Конвергенция сетей связи

1.3. Транспортные технологии  пакетной коммутации

Большинство производителей, располагающих широким ассортиментом  продукции для пакетной телефонии, занимают «технологически нейтральное» положение и предоставляют покупателю возможность самому выбирать ту технологию, которая лучше всего соответствует его интеграционной стратегии.

Основные технологии пакетной передачи речи — Frame Relay, ATM и маршрутизация пакетов IP — различаются эффективностью использования каналов связи, степенью охвата разных участков сети, надежностью, управляемостью, защитой информации и доступа, а также стоимостью. Ограниченный объем книги не позволяет дать глубокий сравнительный анализ этих технологий с точки зрения передачи речи, поэтому здесь приводятся в наиболее компактной графической форме только результаты такого анализа (рис.1.4).

а) Речь по ATM

б) Речь по Frame Relay

в) Речь по IP

Рис. 1.4. Сравнение технологий пакетной передачи речи: a)VoATM, 6)VoFR, B)VolP

Транспортная  технология ATM уже несколько лет успешно используется в магистральных сетях общего пользования и в корпоративных сетях, а сейчас ее начинают активно использовать и для высокоскоростного доступа по каналам xDSL (для небольших офисов) и SDH/ Sonet (для крупных предприятий). Главные преимущества этой технологии — ее зрелость, надежность и наличие развитых средств эксплуатационного управления сетью. В ней имеются непревзойденные по своей эффективности механизмы управления качеством обслуживания и контроля использования сетевых ресурсов. Однако ограниченная распространенность и высокая стоимость оборудования не позволяют считать ATM лучшим выбором для организации сквозных телефонных соединений от одного конечного узла до другого.

Технологии Frame Relay суждено было сыграть в пакетной телефонии ту же роль, что и квазиэлектронным АТС в телефонии с коммутацией каналов: они показали пример эффективной программно управляемой техники, но имели ограниченные возможности дальнейшего развития. Пользователями недорогих услуг Frame Relay, обеспечивающих вполне предсказуемую производительность, стали многие корпоративные сети, и большинство из них вполне довольны своим выбором. В краткосрочной перспективе технология передачи речи по Frame Relay будет вполне эффективна для организации мультисервисного доступа и каналов дальней связи. Но сети Frame Relay распространены незначительно: как правило, на практике используются некоммутируемые соединения в режиме точка-точка.

Технология передачи речевой информации по сетям с  маршрутизацией пакетов IP привлекает, в первую очередь, своей универсальностью — речь может быть преобразована в поток IP-пакетов в любой точке сетевой инфраструктуры: на магистрали сети оператора, на границе территориально распределенной сети, в корпоративной сети и даже непосредственно в терминале конечного пользователя. В конце концов, она станет наиболее широко распространенной технологией пакетной телефонии, поскольку способна охватить все сегменты рынка, будучи при этом хорошо адаптируемой к новым условиям применения. Несмотря на универсальность протокола IP, внедрение систем IP-телефонии сдерживается тем, что многие операторы считают их недостаточно надежными, плохо управляемыми и не очень эффективными. Но грамотно спроектированная сетевая инфраструктура с эффективными механизмами обеспечения качества обслуживания, рассматриваемыми в главе 10, делает эти недостатки малосущественными. В расчете на порт стоимость систем IP-телефонии находится на уровне (или немного ниже) стоимости систем Frame Relay, и заведомо ниже стоимости оборудования ATM. При этом уже сейчас видно, что цены на продукты IP-телефонии снижаются быстрее, чем на другие изделия, и что происходит значительное обострение конкуренции на этом рынке.

1.4. Уровни архитектуры  IP-телефонии

Архитектура технологии Voice over IP может быть упрощенно представлена в виде двух плоскостей. Нижняя плоскость — это базовая сеть с маршрутизацией пакетов IP, верхняя плоскость — это открытая архитектура управления обслуживанием вызовов (запросов связи).

Нижняя плоскость, говоря упрощенно, представляет собой комбинацию известных протоколов Интернет: 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 RTP/UDP/IP представляет собой своего рода транспортный механизм для речевого трафика. Этот механизм будет более подробно рассмотрен в главе 4, посвященной протоколам Интернет для передачи речи в реальном времени. Здесь же отметим, что в сетях с маршрутизацией пакетов IP для передачи данных всегда предусматриваются механизмы повторной передачи пакетов в случае их потери. При передаче информации в реальном времени использование таких механизмов только ухудшит ситуацию, поэтому для передачи информации, чувствительной к задержкам, но менее чувствительной к потерям, такой как речь и видеоинформация, используется механизм негарантированной доставки информации RTP/UDPD/IP. Рекомендации ITU-Т допускают задержки водном направлении не превышающие 150 мс. Если приемная станция запросит повторную передачу пакета IP, то задержки при этом будут слишком велики. Эти проблемы более подробно рассматриваются в главе 10, посвященной качеству обслуживания.

Теперь перейдем к верхней плоскости управления обслуживанием запросов связи. Вообще говоря, управление обслуживанием вызова предусматривает принятие решений о том, куда вызов должен быть направлен, и каким образом должно быть установлено соединение между абонентами. Инструмент такого управления — телефонные системы сигнализации, начиная с систем, поддерживаемых декадно-шаговыми АТС и предусматривающих объединение функций маршрутизации и функций создания коммутируемого разговорного канала в одних и тех же декадно-шаговых искателях. Далее принципы сигнализации эволюционировали к системам сигнализации по выделенным сигнальным каналам, к многочастотной сигнализации, к протоколам общеканальной сигнализации №7 [6, 7] и к передаче функций маршрутизации в соответствующие узлы обработки услуг Интеллектуальной сети [8].

В сетях с  коммутацией пакетов ситуация более  сложна. Сеть с маршрутизацией пакетов  IP принципиально поддерживает одновременно целый ряд разнообразных протоколов маршрутизации. Такими протоколами на сегодня являются: RIP — Routing Information Protocol, IGRP — Interior Gateway Routing Protocol, EIGRP — Enhanced Interior Gateway Routing Protocol, IS-IS — Intermediate System-to-intermediate System, OSPF — Open Shortest Path First, BGP — Border Gateway Protocol и др. Точно так же и для IP-телефонии разработан целый ряд протоколов. Рассматриваемые в этой книге стандарты содержат положения, относящиеся к передаче речи по IP-сетям (глава 3) и к сигнализации для IP-телефонии (главы 6, 7, 8 и 9). 
Наиболее распространенным является протокол, специфицированный в рекомендации H.323 ITU-T, в частности, потому, что он стал применяться раньше других протоколов, которых, к тому же, до внедрения H.323 вообще не существовало. Этот протокол подробно рассматривается в главах 5 и 6.

Другой протокол плоскости управления обслуживанием вызова — SIP — ориентирован на то, чтобы сделать оконечные устройства и шлюзы более интеллектуальными и поддерживать дополнительные услуги для пользователей. Этот протокол подробно рассматривается в главе 7.

Еще один протокол — SGCP — разрабатывался, начиная с 1998 года, для того, чтобы уменьшить стоимость шлюзов за счет реализации функций интеллектуальной обработки вызова в централизованном оборудовании. Протокол IPDC очень похож на SGCP, но имеет много больше, чем SGCP, механизмов эксплуатационного управления (ОАМ&Р). В конце 1998 года рабочая группа MEGACO комитета IETF разработала протокол MGCP, базирующийся, в основном, на протоколе SGCP, но с некоторыми добавлениями в части ОАМ&Р. Протокол MGCP подробно рассматривается в главе 8.

Рабочая группа MEGACO не остановилась на достигнутом, продолжала совершенствовать протокол управления шлюзами и разработала более функциональный, чем MGCP, протокол MEGACO. Его адаптированный к H.323 вариант (под названием Gateway Control Protocol) ITU-T предлагает в рекомендации H.248. Протоколу MEGACO/H.248 посвящена глава 9.

1.5. Различные подходы  к построению сетей  IP-телефонии

Чтобы стало  понятно, чем конкретно отличаются друг от друга перечисленные в  предыдущем параграфе протоколы, кратко рассмотрим архитектуру сетей, построенных на базе этих протоколов, и процедуры установления и завершения соединения с их использованием.

1.5.1. Построение сети  по рекомендации  H.323

Первый в истории  подход к построению сетей IP-телефонии на стандартизованной основе предложен Международным союзом электросвязи (ITU) в рекомендации H.323 [42]. Сети 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 Q.931 [44] и аналогична процедуре, используемой в сетях ISDN.

Рекомендация  H.323 предусматривает довольно сложный набор протоколов, который предназначен не просто для передачи речевой информации по IP-сетям с коммутацией пакетов. Его цель — обеспечить работу мультимедийных приложений в сетях с негарантированным качеством обслуживания. Речевой трафик — это только одно из приложений H.323, наряду с видеоинформацией и данными. Атак как ничего в технике (как и в жизни) не достается даром, обеспечение совместимости с H.323 различных мультимедийных приложений требует весьма значительных усилий. Например, для реализации функции переключения связи (call transfer) требуется отдельная спецификация Н.450.2. 
Вариант построения сетей IP-телефонии, предложенный Международным союзом электросвязи в рекомендации H.323, хорошо подходит тем операторам местных телефонных сетей, которые заинтересованы в использовании сети с коммутацией пакетов (IP-сети) для предоставления услуг междугородной и международной связи. Протокол RAS, входящий в семейство протоколов H.323, обеспечивает контроль использования сетевых ресурсов, поддерживает аутентификацию пользователей и может обеспечивать начисление платы за услуги.

На рис 1.5. представлена архитектура сети на базе рекомендации H.323. Основными устройствами сети являются: терминал (Terminal), шлюз (Gateway), привратник (Gatekeeper) и устройство управления конференциями (Multipoint Control Unit- MCU).

Рис. 1.5. Архитектура сети H.323

Терминал H.323 — оконечное устройство пользователя сети IP-телефонии, которое обеспечивает двухстороннюю речевую (мультимедийную) связь с другим терминалом H.323, шлюзом или устройством управления конференциями. 
Шлюз IP-телефонии реализует передачу речевого трафика по сетям с маршрутизацией пакетов IP по протоколу H.323. Основное назначение шлюза — преобразование речевой информации, поступающей со стороны ТФОП, в вид, пригодный для передачи по сетям с маршрутизацией пакетов IP. Кроме того, шлюз преобразует сигнальные сообщения систем сигнализации DSS1 и ОКС7 в сигнальные сообщения H.323 и производит обратное преобразование в соответствии с рекомендацией ITU H.246.

В привратнике  сосредоточен весь интеллект сети IP-телефонии. Сеть, построенная в соответствии с рекомендацией H.323, имеет зонную архитектуру (рис. 1.6). Привратник выполняет функции управления одной зоной сети IP-телефонии, в которую входят: терминалы, шлюзы, устройства управления конференциями, зарегистрированные у данного привратника. Отдельные фрагменты зоны сети H.323 могут быть территориально разнесены и соединяться друг с другом через маршрутизаторы.

Рис. 1.6. Зона сети H.323

Наиболее важными  функциями привратника являются:

• регистрация оконечных и других устройств;
• контроль доступа пользователей системы к услугам IP-телефонии при помощи сигнализации RAS;
• преобразование alias-псевдонима вызываемого пользователя (объявленного имени абонента, телефонного номера, адреса электронной почты и др.) в транспортный адрес сетей с маршрутизацией пакетов IP (IP адрес + номер порта TCP);
• контроль, управление и резервирование пропускной способности сети;
• ретрансляция сигнальных сообщений H.323 между терминалами.

В одной сети IP-телефонии, отвечающей требованиям рекомендации ITU H.323, может находиться несколько привратников, взаимодействующих друг с другом по протоколу RAS.

Кроме основных функций, определенных рекомендацией  H.323, привратник может отвечать за аутентификацию пользователей и начисление платы (биллинг) за телефонные соединения.

Устройство управления конференциями обеспечивает возможность  организации связи между тремя или более участниками. Рекомендация H.323 предусматривает три вида конференции (рис. 1.7):

централизованная (т.е. управляемая MCU, с которым каждый участник конференции соединяется в режиме точка-точка), децентрализованная (когда каждый участник конференции соединяется с остальными ее участниками в режиме точка-группа точек) и смешанная.

Рис. 1.7. Виды конференции в сетях H.323

Преимуществом централизованной конференции является сравнительно простое терминальное оборудование, недостатком — большая стоимость устройства управления конференциями.

Для децентрализованной конференции требуется более  сложное терминальное оборудование и желательно, чтобы в сети IP поддерживалась передача пакетов IP в режиме многоадресной рассылки (IP multicasting). Если этот режим в сети не поддерживается, терминал должен передавать речевую информацию каждому из остальных участников конференции в режиме точка-точка.