Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиотехнических систем (РТС))

«IP-телефония»

Творческое задание по дисциплине «Теория электрической связи»

Студент гр. 169:

Каргин А.С.

Доцент каф. ТОР:

Бернгардт А.С.

2012



Введение

VoIP (англ. Voice over IP; IP-телефония, произносится "войп") -- система связи, обеспечивающая передачу речевого сигнала по сети Интернет или по любым другим IP-сетям. Сигнал по каналу связи передаётся в цифровом виде и, как правило, перед передачей преобразовывается (сжимается) с тем, чтобы удалить избыточность.

Применение систем IP-телефонии позволяет компаниям-операторам связи значительно снизить стоимость звонков (особенно международных) и интегрировать телефонию с сервисами Интернета, предоставлять интеллектуальные услуги.

IP-телефон Avaya 1140E

VoIP-телефон Cisco 7960 IP Phone

Видеотелефон AddPacVP-500



Концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера зародилась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 г. Чарли Кляйн выпустил в свет Maven, первую программу для передачи голоса по сети с помощью PC. Одновременно одним из самых популярных мультимедийных приложений в сети стала CU-SeeMe, программа видеоконференций для Macintosh (Mac), разработанная в Корнельском университете.

Апрель 1994 г. Во время полета челнока Endeavor NASA передало на Землю его изображение с помощью программы CU-SeeMe. Одновременно, используя Maven, попробовали передавать и звук. Полученный сигнал из Льюисовского исследовательского центра поступал на Maven, соединенный с Интернет, и любой желающий мог услышать голоса астронавтов. Потом одну программу встроили в другую, и появился вариант CU-SeeMe с полными функциями аудио и видео как для Maven, так и для PC. Февраль 1995 г. Израильская компания VocalTec предложила первую версию программы Internet Phone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под Windows. Это стало важной вехой в развитии Интернет-телефонии! [1]



Функциональность

Технология VoIP реализует задачи и решения, которые с помощью технологии PSTN реализовать будет труднее, либо дороже.

Примеры:

§ Возможность передавать более одного телефонного звонка в рамках высокоскоростного телефонного подключения. Поэтому технология VoIP используется в качестве простого способа для добавления дополнительной телефонной линии дома или в офисе.

§ Свойства, такие как

§ конференция,

§ переадресация звонка,

§ автоматический перенабор,

§ определение номера звонящего,

предоставляются бесплатно или почти бесплатно, тогда как в традиционных телекоммуникационных компаниях обычно выставляются в счёт.

§ Безопасные звонки, со стандартизованным протоколом (такие как SRTP). Большинство трудностей для включения безопасных телефонных соединений по традиционным телефонным линиям, такие как оцифровка сигнала, передача цифрового сигнала, уже решены в рамках технологии VoIP. Необходимо лишь произвести шифрование сигнала и его идентификацию для существующего потока данных.

§ Независимость от месторасположения. Нужно только интернет-соединение для подключения к провайдеру VoIP. Например, операторы центра звонков с помощью VoIP-телефонов могут работать из любого офиса, где есть в наличии эффективное быстрое и стабильное интернет-подключение.

§ Доступна интеграция с другими через интернет, включая видеозвонок, обмен сообщениями и данными во время разговора, аудиоконференции, управление адресной книгой и получение информации о том, доступны ли для звонка другие абоненты.

§ Дополнительные телефонные свойства -- такие как маршрутизация звонка, всплывающие окна, альтернативный GSM-роуминг и внедрение IVR -- легче и дешевле внедрить и интегрировать. Тот факт, что телефонный звонок находится в той же самой сети передачи данных, что и персональный компьютер пользователя, открывает путь ко многим новым возможностям.

Дополнительно: возможность подключения прямых номеров в любой стране мира (DID).

Мобильные номера

Совместимость мобильных номеров (Mobile number portability, MNP) также оказывает свое влияние на IP-телефонию, или другими словами, на коммерческое применение VoIP. Голосовой звонок, который пришел по каналу VoIP, маршрутизируется на мобильный телефон традиционного мобильного оператора, также имеет задачу достичь цели назначения, которая в случае с мобильным телефоном выражается в том, что звонок (сигнал) должен достичь порта. Совместимость мобильных номеров -- это сервис, который позволяет его пользователям сохранить существующий телефонный номер при переходе от одного мобильного оператора к другому.

Минимальная стоимость звонка

Вызовы в IP-телефонии считают системой с минимальной стоимостью маршрутизации звонка (LCR, Least Cost Routing system), которая основана на том, что осуществляется проверка пункта назначения каждого телефонного звонка, как только он сделан внутри сети, что даёт потребителю самую низкую цену.

При условии совместимости с GSM-номерами, которая сейчас широко распространена, провайдеры систем с минимальной стоимостью маршрутизации звонка LCR, больше не могут полагаться на использование префикса номера, для того чтобы определить, как перенаправить (маршрутизировать) звонок. Вместо этого им нужно знать фактическое название сети мобильного оператора для каждого звонка, чтобы осуществить его маршрутизацию.

Следовательно, VoIP-решения также необходимы для того, чтобы управлять совместимостью мобильных номеров MNP при маршрутизации голосового звонка. В странах без центральной базы данных, таких как Великобритания, иногда бывает нужно направлять запрос в GSM-сеть о том, к какой сети (какому оператору) принадлежит данный мобильный телефон. Поскольку VoIP начинает набирать обороты на рынке компаний благодаря применению функций системы минимальной стоимости маршрутизации звонка, необходимо предоставить определённый уровень надёжности при управлении звонками.

Проверки совместимости мобильных номеров MNP нужны для того, чтобы гарантировать, что качество услуги будет соответствовать требуемому; при проведении проверки совместимости мобильных номеров перед тем, как осуществится маршрутизация звонка, и тем самым гарантировать, что голосовой звонок действительно попадёт по назначению, VoIP-компании дают своим компаниям-клиентам (потребителям) гарантию, что они найдут провайдера услуг IP-телефонии. Компания-оператор, предоставляющая услугу интернет-пейджера, Tyntec, зарегистрированная в Великобритании, предоставляет услугу Voice Network Query, (система передачи голосовых сообщений), эта услуга даёт возможность как традиционным операторам голосовой связи, так и VoIP-операторам отправлять запрос в GSM-сеть, запрос, направленный на то, чтобы найти домашнюю сеть для перенесённого номера.



Номера экстренных вызовов

Из-за свойств, присущих самой технологии IP, трудно определить местонахождение пользователя. Звонки по номерам экстренных вызовов нельзя легко маршрутизировать (перенаправить) на близлежащий центр приема звонков (что важно для оперативных служб). Иногда VoIP-системы могут маршрутизировать экстренные внутрисетевые вызовы на неэкстренные телефонные линии в нужном подразделении.

Протоколы

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

§ SIP -- протокол сеансового установления связи, обеспечивающий передачу голоса, видео, сообщений систем мгновенного обмена сообщений и произвольной нагрузки, для сигнализации обычно использует порт 5060 UDP. Поддерживает контроль присутствия.

§ H.323 -- протокол, более привязанный к системам традиционной телефонии, чем SIP, сигнализация по порту 1720 TCP, и 1719 TCP для регистрации терминалов на гейткипере.

§ IAX2 -- через 4569 UDP-порт и сигнализация, и медиатрафик.

§ MGCP (Media Gateway Control Protocol) -- протокол управления медиашлюзами.

§ Megaco/H.248 -- протокол управления медиашлюзами, развитие MGCP.

§ SIGTRAN -- протокол тунеллирования PSTN сигнализации ОКС-7 через IP на программный коммутатор (SoftSwitch).

§ SCTP (Stream Control Transmission Protocol) -- протокол для организации гарантированной доставки пакетов в IP-сетях.

§ SGCP

§ SCCP (Skinny Call Control Protocol) -- закрытый протокол управления терминалами (IP-телефонами и медиашлюзами) в продуктах компании Cisco.

§ Unistim -- закрытый протокол передачи сигнального трафика в продуктах компании Nortel.

Кодирование речи

Для передачи голоса по IP-сети, человеческий голос оцифровывается (АЦП) при помощи импульсно-кодовой модуляции, сжимается (кодируется) и разбивается на пакеты. На принимающей стороне, происходит обратная процедура - данные извлекаются из пакетов, декодируются и преобразуются обратно в аналоговый сигнал (ЦАП).

Кодирование вносит дополнительную задержку порядка 15--45 мс, возникающую по следующим причинам:

§ использование буфера для накопления сигнала и учёта статистики последующих отсчётов (алгоритмическая задержка);

§ математические преобразования, выполняемые над речевым сигналом, требуют процессорного времени (вычислительная задержка).

Подобная задержка появляется и при декодировании речи на другой стороне.

Задержку кодека необходимо учитывать при расчёте сквозных задержек. Кроме того, сложные алгоритмы кодирования/декодирования требуют более серьёзных затрат вычислительных ресурсов системы.

Проведённый в различных исследовательских группах анализ качества передачи речевых данных через Интернет показывает, что основным источником возникновения искажений, снижения качества и разборчивости синтезированной речи является прерывание потока речевых данных, вызванное:

§ потерями пакетов при передаче по сети связи;

§ превышением допустимого времени доставки пакета с речевыми данными.

Это требует решения задачи оптимизации задержек в сети и создание алгоритмов компрессии речи, устойчивых к потерям пакетов (восстановления потерянных пакетов).

Кодеки

Применяемые алгоритмы сжатия голоса при передаче по IP-сети довольно разнообразны. Некоторые практически не сжимают голос, оставляя его на уровне импульсно-кодовой модуляции(т.е. 64 килобит в секунду), другие кодеки позволяют сжимать цифровой голосовой поток в 8 и более раз за счёт эффективных алгоритмов кодирования. Существует немало хороших свободных кодеков, использование которых не требует лицензирования. Для других же требуется достижения соответствующей лицензионной сертификации между производителем оборудования (программного обеспечения) и авторами метода сжатия.

Оптимизация задержек в сети

Основными преимуществами IP-телефонии является снижение требований к полосе пропускания, что обеспечивается учётом статистических характеристик речевого трафика:

§ блокировкой передачи пауз (диалоговых, слоговых, смысловых и др.), которые могут составлять до 40-50 % времени занятия канала передачи (VAD);

§ высокой избыточностью речевого сигнала и его сжатием (без потери качества при восстановлении) до уровня 20-40 % исходного сигнала.

В тоже время для VoIP критичны задержки пакетов в сети, хотя технология обладает некоей толерантностью (устойчивостью) к потерям отдельных пакетов. Так, потеря до 5 % пакетов не приводит к ухудшению разборчивости речи.

При передаче телефонного трафика по технологии VoIP должны учитываться жёсткие требования стандарта ISO 9000 к качеству услуг, характеризующие:

1. качество установления соединения, определяемое в основном быстротой установления соединения,

2. качество соединения, показателем которого являются сквозные (воспринимаемые пользователем) задержки и качество воспринимаемой речи.

Общая приемлемая задержка по стандарту - не более 250 миллисекунд. Причины задержек в передаче голосовых данных по сети IP, в большой степени связаны с особенностями транспорта пакетов. Протокол TCP обеспечивает контроль доставки пакетов, однако достаточно медленный и потому не используется для передачи голоса. UDP быстро отправляет пакеты , однако восстановление потерянных данных не гарантируется, что приводит к потеряным частям разговора при восстановлении (обратном преобразовании) звука. Немалые проблемы приносит джиттер (отклонения в периоде поступления-приёмки пакетов), появляющийся при передаче через большое число узлов в нагруженной IP-сети. Недостаточно высокая пропускная способность сети (например при одновременной нагрузке несколькими пользователями), серьёзно влияет не только на задержки (т.е. рост джиттера), но и приводит к большим потерям пакетов

Для решения подобных проблем предлагается комлекс мер:

§ использование алгоритимического восстановления потерянных частей голоса (усреднение по соседним данным)

§ приоритезация трафика во время транспорта в одной сети при помощи пометки IP-пакетов в поле Type of Service

§ использование изменяемого джиттер-буфера необходимой длины, который позволяет накапливать пакеты и выдавать их снова с нормальной периодичностью

§ отключение проксирования медиа-данных на узком месте сети, т.е. достижение прямого обмена речью между узлом звонящего и вызываемого абонента при посредничестве промежуточных серверах только на этапе установления и завершения вызова

§ применение кодеков с меньшей алгоритмической задержкой (для уменьшения нагрузки на процессор,осуществляющий АЦП и ЦАП)

Безопасность соединения

Большинство потребителей VoIP-решений ещё не поддерживают криптографическое шифрование, несмотря на то, что наличие безопасного телефонного соединения намного проще внедрить в рамках VoIP-технологии, чем в традиционных телефонных линиях. В результате, при помощи анализатора трафика относительно несложно установить прослушивание VoIP-звонков, а при некоторых ухищрениях даже изменить их содержание.

Тот, кто вторгается с использованием анализатора сетевых пакетов, имеет возможность перехватить VoIP-звонки, если пользователь не находится в рамках защищённой виртуальной сети VPN . Эта уязвимость в безопасности может привести к атакам со сбоями (отказами в обслуживании) у пользователя или у кого-то, чей номер принадлежит той же сети. Эти отказы в обслуживании могут полностью уничтожить телефонную сеть, нагрузив её мусорным трафиком и создав постоянный сигнал «занято» и увеличив количество разъединений абонентов.

Однако данная проблема касается и традиционной телефонии, так как абсолютно защищённых способов связи не существует.

Потребители могут обезопасить свою сеть, ограничив доступ в виртуальную локальную сеть данных, спрятав свою сеть с голосовыми данными от пользователей. Если потребитель поддерживает безопасный и правильно конфигурируемый межсетевой интерфейс-шлюз с контролируемым доступом, это позволит обезопасить себя от большинства хакерских атак. Есть несколько ресурсов с открытым кодом (open source solutions), выполняющих анализ трафика VoIP-разговоров. Невысокий уровень безопасности предоставляется в рамках патентованных аудиокодеков, которые нельзя найти в списках источников с открытым кодом, однако, такая «безопасность через непонятность» не зарекомендовала себя, как эффективное средство в других областях. Некоторые вендоры используют также сжатие, чтобы перехват информации было труднее выполнить. Есть мнение, что настоящая безопасность сети требует проведения полного криптографического шифрования и криптографической аутентификации, которые не доступны широкому потребителю. Однако, по некоторым параметрам IP-телефония выигрывает у традиционной в плане безопасности.

Существующий сейчас стандарт безопасности SRTP и новый ZRTP протокол доступен на некоторых моделях IP-телефонов (Cisco, SNOM), аналоговых телефонных адаптерах (Analog Telephone Adapters, ATAs), шлюзах, а также на различных софтфонах. Можно использовать IPsec, чтобы обеспечить безопасность P2P VoIP с помощью применения альтернативного шифрования (opportunistic encryption). Программа Skype не использует SRTP, но там используется система шифрования, которая прозрачна для Skype-провайдера[6].

Решение Voice VPN (которое представляет собой сочетание технологии VoIP и Virtual Private Network) предоставляет возможность создания безопасного голосового соединения для VoIP-сетей внутри компании, путем применения IPSec шифрования к оцифрованному потоку голосовых данных.

Так же возможно произвести многоуровневое шифрование и полную анонимизацию всего VoIP трафика (голоса, видео, служебной информации и т. д.) с помощью сети I2P, программу-маршрутизатор для работы с которой можно установить на ПК, смартфон, нетбук, ноутбук и т. д. Эта сеть представляет из себя полностью децентрализованную, анонимную среду передачи данных, где каждый пакет данных подвергается четырехуровневому шифрованию с использованием различных алгоритмов шифрования с максимальными размерами ключа. Сеть I2Pиспользует туннельную передачу данных, где входящий и исходящий трафик идут через разные туннели, каждый из которых зашифрован разными ключами, при этом туннели периодически перестраиваются с изменением ключей шифрования. Все это приводит к невозможности прослушать и проанализировать проходящий поток третьей стороной. При этом на потоковой передаче туннелирование и шифрование не сказывается, так как используется специально созданная для потоковых служб библиотека, поэтому данные приходят строго в заданном порядке, без потерь и дублированний.

Идентификация звонящего

Поддержка услуги определения номера вызывающего (Caller ID) у разных провайдеров может отличаться, хотя большинство VoIP-провайдеров сейчас предлагают услугу «определение идентификатора звонящего (caller ID)» с именем на исходящие звонки. Когда звонок идёт на номер местной сети от какого-то VoIP-провайдера, услуга определения caller ID не поддерживается.

В некоторых случаях, VoIP-провайдеры могут позволить звонящему имитировать какой-то не принадлежащий ему caller ID, потенциально давая возможность демонстрировать такой ID, который фактически не является номером звонящего. Коммерческое VoIP-оборудование и программное обеспечение обычно легко даёт возможность изменять информацию caller ID. Несмотря на то, что эта услуга может обеспечить огромную свободу действий, она также даёт возможность для злоупотреблений.

Статистика трафика

Любое VoIP соединение имеет целый ряд параметров, общепринятых как точные показатели оценки качества соединения. Кроме того большинство существующих операторов IP-телефонии при оказании услуг позволяют даже выбирать узел через который пройдет звонок не только руководствуясь ценой, но и дополнительным статистическими параметрами, характеризующими качество связи:

§ ASR/ABR - отношение количества обслуженных звонков к числу попыток позвонить в процентах. Характеризует наилучший дозвон.

§ ACD - средняя продолжительность звонков через узел на данное направление; % -- процент состоявшихся звонков с длительностью меньше 30 секунд. Характеризует наиболее устойчивую связь во время разговора.

Иногда операторами связи для оценки направления применяются и другие статистические параметры: эрланг, посленаборная задержка (PDD), процент потери пакетов (QoS), максимальное нарастание вызовов в секунду (Calls per seconds, CPS).

Skype

Рассуждая о IP-телефонии нельзя не упомянуть о Skype, который представляет собой сервис позволяющий совершать бесплатные звонки между пользователями и платные звонки на мобильные и стационарные телефоны. Услуга исходящих звонков со Skype на обычную телефонную сеть называется SkypeOut, а услуга приема звонков с телефонных сетей - SkypeIn. В сервисе Skype также присутствует услуга Skype Voicemail, которая позволяет записывать сообщения, для пользователей находящихся в текущий момент вне сети. Для одновременного голосового общения нескольких пользователей Skype предназначена услуга Skypecast's (чат). Также, существует возможность переадресовать Skype-вызовы на обычный телефон, проводной или мобильный.

Для VoIP-соединений Skype использует закрытый протокол, известный только разработчикам Skype. Для взаимодействия со сторонними приложениями доступно API данного протокола. Сжатие данных осуществляется с помощью кодека iLBC (internet Low Bitrate Codec), который, изначально разрабатывался для голосовой связи через Интернет, при использовании узкополосных каналов связи. Выходной поток после кодирования речевой информации данным кодеком фиксированный, он составляет - 13,33 кбит/с при 30 мс кадрах или 15,2 кбит/с при 20 мс кадрах. Тестирование эффективности данного кодека проведенное в идеальных условиях показало, что качество речи после обработки данным кодеком, сопоставимо с качеством, получаемым после сжатия с помощью кодека G.711, а нагрузка на процессор устройства находиться на уровне G.729a, при более высоком качестве и лучшей реакции на потерю пакетов.

Для передачи данных Skype использует соединения типа P2P (peer-to-peer), представляющие собой компьютерную сеть с равноправными участниками. В подобных сетях отсутствуют центральные серверы, каждый из компьютеров такой сети, является одновременно, и клиентом, и сервером, а, следовательно, для Skype нет необходимости в дорогостоящей инфраструктуре. Однако Skype создает дополнительный трафик, характерный для P2P сетей, более того, Skype может маршрутизировать звонки через компьютеры пользователей, что создает дополнительную нагрузку на компьютеры и каналы пользователей подключенных к Интернету напрямую. При установлении соединения между абонентами, Skype использует шифрование данных по алгоритму AES-256, для передачи ключа которого используется 1024-битный ключ RSA. Открытые ключи пользователей сертифицируются центральным сервером Skype. На настоящий момент случаев перехвата или расшифровки Skype не зафиксировано.

Конечно, Skype не является единственным программным телефоном или подобным сервисом, однако - это, пожалуй, самый успешный VoIP проект, что косвенно подтверждают итоги его продажи - компания с годовым оборотом менее $100 млн. в 2005 году, спустя 2 года после ее создания, была куплена почти за $2,5 млрд.

А какие еще есть варианты?

Естественно, Skype не единственный сервис, предоставляющий подобные услуги. Существуют и другие операторы IP-телефонии, в том числе и российские, например, Telme или SIPNET. Как и, рассмотренный выше Skype, данные операторы предоставляют возможность совершения бесплатных внутрисетевых вызовов, а вызовы на мобильные телефоны и телефоны сетей общего пользования - платные. Большинство VoIP операторов, для услуг IP-телефонии, рекомендуют использовать канал с гарантированной скоростью не ниже 64 кбит/с, при этом, основным протоколом является SIP.

Под IP телефонией (VOIP Voice over IP) понимают технологию передачи голоса через сети протокола IP в режиме реального времени. Такой протокол используется как в сети Интернет, так и в локальных сетях. Обычный телефонный звонок можно разбить на две фазы: набор номера (и все что при этом происходит) и разговор. Точно так же и задача передачи телефонных звонков по сетям ip практически разбивается на две фазы: коммутация (маршрутизация) вызовов и передача данных (кодированного голоса). Коммутация вызовов осуществляется передачей сигнальных сообщений, а данный процесс упрощенно называется сигнализацией. [2] Сигнализация решается средствами специальных протоколов H.323, SIP и др. по мнению автора это на сегодняшний день 2 основных стандарта, которые будут рассмотрены ниже.

Данная работа предназначена для общего ознакомления со стандартами H.323 и SIP, и будет полезна как для начинающих, так и продвинутых пользователей, которых интересует VOIP. По мнению автора, эта технология в настоящее время бурно развивается, и является актуальной для её рассмотрения. Тема эта очень большая, и в данном реферате невозможно изложить все детали этих стандартов, каждая область этого вопроса, изложена в отдельных книгах. Таким образом, целью автора являлось ознакомить и дать некоторое знание об этих двух стандартах: Узнать, как работают эти стандарты, чем они отличаются, перспективы этих протоколов.

телефония интернет голос звонок

Протокол H.323

Архитектура системы на базе стандарта Н.323

Основными устройствами сети являются: терминал, контроллер зоны (Gatekeeper), шлюз и устройство управления конференциями (MCU). Все перечисленные компоненты организованы в так называемые зоны Н.323. Одна зона состоит из контроллера зоны и нескольких оконечных точек, причем контроллер зоны управляет всеми оконечными точками своей зоны. Зоной может быть и вся сеть поставщика услуг IP-телефонии или ее часть, охватывающая отдельный регион. Деление на зоны Н.323 не зависит от топологии пакетной сети, но может быть использовано для организации наложенной сети Н.323 поверх пакетной сети, используемой исключительно в качестве транспорта. [1]

Терминал H.323

Терминал Н.323 представляет собой оконечное устройство пользователя сети IP-телефонии, способное передавать и принимать трафик в масштабе реального времени, взаимодействуя с другими терминалами Н.323, шлюзом или устройством управления конференциями. Для обеспечения этих функций терминал включает в себя:

· элементы аудио (микрофон, акустические системы, телефонный микшер

· система акустического эхоподавления)

· элементы видео (монитор, видеокамера)

· элементы сетевого интерфейса

· интерфейс пользователя

Н.323-терминал должен поддерживать протоколы Н.245, Q.931, RAS, RTP/RTCP и семейство протоколов Н.450, а также включать в себя аудиокодек G.711. Также немаловажна поддержка протокола совместной работы над документами Т.120. [1] Определения протоколов смотри в приложении 1.

Шлюз

Технология передачи речи по IP-сети вместо классической сети с коммутацией каналов предусматривает конфигурацию с установкой шлюзов. Шлюз обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование ее в IP-пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы.

Такое преобразование информации не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени. Более полно функции, выполняемые шлюзом, состоят в следующем:

· реализация физического интерфейса с телефонной и IP-сетью

· детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации

· преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты данных и обратно

· преобразование речевого сигнала в пакеты данных и обратно

· соединение абонентов

· передача по сети сигнализационных и речевых пакетов

· разъединение связи

Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуется в процессах прикладного уровня.

При отсутствии в сети контроллера зоны должна быть реализована еще одна функция шлюза - преобразование номера PSTN (public switched telephone network) в транспортный адрес IP-сети.

В случае, когда терминал Н.323 связывается с другим терминалом Н.323, расположенным в той же самой IP-сети, шлюз в этом соединении не участвует. [1]

Контроллер зоны

Контроллер зоны выполняет функции управления зоной сети IP-телефонии, в которую входят терминалы, шлюзы и устройства управления конференциями, зарегистрированные у этого контроллера зоны. Функции, выполняемые контроллером зоны:

· регистрация оконечных и других устройств

· преобразование alias-адреса (имени абонента, телефонного номера, адреса электронной почты и др.) в транспортный адрес сети с маршрутизацией пакетов IP (IP адрес и номер порта TCP)

· контроль доступа пользователей системы к услугам IP-телефонии

· контроль, управление и резервирование пропускной способности сети

· определение местоположения оконечного оборудования в сети

· маршрутизация сигнальных сообщений между терминалами, расположенными в одной зоне

· опрос и индикация текущего состояния оконечного оборудования

Контроллер зоны упрощает процесс вызова, позволяя использовать легко запоминающиеся alias-адреса. Функции контроллера зоны могут быть встроены в шлюзы, устройства управления конференциями, а также в терминалы Н.323. [1]

Устройство управления конференциями

Устройство управления конференциями обеспечивает связь трех и более терминалов Н.323. Все терминалы, участвующие в конференции, устанавливают соединение с устройством управления конференциями (MCU Multipoint Control Unit). Устройство управляет ресурсами конференции, согласовывает возможности терминалов по обработке звука и видео, определяет аудио и видеопотоки, которые необходимо направлять по многим адресам.

Рекомендация Н.323 предусматривает три вида конференций:

1. Централизованная конференция, в которой оконечные устройства соединяются в режиме точка-точка с устройством управления конференциями MCU, контролирующим процесс создания и завершения конференции, а также обрабатывающим потоки пользовательской информации.

2. Децентрализованная конференция, в которой каждый ее участник соединяется с остальными участниками в режиме точка-группа точек, и оконечные устройства сами обрабатывают (переключают или смешивают) потоки информации, поступающие от других участников конференции.

3. Смешанная конференция, т.е. комбинация двух предыдущих видов.

Контролер конференций должен использоваться для организации конференций любого вида. Он определяет режим конференции, который может быть общим для всех участников конференции или отдельным для каждого из них. [1]

Сигнализация по стандарту H.323

Стек протокола H.323

Семейство протоколов Н.323 включает в себя три основных протокола: протокол взаимодействия оконечного оборудования с контроллером зоны - RAS, протокол управления соединениями - Н.225 и протокол управления логическими каналами - Н.245. Для переноса сигнальных сообщений H.225 и управляющих сообщений H.245 используется протокол с установлением соединения и с гарантированной доставкой информации - TCP. Сигнальные сообщения RAS переносятся протоколом с негарантированной доставкой информации - UDP. Для переноса речевой и видеоинформации используется протокол передачи информации в реальном времени - RTP. Контроль переноса пользовательской информации производится протоколом RTCP.
Эти три протокола и другие, совместно с Интернет протоколами TCP/IP, UDP, RTP и RTCP можно увидеть на рисунке 1.



Рисунок 1 - Стек протокола H.323

Протокол RAS

H.225 Registration, Admission, and Status (RAS)

RAS - это протокол, обеспечивающий сигнализацию между оконечными устройствами (терминалами и шлюзами) и контроллером зоны. RAS используется для:

· Обнаружение контроллера зоны

· Регистрация оконечного оборудования у контроллера зоны

· Контроль доступа оконечного оборудования к сетевым ресурсам

· Определение местоположения оконечного оборудования в сети

· Изменение полосы пропускания в процессе обслуживания вызова

· Опрос и индикация текущего состояния оконечного оборудования

· Оповещение контроллера зоны об освобождении полосы пропускания, ранее занимавшейся оборудованием.

Выполнение первых трех процедур, предусмотренных протоколом RAS, является начальной фазой установления соединения с использованием сигнализации Н.323. Далее следуют фаза сигнализации Н.225.0 (Q.931) и обмен управляющими сообщениями Н.245. Разъединение происходит в обратной последовательности: в первую очередь закрывается управляющий канал Н.245 и сигнальный канал Н.225.0, после чего по каналу RAS контроллер зоны оповещается об освобождении ранее занимавшейся оконечным оборудованием полосы пропускания.

Для переноса сообщений протокола RAS используется протокол негарантированной доставки информации UDP.

Данный канал сигнализации открывается перед установлением любого другого канала, так как является управляющим для всех типов каналов. [5]

Сигнальный канал Н.225.0

H.225 сигнализация вызова - используется для установления соединения между H.323 оконечными точками (терминалами и шлюзами), через которые будут транспортироваться данные в реальном масштабе времени. Сигнализация вызова включает обмен H.225 сообщениями протокола через надежный канал, задействованный для этой цели (канал сигнализации вызовов).

Если в H.323 сети нет контроллера зоны, то конечные точки обмениваются сигналами вызовов непосредственно друг с другом. Если контроллер зоны есть, то возможно использование двух методов вызовов: обмен сигналами непосредственно между конечными точками (так называемый "метод прямых вызовов") и обмен между оконечными точками только после обращения к контроллеру зоны и маршрутизации вызова ("метод с маршрутизацией вызовов в контроллере зоны"). Выбор используемого метода осуществляется при регистрации конечной точки в контроллере зоны.

Метод с маршрутизацией вызовов в контроллере зоны происходит следующим образом. Сигналы вызовов между оконечными точками и контроллером зоны передаются по RAS-каналам. Контроллер зоны получает сообщение вызова через канал сигнализации из одной оконечной точки и направляет его к другой оконечной точке через канал сигнализации другой оконечной точки. [3]

Управляющий канал Н.245

H.245 - сигнализация управления - состоит из сквозного обмена H.245-сообщеними между H.323-оконечными точками. H.245-сообщения управления передаются через H.245-каналы управления. H.245 - канал управления представляет из себя логический канал, который постоянно открыт, в отличие от каналов обмена мультимедиа потоков. Сообщения сигнализации управления можно разделить на две группы: обмен терминалов H.323 своими параметрами и сообщения управления.

Сообщения обмена параметрами: обмен параметрами позволяет терминалам выбрать такие режимы обмена данными и форматы кодирования, которые они могут использовать при совместной работе друг с другом. Уточняются возможности терминалов, как на прием, так и на передачу.

Сообщения управления процессами логическими каналами между конечными точками: логический канал несет информацию от одной оконечной точки до другой оконечной точки (в случае двухточечной конференции) или множественных оконечных точек (в случае отметки на многоточечную конференцию). Протокол H.245 предоставляет набор сообщений, обеспечивающих открытие и закрытие этих каналов. Логический канал всегда однонаправленный. [3]

Процедура соединения по H.323

Сценарий установления соединения между двумя терминалами H.323 без использования контроллера зоны ( рисунок 2)



Рисунок 2. Установка соединения H.323

Оконечный пункт A (вызывающая сторона) соединяется с оконечным пунктом B (вызываемая сторона) и посылает сообщение Setup (установка, как определено в H.225.0), включающее тип вызова (например, только звуковые сигналы), номер вызываемой и вызывающей стороны и адрес.

Оконечный пункт B откликается сообщением уведомления (Alerting). Оконечный пункт A должен принять это сообщение прежде, чем истечет время, отведенное на установку.

Когда пользователь в оконечном пункте B отвечает на вызов (снимает трубку), сообщение Connect (соединение) передается в оконечный пункт A.

Оба терминала передают информацию о своих возможностях (типы среды, выбор кодека и информация о мультиплексировании) в сообщении TerminalCapabilitySet (установка возможностей терминала).

Каждый терминал отвечает сообщением TerminalCapabilitySetAck (подтверждение установки возможностей терминала). В случае если удаленный оконечный пункт не обладает какими-то возможностями, будет передано сообщение TerminalCapabilitySetReject (отклонение установки возможностей терминала), и терминалы продолжат передавать эти сообщения, пока не определят, что устанавливаемые возможности поддерживаются обоими оконечными пунктами.

Каждый терминал передает сообщение H.245 OpenLogicalChannel (открыть логический канал), чтобы открыть логический канал с удаленным оконечным пунктом, чтобы настроить речевые каналы, по которым будет производиться обмен мультимедийными потоками.

В случае готовности к приемке данных каждый терминал передает OpenLogicalChannelAck (подтверждение открытия логического канала) в удаленный оконечный пункт, определяя номер порта, на который удаленному оконечному пункту следует передавать данные RTP, и номер порта, на который следует передавать данные RTCP удаленному оконечному пункту.

Оконечные пункты обмениваются информацией в пакетах RTP. Во время этого обмена передаются пакеты RTCP для контроля качества передачи данных.

Когда оконечный пункт A дает отбой (вешает трубку), он должен передать сообщение H.245 CloseLogicalChannel (закрыть логический канал) для каждого канала, открытого с оконечным пунктом B.

Оконечный пункт B отвечает сообщением CloseLogicalChannelAck (подтверждение закрытия логического канала).

Оконечный пункт A посылает команду H.245 EndSessionCommand (команда завершения сеанса) и закрывает канал после приема такого же сообщения от оконечного пункта B.

Оба терминала посылают сообщение H.225.0 ReleaseComplete (освобождение завершено) по каналу сигнализации вызова, которое закрывает канал и завершает соединение.

Протокол инициирования сеансов - SIP

Принципы построения протокола SIP

Протокол инициирования сеансов (Session Initiation Protocol - SIP) является протоколом прикладного уровня и предназначается для организации, модификации и завершения сеансов связи (например, мультимедийных конференций, телефонных соединений). Пользователи могут принимать участие в существующих сеансах связи, приглашать других пользователей и быть приглашенными ими к новому сеансу связи. Протокол SIP разработан группой MMUSIC комитета IETF, а спецификации протокола представлены в документе RFC 2543. В основу протокола заложены следующие принципы:

· Персональная мобильность пользователей. Пользователи могут перемещаться без ограничений в пределах 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 ее расширении. Серверная структура сети, построенная на базе протокола SIP, отвечает этому требованию.

· Расширяемость протокола. Она характеризуется возможностью дополнения протокола новыми функциями при введении новых услуг и его адаптации к работе с различными приложениями.

Расширение функций протокола SIP может быть произведено за счет введения новых заголовков сообщений, которые должны быть зарегистрированы в организации IANA. При этом если SIP-сервер принимает сообщение с неизвестными ему атрибутами, то он просто игнорирует их. Для расширения возможностей протокола SIP могут быть также добавлены и новые типы сообщений.

Интеграция в стек существующих протоколов Интернета, разработанных IETF. Протокол SIP является частью глобальной архитектуры мультимедиа, разработанной IETF. Эта архитектура включает в себя также и другие протоколы: резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol - RSVP, RFC 2205), транспортный протокол реального времени (Real-Time Transport Protocol - RTP, RFC 1889), протокол передачи потоковой информации в реальном времени (Real-Time Streaming Protocol - RTSP, RFC 2326), протокол описания параметров связи (SDP, RFC 2327). Однако функции самого протокола SIP не зависят ни от одного из этих протоколов.

Взаимодействие с другими протоколами сигнализации. Протокол SIP может быть использован совместно с протоколом Н.323. [6]

Интеграция протокола SIP с IPсетями

Важной особенностью протокола SIP является его независимость от транспортных технологий. В качестве транспорта могут использоваться протоколы Х.25, Frame Relay, AAL5, IPX и др. Структура сообщений SIP не зависит от выбранной транспортной технологии.

Сигнальные сообщения SIP могут переноситься не только протоколом транспортного уровня UDP, но и протоколом ТСР. Протокол UDP позволяет быстрее, чем TCP, доставлять сигнальную информацию (даже с учетом повторной передачи неподтвержденных сообщений), а также вести параллельный поиск местоположения пользователей и передавать приглашения к участию в сеансе связи в режиме многоадресной рассылки. В свою очередь, протокол ТСР упрощает работу с межсетевыми экранами, а также гарантирует надежную доставку данных.

При использовании протокола ТСР разные сообщения, относящиеся к одному вызову, либо могут передаваться по одному TCP соединению, либо для каждого запроса и ответа на него может открываться отдельное TCP соединение. [2]

На рисунке 3 показано место, занимаемое протоколом SIP в стеке протоколов TCP/IP.

Рисунок 3. Место протокола SIP в стеке протоколов TCP/IP

По сети с маршрутизацией пакетов IP может передаваться пользовательская информация практически любого вида: речь, видео и данные, а также любая их комбинация. При организации связи между терминалами пользователей необходимо сообщить встречной стороне, какого рода информация может приниматься (передаваться), алгоритм ее кодирования и адрес, на который следует передавать информацию. Таким образом, одним из обязательных условий организации связи при помощи протокола SIP является обмен между сторонами данными об их функциональных возможностях. Для этой цели чаще всего используется протокол описания сеансов связи - SDP (Session Description Protocol). Поскольку в течение сеанса связи может производиться его модификация, предусмотрена передача сообщений SIP с новыми описаниями сеанса средствами SDP. [6]

Для передачи речевой информации комитет IETF предлагает использовать протокол RTP, но сам протокол SIP не исключает возможность применения для этих целей и других протоколов.

Протокол SIP предусматривает организацию конференций трех видов:

· в режиме многоадресной рассылки (multicasting), когда информация передается на один multicast-адрес, откуда затем доставляется сетью конечным адресатам;

· при помощи контроллера управления конференции (MCU), к которому участники конференции передают информацию в режиме "точка-точка", а контроллер обрабатывает информацию (т. е. смешивает или коммутирует) и рассылает ее участникам конференции;

· путем соединения каждого пользователя с каждым в режиме "точка-точка".

Протокол SIP дает возможность присоединения новых участников к уже существующему сеансу связи, т. е. двусторонний сеанс может перейти в конференцию. [2]

Адресация

Для того чтобы вызвать кого-то, необходимо знать его адрес или хотя бы имя. В сети Интернет для нахождения хоста используется URL (для SIP он обозначается как SIP URL). В качестве адреса в SIP выбран самый распространенный тип - адрес электронной почты. Он уже сейчас является основным адресом, не зависящим от местоположения пользователя. Существуют четыре основные формы адреса: имя@домен, имя@хост, имя@IP-адрес, №телефона-@шлюз.

Адрес состоит из двух частей. Первая - это та часть, в которой указывается адрес домена, хоста или шлюза. Она может быть представлена и alias-адресом; тогда, чтобы найти IP-адрес, необходимо обратиться к сервису системы DNS. Если же здесь помещен IP-адрес, то никакого преобразования не надо, так как в этом случае достаточно напрямую связаться с адресатом.

Вторая часть адреса - это имя пользователя в домене или хосте. Если в первой части указан адрес шлюза, то вторая часть представлена телефонным номером абонента в глобальной или частной системе нумерации.

В начале адреса ставятся слово sip, указывающее, что это именно SIP-адрес, так как бывают другие (например, mailto).

SIP-адрес может соответствовать разным физическим адресам в зависимости от времени суток, алгоритма работы и т.п. Он может направлять вызов к одному определенному пользователю, первому свободному из группы пользователей или ко всей группе. Благодаря этому можно организовать такие услуги, как ночной вызов, переадресация, конференция и др.

Возможно использование адреса электронной почты в качестве публикуемого SIP-адреса. Применение URL позволяет, например, размещать свой адрес на Web-страницах:

sip: user1@rts.loniis.ru

sip: user1@ 195.201.37.104

sip: 273-44-55@gateway.ru » [3]

Элементы сети SIP

Сеть SIP содержит следующие основные элементы.

Агент пользователя (User Agent или SIP client) является приложением терминального оборудования и включает в себя две составляющие: клиент агента пользователя (User Agent Client - UAC) и сервер агента пользователя (User Agent Server - UAS), иначе называемые клиент и сервер. Клиент UAC инициирует SIP-запросы, т.е. выступает в качестве вызывающей стороны. Сервер UAS принимает запросы и отвечает на них, т.е. выступает в качестве вызываемой стороны.

Запросы могут передаваться не прямо адресату, а на некоторый промежуточный узел. Такие узлы бывают двух основных типов: прокси-сервер и сервер переадресации. [6]

Прокси-сервер (proxy server) принимает запросы, обрабатывает их и отправляет дальше на следующий сервер, который может быть как другим прокси-сервером, так и последним UAS. Таким образом, прокси-сервер принимает и отправляет запросы и клиента, и сервера. Приняв запрос от UAC, прокси-сервер действует от имени этого UAC.

Существует два вида прокси-серверов: с сохранением состояний (stateful) и без сохранения состояний (stateless). Сервер первого типа хранит в памяти входящий запрос, который явился причиной генерации одного или нескольких исходящих запросов. Эти исходящие запросы сервер также запоминает. Все запросы хранятся в памяти сервера только до окончания транзакции, т.е. до получения ответов на за просы. Сервер без сохранения состояний просто ретранслирует запросы и ответы, которые получает. Он работает быстрее, чем сервер 1-го типа, так как ресурс процессора не тратится на запоминание состояний, вследствие чего сервер этого типа может обслужить большее количество пользователей.

Прокси-сервер может модифицировать запросы, которые он переправляет дальше. Проще говоря, пользователь отсылает требование установить соединение на прокси-сервер, а тот сам заботится о том, чтобы оно было установлено. Прокси-сервер может размножать запрос и передавать его по разным направлениям, чтобы запрос достиг нескольких мест, в надежде на то, что нужный пользователь окажется в одном из них. [4]

Сервер переадресации (redirect server) передает клиенту в ответе на запрос адрес следующего сервера или клиента, с которым первый клиент связывается затем непосредственно. Он не может инициировать собственные запросы. Адрес сообщается первому клиенту в поле Contact сообщений SIP. Таким образом, этот сервер просто выполняет функции поиска текущего адреса пользователя.

Пользователь может перемещаться от одной оконечной системы к другой, так что нужен какой-то метод определения его местоположения. Для этого в SIP используется сервер местоположения (location server) - это база адресов, доступ к которой имеют SIP-серверы, пользующиеся ее услугами для получения информации о возможном местоположении вызываемого пользователя. Упрощенно базу данных можно представить как совокупность адресных записей, в которых напротив публикуемого адреса пользователя его стоит текущий адрес. Приняв запрос, сервер SIP обращается к серверу местоположения, чтобы узнать адрес, по которому можно найти пользователя. В ответ тот сообщает либо список возможных адресов, либо информирует о невозможности найти их. С другой стороны, пользователь информирует SIP-сервер о своем местоположении сообщением REGISTER. Сервер местоположения может располагаться как совместно с SIP-сервером (рисунок 4), где могут присутствовать некоторые элементы базы адресов, так и отдельно от него. [5]

Рисунок 4. Архитектура SIP сети

Сигнализация протокола SIP

SIP рекомендуется в качестве общего протокола инициации одноадресного и многоадресного вещания. В частности, его предлагают как протокол установления сеансов IP-телефонной связи. SIP работает по схеме клиент-сервер: клиент запрашивает определенный тип сервиса, а сервер обрабатывает его запрос и обеспечивает предоставление сервиса.

В протоколе SIP определены два типа сигнальных сообщений -- запрос (request) и ответ (response). Сообщения имеют текстовый формат и базируются на протоколе НТТР (синтаксис и семантика определены в RFC 2068). В запросе указываются процедуры, вызываемые для выполнения требуемых операций, а в ответе результаты их выполнения. SIP определяет шесть процедур:

· INVITE (приглашение к сеансу связи)

· BYE (завершение соединения)

· OPTIONS (используется для передачи информации о возможных характеристиках сеанса связи, и не применяется в процедуре установления соединения)

· ACK (используется для подтверждения получения сообщения или для положительного ответа на команду INVITE)

· CANCEL (прекращает поиск пользователя)

· REGISTER (передает информацию о местоположении пользователя). [3]

В общих чертах, схема применения SIP для установления двунаправленного сеанса связи такова: в составе сообщения INVITE вызывающий пользователь передает вызываемому характеристики инициируемой мультимедиа-сессии, а тот в ответном сообщении АСК отмечает те из них, которые может поддержать. Для подтверждения возможности приема конкретного формата мультимедийной информации вызываемому пользователю нужно указать отличный от нуля номер протокольного порта. SIP обеспечивает определение адреса пользователя и установление соединения с ним. Для описания канала мультимедийной связи, реализации функций защиты, аутентификации и т. д. он использует другие протоколы. В частности, очень важен протокол SDP (RFC 2327), который описывает параметры соединения. В сигнальные сообщения SDP входят следующие сведения:

· период времени, в течение которого сеанс активен

· среда передачи данных сеанса: тип мультимедиа (видео, аудио и т. д.), его формат, используемый транспортный протокол (RTP/UDP/IP, H.320 и т. д.) и номер порта

· информация для приема потока (адреса, порты, форматы и т. д.)

· данные о необходимой полосе пропускания

· SDP используется исключительно для текстового описания сеанса и не имеет ни транспортных механизмов, ни средств согласования требуемых для сеанса параметров.

Сообщения SDP передаются в составе некоторых сообщений SIP, например INVITE, ACK и OPTION.

Формат адресации в рамках SIP аналогичен формату адресации, используемому в электронной почте: «user@domain», «user@IP_address» или «phone_number@gateway».

Последний адрес обозначает обычный номер PSTN, доступный через данный шлюз.

Например, ссылка на web-странице «sip://i.smith@company.com» будет работать как ссылка mailto, только для голосового соединения. Как и адреса электронной почты, адреса SIP привязаны не к какому-либо конкретному хосту, а к некоторому домену.

SIP-сервер работает в режиме proxy сервера или в режиме переадресации. В первом случае, получив запрос на соединение, например, с адреса i.smith@company.com, сервер определяет его IP адрес и происходит соединение .В случае если данный сервер не может обработать адрес, он сообщает владельцу запроса адрес следующего SIP сервера, то есть включается режим переадресации (Рисунок 5). Протокол SIP разрешает обращение к нескольким серверам. В результате разветвленного поиска и сложной процедуры установления соответствия имени и IP-адреса может получиться набор результатов. Например, поиск адреса i.smith@company.com может привести как к мистеру И. Смиту, так к его жене, автоответчику, мобильному номеру, адресу электронной почты и т.д. При этом будет предоставлена дополнительная информация о том, мобильный это терминал или фиксированный, домашний номер или рабочий и т.д. После этого открывается канал связи, и обмен мультимедийными пакетами осуществляется на базе RTP (Real Time Transport Protocol), или сходного протокола». [6]