ДонНТУ
     

              Биография
 

              Автореферат

              Flash сайт

              Библиотека

              Отчет о поиске

              Ссылки

 

  

 

Принципы организации IP-телефонии на базе решений Cisco Systems

Иван Ярцев

Источник: журнал Jet Info №9 (2006)

Введение

В настоящее время существует множество различных программ, позволяющих вести телефонные переговоры через Интернет или локальную сеть. Такая возможность уже никого не удивляет, для этого нужны лишь компьютер, подключенный к сети, соответствующая программа и микрофон с наушниками. Конечно, такое решение явно не подходит для организации телефонии в серьезной фирме (все же подобные средства носят скорее развлекательный характер), однако идея передачи голоса через сеть передачи данных очень заманчива, особенно если фирма имеет множество офисов в разных городах. И в этом случае рано или поздно возникает вопрос о внедрении IP-телефонии.

IP-телефония, по сути, является способом организации телефонной связи с использованием сети передачи данных для передачи голоса. Преимущества такой организации телефонной связи очевидны, и главное из них — существенное снижение затрат на звонки между офисами, расположенными в разных городах. Кроме этого, данный подход позволяет ввести единый номерной план для всей организации, когда не нужно помнить телефонные коды городов, в которых находятся филиалы компании. Ну и конечно, не стоит забывать о внедрении дополнительных сервисов.

Корпоративная IP-телефония позволяет объединить уже существующее в организации телефонное оборудование (обычные телефоны, подключенные к УАТС) и специализированные IP-телефоны в одну систему, использующую для передачи голосового трафика сеть передачи данных. Как же организована корпоративная IP-телефония? Как происходит передача голоса, как обеспечивается его быстрое прохождение по сети, как совершается коммутация вызовов? Об этом здесь и пойдет речь. Так как многие фирмы имеют корпоративную сеть передачи данных, построенную с использованием активного сетевого оборудования фирмы Cisco Systems, особое внимание уделено решениям, которые предлагает именно эта компания.

Передача голоса через IP-сеть

Инкапсуляция голосовых данных и расчет пропускной способности канала

Голос для передачи по сети сначала попадает на вход цифрового сигнального процессора DSP (Digital Signal Processor), где он порциями кодируется определенным кодеком. Выход с DSP инкапсулируется в PDU (единица данных протокола — фреймы, пакеты) и передается по сети.

При доставке данных реального времени, таких как голос, метод определения PDU, несущих голос, является необходимым. Если обнаруживается такой PDU, можно применить механизмы ускорения его передачи.

Технология VoFR (Voice over Frame Relay — передача голоса по каналам Frame Relay) использует специальный заголовок FRF.11 (Рис. 1). Этот заголовок занимает, как минимум, три байта и служит для определения типа данных, которые содержатся во фрейме. Устройства VoATM (Voice over ATM — передача голоса по каналам ATM) используют такой же заголовок.


Рисунок 1. Поля, отвечающие за пометку приоритета

 

Пропускная способность канала, занимаемого одним голосовым звонком, зависит от следующих компонентов:

  1. используемый кодек;
  2. размер полезной нагрузки в пакете;
  3. размер служебной информации в пакете.

Различные кодеки (сокращение от "кодер-декодер" — компонент системы, обеспечивающий сжатие и распаковку определенных данных) требуют разную полосу пропускания:

Кодек 

Технология сжатия  

Битрейт кодека (Кб/с)

G.711 

PCM  

64

G.726 

ADPCM         

16, 24, 32

G.728 

LDCELP        

16

G.729 

CS-ACELP    

8

G.729A          

CS-ACELP    

8

Занимаемую полосу пропускания можно вычислить, основываясь на битрейте (число битов потока, передаваемых за секунду; основная характеристика видео- или аудиопотока при сжатии) кодека, издержке пакетизации и размере полезной нагрузки в пакете.

Размер полезной нагрузки зависит от размера голосового сэмпла (звукового файла), который является величиной конфигурируемой и непосредственно влияет на требуемую полосу пропускания. Голосовой сэмпл — это выход с процессора DSP, инкапсулирующийся в PDU. Cisco использует DSP, обрабатывающие по 10 мс голоса. Оборудование Cisco по умолчанию инкапсулирует в PDU 20 мс голоса вне зависимости от используемого кодека. Это значение можно изменить, но при его увеличении требуемая полоса пропускания уменьшается, что может привести к увеличению переменных задержек (так называемых джиттеров — jitter) и появлению ощутимых разрывов в звучании, если пакет не дойдет до пункта назначения.

Размер сэмпла в байтах рассчитывается по формуле:


 

где

  • Bytes_per_sample — размер сэмпла в байтах,

 

  • Sample_size — размер сэмпла в секундах,
  • Codec_bandwidth — битрейт используемого кодека.

 

Для вычисления полосы пропускания канала, занимаемой одним звонком, используется следующая формула:

Total_bandwidth=(Layer2_overhead+IP_UDP_overhead+Sample_size)/Sample_size*Codec_speed,

  • Layer2_overhead — объем служебной информации протокола канального уровня в байтах,
  • IP_UDP_RTP_overhead — размер заголовков протоколов IP, UDP и RTP в байтах,
  • Sample_size — размер сэмпла в байтах,
  • Codec_speed — битрейт используемого кодека.

Проблемы использования сети передачи данных для передачи голоса

В традиционной телефонии голос имеет гарантированную фиксированную задержку при передаче и гарантированную полосу пропускания для каждого звонка. В сети передачи данных для передачи голоса требуется низкая задержка, минимальные джиттеры и потери пакетов.

Проблемы качества передачи голоса включают:
Потери пакетов. Голосовые кодеки способны восполнять небольшие потери, но если они выше некоторого предела, то возможно прерывание голоса.
Задержка. Сквозная задержка — это время, которое требуется для передачи пакета от передающего на принимающее устройство. Задержка складывается из постоянной и переменной составляющих. Постоянная составляющая может быть оценена при проектировании сети. Примеры постоянных задержек — время прохождения сигнала по сети, задержка кодирования, время пакетизации. Перегруженные очереди на интерфейсах и время выкладывания данных на физическую среду передачи данных (Serialization delay) рождают переменные задержки. Время выкладывания данных на физическую среду является функцией от скорости канала и размера пакета — чем больше пакет и меньше скорость канала, тем больше это время. Несмотря на то что это отношение известно, время выкладывания данных на физическую среду отнесено к переменным задержкам, потому что больший пакет может войти в очередь на интерфейсе в любой момент перед голосовым пакетом. В этом случае голосовой пакет будет ждать в очереди на интерфейсе, пока не будет обработан пакет перед ним.
Различие времени задержек передачи от пакета к пакету (джиттер) — разница между ожидаемым и фактическим временем прихода очередного пакета. VoIP-устройства используют специальный буфер для установления постоянного темпа обработки пакетов, таким образом достигается плавность звучания голоса.

Технологии магистрали

Для обеспечения передачи различных типов трафика в магистральных каналах связи используются различные технологии:

  • классификация и маркировка трафика;
  • механизмы очередей или устранения перегрузок на интерфейсах;
  • механизм сжатия заголовков RTP-пакетов;
  • фрагментация пакетов.

Все эти технологии должны обеспечить различным видам трафика соответствующий уровень обслуживания и необходимое качество голосовых соединений.
Механизмы обеспечения качества передачи голосовых данных

Приложения реального времени, такие как голосовые, отличаются своими характеристиками от традиционных приложений. Голосовые приложения допускают минимальный джиттер. Потери пакетов и джиттеры ухудшают качество передаваемого голоса. При замене традиционных голосовых технологий IP-телефонией пользователи должны получать то же качество голоса, как и при обычной телефонии. Для эффективной передачи голоса через IP-сеть нужен механизм надежной доставки с маленькой задержкой.

VoIP гарантирует передачу голоса высокого качества только в том случае, если аудио- и сигнальные пакеты имеют приоритет перед любыми другими пакетами в сети. Для выполнения этого требования используется механизм QoS (Quality of Service). QoS — это методика обеспечения качества передачи определенных данных, основанная на разделении трафика по приоритетам для соответствующей его обработки. QoS обеспечивает лучший, более предсказуемый, сервис сети, выполняя следующие функции:

  • поддержка выделенной полосы пропускания;
  • уменьшение потерь пакетов;
  • предотвращение заторов в сети, управление загруженностью сети;
  • управление сетевым трафиком;
  • установление приоритетов для различных типов трафика в сети.

Литература

[1] Cisco Voice Over IP. Student Guide -- Cisco Systems Inc, 2003

[2] Cisco IP Telephony. Student Guide. Version 3.3. -- Cisco Systems Inc, 2002

[3] Robert Padjen -- Cisco AVVID and IP Telephony. Design & Implementation -- Syngress Publishing Inc, 2001

[4] Paul J. Fong -- Configuring Cisco Voice Over IP. Second Edition -- Syngress Publishing Inc, 2001

[5] http://www.cisco.com/global/RU/products/netsolutions/networking_solutions_package.shtml

 

© ДонНТУ, Колосов Е.А