Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 24.  IP-телефония

 

Сеть Интернет и  протокол IP.

Точное определение термина  «Интернет» было дано в октябре 1995 г. федеральным Сетевым Советом  США в следующей форме:

Интернет – это  часть глобальной информационной системы, которая:

• логически связана унитарным адресным пространством, основанном на IP-протоколе или на его перспективных расширениях/последователях
• Может поддерживать коммуникации, используя TCP/IP или его расширения/последователи и/или IP-совместимые протоколы;
• Предоставляет, использует или делает доступными (для всех или конфиденциально) сервисы высокого уровня, основанные на коммуникациях и связанной с ними инфраструктуре, здесь определенной;

Создатели технологии Интернет исходили из 2-х основополагающих соображений:

• невозможно создать единую физическую сеть, которая позволит удовлетворить потребности всех пользователей
• пользователям нужен универсальный способ для установления соединений друг с другом.

 

В пределах каждой физической сети подсоединенные компьютеры используют ту или иную технологию (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN, ATM, соединение «точка-точка», и даже беспроводные технологии.

Между механизмами коммуникаций, зависящими от данных физических сетей, и прикладными  системами встраивается новое программное  обеспечение, которое обеспечивает соединение различных физических сетей друг с другом.. При этом детали этого соединения «скрыты» от пользователей, и им предоставляется возможность работать как бы в одной большой физической сети. Такой способ соединения в единое целое множества физических сетей и получил название технологии Интернет, на базе которой реализована одноименная сеть Интернет. Основной протокол, на базе которого строится сеть Интернет, - IP-протокол.

Для соединения двух и более сетей  в сети Интернет используются маршрутизаторы - компьютеры, которые физически соединяют сети  друг с другом и с помощью специального программного обеспечения передают пакеты из одной сети в другую.

Технология Интернет  не навязывает какой-то определенной топологии межсетевых соединений. Добавление новой сети Интернет не влечет за собой ее подсоединения к некоторой центральной точке коммутации или установке непосредственных физических соединений со всеми уже входящими в сеть Интернет сетями. Маршрутизатор «знает» топологию сети Интернет за пределами тех физических сетей, которые он соединяет, и, основываясь на адресе сети назначения, передает пакет по тому или иному маршруту. В сети Интернет используются универсальные идентификаторы подсоединенных к ней компьютеров (адреса), поэтому любые две машины могут взаимодействовать друг с другом.

В Интернет должен быть реализован принцип  независимости пользовательского  интерфейса от физической сети, то есть должно существовать множество способов установления соединений и передачи данных, одинаковых для всех физических сетевых технологий.

Сеть Интернет скрывает детали соединений сетей между собой, поэтому  с точки зрения конечных пользователей  представляет собой Единую виртуальную сеть, к которой подсоединены все компьютеры - независимо от их реальных физических соединений. Каждый компьютер должен иметь программное обеспечение доступа к сети Интернет, которое позволяет прикладным программам использовать сеть Интернет как одну физическую сеть.

 

 

 

 

Хост Хост

Хост

         Хост                                        Хост

Фундаментальным принципом Интернет является равнозначность всех объединенных с ее помощью физических сетей: любая  система коммуникаций рассматривается  как компонент географического  масштаба.

 

 

 

 

Маршрутизатор Маршрутизатор

 

 

 

 

 

 

Маршрутизатор

 Маршрутизатор

 

 

 

 

 

Универсальная сеть Интернет строится на основе семейства протоколов TCP/IP и включает в себя протоколы 4-х уровней коммуникаций.

Прикладной:                 Telnet, FTP, E-mail (SMTP),  SNMP, HTTP и т.д.

Транспортный:             TCP, UDP

Сетевой:                IP, ICMP, IGMP

Сетевой интерфейс:      драйвер  устройства и сетевая плата

Уровень сетевого интерфейса  отвечает за установление сетевого соединения в конкретной физической сети –  компоненте сети Интернет, к которой подсоединен компьютер. На этом уровне работает драйвер устройства в операционной системе и соответствующая сетевая плата компьютера.

Сетевой уровень – основа стека  протоколов TCP/IP.

Протокол  IP – основной протокол сетевого уровня, позволяющий реализовывать межсетевые соединения. Протокол IP определяет базовую единицу передачи данных в сети Интернет- IP-дейтаграмму, указывая точный формат всей информации, проходящей по сети TCP/IP. Программное обеспечение уровня IP выполняет функции маршрутизации, выбирая путь данных по соединениям физических сетей. Для определения маршрута поддерживаются специальные таблицы: выбор осуществляется на основе адреса сети, к которой подключен компьютер-адресат. Протокол IP определяет маршрут отдельно для каждого пакета данных, не гарантируя надежной доставки в нужном порядке. Он задает непосредственное отображение данных на нижележащий физический уровень передачи и реализует тем самым высокоэффективную доставку пакетов.

На сетевом уровне протокол IP реализует ненадежную службу доставки пакетов по сети  от системе к системе без установления соединений. Это означает, что будет выполнено все необходимое для доставки пакетов, однако эта доставка не гарантируется. Пакеты могут быть потеряны, переданы в неправильном порядке, продублированы и т.д. Протокол IP не обеспечивает надежности коммуникации. Нет механизма подтверждений между отправителем и получателем, а также между хост-компьютерами. Нет контроля ошибок для поля данных, только контрольная сумма для заголовка. Не поддерживается повторная передача, нет управления потоком. Обнаруженные ошибки могут быть оглашены посредством протокола ICMP (Internet Control Message Protocol).

Надежную передачу данных реализует следующий уровень, транспортный, на котором 2 основных протокола, TCP и UDP, осуществляют связь между машиной- отправителем пакетов и машиной- адресатом.

Прикладной уровень  – это приложения типе клиент-сервер, базирующиеся на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных 3-х уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и « не интересуются» способами передачи данных по сети. Среди основных приложений TCP/IP, имеющихся практически в каждой реализации – протокол эмуляции терминала Telnet, протокол передачи файлов FTP, протокол электронной почты SMTP, протокол управления сетью SNMP, используемый в системе World Wide Web (WWW) протокол передачи гипертекста HTTP и др.

Поскольку в Интернет детали физических соединений скрыты от приложений, прикладной уровень совершенно «не заботится» о том, что клиент приложения работает в сети Ethernet,  а сервер подключен к сети Token Ring. Между конечными системами может быть несколько десятков маршрутизаторов и множество промежуточных физических сетей различных типов, но приложение будет воспринимать этот конгломерат как единую физическую сеть. Это и обуславливает основную силу и привлекательность  технологии Интернет  и протокола IP.

На базе протокола IP строится не только сеть Интернет, но и любые другие сети по передаче данных (локальные, корпоративные), которые могут иметь или не иметь выход в глобальную сеть Интернет. Универсальность и гибкость сетей на базе протокола IP дает возможность применять их не только для передачи данных, но и другой мультимедийной информации. С недавних пор  IP-сети стали использовать для передачи речевых сообщений.

Операторы сетей с пакетной коммутацией  получают преимущества, присущие разделяемой  инфраструктуре по самой природе. Они  могут продать больше, чем в  действительности имеют, основываясь на статистическом анализе работы сети. Абонент, оплативший полосу 64 Кбит/с, использует канал в среднем лишь на 25 %. Значит оператор может предоставить ресурс в 4 раза большему числу клиентов, не перегружая свою сеть. Такой сценарий выгоден обеим сторонам – и клиенту, который меньше платит, и продавцу, который увеличивает свои доходы.

В настоящее время в IP-телефонии существуют 2 основных способа передачи голосовых пакетов по IP-сети:

• Через глобальную сеть Интернет (Интернет-телефония), где полоса пропускания зависит от загруженности сети трафиком самого различного характера, и качество связи гарантировать нельзя;
• Через сети передачи данных на базе выделенных каналов (IP-телефония), где можно гарантировать фиксированную (или почти фиксированную) скорость передачи, а  значит и качество связи.

Терминология

В технической литературе используется 3 основных термина для обозначения  технологии передачи речи по сетям  с пакетной коммутацией на базе протокола  IP:

• IP-телефония (IP Telephony);
• Голос по IP-сетям (Voice over IP – VoIP);
• Интернет-телефония (Internet TelePhony)

Хотя терминология не устоялась, попробуем  внести некоторую ясность.

Под IP-телефонией будем понимать технологию, позволяющую использовать любую сеть с пакетной коммутацией на базе протокола IP в качестве средства организации и ведения телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени.

За рубежом технология передачи голосовой информации с использованием протокола IP имеет устоявшееся наименование VoIP. В отношении сервисов и технологий  между IP-телефонией и VoIP нет никакой разницы.

Интернет-телефония – это частный случай IP-телефонии, когда в качестве каналов передачи пактов телефонного трафика используются обычные каналы сети Интернет.

Существует 2 противоположных взгляда на IP-телефонию:

• IP-телефония – явление аналогичное обратному вызову (call-back) и маршрутизации по наименьшей стоимости. В этом смысле она представляет угрозу для операторов традиционной телефонии, так как использует их сетевые ресурсы в обход системы международных расчетов и, следовательно, ее надо запретить.
• IP- телефония- это будущее сети общего пользования и, следовательно, ее надо всемерно поддерживать и развивать.

Но даже в этом случае  возникли противоречия в определениях: IP-телефония – это услуга реального или нереального времени? В некоторых странах для разделения услуг телефонной сети общего пользования и IP- телефонии используются понятия: задержка и качество обслуживания.

У нас в России IP- телефония отнесена к разряду услуг телематических служб в виде службы передачи речевой информации наряду с другими службами: электронной почты, доступа к информационным ресурсам (Интернет),  телеконференций, передачи файлов (FTP), факсимильных сообщений, голосовых сообщений. Именно под таким названием и такой шапкой на услуги IP-телефонии выдаются лицензии Министерства связи.

 

Принципы пакетной передачи речи

 

«Классические» телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов, которая  для каждого телефонного разговора  требует выделенного физического  соединения. Основным недостатком таких сетей является неэффективное использование полосы канала – во время пауз в речи канал не несет никакой полезной нагрузки.

Переход от аналоговых к цифровым технологиям стал важным шагом для  возникновения современных цифровых телекоммуникационных сетей. Одним из таких шагов в развитии цифровой телефонии стал переход к пакетной коммутации.

В сетях на основе протокола  IP все данные – голос, текст, видео, компьютерные программы или информация в любой другой форме - передаются в виде пакетов по разделяемой среде.

Любой компьютер и терминал такой  сети имеет свой уникальный IP-адрес, и передаваемые пакеты маршрутизируются к получателю в соответствии с этим адресом, указываемом в заголовке. Данные могут передаваться одновременно между многими пользователями и процессами по одной и той же линии. При возникновении проблем IP-сети могут изменять маршрут для обхода неисправностей. При этом протокол IP не требует выделенного канала для сигнализации.

 

Базовая архитектура  систем IP-телефонии

В общем случае IP-телефония опирается на 2 основные операции:

• преобразования двунаправленной аналоговой речи в цифровую форму в кодеке
• упаковку в пакеты для передачи по IP.

Эти функции чаще всего выполняют  автономные шлюзовые устройства, которые имеют несколько разновидностей. Положение шлюза показано на рисунке

 

Getekeeper

 

  Оцифро-                     Оцифро-

Аналоговая ванная  ванная IP -пакеты

 речь речь  речь

(ИКМ)

Телефон Кодек (ИКМ)

 

Коммутационное  IP -шлюз

  поле

 

Цифровая АТС

Шлюз выполняет следующие функции:

• реализация физического интерфейса между телефонной сетью и IP-сетью
• детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации
• преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты данных и обратно
• преобразование речевого сигнала в пакеты данных и обратно (различные алгоритмы кодирования)
• соединение абонентов
• передача по сети сигнализационных и речевых пактов
• разъединение связи

Функцию управления вызовами выполняет  gatekeeper (контроллер зоны), который выполняет следующие функции:

• преобразует адреса-псевдонимы в транспортные адреса
• контролирует доступ в сеть на основании авторизации вызовов, наличия необходимой для связи полосы частот и других критериев, определяемых производителем
• контролирует полосу пропускания
• управляет зонами.