IP-телефония и основы мобильной связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТАДЖИКИСТАНА

ФАКУЛЬТЕТ: «ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ»

КАФЕДРА: «ФИЗИКИ, ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН»

КУРС ЛЕКЦИЙ

IP-телефония и основы мобильной связи

Душанбе - 2020



ВВЕДЕНИЕ

Концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера сформировалась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 г. Чарли Кляйн опубликовал Maven -- первую программу для передачи голоса по сети с помощью PC. Примерно в то же время одним из самых популярных мультимедийных приложений в сети стала CU-See Me, 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-See Me. Полученный со спутника сигнал поступал на Maven, соединенную с Интернетом, и любой желающий мог услышать голоса астронавтов. Потом одну программу встроили в другую, и появился вариант CU-See Me с полными функциями аудио и видео как для Maven, так и для PC.

Февраль 1995 г. Израильская компания Vocal Tec предложила первую версию программы Internet Phone для владельцев мультимедийных PC, работающих под Windows. Это стало важной вехой в развитии интернет телефонии. Vocal Tec надеялась использовать популярные в то время текстовые каналы Internet Relay Chat (IRC) в качестве двустороннего средства общения между людьми, имеющими сходные интересы. Но компании не удалось договориться с Eris Free Network (EF Net), курирующей IRC, поэтому доступ к этим общественным каналам для Internet Phone был закрыт. Через некоторое время была создана частная сеть серверов Internet Phone, и уже тысячи людей загрузили эту программу с домашней страницы Vocal Tec, -- так начиналась практика регулярного общения.

В том же 1995 г. другие компании очень быстро оценили перспективы, которые открывала возможность разговаривать, находясь в разных полушариях и не платя при этом за международные звонки.

В сентябре того же года в розничной продаже появилась первая из таких программ -- DigiPhone, которая предложила «дуплексные» возможности, позволяя говорить и слушать одновременно. В этот момент и родилась привлекательная для абонентов настоящая интерактивная связь.

В марте 1996 г. произошло еще одно знаменательное событие. Тогда было объявлено о совместном проекте под названием «Internet Telephone Gateway» двух компаний: уже известной нам Vocal Tec и крупнейшего производителя программного обеспечения для компьютерной телефонии Dialogic. Его целью было научить работать через Интернет обычный телефонный аппарат, для чего между Сетью и ТфОП устанавливался специализированный шлюз. Последний получил название VTG (Vocal Tec Telephone Gateway) и представлял собой специализированную программу, которая использовала голосовые платы Dialogic как интерфейс с обычными телефонными линиями. Специально разработанные многоканальные голосовые платы, во-первых, позволяли одной системе WG поддерживать до восьми независимых телефонных разговоров через Сеть, а во-вторых, убрали проблему адресации, взяв на себя преобразование обычных телефонных номеров в IP-адреса (и обратно). Для разговора одного пользователя в том продукте достаточно было ширины полосы канала порядка 11 кбит/с. Вот так возможность высокого уплотнения канала и малая стоимость связи создали предпосылки для коренных изменений телекоммуникационного мира.

Еще через год стали вполне привычными соединения через Интернет двух обычных телефонных абонентов, находящихся в совершенно разных местах планеты.

Всего за несколько лет технологии IP-телефонии значительно эволюционировали, и распространенные сегодня решения существенно отличаются от прежних. С одной стороны, это обусловлено развитием аппаратных решений, в частности появлением мощных магистральных и транзитных маршрутизаторов и высокоскоростных телекоммуникационных каналов. С другой стороны, нельзя не отметить и появления таких качественно новых технологий, как динамическая маршрутизация с учетом качества обслуживания в мультисервисных IP-сетях и резервирование ресурсов для контроля качества обслуживания транзитных маршрутизаторов.

Современное оборудование для передачи голоса посредством протокола IP (\ЫР) позволяет обеспечивать приоритет передачи голосового трафика над передачей обычных данных, получать приемлемое качество звукового сигнала при сильном сжатии, эффективно подавлять различные шумы.

Сегодня телекоммуникационные операторы, специализирующиеся на предоставлении услуг IP-телефонии, применяют выделенные каналы с приоритетом голосового трафика над трафиком данных, что гарантирует высокое качество передачи речи. При этом используется сразу несколько вариантов маршрутизации голосового трафика для каждого из тысяч направлений, а в случае возникновения каких-либо проблем трафик автоматически перенаправляется на другие каналы.

По мере своего развития IP-телефония претерпевает важные качественные изменения: из дополнительной услуги она постепенно превращается в некий базовый сервис, который в скором времени может стать одним из компонентов мультисервисной технологии.

Важную роль играет протокол для передачи голосового трафика. Активно развиваются, во-первых, Н.323, берущий свое начало от традиционных телефонных протоколов, и, во-вторых, протоколы, созданные на базе IP-технологий, -- такие как SIP, MGCP, MEGACO.

Российские операторы IP-телефонии наиболее часто используют протоколы группы Н.323. Это вызвано тем, что данный протокол был первым общепринятым стандартом промышленной реализации 1Р-телефонии. В настоящее время все большее внимание уделяется SIP. Протокол SIP в этой группе является самым простым видом протокола, более доступным для восприятия и понимания рядовым IT-специалистом. SIP особенно хорош в использовании во внутрикорпоративных сетях. При этом внешним протоколом в сети телекоммуникационного оператора для предприятия, как правило, все равно останется либо Н.323, либо MGCP/MEGACO.

Как было отмечено, IP-телефония становится одним из компонентов решения передачи разнородного мультимедийного трафика с использованием протокола TCP/IP. И вполне естественно, что развитие отдельных инструментов управления мультимедийным трафиком влияет на всю систему технологий пакетной передачи данных.

Следует также иметь в виду, что IP-телефония -- это не просто альтернатива обычной телефонии. Актуальность развития решений 1Р-телефонии обусловлена не только возможностью снижения затрат на телефонные переговоры и техническое обслуживание инфраструктуры (хотя и это, безусловно, имеет значение). В стратегическом плане IP-телефония может стать единой технической платформой, которая позволит объединить решения для передачи данных и голоса, а также для обработки и последующего использования этой информации во всех бизнес-процессах. Таким образом, развитие IP-телефонии в определенном смысле является средством повышения производительности труда и развития бизнеса.



ЛЕКЦИЯ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ IP-ТЕЛЕФОНИИ

* Терминология

IP-телефония (или \IP -- \bice over Internet protocol) -- технология, которая использует сеть с пакетной коммутацией сообщений на базе протокола IP для передачи голоса в режиме реального времени.

При разговоре наши голосовые сигналы преобразуются в пакеты данных, которые затем сжимаются. Далее эти пакеты данных посылаются через Интернет приемной стороне. Когда пакеты данных достигают адресата, они декодируются в аналоговый голосовой сигнал.

IP-телефония в чистом виде может применяться в качестве линий передачи голоса, для чего могут использоваться специально выделенные цифровые каналы.

* Особенности IP-телефонии

Почему IP-телефония привлекает к себе внимание?

Меньшие затраты на традиционные телефонные разговоры. В особенности это распространяется на междугородние и международные звонки. Также намного меньше затраты на инвестиции в оборудование. Высокие затраты телефонных компаний приводят к дорогим междугородным разговорам. Выделенное подключение, т. е. возможность постоянного доступа к телефонной связи с телефонной станции требует избыточной производительности за счет времени простоя в течение речевого сеанса. В таких случаях приходится оплачивать и то время, когда мы не используем телефонную линию.

В отличие от аналоговой телефонии, IP-телефония создает «подключение по запросу» и не имеет зарезервированных линий связи, что уменьшает затраты на телефонные разговоры.

Интернет-телефония частично использует существующие сети закрепленных за абонентами телефонных линий. Но в них она дополнительно применяет прогрессивную технологию сжатия (см. п. 3.3) передаваемых сигналов, которая более полно использует емкость телефонных линий.

При обычном способе передачи речи (аналоговой телефонии) используется канал пропускной способностью 64 кбит/с независимо от того, разговаривает абонент или молчит во время соединения. В случае передачи речи по IP-сетям, за счет оцифровки и компрессии (сжатия), речь передается в виде цифровой информации, причем если абонент молчит или делает паузы в разговоре, цифровая информация в канал не передается и канал не заполняется. Это позволяет в одном канале 64 кбит/с передавать от 8 и более соединений одновременно, что в свою очередь обеспечивает снижение тарифов, и, соответственно, оплата уменьшается.

Во-вторых, IP-телефония привлекает дополнительными возможностями совмещенного доступа в Интернет. Голосовые данные, факсимильные сообщения передаются уже с используемым IP-набором протоколов Интернета. Таким образом, голосовая информация и обычные данные могут передаваться по одной и той же сети. Это означает, что клиенты получают дополнительную полезную функцию от используемой сети, которая сочетает в себе свойства сети передачи обычных данных и телефонной сети. По сути это означает, что, имея компьютерную сеть, можно «наложить» на нее телефонию, и голосовой трафик этой сети будет передаваться по тем же каналам, что и данные (рис 1.1). Доступ в Интернет становится более универсальным.



Рис. 1.1. Компьютерная сеть с наложенной на нее 1Р-телефонией

На рисунке показаны: А, В -- абоненты, обменивающиеся информацией по сети.

К_А, Кв -- компьютеры абонентов А и В соответственно.

Ш_А и Шв -- шлюзы А и В.

FAX_a и FAXb -- телефаксы А и В.

Т_А и Тв -- телефоны А и В.

Открытая архитектура -- еще одна важная особенность VoIP.

Еще одним положительным свойством IP-телефонии является наличие общих протоколов IP-телефонии: Н.323, MGCP, SIP и т. д.

* Принципы пакетной передачи

Для проведения сеанса связи мы набираем номер вызываемого абонента, после чего происходит соединение с сетевым шлюзом, как показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Соединение с сетевым шлюзом



Голосовое сообщение абонента А с помощью микрофона преобразуется в электрический аналоговый сигнал, который претерпевает ряд преобразований (кодируется). Внутри шлюза происходит оцифровка голосового сигнала, как условно показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Оцифровка голосового сигнала

После оцифровки цифровой сигнал, занимающий изначально, как и наша речь, канал в 64 кбит/с, сжимается в соответствии с выбранным кодеком (см. п. 3) и разбивается на пакеты сигналов в соответствии с выбранным типом кодирующего устройства (кодеком) (рис. 1.4 и 1.5.). В преобразовании участвуют как аппаратные, так и программные средства со стороны абонента А.

Далее сжатые данные отправляются в сеть. На приемной стороне имеется аналогичный набор устройств абонента В (рис. 1.6), производящих преобразования в обратном порядке. Пакеты из сети поступают в телефонный шлюз, подключенный к телефонной линии. Все операции повторяются в обратном порядке, то есть осуществляется декодирование

Рис. 1.4. Сжатие информации кодирующим устройством



Рис. 1.5. Разбиение на пакеты цифрового сигнала и преобразование его в аналоговую форму, которая приводит в действие звуковой динамик.

Рис. 1.6. Соединение с приемной стороной

Показанные этапы преобразования сигналов и передачи происходят в малые доли секунды, практически в реальном масштабе времени, что позволяет обеспечить дуплексный (двухсторонний) разговор.

Архитектура технологии \ЫР может быть упрощенно представлена в виде двух плоскостей. Нижняя плоскость -- это базовая сеть с маршрутизацией пакетов IP, верхняя -- программные средства управления обслуживанием вызовов. Нижняя плоскость, говоря упрощенно, представляет собой комбинацию взаимосвязанных протоколов Интернета: это RTP (Real Time Transport Protocol), который функционирует поверх протокола UDP (User Datagram Protocol), расположенного, в свою очередь, в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP. Таким образом, иерархия протоколов RTP/UDP/IP представляет собой своего рода транспортный механизм для речевого трафика. Отметим, что в сетях с маршрутизацией пакетов IP для передачи данных всегда предусматриваются механизмы повторной передачи пакетов в случае их потери. При передаче голосовой информации в реальном масштабе времени этот прием неприменим, т. к. речевая информация очень чувствительна к задержкам, но менее чувствительна к потерям, поэтому для передачи речи (как и видеоинформации) используется механизм негарантированной доставки информации RTP/UDP/IP. Рекомендации ITU-T допускают задержки в одном направлении, не превышающие 150 мс.

Как уже было сказано, верхняя плоскость архитектуры IP управляет обслуживанием запросов связи, т. е. адресацией, куда вызов должен быть направлен, и способом, каким должно быть установлено соединение между абонентами. Инструмент такого управления -- телефонные системы сигнализации.

Виды соединений, взаимодействие с компьютерной сетью

Можно выделить три наиболее часто используемых сценария 1Р-телефонии:

* компьютер-компьютер;

* телефон-компьютер;

* телефон-телефон.

Первые сценарий «компьютер-компьютер» реализуется на базе стандартных компьютеров, оснащенных средствами мультимедиа и подключенных к сети Интернет.

Компоненты сценария «компьютер-компьютер» показаны на рис. 1.7. В этом сценарии аналоговые речевые сигналы от микрофона абонента А преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Отсчеты речевых данных в цифровой форме затем сжимаются кодирующим устройством для сокращения нужной для их передачи полосы в отношении 4:1, 8:1 или 10:1. Выходные данные после сжатия формируются в пакеты, к которым добавляются заголовки протоколов, и затем пакеты передаются через IP-сеть в систему 1Р-телефонии, обслуживающую абонента Б. Когда пакеты принимаются системой абонента Б, заголовки протокола удаляются, а сжатые речевые данные поступают в устройство, развертывающее их в первоначальную форму, после чего речевые данные снова преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и попадают в динамик телефона абонента Б. Для обычного соединения между двумя абонентами системы IP-телефонии на каждом конце одновременно реализуют как функции передачи, так и функции приема. Под IP-сетью, изображенной на рис. 1.8, подразумевается либо глобальная сеть Интернет, либо корпоративная сеть предприятия Intranet.

Рис. 1.7. Сценарий IP-телефонии «компьютер-компьютер»

Для поддержки сценария «компьютер-компьютер» поставщику услуг Интернет необходимо иметь отдельный сервер (Gate Keeper), преобразующий имена пользователей в динамические адреса IP. Сам сценарий ориентирован на пользователя, которому сеть нужна в основном для передачи данных, а программное обеспечение IP-телефонии требуется лишь иногда для разговоров с коллегами. Эффективное использование телефонной связи по сценарию «компьютер-компьютер» обычно связано с повышением продуктивности работы крупных компаний, например, при организации виртуальной презентации в корпоративной сети с возможностью не только видеть документы на веб-сервере, но и обсуждать их содержание с помощью 1Р-телефона.

Рассмотрим представленный на рис. 1.7 сценарий установления соединения «компьютер-компьютер» более подробно.

Для проведения телефонных разговоров друг с другом абоненты А и Б должны иметь доступ к Интернету или к другой сети с протоколом IP. Разберем возможный алгоритм организации связи между этими абонентами на примере протокола Н.323.

* Абонент А запускает свое приложение IP-телефонии, поддерживающее протокол Н.323.

* Абонент Б также заранее запустил свое приложение 1Р-телефо нии, поддерживающее протокол Н.323.

* Абонент А знает доменное имя абонента Б -- Domain Name System (DNS), вводит это имя в раздел «кому позвонить» в своем приложении IP-телефонии и нажимает кнопку Return.

* Приложение IP-телефонии обращается к DNS-серверу (который в данном примере реализован непосредственно в персональном компьютере абонента А) для того, чтобы преобразовать доменное имя абонента Б в IP-адрес.

* Сервер DNS возвращает IP-адрес абонента Б.

* Приложение IP-телефонии абонента А получает IP-адрес абонента Б и отправляет по этому адресу сигнальное сообщение Н.225 Setup.

* При получении сообщения Н.225 Setup приложение Б сигнализирует абоненту Б о входящем вызове.

* Абонент Б принимает вызов и приложение IP-телефонии отправляет ответное сообщение Н.225 Connect.

* Приложение IP-телефонии у абонента А начинает взаимодействие с приложением у абонента Б в соответствии с рекомендацией Н.245.

* После окончания взаимодействия по протоколу Н.245 и открытия логических каналов абоненты А и Б могут разговаривать друг с другом через 1Р-сеть.

При этом блок «Управление и сигнализация» управляет пакетизацией и депакетизацией передаваемых фрагментов, а также осуществляет контроль при их передаче.

В этом примере не показаны некоторые служебные детали, которые необходимы поставщику услуг для развертывания сети 1Р-телефонии.

При описании других сценариев в этой главе вместо громоздкого изображения компонентов оконечного устройства будет приводиться только упрощенное изображение терминала IP-телефонии. Таким аналогом рис. 1.7 является упрощенное представление того же сценария на рис. 1.8. К детальному рассмотрению процедур аналогово-цифрового и цифроаналогового преобразования, сжатия, пакетизации и др. мы вернемся ниже.

Рис. 1.8. Упрощенный сценарий IP-телефонии «компьютер-компьютер»

Замена изображений имеет и более глубокий смысл. Название сценария «компьютер-компьютер» отнюдь не означает, что в распоряжении пользователя обязательно должен быть стандартный PC с микрофоном и колонками, как это представлено на рис. 1.8. Главным требованием для такой схемы является то, что оба пользователя должны иметь подключенные к сети персональные компьютеры -- и эти PC должны быть всегда включены, подсоединены к сети и иметь в запущенном виде программное обеспечение IP-телефонии для приема входящих вызовов.

Принимая во внимание эти обстоятельства, под названием «компьютер» во всех сценариях мы будем понимать терминал пользователя, включенный в IP-сеть, а под названием «телефон» -- терминал пользователя, включенный в сеть коммутации каналов любого типа: ТфОП, ISDN или GSM.

Следующий сценарий «телефон-компьютер» находит применение в разного рода справочно-информационных службах Интернета, в службах сбыта товаров или в службах технической поддержки. Пользователь, подключившийся к серверу WWW какой-либо компании, имеет возможность обратиться к оператору справочной службы. Это вполне соответствует стилю жизни современных потребителей, связанному с потребностью в дополнительных удобствах и экономии времени.

Во втором сценарии «телефон-компьютер» соединение устанавливается между пользователем ТфОП и пользователем TP-сети (рис. 1.9). Предполагается, что установление соединения инициирует пользователь сети коммутации каналов.

Шлюз для взаимодействия сетей ТфОП и 1Р может быть реализован как отдельным устройством, так и интегрированным в существующее оборудование ТфОП или IP-сети. Показанная на рисунке сеть коммутации каналов может быть корпоративной сетью или сетью общего пользования.

Рис. 1.9. Пользователя IP-сети вызывает абонент ТфОП по сценарию «телефон-компьютер»



Возможна и иная разновидность второго сценария, когда соединение устанавливается между пользователем I P-сети и абонентом ТфОП, но инициирует его создание абонент ТфОП.

Рассмотрим несколько подробнее пример представленной на рис. 1.9 упрощенной архитектуры системы 1Р-телефонии по сценарию «телефон- компьютер». При попытке вызвать справочно-информационную службу, используя услуги пакетной телефонии и обычный телефон, на начальной фазе абонент А вызывает близлежащий шлюз 1Р-телефонии для минимизации затрат на услуги связи. От шлюза к абоненту А поступает запрос ввести номер, к которому должен быть направлен вызов (например, номер службы), и личный идентификационный номер (PIN) для аутентификации и последующего начисления платы, если эта служба платная. Основываясь на вызываемом номере, шлюз определяет наиболее доступный путь к данной службе. Кроме того, шлюз активизирует свои функции. Разъединение с любой стороны передается противоположной стороне по протоколу сигнализации и вызывает завершение установленных соединений и освобождение ресурсов шлюза для обслуживания следующего вызова.

Эффективность объединения услуг передачи речи и данных является основным стимулом использования IP-телефонии по сценариям «компьютер-компьютер» и «телефон-компьютер», не нанося при этом ущерба интересам операторов традиционных телефонных сетей.

Третий сценарий «телефон-телефон» в значительной степени отличается от первых двух сценариев IP-телефонии своей социальной значимостью, поскольку целью его применения является предоставление обычным абонентам ТфОП альтернативной возможности междугородной и международной телефонной связи.

Как правило, обслуживание вызовов по такому сценарию 1Р-телефонии выглядит следующим образом. Поставщик услуг 1Р-телефонии подключает свой шлюз к коммутационному узлу или станции ТфОП по сети Интернет или по выделенному каналу к аналогичному шлюзу, находящемуся в другом городе или другой стране.

Типичная услуга IP-телефонии по сценарию «телефон-телефон» использует стандартный IP-телефон, а вместо междугороднего компонента ТфОП задействует либо частную IP-сеть, либо сеть Интернет. Благодаря маршрутизации телефонного трафика по IP-сети стало возможным обходить сети общего пользования и, соответственно, не платить за междугороднюю/международную связь операторам этих сетей.

Как показано на рис. 1.10, поставщики услуг IP-телефонии предоставляют услуги «телефон-телефон» путем установки шлюзов 1Р-телефонии на входе и выходе IP -сетей. Абоненты подключаются к шлюзу поставщика услуг IP-телефонии через ТфОП, набирая специальный номер доступа. Абонент получает доступ к шлюзу, используя персональный идентификационный номер (PIN) или услугу идентификации номера вызывающего абонента (Calling Line Identification). После этого шлюз просит ввести телефонный номер вызываемого абонента, анализирует этот номер и определяет, какой шлюз имеет лучший доступ к нужному телефону. Как только между входным и выходным шлюзами устанавливается

Рис. 1.10. Соединение абонентов ТфОП через транзитную IP-сеть по сценарию «телефон-телефон» контакт, дальнейшее установление соединения к вызываемому абоненту выполняется выходным шлюзом через его местную телефонную сеть.



Полная стоимость такой связи будет складываться для пользователя из расценок ТфОП на связь с входным шлюзом, расценок интернет-провайдера на транспортировку данных и расценок удаленной ТфОП на связь выходного шлюза с вызванным абонентом.

Одним из алгоритмов организации связи по сценарию «телефон-телефон» является выпуск поставщиком услуги своих телефонных карт. Имея такую карту, пользователь, желающий позвонить в другой город, набирает номер поставщика данной услуги, затем в режиме до набора вводит свой идентификационный номер и PIN-код, указанный на карте. После процедуры аутентификации он набирает телефонный номер адресата.



ЛЕКЦИЯ 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОТОКОЛОВ ИНТЕРНЕТА В 1Р-ТЕЛЕФОНИИ

Работа IP-телефонии, передача голоса, аудио-, видео-, конференцсвязь имеет свою существенную специфику, особенно в условиях уже созданных компьютерных сетей. Поэтому необходимо хорошо понимать требования, хорошо знать условия работы и уметь прогнозировать результаты воздействия комплекса применяемых правил и протоколов.

* Адресация в IP-сетях

Каждый терминал в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней.

* Физический (МАС-адрес) -- локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, куда входит данный узел.

* Сетевой (IP-адрес), состоящий из 4 байтов, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. 1Р-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно или назначен по рекомендации специального подразделения Интернета (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Интернета. Обычно провайдеры услуг Интернета получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла -- гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма условно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP- адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

* Символьный (DNS-имя) -- идентификатор-имя. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена.

Интернет -- это совокупность тысяч компьютеров, объединенных в сети, которые, в свою очередь, соединены между собой посредством маршрутизаторов.

Сеть Интернет имеет иерархическую структуру. Этот подход является эффективным, потому что позволяет идентифицировать компоненты Интернета посредством адресов, также имеющих иерархическую структуру. Старшие биты адреса идентифицируют сеть, в которой находится рабочая станция, а младшие -- расположение рабочей станции в этой сети.

Подавляющее большинство сетей сейчас использует протокол IPv4 (интернет-протокол версии 4), хотя уже разработана шестая версия протокола IP. Схема адресации протокола IPv4 предусматривает размер адресного поля 32 бита, что дает 2³² (или 4 294 967 296) потенциальных адресов.

IP-адрес любой рабочей станции состоит из адреса сети и адреса компьютера в этой сети. В архитектуре адресации предусмотрено пять форматов адреса, каждый из которых начинается с одного, двух, трех или четырех битов, идентифицирующих класс сети (класс А, В, С, D или Е). Область сетевого идентификатора (Network ID) определяет конкретную сеть в классе, а область Host ID идентифицирует конкретный компьютер в сети, а именно:

* адреса класса А идентифицируются начальным битом 0. Следующие семь битов определяют конкретную сеть (число возможных значений -- 128, или 2⁷). Остальные 24 бита определяют конкретный компьютер в сети, при возможном количестве компьютеров 16 777 216 (2²⁴). Адреса класса А предназначены для очень крупных сетей с большим количеством рабочих станций;

* адреса класса В идентифицируются начальной двух битовой двоичной последовательностью 10. Следующие 14 битов определяют сеть, при возможном количестве сетей 16 384 (2¹⁴). Остальные 16 битов определяют конкретный компьютер, с возможным количеством компьютеров 65 536 (2¹⁶);

* адреса класса С идентифицируются начальной трех битовой последовательностью 110. Следующие 21 бит определяют сеть, с возможным количеством сетей 2 697 152. Остальные 8 битов определяют конкретный компьютер в сети, с возможным количеством компьютеров 256 (2⁸). Большинство организаций имеют адреса класса С;

* адреса класса D идентифицируются начальной четырех битовой последовательностью 1110. Адреса этого класса предназначены для групповой передачи, и оставшиеся 28 битов определяют групповой адрес;

* адреса класса Е идентифицируются начальной четырех битовой двоичной последовательностью 1111. Адреса этого класса зарезервированы для будущего использования.

Способ, при помощи которого записываются все IP-адреса, называется пунктирной десятичной системой обозначений. Каждое 32-битовое адресное поле разделено на четыре поля в виде ххх.ххх.ххх.ххх, и каждому полю дается десятичное числовое значение от 0 до 255, выраженное в виде одного октета (2⁸ = 256, или 0-255). Адреса класса А начинаются с 1 до 127, адреса класса В -- с 128 до 191, и адреса класса С -- с 192 до 223.



Рис. 2.1. Структура 1Р-адреса

Строго говоря, адрес идентифицирует только сетевой интерфейс рабочей станции, т. е. точку подключения к сети.

IP-адреса распределяются Корпорацией Интернет по присвоению имен и номеров (ICANN). Класс IP-адреса и, следовательно, количество возможных адресов компьютеров зависит от размеров организации. Организация, которой присвоены номера, может затем переназначить их на основе либо статической, либо динамической адресации. Статическая адресация означает жесткую привязку IP-адреса к конкретному компьютеру. При динамической адресации компьютеру присваивается доступный IP-адрес всякий раз при установлении соединения. Динамическое присвоение IP-адресов обычно осуществляется через маршрутизатор, работающий по протоколу DHCP (протокол динамической конфигурации рабочей станции). Наоборот, если доступ к поставщику осуществляется по xDSL, поставщик услуг Интернет обычно присваивает пользователю один или более статических 1Р-адресов.

Как уже отмечалось, протокол IP версии 4 предусматривает размер адресного поля 32 бита, что дает 2³² (или 4 294 967 296) потенциальных адресов. Однако возрастающая популярность технологии TCP/IP привела к истощению плана нумерации протокола. Дополнительной проблемой является тот факт, что очень большое количество адресов класса А и класса

В было выделено крупным организациям, которые в них на самом деле не нуждались, и поскольку фактически использовался только небольшой процент адресов, огромное количество доступных адресов было потеряно.

Протокол IPv6 решает этот вопрос путем расширения адресного поля до 128 битов, обеспечивая тем самым 2¹²⁸ потенциальных адресов, что составляет величину 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456.

Протокол IPv6 обладает также дополнительными функциональными возможностями, хотя для их реализации потребуется модернизация существующего сетевого программного обеспечения.

Но вернемся к протоколу IPv4. Компьютер, подключенный к сети Интернет, кроме IP-адреса может идентифицироваться доменным именем. Сеть Интернет разделена на логические области (домены). Адреса в системе имен доменов (DNS), администрирование которых лежит на ICANN, имеют стандартный вид: последовательность имен, разделенных точками. Домены TLD, которые идентифицируются как суффикс доменного имени, бывают двух типов: обобщенные домены верхнего уровня (net, сот, org) и коды стран (ru,fi, ш).

Имена доменов гораздо легче запомнить и ввести, но необходимо преобразование для перевода имен доменов в IP-адреса -- для того чтобы разные маршрутизаторы и коммутаторы могли направить информацию в нужный пункт назначения.

* Модель OSI

Функционирование сети Интернет основано на сложном комплексе протоколов, обеспечивающих выполнение различных функций -- от непосредственно передачи данных до управления конфигурацией оборудования сети.

Для того чтобы классифицировать различные протоколы и понять их место в общей структуре технологии межсетевого взаимодействия, удобно воспользоваться так называемым «многоуровневым представлением сетевых протоколов». В рамках такого представления подразумевается, что протоколы более высокого уровня используют функции протоколов более низкого уровня. Классической моделью такого рода является семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection -- OSI), разработанная ITU-T.

Первый уровень модели -- уровень сетевого интерфейса -- поддерживает физический процесс переноса информации между устройствами в сети, т. е. объединяет функции двух уровней OSI -- физического и звена данных. Третий уровень сетевого интерфейса обеспечивает физическое соединение со средой передачи, обеспечивает разрешение конфликтов, возникающих в процессе организации доступа к среде (например, используя технологию CSMA/CD в сети Ethernet), упаковывает данные в пакеты. Пакет -- это протокольная единица, которая содержит информацию верхних уровней и служебные поля (аппаратные адреса, порядковые номера, подтверждения и т. д.), необходимые для функционирования протоколов этого уровня.

Рис. 2.2. Уровни модели OSI

Сетевой уровень отвечает за передачу информации, упакованной в дейтаграммы (datagram), от одного компьютера к другому. Дейтаграмма -- это протокольная единица, которой оперируют протоколы семейства TCP/IP. Она содержит адресную информацию, необходимую для переноса дейтаграммы через сеть, а не только в рамках одного звена данных. Понятие дейтаграммы никак не связано с физическими характеристиками сетей и каналов связи, что подчеркивает независимость протоколов TCP/IP от аппаратуры. Основным протоколом, реализующим функции сетевого уровня, является протокол IP. Этот протокол отвечает за маршрутизацию, фрагментацию и сборку дейтаграмм в рабочей станции.

Обмен между сетевыми узлами информацией о состоянии сети, необходимой для формирования оптимальных маршрутов следования дейтаграмм, обеспечивают протоколы маршрутизации -- RIP, EGP, BGP, OSPF и др.

Протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol -- ARP) преобразует IP-адреса в адреса, использующиеся в локальных сетях (например, Ethernet). На некоторых рисунках, изображающих архитектуру и взаимосвязь протоколов, ARP размещают ниже IP, чтобы показать его тесную взаимосвязь с уровнем сетевого интерфейса.

Протокол контрольных сообщений -- (Internet Control Message Protocol -- ICMP) предоставляет возможность программному обеспечению рабочей станции или маршрутизатора обмениваться информацией о проблемах маршрутизации пакетов с другими устройствами в сети. Протокол ICMP -- необходимая часть реализации стека протоколов TCP/IP.

Когда дейтаграмма проходит по сети, она может быть потеряна или искажена. Транспортный уровень решает эту проблему и обеспечивает надежную передачу информации от источника к приемнику. Кроме того, реализации протоколов этого уровня образуют универсальный интерфейс для приложений, дающий доступ к услугам сетевого уровня. Наиболее важными протоколами транспортного уровня являются TCP и UDP.

Конечные пользователи взаимодействуют с компьютером на уровне пользовательских приложений. Разработано множество протоколов, применяемых соответствующими приложениями. Например, приложения передачи файлов используют протокол FTP, веб-приложения -- протокол HTTP. Оба протокола, FTP и HTTP, базируются на протоколе TCP. Приложение Telnet обеспечивает подключение удаленных терминалов. Протокол эксплуатационного управления сетью SNMP позволяет управлять конфигурацией оборудования в сети и собирать информацию о его функционировании, в том числе и об аварийных ситуациях. Приложения, созданные для организации речевой связи и видеосвязи, используют протокол RTP для передачи информации, чувствительной к задержкам. X Window -- популярный протокол для подключения к интеллектуальному графическому терминалу. Этот список можно еще продолжить рядом протоколов.

Таким образом, IP-сети используют для передачи информации разнообразные протоколы, причем функции протоколов не зависят от того, какие данные передаются. Иными словами, IP, ARP, ICMP, TCP, UDP и другие элементы стека протоколов TCP/IP предоставляют универсальные средства передачи информации, какой бы природы она ни была (файл по FTP, веб-страница или аудиоданные).

* Основные протоколы 1Р-телефонии

* Протокол IP версии 4

В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке протоколов TCP/IP применяется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей. Поэтому он хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP организует пакетную передачу информации от узла к узлу IP-сети, не используя процедур установления соединения между источником и приемником информации. Кроме того, Internet Protocol является дейтаграммным протоколом: при передаче информации по протоколу IP каждый пакет передается от узла к узлу и обрабатывается в узлах независимо от других пакетов.

Протокол IP не обеспечивает надежность доставки информации, так как он не имеет механизмов повторной передачи. Он не имеет также и механизмов управления потоком данных (flow-control). Дейтаграммы могут быть потеряны, размножены или получены не в том порядке, в каком были переданы.

Протокол IP базируется на протоколе уровня звена данных, который обеспечивает передачу данных по физической среде. Программный модуль, реализующий протокол IP, определяет маршрут переноса данных по сети до точки назначения или до промежуточного маршрутизатора, где дейтаграмма извлекается из кадра локальной сети и направляется в канал, который соответствует выбранному маршруту. Дейтаграммы могут разбиваться на более мелкие фрагменты, или, наоборот, несколько дейтаграмм могут объединяться в одну на стыке разных сетей, если эти сети поддерживают передачу дейтаграмм разной длины.

В каждой рабочей станции, подключенной к IP-сети, обработка IP- дейтаграмм производится по одним и тем же правилам адресации, фрагментации и маршрутизации. Рабочие станции рассматривают каждую дейтаграмму как независимую протокольную единицу.

На рис. 2.3 показана структура протокольной единицы протокола 1Р-дейтаграммы.



Рис. 2.3. 1Р-дейтаграмма

Поле версия (version) идентифицирует используемую версию протокола IP, в рассматриваемом случае указывается версия 4. Необходимость этого поля объясняется тем, что в переходный период в сети могут применяться протоколы разных версий.

Поле длина заголовка (header length), состоящее из 4 битов, определяет длину заголовка, причем длина указывается как количество блоков размером 32 бита. В типичном случае значение этого поля равно 5.

Поле Тип обслуживания (Type of Service) содержит информацию, которая бывает нужна при поддержке сетью разных классов обслуживания. Использование этого поля в Интернете будет возрастать по мере роста в IP-сетях возможностей передачи мультимедийного трафика с задаваемыми параметрами качества обслуживания.

Поле Общая длина (Total Length) определяет общую длину дейтаграммы в октетах (байтах), включая заголовок и полезную нагрузку. Максимальная длина дейтаграммы составляет 65535 октетов, однако на практике все рабочие станции и маршрутизаторы работают с длинами, не превышающими 576 байтов. Это объясняется тем, что при превышении указанной длины снижается эффективность работы сети.

Протокол IP использует 3 поля заголовка для управления фрагментацией/сборкой дейтаграмм. Как уже упоминалось, фрагментация необходима, потому что разные сети, по которым передаются дейтаграммы, имеют разные максимальные размеры кадра.

Идентификатор фрагмента (Identifier) обозначает все фрагменты одной дейтаграммы, что необходимо для ее успешной сборки на приемной стороне.

Поле Флагов (Flags) обеспечивает возможность фрагментации дейтаграмм и, при использовании фрагментации, позволяет идентифицировать последний фрагмент дейтаграммы.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) определяет положение фрагмента относительно исходной дейтаграммы в единицах, равных 8 октетам.

Поле Время жизни (TTL -- Time То Live) используется для ограничения времени, в течение которого дейтаграмма находится в сети. Каждый маршрутизатор сети должен уменьшать значение этого поля на единицу и отбрасывать дейтаграмму, если поле TTL приняло нулевое значение. Наличие поля TTL ограничивает возможность бесконечной циркуляции дейтаграммы по сети.

Поле Протокол (Protocol) идентифицирует протокол верхнего уровня (TCP, UDP и т. д.).

Поле Контрольная сумма заголовка (Header Checksum) обеспечивает возможность контроля ошибок в заголовке. Алгоритм подсчета контрольной суммы весьма прост, поскольку обычно протоколы нижнего уровня имеют более развитые средства контроля ошибок.

IP-дейтаграммы содержат в заголовке два адреса -- отправителя (Source) и получателя (Destination), которые не меняются на протяжении всей жизни дейтаграммы.

* Протокол IP версии 6

Самой насущной проблемой все чаще становится нехватка адресного пространства, что требует изменения формата адреса.

Другой проблемой является недостаточная масштабируемость процедуры маршрутизации -- основы IP-сетей. Быстрый рост сети вызывает перегрузку маршрутизаторов, которые уже сегодня вынуждены поддерживать таблицы маршрутизации с десятками и сотнями тысяч записей, а также решать проблемы фрагментации пакетов. Облегчить работу маршрутизаторов можно, в частности, путем модернизации протокола IP.

Наряду с вводом новых функций непосредственно в протокол IP, целесообразно обеспечить более тесное взаимодействие его с новыми протоколами путем введения в заголовок пакета новых полей.

В результате было решено подвергнуть протокол IP модернизации, преследуя следующие основные цели:

* создание новой расширенной схемы адресации;

* улучшение масштабируемости сетей за счет сокращения функций магистральных маршрутизаторов;

* обеспечение защиты данных.

Расширение адресного пространства. Протокол IP решает потенциальную проблему нехватки адресов за счет расширения разрядности адреса до 128. Однако такое существенное увеличение длины адреса было сделано в значительной степени не с целью снять проблему дефицита адресов, а для повышения эффективности работы сетей на основе этого протокола. Главной целью было структурное изменение системы адресации, расширение ее функциональных возможностей.

Вместо существующих двух уровней иерархии адреса (номер сети и номер узла) в протоколе IPv6 предлагается использовать четыре уровня, что предполагает трехуровневую идентификацию сетей и один уровень для идентификации узлов.

Теперь адрес записывается в шестнадцатеричном виде, причем каждые четыре цифры отделяются друг от друга двоеточием, например: FEDC:OA96:0:0:0:0:7733:567!A.

Для сетей, поддерживающих обе версии протокола IPv4 и IPv6, имеется возможность использовать для младших 4 байтов традиционную десятичную запись, а для старших -- шестнадцатеричную:

0:0:0:0:0:FFFR 194.135.75.104.

В рамках системы адресации IPv6 имеется также выделенное пространство адресов для локального использования, то есть для сетей, не вхо входящих в Интернет. Существует две разновидности локальных адресов: для «плоских» сетей, не разделенных на подсети (Link-Local), и для сетей, разделенных на подсети (Site-Local), которые различаются значением префикса.

Изменение формата заголовков пакетов. Реализовать это позволяет новая схема организации «вложенных заголовков», обеспечивающая разделение заголовка на основной, который содержит необходимый минимум информации, и дополнительные, которые могут отсутствовать. Такой подход открывает богатые возможности для расширения протокола путем определения новых опциональных заголовков, делая протокол открытым.

Основной заголовок дейтаграммы IPv6 длиной 40 байтов имеет следующий формат (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Формат основного заголовка дейтаграммы IPv6

Поле Класс трафика (Traffic Class) эквивалентно по назначению полю Тип обслуживания (Type Of Service), а поле Лимит переходов (Нор Limit) -- полю Время жизни (Time То Live) протокола IPv4.

Поле Метка потока (Flow Label) позволяет выделять и особым образом обрабатывать отдельные потоки данных без необходимости анализировать содержимое пакетов. Это очень важно с точки зрения снижения нагрузки на маршрутизаторы.

Поле Следующий заголовок (Next Header) является аналогом поля Протокол (Protocol) IPv4 и определяет тип заголовка, следующего за основным. Каждый следующий дополнительный заголовок также содержит поле Next Header.

* Протокол TCP

Протокол управления передачей информации (Transmission Control Protocol -- TCP) был разработан для поддержки интерактивной связи между компьютерами. Протокол TCP обеспечивает надежность и достоверность обмена данными между процессами на компьютерах, входящих в общую сеть.

К сожалению, протокол TCP не приспособлен для передачи мульти мультимедийной информации. Основная причина -- отсутствие контроля за доставкой. Контроль отнимает слишком много времени для передачи более чувствительной к задержкам информации. Кроме того, TCP предусматривает механизмы управления скоростью передачи с целью избежать перегрузок сети. Аудио- и видеоданные требуют, однако, строго определенных скоростей передачи, которые нельзя изменять произвольным образом.

С одной стороны протокол TCP взаимодействует с прикладным протоколом пользовательского приложения, а с другой -- с протоколом, обеспечивающим «низкоуровневые» функции маршрутизации и адресации пакетов, которые, как правило, выполняет IP.

Логическая структура сетевого программного обеспечения, реализующего протоколы семейства TCP/IP в каждом узле сети Интернет, изображена на рис. 2.5.

Прямоугольники обозначают модули, обрабатывающие данные, а линии, соединяющие прямоугольники, -- пути передачи данных. Горизонтальная линия внизу рисунка обозначает сеть Ethernet, которая используется в качестве примера физической среды.



Рис. 2.5. Структура сетевого программного обеспечения стека протоколов TCP/IP

Чтобы установить соединение между двумя процессами на разных компьютерах сети, необходимо знать не только интернет-адреса компьютеров, но и номера тех TCP-портов (sockets), которые процессы используют на этих компьютерах. Любое TCP-соединение в сети Интернет однозначно идентифицируется двумя IP-адресами и двумя номерами ТСР-портов.

Протокол TCP умеет работать с поврежденными, потерянными, дублированными или поступившими с нарушением порядка следования пакетами. Это достигается благодаря механизму присвоения каждому передаваемому пакету порядкового номера и механизму проверки получения пакетов.

Когда протокол TCP передает сегмент данных, копия этих данных помещается в очередь повтора передачи и запускается таймер ожидания подтверждения.

* Протокол UDP

Протокол передачи пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol -- UDP) предназначается для обмена дейтаграммами между процессами компьютеров, расположенных в объединенной системе компьютерных сетей.

Протокол UDP базируется на протоколе IP и предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, немногим отличающиеся от услуг протокола IP. Протокол UDP обеспечивает негарантированную доставку данных, т. е. не требует подтверждения их получения; кроме того, данный протокол не требует установления соединения между источником и приемником информации, т. е. между модулями UDP.

* Протоколы RTP и RTCP

Основные понятия

Транспортный протокол реального времени RTP обеспечивает сквозную передачу в реальном времени мультимедийных данных, таких как интерактивное аудио и видео. Этот протокол реализует распознавание типа трафика, нумерацию последовательности пакетов, работу с метками времени и контроль передачи.

Действие протокола RTP сводится к присваиванию каждому исходящему пакету временных меток. На приемной стороне временные метки пакетов указывают на то, в какой последовательности и с какими задержками их необходимо воспроизводить. Поддержка RTP и RTCP позволяет принимающему узлу располагать принимаемые пакеты в надлежащем порядке, снижать влияние неравномерности времени задержки пакетов в сети на качество сигнала и восстанавливать синхронизацию между аудио и видео, чтобы поступающая информация могла правильно прослушиваться и просматриваться пользователями.

Заметим, что RTP сам по себе не имеет никакого механизма, гарантирующего своевременную передачу данных и качество обслуживания, но для обеспечения этого использует службы нижележащего уровня. Он не предо предотвращает нарушения порядка следования пакетов, но при этом и не предполагает, что основная сеть абсолютно надежна и передает пакеты в нужной последовательности. Порядковые номера, включенные в RTP, позволяют получателю восстанавливать последовательность пакетов отправителя.

Протокол RTP поддерживает как двустороннюю связь, так и передачу данных группе адресатов, если групповая передача поддерживается нижележащей сетью. RTP предназначен для обеспечения информации, требуемой отдельным приложениям, и в большинстве случаев интегрируется в работу приложения.

Хотя протокол RTP считается протоколом транспортного уровня, он функционирует обычно поверх другого протокола транспортного уровня UDP (User Datagram Protocol). Оба протокола вносят свои доли в функциональность транспортного уровня. Следует отметить, что RTP и RTCP являются независимыми от нижележащих уровней -- транспортного и сетевого, поэтому протоколы RTP/RTCP могут использоваться с другими подходящими транспортными протоколами.

Протокольные блоки данных RTP/RTCP называются пакетами. Пакеты, формируемые в соответствии с протоколом RTP и служащие для передачи мультимедийных данных, называются информационными пакетами или пакетами данных (data packets), а пакеты, генерируемые в соответствии с протоколом RTCP и служащие для передачи служебной информации, которая требуется для надежной работы телеконференции, называют пакетами управления или служебными пакетами (control packets). Пакет RTP включает в свой состав фиксированный заголовок, необязательное расширение заголовка переменной длины и поле данных. Пакет RTCP начинается с фиксированной части (подобной фиксированной части информационных пакетов RTP), за которой следуют структурные элементы, имеющие переменную длину.

Для того чтобы протокол RTP был более гибким и мог применяться для различных приложений, некоторые его параметры сделаны преднамеренно неопределенными, но зато в нем предусмотрено понятие профиля. Профиль (profile) -- это набор параметров протоколов RTP и RTCP для конкретного класса приложений, определяющий особенности их функционирования. В профиле определяются: использование отдельных полей заголовков пакетов, типы трафика, дополнения к заголовкам и расширения заголовков, типы пакетов, услуги и алгоритмы обеспечения безопасности связи, особенности использования протокола нижележащего уровня и т. д. Каждое приложение обычно работает только с одним профилем, и задание типа профиля происходит путем выбора соответствующего приложения. Никакой явной индикации типа профиля номером порта, идентификатором протокола и т. п. не предусмотрено.

...