной
телефонии и «понимает» протоколы сигнализации традиционной телефонии (ОКС7,
Qsig, E&M) и в то же время является элементом пакетной сети, то есть умеет
обрабатывать IP пакеты.
Выбор протокола IP, как основного протокола пакетной технологии для передачи
голоса был обусловлен его широким использованием как в пакетных сетях крупных
операторов, так и в корпоративных сетях.
Кроме того IP “победил” в соревновании с другими протоколами (IPX, Apple Talk,
Banan Vines), как протокол, используемый различными сетевыми приложениями в
корпоративных сетях.
Что из себя представляет протокол IP?
2
Прежде всего это семейство протоколов, которое позволяет реализовать как
гарантированную так и негарантированную доставку пакетов отправителя
получателю.
Семейство состоит из протоколов IP, UDP, TCP, ICMP
1.3.2 Протокол TCP.
Порт источника и порт назначения не требуют объяснения.
·Порядковый номер блока данных используется для проверки – все ли блоки
получены. Неподтвержденные блоки должны быть переданы повторно.
·Номер подтверждения указывает следующий ожидаемый порядковый номер.
·Поле смещения данных указывает, где начинаются данные заголовка TCP.
·Однобитовые поля используются при обработке данного блока:
URG – бит срочности,
ACK – бит подтверждения,
PSH – бит внеочередной обработки,
RST – бит восстановления,
SYN – бит синхронизации,
FIN – бит завершения.
·Размер окна - это число блоков данных, которые могут быть посланы до
подтверждения.
·Поле опций содержит, например, максимальный размер TCP-дейтаграммы.
·В конце заголовок дополняется нулями до полного 32-битного слова.
Как выглядит IP пакет с голосовой информацией?
На первом этапе происходит преобразование голосовой информации
- оцифровка (если применимо) и компрессия с использованием кодеков различных
типов. На втором этапе, полученная информация обрамляется заголовками
протоколов IP, UDP и RTP.
RTP - специальный протокол, предназначенный для передачи голоса и видео через
сеть IP
Рассмотрим каждый из этапов в отдельности
RTP (Real Time Protocol)
RTP предназначен для передачи информации реального времени через сети IP.
Работа над протоколом UDP и обеспечивает следующие услуги для передаваемой
информации
- порядковый номер пакета
- временная метка
- тип информации, содержащейся в пакете (голос, видео, аудио, DTMFсигнализация)Заголовок RTP протокола:
3
1.3.3. Основы оцифровки сигнала
Оцифровка сигнала
•Разбиение аналогового сигнала на отсчеты
•Оцифровка каждого отсчета
•Возможно применение сжатия с потерями
Получение аналогового сигнала из цифрового
•Декомпрессия сигнала, если нужно
•Получение аналогового сигнала
•Применение фильтров для удаления шума
1.3.4. Оцифровка сигнала
Линейная
Одинаковая цена деления шкалы
Логарифмическая
Дает улучшение соотношения сигнал-шум
–Два метода
a-law (большинство стран)
μ-law (Канада, США, Япония)
1.3.5. Алгоритмы сжатия голоса
–Алгоритмы формы волны
PCM
ADPCM
–Алгоритмы источника
LDCELP
CS-ACELP
Примеры алгоритмов формы волны
–PCM (ИКМ)
Схема кодирования алгоритмом формы волны
–ADPCM
Схема кодирования алгоритмом формы волны
Адаптивный: автоматическое уплотнение
Разностный: кодируются только изменения между отсчетами
–Стандарты ITU:
G.711: 64 kbps = (2 * 4 kHz) * 8 bits/sample
G.726: 32 kbps = (2 * 4 kHz) * 4 bits/sample
G.726: 24 kbps = (2 * 4 kHz) * 3 bits/sample
G.726: 16 kbps = (2 * 4 kHz) * 2 bits/sample
4
1.3.6. Примеры алгоритмов источника
CELP
Гибридная схема кодирования
Высокое качество голоса при низкой скорости кодека, нагрузка на процессор
–G.728: LDCELP—16 кб/c
–G.729: CS-ACELP—8 кб/c
Вариант G.729 Annex A—8 кб/c, меньше нагрузка на процессор, большее число
голосовых каналов на DSP
Вариант Annex B—VAD и CNG
Это была технология передачи голоса поверх IP (VoIP), которая позволила
объединить традиционные телефонные системы через сети пакетной коммутации.
Был осуществлен переход от сетей с коммутацией каналов к сетям с коммутацией
пакетов.
Логично было бы следующим шагом разработать устройства, которые смогли бы
заменить традиционные телефонные станции (или были бы интегрированы в
традиционные станции ), с возможностью непосредственного подключения к IPсети (исключить шлюзы).
Таким устройствами стали телефонные аппараты с возможностью подключения к
IP-сети (IP-телефоны) и различные сервера, реализующие функции телефонных
станций и предоставляющие услуги абонентам IP-телефонов. В этом случае
формирование VoIP пакетов происходит на самих IP-телефонах, телефонный
общаются с серверами посредством протоколов сигнализации. Взаимодействие с
ТФОП осуществляется через шлюзы.
В этом «Новом Мире»:
Сall Agent -программная телефонная станция, обрабатывает вызовы от абонентов и
предлагает услуги (перевод, удержание звонка и т.д.). Аналог УАТС
MCU (media convergence unit ) - сервер дополнительных услуг (конференцсвязи,
голосовой почты)
Сервер приложений - различные приложения для абонентов IP-телефонии
Gatekeeper (привратник) – контроллер обработки вызовов для объединения
различных зон IP-телефонии (УАТС). Аналог городского телефонного коммутатора
Проблемы качества в VoIP сетях
Факторы, влияющие на качество:
5
•Потери пакетов,
•Задержка,
•Вариация задержки.
Методы по улучшению качества пакетного голоса:
•Создание приоритетных очередей на сетевом оборудовании для голосовых пакетов,
•Гарантирование полосы пропускания для голосовых пакетов согласно количеству
каналов и используемому кодеку
Все эти методы реализуются производителями оборудования в механизме качества
обслуживания (QoS)
1.3.7. Протоколы для IP-телефонии
Для взаимодействия абонентов IP-телефонии с серверами (Call agent, Gatekeeper)
были разработаны протоколы сигнализации IP-телефонии:
- Н.323
- SIP
- MGCP (MEGACO)
- «частные» протоколы сигнализации производителей оборудования IP-телефонии
Стандарт H.323 включает в себя:
•Сигнализацию доступа RAS (Registration, Admission and Status),
•Сигнализацию вызова,
•Контроль вызова.
Стандарт Н.323 является рамочной рекомендацией, так как включает в себе ряд
других рекомендаций:
•Н.225.0 – пакеты и синхронизация,
•Н.245 – управление,
•Н.261 и Н.263 – видеокодеки,
•G.711, G.722, G.728, G.729 и G.723 – вокодеры и компрессия речи,
•Серия Т.120 – протоколы мультимедийной связи.
Рекомендация Н.323 определяет ключевые объекты IP-телефонии:
•Н.323–терминал,
•Н.323–Multipoint Control Unit (MCU) для конференцсвязи,
•Н.323–шлюз (gateway),
•Н.323–контроллер (gatekeeper).
ARQ – запрос от абонента (содержит вызываемый номер телефона)
ARC – ответ от привратника с IP-адресом абонента, который зарегистрировал
вызываемый номер телефона
6
ARJ – ответ от привратника о том, что соединение не может быть установлено
(номер неизвестен, соединение запрещено)
DRQ – запрос на разъединение
DRC – подтверждение запроса на разъединение
Вызов. Вызов состоит из всех участников конференции, приглашенных общим
источником.
SIP-вызов
идентифицируется
единым
глобальным
идентификационным номером Call-ID.
Клиент. Это прикладная программа, которая посылает SIP-запросы (request).
Клиенты общаются с пользователем-человеком прямо или косвенно.
Сервер. Это прикладная программа, которая принимает запросы с целью их
выполнения и посылки ответов (response). Сервер может быть proxy-сервером,
сервером переадресации или сервером агента пользователя.
Proxy-сервер (или, просто, proxy) –промежуточная программа, которая действует
как сервер и как клиент имеют право посылать запросы от имени других клиентов.
Proxy интерпретирует и, если необходимо, переписывает сообщение запроса перед
его отсылкой.
Клиент агента пользователя (User agent client, UAC) – прикладная программа,
которая инициирует SIP-запрос.
Сервер агента пользователя (User agent server, UAS) - прикладная программа,
которая общается с пользователем, когда принят SIP-запрос, и возвращает ответ (т.е.
ответ на запрос данного пользователя).
Агент пользователя (User agent, UA) - прикладная программа, содержащая как
UAC, так и UAS.
SIP-транзакция – это последовательность всех сообщений, начиная с первого
запроса, посланного клиентом к серверу, и кончая финальным ответом от сервера к
клиенту.
Сервер переадресации (Redirect server) – принимает SIP-запросы, замещает адрес
несколькими, если надо, новыми адресами и возвращает клиенту.
Сервер локации (Location server) – выполняет услугу локации , может быть
совмещен с SIP-сервером
MGCP и связанные с ним стандарты
–Описан в IETF RFC 2705, Октябрь 1999.
–Дополнения описаны в RFC 2805, Август 2000.
–Реализует архитектуру клиент-сервер по контролю на абонентами (endpoints)
7
–использует для адресации номера E.164,
–Абоненты (endpoints) не могут функционировать самостоятельно.
Протокол MGCP (Media Gateway Control Protocol) предназначен для связи между
контроллером шлюзов MGC (или агентом вызова по терминологии IECF) и
различными медиа-шлюзами, которые выполняют команды, поступающие из MGC.
Протокол MGCP состоит из трех частей:
•Контроль соединения;
•Обработка внутриканальной сигнализации;
•Управление устройствами.
Контроль соединения. Соединение между конечными точками (физическими,
например, телефонный аппарат, или виртуальными как аудиозапись в сервере)
характеризуется параметрами (их всего 10): send_only, receive_only, send/receive и
др. Команды MGC могут содержать также параметры соединения, такие как IPадрес, UDP-порт, RTP-профиль.
Обработка внутриканальной сигнализации. Контроллер может послать шлюзу
запрос на обнаружение или генерацию различных внутриканальных сигналов в
зависимости от используемых систем телефонной сигнализации.
MGCP и протоколы сигнализации. MGCP не является протоколом сигнализации в
полном смысле слова, а только протоколом контроля соединения. Существуют два
конкурирующих протокола VoIP-сигнализации: H.323 и SIP. MGCP дополняет эти
два протокола.
8