Проектирование корпоративной VoIP сети на базе Asterisk в ТОО “Центр технической компетенции DEMEU”

G.729 — узкополосный  речевой кодек, который применяется  для эффективного цифрового представления  узкополосной телефонной речи (сигнала телефонного качества). Такая речь характеризуется полосой между 300 и 3400 Гц и может быть оцифрована с частотой дискретизации 8 кГц. В идеале речевой кодек должен представлять речь такой разрядностью, какая только возможна. В этом случае восстановленная речь будет точно соответствовать оригиналу. На практике приходится выбирать разрядность кодека и мириться с некоторой погрешностью квантования.

G.729 — широко  используемый тип кодека, скорость 8 Кбит/с. Согласно теории, речевой  сигнал длительностью в одну секунду можно полностью описать (то есть оцифровать, передать или сохранить в цифровом виде и затем восстановить в исходный сигнал по цифровому представлению) цифровым потоком 60 байт/сек. Идея оцифровывать и передавать (или сохранять) в цифровом виде не сам сигнал, а его параметр (количество переходов через ноль, спектральные характеристики и др.), чтобы затем по этим параметрам выбирать модель голосового тракта и синтезировать исходный сигнал, лежит в основе «вокодеров» (VOice CODER) или «синтезирующих кодеков».

Для всех типов  кодеков справедливо правило: чем  меньше плотность цифрового потока, тем больше восстановленный сигнал отличается от оригинала. Однако восстановленный  сигнал гибридных кодеков обладает вполне высокими характеристиками, восстанавливается тембр речевого сигнала, его динамические характеристики, другими словами, его «узнаваемость» и «распознаваемость».

Алгоритм основан  на модели кодирования с использованием линейного предсказания с возбуждением по алгебраической кодовой книге (CELP-модель). Кодер оперирует с кадрами речевого сигнала длиной 10 мс, дискретизованными с частотой 8 КГц, что соответствует 80-ти 16-битным отсчётам в линейном законе. Для каждого кадра производится анализ речевого сигнала и выделяются параметры модели (коэффициенты фильтра линейного предсказания, индексы и коэффициенты усиления в адаптивной и фиксированной кодовых книгах). Далее эти параметры кодируются и передаются в канал.

В декодере битовая  посылка используется для восстановления параметров сигнала возбуждения  и коэффициентов синтезирующего фильтра. Речь восстанавливается путём пропускания сигнала возбуждения через кратковременный синтезирующий фильтр.

Синтезирующий фильтр имеет полюсную передаточную функцию 10-го порядка. Для работы синтезатора  основного тона используется адаптивная кодовая книга. Впоследствии речь улучшается адаптивной постфильтрацией.

В случае потери передаваемой кодером битовой посылки, исходные данные для речевого синтезатора  получаются интерполяцией данных с  предыдущих «хороших» кадров, но при этом энергия интерполированного речевого сигнала постепенно уменьшается, что не создаёт особого дискомфорта у слушателя.

Вокодер обрабатывает кадры речевых сигналов длиной 10 мс. Дополнительно существует задержка длиной 5 мс (look-ahead buffer), что в сумме выливается в алгоритмическую задержку 15 мс («10+5»). Задержки речевого сигнала в практическом приложении этого алгоритма также определяются временем, затрачиваемым на:

- процессы кодирования и декодирования;

- передачу по каналу;

- мультиплексирование при комбинировании аудиоданных с другими видами данных.

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

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

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

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

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

- качество установления соединения, определяемое в основном быстротой установления соединения;

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

Общая приемлемая задержка по стандарту - не более 250 миллисекунд. Причины задержек в передаче голосовых данных по сети IP, в большой степени связаны с особенностями транспорта пакетов. Протокол TCP обеспечивает контроль доставки пакетов, однако достаточно медленный и потому не используется для передачи голоса. UDP быстро отправляет пакеты , однако восстановление потерянных данных не гарантируется, что приводит к потеряным частям разговора при восстановлении (обратном преобразовании) звука.

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

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

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Протоколы VoIP сети

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

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

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

- IAX2 — через 4569 UDP-порт и сигнализация, и медиатрафик;

- MGCP (Media Gateway Control Protocol) — протокол управления медиашлюзами;

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

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

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

- SGCP;

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

Unistim — закрытый протокол передачи сигнального трафика в продуктах компании Nortel.

 

4.1 Протокол SIP

SIP (англ. Session Initiation Protocol — протокол установления сеанса) — стандарт на способ установления и завершения пользовательского интернет-сеанса, включающего обмен мультимедийным содержимым (видео- и аудиоконференция, мгновенные сообщения, онлайн-игры). В модели взаимодействия открытых систем SIP является сетевым протоколом прикладного уровня.

Протокол описывает, каким  образом клиентское приложение (например, софтфон) может запросить начало соединения у другого, возможно, физически удалённого клиента, находящегося в той же сети, используя его уникальное имя. Протокол определяет способ согласования между клиентами об открытии каналов обмена на основе других протоколов, которые могут использоваться для непосредственной передачи информации (например, RTP). Допускается добавление или удаление таких каналов в течение установленного сеанса, а также подключение и отключение дополнительных клиентов (то есть допускается участие в обмене более двух сторон — конференц-связь). Протокол также определяет порядок завершения сеанса.

Разработкой занималась организация  IETF MMUSIC Working Group. Протокол начал разрабатываться в 1996 году Хенингом Шулзри (Henning Schulzrinne, Колумбийский университет) и Марком Хэндли (Университетский колледж Лондона). Наряду c другим распространённым протоколом H.323, SIP — один из протоколов, лежащих в основе Voice over IP.

В основу протокола  рабочая группа MMUSIC заложила следующие принципы:

- простота, включает в себя только шесть методов (функций);

- независимость от транспортного уровня, может использовать UDP, TCP, ATM и т. д.;

- персональная мобильность пользователей. Пользователи могут перемещаться в пределах сети без ограничений. Это достигается путем присвоения пользователю уникального идентификатора. При этом набор предоставляемых услуг остается неизменным. О своих перемещениях пользователь сообщает с помощью сообщения REGISTER;

- масштабируемость сети. Структура сети на базе протокола SIP позволяет легко ее расширять и увеличивать число элементов;

- расширяемость протокола. Протокол характеризуется возможностью дополнять его новыми функциями при появлении новых услуг;

- интеграция в стек существующих протоколов Интернет. Протокол SIP является частью глобальной архитектуры мультимедиа, разработанной комитетом IETF. Кроме SIP, эта архитектура включает в себя протоколы RSVP (протокол), RTP, RTSP, SDP.

- взаимодействие с другими протоколами сигнализации. Протокол SIP может быть использован совместно с другими протоколами IP-телефонии, протоколами ТфОП, и для связи с интеллектуальными сетями.

Клиенты SIP традиционно  используют порт 5060 TCP и UDP для соединения элементов SIP-сети. В основном, SIP используется для установления и разъединения голосовых и видеозвонков. При этом он может использоваться и в любых других приложениях, где требуется установка соединения, таких, как системы оповещения, мобильные терминалы и так далее. Существует большое количество рекомендаций RFC, относящихся к SIP и определяющих поведение таких приложений. Для передачи самих голосовых и видеоданных используют другие транспортные протоколы, чаще всего Real-time Transport Protocol (RTP).

Главной задачей  разработки SIP было создание сигнального  протокола на базе IP, который мог бы поддерживать расширенный набор функций обработки вызова и услуг, представленных в существующей ТфОП. Сам протокол SIP не определяет этих функций, а сосредоточен только на процедурах установления звонка и сигнализации. При этом он был спроектирован с поддержкой таких функциональных элементов сети, как прокси-серверы (Proxy Servers) и Пользовательские Агенты (User Agents). Эти элементы обеспечивают базовый набор услуг: набор номера, вызов телефонного аппарата, звуковое информирование абонента о статусе вызова.

Телефонные  сети на основе SIP могут поддерживать и более современные услуги, обычно предоставляемые ОКС-7, несмотря на значительное различие этих двух протоколов. ОКС-7 характеризуется сложной, централизованной интеллектуальной сетью и простыми, неинтеллектуальными, терминалами (традиционные телефонные аппараты). SIP — наоборот, требует очень простую (и, соответственно, хорошо масштабируемую) сеть с интеллектом, встроенным в оконечные элементы на периферии (терминалы, построенные как физические устройства или программы).

SIP используется  вместе с несколькими другими  протоколами и участвует только  в сигнальной части сессии  связи. SIP выполняет роль носителя  для SDP, который описывает параметры  передачи медиаданных в рамках  сессии, например используемые порты IP и кодеки. В типичном применении сессии SIP — это просто потоки пакетов RTP. RTP является непосредственным носителем голосовых и видеоданных.

Для организации  взаимодействия с существующими  приложениями IP-сетей и для обеспечения  мобильности пользователей, SIP использует адрес, подобный адресу электронной почты. В качестве адресов рабочих станций используются универсальные указатели ресурсов URL, так называемые SIP URL:

- имя@домен;

- имя@хост;

- имя@IP-адрес;

- №телефона@шлюз.

В начале SIP-адреса (в тексте) ставится слово sip:, указывающее, что это именно SIP-адрес, так как бывают и другие c таким же форматом (например, адреса электронной почты, обозначаемые mailto:).

Адрес состоит  из двух частей. Первая часть — имя  пользователя, зарегистрированного в домене или на рабочей станции. Если вторая часть идентифицирует какой-либо шлюз, то в первой указывается телефонный номер абонента. Во второй части адреса указывается имя домена сети, хоста или IP-адрес.

Имена пользователей  представляют собой обычные алфавитно-цифровые идентификаторы. В IP-телефонии, как правило, используют чисто цифровые идентификаторы («номера») для удобства расширения/замены классических телефонных сетей. Номера местной связи, как правило, 2-3-4-значные.

Номер телефона, передаваемый шлюзу — любой доступный через него, и может быть как номером местной связи, так и номером мобильного или обычного городского телефона. Адрес шлюза (IP-адрес или доменное имя) задаётся в настройках телефона или программы-клиента, а пользователю для совершения звонка достаточно только набора номера.

Протокол SIP имеет  клиент-серверную архитектуру. Клиент выдаёт запросы, с указанием того, что он хочет получить от сервера. Сервер принимает и обрабатывает запросы, выдаёт ответы, содержащие уведомление об успешности выполнения запроса, уведомление об ошибке или информацию, запрошенную клиентом.