SIP-телефония - это самый современный вид телефонии, основанный на использовании последних достижений в области передачи данных и являющийся составной частью так называемых сетей нового поколения (NGN). SIP (Session Initiation Protocol) - протокол установления интерактивного сеанса связи между пользователями, включающего передачу текстовых, аудио- и видеоданных. Серьезное преимущество SIP-телефонии перед Skype состоит в том, что, используя стандартное VoIP-оборудование, работающее по протоколу SIP, можно организовать внутриофисную и внутрикорпоративную телефонную связь, не используя Интернет для подключения к провайдеру. Для этого в офисе будет использоваться существующая ЛВС. Немаловажно и то, что SIP-телефония, в отличие от Skype, позволяет отправлять и принимать факсимильные сообщения. SIP-телефония легко интегрируется в существующие традиционные телефонные решения, делая вашу телефонную связь экономичной.

На данный момент существует два наиболее популярных способа воспользоваться услугами VOIP - Интернет-телефонии с выходом на стационарные и мобильные телефоны:

Значительную экономию на междугородних и международных звонках можно получить при объединении IP-АТС территориально удаленных офисов компании (). При этом возможно использовать единый номерной план для всех сотрудников компании. IP-телефоны и IP-АТС дают экономию на отказе от прокладки отдельной телефонной сети, ведь в этом случае достаточно использовать существующую ЛВС, в том числе и беспроводную.
При переезде сотрудника с одного рабочего места на другое нет необходимости перекроссировать телефонную линию, как это делается на аналоговых АТС.

Схемы подключения

1. Схема подключения. ПК с установленным софтфоном и гарнитурой или USB-телефоном.

Такая схема позволяет осуществлять звонки как между абонентами SIP-провайдера, так и звонить на городские и мобильные телефоны. С городского или мобильного телефона тоже можно позвонить на Ваш IP-телефон, если SIP-провайдер предоставляет такую услугу.

Функциональность у такого подключения такая же, как и в предыдущей схеме, только нет необходимости использовать постоянно включенный ПК.

3. Схема подключения. IP-WiFi - телефон.

Функциональность у такого подключения такая же, как и в предыдущей схеме. Преимущество - перемещение абонента в зоне действия WiFi-сети, один WiFi телефон можно использовать дома, на работе, в командировке.

В этом варианте к функциональности схемы №2 добавляется возможность совершать и принимать звонки через обычную городскую телефонную сеть.

Функциональность у такого подключения такая же, как и в схеме №2. Преимущество в экономии на аппаратных средствах. Стоимость VoIP-адаптера, почти в два раза ниже стоимости IP-телефона.

6. Схема подключения. Обычный телефон и VoIP-шлюз.

Задача шлюза состоит в соединении городской телефонной сети и VoIP-сети. При исходящем звонке с телефонного аппарата абонент может выбрать маршрут звонка: через SIP- провайдера (дешевый межгород и международные звонки) или городская сеть (дешевые местные звонки). Входящий звонок от SIP-провайдера, в зависимости от настройки шлюза, может быть направлен либо на телефон, подключенный к FXS порту, либо в городскую сеть. В последнем случае звонящий услышит гудок городской АТС и сможет набрать любой телефонный номер. Входящий звонок из городской телефонной сети так же имеет два маршрута в зависимости от настроек шлюза: на телефон, подключенный к FXS-порту или в сеть SIP-провайдера. В последнем случае, звонящий услышит гудок и сможет набрать любой телефонный номер. Для удобства в шлюзе можно включить голосовое меню, чтобы звонящий мог сам выбирать маршрут звонка посредством нажатия кнопок телефона.

В этом случае IP-АТС выступает в качестве SIP-сервера, на котором хранятся учетные записи и номера IP-телефонных абонентов в офисе. Чтобы подключить IP-телефон, достаточно включить его в коммутатор локальной сети офиса и сделать соответствующие настройки. Аналоговые телефоны и городские линии тоже возможно подключить к IP-АТС , но уже через VoIP-шлюз , который подключается к коммутатору. Теперь останется сделать план телефонных номеров и настроить маршрутизацию звонков. Все это делается с помощью Web-интерфейса IP-АТС. Объединить два офиса, в которых установлены IP-АТС, не составит труда.

При этом в дальнейшем Вы получите экономию на звонках между сотрудниками офисов (оплата доступа в Интернет). Особенно ощутимой она будет, если вы соедините офисы, находящиеся в разных городах.

Выводы

• SIP-телефония вполне может заменить традиционный телефон. Но это совсем не значит, что можно полностью отказаться от городского телефона. Без городской линии вы не сможете вызвать экстренные службы. Кроме этого, городская телефонная линия имеет автономное питание, так что ей не страшно отключение электроэнергии в Вашем доме или офисе.
• SIP-телефония легко интегрируется в существующие традиционные телефонные решения , делая вашу телефонную связь экономичной. Например, нет необходимости менять существующую аналоговую АТС, на новую IP-АТС с IP-телефонами на каждом рабочем месте, чтобы все сотрудники офиса получили доступ к недорогому межгороду. Подключите АТС к SIP-провайдеру через VoIP-шлюз!
• На базе стандартного SIP-оборудования можно легко создать масштабируемую внутриофисную и внутрикорпоративную телефонную сеть, объединяющую несколько удаленных офисов, причем офисы могут находиться не только в разных городах, но и в разных странах. И никаких дорогостоящих междугородних звонков - только оплата доступа в Интернет.
• SIP-телефония несет в себе огромный потенциал для оптимизации телефонной связи на предприятиях и в организациях. Домашний SIP-телефон позволит неограниченно общаться с такими же пользователями услуг SIP-провайдера и совершать недорогие междугородние и международные звонки.

Еще не так давно сети с коммутацией каналов(телефонные сети) и сети с коммутацией пакетов (IP-сети передачи данных) существовали практически независимо друг от друга и использовались для различных целей. Телефонные сети использовались для передачи голосовой информации, а IP-сети — для передачи данных. Определенной вехой в истории телекоммуникаций и Интернета является IP-телефония, позволившая передавать «голос» поверх получивших уже значительное распространение IP-сетей. IP-телефония дала возможность общения не только пользователям Интернета. С помощью специальных устройств — шлюзов (gateway) она также объединила телефонные сети и сети передачи данных.

Пять причин использовать IP-телефонию

С помощью IP-телефонии вы сможете:

1. Сократить расходы на междугородные и международные переговоры. Один из наиболее распространенных вариантов использования IP-телефонии.Связь через IP получается дешевле по ряду причин. Во-первых, в IP-телефонии используются широко распространенные (и дешевые) сети с коммутацией пакетов, (в отличие от более дорогостоящих сетей с коммутацией каналов, применяемых в традиционной телефонии). Во-вторых, благодаря использованию голосовых кодеков (вокодеров, voice coders) достигается существенное сжатие речевой информации. Так, при передаче голосового потока в системах цифровой телефонии требуется канал 64 кБит/с (ISDN). В системах IP-телефонии, при использовании наиболее популярных на сегодняшний день кодеков, требуется гораздо меньшая пропускная способность (6-13 кБит/с).

Можно выделить два наиболее популярных варианта подключения к провайдерам междугородной и международной телефонии:

Через ТФОП (Телефонная сеть Общего Пользования) — при подключении пользователь набирает «городской» номер сервера IP-телефонии провайдера, проходит аутентификацию (по pin-коду) и набирает нужный ему номер. Чтобы пользоваться IP-телефонией по этой схеме, достаточно иметь обычный городской номер.

С помощью специальных «шлюзов» — в этом случае пользователь приобретает специальное устройство — шлюз IP-телефонии, с помощью которого получает возможность совершать звонки без использования ТФОП (через интернет-канал, предоставляемый провайдером). В место шлюзов также можно применять программные (в том числе и бесплатные) и аппаратные IP-телефоны.

2. Построить корпоративную телефонную сеть. В данном случае для ведения телефонных разговоров в рамках предприятия используется внутренняя IP-сеть. Однако в минимальном варианте такие системы используются достаточно редко и как правило, корпоративные системы IP-телефонии также решают следующие задачи:

обеспечение «мобильности» внутренних пользователей;

организация связи между географически отдаленными филиалами;

объединение телефонной емкости филиалов в единый номерной план;

организация аудио- и видеоконференций;

построение центров обработки вызовов (call-центров).

Данное направление систем IP-телефонии очень хорошо развито производителями оборудования. Наиболее известными поставщиками являются такие компании как, Avaya, Nortel Networks.

3. Получить дополнительные возможности, не свойственные обычным телефонным сетям :сlick2Dial — возможность совершить звонок (например, менеджеру продаж или в службу тех. поддержки) прямо с веб-сайта компании, голосовые авто-информаторы на основе IVR (Interactive Voice Response), аудио- и видео конференций, голосовую почту и историю пропущенных звонков через web, определение присутствия абонента в сети и т. д.

4. Обеспечить «дешевую связь» в пределах зон Wi-Fi. Пользователь, находящийся в пределах беспроводной точки доступа 802.11 может применять VOIP (вместо сотовой связи).

5. Организовать сеансы аудиосвязи или связи типа точка-точка через Интернет. Используя стандартное оборудование IP-телефонии, можно организовать сеанс связи между пользователями Интернет (например, c использованием Microsoft NetMeeting) или соединить несколько географически отдаленных филиалов.

Протоколы IP-телефонии

На данный момент существует несколько стандартизованных протоколов, на базе которых строятся системы IP-телефонии. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Протокол H.323

Автором данного стандарта является организация ITU-T (International Telecommunication Union). Существует несколько версий стандарта H323. Первая была выпущена в 1996 году. Последующие являются эволюционным развитием (большая гибкость, масштабируемость и надежность). Последняя на данный момент версия 4 появилась в 2000 году. На данный момент протокол H.323 является стандартом де-факто для междугородной и международной телефонии. Если вы захотите воспользоваться предложением одного из транснациональных операторов IP-телефонии, то придется обратить внимание именно на H.323. Стандарт определяет базовую архитектуру сети передачи мультимедиа данных:

К числу объектов стандарта H.323 относятся:

Терминал (Terminal).

Шлюз (Gataway).

Устройство управления конференциями (Multipoint Control Unit — MCU).

Привратник (GateKeeper).

Терминал

Конечное H.323-устройство пользователя. Может быть как программным (приложение на компьютере), так и аппаратным (телефонный аппарат). Терминалам могут назначаться один или несколько псевдонимов (номера телефонов, названия).

Шлюз

Устройство, предназначенное для сопряжения разнородных сетей. Так, рекомендации ITU-T содержат информацию посопряжению H.323-устройств с устройствами сетей ISDN, ATM и ТФОП.

Привратник

Основной управляющий элемент сети H.323, координирующий и контролирующий работу всех ее устройств. К его задачам относятся:

разрешение имен;

управление пропускной способностью, используемой H.323-устройствами.

Как правило, сеть H.323 разбивается на «зоны», в каждой из которых присутствует привратник, управляющий вверенными ему устройствами. Для обеспечения большей надежности одну «зону» могут обслуживать несколько привратников, тогда один из них называется «главным», а остальные — «альтернативными». Помимо управления и централизованного разрешения имен абонентов, привратники также могут предоставлять дополнительные возможности, например, выполнять функции прокси-сервера для сигнальных и медиаданных.

MCU

Предназначено для организации конференций с числом участников более 3. Оно координирует передачу управляющей (и опционально мультимедийной) информации между участниками конференций.

Протокол SIP

SIP — Session Initiation Protocol (протокол управления сессиями) — используется для создания, изменения и разрыва «сессий» между одним или несколькими участниками. Понятие «сессии» в протоколе SIP достаточно широкое. Под «сессией» могут подразумеваться не только телефонные звонки, но и передача данных, конференции, децентрализованные игры и т. д.

SIP регламентирует только процедуру установки соединения между устройствами, поэтому обычно наряду с SIP используется протокол передачи информации. В случае IP-телефонии в качестве таких протоколов выступают RTP и SDP.

Разработкой протокола SIP занимался комитет MMUSIC организации IETF, поэтому в отличие от протокола H.323 (разработанного телефонистами из ITU-T) протокол SIP является более интернет-ориентированным и предназначен для предоставления несколько других (по сравнению с H.323) услуг.

Ключевые возможности протокола SIP:

Мультимедийность.

Персональная мобильность пользователей. Пользователи могут перемещаться без ограничений в пределах сети, поэтому услуги связи должны предоставляться им в любом месте этой сети. Пользователю присваивается уникальный идентификатор, а сеть предоставляет ему услуги связи вне зависимости от того, где он находится.

Масштабируемость сети. Она характеризуется в первую очередь возможностью увеличения количества элементов сети при её расширении. Серверная структура сети, построенной на базе протокола SIP, в полной мере отвечает этому требованию.

Открытость и простота. По убеждению авторов и специалистов, SIP позволит наполнить решения и продукты новыми сервисами и возможностями. Что касается простоты, то достаточно сказать, что все используемые в SIP сообщения имеют текстовый формат и поддерживают вложение любых типов данных. Поэтому голосовое соединение может сопровождаться обменом данными между приложениями. Так, разговор по протоколу SIP свободно дополняется передачей данных от одного абонента другому, например, электронной визитки, цифровых фотографий или даже файла MP3.

Клиент-серверная архитектура.

Возможность реакции на события. Так, клиент может «подписаться» на определенное событие (например, обновление статуса пользователя), и как только оно наступит, сервер вышлет соответствующее обновление.

Протокол SIP во многом схож с широко используемым протоколом HTTP, который также можно считать сигнальным (клиенты запрашивают у сервера нужные им документы). При установке соединения параметры сессии описываются в соответствии с SDP и вместе с заголовками протокола SIP передаются клиенту. Коды ответов протокола SIP также очень похожи на стандартные коды протокола HTTP. В случае удачного ответа клиенту посылается код 200, адрес не найден (404),ошибка авторизации (403) и др.

Клиенты SIP-сети идентифицируются по универсальным идентификаторам SIP-URI, внешне похожим на адреса электронной почты:sip:[email protected]. Таким образом, имя клиента SIP состоит из персональной части (до знака @), идентифицирующей пользователя, и доменной части (после @), определяющей, например, организацию. В качестве доменной части возможно использование DNS-имени.

Протокол SIP выделяет следующие типы объектов сети:

• Серверы регистрации.

  Серверы перенаправления.

  Прокси-серверы.

Агенты

Под агентами подразумеваются конечные устройства пользователя (телефоны, программные телефоны, мобильные телефоны, наладонные компьютеры, шлюзы в ТФОП, системы голосовых меню и т. д.)

В составе агентов выделяются две логические составляющие:

агент-клиент (UAC — user agent client) — посылает запросы и получает ответы;

агент-сервер (UAS — user agent server) — принимает запросы и посылает ответы.

Ввиду того, что большинству устройств необходимо как передавать, так и принимать данные, в реальных устройствах присутствует как UAC, так и UAS.

Прокси-серверы

Являются неотъемлемой частью SIP-сети, отвечают за маршрутизацию сообщений, а также аутентификацию и авторизацию пользователей. В стандарте определяется два типа SIP-прокси-серверов:

Без учета состояния (stateless). Такие серверы не отслеживают состояния SIP-сессий и передают сообщения, используя внутренние правила маршрутизации. Их основное применение — распределение нагрузки и маршрутизация. Open Source-примером stateless SIP-прокси-сервера является SER (SIP Express Router).

С учетом состояния (stateful). Отслеживают состояние каждой SIP-сессии от момента ее создания до завершения. Могут использоваться для более интеллектуальной маршрутизации (перенаправление вызовов, голосовая почта, дополнительная обработка вызовов и т. д.), могут самостоятельно повторно пересылать пакеты (в случае если они были потеряны при передаче). Платой за дополнительные возможности является более сложная реализация и большие требования в вычислительной мощности сервера (из-за необходимости хранить информацию о каждой SIP-сессии). Наиболее популярным Open Source stateful прокси-сервером, работающим по протоколу SIP, является Asterisk — The Open Source Linux PBX.

Если пользователь[email protected]захочет позвонить пользователю[email protected], то он передаст запрос INVITE B1 своему прокси-серверу, который перенаправит вызов прокси-серверу b.comабонента B1.

Сервер регистрации (REGISTRAR)

Перед работой в сети каждое устройство должно зарегистрироваться с помощью специального сообщения REGISTER. При этом клиент сообщает серверу свое имя в формате: IP-адрес, номер порта, SIP-URI и пароль доступа. В случае успешной регистрации информация о клиенте заносится в специальную базу данных (используется в дальнейшем для нахождения клиента) и клиенту высылается сообщение: «200 OK». С определенной периодичностью этот процесс повторяется, таким образом обеспечивается «актуальность» данных о клиентах. Как правило, серверы REGISTRAR совмещаются с прокси-серверами. PBX в этом отношении не является исключением и может выполнять как функции прокси-сервера, так и сервера регистрации.

SCCP (Skinny Client Control Protocol)

Данный протокол является корпоративным. Он разработан компанией для организации работы IP-телефонов под управлением ПО , являющегося в том числе и шлюзом в сети H.323. Идея подхода, лежащего в основе разработки протокола SCCP, заключалась в переносе логики обработки H.323 соединений из конечных устройств в ПО . Таким образом, существенно упрощалась (и удешевлялась) реализация конечного устройства клиента.

Как оценить качество систем IP-телефонии

Существуют различные методики оценки качества систем IP-телефонии. Наиболее известные из них MOS (Mean Opinion Score или «усредненная субъективная оценка экспертов»), представляющая собой численную оценку, характеризующую «качество» сети телефонии. Идея MOS очень проста: специально сформированной группе людей предоставляют возможность воспользоваться системой связи и просят поставить оценку от 1 (ужасно) до 5 (отлично). Усредненные данные такого исследования и называются MOS. Кроме того, для оценки качества речи также существуют и объективные методы, например, рекомендация ITU-T G.113 (измерение качества речи системы телефонии на основе искажений, вносимых каждым ее элементом), PSQM (оценка качества работы вокодеров), PESQ (развитие PSQM для оценки сетей телефонии). Не вдаваясь в детали методов оценки качества, давайте лучше рассмотрим основные параметры, оказывающие на него непосредственное влияние:

используемый кодек;

наличие/отсутствие «эха»;

параметры каналов связи.

Все используемые на данный момент в IP-телефонии кодеки обеспечивают «сжатие с потерями». В зависимости от используемых алгоритмов эти «потери» могут быть по-разному различимы «на слух»именно в этом аспекте рассматривается влияние кодеков на качество речи.

При ведении разговоров на больших расстояниях начинает проявляться эффект «эха». Существуют различные алгоритмы, призванные с этим бороться (G.165, G.168, G.168 2000, и др.), и в подавляющем большинстве устройств какой-нибудь из них обязательно должен присутствовать.

Приведу три основных параметра канала связи, оказывающих воздействие на качество систем телефонии:

Задержка (latency). При передаче голоса или видео существуют определенные требования к максимально допустимой задержке. Различные исследования показывают, что для ведения нормального диалога необходимо, чтобы «двойная задержка» при передаче голоса не превышала 250-300 мс (бюджет задержки). При превышении этого порога участники начинают испытывать дискомфорт и стремятся закончить разговор. Таким образом, для ведения комфортного разговора односторонняя задержка не должна превышать 150 мс (задержка канала + алгоритмическая задержка кодека), что совпадает с рекомендацией ITU-T G.114. Для уменьшения задержки, вносимой сетью, необходимо использовать QoS (Quality of Service)

Джиттер (jitter). Ethernet является сетью с коммутацией пакетов. В общем случае это означает, что пакеты могут быть получены клиентом не в том порядке, в каком они были ему отправлены (для доставки пакетов могли использоваться различные маршруты). Что в таком случае делать декодеру? Для решения таких проблем используются специальные «jitter buffers» (сглаживающий буфер). Задачей этих буферов является предварительное накопление пакетов перед их дальнейшей передачей декодеру. Очевидно, что буфер дрожания также вносит некоторую задержку в процесс передачи голоса, поэтому желательным является использование такого размера буфера дрожания, которое, с одной стороны, обеспечивает приемлемое качество речи, а с другой — минимизирует общее значение бюджета двусторонней задержки до значения 300 мс.

Потеря пакетов. Как известно, в сетях Ethernet допускается потеря пакетов. Влияние потери пакетов на качество речи определяется размером пакета, а также используемым алгоритмом сжатия речи. Речевая информация в большей степени устойчива к пропаже одиночных пакетов, нежели целых серий. В любом случае, согласно рекомендации ITU-T, для нормальной работы систем IP-телефонии допускается потеря не более 1% пакетов, в противном случае ухудшение качества речи будет заметно. Для улучшения качества в условиях загруженных сетей можно использовать QoS либо, если пакеты теряются из-за природы самой сети (например, беспроводная сеть), то для улучшения качества можно использовать более помехоустойчивый кодек или уменьшать размер кодируемого кадра.

Кодеки IP-телефонии

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

G711 — стандартизованный ITU-T кодек, используемый в устройствах ISDN. Требуемая пропускная способность — 64 кбит/сек. Существуют две разновидности кодека a-law и u-law, отличающиеся алгоритмами кодирования. Кодек поддерживается практически всеми устройствами IP-телефонии.

G729 — стандартизованный ITU-T кодек, предназначенный для передачи речи с «хорошим качеством» при использовании небольшой пропускной способности (8 кбит/сек). Существуют две популярные (и несовместимые между собой) версии данного стандарта: Annex A (более «простая» схема кодирования) и Annex B (с использованием алгоритмов сжатия пауз). По субъективным оценкам, данный кодек обладает качеством лучшим, чем у G.723, но худшим, чем G711. Поддерживается практически всеми производителями оборудования. При коммерческом использовании требуется лицензия.

G723.1 — кодек, стандартизованный ITU-T. Отличительной особенностью является возможность работы при очень низком потоке (5.3, 6.3 кбит/сек). По субъективными оценкам, обладает самым плохим качеством (среди рассматриваемых кодеков) речи. Поддерживается значительной частью устройств IP-телефонии. При коммерческом использовании требуется лицензия.

GSM (RPE-LTP) — голосовой кодек, разработанный для использования в системах сотовой связи стандарта GSM. При кодировании кадра используется информация предыдущего кадра, кодирование осуществляется блоками по 20 мс со скоростью 13 кбит/с. Поддерживается производителями оборудования, в основном в шлюзах между сотовыми и VoIP-сетями.

iLBC (Internet low bitrate codec) — открытый (не требуются лицензионные отчисления) голосовой кодек. Предназначен для кодирования с потоком 13.33 кбит/сек (при размере кадра 30 мс) и 15.20 кбит/сек (при размере кадра 20 мс). По субъективным оценкам экспертов, качество речи данного кодека превышает G.729A. Кроме того, кодек более устойчив (по сравнению с g729) к потере кадров, что позволяет эффективно использовать его при организации сеансов связи через сеть Интернет. Примером этому является популярная сеть IP-телефонии — Skype. Поддерживается ограниченным числом производителей оборудования.

Сравнительные характеристики кодеков приводятся в таблице:

Таблица. Основные параметры кодеков IP-телефонии

Кодек	Поток	Размер пакета (мс)	Алгоритмическая задержка (мс)	Оценка MOS	Суммарный поток
	13.33 кбит/с
	15.2 кбит/с

Таким образом, по показателю качества кодеки можнорасположить следующим образом (в порядке ухудшения качества): G711,iLBC, G729, gsm, G723. По используемой пропускной способности (в порядке увеличения:) G723, iLBC, G729, GSM, G711.

Интерфейсы телефонии

Наиболее часто используемым оборудованием вIP-телефонии являются шлюзы. Как было сказано выше, задачей шлюза является сопряжение «обычных» телефонных сетей с IP. И если с одной стороны этого шлюза всегда будет IP, то количество интерфейсов с другой стороны запросто может поставить в тупик неподготовленного человека. Попробуем развеять эту неопределенность и рассмотрим наиболее известные»телефонные» интерфейсы:

FXS (Foreign eXchange Subscriber) — аналоговый интерфейс телефонных станций. К голосовым шлюзам с таким интерфейсом могут подключаться обычные телефонные аппараты, факсы и другие абонентские устройства. Фактически, интерфейс FXS это то, что приходит к нам по телефонному кабелю от городской или мини-АТС. В задачу устройств, реализующих этот интерфейс, входят: генерация сигнала готовности АТС (гудок в линии), сигналов вызова абонента и т. д.

FXO (Foreign eXchange Office) — аналоговый интерфейс абонентских устройств телефонных станций. Устройства с таким интерфейсом подключаются к интерфейсу FXS. Так те же самые факсовые аппараты, телефоны, модемы реализуют интерфейс FXO. Существует такое простое правило — если есть провод, соединяющий два аналоговых устройства телефонии, то с одной стороны этого провода должен быть FXS (АТС), а с другой — FXO (телефон). Таким образом, шлюзы с интерфейсом FXO подключаются вместо телефона. С их помощью можно организовать связь с ТФОП или предоставить доступ к IP-телефонии, используя «внутренние» (более дешевые) линии мини-АТС. Так как шлюзы FXO фактически «эмулирует телефон», зачастую для них бывает необходима настройка «отбоя». Для того чтобы шлюз «клал трубку», нужно научить его понимать сигнал «занято» той мини-АТС, к которой он подключен.

E1 — цифровой интерфейс, используемый для создания высокоскоростных магистралей. В цифровом потоке E1 имеется 32 канала (2 из них служебные) по 64 кБит. Таким образом, используя 1 поток E1, возможно организовать до 30 одновременных телефонных разговоров. В IP-телефонии такие интерфейсы часто используются для организации связи с ТФОП или для организации связи между АТС. В каналах E1 может использоваться различная сигнализация (CAS, SS7, R2, R1.5, Q.931), и при подключении устройств по E1 это необходимо учитывать.

Заключение

Итак, после того как мы получили представление обоснованных протоколах и кодеках, используемых в IP-телефонии, можно приступить к практической части — рассмотрению конкретных программ и устройств, реализующих эти протоколы.

МИХАИЛ ПЛАТОВ

1. Что такое ip-телефония?

Ip-телефония - это технология, которая позволяет использовать любую сеть с пакетной коммутацией на базе протокола IP в качестве средства организации и ведения медународных, междугородных и местных телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени.

2. Преимущества ip-телефонии

Преимущества IP-телефонии для конечного пользователя:

Более низкие цены на услуги телефонной связи;

Новый набор устройств доступа, от традиционных телефонов и факсов до компьютеров;

Возможность автоматической настройки набора услуг;

Простота оплаты услуг IP-телефонии.

Преимущества IP-телефонии для провайдеров:

Сбережение капитальных вложений за счет использования открытых компьютерных платформ;

Снижение эксплуатационных расходов как результат предоставления разнообразия услуг единой сети;

Множество услуг может быть доступно через единственный канал с пользователем, что означает больше услуг (прибыли) в расчете на одного пользователя.

Возможности IP-телефонии для крупных операторов:

Создание резервных каналов для передачи трафика на случай перегрузок или аварий;

Универсальные магистральные IP-сети, которые в будущем существенно дополнят традиционные телефонные сети услугами передачи данных, видео и мультимедиа;

Уплотнение выделенных магистральных каналов с помощью технологии VoIP.

Хотя для построения качественной универсальной IP-сети требуются инвестиции, сравнимые с построением традиционной телефонной сети, для крупных операторов IP-телефония сегодня v это способ более эффективно использовать существующий сетевой ресурс и возможность предоставления своим клиентам современного спектра дополнительных услуг (голосовая почта, конференсвязь, поиск номеров, контроль за расчетами и другое), которые не реализуемы в традиционной телефонной сети, и за счет которых оператор может получить дополнительную прибыль.

3. Транспортные технологии, используемые при пакетной передачи речи

Основные технологии пакетной передачи речи - Frame Relay, ATM, и маршрутизация пакетов IP . Они различаются различаются эффективностью использования каналов связи, степенью охвата разных участков сети, надёжностью, управляемостью, защитой информации и доступа, а также стоимостью.

Транспортная сеть ATM уже несколько лет успешно используется в магистральных сетях общего пользования и в корпоративных сетях, а сейчас её начинают активно использовать и для высокоскоростного доступа по каналам xDSL (для небольших офисов) и SDH/SONET (для крупных предприятий). Главные преимущества этой технологии v её зрелость, надёжность и наличие развитых средств эксплуатационного управления сетью. В ней имеются непревзойденные по своей эффективности механизмы управления качеством обслуживания и контроля использования сетевых ресурсов. Однако ограниченная распостраненность и высокая стоимость оборудования не позволяют считать ATM лучшим выбором для организации сквозных телефонных соединений от одного конечного узла до другого.

Пользователями недорогих услуг Frame Relay, обеспечивающих вполне предсказуемую производительность, стали многие корпоративные сети, и большинство их них вполне довольны своим выбором. В краткосрочной перспективе технология передачи речи по Frame Relay будет вполне эффективна для организации мультисервисного доступа и каналов дальней связи.

Технология передачи речевой информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP привлекает, в первую очередь, своей универсальностью v речь может быть преобразована в поток IP-пакетов в любой точке сетевой инфраструктуры: на магистрали сети оператора, на границе территориально распределенной сети, в корпоративной сети и даже непосредственно в терминале конечного пользователя. В конце концов, она станет наиболее широко распостраненной технологией пакетной телефонии, поскольку способна охватить все сегменты рынка, будучи при этом хорошо адаптируемой к новым условиям применения. Несмотря на универсальность протокола IP, внедрение систем IP-телефонии сдерживается тем, что многие операторы считают их недостаточно надёжными, плохо управляемыми и не очень эффективными. Но грамотно спроектированная сетевая инфраструктура с эффективными механизмами обеспечения качества обслуживания, делает эти недостатки в малосущественные. В расчете на порт стоимость систем IP-телефонии находится на уровне (или немного ниже) стоимости систем Frame Relay, и заведомо ниже стоимости оборудования ATM. При этом уже сейчас можно наблюдать заметное снижение цен на продукты IP-телефонии по сравнению с продукцией на базе других технологий, а также обострение конкуренции на этом рынке.

4. Существующие кодеки G.7xx.x

Рассмотрим основные кодеки, используемые в устройствах IP-телефонии.

Кодеки, стандартизованные ITU-T:

Кодек G.711.

Рекомендация G.711 описывает кодек, использующий 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/c (8 бит x 8 кГц). Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой при кодировании используется нелинейное квантование по уровню согласно специальному псевдо-логарифмическому закону.
Типичная оценка MOS составляет 4.2. Обычно любое устройство VoIP поддерживает этот тип кодирования.

Кодек G.723.1

Своим появлением данные кодеки обязаны системам мобильной связи. Данный алгоритм преобразования позволяет снизить скорость кодированной информации до 5,3 - 6,3 Кбит/с без заметного ухудшения качества речи. Кодек имеет две скорости и два варианта кодирования: 6,3 кбит/c с алгоритмом MP-MLQ (Multi-Pulse - Multi Level Quantization - множественная импульсная, многоуровневая квантизация) и 5,3 кбит/c с алгоритмом CELP(Code-Excited Linear Prediction - кодирование с линейным предсказанием). 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).
Оценка MOS составляет 3.9 для MP-MLQ, и 3.7 для CELP.

Кодек имеет функцию VAD(Voice Activity Detector - детектор речевой активности), и обеспечивает генерацию комфортного шума на удаленном конце в период молчания.

Кодек G.726

Рекомендация G.726 основана на алгоритме кодирования ADPCM - адаптивная дифференциальная ИКМ. Этот алгоритм даёт практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего 16-32 кбит/c. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций, в приложениях IP-телефонии этот кодек практически не используется. Оценка по MOS составляет 4.3.

Кодек G.728

Кодек G.728 использует оригинальную технологию с малой задержкой LD-CELP (low delay code excited linear prediction) и гарантирует оценки MOS, аналогичные G.726 при скорости передачи 16 Кбит/c. Предназначен для использования, в основном, в системах видеоконференций. В устройствах IP-телефонии данный кодек применяется достаточно редко.

Кодек G.729

Используется технология CS-ACELP(Conjugate Structure v Algebraic Code Excited Linear Prediction). Содержит VAD и генератор комфортного шума. Скорость кодированного речевого сигнала составляет 8 кбит/c. В устройствах VoIP, VoFR данный кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии

Кодеки, стандартизованные ETSI для применения в системах мобильной связи(GSM):

Кодек GSM Full Rate (GSM 06.10), утвержден в 1987 году. Это первый, и, скорее всего, наиболее известный из узкополосных кодеков, применяемых в мобильных телефонах по всему миру. Обеспечивает хорошее качество и устойчивую работу в условиях фонового шума (оценка MOS 3.7 в условиях без шума). Скорость образованного цифрового потока составляет 13 Кбит/c. Кодек очень важен для некоммерческих проектов в области IP-телефонии, особенно v для проектов, связанных с открытым распостранением исходных текстов ПО (open source), благодаря возможности бесплатного лицензирования.

Качество голоса в IP-телефонии оценивается по пятибальной шкале единицами субъективной оценки MOS (Mean Opinion Score). Оценки 3,5 баллов и выше соответствуют стандартному и высокому телефонному качеству, 3,0-3,5 - приемлемому, 2,5-3,0 - синтезированному звуку. Для передачи речи с хорошим качеством целесообразно ориентироваться на MOS не ниже 3,5 баллов. Значения MOS для различных кодеков приведены в таблице ниже.

Кодек	Скорость передачи, Кбит/с
G.711 PCM
G.726 Multi-rate ADPCM
G.723 MP-MLQ ACELP
G.728 LD-CEL
G.729 CS-ACELP
G.729a CS-ACELP
GSM 0610

6. Технологию ip-телефонии можно успешно использовать в сетях с низкой пропускной способностью, например, в каналах ТЧ

Каналы ТЧ характеризуются большой протяжённостью и низкой пропускной способностью. Средняя скорость передачи данных в таком канале - 19200 бит/c, а его протяжённость может достигать 100 км.

До недавнего времени такие каналы использовались для организации одного голосового канала, либо для передачи данных. Появление технологии IP-телефонии позволяет использовать данные каналы более эффективно.

Так, использование кодеков компрессии голоса позволяет "уложить" в пропускную способность канала ТЧ (19200-33600бит/c) 2-4 голосовых канала с сохранением возможности передачи данных.
Возможность же установки асинхронного модемного соединения на таком канале позволяет организовать на нём канальный протокол Frame Relay, и передавать голосовой трафик, используя технологию VoFR (Voice over Frame Relay).

Для практической организации такого решения требуется пара модемов для каналов ТЧ, работающих в асинхронном режиме (для возможности поднятия FrameRelay на этом канале), маршрутизаторы, поддерживающие протокол Frame Relay и технологию VoFR.

Интернет позволяет нам просматривать содержимое web-сайтов, обмениваться короткими сообщениями, общаться в социальных сетях, просматривать видеоролики и работать с электронной почтой. Но мало кто знает, что этим функциональность сети не ограничивается – в интернете работает и IP-телефония, предоставляющая возможность совершать голосовые вызовы по копеечным расценкам. Как работает этот вид телефонии и для чего он нужен? В данном материале мы рассмотрим:

• Основные протоколы IP-телефонии;
• Принципы работы IP-телефонии;
• Принципы тарификации и многое другое.

В заключение мы дадим подробную инструкцию по подключению к интернет-телефонии.

Что такое IP-телефония

IP-телефония является одним из самых молодых видов связи. Фактически, она появилась в 1999-ом году, когда был разработан и утвержден Session Initiation Protocol или SIP-протокол. Ему предшествовал менее совершенный, но от этого не менее функциональный протокол H.323. Он используется и по сей день, но все реже и реже.

Протокол H.323 достаточно сложный, он не экономит трафик и характеризуется недостаточной поддержкой мобильности пользователей. Что касается протокола SIP, то он более гибкий и простой. Он позволяет экономить трафик, на его основе могут работать самые разные приложения и устройства. Пользователи в сетях, использующих SIP-протокол, могут беспрепятственно перемещаться по всей планете с сохранением своего SIP-ID – для этого в структуре SIP-сетей предусмотрены серверы определения местоположений. SIP-протокол позволяет:

• Совершать голосовые вызовы;
• Соединять абонентов посредством видеосвязи;
• Обеспечивать передачу файлов и прочей мультимедийной информации;
• Обмениваться текстовыми сообщениями;
• Играть в онлайн-игры.

Для связи абонентов используется сеть интернет , а для звонков на мобильные и стационарные телефоны по всему миру задействуются специальные шлюзы. Существует еще один протокол VOIP-телефонии – это протокол IAX2, разработанный для работы с IP-АТС Asterisk. Он не такой открытый, как SIP-протокол, зато позволяет существенно экономить интернет-трафик. Кроме того, протокол IAX2 обеспечивает более чистую и надежную связь, так как передача данных ведется через один порт, а не через несколько, как в SIP.

В число недостатков входят трудность расширения протокола и отсутствие стойкости к хакерским атакам в старых версиях.

Подавляющее большинство операторов IP-телефонии предоставляет свои услуги посредством протокола SIP, так как он отличается своей доступностью и простотой организации связи. Протокол IAX2 чаще применяется в учрежденческих IP-АТС.

Как работает IP-телефония

Рядовым пользователям вовсе не нужно разбираться в премудростях используемых протоколов. Им больше важны чистота телефонной связи, наличие дополнительных сервисных услуг и низкие тарифы на внутрироссийские и международные вызовы. Как работает этот вид телефонии и почему здесь используется сеть интернет?

VOIP-телефония для чайников – это объяснение на пальцах. Поэтому мы рассмотрим, как происходит соединение между двумя VOIP-телефонами максимально упрощенно и доступно. В состоянии покоя оба телефона подключены к интернету и соединены с серверами выбранного оператора. Как только абонент наберет внутренний номер другого абонента, серверы найдут его местоположение и отправят ему сигнал вызова. Как только вызываемый абонент примет звонок, между абонентами установится связь. Вызовы идут через интернет, линии традиционной телефонии здесь не задействуются. Поэтому тарификация внутрисетевых вызовов отсутствует – абоненты оплачивают лишь затрачиваемый трафик (своему провайдеру) , который в большинстве случаев бесплатный.

Совершать вызовы через VOIP-телефонию можно в следующих направлениях:

• Между абонентами одной сети, с использованием SIP-ID;
• Между абонентам разных сетей, с использованием SIP URI (этот идентификатор похож на адрес электронной почты);
• C VOIP-телефонов на мобильные и стационарные телефоны по всему миру;
• С мобильных и стационарных телефонов на VOIP-номера.

В последних двух случаях звонки осуществляются через специальные шлюзы, расположенные в тех или иных городах и странах. Тем самым достигается существенная экономия денежных средств, так как большей частью вызовы идут через каналы сети интернет, не затрагивая традиционную телефонию, для которой важно расстояние до вызываемого абонента.

Также у абонентов IP-телефонии имеется возможность подключать к своему аккаунту прямые и виртуальные номера, принадлежащие различным городам и странам – с их помощью удобно принимать входящие вызовы. Кстати, абоненты IP-телефонии могут находиться в любой точке мира – используемый протокол обеспечивает им высочайший уровень мобильности.

Установив программный телефон на свой компьютер, можно отправиться с ним в Бразилию, в США, в Европу, в Китай или в любую другую страну. Везде, где есть доступ в интернет, абонент сможет оставаться на связи . При этом тарификация для него и для других абонентов не изменится ни на одну копейку.

Внутрисетевые вызовы всегда остаются бесплатными. Местонахождение абонентов не имеет никакого значения – они могут находится как в соседних кабинетах, так и на разных концах планеты. Если абоненты пользуются прямыми номерами, то их местоположение по-прежнему не имеет никакого значения – можно принимать вызовы на свой личный московский номер, находясь где-нибудь в Аризоне. Это и называется мобильностью абонентов.

Отсутствие привязки к традиционным телефонным линиям делает связь более дешевой и более функциональной. А сервера провайдеров готовы соединить абонентов, находящихся где угодно.

Сколько стоит IP-телефония

Мы уже знаем, что такое VOIP-телефония – это интересная возможность совершения вызовов через интернет, с экономией собственных денежных средств. Традиционный городской телефон не может похвастаться приемлемой тарификацией звонков, в то время как VOIP-телефония открывает широкие возможности для общения со всем миром.

Одним из ее достоинств являются бесплатные вызовы внутри сети. То есть, два абонента, зарегистрированные у одного провайдера, могут общаться совершенно бесплатно , задействуя для этого программные или аппаратные VOIP-телефоны. Порадуют абонентов и недорогие вызовы по всему миру.

Как работает традиционная телефония? Чем дальше находится вызываемый абонент, тем дороже минута связи. В сети интернет отсутствует географическая привязка, следовательно, передача трафика в любых направлениях осуществляется без ограничений и без дополнительной оплаты за то или иное направление. Здесь же выполняется и передача голосового трафика.

Поэтому и тарифы на связь получаются более низкими. Тарифы на IP-телефонию иногда поражают своими низкими ценами по тем или иным направлениям. Например, звонки в Казахстан и в Соединенные Штаты чаще всего стоят дешевле, чем звонки по России – это касается вызовов на мобильные и стационарные номера. При этом абонентская плата за услуги в большинстве случаев отсутствует – тут нет оплаты за линию, так как абоненты уже платят за доступ в интернет.

Тарификация в VOIP-сетях такова:

• Внутри сети провайдера – совершенно бесплатно;
• Все входящие вызовы – бесплатно (в большинстве случаев);
• Звонки на стационарные и мобильные телефоны – в зависимости от направления, от 40 коп./мин.

Также, предусмотрена возможность принятия вызовов на прямые номера, приобретаемые и оплачиваемые отдельно (по желанию) – за них взимается ежемесячная абонентская плата . Принадлежность прямых номеров тем или иным городам выбирается абонентами самостоятельно. Например, ничто не мешает купить прямой номер в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре или в других странах.

Для принятия звонков без прямых номеров предусмотрены виртуальные номера с дополнительными цифрами. Дозвон на них осуществляется так – сначала абонент звонит на специальный номер провайдера (они есть во многих городах), а после установления вызова набирает дополнительный номер SIP-абонента. Например, +7-495-1234567, после гудка 123456. Входящий звонок для вызываемого абонента будет бесплатным (в большинстве случаев).

Что нужно чтобы подключить IP-телефонию

Отвечая на вопросы по IP-телефонии для чайников, мы поведаем, как подключиться к данному виду телефонии на примере провайдера Zadarma . Подключение производится в несколько шагов:

• Регистрация аккаунта на сайте провайдера;
• Пополнение счета на своем аккаунте (необходимо для звонков на стационарные и мобильные телефоны);
• Настройка программного или аппаратного VOIP-телефона;
• Совершение пробных звонков.

В своем личном кабинете на сайте провайдера вы получите информацию о настройках программ и сможете ознакомиться со своими добавочными номерами – раздайте их своим друзьям, близким или коллегам, чтобы они смогли позвонить на ваш IP-телефон.

Avtandilko 13 июня 2013 в 11:07

Основы IP-телефонии, базовые принципы, термины и протоколы

• Разработка систем связи

• Recovery Mode

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:

• Традиционные телефонные сети обладают избыточной производительностью, в то время, как IP-телефония использует технологию сжатия голосовых пакетов и позволяет полностью использовать емкость телефонной линии.
• Как правило, на сегодняшний момент доступ в глобальную сеть есть у всех желающих, что позволяет сократить затраты на подключение или совсем исключить их.
• Звонки в локальной сети могут использовать внутренний сервер и происходить без участия внешней АТС.

Вместе с вышеперечисленным, IP-телефония позволяет улучшить качество связи. Достигается это, опять же, благодаря трем основным факторам:

• Телефонные серверы постоянно совершенствуются и алгоритмы их работы становятся более устойчивыми к задержкам или другим проблемам IP-сетей.
• В частных сетях их владельцы обладают полным контролем над ситуацией и могут изменять такие параметры, как ширина полосы пропускания, количество абонентов на одной линии, и, как следствие, величину задержки.
• Сети с коммутацией пакетов развиваются, и ежегодно вводятся новые протоколы и технологии, позволяющие улучшить качество связи (например, протокол резервирования полосы пропускания RSVP).

Благодаря IP-телефонии очень элегантно решается проблема занятой линии, так как переадресация, либо перевод в режим ожидания могут быть осуществлены несколькими командами в конфигурационном файле на АТС.
 

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.

PoE

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:

1. MAC (Media Access Control) - обеспечивает взаимодействие с физическим уровнем;
2. LLC (Logical Link Control) - обслуживает сетевой уровень.

На канальном уровне работают коммутаторы - устройства, обеспечивающие соединение нескольких узлов компьютерной сети и распределение фреймов между хостами на основе физической (MAC) адресации.

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:

1. Безопасность. Создание отдельной голосовой VLAN уменьшает вероятность перехвата и анализа голосовых пакетов.
2. Повышение качества передачи. Механизм VLAN позволяет задать повышенный приоритет голосовым пакетам, и, как следствие, улучшить качество связи.

 

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:

• Функции безопасности (создание списков доступа, авторизация);
• Поддержка факсимильной связи;
• Поддержка голосовой почты;
• Поддержка протоколов H.323, SIP (Session Initiation Protocol).

Для борьбы с возможными задержками передачи IP необходимо дополнять дополнительными средствами, например протоколами установления очередности (чтобы голосовые данные не конкурировали с обычными).
Как правило, в этих целях на маршрутизаторах используется очередность с малой задержкой (LLQ - Low-Latency queuing), либо взвешенная организация очередей на основе классов (CBWFQ - Class-Based Weighted Fair Queuing).
Кроме того, необходимы схемы маркировки с заданием приоритетов для рассмотрения голосовых данных, как наиболее важных для передачи.
 

Транспортный уровень (Transport Layer)

Для транспортного уровня характерны:

• Сегментация данных приложений верхнего уровня;
• Обеспечение сквозного соединения;
• Гарантия надежности данных.

Основные протоколы транспортного уровня - TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol), RTP (Real-time Transport Protocol). Непосредственно в IP-телефонии используются протоколы UDP и RTP, причем основное их отличие от TCP заключается в том, что они не обеспечивают надежность доставки данных. Это является более приемлемым вариантом, нежели осуществление контроля за доставкой (TCP), так как телефонная связь чрезвычайно зависима от задержек передачи, но менее чувствительна к потерям пакетов.

UDP

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).

RTP

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.

H.323

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.

• Платформенную независимость.
• Стандарты кодирования аналоговых данных.
• Управление полосой пропускания.
• Гибкость и совместимость.

Отметим очень важный факт: в рекомендациях не определены физическая среда передачи, транспортный протокол и сетевой интерфейс. Это значит, что устройства, поддерживающие стандарт H.323 могут работать в любых существующих сегодня сетях с коммутацией пакетов.

Согласно H.323 четырьмя основными компонентами VoIP-соединения являются:

• терминал;
• шлюз;
• контроллер зоны;
• контроллер управления многоточечной конференции (MCU - Multipoint Control Unit).

Пример структурной схемы сети в IP-телефонии 

Выдержка из документа, описывающего стек протоколов H.323

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:

• INVITE (приглашение) - приглашает пользователя принять участие в сеансе связи (служит для установления нового соединения; может содержать параметры для согласования);
• BYE (разъединение) - завершает соединение между двумя пользователями;
• OPTIONS (опции) - используется для передачи информации о поддерживаемых характеристиках (эта передача может осуществляться напрямую между двумя агентами пользователей или через сервер SIP);
• АСК (подтверждение) - используется для подтверждения получения сообщения или для положительного ответа на команду INVITE ;
• CANCEL (отмена) - прекращает поиск пользователя;
• REGISTER (регистрация) - передает информацию о местоположении пользователя на сервер SIP, который может транслировать ее на сервер адресов (Location Server).

Сценарий сеанса связи SIP

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

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

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

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

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:

1. Перемаршрутизация. При перегрузке одного из каналов связи позволяет осуществить доставку при помощи резервных маршрутов.
2. Резервирование ресурсов канала связи на время соединения.
3. Приоретизация трафика. Дает возможность помечать пакеты в соответствии с уровнем их важности и производить обслуживание на основе меток.

Как было сказано ранее, голосовой трафик чрезвычайно чувствителен к задержкам передачи. Максимальное время задержки не должно превышать 400 мс (сюда включается и продолжительность обработки информации на конечных станциях). Различают два основных типа задержек:

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:

• Ограниченная полоса пропускания или некорректная работа активных сетевых устройств;
• Высокая задержка распространения сигнала;
• Тепловой шум.

Наиболее часто применяющийся метод борьбы с джиттером - джиттер-буфер, хранящий определенное количество пакетов.

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.