Разработка алгоритма взаимодействия протоколов сигнализации в сети IP-телефонии на базе Softswitch

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

Разработка алгоритма взаимодействия протоколов сигнализации в сети IP-телефонии на базе Softswitch

Содержание

Глава 1. Принципы IP-телефонии

1.1 Конвергенция сетей связей

1.2 Технология IP-телефонии

1.3 Стандарты IP-телефонии

1.4 Взаимодействие сетей IP-телефонии и ТфОП

Глава 2. Основные протоколы в конвергентных сетях

2.1 Протокол сигнализации ОКС№7

2.2 Сеть на базе протоколов H.323

2.2.1 Архитектура сети на базе H.323

2.2.2 Семейство протоколов Н.323

2.2.3 Алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединения

2.3 Протокол инициирования сеансов связи -- SIP

2.3.1 Архитектура сети SIP

2.3.2 Сообщения протокола SIP

2.3.3 Алгоритмы установления соединения

2.4 Принцип декомпозиции шлюза

2.5 Сравнение подходов построения сети IP-телефонии

Введение

В курсовой работе разрабатывается тема «Разработка алгоритма взаимодействия протоколов в сети IP-телефонии на базе Softswitch».

Ключевые слова: конвергенция, сеть нового поколения (NGN), IP-телефония, семейство протоколов H.323, протокол SIP, принцип декомпозиции шлюза, программный коммутатор Softswitch, шлюз сигнализации.

Цель работы -- исследование необходимости внедрения технологии Softswitch в сетевую структуру и разработка алгоритма взаимодействия протоколов сети IP-телефонии на базе Softswitch.

В результате проведенного в работе исследования возможностей Softswitch можно говорить о том, что программный коммутатор по праву займет свое место в структуре сети нового поколения NGN, а разработанные алгоритмы смогут применяться в разрабатываемом оборудовании.

Глава 1. Принципы IP-телефонии

Общий принцип действия телефонных серверов IP-телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны, сервер связан с Интернетом и может связаться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через Интернет по назначению с использованием протокола TCP/IP. Для пакетов, приходящих из Сети на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети) происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций.

Заметим также, что в качестве сети, по которой передаются пакеты, может использоваться не только Интернет, но и любая локальная сеть.

Известны и практически реализуются две базовые схемы IP-телефонии. Первая из них (рис. 1.1) связана с организацией телефонных переговоров между пользователями персональных компьютеров, оснащенных мультимедийным оборудованием и (или) специальными программными (программно-аппаратными) средствами, обеспечивающим ведение дуплексных телефонных переговоров, необходимый сервис и контроль. Пользовательские компьютеры могут входить в состав локальной сети, иметь персональный IP-адрес или подключаться к сети Интернет при помощи модема.



Рис. 1.1. Структурная схема организации телефонной связи через сеть Интернет

Вторая схема (рис. 1.2), предусматривает использование специальных многофункциональных устройств -- шлюзов. Шлюз предназначен для преобразования аналоговых речевых и служебных сигналов в цифровую последовательность, организации из этой последовательности пакетов глобальной сети Интернет и передачи их в сеть. Также в его задачи входят прием пакетов и восстановление цифровой последовательности -- цифровых речевых и служебных сигналов и их преобразование в аналоговую форму, а так же решение большого перечня задач, связанных с организацией интерфейсов, генерированием и детектированием сигналов абонентской сигнализации, управлением режимами телефонных переговоров и многое другое.

Шлюзы могут устанавливаться на серверах Интернет-провайдеров, городских телефонных станциях, учрежденческих АТС, серверах локальных вычислительных сетей, служб технической поддержки, диалоговых справочных служб и т.д. Шлюзы, наконец, могут устанавливаться на маршрутизаторах.



Рис. 1.2. Структурная схема организации телефонной связи через сеть Интернет с использованием шлюзов

В зависимости от схемы организации связи архитектура шлюза может меняться, могут модифицироваться некоторые функции, выполняемые шлюзом, интерфейсы. Однако главные задачи шлюза - обеспечение качественного дуплексного телефонного общения абонентов в режиме пакетной передачи и коммутации цифровых сигналов сохраняются.

Понятно, что рассмотренные выше базовые схемы могут комбинироваться. Возможны разнообразные способы организации IP-телефонной связи с использованием шлюзов, размещенных в функционально различных точках сети. Однако как свидетельствуют результаты многочисленных обзорных публикаций, рекламные сообщения практически всех фирм, работающих в области IP-телефонии, и здравый смысл применение шлюзов является сегодня магистральным направлением, а собственно шлюз -- ключевым элементом.

1.1 Конвергенция сетей

Классическая телефония с ее традиционными телефонными услугами POTS (Plain Old Telephone Service), достаточно хорошо изученная за свою более чем столетнюю историю, соответствует малому кругу из этой поучительной притчи. Большой круг представляет нарождающуюся индустрию инфокоммуникаций, являющуюся результатом взаимопроникновения (конвергенции) информационных и телекоммуникационных технологий и услуг и действительно порождающую больше неясных вопросов, чем готовых ответов. Не планируя в этой главе (да и во всей книге) рассмотреть множество разнообразных аспектов инфокоммуникаций за исключением одного -IP-телефонии, - коснемся лишь их общей базы - телекоммуникаций.

Со времени своего возникновения телекоммуникации базируются на передаче электромагнитных сигналов через транспортную среду, каковой могут быть:

* металлический кабель,

* оптоволокно,

* радиоканал.

Передаваемая в виде электромагнитных сигналов информация может представлять собой:

* речь,

* данные,

* видеоизображение или любую их комбинацию, называемую мультимедийной информацией.

Эти три источника и три составные части телекоммуникаций в полной мере отражают их современное состояние, причем современность здесь понимается в широком смысле. Передача по сетям связи информации трех перечисленных выше видов благополучно осуществлялась не одно десятилетие, пока не сработал принцип, давно известный в сфере искусств, - все дело в пропорциях.

Еще в 1996 г. в США трафик передачи данных впервые превысил речевой (рис. 1.1) и продолжает демонстрировать завидные темпы роста (до 30% в год по сравнению с 3% в год для телефонии). То же произошло в Европе в 1999 году. Все это послужило толчком к началу новой эры в телекоммуникациях - эры интегрированных решений и конвергенции всех видов связи. Протокол IP получил мировое признание и, в известной степени, стал «де-факто» стандартом для передачи мультимедийной информации.

Если добавить сюда феномен сети Интернет, где, по самым скромным подсчетам, рост числа пользователей составляет 5% в месяц, то станет совершенно ясно, что все эти события самым непосредственным образом влекут за собой коренное изменение подходов к построению информационных сетей. Речь и данные меняются местами. Традиционные сети передачи данных базировались на магистралях с коммутацией каналов, предназначенных для телефонного трафика. При новом подходе - все наоборот: телефония будет надстраиваться над инфраструктурой сети передачи данных.

Смещение центра тяжести в область передачи данных поставило вопрос о поиске удобного способа встраивания речи в мультимедийный цифровой поток. Причина популярности IP как раз и заключается в его восприимчивости к требованиям со стороны не только услуг передачи данных, но и приложений реального времени. Примером может служить успешно реализованная технология передачи речевой информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP - Voice over IP (VolP) или IP-телефония.

Рис. 1.1 Рост трафика Интернет (данные) и телефонного трафика

Но понятие Voice over IP подразумевает не только и не столько использование сети Интернет в качестве среды передачи речи, сколько сам протокол IP и технологии, обеспечивающие надежную и высококачественную передачу речевой информации в сетях пакетной коммутации. Отсутствие гарантированного качества обслуживания при передаче речи компенсируется появлением таких технологий, как многопротокольная коммутация по меткам - Multiprotocol Label Switching (MPLS), протокол резервирования ресурсов - Resource Reservation Protocol (RSVP), дифференциальное обслуживание разнотипного трафика - Differentiated Services (DiffServ) и других. Все большую популярность приобретает передача пакетов IP, упакованных в контейнеры систем синхронной цифровой иерархии - Synchronous Digital Hierarchy (SDH), а также технология спектрального мультиплексирования - Wave Division Multiplexing (WDM). Во всех случаях необходимым условием является подчинение каждого узла системы единой политике управления трафиком. Этому же призваны помочь протоколы RTP, RTSP, Diffentiaten Services и другие механизмы, рассматриваемые в следующих главах книги. Здесь же достаточно отметить, что стандартизация речевых технологий на основе стека TCP/IP и их поддержка лидерами рынка пакетной телефонии обеспечат совместимость оборудования разных производителей и позволят создавать системы, в которых возможны вызовы с аналогового телефонного аппарата, подключенного к порту маршрутизатора, на персональный компьютер, или с персонального компьютера на номер ТфОП.

1.2 Технология IP-телефонии

Сеть IP-телефонии (согласно рекомендациям ITU-T H.323) представляет собой набор следующих устройств, соединенных по IP-сети:

1. шлюз (gateway);

2. диспетчер (gatekeeper);

3. монитор (administration manager).

Диспетчер

Диспетчер, или GateKeeper, - это дополнительное устройство, подключенное только к IP-сети и несущее в себе всю логику работы сети IP-телефонии.

Функции:

1. аутентификация и авторизация абонента

2. распределение вызовов между шлюзами

3. биллинг ¹

Монитор

Монитор - необязательный дополнительный модуль сети IP-телефонии, подключаемый только к IP-сети, используемый для удаленного конфигурирования и поддержки остальных устройств сети- шлюзов и диспетчеров.

Функции: интерфейс для удаленной настройки через IP-сеть параметров шлюзов и диспетчеров сети IP-телефонии.

Монитор является удобным средством конфигурирования и администрирования сети. В первых шлюзах для этого просто использовались стандартные сетевые приложения, такие как pcAnywhere. Позднее в целях оптимизации работы производители оборудования IP-телефонии стали выпускать собственные приложения для этих целей.

Шлюз

Шлюз - необходимое устройство, подключенное к IP-сети и к телефонной сети (PBX/PSTN).

Функции:

1. ответ на вызов вызывающего абонента PBX/PSTN

2. установление соединения с удаленным шлюзом

3. установление соединения с вызываемым абонентом PBX/PSTN

4. сжатие, пакетирование и восстановление голоса (или факс-сигнала)

Таким образом шлюз, или Gateway, - это основная и неотъемлемая часть архитектуры IP-телефонии, непосредственно соединяющая телефонную сеть с сетью IP.

Шлюзы разных производителей отличаются способом подключения к телефонной сети, емкостью, аппаратной платформой, реализованными кодеками, интерфейсом и другими характеристиками. Но все они выполняют вышеперечисленные функции, являющимися базовыми для технологии IP-телефонии.

Эволюция шлюзов

Несомненно, IP телефония постепенно отвоевывает позиции у традиционной коммутируемой телефонии. Первые заявки на IP телефонию - от альтернативных поставщиков услуг и от конечных пользователей. Растет количество заявок и от корпоративных пользователей.

IP телефония сталкивается с классической проблемой: начинать развертывание систем от предоставления магистральных сервисов, или сначала развивать клиентскую часть (два шлюза должны быть развернуты, чтобы обеспечить сервис между телефонами).

Весь спектр решений, от магистральных шлюзов до шлюзов V/IP, устанавливаемых в РС пользователей для подключения офисных АТС и телефонов, предлагает компания Nortel Networks и в частности одно из ее подразделений - компания Micom (продукты объединены в пакет решений под названием "IPConnect"). К достижениям Micom на рынке IP технологий относятся:

1. первая промышленная реализация технологии передачи голоса в IP (Шлюз V/IP Телефон/Факс поверх IP), предназначенной для реальных бизнес приложений;

2. возможность получения дополнительных статей доходов от уже существующей телекоммуникационной инфраструктуры и интеграции следующих компонентов:

3. LAN и IP;

4. WAN;

5. цифровые/Аналоговые PBX;

6. использование технологии ClearVoice, основанной на стандарте G.729.

1.3 Стандарты IP-телефонии

Важным фактором IP-телефонии является стандартизация. К общим объектам стандартизации можно отнести: протоколы, определённые требования с технической стороны. Все стандарты утверждены Международным союзом по электросвязи (ITU).

Процесс стандартизации еще не завершен, в качестве фактического стандарта IP-телефонии приняты рекомендации H.323, предназначенные для организации передачи мультимедийного трафика по локальной сети.

Ранние решения IP-телефонии использовали для связи друг с другом закрытые протоколы. Оба участника беседы должны были иметь аналогичные продукты. Intel и Microsoft возглавили направление на разработку стандартов на основе H.323, рекомендованного International Telecommunications Union (ITU). Этот стандарт формулирует технические требования для передачи аудио- и видеоданных по сетям передачи данных. Стандарты на видео кодер-декодеры не требуются для обработки телефонных звонков, но существуют внутри той же системы стандартов. H.323 включает в себя:

Стандарты на видео кодер/декодеры;

Стандарты на голосовые кодер/декодеры;

Стандарты на общедоступные приложения;

Стандарты на управление вызовами;

Стандарты на управление системой.

Технические требования к голосовым кодерам включают следующие:

малая полоса пропускания (8 kbit/s или меньше);

высокое качество голоса;

небольшие задержки;

возможность реконструкции потерянных пакетов.

При передаче в режиме реального времени до 30% пакетов могут потеряться или опоздать (что в режиме реального времени одно и то же). Хорошее приложение IP-телефонии должно возместить нехватку пакетов, восстановив потерянные данные. Сам алгоритм кодировки также оказывает влияние на восстановление данных. Сложные алгоритмы увеличивают стоимость необходимого оборудования. Наиболее популярным алгоритмом кодирования является G.723.1.

Еще одна особенность состоит в том, что системы IP-телефонии должны иметь возможность поддерживать разные кодеры и добавлять новые по необходимости. H.323 был первоначально разработан для локальных вычислительных сетей, так что переменная ширина полосы частот и время задержки Интернет уменьшают полезность некоторых элементов H.323. По умолчанию голосовым кодер-декодером в стандарте H.323 является G.711. Однако ширина полосы частот в 64 kbps, требуемая в G.711, неприемлема при использовании в Интернет, т.к. большинство пользователей Интернета имеет канал заведомо меньшей ширины. Но даже в этом случае многое из стандарта является полезным.

Кроме G.711 стандарт H.323 определяет звуковые кодер-декодеры G.722, G.723,G.723.1, MPEG1, G.728, и G.729. Кодеры с низкой шириной полосы частот - G.729 в 8 kbps и G.723 в 5.3/6.3 kbps - вполне подходят для использования в Интернет. В частности, G.723 является одним из нескольких "стандартных" кодеров для IP-телефонии, особенно после того, как Intel, Microsoft и Netscape объявили о поддержке этого кодера. Основной недостаток G.723 состоит в том, что он требует весьма больших ресурсов процессора. Intel, например, определяет 100 MHz Pentium-процессор как минимальный для использования в Интернет-телефонии.

1.4 Взаимодействие сетей IP-телефонии и ТфОП

Очевидно, что в обозримом будущем IP-телефония не заменит традиционную, как предсказывают некоторые аналитики. Эти виды связи не исключают, а дополняют друг друга. Будет возрастать объем трафика, передаваемого по каналам IP-телефонии. В первую очередь это касается международной и междугородной телефонии. Такова основная тенденция. Продолжится совершенствование технологии IP-телефонии, будет увеличиваться количество доступных сервисов и улучшаться качество связи. Как следствие будет сокращаться число операторов, предлагающих «любое направление за цент».

Ключевым отличием пакетных технологий и ТфОП заключается в явном разделении доступа и услуг. В ТфОП услуги тесно связаны с технологией доступа. В пакетной сети доступ независим от сети услуг. И наиболее остро заметна разница при отделении транспорта от доступа и услуг. В ТфОП транспорт определяет какие услуги доступны и как они создаются. В пакетной сети транспорт состоит исключительно из маршрутизаторов и коммутаторов. Вся транспортная сеть обязана соединять доступ и услуги вместе.

При вхождении IP-телефонии в давно сформировавшееся глобальное телефонное общество необходимо соблюдение основных законов существующей ТфОП: эксплуатационная надежность с тремя девятками после запятой, жесткие нормы качества передачи речи в реальном времени и т.п.

Не менее законов, правил и норм важны традиции, сформировавшиеся за более чем столетний период существования ТфОП.

Поэтому не менее важно сохранить все привычные для пользователя действия, такие как набор номера, способ доступа к телефонным услугам и т. д. Таким образом, абонент не должен ощущать разницы между IP-телефонией и обычной телефонной связью ни по качеству речи, ни по алгоритму доступа.

По тем же причинам весьма желательно обеспечить между ТфОП и IP-сетями полную прозрачность передачи пользовательской информации и сигнализации. Дело в том, что в отличие, например, от большинства корпоративных сетей связи, сети общего пользования не имеют национальных и ведомственных границ. IP-телефония должна обладать возможностью поддерживать совместную работу и обеспечивать информационную прозрачность с множеством стандартов связи, принятых в разных странах мира. Речь идет не только об электрической стыковке -- необходимо найти взаимоприемлемое решение таких задач, как взаимодействие протоколов верхних уровней и приложений, начисление платы и др.

За достаточно короткий срок технология IP успела доказать свою техническую состоятельность. Она прочно утвердилась в мире в качестве общепризнанной реальности и силы, как технологическое и экономическое явление. Никто сегодня не сомневается в том, что это всерьез и надолго.

Уже сейчас IP сеть имеет очень разветвленную структуру, появляется новое оборудование, новые стандарты, при этом старые не исчезают. И лишь для малой доли вызовов будет задействован только один протокол сигнализации. Кроме того, сеть, построенная по IP технологии, должна иметь возможность взаимодействовать с другими сетями, в частности с ТфОП. Поэтому крайне важным представляется рассмотрение алгоритмов взаимодействия различных протоколов. Одному из них посвящена данная работа.

Глава 2. Основные протоколы в конвергентных сетях

В конвергентных сетях все протоколы можно поделить на два больших класса:

- протоколы сигнализации - эти протоколы отвечают за передачу служебной информации по сети (например, информацию об установлении или завершении соединения, о параметрах соединения), в качестве примеров таких протоколов можно привести SIP, MGCP, H.248;

- транспортные протоколы - по этим протоколам передается пользовательская информация (например, данные, голос, видео), в качестве примеров таких протоколов можно привести протокол реального времени (Real Time Protocol, RTP), протокол контроля передачи данных (Transmission Control Protocol, TCP), протокол пользовательских датаграмм (User Datagram Protocol; UDP).

2.1 Протокол сигнализации ОКС№7

Система сигнализации N7 (ОКС-7) это набор сигнальных телефонных протоколов, используемых для настройки большинства телефонных станций (PSTN) по всему миру.

Эту систему обычно называют ОКС-7 (Общеканальная сигнализация №7), в Европе говорят об SS7 (англ. Signaling System #7), а в Северной Америке её называют CCS7 (англ. Common Channel Signaling System 7). В некоторых европейских странах, особенно в Великобритании, говорят о C7 (CCITT номер 7) или о номере 7 и о CCIS7. (ITU-T ранее известный как CCITT.) В Германии её часто называют N7 от немецкого Signalisierungssystem Nummer 7.

ОКС-7 предоставляет универсальную структуру для организации сигнализации, сообщений, сетевого взаимодействия и технического обслуживания телефонной сети. Начиная с установки соединения, протокол работает для обмена пользовательской информацией, маршрутизации звонков, взаимодействием с биллингом и поддержкой интеллектуальных услуг.

В процессе перемещения некоторых некритичных функций за пределы основных протоколов сигнализации и для сохранения гибкости ОКС-7 появилась концепция разделённых сервисных уровней, реализованная в интеллектуальных телефонных сетях. Сервис, предоставляемый интеллектуальными сетями -- это прежде всего услуга преобразования телефонного номера (например, когда toll free, т.е. бесплатный номер преобразуется в обычный абонентский номер телефонной сети общего пользования). Другие услуги -- это АОН, т.е. автоматическое определение номера вызывающего абонента, блокирование номеров абонентов, автоматическая переадресация вызова (звонка), удержание вызова (звонка), конференция, предоплаченные звонки. Разные поставщики оборудования предоставляют разные сервисы для абонентов.

ОКС-7 также важен при стыковке VoIP-сетей и телефонной сети общего пользования.

2.2 Сеть на базе протоколов H.323

Для построения сетей IP-телефонии первой стала рекомендация H.323 МСЭ-Т, которая является первой зонтичной спецификацией систем мультимедийной связи для работы в сетях с коммутацией пакетов, не обеспечивающих гарантированное качество обслуживания.

ITU-T исторически занимался проблемами телефонных сетей, поэтому и предложенная рекомендация была в большей степени ориентирована на передачу телефонного трафика по сети с коммутацией пакетов. Сети, построенные на базе протоколов H.323, ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных. В частности, процедура установления соединения в таких сетях IP-телефонии базируется на рекомендации ITU-Т Q.931 и практически идентична той же процедуре в сетях ISDN.

При этом рекомендация H.323 предусматривает применение разнообразных алгоритмов сжатия речевой информации, что позволяет использовать полосу пропускания ресурсов передачи гораздо более эффективно, чем в сетях с коммутацией каналов.

Этот вариант построения сетей IP-телефонии ориентирован на операторов местной телефонной связи (или на компании, владеющие транспортными сетями), которые хотят использовать сети с маршрутизацией пакетов IP для предоставления услуг междугородной и международной связи (рис. 1.1).

Основными устройствами сети являются: терминал, шлюз, привратник и устройство управления конференциями. Необходимо отметить, что в отличие от устройств ТфОП, устройства Н.323 не имеют жестко закрепленного места в сети. Устройства подключаются к любой точке IP-сети. Однако при этом сеть Н.323 разбивается на зоны, а каждой зоной управляет привратник.

2.2.1 Архитектура сети на базе H.323

Набор рекомендаций МСЭ-Т Н.323 определяет сетевые компоненты, протоколы и процедуры, позволяющие организовать мультимедиа-связь в пакетных сетях, в том числе в ЛВС Ethernet . Они определяют порядок функционирования абонентских терминалов в сетях с разделяемым ресурсом, не гарантирующих качества обслуживания QoS . Н.323-совместимые устройства могут применяться для телефонной связи (IP-телефония), передачи звука и видео (видео телефония), а также звука, видео и данных (мультимедийные конференции).

В связи с появлением множества аппаратно-программных средств организации телефонной связи по протоколу IP потребовалось внести изменения в спецификации Н.323, так как эти средства зачастую оказывались несовместимыми друг с другом. В частности, понадобилось обеспечить взаимодействие телефонных устройств на базе ПК и обычных телефонов для сетей, функционирующих по принципу коммутации каналов. Вторая версия Н.323, учитывающая новые требования, была принята в январе 1998 г.

В следующей версии стандарта описано создание пакетных сетей факсимильной связи и организация связи между Н.323-шлюзами. Речь идет и о функциях, распространенных в современной телефонии, включая уведомление о поступлении второго вызова и режим справки. Помимо «телефонных» функций новая версия дополнена средствами, позволяющими учитывать параметры сеансов для целей тарификации, а также поддержкой каталогов - вместо цифровых IP-адресов можно будет пользоваться именами абонентов.

Стандарт Н.323 входит в семейство рекомендаций Н.32х, описывающих порядок организации мультимедиа-связи в сетях различных типов:

* Н.320 - узкополосные цифровые коммутируемые сети, включая ISDN;

* Н.321 - широкополосные сети ISDN и ATM;

* Н.322 - пакетные сети с гарантированной полосой пропускания;

* Н.324 - телефонные сети общего пользования (ТфОП).

Одна из основных целей разработки стандарта Н.323 - обеспечение взаимодействия с другими типами сетей мультимедиа-связи (рис. 3.1). Данная задача реализуется с помощью шлюзов, осуществляющих трансляцию сигнализации и форматов данных. Стандарт Н.323 позволяет создать надежные решения для организации коммуникаций по ненадежным сетям с переменной задержкой. При условии соответствия стандарту устройства с различными возможностями могут и взаимодействовать друг с другом. Например, терминалы с видео средствами могут участвовать в аудио конференции. В совокупности с другими стандартами МСЭ-Т на мультимедийную связь и телеконференции рекомендации Н.323 применимы для любых видов соединений - от многоточечных до соединений «точка-точка». Основные компоненты этого стандарта приведены в табл. 3.1.

Стандарт Н. 323 определяет также порядок взаимодействия с оконечными устройствами других стандартов. Наиболее часто такая задача возникает при сопряжении телефонных сетей с коммутацией пакетов и коммутацией каналов. Сети стандарта Н.323 совместимы и с другими типами Н.32х-сетей. Межсетевое взаимодействие различных Н.32х-сетей определяет рекомендация Н.246. На следующем этапе развития IP-телефонии к спецификациям Н.323, соответствующим нижним уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), будут добавлены новые. Они зафиксируют возможности обеспечения классов (class - of - service, CoS) и качества обслуживания (quality - of - service, QoS), т. е. услуг, относящихся, соответственно, ко второму (канальному) и третьему (сетевому) уровням. Разработкой спецификаций CoS / QoS занимается ряд организаций, в том числе рабочие группы IEEE 802.1р и IETF Diff - Serv, а также Европейский институт стандартизации в области электросвязи (ETSI).

Рис. 3.1 Конфигурация сети на базе стандарта Н.323.

В Н.323 описываются четыре основных компонента

* терминал;

* gatekeeper (контроллер зоны);

* шлюз;

* устройство управления многоточечной конференцией (MCU).

Все перечисленные компоненты организованы в так называемые зоны Н.323. Одна зона состоит из gatekeeper и нескольких конечных точек, причем gatekeeper управляет всеми конечными 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.

Рис. 3.2 Зона Н.323

Терминалы Н.323

Терминал Н.323 представляет собой конечную точку в сети, способную передавать и принимать трафик в масштабе реального времени, взаимодействуя с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления многоточечной конференцией (MCU).

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.

Примером терминала, поддерживающим стандарт Н.323, является аппарат как обычный цифровой системный телефон, только оснащенный интерфейсом Ethernet вместо порта RJ -11. Такой терминал, используя собственные процессоры, микропрограммные кодеки и стек TCP/IP, обеспечивает высокие качество звука и уровень надежности.

Шлюзы Н.323

Технология передачи голоса 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 основные 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 реализуются в процессах прикладного уровня.

Наличие разноплановых с вычислительной точки зрения функций, выполняемых системой, порождает проблему ее программной и аппаратной реализации. Рациональное решение этой проблемы основано на использовании распределенной системы, в которой управленческие задачи и связь с сетью осуществляется с помощью универсального процессора, а решения задач сигнальной обработки и телефонного интерфейса выполняются на цифровом процессоре обработки сигналов.

Схема обработки сигналов в шлюзе при подключении аналогового двухпроводного телефонного канала PSTN показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3 Схема обработки сигналов в шлюзе

Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную систему, которая разделяет приемную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с "просочившейся" частью сигнала приема подается на аналого-цифровой преобразователь (ADC) и превращается либо в стандартный 12-разрядный сигнал, либо в 8-разрядный сигнал, закодированный по m - или А-закону. В последнем случае обработка должна также включать соответствующий экспандер. В устройстве эхо компенсации (Echo canceller) из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхо-компенсатор представляет собой адаптивный не рекурсивный фильтр, длина памяти (порядок) которого и механизм адаптации выбираются такими, чтобы удовлетворить требованиям рекомендации МСЭ-Т G .165. Для обнаружения и определения сигналов внутриполостной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере (Speech Coder). В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определенной длительности (в зависимости от метода кодирования) и каждому входному блоку сопоставляется информационный кадр соответствующей длины.

Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности (VAD - voice activity detector), который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой. При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передается лишь каждый пятый «паузный» информационный кадр. Кроме того, при отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приемной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума (Noise Generator в который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры генератора обновляются-- при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхо компенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого дает составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифро-аналогового преобразования (DAC) сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке по А - или m -закону.

Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе. При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов - речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.

С построением кодеков тесно связана задача синтеза VAD . Основная трудность состоит в правильном детектировании пауз речи на фоне достаточно интенсивного акустического шума (шум офиса, улицы, автомобиля и т.д.)

Gatekeeper H .323

Функцию управления вызовами выполняет gatekeeper (контроллер зоны). Gatekeeper выполняет следующие функции:

* преобразовывает адреса-псевдонимы в транспортные адреса;

* контролирует доступ в сеть на основании авторизации вызовов, наличия необходимой для связи полосы частот и других критериев, определяемых производителем;

* контролирует полосу пропускания;

* управляет зонами.

Причем gatekeeper осуществляет вышеперечисленные функции в отношении терминалов, шлюзов и устройств управления, зарегистрированных в нем. Идентификация узла может осуществляться по его текущему IP-адресу, телефонному номеру E . 164 или подстановочному имени - строке символов, наподобие адреса электронной почты. Gatekeeper упрощает процесс вызова, позволяя использовать легко запоминающееся подстановочное имя.

Функции gatekeeper могут быть встроены в шлюзы, элементы распределенных УПАТС, блоки управления многоточечными конференциями, а также в конечные узлы H.323 (терминалы). С помощью механизмов RAS (Registration / Admissions / Status) терминалы могут находить gatekeeper и регистрироваться в них.

межсетевой протокол телефония конвергенция шлюз

2.2.2 Семейство протоколов Н.323

Семейство протоколов Н.323 включает в себя три основных протокола: протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником - RAS, протокол управления соединениями - Н.225 и протокол управления логическими каналами - Н.245.

Эти три протокола, совместно с Интернет-протоколами TCP/IP, UDP, RTP и RTCP, а также с протоколом Q.931.

Суть изображенной на этом рисунке иерархии заключается в следующем. Для переноса сигнальных сообщений Н.225 и управляющих сообщений Н.245 используется протокол с уcтановлением 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.

С учетом того, что стек протоколов TCP/IP и протоколы UDP, RTP и RTCP уже рассматривались в главе 4, материал данной главы будет посвящен протоколам RAS, Н.225 и Н.245. Степень детализации их рассмотрения определяется конечной целью - изложению сценария базового процесса обслуживания вызова.

2.2.3 Алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединения

В общем случае алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединений по Н.323 включают в себя следующие фазы:

Фаза А. Установление соединения;

Фаза В. Определение ведущего/ведомого оборудования и обмен данными о функциональных возможностях;

Фаза С. Установление аудиовизуальной связи между вызывающим и вызываемым оборудованием;

Фаза D. Изменение полосы пропускания, запрос текущего состояния оборудования, создание конференций и дополнительные услуги;

Фаза Е. Завершение соединения.

Кроме того, структура и сложность алгоритма зависит от того, какие устройства будут участвовать в процессе установления, поддержания и разрушения соединения. В самом простом случае предполагается, что конечные пользователи уже знают IP-адреса друг друга. Обычно же в установлении участвуют привратники и шлюзы. Вначале для установления соединения терминал обнаруживает привратника и регистрируется у него по протоколу RAS. Затем происходит установление сигнального канала по протоколам RAS и H.225. На следующем этапе выполняется согласование параметров оборудования, обмен информацией о его функциональных возможностях и открытие логических каналов по протоколу H.245. Только после этого происходит передача медиа-трафика по протоколам RTP/RTCP, а по ее окончании -- завершение соединения.

2.3 Протокол инициирования сеансов связи -- SIP

Протокол инициирования сеансов - Session Initiation Protocol (SIP) является протоколом прикладного уровня и предназначается для организации, модификации и завершения сеансов связи: мультимедийных конференций, телефонных соединений и распределения мультимедийной информации. Пользователи могут принимать участие в существующих сеансах связи, приглашать других пользователей и быть приглашенными ими к новому сеансу связи. Приглашения могут быть адресованы определенному пользователю, группе пользователей или всем пользователям.

Протокол SIP разработан группой MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control) комитета IETF (Internet Engineering Task Force), а спецификации протокола представлены в документе RFC 2543 [54]. В основу протокола рабочая группа MMUSIC заложила следующие принципы:

Персональная мобильность пользователей. Пользователи могут перемещаться без ограничений в пределах сети, поэтому услуги связи должны предоставляться им в любом месте этой сети. Пользователю присваивается уникальный идентификатор, а сеть предоставляет ему услуги связи вне зависимости от того, где он находится. Для этого пользователь с помощью специального сообщения - REGISTER - информирует о своих перемещениях сервер определения местоположения.

Масштабируемость сети. Она характеризуется, в первую очередь возможностью увеличения количества элементов сети при её расширении. Серверная структура сети, построенной на базе протокола SIP, в полной мере отвечает этому требованию.

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

В качестве примера можно привести ситуацию, когда протокол SIP используется для установления соединения между шлюзами, взаимодействующими с ТфОП при помощи сигнализации ОКС7 или DSS1.

В настоящее время SIP не поддерживает прозрачную передачу сигнальной информации телефонных систем сигнализации. Вследствие этого дополнительные услуги ISDN оказываются недоступными для пользователей IP сетей.

Расширение функций протокола SIP может быть произведено за счет введения новых заголовков сообщений, которые должны быть зарегистрированы в уже упоминавшейся ранее организации IANA.

При этом, если SIP,сервер принимает сообщение с неизвестными ему полями, то он просто игнорирует их и обрабатывает лишь те поля, которые он знает.

Для расширения возможностей протокола SIP могут быть также добавлены и новые типы сообщений.

Интеграция в стек существующих протоколов Интернет, разработанных IETF. Протокол SIP является частью глобальной архитектуры мультимедиа, разработанной комитетом Internet Engineering Task Force (IETF). Эта архитектура включает в себя также протокол 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 (Session Description Protocol - SDP, RFC 2327). Однако функции 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. Возможно также взаимодействие протокола SIP с системами сигнализации ТфОП - DSS1 и ОКС7 [6,7]. Для упрощения такого взаимодействия сигнальные сообщения протокола SIP могут переносить не только специфический SIP,адрес, но и телефонный номер формата Е.164 или любого другого формата. Кроме того, протокол SIP, наравне с протоколами H.323 и ISUP/IP, может применяться для синхронизации работы устройств управления шлюзами, о чем пойдет речь в следующей главе (рис. 8.2); в этом случае он должен взаимодействовать с протоколом MGCP. Другой важной особенностью протокола SIP является то, что он приспособлен к организации доступа пользователей сетей IP телефонии к услугам интеллектуальных сетей [8], и существует мнение, что именно этот протокол станет основным при организации связи между указанными сетями.

2.3.1 Архитектура сети SIP

В некотором смысле прародителем протокола SIP является протокол переноса гипертекста - HTTP (Hypertext Transfer Protocol, RFC 2068). Протокол SIP унаследовал от него синтаксис и архитектуру <клиент-сервер>, которую иллюстрирует рис. 2.

Рис. 2 Архитектура "клиент-сервер"

Клиент выдает запросы, в которых указывает, что он желает получить от сервера. Сервер принимает запрос, обрабатывает его и выдает ответ, который может содержать уведомление об успешном выполнении запроса, уведомление об ошибке или информацию, затребованную клиентом.

Управление процессом обслуживания вызова распределено между разными элементами сети SIP. Основным функциональным элементом, реализующим функции управления соединением, является терминал. Остальные элементы сети отвечают за маршрутизацию вызовов, а в некоторых случаях предоставляют дополнительные услуги.

Терминал

В случае, когда клиент и сервер взаимодействуют непосредственно с пользователем (т.е. реализованы в оконечном оборудовании пользователя), они называются, соответственно, клиентом агента пользователя - User Agent Client (UAC) - и сервером агента пользователя - User Agent Server (UAS).

Следует особо отметить, что сервер UAS и клиент UAC могут (но не обязаны) непосредственно взаимодействовать с пользователем, а другие клиенты и серверы SIP этого делать не могут. Если в устройстве присутствуют и сервер UAS, и клиент UAC, то оно называется агентом пользователя - User Agent (UA), а по своей сути представляет собой терминальное оборудование SIP.

Кроме терминалов определены два основных типа сетевых элементов SIP: прокси-сервер (proxy server) и сервер переадресации (redirect server).

Прокси-сервер

Прокси-сервер (от английского proxy - представитель) представляет интересы пользователя в сети. Он принимает запросы, обрабатывает их и, в зависимости от типа запроса, выполняет определенные действия. Это может быть поиск и вызов пользователя, маршрутизация запроса, предоставление услуг и т.д. Прокси-сервер состоит из клиентской и серверной частей, поэтому может принимать вызовы, инициировать собственные запросы и возвращать ответы. Прокси - сервер может быть физически совмещен с сервером определения местоположения (в этом случае он называется registrar) или существовать отдельно от этого сервера, но иметь возможность взаимодействовать с ним по протоколам LDAP (RFC 1777), rwhois (RFC 2167) и по любым другим протоколам.

Предусмотрено два типа 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 запросы.

Сервер первого типа позволяет предоставить большее количество услуг, но работает медленнее, чем сервер второго типа. Он может применяться для обслуживания небольшого количества клиентов, например, в локальной сети. Прокси-сервер должен сохранять информацию о состояниях, если он:

- использует протокол TCP для передачи сигнальной информации;

- работает в режиме многоадресной рассылки сигнальной информации;

- размножает запросы.

Последний случай имеет место, когда прокси-сервер ведет поиск вызываемого пользователя сразу в нескольких направлениях, т.е. один запрос, который пришел к прокси-серверу, размножается и передается одновременно по всем этим направлениям.

Сервер без сохранения состояний просто ретранслирует запросы и ответы, которые получает. Он работает быстрее, чем сервер первого типа, так как ресурс процессора не тратится на запоминание состояний, вследствие чего сервер этого типа может обслужить большее количество пользователей. Недостатком такого сервера является то, что на его базе можно реализовать лишь наиболее простые услуги. Впрочем, прокси-сервер может функционировать как сервер с сохранением состояний для одних пользователей и как сервер без сохранения состояний - для других.

Алгоритм работы пользователей с прокси-сервером выглядит следующим образом. Поставщик услуг IP-телефонии сообщает адpec прокси-сервера своим пользователям. Вызывающий пользователь передает к прокси-серверу запрос соединения. Сервер обрабатывает запрос, определяет местоположение вызываемого пользователя и передает запрос этому пользователю, а затем получает от него ответ, подтверждающий успешную обработку запроса, и транслирует этот ответ пользователю, передавшему запрос. Прокси-сервер может модифицировать некоторые заголовки сообщений, которые он транслирует, причем каждый сервер, обработавший запрос в процессе его передачи от источника к приемнику, должен указать это в SIP-запросе для того, чтобы ответ на запрос вернулся по такому же пути.

Сервер переадресации

Сервер переадресации предназначен для определения текущего адреса вызываемого пользователя. Вызывающий пользователь передает к серверу сообщение с известным ему адресом вызываемого пользователя, а сервер обеспечивает переадресацию вызова на текущий адрес этого пользователя. Для реализации этой функции сервер переадресации должен взаимодействовать с сервером определения местоположения.

Сервер переадресации не терминирует вызовы как сервер RAS и не инициирует собственные запросы как прокси-сервер. Он только сообщает адрес либо вызываемого пользователя, либо прокси-сервера. По этому адресу инициатор запроса передает новый запрос. Сервер переадресации не содержит клиентскую часть программного обеспечения.

Но пользователю не обязательно связываться с каким-либо SIP-сервером. Он может сам вызвать другого пользователя при условии, что знает его текущий адрес.

Сервер определения местоположения пользователей

Пользователь может перемещаться в пределах сети, поэтому необходим механизм определения его местоположения в текущий момент времени. Например, сотрудник предприятия уезжает в командировку, и все вызовы, адресованные ему, должны быть направлены в другой город на его временное место работы. О том, где он находится, пользователь информирует специальный сервер с помощью сообщения REGISTER. Возможны два режима регистрации: пользователь может сообщить свой новый адрес один раз, а может регистрироваться периодически через определенные промежутки времени. Первый способ подходит для случая, когда терминал, доступный пользователю, включен постоянно, и его не перемещают по сети, а второй - если терминал часто перемещается или выключается.

Для хранения текущего адреса пользователя служит сервер определения местоположения пользователей, представляющий собой базу данных адресной информации. Кроме постоянного адреса пользователя, в этой базе данных может храниться один или несколько текущих адресов.

Этот сервер может быть совмещен с прокси-сервером (в таком случае он называется registrar) или быть реализован отдельно от прокси-сервера, но иметь возможность связываться с ним.

В RFC 2543 сервер определения местоположения представлен как отдельный сетевой элемент, но принципы его работы в этом документе не регламентированы. Стоит обратить внимание на то, что вызывающий пользователь, которому нужен текущий адрес вызываемого пользователя, не связывается с сервером определения местоположения напрямую. Эту функцию выполняют SIP-серверы при помощи протоколов LDAP (RFC 1777), rwhois (RFC 2167), или других протоколов.

...