Разработка аппаратных и программных решений
предоставления сервиса IP-телефонии для типичной коммерческой фирмы
Введение. Обоснование актуальности
Под корпоративной сетью, как правило, подразумевается территориально распределенная сеть, объединяющая офисы, подразделения и другие структуры, которые находятся на значительном расстоянии друг от друга - в различных городах, а иногда и странах. Очень часто при создании корпоративной телефонной системы, охватывающей несколько филиалов компании, разрозненные телефонные станции требуется объединить в общую сеть. При этом важно не только обеспечить обычное установление соединений между абонентами, но и предоставить им доступ к дополнительным сервисам. Использование IP-телефонии может стать прекрасным решением данной задачи. Реализация такой системы связи на предприятии обеспечит сотрудников региональных филиалов возможностью оперативного обмена информацией, обсуждения текущих вопросов и принятия совместных решений без проведения личных встреч и совещаний, при одновременном сокращении расходов на телекоммуникации. И именно стоимость является главным преимуществом IP-телефонии для корпоративного пользователя перед традиционными телефонными системами связи. Здесь можно выделить несколько положений:
реальная экономия на междугородных и международных телефонных разговорах
быстрая окупаемость капитальных затрат, что связано, прежде всего, с постепенным снижением цены на оборудование для IP-телефонии и появлением программного обеспечения, которое значительно дешевле, чем аналогичное ПО для обычных телефонных станций;
сокращение затрат на администрирование. Нет необходимости содержать раздельный персонал для администрирования телефонной и компьютерной сетей. Кроме того, благодаря концентрации всех интеллектуальных ресурсов в центральном офисе, обслуживающий персонал в удаленных офисах не требуется вообще. (исследование Yankee Group показало, что эксплуатация систем VoIP обходится на 22% дешевле по сравнению с эксплуатацией сетей с коммутацией каналов)
Сильной стороной IP-телефонии является разнообразие сервисов, их настройка в соответствии с потребностями конкретного пользователя. А возможность интеграции IP-телефонии с существующими сетями телефонной связи позволит модернизировать телекоммуникационную систему предприятия при минимуме затрат. Среди новых сервисов, недоступных пользователям УАТС, наиболее востребованы приложения, связанные с интеграцией телефонных сервисов с существующими информационными системами заказчика: каталогами (Microsoft AD, LDAP), базами данных клиентов. Для корпоративных пользователей интересны также различные интерактивные приложения VoIP-систем, в частности, рассылки информационных сообщений, курсов валют, котировок и пр.
С точки зрения масштабируемости использование Ip-телефонии также имеет свои преимущества. Поскольку соединение на базе протокола IP может начинаться и заканчиваться в любой точке сети от абонента до магистрали, Ip-телефонию в сети можно вводить участок за участком. В тоже время для IP-телефонии характерна определенная модульность: количество и мощность различных узлов можно наращивать практически независимо, в соответсвии с текущими потребностями.
Конечный пользователь Ip-телефонии не только сохранит имеющиеся преимущества телефонной сети общего пользования, но и получит следующие
Ip-телефония одновременно поддерживает голос и данные, удовлетворяя требованиям конвергенции. Клиенты получат дополнительные преимущества от экономии в развитии, возможные за счет использования единой сети
мобильность пользователя. Привычный аппаратный телефон может быть легко перенесен при смене сотрудником рабочего места – исчезает необходимость производить перекоммутацию телефонных проводов.
доступ к новым услугам.
Таким образом, решение задачи развертывания телекоммуникационной сети предприятия на базе Ip-телефонии, будь то построение совершенно новой телефонной сети или модернизация уже существующей, является достаточно актуальной, так как предлагает огромный ряд преимуществ, без которых стабильная, организованная и конкурентоспособная работа корпорации в настоящих условиях не представляется возможной.
Постановка задачи
Данная работа направлена на разработку комплекса решений по организации IP-телефонной сети для корпорации, а также практической реализации выработанных решений на примере ООО “Донпромсервис - 97”. ООО “Донпромсервис-97” работает на рынке светопрозрачных ограждающих конструкций и является классическим примером корпоративной фирмы. Предприятие имеет собственную розничную сеть (Донецк, Макеевка, Краматорск, Мариуполь) и собственную сеть представительств (Макеевка, Донецк, Мариуполь, Луганск, Симферополь, Харьков). ООО “Донпромсервис-97” также обладает большими площадями складских и производственных помещений. Штат сотрудников насчитывает 350 чел.
Таким образом, в магистерской работе ставятся следующие задачи:
Анализ существующих решений предоставления сервиса IP-телефонии
Разработка методики пересчета показателей качества телефонной сети к показателям качества IP – телефонии.
Проектирование и моделирование IP-телефонной сети для ООО “Донпромсервис-97”.
Предполагаемая научная новизна
Часто, при организации VoIP сети на предприятии проектировщики имеют дело не с построением новой телекоммуникационной системы, а с модернизацией уже существующей сети. Причина обычно всегда одна – желание заказчика снизить затраты. При этом заказчик заинтересован в том, чтобы существующее качество связи не только оставалось на прежнем уровне, но и было улучшено. На данный момент, не существует четкой системы постановки требований к IP-телефонной сети на основе известных требований к традиционной телефонной связи. Таким образом, научная новизна работы состоит в разработке методики пересчета показателей качества традиционной телефонной сети к показателям качества IP-телефонии, что позволит поставить четкие требования к проектируемой сети.
Планируемый практический результат
Прежде всего, построение IP-телефонной сети для предприятия ООО “Донпромсервис-97” позволит существенно сократить затраты на обслуживание телекоммуникационной сети и на междугородные телефонные разговоры при объединении офисов в разных регионах в единую корпоративную телефонную сеть. Кроме того, наличие дополнительных сервисов, предоставляемых IP-телефонией, и возможность тесной интеграции IP-телефонии с различными приложениями позволят оптимизировать рабочий процесс. Использование беспроводной IP-телефонии создаст более удобные и комфортные условия работы отдельных сотрудников корпорации. Точки доступа будут установлены на складах и больших производственных помещениях.
Таким образом, практическим результатом магистерской работы станет модернизация существующей телекоммуникационной сети ООО “Донпромсервис-97” с использованием стандартов IP-телефонии и технологии беспроводного доступа Wi-Fi с последующей интеграцией с ТфОП.
Основная часть
В настоящее время разработка решений построения корпоративной сети IP-телефонии является актуальной задачей. В этой области уже давно и активно работают такие компании как Cisco, Dialogic, VocalTec, Avaya, D-link и др. Среди украинских специалистов публикации о IP-телефонии принадлежат В. В. Сикорскому, А. Е. Рудниченко, А.Л. Бабосюку и другим. Обзор технологии VoIP и вопросы обеспечения качества раскрывались в работах Б. С. Гольдштейна и А. Б. Гольдштейна, Н. А. Соколова, А. В. Пинчука. Среди работ магистров ДонНТУ по данной теме хотелось бы выделить работу Паничева А. Ю. “Разработка и исследование методов проектирования IP-сетей”
Главной проблемой Ip-телефонии на сегодняшний день является качество связи. Технология VoIP относительно молода и проблема обеспечения требуемого качества связи решается неоднозначно. В сравнении с первыми версиями решений IP-телефонии, которые допускали искажение и прерывание речи, качество связи по всем характеристикам значительно улучшилось.
Качество IP-телефонии можно оценить, используя следующие основные характеристики:
уровень искажения голоса
частота "пропадания" голосовых пакетов
время задержки
Со стороны аппаратной части проблемы возникают из-за того, что IP-сети проектировалась исходя из требований передачи данных, а отнюдь не для голосового трафика. Для сокращения задержек до приемлемого уровня приходится дополнять системы специальными средствами обеспечения гарантированного уровня качества обслуживания (QOS, Quality-Of-Service).
Однако, как уже отмечалось выше, при внедрении VoIP на предприятии, часто необходимо проводить модернизацию телекоммуникационной сети с сохранением существующего уровня качества связи. Таким образом, для постановки четких требований к IP-телефонной сети необходимо выработать зависимость между показателями качества сети VoIP и традиционной телефонной сети.
Одной из задач работы является разработка программной реализации своеобразного “черного ящика” (рис 1), на входе которого мы имеем показатели качества традиционной телефонной сети, а на выходе показатели качества IP-телефонной сети.
Рис. 1 - Методика пересчета показателей качества
Характеристики качества обслуживания
Основной характеристикой качества связи для традиционной телефонии, как известно, является нагрузка. Различают поступающую, обслуженную и потерянную нагрузку.
Основными параметрами нагрузки являются:
число источников нагрузки N;
среднее число вызовов, поступающих от одного источника нагрузки в единицу времени, . с;
средняя длительность занятия коммутационной системы пря обслуживании одного вызова . t.
Качество обслуживания поступающих вызовов характеризуется возможностью соединений или длительностью ожидания предоставления соединений. Различают два основных способа, две дисциплины обслуживания поступающих вызовов: без потерь и с потерями.
По экономическим соображениям реальные коммутационные системы обычно проектируются с потерями. Различают следующие виды потерь: явные, условные и комбинированные.
Для количественной оценки качества обслуживания с явными потерями рассчитываются следующие величины: потери по вызовам . рв; потери по нагрузке . рн; потери по времени . pt.
Для количественной оценки качества обслуживания с ожиданием основными являются следующие характеристики: вероятность ожидания для поступившего вызова . р(?>0); вероятность ожидания для любого поступившего вызова свыше времени t.р(?>t).
Для количественной оценки качества обслуживания с повторением вызовов рассчитываются: среднее число повторных вызовов на один первичный вызов . с0; вероятность потери поступившего первичного вызова . р; вероятность потери поступившего повторного вызова . рп; вероятность потери любого поступившего вызова.рв; вероятность потерь по времени.pt; вероятность потерь по нагрузке . рн.
Одной из важнейших характеристик коммутационных систем является их эффективность. В качестве показателей эффективности наряду с экономическими (капитальными затратами, эксплуатационными расходами) широко используется и такой технический показатель, как пропускная способность.
Под пропускной способностью коммутационной системы понимается интенсивность обслуженной коммутационной системой нагрузки при заданном качестве обслуживания. Пропускная способность коммутационной системы зависит от величины потерь, емкости пучков линий, включенных в выходы коммутационной системы, от способа (схемы) объединения этих выходов, класса потока вызовов, структуры коммутационной системы, распределения длительности обслуживания и дисциплины обслуживания.
Основными составляющими качества IP-телефонии являются:
Качество речи, которое включает:
диалог — возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;
разборчивость — чистота и тональность речи;
эхо — слышимость собственной речи;
уровень — громкость речи.
Качество сигнализации, включающее:
установление вызова — скорость успешного доступа и время установления соединения;
завершение вызова — время отбоя и скорость разъединения;
DTMF — определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.
Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории:
Факторы качества IP-сети:
максимальная пропускная способность — максимальное количество полезных и избыточных данных, которая она передает;
задержка — промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;
джиттер — задержка между двумя последовательными пакетами;
потеря пакета — пакеты или данные, потерянные при передаче через сеть.
Факторы качества шлюза:
требуемая полоса пропускания — различные вокодеры требуют различную полосу.
задержка — время, необходимое цифровому сигнальному процессору DSP или другим устройствам обработки для кодирования и декодирования речевого сигнала;
буфер джиттера — сохранение пакетов данных до тех пор, пока все пакеты не будут получены и можно будет передать в требуемой последовательности для минимизации джиттера;
потеря пакетов — потеря пакетов при сжатии и/или передаче в оборудовании IP-телефонии;
подавление эхо — механизм для подавления эхо, возникающего при передаче по сети; управление уровнем — возможность регулировать громкость речи.
Задержка
Задержка создает неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эхо. Эхо возникает в случае, когда отраженный речевой сигнал вместе с сигналом от удаленного конца возвращается опять в ухо говорящего. Эхо становится трудной проблемой, когда задержка в петле передачи больше, чем 50 мс. Так как эхо является проблемой качества, системы с пакетной коммутацией речи должны иметь возможность управлять эхо и использовать эффективные методы эхоподавления.
Затруднение диалога и перекрытие разговоров становятся серьезным вопросом качества, когда задержка в одном направлении передачи превышает 250 мс. Можно выделить следующие источники задержки при пакетной передачи речи из конца в конец.
Задержка накопления (иногда называется алгоритмической задержкой): эта задержка обусловлена необходимостью сбора кадра речевых отсчетов, выполняемая в речевом кодере. Величина задержки определяется типом речевого кодера и изменяется от небольших величин (0,125 мкс) до нескольких миллисекунд. Например, стандартные речевые кодеры имеют следующие длительности кадров:
Задержка обработки: процесс кодирования и сбора закодированных отсчетов в пакеты для передачи через пакетную сеть создает определенные задержки. Задержка кодирования или обработки зависит от времени работы процессора и используемого типа алгоритма обработки. Для уменьшения загрузки пакетной сети обычно несколько кадров речевого кодера объединяются в один пакет. Например, три кадра кодовых слов G.729, соответствующих 30 мс речи, могут быть объединены для уменьшения размера одного пакета.
Сетевая задержка: задержка обусловлена физической средой и протоколами, используемыми для передачи речевых данных, а также буферами, используемыми для удаления джиттера пакетов на приемном конце. Сетевая задержка зависит от емкости сети и процессов передачи пакетов в сети.
Время задержки при передаче речевого сигнала можно отнести к одному из трех уровней:
первый уровень до 200 мс — отличное качество связи. Для сравнения, в телефонной сети общего пользования допустимы задержки до 150–200 мс;
второй уровень до 400 мс — считается хорошим качеством связи. Но если сравнивать с качеством связи по сетям ТфОП, то разница будет видна. Если задержки постоянно удерживается на верхней границе 2-го уровня (на 400 мс), то не рекомендуется использовать эту связь для деловых переговоров;
третий уровень до 700 мс — считается приемлемым качеством связи для ведения неделовых переговоров. Такое качество связи возможно также при передаче пакетов по спутниковой связи.
Джиттер
Когда речь или данные разбиваются на пакеты для передачи через IP-сеть, пакеты часто прибывают в пункт назначения в различное время и в разной последовательности. Это создает разброс времени доставки пакетов (джиттер). Джиттер приводит к специфическим нарушениям передачи речи, слышимым как трески и щелчки. Различают три формы джиттера:
джиттер, зависимый от данных (Data Dependent Jitter — DDJ) — происходит в случае ограниченной полосы пропускания или при нарушениях в сетевых компонентах;
искажение рабочего цикла (Duty Cycle Distortion — DCD) — обусловлено задержкой распространения между передачей снизу вверх и сверху вниз;
Потерянные пакеты в IP-телефонии нарушают речь и создают искажения тембра. В существующих IP-сетях все голосовые кадры обрабатываются как данные. При пиковых нагрузках и перегрузках голосовые кадры будут отбрасываться, как и кадры данных. Однако кадры данных не связаны со временем и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путем повторения. Потеря голосовых пакетов, в свою очередь, не может быть восполнена таким способом и в результате произойдет неполная передача информации. Предполагается, что потеря до 5% пакетов незаметна, а свыше 10-15% — недопустима. Причем данные величины существенно зависят от алгоритмов компрессии/декомпрессии.
Одним из важных показателей состояния сети является общая сетевая загрузка. Когда она высока, особенно для сетей со статистическим доступом (например, Ethernet), джиттер и потери пакетов достаточно велики. Так, высокая загрузка в Ethernet ведет к росту числа коллизий. Даже если вступившие в противоречие кадры в конечном счете будут переданы, они не поступят к получателю вовремя - следовательно, возрастет джиттер. При превышении определенного уровня коллизий происходят и потери пакетов.
Существенное влияние на качество связи оказывает также выбор протокола сигнализации IP-телефонии (здесь можно выделить - H.225.0, RAS из стандарта H.323 и протокол сигнализации — SIP, разработанный IETF), протокола второго уровня модели OSI и связанный с ним выбор физической среды передачи.
Таким образом, на входе нашего “ящика” имеем (рис 2):
Количество абонентов N
Удельная нагрузка с одного абонента y, Эрл
Вероятности потерь по вызовам, Pв; по нагрузке Pн; по времени Pt.
На выходе:
- Пропускная способность B, бит/с
- Задержка t, мс
- Вероятность потерь пакетов, Pп
Также учитывается влияние таких параметров как тип алгоритма кодирования, протокол сигнализации, протокол 2 уровня модели OSI.
Рис. 2 - Методика пересчета показателей качества
Далее в магистерской работе, основываясь на анализе существующей телекоммуникационной сети предприятия ООО “Донпромсервис-97”, а также на результатах описанной выше методики будут поставлены необходимые для обеспечения высокого качества связи требования к Ip-телефонной сети данного предприятия. Уклон был сделан на комбинированную сеть с использованием технологии Wi-Fi стандарта 802.11g. (пример структурной схемы сети на рис 3).
Рис 3 Пример структурной схемы IP-телефонной сети ООО “Донпромсервис-97”
(Рисунок анимирован, Flash 8, кадров 394, 24fps, 77 Kb)
Это связано, прежде всего, с тем, что ООО “Донпромсервис-97” обладает не только собственной сетью представительств, но и большими складскими и производственными помещениями. Точки доступа будут установлены в данных помещениях, и объединяться с использованием расширенного режима WDS, что снизит затраты на линии связи. В качестве протокола сигнализации IP-телефонии выбран протокол SIP.
Список источников
Гольдштейн B.C., Пинчук А.В., СуховицкийА.Л. IP-Телефония. - М.:
Радио и связь, 2001. - 336с
Н.А. Соколов Телекоммуникационные сети. Монография в 4 х главах.
Часть 3 (глава 3) – М.:Альварес Паблишинг, 2004, – 192 с
Н.А. Соколов Телекоммуникационные сети. Монография в 4 х главах.
Часть 4 (глава 4) – М.:Альварес Паблишинг, 2004, – 192 с
Росляков А. В., Самсонов М. Ю., Шибаева И.В. IP - телефония. М.:
Эко-Трендз, 2003, - 252с
Лившиц Б. С., Пшенич-ников А. П., Харкевич А. Д Теория телетрафика.
2-е изд., перераб. и доп. М.: Связь, 1979.224 с
