IP-телефония (VoIP)

IP-телефония (VoIP) — система связи, при которой аналоговый звуковой сигнал от одного абонента дискретизируется (кодируется в цифровой) вид, компрессируется и пересылается по цифровым каналам связи до второго абонента, где производится обратная операция — декомпрессия, декодирование и воспроизведение аналогового сигнала.

Другими словами, VoIP VoIP – это технология передачи голосовой информации в режиме реального времени через Интернет или любую другую сеть на основе протокола IP (Internet Protocol).

История развития технологии
Отправная точка развития этой технологии – начало 1995 г., когда компания VocalTec выпустила первую программу, с помощью которой пользователи двух мультимедиа-компьютеров, оснащенных микрофонами и динамиками, могли организовать между собой переговоры. Собственно основным преимуществом решений на базе VoIP является не создание голосового канала между персональными компьютерами как такового, а именно способность пересылки голосового трафика по сетям передачи данных, работающим на базе протокола IP. Ведь при этом используется весьма доступная среда, а инфраструктура Internet, развиваясь стремительными темпами, к тому времени уже справлялась с таким ресурсоемким приложением, как голосовая связь.

Правда, надо признать, что новой технологии на первых порах пришлось непросто.

Рис. 1. Схема организации IP-телефонии на
базе спецификации H.323

Дело в том, что после оцифровки поток голосовых данных разбивается на отдельные пакеты, которые пересылаются между двумя компьютерами по произвольным маршрутам. Из-за этого в пункт назначения пакеты приходят в разные временные промежутки, и при их сборке и восстановлении в режиме реального времени обратно в аналоговую форму может наблюдаться значительное искажение голоса либо просто выпадение отдельных участков разговора. Целый год понадобился разработчикам для достижения такого качества передачи, при котором разговор двух людей, организованный с помощью IP-телефонии, не вызывал бы у них неприятных ощущений. Причем совершенствование шло сразу по нескольким направлениям.

Прежде всего специалисты поработали над алгоритмами голосовых кодеков и особенно над их устойчивостью к выпадению или несвоевременному прибытию (что в данном случае одно и то же) некоторых пакетов. Кроме того, за счет компрессии пауз в речи между отдельными словами и предложениями, а также связанных с дыханием человека, оказалось возможным значительно сократить объем передаваемой информации.

Обеспечение качества связано с эффектами задержек, возникающими при передаче голоса по IP-сети. Человек их не замечает, если они не превышают 250 мс. Сегодня продукты IP-телефонии удовлетворяют такому требованию, и в худшем варианте разговор напоминает случай, когда соединение происходит с помощью спутникового канала. Но совершенствование технологии продолжается как за счет доводки характеристик IP-шлюзов, так и путем использования аппаратуры для построения инфраструктуры Internet, поддерживающей резервирование полосы пропускания (Reservation Protocol – RSVP) для этого типа трафика.

Следующая важная веха в истории IP-телефонии связана уже с названиями двух известных компаний. В марте 1996 г. VocalTec объявила о начале совместной разработки с Dialogic, входящей ныне в состав корпорации Intel. Этот проект по выпуску первого шлюза для IP-телефонии открыл для нее новые горизонты и поднял технологию на качественно иной уровень. Поэтому мы остановимся подробнее на предложенной данными компаниями архитектуре.

Рис. 1. Архитектура SIP: взаимодействие
peer-to-peer с участием нескольких серверов

Шлюз принимает вызов с обычного телефонного аппарата, преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, сжимает его, разбивает на последовательные пакеты IP-протокола и снабжает их необходимой управляющей информацией в соответствии с требованиями IP-телефонии. Указанный поток достигает аналогичного шлюза, расположенного вблизи от вызываемого абонента, где производятся сборка пакетов и обратное их преобразование в аналоговую форму. Полученный таким образом сигнал поступает в телефонную сеть, а уже оттуда – на аппарат второго участника соединения. При этом в функции шлюза входит и формирование всех необходимых управляющих сигналов для работы в PSTN. И вся эта схема функционирует в режиме полного дуплекса.

Особенности передачи
Передача голоса по Интернет происходит в несколько этапов. Первый этап – это оцифровка голоса. Затем оцифрованные данные анализируются и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, передаваемых получателю. На этом этапе происходит подавление ненужных пауз и фонового шума, а также компрессирование. На следующем этапе полученная последовательность данных разбивается на пакеты и к ней добавляется протокольная информация - адрес получателя, порядковый номер пакета на случай, если они будут доставлены не последовательно, и дополнительные данные для коррекции ошибок.

Компрессия данных позволяет передавать по Интернет-каналу одновременно несколько разговоров (в отличие от традиционной телефонии, где для передачи одного разговора используется целый канал), что существенно уменьшает стоимость междугородних и международных телефонных разговоров по сравнению с традиционной телефонией.

Извлечение переданной голосовой информации из полученных пакетов также происходит в несколько этапов. Когда голосовые пакеты приходят на терминал получателя, то сначала проверяется их порядковая последовательность. Поскольку IP-сети не гарантируют время доставки, то пакеты со старшими порядковыми номерами могут прийти раньше, более того, интервал времени получения также может колебаться. Для восстановления исходной последовательности и синхронизации происходит временное накопление пакетов. Однако некоторые пакеты могут быть вообще потеряны при доставке, либо задержка их доставки превышает допустимый разброс. В обычных условиях приемный терминал запрашивает повторную передачу ошибочных либо потерянных данных. Передача голоса критична ко времени доставки, поэтому включается алгоритм аппроксимации, позволяющий на основе полученных пакетов приблизительно восстановить потерянные, либо эти потери просто игнорируются, а пропуски заполняются данными случайным образом. Отсюда возникают небольшие искажения голоса при передаче. Кроме того, так как IP-пакеты проходят через несколько маршрутизаторов, то во время разговора возникают небольшие (0,1 - 0,4 секунды) задержки.

Качество голоса, передаваемого по IP-сетям
Качество голоса — субъективная оценка, которая складывается из таких параметров, как разборчивость, чистота и тональность речи, уровень громкости, наличие или отсутствие эха. Влияют на данные показатели как сама IP-сеть, так и возможности шлюза:

эффективность использования полосы пропускания:
1) определяется используемыми кодеками сжатия голоса — G.729, G.723, G.711, которые позволяют сжать голосовой трафик в несколько раз;
2) функция подавление пауз в разговоре (VAD) позволяет сократить трафик за счет того, что, когда абонент молчит, передача пакетов не осуществляется;
3) генерация комфортного шума (CNG) обеспечивает моделирование фоновых шумов вместо вырезанных пауз на стороне слушателя;
задержка — время, вносимое шлюзом при кодировании и декодировании речевого сигнала;
буфер джиттера — обеспечивает интеллектуальную обработку задержек доставки пакетов, связанных с природой IP-сетей, для восстановления требуемой последовательности воспроизведения голоса;
компенсация потерянных пакетов — позволяет сглаживать искажения в воспроизведении устойчивой речи, вызванной потерей при доставке пакетов (до 5-7%);
эхо подавление — механизмы для компенсации эха, возникающего при передаче по сети;
управление уровнем сигнала — обеспечивает возможность регулировать уровень громкости входящих и исходящих аудио сигналов.

Классы качества передачи речи по сетям IP

Таблица 1

Показатели качества передачи речи		Классы качества услуги
Показатели качества передачи речи		Лучшее	Высокое	Среднее	Низкое
Время установления соединения	прямая IP-адресация	< 1.5 сек	< 4 сек	< 7 сек	—
	перевод номера E.164 в IP-адрес	< 2 сек	< 5 сек>	< 10 сек	—
	перевод номера E.164 в IP-адрес через расчётную организацию	< 3 сек	< 8 сек	< 15 сек	—
	перевод имени e-mail в IP-адрес	< 4 сек	< 13 сек	< 25 сек	—
Сквозные задержки	по стандарту ETSI TS101329	< 150 мс	< 250 мс	< 350 мс	< 450 мс
Сквозные задержки	по рекомендации ITU-T G.114	< 150 мс	< 260 мс	< 400 мс	> 400 мс
Качество воспринимае-мой речи	ETSI	Не хуже G.711	Не хуже G.726 для 32 кбит/сек	Не хуже GSM-FR	С макси-мальными усилиями
Качество воспринимае-мой речи	Баллы MOS	> 4.5	4.0 — 4.5	3.5 — 4.0	3.5 — 3.0

Протоколы IP телефонии
Протоколы обеспечивают регистрацию IP устройства (шлюз, терминал или IP телефон) на сервере или гейткипере провайдера, вызов и/или переадресацию вызова, установление голосового или видео соединения, передачу имени и/или номера абонента. В настоящее время широкое распространение получили следующие VoIP протоколы:

1. H.323 – протокол, более привязанный к системам традиционной телефонии, сигнализация по порту 1720 TCP, и 1719 TCP для регистрации терминалов на гейткипере. Первая версия этой спецификации создавалась с расчетом на работу видеоконференций в небольших и средних сетях. По мере того как развивалось сообщество разработчиков IP-телефонии, происходила и адаптация этого стандарта под системы VoIP. В частности, в версиях 2 и 3 он был дополнен некоторыми сервисами и поддержкой больших распределенных сетей. Последняя, четвертая версия H.323 утверждена в ноябре 2000 г. В ней был подведен итог четырехлетним разработкам систем VoIP. Строительными блоками этих решений, согласно H.323, являются четыре типа устройств: шлюзы, терминалы, привратники (или посредники – gatekeepers) и многоточечные устройства управления (Multipoint Control Unit – MCU).

2. SIP — (англ. Session Initiation Protocol — протокол установления сессии) — стандарт на способ установления и завершения пользовательского интернет-сеанса, включающего обмен мультимедийным содержимым (видео- и аудиоконференция, мгновенные сообщения, онлайн игры). SIP является протоколом прикладного уровня. Этот протокол служит не только для организации голосового соединения в IP-сетях, но и для передачи данных и мультимедиа. SIP представляет собой протокол уровня приложений и базируется на UDP, но может использовать и TCP. SIP, как и H.323, относится к классу peer-to-peer, но в отличие от последнего его базовой структурой являются интеллектуальные устройства, выполняющие функции и клиентов (User Agent Client – UAC), и серверов (User Agent Server – UAS). UAC служит для инициации вызова, тогда как UAS – это программа, работающая с запросами SIP. К числу серверов SIP относится также Location Server – аналог DNS-сервера. Его назначение – получать IP-адреса абонента по его имени, представляемом самыми различными способами. Существует также proxy-серверы и серверы переадресации (Redirect Server). Последние перенаправляют получаемые вызовы по новым адресам, хранящимся в их картах. И четвертый тип – сервер регистрирования (Register), позволяющий обрабатывать запросы proxy либо сервера переназначения с тем, чтобы они узнали новое место нахождения пользователя.

3. IAX2 – Inter-Asterisk eXchange protocol — протокол обмена VoIP данными между IP-PBX Asterisk. Наиболее приспособлен к трансляции сетевых адресов NAT, в отличие от SIP и H.323 использует только один порт 4569 протокола UDP для сигнализации и медиапотока, тогда как последние используют для этих целей разные порты. Данный протокол позволяет существенно экономить сетевой трафик по сравнению с протоколом SIP, что объясняется передачей сигнальной информации в битовых полях, а не текстом. Так же протокол позволяет совмещать множество голосовых потоков и передавать их внутри единого транка, уменьшая накладные расходы, связанные с передачей заголовков IP пакетов.

4. MGCP – Media Gateway Control Protocol дословно — Протокол контроля медиа шлюзов является протоколом связи в распределённых VoIP системах передачи голоса по протоколу IP. Пакеты MGCP отличаются от многих других протоколов. Он резервирует обычно порт UDP 2427, датаграммы MGCP могут содержать и пустые значения, совсем не так как обычно строятся пакеты в протоколах TCP. Пакет MGCP является командой (запросом) или ответом. Команды (запросы) начинаются с четырехбуквенного кода, ответы начинаются с трехзначного цифрового кода. Список запросов содержит всего восемь команд: AUEP, AUCX, CRCX, DLCX, MDCX, NTFY, RQNT, RSIP.

5. SIGTRAN – представляет собой набор протоколов для передачи сигнальной информации по IP-сетям. Он является основным транспортным компонентом в распределенной архитектуре VoIP и используется в таких устройствах, как SG, MGC, Gatekeeper (привратник). SIGTRAN реализует функции протокола SCTP (Simple Control Transport Protocol) и уровней адаптации (Adaptation Layers).

6. SCTP (англ. Stream Control Transmission Protocol — «протокол передачи с управлением потоком») – ключевой протокол семейства протоколов SIGTRAN, который представляет собой улучшенную версию протокола TCP: подобно TCP, он обеспечивает надежный транспорт пакетов, но превосходит TCP с точки зрения транспорта сообщений. В SCTP предусмотрена встроенная сегментация сообщений, что позволяет выделять их на транспортном уровне. Кроме того, он устраняет проблему протокола TCP, называемую «Head of Line Blocking». SCTP поддерживает также множественную адресацию коммутируемых пакетов (multihoming), поэтому при нарушении нормальной работы одного из серверов балансировки нагрузки другой продолжает принимать сообщения даже без привлечения услуг сервера DNS.

7. SGCP – (Simple Gateway Control Protocol - простой протокол управления шлюзом) используется для управления телефонными шлюзами с помощью внешних элементов управления вызовами. Телефонный шлюз является элементом сети, обеспечивающим преобразование звуковых сигналов, переносимых по телефонным каналам, в пакеты данных, передаваемые через Internet, и обратное преобразование. SGCP использует архитектуру управления, в которой интеллектуальные элементы управления вызовами располагаются за пределами шлюза и обслуживаются внешними элементами управления вызовами. SGCP предполагает, что все элементы управления вызовами или агенты вызовов (Call Agent) синхронизированы между собой для передачи согласованных (coherent) команд шлюзам, находящимся под их управлением.

8. Skinny/SCCP — закрытый протокол передачи сигнального трафика в продуктах компании Cisco.

9. Unistim — закрытый протокол передачи сигнального трафика в продуктах компании Nortel.

Преимущества VoIP
Voice over IP (VoIP) имеет с обычной телефонией через обычную телефонную сеть (PSTN) собственно мало общего. Используемая техника при этом отличается очень сильно. Единственное сходство - можно звонить через обе сети. Однако именно поэтому встает вопрос - почему частные лица или предприятия должны переходить на использование новой технологии? VoIP имеет для этого аргументы. Вот некоторые из них:

Экономия затрат
Каждое технологическое новшество представляет сегодня из себя интерес только в том случае, если его использование приводит к экономии затрат. Принципиально это применимо также при использовании VoIP, однако требует исследования в каждом отдельном случае. Частные пользователи могут, например, разговаривать бесплатно друг с другом с использованием программы „Skype“ или другой подобной на ПК, используя Headset. Экономия становится особенно заметной, если по различным причинам партнеры проживают в различных местах и часто созваниваются друг с другом. В этом случае обе стороны устанавливают Skype и могут разговаривать бесплатно (даже находясь в разных странах!). На предприятиях это все немного сложнее. Новая техника требует из-за своей сложности многих консультаций, что обуславливается большими расходами и при инвестициях в VoIP не должно выпускаться из внимания. Также негативно сказывается то, что многие сети передачи данных на предприятиях должны стать вначале "Voice ready".

Дополнительная выгода
Дополнительная выгода является следующим важным преимуществом. Так как в случае, если внедрение не приводит к экономии затрат, необходимо, чтобы новая техника или новые решения приносили дополнительную выгоду. Часто этот аргумент не принимается во внимание, так как не всякую дополнительную выгоду можно оценить в денежном отношении. Например, возможно, используя Skype и покупая что-то на аукционе ebay, всего лишь одним нажатием кнопки установить соединение с продавцом. Это улучшает работу ebay, но как оно выражается в денежном отношении?

Новые возможности
Каждая технология приносит с собой также новые возможности. Это действительно и в случае с VoIP. Уже сегодня работа около 40% Call Center основана на применении технологии IP. Стало возможным на интернет-страницах размещать кнопки "Call me" для того, чтобы позвонить, например, в службу поддержки. В качестве примера можно упомянуть сетевую B2B-платформу Open Business Club, использующую Skype. Также многие предприятия смогли объединить через интернет в телефонные системы различных производственных мест. Стало возможно общаться со всем миром. Допустимы также и другие возможности.

Всего лишь одна инфраструктура
Ранее каждое предприятие должно было устанавливать и заботиться о двух сетях – телефонной сетью с соединениями кабелем в виде звезды к каждому телефону и отдельной сетью для передачи данных. Для каждой сети на предприятии были отделы с собственным персоналом. VoIP – это телефония в сети передачи данных при помощи интернет-протокола (IP), то есть необходима лишь одна сеть – сеть передачи данных. Это может вести к объединению отделов, сокращению персонала и, как следствие – сокращение затрат. Использование всего лишь одной сети снижает производственные расходы и упрощает инфраструктуру.

Использование по всему миру
VoIP для частных лиц не является теперь привязанным к определенному месту. Для обычной телефонной сети обязательно требуется физическое соединение и привязано к определенному узлу, как например, у фирмы Arcor. При VoIP пакеты данных передаются через существующее DSL-соединение. Это соединение является всего лишь средством, можно использовать любое соединение с любой точки мира. Номер телефона и способ действия при этом остаются неизменными. Это называется “кочевым” использованием и является также дополнительной выгодой VoIP.

При написании статьи были использованы материалы следующих сайтов:
1. http://itc.ua/node/9591/
2. http://www.voipreview.ru/introduction/preference/
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/VoIP
4. http://www.svpro.ru/tvoip.htm
5. http://voip.nau.edu.ua/content/view/7/