Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

В даний час існує безліч різних програм, що дозволяють вести телефонні переговори через Інтернет або локальну мережу. Така можливість вже нікого не дивує, для цього потрібні лише комп’ютер, підключений до мережі, відповідна програма і мікрофон з навушниками. Звичайно, таке рішення явно не підходить для організації телефонії в серйозній фірмі (все ж подібні засоби, які носять скоріше розважальний характер), проте ідея передачі голосу через мережу передачі даних дуже приваблива, особливо якщо фірма має безліч офісів в різних містах. І в цьому випадку рано чи пізно виникає питання про впровадження IP-телефонії.

IP-телефонія, по суті, є способом організації телефонного зв’язку з використанням мережі передачі даних для передачі голосу. Переваги такої організації телефонного зв’язку очевидні, і головне з них – суттєве зниження витрат на дзвінки між офісами, які розташовані в різних містах. Крім цього, даний підхід дозволяє ввести єдиний номерний план для всієї організації, коли не потрібно пам’ятати телефонні коди міст, в яких знаходяться філії компанії. Ну і звичайно, не варто забувати про впровадження додаткових сервісів.

1. Актуальність теми

Розвиток сучасних інформаційних технологій в телекомунікаціях відкриває перед провайдерами та операторами зв’язку величезні можливості для розвитку і перспективного зростання, пропонуючи клієнтам не тільки нові послуги, а й прийнятні ціни до них. Однак технічний прогрес тісно пов’язаний з проблемою забезпечення якості передачі мови.

В даний час спостерігається тенденція все більшого збільшення частки мовного трафіку в загальному обсязі інформації, переданої по мережах з пакетною комутацією. При цьому, внаслідок втрати мовних пакетів в процесі їх обробки і передачі, на приймальній стороні можливі виникнення пауз у мовному сигналі і прояв ефекту відгук-сигналу.

Таким чином, актуальною є задача підвищення розбірливості мови, переданої по мережі з комутацією пакетів. При її вирішенні повинні бути збережені переваги обробки мови в реальному масштабі часу, а також допустимі величини затримки [1].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета даної роботи полягає в тому, щоб на основі результатів теоретичного і експериментального дослідження існуючих алгоритмів заміщення втрачених пакетів при передачі мовного сигналу, удосконалити методи забезпечення показників якості VoIP в розподілених мережах.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити основні завдання:

  1. Провести аналіз існуючих методів забезпечення показників якості (QoS).
  2. Вивчити алгоритми управління чергами.
  3. Вдосконалити метод зваженого справедливого обслуговування.
  4. Змоделювати і дослідити процеси в мережі.

Наслідком проведених досліджень будуть рекомендації щодо підвищення якості послуг в мережі для задоволення вимог споживачів.

3. Огляд досліджень і розробок Voip системи

3.1 Принципи роботи IP-телефонії

IP-телефонія – це технологія, яка дозволяє використовувати Інтернет або будь-яку іншу IP-мережу для проведення телефонних розмов в режимі реального часу.

Для здійснення дзвінка використовують голосовий сигнал, який перетвориться в стислий пакет даних (аналоговий сигнал). Далі відбувається пересилання даних пакетів поверх мереж з комутацією пакетів, зокрема, IP-мереж. При досягненні пакетами одержувача, вони декодуються в оригінальні голосові сигнали. Ці процеси можливі завдяки великій кількості допоміжних протоколів. Також це дозволяє здійснити полнодуплексний зв’язок [2].

Приклад роботи Voip мережі

Рисунок 1 – Приклад роботи Voip мережі
(анімація: 20 кадрів, нескінченне повторення циклів, 163 кілобайт)

IP-телефонія грунтується на двох операціях: перетворення аналогової мови в цифрову форму, і навпаки, всередині кодуючого / декодуючого пристрою і упаковувати в пакети для передачі по IP-мережі.

3.2 Оцінка якості обслуговування

Якість голосового зв’язку в мережах передачі даних визначається параметрами доставки голосових пакетів і якістю обміну сигнальними повідомленнями. Параметри доставки голосових пакетів впливають на розбірливість, спотворення, затримки голосового сигналу, рівень гучності, наявність відлуння. Якість обміну сигнальними повідомленнями визначає швидкість встановлення і розриву з’єднання, можливість його розриву, затримки в появі тонового сигналу, або просто гудка.

До факторів, що впливають на якість IP-телефонії при однаковому способі кодування сигналу, відносяться:

  1. Затримка доставки пакета – проміжок часу, який потребується для передачі пакета через мережу.
  2. Джиттер (варіація затримки) – проміжок часу між доставкою двох послідовних пакетів.
  3. Пропускна здатність мережі.
  4. Імовірність втрати пакетів.
  5. Необхідна смуга пропускання.

Міжнародним союзом електрозв’язку (МСЕ) передбачаються такі градації чисельних величин затримок:

  1. Висока якість голосу, при якому рівень затримки визначено менше або дорівнює 150 мс.
  2. Хороший показник якості, при якому рівень затримки менше 200 мс.
  3. Прийнятний показник, рівень затримки менше 400 мс.
  4. Поганий показник, рівень затримки понад 450 мс – вже робить розмову практично неможливою.
Джерела затримки в IP-телефонії

Рисунок 2 – Джерела затримки в IP-телефонії

Сумарна затримка складається з ряду складових – як постійних, так і змінних. До затримок з постійним значенням часу відносяться ті, що виникають при кодуванні / декодуванні, інкапсуляції / декапсуляціі і буферизації пакетів, їх прийняття та передачу. Значення затримки варіюється при постановці пакетів у чергу і передачі їх по мережі.

Однак, потім МСЕ стандартизував підхід, заснований на об’єктивних оцінках якості обслуговування, який дозволяє описати показники якості при передачі мови в пакетної формі, відома як методика MOS (Mean Opinion Score). MOS включає в себе показник сприйманої якості звуку за бальною шкалою від 1 до 5.

Хоча методика MOS, заснована на суб’єктивних оцінках, є досить надійним інструментом в телефонних мережах, в ній відсутня можливість кількісно врахувати, як впливають фактори на якість мови. У зв’язку з цим в якості альтернативи MOS був запропонований менш суб’єктивний критерій, а саме R-Factor. R-Factor є альтернативним способом оцінки якості звуку. Бальна шкала від 0 до 120 на відміну від скороченою шкали MOS (1-5) дозволяє робити більш точну оцінку показника якості. R-Factor розраховується з урахуванням відчуттів користувача і об’єктивних чинників, які впливають на загальну якість VoIP-системи, відповідно, окремо розраховуються мережевий R-Factor і призначений для користувача R-Factor.

Значення R-фактора однозначно зіставляються з оцінками MOS [3-6].

Оцінка QoS на основі R-фактора і оцінок MOS

Рисунок 3 – Оцінка QoS на основі R-фактора і оцінок MOS

3.3 Основні методи забезпечення показників якості обслуговування

Одним із способів поліпшення якості обслуговування є зменшення загальної затримки. Це можна здійснити двома шляхами:

  1. Спроектувати структуру мережі таким чином, щоб затримка в ній була мінімальною.
  2. Зменшити час обробки даних в шлюзі.

Перший шлях реалізується шляхом скорочення числа транзитних ділянок між маршрутизаторами, а в місцях з підвищеною завантаженістю використовувати високошвидкісні канали. Якщо ж необхідно зменшити розкид затримок, то необхідно використовувати ефективні методи управління трафіком, наприклад механізми резервування.

3.3.1 Інтегральне обслуговування IntServ

IntServ (Integrated Services) більше підходить для концентрації трафіку в прикордонній мережі IP і не рекомендована для застосування в транзитних мережах IP (через проблеми з масштабністю).

Модель з інтеграцією послуг розроблялася для обслуговування одиничних потоків, яким надається два види послуг:

  1. Гарантована послуга.
  2. Послуга з керованим навантаженням.

Гарантовані послуги дозволяють забезпечити певним обсягом трафіку, який піддається кількісному обчисленню, максимальне значення затримки при проходженні пакетів від краю до краю. Послуги з керованим рівнем навантаження надають певного обсягу трафіку обслуговування best-effort при віртуально низьким мережевим навантаженням без строгих гарантій.

У кожному вузлі, що підтримує IntServ, має бути кілька обов’язкових елементів:

  1. Класифікатор – направляє пакет в один з класів обслуговування згідно з інформацією, отриманою з заголовків (мережевого і транспортного рівнів) пакета. Клас обслуговування реалізується у вигляді окремої черги. Всі пакети в межах одного класу обслуговування повинні отримувати однаковий QoS.
  2. Диспетчер пакетів – витягує з кожної черги пакети і направляє їх на канальний рівень.
  3. Блок управління доступом (admission control) – приймає рішення про можливість отримання трафіком необхідної кількості ресурсів, не впливаючи при цьому на раніше надані гарантії. Управління доступом виконується на кожному вузлі для прийняття або відхилення запиту на виділення ресурсів по всьому шляху проходження потоку.
  4. Протокол резервування ресурсів – інформує учасників з’єднання (відправника, одержувача, проміжні маршрутизатори) про необхідні параметри обслуговування. Для моделі IntServ рекомендується використовувати протокол RSVP.

Структура IntServ приведена нижче.

Cтруктурна схема IntServ

Рисунок 4 – Cтруктурна схема IntServ

Сервісна модель IntServ в поєднанні з RSVP дозволяє організувати гнучке обслуговування різнотипного трафіку, максимально враховуючи потреби кожної програми, а використання WFQ для обслуговування пакетів гарантує максимально допустиме значення затримки.

При розробці протоколу RSVP передбачалося резервування ресурсів для індивідуальних мікропотоків додатків. Однак такий підхід має кілька практичних недоліків. Найбільший недолік IntServ пов’язаний з масштабністю RSVP, особливо в високошвидкісних магістральних мережах. RSVP проводить резервування тільки для одного інформаційного потоку [7-8].

3.3.2 Диференційоване обслуговування DiffServ

Модель DiffServ орієнтована на поділ всього трафіку на невелике число класів і на виділення мережевих ресурсів окремо для кожного такого класу, а не для кожного інформаційного потоку, як це передбачено в моделі IntServ. Клас маркірується безпосередньо в поле коду диференційованого обслуговування DSCP (DiffServ Code Point) пакета.

Трафік, що надходить в мережу класифікується і нормалізується прикордонними маршрутизаторами. Нормалізація трафіку передбачає вимірювання його параметрів, перевірку відповідності заданим правилам надання послуг, профілювання (при цьому пакети, що не укладаються в рамки встановлених правил, можуть бути відсіяні) та інші операції. В ядрі мережі магістральні маршрутизатори обробляють трафік відповідно до класу PHB, код якого зазначений у поле DS.

Модель мережі Diff-Serv

Рисунок 5 – Модель мережі Diff-Serv

Переваги моделі Diff-Serv:

  1. Забезпечує єдине розуміння того, як повинен оброблятися трафік певного класу.
  2. Дозволяє розділити весь трафік на відносно невелике число класів і не аналізувати кожен інформаційний потік окремо.
  3. Немає необхідності в організації попереднього з’єднання і в резервуванні ресурсів.
  4. Не потрібна висока продуктивність мережевого обладнання.

Недоліком даної моделі є те, що, незважаючи на високий пріоритет, дані все одно можуть бути схильні до непередбачуваних затримок при перевантаженнях в мережі [7-8].

3.3.3 Integrated Services Operation over Diffserv Networks

Інтегрально – диференційоване обслуговування описує принципи взаємодії двох моделей: IntServ / RSVP і DiffServ. Слабкі місця однієї моделі доповнюються перевагами іншого. Головна проблема при взаємодії – це відповідність ресурсів, запитуваних через RSVP і надаються в DiffServ-регіоні.

Можливі два варіанти організації взаємодії протоколів:

  1. У першому випадку загальна робота побудована на статичній угоді клієнта з оператором SLS (специфікація рівня сервісу). У цьому випадку описується значення пропускної здатності в DiffServ-мережі.
  2. Другий варіант передбачає, що прикордонні маршрутизатори в DiffServ-домені підтримують протокол RSVP.
Модель DiffServ + IntServ

Рисунок 6 – Модель DiffServ + IntServ

Мабуть, спільна робота IntServ і DiffServ є оптимальним варіантом для надання необхідного QoS з кінця в кінець. Реалізація такої моделі дозволить ліквідувати причину низької якості мультимедійних послуг на основі IP-протоколу і підвищити продуктивність традиційних сервісів [9].

3.3.4 Технологія MPLS

MPLS (Multiprotocol Label Switching) – це технологія швидкої комутації пакетів в багато протокольних мережах, заснована на використанні міток. MPLS розробляється і позиціонується як спосіб побудови високошвидкісних IP-магістралей, однак сфера застосування технології не обмежується протоколом IP, а поширюється на трафік будь-якої маршрутизації мережевого протоколу. Традиційно головними вимогами, що пред’являються до технології магістральної мережі, були висока пропускна здатність, мале значення затримки і хороша масштабованість.

Архітектура MPLS забезпечує побудову магістральних мереж, що мають практично необмежені можливості масштабування, підвищену швидкість обробки трафіку і високу гнучкість з точки зору організації додаткових сервісів. Крім того, технологія MPLS дозволяє інтегрувати мережі IP і АТМ, за рахунок чого постачальники послуг зможуть не тільки зберегти кошти, інвестовані в обладнання асинхронноїпередачі, а й отримати додаткову вигоду зі спільного використання цих протоколів [10].

Переваги технології MPLS:

  1. Відділення вибору маршруту від аналізу IP-адреси.
  2. Прискорена комутація.
  3. Гнучка підтримка QoS, інтегрованих сервісів і віртуальних приватних мереж.
  4. Ефективне використання явного маршруту.
  5. Збереження інвестицій у встановлений ATM-обладнання.
  6. Поділ функціональності між ядром і граничної областю мережі.

Впровадження та обслуговування мереж MPLS більш уніфіковане і спрощене в порівнянні зі звичайними IP-мережами завдяки використанню протоколів LDP і RSVP. Перший з них призначений для автоматичного прокладання нових шляхів в MPLS-домені. Протокол RSVP дозволяє управляти розподілом пропускної спроможності між віртуальними каналами в мережі, забезпечуючи гарантований необхідний рівень якості обслуговування.

Технологія MPLS характеризується високою масштабованісттю і розглядається в якості найбільш перспективної для передачі IP трафіку. Вона стандартизована IETF, тому, як і в випадку з IntServ, при відхиленні від специфікацій можуть виникнути проблеми із сумісністю обладнання різних виробників [11].

4.Опис отриманих і планованих результатів роботи

У ході роботи були проаналізовані існуючі методи забезпечення показників якості і обраний найбільш відповідний для подальших досліджень. Таким методом є побудова мережі на базі технології MPLS.

Надалі планується, використовуючи пакет моделювання OpNet, побудувати мережу на базі технології MPLS, щоб довести на практиці її перевагу. Що стосується алгоритмів обробки черг, то на даному етапі ведуться розробки з удосконалення методу зваженого справедливого обслуговування.

Висновки

Найбільш перспективними технологіями QoS є MPLS та Int-DiffServ завдяки тому, що об’єднують в собі кращі сторони обох моделей. Так, в MPLS за рахунок маршрутизації по мітках можливо більш гнучкий розподіл ресурсів мережі, що дозволяє використовувати декілька альтернативних шляхів доставки трафіку для створення високошвидкісних магістралей, об’єднання локальних мереж. У свою чергу, Int-DiffServ являє собою золоту середину співвідношення ціна / якість. Але і для цих технологій існують обмеження, що не дозволяють застосовувати ці методи. MPLS все ще слабо поширена і є дорогою технологією для корпоративних мереж, а Int-DiffServ вимагає певних витрат на реалізацію і не може забезпечити високих показників по сумісності.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2018 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  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.