[К. Галичский - "Компьютерные системы в телефонии"]
Copyright (C) К. Галичский, 2002
Глава
1. Организация телефонных сетей
1.1 Телефонная сеть общего пользования
1.2 Внутренние сети
1.3 Мобильные сети
1.4 Интернет-телефония
1.5 Компьютерная телефония
1.6 Интеллектуальные сети
Телефония основана на коммутации соединений. Иными словами, для создания соединения между абонентами на всё время разговора выделяются каналы для передачи звука.
В цифровых сетях передачи данных, например, в Интернет, используется иной принцип – коммутация пакетов. Пакет – это блок двоичных данных, которыми обмениваются оконечные устройства сети (например, обычные компьютеры). Пересылка пакета из одного узла в другой напоминает отправку письма или телеграммы, то есть не требует установления постоянного соединения между этими двумя узлами, что позволяет значительно экономить внутренние ресурсы сети.
Телефонные соединения вполне можно реализовывать на основе сети с коммутацией пакетов. Именно эту задачу и решает так называемая Интернет-телефония. Оконечные устройства такой «виртуальной» телефонной сети, работающей поверх Интернет, непрерывно обмениваются пакетами прямо в процессе разговора. Пакеты содержат цифровые данные, кодирующие звук. Сама сеть не гарантирует надежной доставки отдельных пакетов, они могут теряться, дублироваться и приходить в перепутанном порядке из-за случайных задержек, свойственных сетям коммутации пакетов. Тем не менее, как показывает опыт, в этих условиях всё же удаётся решить большинство технических проблем и добиться приемлемого качества связи.
Главный козырь Интернет-телефонии – себестоимость: минута разговора в случае междугородной и, тем более, международной связи оказывается во много раз дешевле, чем при использовании традиционной связи по сетям с коммутацией соединений. Как показывает опыт, это в значительной степени оправдывает даже сравнительно низкое качество звука, присущее современной Интернет-телефонии.
Передача телефонных переговоров по сети Интернет может осуществляться по нескольким сценариям.
Самый простой способ состоит в использовании обычных мультимедиа-компьютеров, подключённых к Интернет (рис. 1.19). На обоих компьютерах требуется запустить специальную программу, например, Microsoft NetMeeting, которая на одном конце преобразует звук от микрофона в пакеты данных, а на другом конце преобразует эти пакеты обратно в звук и проигрывает его в динамик. Если один из компьютеров (или оба) оснащен видеокамерой, то можно передавать и изображение, показывая его на дисплее собеседника.
Адресация узлов в сети Интернет совершенно не похожа на телефонные номера. Поэтому при установлении соединения приходится указывать так называемый IP-адрес компьютера, на который необходимо «позвонить». Но во многих случаях IP-адрес компьютера динамически меняется при очередном подключении, поэтому чаще для соединения используют специальный узел сети – сервер каталогов (directory server). Этот сервер хранит списки зарегистрировавшихся на нем пользователей, причем каждый из них имеет уникальное имя в виде строки символов (обычно в формате адреса электронной почты: user@server.net) или традиционный номер, состоящий из цифр.
Когда пользователь А запускает на своем компьютере программу Интернет-телефонии, она автоматически сообщает серверу каталогов, что пользователь А доступен для входящих звонков и имеет такой-то IP-адрес. После этого на другом компьютере (пользователя Б) можно набрать символьное имя этого пользователя, программа запросит сервер каталогов, какой IP-адрес соответствует этому имени, а затем начнет передачу специальных пакетов данных на полученный адрес компьютера А. В результате, пользователь А получит уведомление о входящем Интернет-звонке (например, через динамики) от пользователя Б. Если А ответит на звонок (выбором пункта меню в программе), то соединение будет окончательно установлено.
Рис. 1.19. Соединение «компьютер- компьютер»
Вместо компьютера с установленной программой Интернет-телефонии можно использовать так называемый IP-телефон. Это устройство, внешне выглядящее как обычный телефон (рис. 1.20), но подключаемое непосредственно к сети передачи данных. В отличие от компьютера, который бывает включён не всегда, IP-телефон, как и обычный телефон, всегда готов к работе.
Рис. 1.20. IP-телефон Cisco IP Phone 7960
Итак, компьютеры и IP-телефоны являются разновидностями терминалов Интернет-телефонии (рис. 1.21), то есть играют роль абонентских устройств.
Рис. 1.21. Терминалы Интернет-телефонии
Сервер каталогов используется для коммутации звонков, правда только на этапе установления соединения: голосовые потоки в виде пакетов данных идут напрямую между терминалами, а не через него. Тем не менее, сервер каталогов можно в некотором смысле уподобить АТС.
Еще одна разновидность узлов в сети Интернет-телефонии – шлюз (гейтвей, gateway). Это «посредник» между традиционной телефонной сетью и сетью передачи данных, преобразующий звонки одного типа в другой и обратно. С его помощью можно совершать звонки между терминалами Интернет-телефонии и абонентами ТфОП в обоих направлениях (рис. 1.22).
Рис. 1.22. Соединение «компьютер-телефон» через шлюз
Если звонок инициирует пользователь Интернет-терминала, то он просто вводит номер вызываемого абонента ТфОП. Далее все происходит автоматически: терминал связывается со шлюзом, IP-адрес которого известен (введён заранее во время настройки терминала), посылая ему специальные пакеты данных, а шлюз, в свою очередь, делает исходящий звонок через ТфОП.
Если звонок инициирует абонент ТфОП, то сценарий несколько сложнее. Во-первых, абонент должен набрать телефонный номер шлюза в ТфОП. Затем шлюз отвечает на звонок и проигрывает приглашение ввести (с помощью тонового набора) адрес вызываемого терминала в сети Интернет. При этом возможно набирать только цифры; следовательно, в качестве адреса Интернет-терминала можно вводить либо IP-адрес, либо некоторую уникальную последовательность цифр, что сильно ограничивает возможности применения описываемого сценария.
Шлюз может также заниматься биллингом (тарификацией) предоставляемой услуги.
Шлюз может представлять собой компьютер или специализированное устройство. Существует ряд шлюзов, доступных через WWW-страницу: пользователь загружает её в свой Web-браузер, вводит в появившейся форме номер ТфОП, после чего шлюз организует соединение с компьютера пользователя на введённый номер.
Примером такой услуги является Web-сайт www.dialpad.com, который первое время после своего открытия вообще не брал платы за звонки, получая доход за счёт размещения баннерной рекламы, позволяя бесплатно совершать звонки в США из любой точки мира.
Очень важен также сценарий соединения «телефон-Интернет-телефон» (рис. 1.23). Этот способ соединения позволяет совершать междугородные и международные звонки с телефона на телефон по исключительно низким тарифам, что обуславливает широкое распространение этой услуги.
Рис. 1.23. Соединение абонентов ТфОП через Интернет
На основе технологий Интернет-телефонии можно строить внутренние телефонные сети. Этот случай будет рассмотрен позднее в разделе «Мини-АТС на основе Интернет-телефонии (IP-PBX)» на с. 29.
Две внутренние телефонные сети можно соединить между собой посредством Интернет: при этом с телефона одной сети можно звонить на телефоны из другой сети совершенно прозрачно, как будто сети соединены через ТфОП. Любой пользователь может звонить со своего компьютера через шлюз на телефоны в локальной сети (и наоборот).
Интересной представляется идея предоставления автоматических сервисов, характерных для обычной телефонии, через Интернет-телефонию. Например, автосекретарь и голосовая почта полезны и в случае Интернет-звонков.
Международный союз электросвязи (IUT-T) предложил стандарт H.323 для построения сетей Интернет-телефонии. Этот стандарт охватывает практически все аспекты создания таких сетей и в настоящее время является наиболее распространённым. Например, упоминавшаяся выше программа Microsoft NetMeeting поддерживает именно H.323. Эта программа бесплатно входит в состав последних версий популярных операционных систем семейства MS Windows (Windows ME, Windows 2000, Windows XP), поэтому можно сказать, что на абсолютное большинство персональных компьютеров во всем мире, подключённых к Интернет, можно сделать «виртуальный» звонок с использованием протоколов H.323.
Сети H.323 ориентированы на интеграцию с обычными телефонными сетями и рассматриваются как сети ISDN, работающие поверх сетей передачи данных – TCP/IP (Интернет), сетей IPX, Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring и т. д. Стандарт H.323 содержит большое количество протоколов, связанных с регистрацией оборудования, различными сценариями установления соединений, передачей речи, видео и данных, аутентификацией пользователей, тарификацией и многими другими задачами. Эти протоколы будут рассмотрены в главе3.
Согласно рекомендации H.323, сеть состоит из следующих устройств: терминалов (Terminal), шлюзов (Gateway), привратников (Gatekeeper) и устройств управления конференциями (Multipoint Control Unit – MCU), образующих так называемую зону (рис. 1.24).
Рис. 1.24. Зона сети H.323
Терминалы и шлюзы уже рассматривались выше.
Привратник управляет одной зоной сети, причем зона может состоять из нескольких территориально удалённых сегментов, соединённых с помощью шлюзов. В привратнике сосредоточен весь основной «интеллект» сети: он отвечает за регистрацию оконечного оборудования, входящего в зону, за контроль прав доступа, за номерной план, тарификацию услуг, за управление пропускной способностью сети. Таким образом, привратник ведёт учёт абонентов и занимается преобразованием их адресов в IP-адреса, то есть является своего рода сервером каталогов. Фактически привратник играет в сети роль АТС, хотя и участвует только в установлении соединения между прочими узлами, а передачей пакетов во время разговора занимается нижележащая инфраструктура сети передачи данных.
Устройство управления конференциями (MCU) отвечает за организацию соединений между тремя и более участниками. В зависимости от возможностей сети передачи данных, конференция может быть централизованной или децентрализованной, а также смешанной. Каждый участник конференции может связываться с MCU напрямую; при этом требуется более дорогое оборудование MCU, которое занимается смешиванием звуковых потоков. При децентрализованном режиме используется возможность многоадресной рассылки пакетов (IP multicasting) нижележащей сети передачи данных. В этом последнем случае MCU отвечает только за организацию конференции и поддержание списка участников. При этом смешиванием голосовых потоков занимаются оконечные устройства, что увеличивает их сложность и стоимость. Режим конференции может меняться при подключении очередного участника.
Все устройства сети H.323 могут быть реализованы в виде компьютеров или специализированных устройств, причем один узел сети может совмещать сразу несколько ролей, например, быть привратником и шлюзом. Кроме того, функции привратника могут совмещаться в «гибридной» мини-АТС (IP-PBX), к которой подключаются обычные телефоны и Интернет-терминалы.
В традиционной телефонной сети большинство всех функций оказывается сосредоточенным в одном узле – АТС. Это накладывает ограничение на максимальное количество абонентов, то есть на масштабируемость АТС, а также на надежность сети.
В сетях H.323 функции традиционной АТС распределены между разными узлами, причем каждый узел может быть многократно продублирован. Например, в одной зоне сети может быть несколько резервных привратников, а конференции можно распределять по нескольким MCU. Таким образом, архитектура сетей H.323 обеспечивает очень хорошую масштабируемость и надежность.
Кроме того, в одной локальной сети может быть несколько зон (несколько привратников).
Передача звука в виде пакетов данных предполагает сжатие звуковых данных для минимизации трафика, поэтому используются различные алгоритмы динамического сжатия этих данных на передающей стороне и восстановления их на принимающей. Эти алгоритмы называются кодеками (codec) – сокращение от КОдер + ДЕКодер.
В большинстве сетей передачи данных отсутствует гарантия доставки переданных данных, либо механизмы обеспечения такой гарантии создают недопустимо большие задержки при передаче данных в реальном времени. Поэтому кодеки должны быть готовы к потере некоторого процента переданных пакетов, не приводя при этом к существенному ухудшению качества связи.
Как правило, для большинства кодеков главное – не качество звука, а используемая полоса пропускания. Так, для качественной передачи речи без сжатия требуется скорость передачи данных 64 Кбит/с. Существуют кодеки, которые позволяют обойтись 1–2 Кбит/с, например, Voxware RT24 даёт поток 2,4 Кбит/c при умеренном качестве звука.
Другой немаловажный параметр для кодека – вычислительная сложность. Обычно кодеки с высокой степенью сжатия требуют больших вычислительных ресурсов, что приводит к удорожанию оборудования.
Размер одного пакета, пересчитанный в миллисекунды, определяет типичную задержку звука. Задержка в 200 мс уже заметна на слух, а при задержках около секунды о комфортном разговоре не может быть и речи.
По телефонным соединениям передаётся главным образом человеческая речь. Кодеки, использующие этот факт для достижения наилучшего результата, называют вокодерами. Они позволяют добиться очень сильного сжатия, однако качество звука обычно оставляет желать лучшего: голос собеседника может изменяться до неузнаваемости, напоминая компьютерный синтезатор речи, вещающий в гулком помещении с сильным эхом.
Международный союз электросвязи (ITU-T) стандартизовал ряд кодеков, которые широко применяются для передачи речи (таблица 1.1). Кроме того, в таблице приведён также широко применяемый кодек GSM Full Rate, стандартизованный Европейской организацией телекоммуникационных стандартов (ETSI, European Telecommunications Standards Institute).
Таблица 1.1. Стандартизованные кодеки
Кодек | Год одобрения | Поток, Кбит/c | Длина кадра, мс | Качество (5-высокое, 4-обычное, 3-разборчивое) |
Вычислительная сложность, MIPS | Принцип сжатия |
G.711 | 1965 | 64 | 0,125 | 4,2 | 0 | ИКМ-кодирование по A-закону или m-закону |
G.723.1 | 1995 | 5,3–6,4 | 30 | 3,7–3,9 | 16 | MP-MLQ |
G.726 | 1990 | 40, 32, 24, 16 | 0,125 | 4,3 (для 32 Кбит/с) | 0 | ADPCM (АДИКМ) |
G.728 | 1992 | 16 | 0,625–2,5 | 4,3 | 20 – кодер13 – декодер | LD-CELP (Low Delay Code Excited Linear Prediction) |
G.729 | 1996 | 8 | 10 | 4 | 20 – кодер3 – декодер | CS-ACELP (Conjugate Structure, Algebraic Code Excited Linear Prediction) |
GSM Full Rate | 1987 | 20 | 13 | 3,7 | 4,5 |
Пользователи Интернет-телефонии, соединяясь через шлюз с автоматическими сервисами, доступными в ТфОП, нуждаются в тоновом наборе (DTMF). Проблема в том, что узкополосные кодеки, рассчитанные на передачу человеческой речи, безнадежно искажают тоны DTMF.
Для решения этой проблемы шлюзы IP-телефонии должны специально обрабатывать тоны DTMF, передавая их по сети данных в виде специальных пакетов, а искажённые тоны подавлять. Такая возможность предусмотрена в семействе протоколов H.323.
Схожая проблема возникает в еще большей степени при передаче факсимильных сообщений, если какой-либо сегмент соединения проходит через Интернет, как, например, на рис. 1.23. Таким образом, передача факсов через Интернет (Fax over IP), несмотря на архаичность самой факсимильной связи в эпоху электронной почты, является актуальной проблемой. Она решается на уровне шлюзов, например, в соответствии с рекомендацией ITU-T T.38.
Литературщина!
Бесконечное счастье не передается средствами видеоряда.
(В. Татарский,
«Generation П»)
Помимо звука, вместе с Интернет-звонком может передаваться, в сущности, любая потоковая информация, лишь бы программное обеспечение с обеих сторон «понимало» друг друга.
Наиболее очевидным применением этой идеи является видеотелефония. Собственно говоря, стандарт H.323 появился на основе более раннего стандарта H.320, описывающего организацию видеоконференций по сетям ISDN. Для передачи видео по Интернет в реальном времени, как и для аудио, требуется сжатие информации, которое осуществляется видеокодеками. ITU-T стандартизовал единый формат для видео CIF (288´352 пиксела) и QСIF (144´176), а также видеокодеки H.261 и H.263.
Два или более пользователей, участвующие в H.323-соединении, могут также обмениваться различными данными, например, пересылать друг другу файлы, текстовые сообщения, совместно редактировать растровое изображение на разделяемой «грифельной доске», а также совместно использовать приложения. Для организации подобных «конференций данных» используются рекомендации ITU-T T.120 – T.128.
Важное преимущество IP-телефонии, помимо дешевизны связи и теснейшей интеграции с компьютерами – это возможность шифрования трафика, свойственное передаче данных через Интернет вообще.
Характерные недостатки, сильно сдерживающие распространение IP-телефонии – низкое качество звука, вызванное сильным сжатием данных, и большие временные задержки звука (иногда до нескольких секунд), обусловленные многократной буферизацией данных на промежуточных узлах сети.
Тем не менее, с развитием широкополосной связи и распространением поддержки протокола RSVP среди Интернет-провайдеров эти проблемы должны постепенно решиться. Последние условия достаточно легко выполнить в масштабах локальных сетей (интранет).
Итак, Интернет-телефония используется в настоящее время в основном как дешевое средство связи (но не всегда высокого качества). Тем не менее, это направление, очевидно, является будущим телефонии, как в применении к дальней связи, так и во внутренних сетях.