32
VoIP-шлюз работает как мост между IP-сетью и PSTN. В зависимости от
того откуда исходит сигнал, происходит его преобразование в надлежащую
форму для отправки или получения по сети назначения (IP или PSTN).
Если вызов происходит из ТфОП, VoIP-шлюз преобразует аналоговый
голосовой сигнал в цифровой, затем этот цифровой сигнал сжимается с
использованием кодека и разбивается на несколько IP пакетов, которые
передаются по сети IP с использованием протокола сигнализации.
В случае, если вызов происходит из IP-сети, процесс происходит в
обратном порядке. А конкретно, IP-шлюз будет декомпрессировать IP пакеты
в цифровой сигнал с дальнейшим его предобразованием в аналоговый,
который будет отправлен в сеть PSTN.
Работа кодеков заключается в перекодировании исходного сигнала в
нужный формат в зависимости от его назначения. Для корректной и
качественно работы IP телефонии, важно чтобы в настройках VoIP-шлюзов
использовался один формат кодеков и протоколов с обоих сторон
пользователей. Так же от выбранного протокола и кодека зависит и само
качество голосовых данных. Более подробное описание кодеков и их работа
будет рассмотрена в параграфе 1.3.2 данной главы.
Существует два основных типа шлюзов: аналоговые и цифровые.
Аналоговый - аналоговый VoIP-шлюз используется для
подключения традиционных аналоговых телефонов к телефонной системе
VoIP или для подключения вашей телефонной системы VoIP к телефонной
сети общего пользования. Благодаря этой двойной цели аналоговый VoIP-
шлюз поставляется в двух разных формах: FXS и FXO. Шлюз FXS. Шлюз FXS
используется для подключения ваших традиционных телефонов и
факсимильных аппаратов к телефонной системе VoIP.
Шлюз FXO - шлюз FXO используется для подключения вашей
телефонной системы VoIP к вашим линиям PSTN.
33
Цифровой VoIP-шлюз используется для подключения вашей
системы VoIP-телефона к вашим цифровым голосовым линиям, таким как T1
/ E1 / BRI. Цифровой VoIP-шлюз также можно использовать для подключения
вашей традиционной АТС к IP-сети.
Реальная разница между аналоговым VoIP-шлюзом и цифровым VoIP-
шлюзом - это интерфейсы, которые используются для соединения с
различными компонентами в зависимости от конкретной задачи.
Подавляющее большинство VoIP-шлюзов имеют в своём наборе ряд
своих особенностей и функций, к некоторым из них можно отнести:
Поддержка работы с несколькими протоколами, включая SIP,
H.323 и MGCP;
Поддержка голосовых кодеков G.711, G.723.1, G.726 и G.729A и
T.38 (для отправки факсов);
Подавление эффекта эха – «джиттера», VAD и CNG;
Веб-интерфейс для администрирования и управления;
Автоматическое обновление внутреннего ПО (прошивок),
посредством TFTP, HTTP и др.
VoIP-шлюзы можно найти в следующих конфигурациях:
- Шлюзы FXS на: 4/8/16/24/48 портов;
- Шлюзы FXO на: 4/8/16/24/48 портов;
- Цифровые шлюзы с интерфейсами: 1T1/2T1/4T1/1E1/2E1/4E1/1BRI/
2BRI/ 4BRI;
Разный функционал и конфигурация VoIP-шлюзов, соответственно
имеет прямое влияние на конечную стоимость оборудования. Поэтому, во
избежание разочарований от бессмысленного вложения финансовых средств
в тот функционал IP телефонии, которые никогда не будет использован,
34
необходимую конфигурацию стоит подбирать исходя из четко
сформулированной задачи.
Стоит отметить, что основной задачей VoIP-шлюза является
обеспечение качественной двухсторонней телефонной связью для
комфортного общения абонентов, независимо от структуры сети, марки
оборудования, его стоимости и наличия дополнительных функций.
1.3.2. Кодеки
Кодек (кодер-декодер) - это часть программного обеспечения, которое
используется для сжатия или преобразования аналогового речевого сигнала в
кодированную в цифровом виде версию, которая готова для передачи. Как
только данные будут приняты, принимающий кодек преобразует
кодированную в цифровом виде версию речевого сигнала обратно в
аналоговый сигнал. Кодеки и связанное с ними качество связи могут
значительно различаться после сжатия и передачи, что позволяет
организациям, использующим их, гибко выбирать кодек, который позволяет
им оптимизировать пропускную способность и вычислительную мощность,
которые они имеют.
Крайне важно обеспечить, чтобы получатель сжатых данных
использовал или имел доступ к тому же кодеку, что и отправитель данных,
чтобы избежать несоответствия кодеков. Результатом несоответствия кодека
будет то, что оба конца передачи не смогут согласовать один и тот же кодек, и
вызов не будет завершен.
По принципу действия кодеки можно разделить на три группы [27]:
1. кодеки с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ — передача
непрерывной функции в виде серии последовательных импульсов) и
адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (АДИКМ),
появившиеся в конце 50-х годов и использующиеся сегодня в системах
традиционной телефонии;
35
2. кодеки, использующие вокодерное преобразование речевого
сигнала. Эти кодеки используют гармонический синтез сигнала на основании
информации о его вокальных составляющих фонемах. В большинстве
случаев, такие кодеки реализованы как аналоговые устройства;
3. комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе
технологию вокодерного преобразования речи, но оперируют уже с цифровым
сигналом посредством специализированных DSP. Кодеки этого типа содержат
в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер.
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):
В G.729 используется метод, называемый CS-ACELP
(конъюгированный структурный алгебраический код, возбуждаемый
линейным предсказанием). Этот метод сжатия, как вы могли догадаться,
использует сложные математические формулы и, следовательно, требует
больше ресурсов обработки процессора. Таким образом, он имеет наивысшую
ценность задержки в пакетировании. G.729 рекомендуется для многих
пользователей и тяжелых данных, но качество голоса может быть не таким же
хорошим, как сжатие G.711. Теоретическая скорость передачи данных,
достигаемая G.729, составляет 8 Кбит / с, а пропускная способность 31,2 Кбит
/ с со всеми накладными расходами. Как вы можете видеть, это намного
меньше, чем G.711. G.729 является лицензированным кодеком и не является
бесплатным. Кодек необходимо приобрести либо у конечного пользователя,
либо у производителя, исходя из общего количества нет. ожидаемых в сети
параллельных вызовов (например). В G.729 есть приложения, такие как
G.729A, G.729D и G.729E, которые поддерживают скорость передачи 8 Кбит /
с, 6,4 Кбит / с, скорость передачи данных 11,8 Кбит / с соответственно. G.729D
& E обеспечивают переменную скорость передачи данных (поддержка
нескольких битовых скоростей).
36
G.711 считается базовым кодеком в IP-телефонии. Он
обеспечивает высочайшее качество голоса, но обеспечивает максимальную
пропускную способность. В G.711 использует метод, называемый импульсно-
кодовой модуляцией (PCM), чтобы теоретически дать бит-скорость около 64
Кбит / с. Практически, хотя после добавления всех накладных расходов он
может потреблять около 87,2 Кбит / с на канал. G.711 восприимчив к потере
пакетов по сравнению с другими кодеками. Кроме того, отсрочка задержки
увеличивается с увеличением количества одновременных вызовов, поскольку
задержка обработки (из-за больших размеров пакетов) увеличивается с
каждым дополнительным одновременным вызовом, который должен
обрабатываться сервером VOIP.
G.723.1 представляет собой двухканальный речевой кодек,
поддерживающий скорость передачи данных 6,3 Кбит / с и 5,3 Кбит / с
практическим потреблением полосы пропускания около 20-22 Кбит / с на
канал. Хотя рекомендуется, чтобы обе стороны передавали с одинаковой
скоростью, кодек по-прежнему будет работать, если одна сторона передает со
скоростью 5,3 Кбит / с, а другая сторона - 6,3 Кбит / с. G.723.1 имеет самую
низкую задержку передачи (распространения) среди трех из них и,
следовательно, подходит для очень больших установок в ненадежных сетях с
низкой пропускной способностью.
GSM - это то же самое, что и глобальная система мобильной связи,
которая используется поставщиками сотовых телефонов, которые, кстати,
также переходят на IP-сети. Битовая скорость составляет 13 Кбит / с, а речевые
сигналы делятся на блоки по 20 мс. Это бесплатный и открытый исходный
кодек с хорошей степенью сжатия, но с обычным качеством голоса. Поскольку
он уже широко используется в сотовых телефонах, крупные корпоративные
сети могут использовать их, если они ожидают огромное количество
одновременных вызовов в своих сетях VoIP.
iLBC относится к низкоуровневому кодеку Интернета. iLBC
приводит к битовой скорости передачи данных 13,3 Кбит/с и 15,2 Кбит/с, с
37
длиной кадра кодирования 30 мс и 20 мс соответственно. Он обеспечивает
сочетание низкой пропускной способности и достойного качества, особенно в
сетях с потерями, таких как Интернет. Однако его совместимость с общими
системами VOIP необходимо проверить перед реализацией, и этот кодек
достаточно интенсивен. iLBC не имеет лицензии и может использоваться без
уплаты гонораров. Это также с открытым исходным кодом. В любом случае,
лучше проверить специальные условия, заданные на их сайте, прежде чем
использовать эту в своей сети. Основные характеристики кодеков определены
в таблице 2 [15].
Таблица 2 - Основные параметры кодеков IP-телефонии
38
1.3.3. Факторы, влияющие на качество IP-телефонии
Разобьём факторы, влияющие на качество IP-телефонии на две
категории, первая из них зависит от качеств IP-сети, вторая – от качеств
шлюза:
1. Качества IP-сети характеризуют:
максимальная пропускная способность - максимальное
количество данных, которая она передает;
задержка - промежуток времени, требуемый для передачи пакета
через сеть;
джиттер - задержка между двумя последовательными пакетами;
потеря пакета - пакеты или данные, потерянные при передаче
через сеть.
2. Качества шлюза характеризуют:
требуемая полоса частот пропускания;
задержка - время, необходимое сигнальному процессору DSP для
кодирования и декодирования речевого сигнала;
объем буфера джиттера для сохранения пакетов данных до тех
пор, пока все пакеты не будут получены; затем можно будет передать часть
речевой информации в требуемой последовательности и таким образом
минимизировать джиттер;
возможность потери пакетов - потеря пакетов при сжатии и/или
передаче в оборудовании IP-телефонии;
наличие функции подавления эха, возникающего при передаче
речи по сети.
Возможны случаи, когда при передаче речи по IP-сети возникают
намного большие, чем в ТфОП, задержки, которые, к тому же, изменяются
случайным образом. Этот факт представляет собой проблему и сам по себе, но
кроме того, усложняет проблему эха, о которой мы расскажем позже.
Задержка (время запаздывания) определяется как промежуток времени,
39
затрачиваемый на то, чтобы речевой сигнал прошел расстояние от говорящего
до слушающего.
Когда речь или данные разбиваются на пакеты для передачи через IP-
сеть, пакеты часто прибывают в пункт назначения в различное время и в
разной последовательности (для доставки пакетов могли использоваться
различные маршруты). Это создает случайную задержку доставки пакетов,
называемую джиттером. Джиттер приводит к специфическим нарушениям
передачи речи, они воспринимаются как треск и щелчки.
Наиболее часто применяющийся метод борьбы с джиттером — джиттер-
буфер, хранящий определенное количество пакетов. Задачей этих буферов
является предварительное накопление пакетов перед их дальнейшей
передачей декодеру.
В результате выполнения главы 1, отмечено, что IP-телефония – это
технология, позволяющая использовать сеть передачи данных в качестве
транзита для организации телефонной и факсимильной связи. Используя сеть
Интернет, возможно существенно снизить расходы на междугородние и
международные разговоры. Для создания IP телефонии необходимо наличие
разнообразного оборудования, обладающие разными свойствами и
техническими характеристиками. К выбору типа, модели оборудования нужно
подходить исходя из конкретных задач. Так же определён ряд важных
критериев, общая архитектура и свойства, необходимые для дальнейшей
работы по организации IP телефонии.
40
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ, ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, СЕТИ
«СОЮЗ МТПП»
2.1. Общая характеристика сети «СОЮЗ МТПП»
Компания «СОЮЗ МТПП», находиться адресу г. Москве, улица
Советской Армии, 180 стр. 3В. В компании существует своя сетевая
инфраструктура звездообразной топологии, доступ в интернет и десять
телефонных номеров городской телефонной с сети (ГТС). В локальную сеть
объединены тринадцать рабочих компьютеров, из которых два используют
руководители, по одному закреплены за секретарём, остальные за рядовыми
сотрудниками. Также используется один факсимильный аппарат. Офис
«СОЮЗ МТПП» расположен на одном этаже: все рабочие станции сети
соединены только горизонтальными кабельными линиями. В качестве
кабельных линий используется 4-х парный 100-омный неэкранированный
кабель «витая пара» (Unshieded Twisted Pair – UTP) категории 5е, обладающий
следующими характеристиками [11]:
сопротивление 9.38 Ом/100 м;
емкость 4.59 нФ/100 м на частоте 1 кГц.
Витая пара с обеих сторон опрессована коннекторами RJ-45 (технология
проводных соединений Ethernet). Один конец кабеля подсоединяется к порту
сетевой карты компьютера, а второй к LAN порту коммутатора.
В качестве активного коммутационного оборудования в локальной сети
используется коммутатор Cisco Small Business Cisco SB SF100-16-EU, которые
имеет шестнадцать LAN портов на 10/100Base-TX (100 Мбит/с) и общую
пропускную способность до 3,2 Гбит/с.
В коммутатор встроен энергосберегающий режим, который способен
отключать неактивные порты и осуществлять автоматическую балансировку
мощности исходя из текущих требований. Данная функция позволяет
41
существенно понизить расходы на электроэнергию, что в свою очередь
говорит об эффективности данного оборудования.
Так же коммутатор поддерживает технологию управления качеством
обслуживания (QOS). Для всех пакетов трафика присваивается код
приоритета, на основании которого коммутатор отдает предпочтение в
обработке и дальнейшей отправке того или иного пакета исходя из общей
нагрузки на сеть. По умолчанию, в приоритет практически всегда ставятся
пакеты с данными, затем уже следует мультимедия и голосовая связь.
При отправке больших по размеру файлов в сети, таких как фотографии
или видео, логично, что существенно повышается нагрузка на центральный
процессор коммутатора при пересылке таких типов файлов. Поэтому для
снижения нагрузки, коммутатор оснащён поддержкой «jumbo frames» –
поддержка крупных кадров, размерами до 2000 байт. Данная функция в таких
случаях, позволяет перераспределить нагрузку центрального процессора и
увеличить пропускную способность сети.
В сетевой инфраструктуре компании, также используется сервер фирмы
HP ProLiant DL380, на борту которого два центральных процессора Intel Xeon
5000. Сервер работает на под управлением специализированной операционной
системе Microsoft Windows Server 2000.
В качестве основных технических характеристик, можно отметить
комплектацию сервера, состоящую из двух независимых друг от друга шин
памяти с рабочей частотой от 1,0 до 1,3 ГГц. В зависимости от установленной
частоты, для каждой предусмотрена своя пропускная способность, которая
составляет от 17 Гбайт/с до 21 Гбайт/с соответственно.
Модули памяти имеют двухрядное расположение выводов FBDIMM (Fully
Buffered DIMM), что минимизирует вероятность потери сигналов в цепи и
возникновению ошибок в работе системы.
Сервер также оснащён поддержкой PCI-Express, что обеспечивает высокую
производительность при подключении дополнительных устройств.