Проблемы, связанные с осуществлением телефонных переговоров по сетям с пакетной передачей и коммутацией
Базовые понятия IР-телефонии и ее основные сценарии. Межсетевой протокол IP: структура пакета, правила прямой и косвенной маршрутизации, типы и классы адресов. Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети. Обобщенная модель передачи речи.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.04.2013 |
| Размер файла | 2,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
· net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).
Каждый домен DNS администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Каждый домен имеет уникальное имя, а каждый из поддоменов имеет уникальное имя внутри своего домена. Имя домена может содержать до 63 символов. Каждый хост в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем (fully qualified domain name, FQDN), которое включает имена всех доменов по направлению от хоста к корню. Пример полного DNS-имени : citint.dol.ru.
2.3.5 Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети - протокол DHCP
Как уже было сказано, IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в интерсети и должны поэтому полагаться на администраторов.
Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем. Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов.
В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ на их запросы к DHCP-серверу.
При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавливается в момент первичного назначения сервером DHCP IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.
При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами. Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.
DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра "продолжительности аренды" (lease duration), которая определяет, как долго компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.
Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компьютер, являющийся клиентом DHCP, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.
Протокол DHCP использует модель клиент-сервер. Во время старта системы компьютер-клиент DHCP, находящийся в состоянии "инициализация", посылает сообщение discover (исследовать), которое широковещательно распространяется по локальной сети и передается всем DHCP-серверам частной интерсети. Каждый DHCP-сервер, получивший это сообщение, отвечает на него сообщением offer (предложение), которое содержит IP-адрес и конфигурационную информацию.
Компьютер-клиент DHCP переходит в состояние "выбор" и собирает конфигурационные предложения от DHCP-серверов. Затем он выбирает одно из этих предложений, переходит в состояние "запрос" и отправляет сообщение request (запрос) тому DHCP-серверу, чье предложение было выбрано.
Выбранный DHCP-сервер посылает сообщение DHCP-acknowledgment (подтверждение), содержащее тот же IP-адрес, который уже был послан ранее на стадии исследования, а также параметр аренды для этого адреса. Кроме того, DHCP-сервер посылает параметры сетевой конфигурации. После того, как клиент получит это подтверждение, он переходит в состояние "связь", находясь в котором он может принимать участие в работе сети TCP/IP. Компьютеры-клиенты, которые имеют локальные диски, сохраняют полученный адрес для использования при последующих стартах системы. При приближении момента истечения срока аренды адреса компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера, а если этот IP-адрес не может быть выделен снова, то ему возвращается другой IP-адрес.
В протоколе DHCP описывается несколько типов сообщений, которые используются для обнаружения и выбора DHCP-серверов, для запросов информации о конфигурации, для продления и досрочного прекращения лицензии на IP-адрес. Все эти операции направлены на то, чтобы освободить администратора сети от утомительных рутинных операций по конфигурированию сети.
Однако использование DHCP несет в себе и некоторые проблемы. Во-первых, это проблема согласования информационной адресной базы в службах DHCP и DNS. Как известно, DNS служит для преобразования символьных имен в IP-адреса. Если IP-адреса будут динамически изменятся сервером DHCP, то эти изменения необходимо также динамически вносить в базу данных сервера DNS. Хотя протокол динамического взаимодействия между службами DNS и DHCP уже реализован некоторыми фирмами (так называемая служба Dynamic DNS), стандарт на него пока не принят.
Во-вторых, нестабильность IP-адресов усложняет процесс управления сетью. Системы управления, основанные на протоколе SNMP, разработаны с расчетом на статичность IP-адресов. Аналогичные проблемы возникают и при конфигурировании фильтров маршрутизаторов, которые оперируют с IP-адресами.
Наконец, централизация процедуры назначения адресов снижает надежность системы: при отказе DHCP-сервера все его клиенты оказываются не в состоянии получить IP-адрес и другую информацию о конфигурации. Последствия такого отказа могут быть уменьшены путем использовании в сети нескольких серверов DHCP, каждый из которых имеет свой пул IP-адресов.
2.3.6 Пример взаимодействия узлов с использованием протокола IP
Рассмотрим на примере интерсети, приведенной на рисунке 2.4, каким образом происходит взаимодействие компьютеров через маршрутизаторы и доставка пакетов компьютеру назначения.
Рис. 2.4 Пример взаимодействия компьютеров через интерсеть
Пусть в приведенном примере пользователь компьютера cit.dol.ru, находящийся в сети Ethernet с IP-адресом 194.87.23.0 (адрес класса С), хочет взаимодействовать по протоколу FTP с компьютером s1.msk.su, принадлежащем сети Ethernet с IP-адресом 142.06.0.0 (адрес класса В). Компьютер cit.dol.ru имеет IP-адрес 194.87.23.17, а компьютер s1.msk.su - IP-адрес 142.06.13.14.
1. Пользователь компьютера cit.dol.ru знает символьное имя компьютера s1.msk.su, но не знает его IP-адреса, поэтому он набирает команду
> ftp s1.msk.su
для организации ftp-сеанса.
В компьютере cit.dol.ru должны быть заданы некоторые параметры для стека TCP/IP, чтобы он мог выполнить поставленную перед ним задачу.
В число этих параметров должны входить собственный IP-адрес, IP-адрес DNS-сервера и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. Так как к сети Ethernet, к которой относится компьютер cit.dol.ru, подключен только один маршрутизатор, то таблица маршрутизации конечным узлам этой сети не нужна, достаточно знать IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. В данном примере он равен 194.87.23.1.
Так как пользователь в команде ftp не задал IP-адрес узла, с которым он хочет взаимодействовать, то стек TCP/IP должен определить его самостоятельно. Он может сделать запрос к серверу DNS по имеющемуся у него IP-адресу, но обычно каждый компьютер сначала просматривает свою собственную таблицу соответствия символьных имен и IP-адресов. Такая таблица хранится чаще всего в виде текстового файла простой структуры - каждая его строка содержит запись об одном символьном имени и его IP-адресе. В ОС Unix такой файл традиционно носит имя HOSTS.
2. Будем считать, что компьютер cit.dol.ru имеет файл HOSTS, а в нем есть строка
142.06.13.14 s1.msk.su.
Поэтому разрешение имени выполняется локально, так что протокол IP может теперь формировать IP-пакеты с адресом назначения 142.06.13.14 для взаимодействия с компьютером s1.msk.su.
3. Протокол IP компьютера cit.dol.ru проверяет, нужно ли маршрутизировать пакеты для адреса 142.06.13.14. Так как адрес сети назначения равен 142.06.0.0, а адрес сети, к которой принадлежит компьютер, равен 194.87.23.0, то маршрутизация необходима.
4. Компьютер cit.dol.ru начинает формировать кадр Ethernet для отправки IP-пакета маршрутизатору по умолчанию с IP-адресом 194.87.23.1. Для этого ему нужен МАС-адрес порта маршрутизатора, подключенного к его сети. Этот адрес скорее всего уже находится в кэш-таблице протокола ARP компьютера, если он хотя бы раз за последнее включение обменивался данными с компьютерами других сетей. Пусть этот адрес в нашем примере был найден именно в кэш-памяти. Обозначим его МАС11, в соответствии с номером маршрутизатора и его порта.
5. В результате компьютер cit.dol.ru отправляет по локальной сети кадр Ethernet, имеющий следующие поля:
|
DA (Ethernet) |
... |
DESTINATION IP |
... ... |
|
|
МАС11 |
142.06.13.14 |
|
6. Кадр принимается портом 1 маршрутизатора 1 в соответствии с протоколом Ethernet, так как МАС-узел этого порта распознает свой адрес МАС11. Протокол Ethernet извлекает из этого кадра IP-пакет и передает его программному обеспечению маршрутизатора, реализующему протокол IP. Протокол IP извлекает из пакета адрес назначения и просматривает записи своей таблицы маршрутизации. Пусть маршрутизатор 1 имеет в своей таблице маршрутизации запись 142.06.0.0 135.12.0.11 2 1, которая говорит о том, что пакеты для сети 142.06. 0.0 нужно передавать маршрутизатору 135.12.0.11, подключенному к той же сети, что и порт 2 маршрутизатора 1.
7. Маршрутизатор 1 просматривает параметры порта 2 и находит, что он подключен к сети FDDI. Так как сеть FDDI имеет значение максимального транспортируемого блока MTU больше, чем сеть Ethernet, то фрагментация поля данных IP-пакета не требуется. Поэтому маршрутизатор 1 формирует кадр формата FDDI, в котором указывает MAC-адрес порта маршрутизатора 2, который он находит в своей кэш-таблице протокола ARP:
|
DA (FDDI) |
... |
DESTINATION IP |
... ... |
|
|
МАС21 |
142.06.13.14 |
|
8. Аналогично действует маршрутизатор 2, формируя кадр Ethernet для передачи пакета маршрутизатору 3 по сети Ethernet c IP-адресом 203.21.4.0:
|
DA (Ethernet) |
... |
DESTINATION IP |
... ... |
|
|
МАС32 |
142.06.13.14 |
|
9. Наконец, после того, как пакет поступил в маршрутизатор сети назначения - маршрутизатор 3, появляется возможность передачи этого пакета компьютеру назначения. Маршрутизатор 3 видит, что пакет нужно передать в сеть 142.06.0.0, которая непосредственно подключена к его первому порту. Поэтому он посылает ARP-запрос по сети Ethernet c IP-адресом компьютера s1.msk.su (считаем, что этой информации в его кэше нет), получает ответ, содержащий адрес MACs1, и формирует кадр Ethernet, доставляющий IP-пакет по локальной сети адресату.
|
DA (Ethernet) |
... |
DESTINATION IP |
... ... |
|
|
МАСs1 |
142.06.13.14 |
|
2.3.7 Структуризация сетей IP с помощью масок
Часто администраторы сетей испытывают неудобства, из-за того, что количество централизовано выделенных им номеров сетей недостаточно для того, чтобы структурировать сеть надлежащим образом, например, разместить все слабо взаимодействующие компьютеры по разным сетям.
В такой ситуации возможны два пути. Первый из них связан с получением от NIC дополнительных номеров сетей. Второй способ, употребляющийся более часто, связан с использованием так называемых масок, которые позволяют разделять одну сеть на несколько сетей.
Маска - это число, двоичная запись которого содержит единицы в тех разрядах, которые должны интерпретироваться как номер сети.
Например, для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:
255.0.0.0 - маска для сети класса А,
255.255.0.0 - маска для сети класса В,
255.255.255.0 - маска для сети класса С.
В масках, которые использует администратор для увеличения числа сетей, количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты.
Пусть, например, маска имеет значение 255.255.192.0 (11111111 11111111 11000000 00000000). И пусть сеть имеет номер 129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000), из которого видно, что она относится к классу В. После наложения маски на этот адрес число разрядов, интерпретируемых как номер сети, увеличилось с 16 до 18, то есть администратор получил возможность использовать вместо одного, централизованно заданного ему номера сети, четыре:
129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000)
129.44.64.0 (10000001 00101100 01000000 00000000)
129.44.128.0 (10000001 00101100 10000000 00000000)
129.44.192.0 (10000001 00101100 11000000 00000000)
Например, IP-адрес 129.44.141.15 (10000001 00101100 10001101 00001111), который по стандартам IP задает номер сети 129.44.0.0 и номер узла 0.0.141.15, теперь, при использовании маски, будет интерпретироваться как пара:
129.44.128.0 - номер сети, 0.0. 13.15 - номер узла.
Таким образом, установив новое значение маски, можно заставить маршрутизатор по-другому интерпретировать IP-адрес. При этом два дополнительных последних бита номера сети часто интерпретируются как номера подсетей.
Еще один пример. Пусть некоторая сеть относится к классу В и имеет адрес 128.10.0.0 (рисунок 2.5). Этот адрес используется маршрутизатором, соединяющим сеть с остальной частью интерсети. И пусть среди всех станций сети есть станции, слабо взаимодействующие между собой. Их желательно было бы изолировать в разных сетях. Для этого сеть можно разделить на две сети, подключив их к соответствующим портам маршрутизатора, и задать для этих портов в качестве маски, например, число 255.255.255.0, то есть организовать внутри исходной сети с централизовано заданным номером две подсети класса C (можно было бы выбрать и другой размер для поля адреса подсети). Извне сеть по-прежнему будет выглядеть, как единая сеть класса В, а на местном уровне это будут две отдельные сети класса С. Приходящий общий трафик будет разделяться местным маршрутизатором между подсетями.
Рис. 2.5 Пример использования масок для структурирования сети
Необходимо заметить, что, если принимается решение об использовании механизма масок, то соответствующим образом должны быть сконфигурированы и маршрутизаторы, и компьютеры сети.
2.4 Развитие стека TCP/IP
2.4.1 Протокол IPv.6
Технология стека TCP/IP сложилась в основном в конце 1970-х годов, и с тех пор основные принципы работы базовых протоколов, таких как IP, TCP, UDP и ICMP, практически не изменились. Однако сам компьютерный мир за эти годы значительно изменился, поэтому долго назревавшие усовершенствования в технологии стека TCP/IP сейчас стали необходимостью.
Основными обстоятельствами, из-за которых требуется модификация базовых протоколов стека TCP/IP, являются следующие:
1. Повышение производительности компьютеров и коммуникационного оборудования. За время существования стека производительность компьютеров возросла на два порядка, объемы оперативной памяти выросли более чем в 30 раз, пропускная способность магистрали Internet в Соединенных Штатах выросла в 800 раз.
2. Появление новых приложений. Коммерческий бум вокруг Internet и использование ее технологий при создании Intranet привели к появлению в сетях TCP/IP, ранее использовавшихся в основном в научных целях, большого количества приложений нового типа, работающих с мультимедийной информацией. Эти приложения чувствительны к задержкам передачи пакетов, так как такие задержки приводят к искажению передаваемых в реальном времени речевых сообщений и видеоизображений. Особенностью мультимедийных приложений является также передача очень больших объемов информации. Некоторые технологии вычислительных сетей, например, Frame Relay и ATM, уже имеют в своем арсенале механизмы для резервирования полосы пропускания для определенных приложений. Однако эти технологии еще не скоро вытеснят традиционные технологии локальных сетей, не поддерживающие мультимедийные приложения (например, Ethernet). Следовательно, необходимо компенсировать такой недостаток средствами сетевого уровня, то есть средствами протокола IP.
3. Бурное расширение сети Internet. В начале 90-х годов сеть Internet расширялась очень быстро, новый узел появлялся в ней каждые 30 секунд, но 95-й год стал переломным - перспективы коммерческого использования Internet стали отчетливыми и сделали ее развитие просто бурным. Первым следствием такого развития стало почти полное истощение адресного пространства Internet, определяемого полем адреса IP в четыре байта.
4. Новые стратегии администрирования. Расширение Internet связано с его проникновением в новые страны и новые отрасли промышленности. При этом в сети появляются новые органы администрирования, которые начинают использовать новые методы администрирования. Эти методы требуют появления новых средств в базовых протоколах стека ТСР/IР.
Сообщество Internet уже несколько лет работает над новой спецификацией для базового протокола стека - протокола IP. Выработано уже достаточно много предложений, от простых, предусматривающих только расширения адресного пространства IP, до очень сложных, приводящих к существенному увеличению стоимости реализации IP в высокопроизводительных (и так недешевых) маршрутизаторах.
Основным предложением по модернизации протокола IP является предложение, разработанное группой IETF (Internet Engineering Task Force). Сейчас принято называть ее предложение версией 6 - IPv6. Остальные предложения группируются под названием IPng (IP Next Generation).
В предложении IETF протокол IPv6 оставляет основные принципы IPv4 неизменными. Однако в деталях реализации протокола IPv6 имеются существенные отличия от IPv4. Эти отличия коротко можно описать следующим образом:
1. Использование более длинных адресов. Новый размер адреса -наиболее заметное отличие IPv6 от IPv4. Версия 6 использует 128-битные адреса;
2. Гибкий формат заголовка. Вместо заголовка с фиксированными полями фиксированного размера (за исключением поля Резерв), IPv6 использует базовый заголовок фиксированного формата плюс набор необязательных заголовков различного формата;
3. Поддержка резервирования пропускной способности. В IPv6 механизм резервирования пропускной способности заменяет механизм классов сервиса версии IPv4;
4. Поддержка расширяемости протокола. Это одно из наиболее значительных изменений в подходе к построению протокола - от полностью детализированного описания протокола к протоколу, который разрешает поддержку дополнительных функций.
2.4.2 Адресация в IPv6
Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:
Unicast - индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел - компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.
Cluster - адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).
Multicast - адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.
Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.
Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast. Структура адреса этого класса показана на рисунке 2.6.
|
010 |
Registry ID |
Provider ID |
Subscriber ID |
Intra- Subscriber |
Рис. 2.6 Структура адреса класса Provider-Assigned Unicast.
Поле RegistryID идентифицирует ответственную за присвоение адреса регистратуру Internet, например, InterNIC в Северной Америке или APNIC в Азии. Поле ProviderID идентифицирует оператора Internet. Поле SubscriberID, ответственность за назначение которого несет оператор, идентифицирует конкретного пользователя. Оставшиеся 64 разряда в адресе по принадлежности к провайдеру идентифицируют сеть и хост во многом тем же образом, что и адреса IPv4 с класса А по класс С.
Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы, и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.
Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.
Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, таких как телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.
Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС - адреса локальных сетей непосредственно.
Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 00000000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.
В IPv6 128-разрядные адреса записываются в виде восьми 16-разрядных целых чисел, разделенных двоеточием. Каждое целое число представлено четырьмя шестнадцатеричными цифрами; иными словами, вы будете вынуждены ввести 32 шестнадцатеричных цифры для задания IP-адреса. При задании адреса IPv6 разрешает опустить начальные нули в шестнадцатеричных числах, а также использовать пару двоеточий (::) внутри адреса для замены последовательности нулевых чисел.
В качестве иллюстрации я предлагаю рассмотреть следующий 128-разрядный адрес:
501А:0000: 0000:0000:OOFC: ABCD: 3F1F:3D5A. Так как IPv6 позволяет пропустить начальные нули в каждом блоке из 4 шестнадцатеричных цифр в адресе, данный адрес можно записать в сокращенном виде следующим образом: 501A:0:0:0:FC:ABCD:3F1F:3D5A. Однако, если воспользоваться принятым соглашением об исключении последовательных блоков нулей, адрес можно записать еще короче 501A::FC: ABCD:3F1F:3D5A. Теперь адрес состоит всего из пяти шестнадцатеричных чисел вместо восьми. Таким образом, пара двоеточий представляет 3 целых числа, значение которых равно нулю.
Глава 3. Анализ обобщенной модели передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией
3.1 Способы организации передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией
В теории связи существует фундаментальное понятие - сообщение, т. е. форма представления информации, имеющая признаки начала и конца и предназначенная для передачи через сеть связи. В частности, “Сообщением” является и телефонный разговор. Как любое другое сообщение, телефонный разговор характеризуется шириной занимаемого канала, временем передачи, категорийностью, адресами источника и приемника, формой представления информации - аналоговой или дискретной.
Под сетью передачи данных с пакетной коммутацией (в дальнейшем пакетной сетью) будем понимать совокупность средств для передачи данных между ЭВМ (другими оконечными устройствами), где информационная связь между абонентами устанавливается коммутацией пакетов. Коммутация пакетов производится путем разбивки сообщения на пакеты -- элементы сообщения, снабженные заголовком, имеющие фиксированную максимальную длину, и последующей передачи пакетов по маршруту, определяемому узлами сети (см. рис. 3.1).
Рис. 3.1 Разбиение сообщения на пакеты
Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.
Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.
Основными моментами при передачи речи по сети передачи данных с пакетной коммутацией являются: преобразование аналогового речевого сигнала в цифровой вид, формирование пакетов, передача пакетов по пакетной сети, восстановлении речевого сигнала на приемном конце. Таким образом, для организации телефонной связи на передающем и приемном концах необходимо иметь набор аппаратно-программных средств, осуществляющих оцифровку/восстановление речи формирование пакетов и ввод этих пакетов вместе с пакетами данных в пакетную сеть.
При организации телефонной (речевой) связи по пакетной сети важную роль играют некоторые характеристики телефонного разговора, которые могут накладывать существенные ограничения на выбор той или иной модели передачи.
В самом общем виде схема организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией представлена на рис. 3.2.
Рис. 3.2 Схема организации телефонной связи по пакетной сети.
Подразумевается, что УСПРД - устройство совместной передачи речи и данных, приведенное на рис. 3.2, включает весь набор аппаратно-программных средств, реализующих возможность совместной передачи речи и данных по сети передачи данных с пакетной коммутацией.
3.2 Структура программного обеспечения, необходимого для реализации возможности передачи речи по сетям передачи данных с пакетной коммутацией
Для организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией необходим набор аппаратно-программных средств, функциями которого является:
- преобразование речевого аналогового сигнала и сигналов телефонной сигнализации в информационные единицы протоколов (пакеты или кадры);
- объединение речевого трафика и трафика данных.
Для частичной реализации первой функции используется цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС), который необходим для преобразования речевого сигнала в цифровой вид и формирования речевых кадров. Остальные преобразования реализуются программными средствами с использованием обычных универсальных процессоров. На рис. 3.3 изображена структура ПО для реализации возможности передачи речи по сети передачи данных с пакетной коммутацией.
Рис. 3.3 Структура программного обеспечения организации телефонной связи по сети передачи данных с пакетной коммутацией
Данное ПО организует интерфейсы для речевых сигналов и сигналов сигнализации, исходящих из телефона или УПАТС и преобразует их в единый информационный поток для передачи по сети. ПО разделено на четыре части, с тем чтобы обеспечить четкий интерфейс между программным обеспечением ЦПОС и остальным ПО для возможности использования различных протоколов пакетной передачи речи. ПО для реализации возможности передачи речи по сети с пакетной коммутацией состоит из следующих частей:
1. ПО пакетирования речи. Это ПО запускается на ЦПОС и используется для подготовки речевых элементов для последующей передачи их по сети передачи данных с пакетной коммутацией. Это ПО позволяет реализовать: алгоритм речепреобразования, алгоритм эхоподавления, алгоритм обнаружения активности речи и алгоритм удаления джиггера.
2. ПО шлюза телефонной сигнализации. Данное ПО взаимодействует с телефонным оборудованием, преобразуя сигналы телефонной сигнализации в так называемые изменяемые состояния (установление соединения, отбой и т.п.), которые используются в модуле сетевых протоколов для установления соединений.
3. ПО сетевых протоколов. Это ПО обрабатывает информацию о сигнализации и преобразует ее из формата телефонных протоколов сигнализации в конкретный протокол передачи сигнальной информации по сетям с коммутацией пакетов. Кроме того, это ПО выполняет упаковку речевых кадров и сигнальной информации в информационные единицы сетевых протоколов, используемых в пакетной сети.
4. ПО управления сетью. Это ПО предоставляет интерфейс управления передачей речи для конфигурации и обслуживания модулей системы пакетной передачи речи.
3.2.1 Программное обеспечение пакетирования речи
Программное обеспечение пакетирования речи выполняет подготовку речевого сигнала для дальнейшей передачи по пакетной сети. В связи с этим, в его основные функции входит: преобразование речевого сигнала в цифровую форму, кодирование речевого сигнала, эхоподавление, обнаружение активности речи и адаптация воспроизведения. Кроме того, для нужд системы сигнализации вырабатываются специальные тоны сигнализации. Структура модуля пакетирования речи представлена на рис. 3.4
Определение активности речи заключается в том, что полученный сигнал проверяется на наличие в нем речевой информации. Если в течение определенного времени активность не обнаружена, то ПО информирует об этом протокол пакетной передачи речи. Данная функция позволяет избежать передачи речевых пауз, что может существенно влиять на эффективность использования полосы пропускания.
Рис. 3.4 Модуль пакетирования речи
Адаптация воспроизведения заключается в буферизации речевых кадров для их равномерного воспроизведения. Реализация этой функции имеет следующие особенности: организуется буфер FIFO (First In First Out), предназначенный для хранения речевых элементов перед воспроизведением и компенсации задержек при передачи речевых пакетов; выбирается время измерения джиттера, которое позволяет осуществлять адаптивный контроль задержки FIFO.
3.2.2 Программное обеспечение шлюза телефонной сигнализации
Данное ПО осуществляет телефонную сигнализацию для обнаружения нового вызова и собирает адресную информацию (номер вызываемого абонента), которая используется системой для передачи вызова в порт получателя. ПО взаимодействует с ЦПОС для детектирования и генерации тонов сигнализации, а также для управления режимами работы, основанное на наблюдении состояния телефонной линии. Кроме того, ПО взаимодействует с телефонным интерфейсом для обеспечения функций сигнализации.
Структура программного обеспечения шлюза телефонной сигнализации, представлена на рис. 3.5
Рис. 3.5 Структура ПО шлюза телефонной сигнализации
Функционирование ПО телефонной сигнализации происходит следующим образом: модуль телефонного интерфейса (цифровой вход) осуществляет периодический контроль интерфейсов сигнализации и в случае обнаружения вызова подключает модуль обработки вызовов, который поддерживает различные стандарты телефонной сигнализации. В модуле трансляции адресов телефонные номера преобразуются в сетевые адреса для передачи вызова по пакетной сети. На приемном конце модуль преобразования протоколов сигнализации переведет сообщения телефонной сигнализации, принятые в конкретной пакетной сети, в формат, совместимый с протоколом сигнализации инициатора сеанса связи.
Драйвер интерфейса ЦПОС занимается распределением управляющей информации между основным микропроцессором и одним или несколькими ЦПОС.
3.2.3 Основные характеристики наиболее известных типов устройств речепреобразования (вокодеров)
Одним из основных узлов ПО пакетирования речи является устройство речепреобразования (вокодер).
Преобразование аналогового речевого сигнала в цифровой вид обычно осуществляется методом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). После такой обработки речевой сигнал уже пригоден для передачи по цифровым каналам. Однако для передачи такого цифрового потока необходимо выделение полосы пропускания 64 кбит/с (рекомендация ITU G.711 [11]), что является явно избыточным.
Существует еще одно преобразование речевого сигнала - адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ). Этот алгоритм дает практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего в 16-32 кбит/с (стандарт ITU G.726 [14]). Метод основан на том, что в аналоговом сигнале, передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности. Поэтому если кодировать не саму амплитуду сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов. Блок-диаграмма кодека АДИКМ представлена на рис. 3.6
Рис. 3.6 Блок-диаграмма кодека АДИКМ
АДИКМ является основой стандарта ITU G.727 [15], который определяет преобразование речи методом EADPCM - Embedded Adaptive Differential Pulse Code Modulation (вложенная адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция). В данном стандарте речевой сигнал преобразуется в цифровой вид методом АДИКМ. Затем формируется речевой кадр, состоящий из блоков бит, причем первый блок содержит старшие биты всех закодированных отсчетов, второй блок - следующие по убыванию старшинства биты и т. д. В пределах блока, биты упорядочиваются согласно номеру отсчета, который они определяют. Особенность этого метода заключается в том, что некритичная к удалению информация расположена в позициях, где она может быть легко отвергнута (в конце кадра).
Например, в случае преобразования EADPCM в речевом кадре будет содержаться четыре блока, и наименее значимые блоки - два последних (блоки расширения), могут отвергаться в случае перегрузки. Эта особенность используется в рекомендации FRF.11 [19], регламентирующей передачу речи по сети Frame Relay. Согласно Приложению G этой рекомендации, сформированный методом EADPCM речевой кадр передается в двух кадрах Frame Relay: основная информация - в кадрах с битом DE = 0 (Discard Eligibility - Разрешение Сброса), и информация расширения - в кадрах с установленным битом (DE =1). Это означает что в случае перегрузки кадры с установленным битом DE могут быть уничтожены.
Все методы кодирования, основанные на определенных предположениях о форме сигнала, эффективны лишь при скорости передачи цифрового речевого сигнала большей 32 кбит/с. Дальнейшее снижение скорости возможно путем устранения избыточности, содержащейся в речевом сигнале, на основе анализа речи при передаче и воссоздания при приеме. В результате по каналу связи передают не собственно речь в цифровом виде, а ее характеристики, позволяющие восстановить речевой сигнал при приеме. Для выполнения процессов анализа-синтеза речи используют специальные кодеры-декодеры речевого сигнала, называемые вокодерами (сокращение от английских слов voice coder).
Наиболее эффективными являются вокодеры на основе метода линейного предсказания речи. Процесс кодирования в этом случае разбивается на ряд типовых процедур, каждую из которых выполняют методами цифровой фильтрации. При кодировании выявляют периодические процессы в речевом сигнале, определяют их параметры, а затем устраняют из речевого сигнала избыточность, исключая найденные периодичности. В результате получают остаточный речевой сигнал, который аппроксимируют и передают вместе с параметрами периодических процессов в речи по каналу связи. Перечисленные процедуры составляют процесс анализа речи.
В приемнике, в декодирующем устройстве, по принятому остаточному сигналу и параметрам периодических процессов речи восстанавливают речевой сигнал, выполняя процесс синтеза речи.
Отметим, что при таком подходе к кодированию речи, во-первых, возрастают требования к вычислительным мощностям ЦПОС, а во-вторых, увеличивается задержка при передаче, поскольку кодирование применяется не к отдельным значениям, а к некоторому их набору, который перед началом преобразования следует накопить в определенном буфере (см. рис. 3.7).
Рис. 3.7 Схема функционирования вокодера, реализованного на основе метода линейного предсказания речи
Более сложные методы сжатия речи основаны на применении метода линейного предсказания речи в сочетании с элементами кодирования формы сигнала. В этих алгоритмах используется кодирование с обратной связью, когда при передаче сигнала осуществляется оптимизация кода. Закодировав сигнал, процессор пытается восстановить его форму и сравнивает результат с исходным сигналом, после чего начинает варьировать параметры кодирования, добиваясь наилучшего совпадения. Достигнув такого совпадения, аппаратура передает полученный код по линиям связи. На противоположном конце происходит восстановление речевого сигнала. Ясно, что для использования такого метода требуются еще более серьезные вычислительные мощности.
Одной из самых распространенных разновидностей описанного метода кодирования является метод LD-CELP - Low-Delay Code-Excited Linear Prediction (метод линейного предсказания с кодовым возбуждением и низкой задержкой). Он позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при скорости передачи по каналу меньшей 16 кбит/с. Этот метод был стандартизован ITU в 1992 г. как алгоритм кодирования речи G.728 [16]. Алгоритм применяется к цифровой последовательности, получаемой в результате аналого-цифрового преобразования речевого сигнала с 16-разрядным разрешением.
В марте 1995 г. ITU принял новый стандарт - G.723 [13]. Основой G.723 являются методы сжатия речи MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization) и ACELP (Algebraic CELP). Они позволяют добиться весьма существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества воспроизведения.
Характеристики некоторых основных алгоритмов кодирования речи приведены в табл. 3.1
Таблица 3.1 Основные характеристики наиболее известных типов вокодеров
|
Название алгоритма |
Рекомендация |
Скорость кодирования (кбит/с) |
Размер кадра (мс) |
Задержка при кодировании (мс) |
|
|
PCM |
ITU G.711 |
64 |
0.125 |
0.75 |
|
|
ADPCM |
ITU G.726 |
32 |
0.125 |
1 |
|
|
LD-CELP |
ITU G.728 |
16 |
0.625 |
От 3 до 5 |
|
|
CS-ACELP |
ITU G.729 |
8 |
10 |
10 |
|
|
MP-MLQ |
ITU G.723.1 |
6.3 |
30 |
30 |
|
|
ACELP |
ITU G.723.1 |
5.3 |
30 |
30 |
Примечание:
РСМ - (Pulse Code Modulation) - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).
CS-ACELP - (Conjugate Structure - Algebraic Code Excited Linear Prediction) - линейное предсказание с алгебраическим кодовым возбуждением и сопряженной структурой.
3.3 Методы оценки качества воспроизведения речи при цифровой передаче
Критерии и методы оценки качества воспроизведения речи подразделяются на объективные и субъективные. Объективные используют некоторые формализованные параметры, позволяющие судить о степени различия переданного по каналу связи и восстановленного на приёмной стороне сигналов. Однако, поскольку человек, как получатель информации, является основным потребителем услуг любой телекоммуникационной системы, качество сигнала может оцениваться по его субъективному восприятию речи.
Такие тесты обязательны при выборе стандартных кодеров, когда качество передачи речи в сетях общего пользования должно быть гарантировано.
Средняя экспертная оценка - MOS (Mean Opinion Scores) - это субъективное измерение, определённое в рекомендациях ITU-T для оценки качества передачи речи в телефонных сетях. Шкала оценок MOS приведена в табл. 3.2 при применении к речевой полосе (200... 3400 Гц).
Таблица 3.2 Шкала средней экспертной отценки MOS
|
Оценка |
Качество |
Искажения |
|
|
5 4 3 2 1 |
Превосходно Хорошо Посредственно Плохо Неудовлетворительно |
Незначительные Заметны, но не раздражающие Немного раздражают Раздражают, но не неудобны Очень раздражают |
В табл. 3.3 приведены оценки MOS для наиболее распространённых кодеров.
Таблица 3.3 Показатели MOS основных алгоритмов кодирования речи
|
Название алгоритма |
MOS |
|
|
G.711 (PCM; 64 кбит/c) |
4,1 |
|
|
G.726 (ADPCM; 32 кбит/c) |
3,85 |
|
|
G.728 (LD-CELP; 16 кбит/c) |
3,61 |
|
|
G.729 (CS-ACELP; 8 кбит/c) |
3,92 |
|
|
G.723.1 (MP-MLQ; 6,3 кбит/c) |
3,9 |
|
|
G.723.1 (ACELP; 5,3 кбит/c) |
3,65 |
Оценка 3,5...4 относится к качеству сетей связи. Такое качество считается допустимым в приложениях, таких как голосовая почта и подвижная радиосвязь. Оценка 2,5...3 относится к качеству синтезированной речи.
Другие измерения направлены на оценку искажения качества (QDU, Quantization Distortion Units), которые определены в рекомендациях ITU-T G.113 как искажения, вносимые одной парой кодеров по стандарту G.711 ИКМ со скоростью 64 кбит/с. Для количественной характеристики ухудшения качества речи применяют единицы QDU. Величина 1 QDU соответствует ухудшению качества речи при цифровом преобразовании речи с использованием стандартной процедуры ИКМ. Дополнительная обработка речи ведёт к дальнейшему ухудшению её качества. Согласно рекомендациям ITU - Т, для международных вызовов величина QDU не должна превышать 14, причём передача разговора по международным магистральным каналам ухудшает качество речи, как правило, на 4 QDU. Следовательно, при передаче разговора по национальным сетям должно теряться не более 5 QDU: (2x5 + 4=14). Алгоритмы ADPCM, обеспечивающие скорость 32 кбит/с (G.726 [14]), LD-CELP (G.728) и CS-CELP (G.729 [17]) могут «испортить» качество речи на 3.5 QDU, а алгоритм ADPCM при 24 кбит/с - на 7 QDU. Поэтому для качественной передачи речи процедуру компрессии/декомпрессии желательно применять в сети только один раз. В некоторых странах это является обязательным требованием регулирующих органов по отношению ко всем сетям, подключаемых к сетям общего пользования.
Еще одним распространенным методом оценки качества воспроизведения речи является артикуляционный метод - критерий разборчивости. В его основе лежит измерение разборчивости S, %, которая определяется процентом правильно принятых элементов речи - звуков, слогов, слов или фраз. При некоторых типах искажений разборчивость функционально связана с другими показателями качества, например отношением сигнал-шум (ОСШ), и достаточно полно характеризует качество речи в целом.
В ряде случаев возникает необходимость перехода от одного вида разборчивости к другой, которая осуществляется на основе существующих объективных зависимостей между формантной А, звуковой D, слоговой S, словесной W и фразовой I разборчивостью. Наиболее широко распространённые зависимости приведены на рис. 3.8
Подобные документы
Структура протокола TCP/IP. Взаимодействие систем коммутации каналов и пакетов. Характеристика сети с коммутацией пакетов. Услуги, предоставляемые ОАО "МГТС" с использованием сети с пакетной коммутацией. Расчет эффективности внедрения проектируемой сети.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 22.05.2012Основные понятия IP телефонии, строение сетей IP телефонии. Структура сети АГУ. Решения Cisco Systems для IP-телефонии. Маршрутизаторы Cisco Systems. Коммутатор серии Catalyst 2950. IP телефон. Настройка VPN сети. Способы и средства защиты информации.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 10.09.2008История деятельности Московской городской телефонной сети. Структура протокола TCP/IP. Взаимодействие систем коммутации каналов и пакетов. Характеристика сети с коммутацией пакетов. Услуги перспективной сети, экономическая эффективность ее внедрения.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 10.07.2012Создание топологии соединения офисов в разных частях города. Настройки IP адресов, маршрутизации, безопасности. Конфигурация Web сервера и E-mail с сопоставлением символьных имен IP адресов. Оборудование, необходимое для создания корпоративной сети.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 25.02.2015Зарождение концепции многоуровневой иерархической структуры сети телефонной связи. Электронная технология, позволившая перевести все средства телефонии на элементную базу. Развитие IР-телефонии, обеспечивающей передачу речи по сетям пакетной коммутации.
реферат [25,4 K], добавлен 06.12.2010Описание архитектуры компьютерной сети. Описание и назначение адресов узлам сети. Выбор активного сетевого оборудования, структурированной кабельной системы сети. Расчет конфигурации и стоимости сети. Возможность быстрого доступа к необходимой информации.
контрольная работа [878,1 K], добавлен 15.06.2015Цель, сферы использования и основные этапы построения систем видеоконференцсвязи. Системы передачи данных в сети Internet, в том числе беспроводные. Возможности пакетной IP-телефонии. Экономическое обоснование пакета оборудования для видеоконференции.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 18.06.2011Алгоритмы сети Ethernet/Fast Ethernet: метод управления обменом доступа; вычисления циклической контрольной суммы (помехоустойчивого циклического кода) пакета. Транспортный протокол сетевого уровня, ориентированный на поток. Протокол управления передачей.
контрольная работа [149,6 K], добавлен 14.01.2013Построение логической схемы локальной-вычислительной сети для организации. Выбор технологии, топологии, кабельной среды и программного обеспечения. Настройка модели сети, адресов, статической маршрутизации. Подключение устройств файлового и web-серверов.
курсовая работа [2,9 M], добавлен 17.11.2017Проектирование информационной вычислительной сети организации, состоящей из нескольких территориально разнесенных подразделений. Схема логической адресации сетевого уровня. Разработка схемы автоматизации назначения логических адресов сетевого уровня.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 21.11.2012
