С каждым годом в нашей жизни появляются новые, более современные, качественные технологии. Не стала исключением и сфера связи: еще недавно почти в любом офисе можно было встретить обычную мини-АТС, а в квартирах пользовались исключительно традиционными аналоговыми телефонами. Но все меняется: IP-телефония стремительно вытесняет своих «конкурентов», подкупая и частных, и корпоративных пользователей выгодными тарифами, легкостью подключения и уникальными возможностями.

Как работает интернет-телефония?

Можно с уверенностью сказать, что идея передавать звук через Сеть витала в воздухе еще на заре существования Всемирной паутины. Первые сотни тысяч пользователей уже тогда активно пользовались возможностями обмена звуковыми данными, размещая и скачивая аудиоклипы. Но полноценная телефония через Интернет в тот период не могла существовать: в первую очередь, из-за низкой скорости передачи данных. Согласитесь, невозможно общаться с собеседником, когда его речь слышна с задержкой в несколько десятков минут или даже часов.

Технология VoIP (Voice over IP - «голос через Интернет») появилась более двух десятков лет назад и заключалась как раз в передаче речи в виде сжатых «пакетов» информации через Сеть. Первоначально трансфер был возможен только между пользователями Интернета. С появлением высокоскоростного соединения удалось устранить задержки и помехи. Затем были созданы специальные шлюзы, которые связывали телефонные сети с интернет-сетями. Благодаря этому прорыву сегодня мы можем совершать звонки на любые устройства: мобильные и аналоговые телефоны, десктопы, планшеты и специальные SIP-устройства, о которых мы расскажем позже.

Какое оборудование требуется для организации SIP-телефонии в офисе или дома? Прежде всего необходимо устройство, подключенное к Интернету, причем скорость входящего и исходящего соединения для IP-телефонии должна быть не менее 512 Кбит/с. Для приема и передачи звонков можно использовать:

обычный телефонный аппарат с подключенным к нему IP-шлюзом;
смартфоны, планшеты и ПК с установленным специальным софтом или же SIP-телефон;
существуют также модели, объединяющие в себе функции IP-шлюза и модема, что позволяет использовать такое оборудование для организации в офисе телефонии и подключения к Интернету одновременно.

IP, VoIP и SIP: разница в деталях

Для того чтобы разобраться в особенностях функционирования интернет-телефонии, необходимо ознакомиться с понятием протокола. Протокол - это набор правил и действий, согласно которым происходит обмен данными между разными устройствами. Например, IP (Internet Protocol) - это тот самый межсетевой протокол, который объединил отдельные компьютеры во всемирную сеть Интернет. Самый известный набор протоколов носит название TCP/IP. Существует и множество других разновидностей, используемых в Интернете с разными целями. Например, протокол HTTP применяется для передачи гипертекста, протокол SMTP - для передачи почты.

С возникновением интернет-телефонии были разработаны и специфические протоколы, использующиеся для осуществления телефонных разговоров и другого мультимедийного взаимодействия через Сеть. VoIP - общее название группы протоколов, которые определяют порядок передачи звуковых данных в Интернете.

SIP - наиболее распространенный протокол IP-телефонии, один из лежащих в ее основе наряду с популярным H.323. Он отличается низкими требованиями к скорости соединения, поддерживает не только голосовую связь, но и передачу видеоданных. Эксперты называют SIP самым перспективным протоколом для дальнейшего развития отрасли интернет-телефонии.

Термин «аналоговая связь», используемый для обозначения классической проводной телефонной сети, является не совсем корректным: с 60-х годов прошлого века городские АТС при передаче стали переводить звуковые сигналы «в цифру». Таким образом, еще задолго до появления общедоступного Интернета, мы стали обмениваться «пакетами» информации, совершая звонки в разные города и страны.

Интернет-телефония для дома и офиса: возможности и преимущества

Крупнейшие телекоммуникационные компании постепенно отказываются от устаревшей классической телефонии, заменяя ее на интернет-телефонию. Это объясняется несколькими важными преимуществами и возможностями, которые дает интернет-телефония в сравнении с традиционной. Качество звука при IP-соединении не зависит от расстояния: не возникает никакого шума, эха и посторонних звуков, чего не скажешь об аналоговой связи.

Виртуальная АТС легко и быстро подстраивается под потребности как частного пользователя, так и крупного офиса: настройки можно менять онлайн в «личном кабинете», добавлять дополнительные линии при увеличении количества звонков. При этом подключение не имеет привязки к месту нахождения компании, что является огромным преимуществом IP-телефонии для бизнеса. Больше не нужно бояться потери клиентов при переезде офиса: номер остается с вами столько, сколько необходимо. Даже если у компании множество филиалов или удаленных сотрудников, все они могут использовать общий телефонный номер.

Еще одно важное достоинство виртуальной АТС - это низкая стоимость звонков и подключения по сравнению с аналоговой АТС. Нет необходимости в дорогостоящем оборудовании - можно обойтись обычными ПК с гарнитурой или мобильными устройствами. Даже если вы решили пользоваться специальными IP-телефонами - их цена вполне сравнима со стоимостью аналоговых аппаратов, а вот подключение и настройка обойдутся существенно дешевле и займут значительно меньше времени. Тарифы на междугородную и международную связь ниже, чем у аналоговых сетей на 10–60%, а внутрикорпоративные звонки бесплатны, независимо от географического расположения сотрудников или офисов.

Ну и наконец, подключение телефонии для дома или офиса через Интернет - это быстро. Не нужно длительного согласования подключения с компанией-оператором, ожидания монтажа телефонных кабелей: достаточно подключить и настроить услугу на сайте оператора.

Для бизнеса интернет-телефония предоставляет особые возможности:

Интеграция. IP-телефонию можно интегрировать с другими коммуникационными решениями, например с программой 1C, с web-сайтом компании, с различными интернет-сервисами и программным обеспечением. Популярным решением, например, является сервис «звонок с сайта», обеспечивающий дополнительное удобство для посетителей и позволяющий компании определить эффективные страницы портала.
Многоканальный номер , позволяющий обрабатывать сразу множество звонков. Количество виртуальных линий, как уже было сказано, можно легко и быстро увеличивать, превращая свой офис в настоящий call-центр.
Голосовое меню, автосекретарь (добавочные номера) и интеллектуальная переадресация. Например, при настройке меню, клиент сразу обращается к интересующему специалисту, а если все линии оказались заняты, звонок можно направить на мобильный телефон резервного оператора.
Возможность организации конференц- и видеосвязи , проведения видеопрезентаций.
Запись разговоров. Применяется для отслеживания эффективности работы сотрудников и ограничения внеслужебных звонков (очень полезна при обслуживании конфликтных клиентов).
Постоянный доступ к статистике соединений : позволяет отслеживать эффективность маркетинговых программ, местоположение абонентов и корректировать рекламные кампании с учетом особенностей запросов клиентов.
Голосовая почта, электронный факс, черный список и многое другое.

Организация и оборудование для VoIP (SIP)-телефонии

Определим основные этапы в процессе подключения IP-телефонии для бизнеса. Все начинается с выбора оператора, предлагающего подобную услугу. Специалисты рекомендуют обращать внимание на следующие факторы:

Гарантируемая безопасность передаваемых данных - полная защита каналов связи требует высокой квалификации сотрудников провайдера, поэтому доверять стоит крупным операторам, имеющим в штате опытных специалистов по безопасности.
Наличие у провайдера собственной телекоммуникационной сети .
Конкурентная цена . Конечно, всем хочется минимизировать затраты на связь, но все же следует разумно подходить к экономии: для бизнеса не рекомендуется выбирать слишком дешевые тарифы на звонки, так как велика вероятность получить услуги пониженного качества.
Если необходимо сохранить существующий телефонный номер компании, уточните, сможет ли оператор организовать его перенос.

Следующим шагом должна стать проверка интернет-подключения в вашем офисе. В частности, для крупных call-центров или при низком качестве существующего соединения, целесообразно организовать выделенную интернет-линию для звонков. Подобное разделение голосового трафика и обычной передачи данных повысит качество VoIP-связи. Наконец, на заключительном этапе предстоит принять решение: какое оборудование будет применяться для интернет-телефонии. Можно полностью заменить аналоговую АТС на виртуальную и использовать специальные SIP-аппараты, ПК или смартфоны либо модернизировать имеющиеся телефоны с помощью IP-шлюзов. Эксперты рекомендуют вариант замены АТС на виртуальную: при этом вы получаете максимум функций и возможностей современной связи, а также гибкость настроек.

Итак, IP-телефония - это удобно и выгодно. Виртуальная АТС, по сравнению с аналоговой, предоставляет пользователю совершенно иной уровень сервиса, позволяет оптимизировать расходы, сокращая стоимость звонков в несколько раз. По отзывам абонентов, минимизация затрат на связь очевидна уже в первый месяц использования. Не стоит забывать и о стоимости подключения: организация IP-телефонии обойдется существенно дешевле проведения классических телефонных линий и не потребует дорогостоящего оборудования.

Самым приличным обычно считается кодек G.711 a-Law. Он позволяет добиться высокого качества звука, через него работают факсы.

Информация о кодеке				Расчет пропускной способности
Codec & Bit Rate (Kbps)	Codec Sample Size (Bytes)	Codec Sample Interval (ms)	Mean Opinion Score (MOS)	Voice Payload Size (Bytes)	Voice Payload Size (ms)	Packets Per Second (PPS)	Bandwidth MP or FRF.12 (Kbps)	Bandwidth w/cRTP MP or FRF.12 (Kbps)	Bandwidth Ethernet (Kbps)


G.723.1 (6.3 Kbps)
G.723.1 (5.3 Kbps)

Как видно из таблицы, для гарантированной качественной связи, необходима пропускная способность канала в 87.2 Kbps x 2 = 174.4 Kbps. Также если оконечное оборудование sip телефонии работает в общей локальной сети, т.е. используется общий канал доступа в интернет sip телефонии c другими видами трафика, рекомендуется зарезервировать фиксированную полосу пропускания канала, внутри локальной сети, для sip телефонии, либо (если нет возможности зарезервировать) выделить отдельный канал доступа, из расчета 174.4 Kbps x n (где n — количество телефонных каналов).

Данные о качестве звука и влиянии на него кодеков

Наиболее известной методикой оценки качества систем IP-телефонии яыляется MOS. MOS (Mean Opinion Score или "усредненная субъективная оценка экспертов"), представляет собой численную оценку, характеризующую "качество" сети телефонии. Идея MOS очень проста: специально сформированной группе людей предоставляют возможность воспользоваться системой связи и просят поставить оценку от 1 (ужасно) до 5 (отлично). Усредненные данные такого исследования и называются MOS. Кроме того, для оценки качества речи также существуют и объективные методы, например, рекомендация ITU-T G.113 (измерение качества речи системы телефонии на основе искажений, вносимых каждым ее элементом), PSQM (оценка качества работы вокодеров), PESQ (развитие PSQM для оценки сетей телефонии). Не вдаваясь в детали методов оценки качества, давайте лучше рассмотрим основные параметры, оказывающие на него непосредственное влияние:

используемый кодек;
наличие/отсутствие "эха";
параметры каналов связи.

Все используемые на данный момент в IP-телефонии кодеки обеспечивают "сжатие с потерями". В зависимости от используемых алгоритмов эти "потери" могут быть по-разному различимы "на слух" именно в этом аспекте рассматривается влияние кодеков на качество речи.

При ведении разговоров на больших расстояниях начинает проявляться эффект "эха". Существуют различные алгоритмы, призванные с этим бороться (G.165, G.168, G.168 2000, и др.), и в подавляющем большинстве устройств какой-нибудь из них обязательно должен присутствовать.

На качество систем телефонии оказывает воздействие три основных параметра канала связи:

Задержка (latency). При передаче голоса или видео существуют определенные требования к максимально допустимой задержке. Различные исследования показывают, что для ведения нормального диалога необходимо, чтобы "двойная задержка" при передаче голоса не превышала 250-300 мс (бюджет задержки). При превышении этого порога участники начинают испытывать дискомфорт и стремятся закончить разговор. Таким образом, для ведения комфортного разговора односторонняя задержка не должна превышать 150 мс (задержка канала + алгоритмическая задержка кодека), что совпадает с рекомендацией ITU-T G.114. Для уменьшения задержки, вносимой сетью, необходимо использовать QoS (Quality of Service)
Джиттер (jitter). Ethernet является сетью с коммутацией пакетов. В общем случае это означает, что пакеты могут быть получены клиентом не в том порядке, в каком они были ему отправлены (для доставки пакетов могли использоваться различные маршруты). Что в таком случае делать декодеру? Для решения таких проблем используются специальные "jitter buffers" (сглаживающий буфер). Задачей этих буферов является предварительное накопление пакетов перед их дальнейшей передачей декодеру. Очевидно, что буфер дрожания также вносит некоторую задержку в процесс передачи голоса, поэтому желательным является использование такого размера буфера дрожания, которое, с одной стороны, обеспечивает приемлемое качество речи, а с другой — минимизирует общее значение бюджета двусторонней задержки до значения 300 мс.
Потеря пакетов. Как известно, в сетях Ethernet допускается потеря пакетов. Влияние потери пакетов на качество речи определяется размером пакета, а также используемым алгоритмом сжатия речи. Речевая информация в большей степени устойчива к пропаже одиночных пакетов, нежели целых серий. В любом случае, согласно рекомендации ITU-T, для нормальной работы систем IP-телефонии допускается потеря не более 1% пакетов, в противном случае ухудшение качества речи будет заметно. Для улучшения качества в условиях загруженных сетей можно использовать QoS либо, если пакеты теряются из-за природы самой сети (например, беспроводная сеть), то для улучшения качества можно использовать более помехоустойчивый кодек или уменьшать размер кодируемого кадра.

Замечания по передаче факсов

(по материалам базы знаний asterisk.ru)

SIP-телефония - это самый современный вид телефонии, основанный на использовании последних достижений в области передачи данных и являющийся составной частью так называемых сетей нового поколения (NGN). SIP (Session Initiation Protocol) - протокол установления интерактивного сеанса связи между пользователями, включающего передачу текстовых, аудио- и видеоданных. Серьезное преимущество SIP-телефонии перед Skype состоит в том, что, используя стандартное VoIP-оборудование, работающее по протоколу SIP, можно организовать внутриофисную и внутрикорпоративную телефонную связь, не используя Интернет для подключения к провайдеру. Для этого в офисе будет использоваться существующая ЛВС. Немаловажно и то, что SIP-телефония, в отличие от Skype, позволяет отправлять и принимать факсимильные сообщения. SIP-телефония легко интегрируется в существующие традиционные телефонные решения, делая вашу телефонную связь экономичной.

На данный момент существует два наиболее популярных способа воспользоваться услугами VOIP - Интернет-телефонии с выходом на стационарные и мобильные телефоны:

Значительную экономию на междугородних и международных звонках можно получить при объединении IP-АТС территориально удаленных офисов компании (). При этом возможно использовать единый номерной план для всех сотрудников компании. IP-телефоны и IP-АТС дают экономию на отказе от прокладки отдельной телефонной сети, ведь в этом случае достаточно использовать существующую ЛВС, в том числе и беспроводную.
При переезде сотрудника с одного рабочего места на другое нет необходимости перекроссировать телефонную линию, как это делается на аналоговых АТС.

Схемы подключения

1. Схема подключения. ПК с установленным софтфоном и гарнитурой или USB-телефоном.

Такая схема позволяет осуществлять звонки как между абонентами SIP-провайдера, так и звонить на городские и мобильные телефоны. С городского или мобильного телефона тоже можно позвонить на Ваш IP-телефон, если SIP-провайдер предоставляет такую услугу.

Функциональность у такого подключения такая же, как и в предыдущей схеме, только нет необходимости использовать постоянно включенный ПК.

3. Схема подключения. IP-WiFi - телефон.

Функциональность у такого подключения такая же, как и в предыдущей схеме. Преимущество - перемещение абонента в зоне действия WiFi-сети, один WiFi телефон можно использовать дома, на работе, в командировке.

В этом варианте к функциональности схемы №2 добавляется возможность совершать и принимать звонки через обычную городскую телефонную сеть.

Функциональность у такого подключения такая же, как и в схеме №2. Преимущество в экономии на аппаратных средствах. Стоимость VoIP-адаптера, почти в два раза ниже стоимости IP-телефона.

6. Схема подключения. Обычный телефон и VoIP-шлюз.

Задача шлюза состоит в соединении городской телефонной сети и VoIP-сети. При исходящем звонке с телефонного аппарата абонент может выбрать маршрут звонка: через SIP- провайдера (дешевый межгород и международные звонки) или городская сеть (дешевые местные звонки). Входящий звонок от SIP-провайдера, в зависимости от настройки шлюза, может быть направлен либо на телефон, подключенный к FXS порту, либо в городскую сеть. В последнем случае звонящий услышит гудок городской АТС и сможет набрать любой телефонный номер. Входящий звонок из городской телефонной сети так же имеет два маршрута в зависимости от настроек шлюза: на телефон, подключенный к FXS-порту или в сеть SIP-провайдера. В последнем случае, звонящий услышит гудок и сможет набрать любой телефонный номер. Для удобства в шлюзе можно включить голосовое меню, чтобы звонящий мог сам выбирать маршрут звонка посредством нажатия кнопок телефона.

В этом случае IP-АТС выступает в качестве SIP-сервера, на котором хранятся учетные записи и номера IP-телефонных абонентов в офисе. Чтобы подключить IP-телефон, достаточно включить его в коммутатор локальной сети офиса и сделать соответствующие настройки. Аналоговые телефоны и городские линии тоже возможно подключить к IP-АТС , но уже через VoIP-шлюз , который подключается к коммутатору. Теперь останется сделать план телефонных номеров и настроить маршрутизацию звонков. Все это делается с помощью Web-интерфейса IP-АТС. Объединить два офиса, в которых установлены IP-АТС, не составит труда.

При этом в дальнейшем Вы получите экономию на звонках между сотрудниками офисов (оплата доступа в Интернет). Особенно ощутимой она будет, если вы соедините офисы, находящиеся в разных городах.

Выводы

SIP-телефония вполне может заменить традиционный телефон. Но это совсем не значит, что можно полностью отказаться от городского телефона. Без городской линии вы не сможете вызвать экстренные службы. Кроме этого, городская телефонная линия имеет автономное питание, так что ей не страшно отключение электроэнергии в Вашем доме или офисе.
SIP-телефония легко интегрируется в существующие традиционные телефонные решения , делая вашу телефонную связь экономичной. Например, нет необходимости менять существующую аналоговую АТС, на новую IP-АТС с IP-телефонами на каждом рабочем месте, чтобы все сотрудники офиса получили доступ к недорогому межгороду. Подключите АТС к SIP-провайдеру через VoIP-шлюз!
На базе стандартного SIP-оборудования можно легко создать масштабируемую внутриофисную и внутрикорпоративную телефонную сеть, объединяющую несколько удаленных офисов, причем офисы могут находиться не только в разных городах, но и в разных странах. И никаких дорогостоящих междугородних звонков - только оплата доступа в Интернет.
SIP-телефония несет в себе огромный потенциал для оптимизации телефонной связи на предприятиях и в организациях. Домашний SIP-телефон позволит неограниченно общаться с такими же пользователями услуг SIP-провайдера и совершать недорогие междугородние и международные звонки.

Avtandilko 13 июня 2013 в 11:07

Основы IP-телефонии, базовые принципы, термины и протоколы

Разработка систем связи

Recovery Mode

Добрый день, уважаемые хабражители. В данной статье я постараюсь рассмотреть основные принципы IP-телефонии, описать наиболее часто используемые протоколы, указать способы кодирования и декодирования голоса, разобрать некоторые характерные проблемы.

Под IP-телефонией подразумевается голосовая связь, которая осуществляется по сетям передачи данных, в частности по IP-сетям (IP - Internet Protocol). На сегодняшний день IP-телефония все больше вытесняет традиционные телефонные сети за счет легкости развертывания, низкой стоимости звонка, простоты конфигурирования, высокого качества связи и сравнительной безопасности соединения. В данном изложении будем придерживаться принципов эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection basic reference model) и рассказывать о предмете “снизу-вверх”, начиная с физического и канального уровней и заканчивая уровнями данных.

"
Модель OSI и инкапсуляция данных

Принципы IP-телефонии

При осуществлении звонка голосовой сигнал преобразуется в сжатый пакет данных (подробнее этот процесс будет рассмотрен в главах “Импульсно кодовая модуляция” и “Кодеки”). Далее происходит пересылка данных пакетов поверх сетей с коммутацией пакетов, в частности, IP сетей. При достижении пакетами получателя, они декодируются в оригинальные голосовые сигналы. Эти процессы возможны благодаря большому количеству вспомогательных протоколов, часть из которых будет рассмотрена далее.

В данном контексте, протокол передачи данных - некий язык, позволяющий двум абонентам понять друг друга и обеспечить качественную пересылку данных между двумя пунктами.

Отличие от традиционной телефонии

В традиционной телефонии установка соединения происходит при помощи телефонной станции и преследует исключительно цель разговора. Здесь голосовые сигналы передаются по телефонным линиям, через выделенное подключение. В случае же IP-телефонии, сжатые пакеты данных поступают в глобальную или локальную сеть с определенным адресом и передаются на основе данного адреса. При этом используется уже IP-адресация, со всеми присущими ей особенностями (такими как маршрутизация).

При этом IP-телефония оказывается более дешевым решением как для оператора, так и для абонента. Происходит это благодаря тому, что:

Традиционные телефонные сети обладают избыточной производительностью, в то время, как IP-телефония использует технологию сжатия голосовых пакетов и позволяет полностью использовать емкость телефонной линии.
Как правило, на сегодняшний момент доступ в глобальную сеть есть у всех желающих, что позволяет сократить затраты на подключение или совсем исключить их.
Звонки в локальной сети могут использовать внутренний сервер и происходить без участия внешней АТС.

Вместе с вышеперечисленным, IP-телефония позволяет улучшить качество связи. Достигается это, опять же, благодаря трем основным факторам:

Телефонные серверы постоянно совершенствуются и алгоритмы их работы становятся более устойчивыми к задержкам или другим проблемам IP-сетей.
В частных сетях их владельцы обладают полным контролем над ситуацией и могут изменять такие параметры, как ширина полосы пропускания, количество абонентов на одной линии, и, как следствие, величину задержки.
Сети с коммутацией пакетов развиваются, и ежегодно вводятся новые протоколы и технологии, позволяющие улучшить качество связи (например, протокол резервирования полосы пропускания RSVP).

Благодаря IP-телефонии очень элегантно решается проблема занятой линии, так как переадресация, либо перевод в режим ожидания могут быть осуществлены несколькими командами в конфигурационном файле на АТС.

Физический уровень (Physical Layer)

На физическом уровне осуществляется передача потока битов по физической среде через соответствующий интерфейс. IP-телефония практически полностью опирается на уже существующую инфраструктуру сетей. В качестве среды передачи информации используются, как правило витая пара категории 5 (UTP5), одномодовое или многомодовое оптическое волокно, либо коаксиальный кабель. Тем самым в полной мере реализуется принцип конвергенции телекоммуникационных сетей.

PoE

Интересно рассмотреть технологию PoE (Power Over Ethernet) - стандарты IEEE 802.3 af-2003 и IEEE 802.3at-2009. Ее суть заключается в возможности обеспечения питанием устройств посредством стандартной витой пары. Большинство современных IP-телефонов, в частности, модельный ряд Cisco Unified IP Phones 7900 Series, поставляются с поддержкой PoE. Согласно стандарту 2009 года, устройства могут получать ток мощностью до 25,5 Ватт.

При подаче питания используются лишь две витых пары кабеля 100BASE-TX, однако некоторые производители задействуют все четыре, достигая мощности до 51 Ватт. Необходимо заметить, что технология не требует модификации уже существующих кабельных систем, в том числе и кабелей Cat 5.

Для определения того, является ли подключаемое устройство питаемым (PD - powered device) на кабель подается напряжение 2,8 - 10 В. Тем самым вычисляется сопротивление подключаемого устройства. Если данное сопротивление находится в диапазоне 19 - 26,5 кОм, то процесс переходит на следующий этап. Если же нет - проверка повторяется с интервалом ≥2 мс.

Далее происходит поиск диапазона мощностей питаемого устройства путем подачи более высокого напряжения и измерения тока в линии. Вслед за этим на линию подается 48 В - питающее напряжение. Также осуществляется постоянный контроль перегрузок.

Канальный уровень (Data Link Layer)

Согласно спецификации IEEE 802 канальный уровень разделяется на два подуровня:

MAC (Media Access Control) - обеспечивает взаимодействие с физическим уровнем;
LLC (Logical Link Control) - обслуживает сетевой уровень.

На канальном уровне работают коммутаторы - устройства, обеспечивающие соединение нескольких узлов компьютерной сети и распределение фреймов между хостами на основе физической (MAC) адресации.

Необходимо упомянуть механизм виртуальных локальных сетей (Virtual Local Area Network). Данная технология позволяет создавать логическую топологию сети без оглядки на ее физические свойства. Достигается это тегированием трафика, что подробно описано в стандарте IEEE 802.1Q.

Формат фрейма

В контексте IP-телефонии отметим Voice VLAN, широко применяющуюся для изоляции голосового трафика, генерируемого IP-телефонами, от других данных. Ее использование целесообразно по двум причинам:

Безопасность. Создание отдельной голосовой VLAN уменьшает вероятность перехвата и анализа голосовых пакетов.
Повышение качества передачи. Механизм VLAN позволяет задать повышенный приоритет голосовым пакетам, и, как следствие, улучшить качество связи.

Сетевой уровень (Network Layer)

На сетевом уровне происходит маршрутизация, соответственно основными устройствами сетевого уровня являются маршрутизаторы (Router). Именно здесь определяется, каким путем данные достигнут получателя с определенным IP-адресом.

Основной маршрутизируемый протокол - IP (Internet Protocol), на основе которого и построена IP-телефония, а также всемирная сеть Интернет. Также существует множество динамических протоколов маршрутизации, самый популярный среди которых OSPF (Open Shortest Path First) - внутренний протокол, основанный на текущем состоянии каналов связи;

На сегодняшний момент существуют специальные VoIP-шлюзы (Voice Over IP Gateway), обеспечивающие подключение обычных аналоговых телефонов к IP-сети. Как правило, они имеют и встроенный маршрутизатор, позволяющий вести учет трафика, авторизовать пользователей, автоматически раздавать IP-адреса, управлять полосой пропускания.

Среди стандартных функций VoIP-шлюзов:

Функции безопасности (создание списков доступа, авторизация);
Поддержка факсимильной связи;
Поддержка голосовой почты;
Поддержка протоколов H.323, SIP (Session Initiation Protocol).

Для борьбы с возможными задержками передачи IP необходимо дополнять дополнительными средствами, например протоколами установления очередности (чтобы голосовые данные не конкурировали с обычными).
Как правило, в этих целях на маршрутизаторах используется очередность с малой задержкой (LLQ - Low-Latency queuing), либо взвешенная организация очередей на основе классов (CBWFQ - Class-Based Weighted Fair Queuing).
Кроме того, необходимы схемы маркировки с заданием приоритетов для рассмотрения голосовых данных, как наиболее важных для передачи.

Транспортный уровень (Transport Layer)

Для транспортного уровня характерны:

Сегментация данных приложений верхнего уровня;
Обеспечение сквозного соединения;
Гарантия надежности данных.

Основные протоколы транспортного уровня - TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol), RTP (Real-time Transport Protocol). Непосредственно в IP-телефонии используются протоколы UDP и RTP, причем основное их отличие от TCP заключается в том, что они не обеспечивают надежность доставки данных. Это является более приемлемым вариантом, нежели осуществление контроля за доставкой (TCP), так как телефонная связь чрезвычайно зависима от задержек передачи, но менее чувствительна к потерям пакетов.

UDP

UDP базируется на сетевом протоколе IP и предоставляет транспортные услуги прикладным процессам. Его главное отличие от TCP - обеспечение негарантированной доставки, то есть при отправке и получении данных никаких подтверждений не запрашивается. Также при отправке информации не обязательно установление логического соединения между модулями UDP (источник и приемник).

RTP

Несмотря на то, что RTP принято считать протоколом транспортного уровня, как правило он работает поверх UDP. С помощью RTP реализуется распознавание типа трафика, работа с метками времени, контроль передачи и нумерация последовательности пакетов.

Основное назначение RTP состоит в том, что он присваивает каждому исходящему пакету временные метки, обрабатывающиеся на приемной стороне. Это позволяет принимать данные в надлежащем порядке, снижает влияние неравномерности времени прохождения пакетов по сети, восстанавливает синхронизацию между аудио и видео данными.

Уровни данных (Data Layers)

Три последних уровня модели OSI рассмотрим совместно. Такое объединение допустимо, так как процессы, происходящие на данных уровнях тесно связаны между собой, и описывать их безотносительно разделения на подуровни будет логичнее.

H.323

Первым делом необходимо описать стек протоколов H.323, разработанный в 1996 году. Данный стандарт содержит описание оборудования, сетевых служб и терминальных устройств, предназначенных для осуществления аудио- и видеосвязи в сетях с коммутацией пакетов (Интернет). Для любого устройства стандарта H.323 обязательна поддержка обмена голосовой информацией.

Платформенную независимость.
Стандарты кодирования аналоговых данных.
Управление полосой пропускания.
Гибкость и совместимость.

Отметим очень важный факт: в рекомендациях не определены физическая среда передачи, транспортный протокол и сетевой интерфейс. Это значит, что устройства, поддерживающие стандарт H.323 могут работать в любых существующих сегодня сетях с коммутацией пакетов.

Согласно H.323 четырьмя основными компонентами VoIP-соединения являются:

терминал;
шлюз;
контроллер зоны;
контроллер управления многоточечной конференции (MCU - Multipoint Control Unit).

Пример структурной схемы сети в IP-телефонии

Выдержка из документа, описывающего стек протоколов H.323

1. Управление соединением и сигнализация:
1.а. H.225.0: протоколы сигнализации и пакетирования мультимедийного потока (использует подмножество протокола сигнализации Q.931).
1.б. H.225.0/RAS: процедуры регистрации, допуска и состояния.
1.в. H.245: протокол управления для мультимедиа.
2. Обработка звуковых сигналов:
2.а. G.711: импульсно-кодовая модуляция тональных частот.
2.б. G.722: кодирование звукового сигнала 7 кГц в 64 кбит/с.
2.в. G.723.1: речевые кодеры на две скорости передачи для организации мультимедийной связи со скоростью передачи 5.3 и 6.3 кбит/с.
2.г. G.728: кодирование речевых сигналов 16 кбит/с с помощью линейного предсказания с кодированием сигнала возбуждения с малой задержкой.
2.д. G.729: кодирование речевых сигналов 8 кбит/с с помощью линейного предсказания с алгебраическим кодированием сигнала возбуждения сопряженной структуры.
3. Обработка видеосигналов:
3.а. H.261: видеокодеки для аудиовизуальных услуг со скоростью 64 кбит/с.
3.б. H.263: кодирование видеосигнала для передачи с малой скоростью.
4. Конференц-связь для передачи данных:
4.а. T.120: стек протоколов (включает T.123, T.124, T.125) для передачи данных между оконечными пунктами.
5. Мультимедийная передача:
5.а. RTP: транспортный протокол реального времени.
5.б. RTCP: протокол управления передачей в реальном времени.
6. Обеспечение безопасности:
6.а. H.235: обеспечение безопасности и шифрование для мультимедийных терминалов сети H.323.
7. Дополнительные услуги:
7.а. H.450.1: обобщенные функции для управления дополнительными услугами в H.323.
7.б. H.450.2: перевод соединения на телефонный номер третьего абонента.
7.в. H.450.3: переадресация вызова.
7.г. H.450.4: удержание вызова.
7.д. H.450.5: парковка вызова (park) и ответ на вызов (pick up).
7.е. H.450.6: уведомление о поступившем вызове в состоянии разговора.
7.ж. H.450.7: индикация ожидающего сообщения.
7.з. H.450.8: служба идентификации имен.
7.и. H.450.9: служба завершения соединения для сетей H.323.

Сценарий установки соединения на основе протокола H.323

SIP (Session Initiation Protocol)

SIP - протокол сигнализации, предназначенный для организации, изменения и завершения сеансов связи. SIP независим от транспортных технологий, однако при установлении соединения предпочтительно использовать UDP. Для передачи самой голосовой и видеоинформации рекомендовано применять RTP, но возможность использования других протоколов не исключена.

В SIP определены два типа сигнальных сообщений - запрос и ответ. Также существует шесть процедур:

INVITE (приглашение) - приглашает пользователя принять участие в сеансе связи (служит для установления нового соединения; может содержать параметры для согласования);
BYE (разъединение) - завершает соединение между двумя пользователями;
OPTIONS (опции) - используется для передачи информации о поддерживаемых характеристиках (эта передача может осуществляться напрямую между двумя агентами пользователей или через сервер SIP);
АСК (подтверждение) - используется для подтверждения получения сообщения или для положительного ответа на команду INVITE ;
CANCEL (отмена) - прекращает поиск пользователя;
REGISTER (регистрация) - передает информацию о местоположении пользователя на сервер SIP, который может транслировать ее на сервер адресов (Location Server).

Сценарий сеанса связи SIP

Кодеки

Аудиокодеком называют программу или алгоритм, который сжимает, либо разжимает цифровые звуковые данные, позволяя снизить требования к пропускной способности канала передачи данных. В IP-телефонии на сегодняшний день наиболее распространено преобразование посредством кодека G.729, а также сжатие G.711 по А-закону (alaw) и μ-закону (ulaw).

G.729

G.729 является кодеком, который сжимает исходный сигнал с потерей данных. Основная идея, заложенная в G.729 - передача не самого оцифрованного сигнала, а его параметров (спектральной характеристики, количества переходов через ноль), достаточных для последующего синтезирования на принимающей стороне. При этом все основные характеристики голоса, такие как амплитуда и тембр сохраняются.

Пропускная способность канала, на которую рассчитан данный кодек - 8 кбит/с. Длина кадра обрабатываемого G.729 - 10 мс, частота дискретизации - 8 кГц. Для каждого из таких кадров определяются параметры математической модели, которые в дальнейшем и передаются в канал в виде кодов.

При использовании кодирования G.729 задержка составляет 15 мс, из которых 5 мс тратится на заполнение предварительного буфера. Отметим также, что кодек G.729 предъявляет достаточно высокие требования к ресурсам процессора.

G.711

G.711 - голосовой кодек, который не предполагает никакого сжатия, помимо компандирования - метода уменьшения эффектов каналов с ограниченным динамическим диапазоном. В основе данного метода лежит принцип уменьшения количества уровней квантования сигнала в области высокой громкости, сохраняя при этом качество звука. Две широко использующиеся в телефонии схемы компандирования - alaw и ulaw.

Сигнал в данном кодеке предоставлен потоком величиной 64 кбит/с. Частота дискретизации - 8000 кадров по 8 бит в секунду. Качество голоса субъективно лучше, нежели при применении кодека G.729.

alaw

alaw или А-закон - алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Европы и России.

Для сигнала x преобразование по алгоритму alaw выглядит следующим образом:

Где А - параметр сжатия (обычно принимается равным 87,7).

ulaw

ulaw или μ-закон - алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Японии и Северной Америки.

Для сигнала x преобразование по алгоритму ulaw выглядит следующим образом:

где μ принимается равным 255 (8 бит) в стандартах Северной Америки и Японии.

Импульсно кодовая модуляция (PCM - Pulse Code Modulation)

Импульсно кодовая модуляция - передача непрерывной функции в виде серии последовательных импульсов.

Для получения на входе канала связи модулированного сигнала, мгновенное значение несущего сигнала измеряется АЦП с определенным периодом. При этом количество оцифрованных значений в секунду (иначе, частота дискретизации) должно быть большим или равным двукратной максимальной частоте в спектре аналогового сигнала.

Далее полученные значения округляются до одного из заранее принятых уровней. Заметим, что количество уровней необходимо принимать кратным степени двойки. В зависимости от того, сколько было определено уровней, сигнал кодируется определенным количеством бит.

Квантование сигнала

На данном рисунке представлено кодирование с помощью четырех битов (то есть все промежуточные значения аналогового сигнала будут округляться до одного из заранее заданных 16 уровней). Для примера, при времени равном нулю сигнал будет представлен подобным образом: 0111.

При демодуляции последовательность нулей и единиц преобразуется в импульсы демодулятором, уровень квантования которого равен уровню квантования модулятора. После этого ЦАП на основе данных импульсов восстанавливает сигнал, а сглаживающий фильтр окончательно убирает неточности.

В современной телефонии число уровней квантования должно быть большим или равным 100, то есть минимальное количество бит, которым может кодироваться сигнал - 7.

Вопросы качества обслуживания в IP-телефонии (Quality of Service - QoS)

В сетях на основе стека TCP/IP высокое качество обслуживания трафика, чувствительного к задержкам передачи не обеспечивается по умолчанию. При использовании протокола TCP имеется гарантия достоверной доставки информации, но ее перенос может осуществляться с непредсказуемыми задержками. Для UDP характерна минимизация задержек, но гарантия верной доставки пакета отсутствует.

В то же время добротность речевого трафика сильно зависит от качества передачи, и в сети, где не реализованы механизмы, гарантирующие соответственное качество, реализация IP-телефонии может быть не удовлетворяющей требованиям пользователей.

Основными показателями качества обслуживания являются пропускная способность сети и задержка передачи. Задержка при этом определяется как промежуток времени, прошедший с момента отправки пакета, до момента его приема.

Также существуют такие характеристики, как готовность сети и ее надежность (оцениваются по результатам контроля уровня обслуживания в течение длительного времени, либо по коэффициенту использования).

Для улучшения качества связи используются следующие механизмы:

Перемаршрутизация. При перегрузке одного из каналов связи позволяет осуществить доставку при помощи резервных маршрутов.
Резервирование ресурсов канала связи на время соединения.
Приоретизация трафика. Дает возможность помечать пакеты в соответствии с уровнем их важности и производить обслуживание на основе меток.

Как было сказано ранее, голосовой трафик чрезвычайно чувствителен к задержкам передачи. Максимальное время задержки не должно превышать 400 мс (сюда включается и продолжительность обработки информации на конечных станциях). Различают два основных типа задержек:

Задержка при кодировании информации в голосовых шлюзах или терминальном оборудовании. Уменьшается путем улучшения алгоритмов обработки и преобразования голоса.
- Задержка, вносимая сетью передачи. Уменьшается путем улучшения сетевой инфраструктуры, в частности, сокращением количества маршрутизаторов и использованием высокоскоростных каналов.

Источники задержки в IP-телефонии

Джиттер

Еще одно явление, характерное для IP-телефонии - джиттер, или, иначе, случайная задержка распространения пакета.

Обуславливается джиттер тремя факторами:

Ограниченная полоса пропускания или некорректная работа активных сетевых устройств;
Высокая задержка распространения сигнала;
Тепловой шум.

Наиболее часто применяющийся метод борьбы с джиттером - джиттер-буфер, хранящий определенное количество пакетов.

Обычно предусматривается динамическая подстройка длины буфера в течение всего времени существования соединения. Для выбора наилучшей длины используются эвристические алгоритмы.

Джиттер буфер

Для компенсации неравномерной скорости поступления пакетов на приемной стороне создают временное хранилище пакетов, или так называемый джиттер буфер. Его задача, собрать поступающие пакеты в правильном порядке в соответствии с временными метками и выдать их кодеку с правильными интервалами и правильном порядке.

Джиттер буфер

Размер буфера приемное VOIP устройство рассчитывает в процессе работы, либо принудительно задается в настройках. С одной стороны он не может быть слишком большим, чтобы не увеличивать транспортную задержку. С другой стороны, маленький размер буфера вызывает потери пакетов при изменениях времени задержки в IP сети.

Отсюда и происходит одно из главных противоречий, между интернет провайдерами и пользователями IP телефонии. С точки зрения провайдера все пакеты доставлены абоненту, то есть, потерь нет. А с точки зрения VoIP устройства, разница во времени между приходом пакетов значительно превышает джиттер буфер. Поэтому фактически потери есть. На практике потеря более 1% вызывает определенные неприятные ощущения. При 2% разговор оказывается затруднен. При значениях больше 4% разговор уже практически невозможен.

Размер джиттер буфера

Случайная задержка распространения Ji для i-го пакета может определяться по формуле:

где:
Di – отклонение от ожидаемого времени прибытия i-го пакета.
Отклонение от ожидаемого времени прибытия i-го пакета Di определяется по формуле:

где:
R – время прибытия пакета в метках времени RTP,
S – временная метка RTP, взятая из пакета.

Приведем пример расчета ожидаемого размера случайной задержки распространения 5-го пакета, на основе двух предыдущих.

Пусть J4=10 мс; R4=10, R3=11, S4=6, S3=5, тогда D5 будет равно (10-11)-(6-5)=-2.

В среднем, случайная задержка времени распространения для одного пакета в текущем примере составит 10 мс (точнее можно посчитать по формуле, приведенной выше). Тогда для того, чтобы ни один пакет не был отброшен, размер джиттер буфера должен быть равным 10 мс.

Для определения требуемого размера джиттер буфера в мегабайтах, домножим полученное значение на 100 мбит/сек – среднюю пропускную способность сети: 10 10^-3 100 = 128 кб.

Размер джиттер-буфера должен быть больше, чем флуктуация транзитного времени в сети. Например, если для 10 пакетов время транзита колеблется от 5 до 10 мс, то буфер должен быть хотя бы 8 мс, чтобы ни один пакет не был потерян. Лучше, если буфер еще больше, например 12 мс, тогда сможет работать механизм перезапроса потерянных пакетов.

Решения для развертывания телефонной сети

Asterisk

Asterisk - программная АТС, способная коммутировать как VoIP вызовы, так и вызовы, осуществляемые между IP-телефонами и традиционной телефонной сетью общего пользования.

Поддерживаемые протоколы: IAX, SIP, H.323, Skinny, UNIStim.
Поддерживаемые кодеки: G.711 (ulaw и alaw), G.722, G.723, G.729, GSM, iLBC, LPC-10, Speex.

Asterisk - динамично развивающееся открытое программное обеспечение, которое может быть установлено без оглядки на лицензирование. Это делает данную программную АТС привлекательной для малого и среднего бизнеса. Количество абонентов в сети может достигать 2000 и ограничено только мощностью сервера.

Еще одно достоинство Asterisk - возможность гибкой настройки. Весь необходимый функционал либо уже реализован, либо может быть дописан самостоятельно без существенных временных и денежных затрат. Этому способствует принцип: одна задача - один программный модуль.

В сравнении с решениями от таких вендоров, как Cisco или Avaya, Asterisk привлекателен еще и стоимостью развертывания. Фактически все затраты сводятся только к покупке телефонных аппаратов и сервера, способного обеспечить требуемую нагрузку на сеть. Сама программа абсолютно бесплатна.

Cisco Unified Communication Manager (CallManager)

CallManager предназначен скорее для крупных сетей, включающих до 30000 абонентов. Данный программно-аппаратный комплекс обеспечивает надежность работы и позволяет конфигурировать множество параметров, таких как переадресация звонков или голосовое меню. Существует и “облегченная” express версия, предназначенная скорее для небольших офисов.

Из преимуществ Cisco CallManager следует отметить в первую очередь знаменитую техническую поддержку корпорации Cisco. При соответствующем уровне контракта на обслуживание, любая проблема, начиная с вопросов по настройке и заканчивая вышедшим из строя оборудованием, будет решена практически мгновенно. Поэтому Cisco CallManager подойдет компаниям, готовым платить немалые деньги, но и получать при этом высочайшее качество обслуживания.

Avaya IP Office

Система IP Office может стать неплохим выбором для среднего размера телефонной сети. Количество абонентов здесь ограничено не только мощностью сервера, но и количеством приобретенных лицензий. Лицензировать необходимо практически все - платы расширения, используемые приложения и т.д., что может доставить определенные неудобства.

Конфигурирование может осуществляться через ряд программ, но наиболее популярная и простая в обращении - Avaya IP Office Manager. Также возможно управление через консоль с помощью Avaya Terminal Emulator.

В целом, продукция корпорации Avaya не ограничивается одним IP Office. Avaya, в 2009 году слившаяся с еще одним известным производителем Nortel, является признанным лидером на рынке оборудования для IP-телефонии.

Запутавшись в сложных терминах, он набрал мой номер и задал интересную тему для диалога:

- Скажи, а чем IP-телефония отличается от SIP-телефонии? Вроде бы одно и то же, но наверняка отличия есть.

- Ты прав, есть. Объясню тебе кратко и очень наглядно. Ответь мне, пожалуйста, в чем разница между айфоном и смартфоном?

- Ну…

- Вот и здесь аналогичная ситуация. Подобно тому, как айфон является конкретной моделью смартфона, связь на основе SIP-протоколов является всего лишь разновидностью IP-телефонии.

Знакомый ответом остался доволен, а я решил немного расширить ответ в статье.

Принципы IP-телефонии

IP-телефония основана на возможности сжатия голосового сигнала в пакет данных, который оперативно передается по соответствующим сетям. После завершения операции он декодируется и предстает перед адресатом в оригинальном виде. Надежность передачи данных обеспечена большим количеством вспомогательных протоколов. Традиционные телефонные сети IP-телефония вытесняет за счет быстроты и легкости развертывания, более дешевой стоимости звонка, простоты конфигурации, безопасности соединения и высокого качества связи.

Виды IP-телефонии

Основой для классификации различных видов интернет-телефонии является модель протокола. Отметим три наиболее популярных:

H.323. Данный вид сетевого протокола был разработан в 1996 г. Его составляющими элементами являются терминал, шлюз, контроллеры зоны и управления многоточечной конференции (MCU). Данный протокол получил большую популярность при организации операторских сетей и межоператорского обмена. Схема подключения на основе H.323 выглядит следующим образом:

MGCP. Первая разработка данного протокола датируется 1999 г. Его главная идея заключена в том, что за управление сигнализацией отвечает ЦУП (центральное управляющее устройство), полностью отделенное от медиапотоков. Они обрабатываются абонентскими терминалами или ограниченными шлюзами, способными исполнять лишь узкий перечень команд, исходящих от управляемого устройства. MGCP-протокол ориентирован на организацию операторских узлов сопряжения IP-сетей с городскими телекоммуникациями и сетями SS7. Структурная схема подключения выглядит следующим образом:

SIP. Данный протокол появился в 1999 г. и продолжает активно развиваться в настоящий момент. Он разрабатывался на основе HTTP и SMTP и многое от них позаимствовал. Если не вдаваться в глубокие технические подробности, то его можно представить клиент-серверным протоколом, работа которого состоит из постоянного чередования вопросов и ответов. При этом заголовки SIP передает в формате ASCII-текста, что позволяет избежать трудностей с прочтением. Структурная схема подключения выглядит следующим образом:

Отметим, что связь по SIP-протоколу проходит шесть этапов:

INVITE (приглашение). На данном этапе устанавливается новое соединение и тем самым пользователь приглашается для участия в сеансе связи.

BYE (разъединение). По желанию пользователя его связь с другим человеком разъединяется в любой момент.

OPTIONS (опции). Данный этап необходим для передачи информации о поддерживаемых технических характеристиках либо напрямую между пользователями, либо через сервер SIP.

АСК (подтверждение). После команды INVITE пользователь должен дать положительный ответ на приглашение вступить в диалог.

CANCEL (отмена). На данном этапе происходит прекращение поиска пользователя.

REGISTER (регистрация). Здесь происходит передача информации на сервер SIP о геолокации пользователя. При необходимости она может быть передана по всем локальным адресам.

Таким образом, технология SIP является одним из наиболее перспективных способов развития IP-телефонии. Она позволяет привязать номер не к конкретному географическому месту, а к человеку. Он будет на связи везде, где есть Интернет со скоростью от 64 Кбит/с. При этом SIP-протокол поддерживает передачу не только голоса, но и видеопотока.

Зачем это нужно бизнесу?

За сложными техническими терминами скрывается главный вопрос, который возникнет у любого руководителя: "Насколько это будет мне выгодно?" Выгода будет серьезная. Смотрите сами.

Снижение затрат на связь позволит достичь крайне высокого уровня оптимизации доходов и расходов. Оптимизация позволит компании объединить все ресурсы и средства в рамках одного контакт-центра. Даже если у вас огромная компания и несколько call-центров, то управлять коллективом операторов можно из одного места. Это существенно повышает эффективность использования ресурсов компании, усиливает возможности для эффективной поддержки клиентов, позволяет не закупать дорогостоящее оборудование. Интеллектуальное перенаправление голосовых вызовов повышает рост числа оперативно решенных проблем и увеличивает лояльность со стороны клиента. Вместе со всем этим растет и прибыль компании.