Передача голоса

Передачу голоса по сети, которая рассчитана на пересылку данных, можно осуществить, используя функции одного из двух уровней модели OSI: канального или сетевого. В первом случае используются сети ATM или Frame Relay. Во втором – задействуется протокол IP. В обоих случаях голосовой сигнал необходимо предварительно оцифровать и сформировать в пакеты, вид которых соответствует используемой технологии. После этого пакеты могут посылаться в сеть.

Для поддержки голосового взаимодействия двух абонентов требуется канал с пропускной способностью 64 Кбит/с. Существуют технологии, позволяющие значительно снизить это число и предъявляющие, тем самым, менее жесткие требования к пропускной способности. Это достигается за счет сжатия голосовой информации и эффективного использования пауз в разговоре абонентов. Специализированные процессоры для обработки цифровых сигналов обеспечивают сжатие оцифрованного голоса до 32, 16 и 8 Кбит/с. При выделении пауз и их заполнении передачей другой информации можно значительно повысить эффективную пропускную способность.

Для передачи голосового сигнала через сеть необходимо решить две основные проблемы: задержки в сети и потери пакетов. Исследования показывают, что при задержках до 300 мс качество передачи голосового сигнала вполне приемлемо. Существуют более жесткие рекомендации, регламентирующие максимальную величину задержки при передаче речи в 150 мс. При превышении данного порога качество начинает резко ухудшаться. Задержка голосового сигнала может происходить на любом этапе формирования пакета, его движения по сети и преобразования в исходную форму. Задержка также происходит при импульсно-кодовой модуляции, сжатии сигнала, прохождении по сети и декодировании. Кроме того, задержка возникает из-за некорректного распределения полосы пропускания канала связи между голосовым трафиком и трафиком данных.

Для управления задержками применяются специальные протоколы:

q RTP (Real-Time Transport Protocol) – призван заменить протоколы TCP и UDP при передаче трафика в реальном масштабе времени. Этот протокол переносит в своем заголовке временные отметки, необходимые для успешного восстановления аудио- и видеоинформации, и данные о типе ее кодирования;

q RTCP (Real-Time Transport Control Protocol) – предоставляет приложениям механизм реагирования на изменения в сети. Например, получив информацию о повышении интенсивности трафика в сети и уменьшении выделенной этому приложению полосы пропускания, приложение может принять меры и умерить свои требования к полосе пропускания за счет, например, некоторой потери качества. После снижения нагрузки в сети приложение может восстановить исходную полосу пропускания и продолжить работу с тем качеством, которое оно предоставляло вначале.

q RSVP – позволяет резервировать пропускную способность, необходимую для передачи пакетов с требуемым качеством.

Проблема с потерей пакетов решается путем дублирования потерянных или искаженных пакетов. Но для этого придется использовать дополнительные ресурсы сети. Существует более экономный способ решения этой проблемы: придать голосовому трафику более высокий приоритет по сравнению с трафиком данных. Для этого чаще всего используется протокол UDP, так как он не предусматривает подтверждения получения каждого посланного пакета и поэтому наиболее оптимально подходит для передачи голоса. Использование для этих целей протокола TCP приводит к тому, что пакеты нумеруются в порядке их отправления, и затем отправитель ожидает подтверждения получения каждого пакета. Если рассматривать передачу данных, то такая схема имеет смысл, так как там во главу угла ставится целостность информации, но при транспортировке голосовой информации это может приводить к нежелательным эффектам.

Трудности при реализации передачи голосового трафика могут возникнуть из-за нестыковки оборудования и программных средств. Связь может быть реализована только в том случае, если у обоих абонентов установлено идентичное оборудование.

Широкое использование технологии Frame Relay для передачи голосового трафика объясняется небольшими потерями (3-4 %) при упаковке голосового пакета в кадр Frame Relay и возможностью выделения гарантированной полосы пропускания CIR (Committed Information Rate). Значительную роль в повышении популярности передачи голоса по сети Frame Relay играет достаточно большая предсказуемость поведения сети в любых ситуациях и, самое главное, небольшие задержки при передаче информации. Очень важным обстоятельством, говорящим в пользу использования сети Frame Relay, является ее адаптируемость к существующим технологиям глобальных сетей. Под этим понимается возможность строить сети не только на базе выделенных каналов связи, но и на базе существующих сетей. Однако существуют и достаточно непростые вопросы, которые необходимо решать для обеспечения качественного голосового обмена. К ним относятся проблемы, связанные с эффективным использованием полосы пропускания и заторами при передаче кадров.

Для определения стандартной реализации средств передачи голоса по IP-сетям в начале 1996 года был образован Форум «Голос по IP» («Voice over IP», VOIP). Форум поддерживает стандарт Н.323, который определяет все аспекты передачи мультимедийного трафика по IP-сетям.

С точки зрения организаций, ощутимым преимуществом передачи голоса с помощью протокола IP может стать некоторое сокращение накладных расходов, так как существующая сеть передачи данных при реализации передачи голоса становится альтернативой общедоступной телефонной сети. Многие организации уже имеют распределенные сети на базе протокола IP. Самое главное, что сейчас вопросу передачи голоса через IP-сети уделяется огромное внимание – и в печати, и производителями, и заказчиками. Это связано с тем, что протокол IP в настоящее время является основным протоколом, на котором базируются корпоративные и глобальные сети. В ближайшем будущем этот протокол вряд ли уступит свое лидирующее положение. На основании этих аргументов производители ориентируются именно на протокол IP в своих последних разработках, направленных на повышение производительности сетей (примером может служить разработка и принятие стандарта на технологию МРОА).

Одним из технических решений, используемых для передачи голоса по IP-сетям, является применение специального шлюза, подключаемого к центральному серверу локальной сети. При этом такой шлюз делает функции передачи голоса прозрачными для пользователя, использующего обычные телефонные и факсовые аппараты. При передаче голоса поверх протокола IP возникают те же проблемы, что и в случае использования сети Frame Relay. Основные неприятности доставляет задержка голосовых пактов. Однако ситуация несколько усугубляется тем, что в протоколе IP эти задержки могут носить непредсказуемый характер, и практически отсутствует возможность контролировать их.

В июле 1997 года Форум ATM одобрил спецификацию «Голос и телефония по ATM до настольных систем» («Voice and Telephony over ATM, VTOA, to the Desktop Specification»). Эта спецификация поддерживает передачу голосового трафика с помощью протоколов ATM. При этом VTOA способна обеспечить передачу голосового трафика, опираясь на протоколы ATM, подобно тому, как это делают технологии МРОА и LANE.

Комитет по голосу и телефонии поверх ATM – Voice and Telephony Over ATM (VTOA) – Форума ATM выпустил ряд документов, посвященных следующим вопросам: способам передачи цифровых данных со скоростями, кратными скорости основного цифрового голосового канала DSO, в ячейках ATM (CES – служба эмуляции выделенных каналов) и преобразованию систем сигнализации телефонии и протоколов ATM (IWF – межсетевая функция). Служба CES позволяет создавать цифровые каналы связи через сеть ATM между двумя точками так же, как это делалось в сетях SDH, но, в отличие от SDH, полоса пропускания такого канала в ATM может быть любой – от 64 Кбит/с до величины, лимитированной только пропускной способностью линии связи. Это делает возможным использование ATM в качестве транспортной среды для телефонии.

Технология ATM способна обеспечить сверхмалые, по сравнению с протоколом IP, задержки сигналов при передаче. Величина задержки может быть меньше 20 мс. При этом следует иметь в виду, что такая задержка при передаче голосового трафика подразумевает, что виртуальное соединение (будь то постоянное или коммутируемое) уже установлено. Но если принимать во внимание и время, необходимое на установление виртуального соединения (особенно коммутируемого), то здесь преимущества технологии ATM выглядят менее впечатляюще.

Технология ATM обладает полным набором средств для реализации голосового взаимодействия. Кроме использования постоянных виртуальных соединений для организации канала связи, ATM может создавать коммутируемые соединения между вызывающей телефонной станцией и абонентом. Для этого ATM имеет собственные системы адресации и сигнализации. Наличие этих механизмов позволяет интегрировать ATM в состав корпоративной телефонной сети.

Основной задачей межсетевой функции (Internetworking Function, IWF) является организация взаимодействия систем сигнализации телефонных сетей и устройств ATM. Эта межсетевая функция может быть реализована как на коммутаторе ATM, так и на УАТС (учережденческих автоматических телефонных станциях). На рис. 18.5 показаны упрощенные функциональные схемы этих двух вариантов. В первом случае на коммутаторе должна быть реализована служба CES.

Голос по сети ATM можно передавать с использованием двух классов сервисов: службы CBR и службы VBR. Служба VBR используется в случаях, когда выдвигаются жесткие требования к занимаемой полосе пропускания. В менее ответственных случаях может быть использована служба CBR. Служба CBR при своей работе использует уровень адаптации AAL1 (структурированный и неструктурированный режимы). Уровень адаптации AAL5 используется со службой CBR и является наиболее приемлемым и дешевым способом реализации «голоса по ATM» непосредственно от рабочего места. К сожалению, существенным недостатком является то, что эти два метода несовместимы.

Вышеизложенные теоретические схемы были реализованы на практике: производители коммутаторов стали выпускать устройства, имеющие интерфейсные модули эмуляции телефонных каналов, а производители УАТС разработали и стали выпускать телефонные станции, способные взаимодействовать с магистралью ATM.

Существует рекомендация, которая определяет, что связь между коммутатором ATM с эмуляцией каналов и УАТС должна осуществляться цифровым потоком со скоростью 2 Мбит/с. В этом случае при взаимодействии нескольких телефонных станций через сеть ATM между ними могут быть образованы виртуальные соединения любой пропускной способности (точнее, любой кратной пропускной способности основного канала). Важным преимуществом такой схемы является возможность прямого взаимодействия двух телефонных станций без промежуточных систем. Кроме снижения требований к производительности телефонной станции такая схема значительно повышает надежность всей сети в целом. Использование коммутируемых виртуальные соединений дает дополнительные возможности, рассмотренные нами выше.

Компания Lucent Technologies создала граничные и территориальные коммутаторы с интеграцией голоса, видео и данных. Компания Cisco Systems в 1997 году выпустила модуль эмуляции каналов Т1/Е1 для своего семейства маршрутизаторов 7200 и коммутаторов LightStream 1010 ATM.

Если телефонная станция имеет модуль связи с магистралью ATM, то можно получить дополнительные возможности. Подключения УАТС к коммутатору ATM производится по интерфейсу STM-1 (155 Мбит/с) с реализацией всех функций ATM на этом интерфейсе. В данном случае одна из систем адресации ATM использует телефонные номера ISDN как часть адреса. В этом случае из магистрали ATM становятся доступны терминалы, подключенные к телефонной станции.

В настоящее время разработано и реализовано достаточно много интересных схем подключения телефонных станций к магистрали ATM. Очень важно, что все разработчики придерживаются вполне определенного набора стандартов. Это означает, что сближение и интеграция функций ATM и УАТС будут продолжаться. При этом будут реализовываться все новые возможности.

Часть V Приложения

Дата добавления: 2015-07-13