Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Информационные технологии
Размещена 26.03.2014. Последняя правка: 26.03.2014.

Аспекты технологии IP-телефонии

Тарасов Александр Евгеньевич

Бакалавр техники и технологии

НГТУ, Энвижн груп

стажер технического отдела

Вихман Виктория Викторовна к.т.н., к.п.н кафедра ВТ НГТУ, Горбунов Вячеслав Леонидович, руководитель направления систем голосовой и мультимедийной связи


Аннотация:
В статье рассказываются базовые принципы, необходимые для построения сетей IP-телефонии.


Abstract:
The article describes the basic principles needed to build IP-telephony networks.


Ключевые слова:
IP-телефония, ТФоП, H.323, SIP, кодек, аудио связь, видеосвязь

Keywords:
IP-telephony, PSTN, H.323, SIP, codec, audio communication, video


УДК 621.395.34


С повсеместным развитием интернета расширяются способы коммуникации и телефонии в частности. Хотя сети передачи данных и телефонные существуют уже достаточно давно, совершенствовались они автономно друг от друга. IP-телефония позволяет объединить их одну сеть, которая является удобным и экономичным средством связи.

IP-телефония – телефонная связь по протоколу IP. Это набор технологий и методов, который обеспечивает передачу голоса и видео по сети Интернет (или локальной сети) посредством традиционного набора номера. Сигнал по каналу передается в цифровом виде и в большинстве случаев сжимается, что бы снизить нагрузку на сеть.

Преимущество IP-телефонии в том, что она позволяет  снизить затраты на традиционные телефонные разговоры. В частности, снижаются затраты на международную/междугороднюю связь, что особенно полезно для компаний, которым необходимо ее использовать. В аналоговой телефонии используется канал 64 кбит/с независимо от того, во время соединения молчит абонент или разговаривает. При использовании IP-телефонии данные сжимаются и передаются в  виде цифровой информации, причем если абонент молчит или делает паузы в разговоре, то данные соответственно не передаются что позволяет снизить нагрузку на канал и создавать больше соединений одновременно, что в свою очередь позволяет снизить цены на тарифы и оплату за телефон.

Кодеки

Существует множество типов кодеков, которые обеспечивают кодирование аналогового аудио сигнала в цифровой. Из-за использования буфера для накопления сигнала и математических преобразований, выполняемых над аудио сигналом, происходит задержка при кодировании сигнала порядка 15-45 мс, та же самая задержка происходит при его декодировании. Сравнение основных кодеков приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнительные характеристики кодеков

Кодек

Полезная нагрузка
пакета, байт

Скорость передачи,
кбит/с

Алгоритмическая
задержка, миллисекунд

Занимаемый поток, кбит/с

IP-пакеты

Ethernet-фреймы

G.711

160

64

20

78

80

G.723.1 (6.3)

24

6,3

37,5

6,9

17,1

G.723.1 (5.3)

20

5,3

37,5

5,9

16

G.726-32

160

32

20

32,8

42,7

G.726-24

160

24

20

24,8

34,7

G.726-16

160

16

20

16,8

26,7

G.729 (8)

20

8

25

8,8

18,7

G.729 (6.4)

16

6,4

25

7,2

17,1

 

Для соединения устройств IP-телефонии используются  протоколы передачи данных, основные H.323 и SIP. H.323 более привязан к системам аналоговой телефонии, в частности из-за этого широко распространен в России. Так же используется протокол управления медиашлюзами MGCP (Media Gateway Control Protocol).

 

Варианты построения IP-телефонии

 Рассмотрим три самых часто используемых вариантов сценария IP-телефонии:

  1. Компьютер – Телефон

В этом сценарии устанавливается соединение между пользователями ТфОП (телефонная сеть общего пользования) и IP сети. Для взаимодействия этих сетей используется шлюз, который может быть выполнен как отдельное оборудование, так и встроен в существующее оборудование ТфОП или IP сети.

 

 Рис. 1 – Сценарий «телефон-компьютер»

Рис. 1 – Сценарий «телефон-компьютер»

 

  1. Компьютер – Компьютер

Реализуется посредством компьютеров, подключенных к обычной IP-сети и имеющие средства мультимедиа. Данные от одного абонента снимаются с помощью микрофона и преобразуются в аналого-цифровом преобразователе, после происходит сжатие информации в отношении 4:1, 8:1 и 10:1. После этого речь формируется в пакеты и передается по IP-сети конечному пользователю. Далее происходит обратное преобразование пакетов в аудио сигнал и развертывание речевой информации. В конце сигнал попадает на цифро-аналоговый преобразователь и передается в телефон.

 Рис. 2 – Сценарий «компьютер-компьютер»

 

Рис. 2 – Сценарий «компьютер-компьютер»

 

  1. Телефон  - Телефон

Обычная услуга по такому сценарию использует IP-телефон, который соединяется с другими телефонами либо по частной IP-сети, либо посредством сети Интернет. На рисунке 3 показано, что поставщик услуг IP-телефонии использует шлюз для соединения IP-сети и ТфОП  и коммутации телефонов. Абонент использует персональный идентификационный номер, что бы получить доступ к шлюзу. Шлюз просит набрать телефонный номер, после анализирует с каким шлюзом ему необходимо связаться, что бы дозвониться до абонента, как только соединение между шлюзами устанавливается, от шлюза происходит контакт с абонентом через местную телефонную сеть.

 

 Рис. 3 – Сценарий «телефон-телефон»

Рис. 3 – Сценарий «телефон-телефон»

 

Протоколы IP-телефонии

На данный момент существует несколько стандартизованных протоколов, на базе которых строятся системы IP-телефонии. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Протокол H.323

Автором данного стандарта является организация ITU-T (International Telecommunication Union). Существует несколько версий стандарта H323. Первая была выпущена в 1996 году. Последующие являются эволюционным развитием (большая гибкость, масштабируемость и надежность). Последняя на данный момент версия 4 появилась в 2000 году. На данный момент протокол H.323 является стандартом де-факто для междугородной и международной телефонии. Если вы захотите воспользоваться предложением одного из транснациональных операторов IP-телефонии, то придется обратить внимание именно на H.323. Стандарт определяет базовую архитектуру сети передачи мультимедиа данных:

К числу объектов стандарта H.323 относятся:

  • Терминал (Terminal).
  • Шлюз (Gataway).
  • Устройство управления конференциями (Multipoint Control Unit - MCU).
  • Привратник (GateKeeper).

 

Терминал

Конечное H.323-устройство пользователя. Может быть как программным (приложение на компьютере), так и аппаратным (телефонный аппарат). Терминалам могут назначаться один или несколько псевдонимов (номера телефонов, названия).

 

Шлюз

Устройство, предназначенное для сопряжения разнородных сетей. Так, рекомендации ITU-T содержат информацию по сопряжению H.323-устройств с устройствами сетей ISDN, ATM и ТФОП.

Привратник

Основной управляющий  элемент сети H.323, координирующий и контролирующий работу всех ее устройств. К его задачам относятся:

  • аутентификация;
  • авторизация;
  • разрешение имен;
  •  управление пропускной способностью, используемой H.323-устройствами.

Как правило, сеть H.323 разбивается на "зоны", в каждой из которых присутствует привратник, управляющий вверенными ему устройствами. Для обеспечения большей надежности одну "зону" могут обслуживать несколько привратников, тогда один из них называется "главным", а остальные - "альтернативными". Помимо управления и централизованного разрешения имен абонентов, привратники также могут предоставлять дополнительные возможности, например, выполнять функции прокси-сервера для сигнальных и медиа данных.

MCU

Предназначено для организации конференций с числом участников более 3. Оно координирует передачу управляющей (и опционально мультимедийной) информации между участниками конференций. Работу с устройствами H323 мы рассмотрим на примере привратника GNU GateKeeper и открытых программных телефонов.

Протокол SIP

SIP - Session Initiation Protocol (протокол управления сессиями) - используется для создания, изменения и разрыва "сессий" между одним или несколькими участниками. Понятие "сессии" в протоколе SIP достаточно широкое. Под "сессией" могут подразумеваться не только телефонные звонки, но и передача данных, конференции, децентрализованные игры и т. д.

SIP регламентирует только процедуру установки соединения между устройствами, поэтому обычно наряду с SIP используется протокол передачи информации. В случае IP-телефонии в качестве таких протоколов выступают RTP  и SDP.

Разработкой протокола SIP занимался комитет MMUSIC организации IETF, поэтому в отличие от протокола H.323 (разработанного телефонистами из ITU-T) протокол SIP является более интернет-ориентированным и предназначен для предоставления несколько других (по сравнению с H.323) услуг.

Ключевые возможности протокола SIP:

  • Мультимедийность.
  • Персональная мобильность пользователей. Пользователи могут перемещаться без ограничений в пределах сети, поэтому услуги связи должны предоставляться им в любом месте этой сети. Пользователю присваивается уникальный идентификатор, а сеть предоставляет ему услуги связи вне зависимости от того, где он находится.
  • Масштабируемость сети. Она характеризуется в первую очередь возможностью увеличения количества элементов сети при её расширении. Серверная структура сети, построенной на базе протокола SIP, в полной мере отвечает этому требованию.
  • Открытость и простота. По убеждению авторов и специалистов, SIP позволит наполнить решения и продукты новыми сервисами и возможностями. Что касается простоты, то достаточно сказать, что все используемые в SIP сообщения имеют текстовый формат и поддерживают вложение любых типов данных. Поэтому голосовое соединение может сопровождаться обменом данными между приложениями. Так, разговор по протоколу SIP свободно дополняется передачей данных от одного абонента другому, например, электронной визитки, цифровых фотографий или даже файла MP3.
  • Клиент-серверная архитектура.
  • Возможность реакции на события. Так, клиент может "подписаться" на определенное событие (например, обновление статуса пользователя), и как только оно наступит, сервер вышлет соответствующее обновление.

Протокол SIP во многом схож с широко используемым протоколом HTTP, который также можно считать сигнальным (клиенты запрашивают у сервера нужные им документы). При установке соединения параметры сессии описываются в соответствии с SDP и вместе с заголовками протокола SIP передаются клиенту. Коды ответов протокола SIP также очень похожи на стандартные коды протокола HTTP. В случае удачного ответа клиенту посылается код 200, адрес не найден (404), ошибка авторизации (403) и др.

Клиенты SIP-сети идентифицируются по универсальным идентификаторам SIP-URI, внешне похожим на адреса электронной почты: sip:platov@cs.vsu.ru. Таким образом, имя клиента SIP состоит из персональной части (до знака @), идентифицирующей пользователя, и доменной части (после @), определяющей, например, организацию. В качестве доменной части возможно использование DNS-имени.

Протокол SIP выделяет следующие типы объектов сети:

  • Агенты.
  • Серверы регистрации.
  • Серверы перенаправления.
  • Прокси-серверы.

Агенты

Под агентами подразумеваются конечные устройства пользователя (телефоны, программные телефоны, мобильные телефоны, наладонные компьютеры, шлюзы в ТФОП, системы голосовых меню и т. д.)

В составе агентов выделяются две логические составляющие:

  • агент-клиент (UAC - user agent client) - посылает запросы и получает ответы;
  • агент-сервер (UAS - user agent server) - принимает запросы и посылает ответы.

 

Ввиду того, что большинству устройств необходимо как передавать, так и принимать данные, в реальных устройствах присутствует как UAC, так и UAS.

Прокси-серверы

Являются неотъемлемой частью SIP-сети, отвечают за маршрутизацию сообщений, а также аутентификацию и авторизацию пользователей. В стандарте определяется два типа SIP-прокси-серверов:

  • Без учета состояния (stateless). Такие серверы не отслеживают состояния SIP-сессий и передают сообщения, используя внутренние правила маршрутизации. Их основное применение - распределение нагрузки и маршрутизация. Open Source-примером stateless SIP-прокси-сервера является SER (SIP Express Router).
  • С учетом состояния (stateful). Отслеживают состояние каждой SIP-сессии от момента ее создания до завершения. Могут использоваться для более интеллектуальной маршрутизации (перенаправление вызовов, голосовая почта, дополнительная обработка вызовов и т. д.), могут самостоятельно повторно пересылать пакеты (в случае если они были потеряны при передаче). Платой за дополнительные возможности является более сложная реализация и большие требования в вычислительной мощности сервера (из-за необходимости хранить информацию о каждой SIP-сессии). Наиболее популярным Open Source stateful прокси-сервером, работающим по протоколу SIP, является Asterisk - The Open Source Linux PBX.

Если пользователь A1@a.com захочет позвонить пользователю B1@b.com, то он передаст запрос INVITE B1 своему прокси-серверу, который перенаправит вызов прокси-серверу b.com абонента B1.

Сервер регистрации (REGISTRAR)

Перед работой в сети каждое устройство должно зарегистрироваться с помощью специального сообщения REGISTER. При этом клиент сообщает серверу свое имя в формате: IP-адрес, номер порта, SIP-URI и пароль доступа. В случае успешной регистрации информация о клиенте заносится в специальную базу данных (используется в дальнейшем для нахождения клиента) и клиенту высылается сообщение: "200 OK". С определенной периодичностью этот процесс повторяется, таким образом обеспечивается "актуальность" данных о клиентах. Как правило, серверы REGISTRAR совмещаются с прокси-серверами. PBX Asterisk в этом отношении не является исключением и может выполнять как функции прокси-сервера, так и сервера регистрации.

SCCP (Skinny Client Control Protocol)

Данный протокол является корпоративным. Он разработан компанией Cisco Systems для организации работы IP-телефонов Cisco под управлением ПО Cisco Call Manager, являющегося в том числе и шлюзом в сети H.323. Идея подхода, лежащего в основе разработки протокола SCCP, заключалась в переносе логики обработки H.323 соединений из конечных устройств в ПО Cisco Call Manager. Таким образом, существенно упрощалась (и удешевлялась) реализация конечного устройства клиента.

Заключение

Благодаря IP-телефонии становится возможно:

  1. Сократить расходы на международные и междугородние переговоры. Один из наиболее распространенных вариантов использования IP-телефонии. Связь через IP получается дешевле по ряду причин. Во-первых, в IP-телефонии используются широко распространенные (и дешевые) сети с коммутацией пакетов, (в отличие от более дорогостоящих сетей с коммутацией каналов, применяемых в традиционной телефонии). Во-вторых, благодаря использованию голосовых кодеков достигается существенное сжатие речевой информации. Так, при передаче голосового потока в системах цифровой телефонии требуется канал 64 кБит/с (ISDN). В системах IP-телефонии, при использовании наиболее популярных на сегодняшний день кодеков, требуется гораздо меньшая пропускная способность (6-13 кБит/с).
  2. Построить корпоративную телефонную сеть. В таком случае для ведения телефонных разговоров используется обычная IP-сеть. Но так IP-телефония используется редко и она позволяет решать так же следующие задачи:
  • Организация связи между географически отдаленными филиалами.
  • Объединение всех номеров в единый телефонный план.
  • Проведение видео и аудио конференций.
  • Построение call-центров.
     3.  Получить дополнительные возможности, не возможные по обычным телефонным сетям. Например возможность звонка прямо с веб сайта компании и так же проведение конференций через веб.

Библиографический список:

1. ПОСТРОЕНИЕ СЕТЕЙ IP-ТЕЛЕФОНИИ НА БАЗЕ ПРОТОКОЛА SIP [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dvo.sut.ru/libr/skiri/w133gold/5.htm
2. Что такое IP-телефония [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://voip.mephi.ru/what/
3. Модели построения систем IP телефонии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.datatelecom.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=66&Itemid=102
4. Basic PBX Functionality [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://wiki.asterisk.org/wiki/display/AST/Basic+PBX+Functionality?src=search
5. Лекция 5: Протокол Н.323 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.intuit.ru/studies/courses/8/8/lecture/245
6. IP телефония в компьютерных и локальных сетях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.flylink.ru/info/articles/533/1272
7. Передача голоса в IP-сетях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://compress.ru/article.aspx?id=10540




Рецензии:

26.03.2014, 9:10 Назарова Ольга Петровна
Рецензия: Добавьте ссылки на источники. Доработать.

26.03.2014 10:10 Ответ на рецензию автора Тарасов Александр Евгеньевич:
Доработано.

26.03.2014, 10:53 Карякин Дмитрий Владимирович
Рецензия: 1. Отсутствует вклад автора, статья практически полностью скопирована из другого источника, например: http://www.opennet.ru/docs/RUS/voip_asterisk/1.html. 2. Статья не содержит ни практическую ценность, ни научную новизну. 3. Нет информации о современных и актуальных технологиях IP-телефонии. К публикации не рекомендуется.

26.03.2014, 21:42 Клинков Георгий Тодоров
Рецензия: Статья дает ответ на вопрос-технология IP телефонии....давно известна, она как и в данном случае оптимизируется на основе клиентских программах и реализуется по схеме РС-РС.Нужно учесть влияние VolP и TDM технологиях при проблемах с связи...не так ли?



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх