Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

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.

1. Актуальность темы

Развитие современных информационных технологий в телекоммуникациях открывает перед провайдерами и операторами связи огромные возможности для развития и перспективного роста, предлагая клиентам не только новые услуги, но и приемлимые цены к ним. Однако технический прогресс тесно связан с проблемой обеспечения качества передачи речи.

В настоящее время наблюдается тенденция все большего увеличения доли речевого трафика в общем объеме информации, передаваемой по сетям с пакетной коммутацией. При этом, вследствие потери речевых пакетов в процессе их обработки и передачи, на приемной стороне возможны возникновение пауз в речевом сигнале и проявление эффекта эхо-сигнала.

Таким образом, актуальной является задача повышения разборчивости речи, передаваемой по сети с коммутацией пакетов. При ее решении должны быть сохранены преимущества обработки речи в реальном масштабе времени, а также допустимые величины задержки [1].

2. Цель и задачи исследования

Цель данной работы состоит в том, чтобы на основе результатов теоретического и экспериментального исследования существующих алгоритмов замещения потерянных пакетов при передаче речевого сигнала, усовершенствовать методы обеспечения показателей качества VoIP в распределенных сетях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить основные задачи:

  1. Провести анализ существующих методов обеспечения показателей качества (QoS).
  2. Изучить алгоритмы управления очередями.
  3. Усовершенствовать метод взвешенного справедливого обслуживания.
  4. Смоделировать и исследовать процессы в сети.

Следствием проведенных исследований будут рекомендации по повышению качества услуг в сети для удовлетворения требований потребителей.

3. Обзор исследований и разработок Voip системы

3.1 Принципы работы IP-телефонии

IP-телефония – это технология, которая позволяет использовать Интернет или любую другую IP-сеть для проведения телефонных разговоров в режиме реального времени.

Для осуществления звонка используют голосовой сигнал, который преобразуется в сжатый пакет данных (аналоговый сигнал). 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. Также это позволяет осуществить полнодуплексную связь [2].

Пример работы Voip сети

Рисунок 1 – Пример работы Voip сети
(анимация: 20 кадров, бесконечный цикл повторения, 163 килобайт)

IP-телефония основывается на двух операциях: преобразование аналоговой речи в цифровую форму, и наоборот, внутри кодирующего / декодирующего устройства и упаковку в пакеты для передачи по IP-сети.

3.2 Оценка качества обслуживания

Качество голосовой связи в сетях передачи данных определяется параметрами доставки голосовых пакетов и качеством обмена сигнальными сообщениями. Параметры доставки голосовых пакетов оказывают влияние на разборчивость, искажение, задержки голосового сигнала, уровень громкости, наличие эха. Качество обмена сигнальными сообщениями определяет скорость установления и разрыва соединения, возможность его разрыва, задержки в появлении тонового сигнала, или попросту гудка.

К факторам, влияющим на качество IP-телефонии при одинаковом способе кодирования сигнала, относятся:

  1. Задержка доставки пакета – промежуток времени, требующийся для передачи пакета через сеть.
  2. Джиттер (вариация задержки) – промежуток времени между доставкой двух последовательных пакетов.
  3. Пропускная способность сети.
  4. Вероятность потери пакетов.
  5. Необходимая полоса пропускания.

Международным союзом электросвязи (МСЭ) предусматриваются следующие градации численных величин задержек:

  1. Высокое качество голоса, при котором уровень задержки определено меньше или равно 150 мс.
  2. Хороший показатель качества, при котором уровень задержки менее 200 мс.
  3. Приемлемый показатель, уровень задержки менее 400 мс.
  4. Плохой показатель, уровень задержки свыше 450 мс – уже делает разговор практически невозможным.
Источники задержки в IP-телефонии

Рисунок 2 – Источники задержки в IP-телефонии

Суммарная задержка складывается из ряда составляющих – как постоянных, так и переменных. К задержкам с постоянным значением времени относятся те, что возникают при кодировании / декодировании, инкапсуляции / декапсуляции и буферизации пакетов, их приеме и передаче. Значение задержки варьируется при постановке пакетов в очередь и передаче их по сети.

Однако, потом МСЭ стандартизировал подход, основанный на объективных оценках качества обслуживания, который позволяет описать показатели качества при передаче речи в пакетной форме, известна как методика MOS (Mean Opinion Score). MOS включает в себя показатель воспринимаемого качества звука по балльной шкале от 1 до 5.

Хотя методика MOS, основанная на субъективных оценках, является достаточно надежным инструментом в телефонных сетях, в ней отсутствует возможность количественно учесть влияющие на качество речи факторы. В связи с этим в качестве альтернативы MOS был предложен менее субъективный критерий, а именно R-Factor. R-Factor является альтернативным способом оценки качества звука. Балльная шкала от 0 до 120 в отличие от сокращенной шкалы MOS (1-5) позволяет делать более точную оценку показателя качества. R-Factor рассчитывается с учетом ощущений пользователя и объективных факторов, которые влияют на общее качество VoIP-системы, соответственно, отдельно рассчитываются сетевой R-Factor и пользовательский R-Factor.

Значения R-фактора однозначно сопоставляются с оценками MOS [3-6].

Оценка QoS на основе R-фактора и оценок MOS

Рисунок 3 – Оценка QoS на основе R-фактора и оценок MOS

3.3 Основные методы обеспечения показателей качества обслуживания

Одним из способов улучшения качества обслуживания является уменьшение общей задержки. Это можно осуществить двумя путями:

  1. Спроектировать структуру сети таким образом, чтобы задержка в ней была минимальной.
  2. Уменьшить время обработки данных в шлюзе.

Первый путь реализуется путем сокращения числа транзитных участков между маршрутизаторами, а в местах с повышенной загруженностью использовать высокоскоростные каналы. Если же необходимо уменьшить разброс задержек, то необходимо использовать эффективные методы управления трафиком, например механизмы резервирования.

3.3.1 Интегральное обслуживание IntServ

IntServ (Integrated Services) больше подходит для концентрации трафика в пограничной сети IP и не рекомендована для применения в транзитных сетях IP (из-за проблем с масштабируемостью).

Модель с интеграцией услуг разрабатывалась для обслуживания единичных потоков, которым предоставляется два вида услуг:

  1. Гарантированая услуга.
  2. Услуга с управляемой нагрузкой.

Гарантированные услуги позволяют обеспечить определенному объему трафика поддающееся количественному вычислению максимальное значение задержки при прохождении пакетов из конца в конец. Услуги с управляемым уровнем нагрузки предоставляют определенному объему трафика обслуживание best-effort при виртуальной низкой сетевой нагрузке без строгих гарантий.

В каждом узле, поддерживающем IntServ, должно быть несколько обязательных элементов:

  1. Классификатор – направляет поступающий пакет в один из классов обслуживания согласно информации, полученной из заголовков (сетевого и транспортного уровней) пакета. Класс обслуживания реализуется в виде отдельной очереди. Все пакеты в пределах одного класса обслуживания должны получать одинаковый QoS.
  2. Диспетчер пакетов – извлекает из каждой очереди пакеты и направляет их на канальный уровень.
  3. Блок управления доступом (admission control) – принимает решения о возможности получения трафиком требуемого количества ресурсов, не влияя при этом на ранее предоставленные гарантии. Управление доступом выполняется на каждом узле для принятия или отклонения запроса на выделение ресурсов по всему пути прохождения потока.
  4. Протокол резервирования ресурсов – информирует участников соединения (отправителя, получателя, промежуточные маршрутизаторы) о требуемых параметрах обслуживания. Для модели IntServ рекомендуется использовать протокол RSVP.

Структура IntServ приведена ниже.

Cтруктурная схема IntServ

Рисунок 4 – Cтруктурная схема IntServ

Сервисная модель IntServ в сочетании с RSVP позволяет организовать гибкое обслуживание разнотипного трафика, максимально учитывая потребности каждого приложения, а использование WFQ для обслуживания пакетов гарантирует максимально допустимое значение задержки.

При разработке протокола RSVP предусматривалось резервирование ресурсов для индивидуальных микропотоков приложений. Однако такой подход имеет несколько практических недостатков. Самый большой недостаток IntServ связан с масштабируемостью RSVP, особенно в высокоскоростных магистральных сетях. RSVP проводит резервирование только для одного информационного потока [7-8].

3.3.2 Дифференцированное обслуживание DiffServ

Модель DiffServ ориентирована на разделении всего трафика на небольшое число классов и на выделение сетевых ресурсов отдельно для каждого такого класса, а не для каждого информационного потока, как это предусмотрено в модели IntServ. Класс маркируется непосредственно в поле кода дифференцированного обслуживания DSCP (DiffServ Code Point) пакета.

Поступающий в сеть трафик классифицируется и нормализуется пограничными маршрутизаторами. Нормализация трафика предусматривает измерение его параметров, проверку соответствия заданным правилам предоставления услуг, профилирование (при этом пакеты, не укладывающиеся в рамки установленных правил, могут быть отсеяны) и другие операции. В ядре сети магистральные маршрутизаторы обрабатывают трафик в соответствии с классом PHB, код которого указан в поле DS.

Модель сети Diff-Serv

Рисунок 5 – Модель сети Diff-Serv

Достоинства модели Diff-Serv:

  1. Обеспечивает единое понимание того, как должен обрабатываться трафик определенного класса.
  2. Позволяет разделить весь трафик на относительно небольшое число классов и не анализировать каждый информационный поток отдельно.
  3. Нет необходимости в организации предварительного соединения и в резервировании ресурсов.
  4. Не требуется высокая производительность сетевого оборудования.

Недостатком данной модели является то, что, несмотря на высокий приоритет, данные все равно могут быть подвержены непредсказуемым задержкам при перегрузках в сети [7-8].

3.3.3 Integrated Services Operation over Diffserv Networks

Интегрально – дифференцированное обслуживание описывает принципы взаимодействия двух моделей: IntServ / RSVP и DiffServ. Слабые места одной модели дополняются преимуществами другой. Главная проблема при взаимодействии – это соответствие ресурсов, запрашиваемых через RSVP и предоставляемых в DiffServ-регионе.

Возможны два варианта организации взаимодействия протоколов:

  1. В первом случае общая работа построена на статическом соглашении клиента с оператором SLS (спецификация уровня сервиса). В этом случае описывается значение пропускной способности в DiffServ-сети.
  2. Второй вариант предполагает, что пограничные маршрутизаторы в DiffServ-домене поддерживают протокол RSVP.
Модель DiffServ + IntServ

Рисунок 6 – Модель DiffServ + IntServ

По-видимому, совместная работа IntServ и DiffServ является оптимальным вариантом для предоставления требуемого QoS из конца в конец. Реализация такой модели позволит ликвидировать причину низкого качества мультимедийных услуг на основе IP-протокола и повысить производительность традиционных сервисов [9].

3.3.4 Технология MPLS

MPLS (Multiprotocol Label Switching) – это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. MPLS разрабатывается и позиционируется как способ построения высокоскоростных IP-магистралей, однако область применения технологии не ограничивается протоколом IP, а распространяется на трафик любого маршрутизируемого сетевого протокола. Традиционно главными требованиями, предъявляемыми к технологии магистральной сети, были высокая пропускная способность, малое значение задержки и хорошая масштабируемость.

Архитектура MPLS обеспечивает построение магистральных сетей, имеющих практически неограниченные возможности масштабирования, повышенную скорость обработки трафика и высокую гибкость с точки зрения организации дополнительных сервисов. Кроме того, технология MPLS позволяет интегрировать сети IP и АТМ, за счет чего поставщики услуг смогут не только сохранить средства, инвестированные в оборудование асинхронной передачи, но и извлечь дополнительную выгоду из совместного использования этих протоколов [10].

Преимущества технологии MPLS:

  1. Отделение выбора маршрута от анализа IP-адреса.
  2. Ускоренная коммутация.
  3. Гибкая поддержка QoS , интегрированных сервисов и виртуальных частных сетей.
  4. Эффективное использование явного маршрута.
  5. Сохранение инвестиций в установленное ATM-оборудование.
  6. Разделение функциональности между ядром и граничной областью сети.

Внедрение и обслуживание сетей MPLS более унифицировано и упрощено по сравнению с обычными IP-сетями благодаря использованию протоколов LDP и RSVP. Первый из них предназначен для автоматического прокладывания новых путей в MPLS-домене. Протокол RSVP позволяет управлять распределением пропускной способности между виртуальными каналами в сети, обеспечивая гарантированный требуемый уровень качества обслуживания.

Технология MPLS характеризуется высокой масштабируемостью и рассматривается в качестве наиболее перспективной для передачи трафика IP. Она стандартизована IETF, поэтому, как и в случае с IntServ, при отклонении от спецификаций могут возникнуть проблемы с совместимостью оборудования разных производителей [11].

4.Описание полученных и планируемых результатов работы

В ходе работы были проанализированы существующие методы обеспечения показателей качества и выбран наиболее подходящий для дальнейших исследований. Таким методом является построение сети на базе технологии MPLS.

В дальнейшем планируется, используя пакет моделирования OpNet, построить сеть на базе технологии MPLS, чтобы доказать на практике ее преимущество.

Выводы

Наиболее перспективными технологиями QoS являются MPLS и Int-DiffServ благодаря тому, что объединяют в себе лучшие стороны обеих моделей. Так, в MPLS за счет маршрутизации по меткам возможно более гибкое распределение ресурсов сети, что позволяет использовать несколько альтернативных путей доставки трафика для создания высокоскоростных магистралей, объединения локальных сетей. В свою очередь, Int-DiffServ представляет собой золотую середину соотношения цена / качество. Но и для этих технологий существуют ограничения, не позволяющие применять данные методы. MPLS все еще слабо распространена и является дорогостоящей технологией для корпоративных сетей, а Int-DiffServ требует определенных затрат на реализацию и не может обеспечить высоких показателей по совместимости.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Dissercat – Электронная библиотека [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dissercat.com....
  2. Телефония по Voip протоколу [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://globalhome.su....
  3. Тарасов В. Ю., Дроздов К. И. Качество речи в IP-сетях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ccc.ru/magazine....
  4. Макарова О. С. Способ оценки зависимости качества связи в системах IP-телефонии от критических параметров IP–сети // Молодой ученый. – 2011. – №12. Т.1. С. 83–86.
  5. Мониторинг и отладка VoIP–сетей с помощью сетевого анализатора [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.tamos.ru....
  6. Яновский Г. Г. Оценка качества передачи речи в сетях IP [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://niits.ru....
  7. Пролетарский А. В., Баскаков И. В., Федотов Р. А., Мельников С. А. IP-телефония в компьютерных сетях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.intuit.ru....
  8. Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.bmstu.wiki....
  9. Гилазов М. Н. Влияние качества обслуживания на коммутацию IP-пакетов // Молодой ученый. – 2015. – №11. – С. 282–285.
  10. Гольдштейн А. Б., Гольдштейн Б. С. Технология и протоколы MPLS/ А. Б. Гольдштейн, Б. С. Гольдштейн – СПб.: БХВ, 2005. – С. 304.
  11. Климов Д. А. Построение сетей MPLS VPN. T-Comm: Телекоммуникации и транспорт/ Д. А. Климов – №51 – 2009. – С. 57–59.