IP-телефония Сценарии организации, протоколы, алгоритмы обработки и передачи речи, QoS Лекция 15

Телефон-телефон Компьютер-телефон Компьютер-компьютер Сценарии организации IP-телефонии: терминал IP-сеть терминал IP-сеть ТфОП/моб. шлюз

Организация сети IP-телефонии На базе рекомендации H.323 Организация корпоративной сети связи. Включает в себя дополнительные средства управления потоками. Определяет стандарты на оборудование. Решение МСЭ На основе протокола SIP Организация корпоративной сети связи. Подходит для небольших региональных сетей. Решение IETF

1. Стек рекомендаций Н.323 IP TCPUDP RTP RTCPRAS G.7xxH.26x Q.931 Н.225 H.245T.120 Управление аудио/видео ДанныеАудиоВидео

Сеть, построенная на базе Н.323

Функции основных компонентов сети IP-телефонии на основе Н.323 Терминал - оборудование конечных точек сети, которое позволяет пользователям общаться друг с другом в реальном времени. Главной задачей терминалов является кодирование и декодирование аудиосигналов и их передача и прием в соответствии с правилами, принятыми для данного стандарта и связной среды. Терминал обязан обеспечивать звуковую связь и может дополнительно поддерживать передачу видео или данных.

Шлюз (Gateway) - позволяет системам, существующим в разных сетях и основанным на разных H.32x стандартах, связываться между собой. Среди них: H.320 (ISDN), H.321 (ATM), H.322 (Ethernet), H.323 (IP), H.324 (POTS). Шлюз не входит в число обязательных компонентов сети H.323. Он необходим только в том случае, когда требуется установить соединение с терминалом другого стандарта. Эта связь обеспечивается трансляцией протоколов установки и разрыва соединений, а также форматов передачи данных. Контроллер зоны (Gatekeeper, Привратник, Конференц-менеджер) - сервисная программа, контролирующая доступ к сети, основанной на стандарте H.323 в сетях с пакетной коммутацией. Она требует, чтобы терминалы зарегистрировались на Привратнике, сообщив ему свое имя. Привратник осуществляет трансляцию сетевых адресов для установления соединения. Он может отказать в доступе или ограничить число одновременных соединений в зависимости от загруженности сети.

MCU (Multipoint Control Unit) или устройство управления многоточечными конференциями - устройство для реализации многоточечной аудиоконференции. Все терминалы, участвующие в конференции, устанавливают соединение с MCU. Сервер управляет ресурсами конференции, согласовывает возможности терминалов по обработке звука, определяет аудиопотоки, которые необходимо направлять по многим адресам. Общим принципом работы этих устройств является такой способ организации многоточечной связи, при котором аудиопотоки смешиваются, что позволяет участникам слышать друг друга. MCU возможно реализовать программно или аппаратно. MCU включает в себя сетевой интерфейс, обработчик аудиосигнала, содержащий кодек и микшер, специальный переключатель потоков информации между участниками видеоконференции, обработчик данных, контроллер конференции и средства управления трафиком и режимами конференций, а также сохранения протокола конференции.

Протоколы, используемые при передаче речи по IP-сети RTP (Real Time Protocol) – обеспечивает в IP-сетях доставку адресатам аудиопотоков в масштабе реального времени. RTP идентифицирует тип и номер пакета, устанавливает в него метку синхронизации. На основе этой информации приемный терминал синхронизирует звук, осуществляет его последовательное и непрерывное воспроизведение. RTCP (Real Time Transport Control Protocol) – базируется на периодической передаче управляющих пакетов всем участникам сессии. Этот протокол не имеет самостоятельного значения и используется лишь совместно с RTP. RAS (Registration, Admission, Status) – протокол регистрации, подтверждения и контроля за состоянием соединения. Без контроллера зоны не используется.

2. SIP (Session Initiation Protocol) Протокол инициирования сеансов связи – SIP, предназначен для организации, модификации и завершения мультимедийных сеансов или вызовов. SIP не зависит от модели и масштабов связи или конференц-связи и от пакетного уровня, требуя лишь услуг доставки датаграмм без подтверждения, так как надежность их доставки обеспечивается его собственным механизмом. SIP – протокол прикладного уровня, в типовом варианте применяется поверх UDP или TCP. Ориентирован на модель установления соединения IP из конца в конец.

Сеть, построенная на базе протокола SIP Может быть реализовано в одном физическом устройстве

Процедура обмена сообщениями в SIP-сети SIP RTP шлюз SIP-серверы АТС ТфОП сигнализациятелефонный канал1:2:

Временные диаграммы обмена SIP-сообщениями (базовый вызов) invite ack Установление соединения Разрыв соединения bay 200 A Б Фаза разговора *Примечание: Разрыв соединения может инициироваться любой стороной

SIP-сессия. Основные сообщения: INVITE – сообщение клиенту аоб открытии новой сессии ACK - подтверждение о переходе в режим ожидания CANCEL - отмена состояния INVITE BYE - закрытие сессии Коды ответов, генерируемых для HTTP. 100 – Ожидание ответа OK 404 – Не найдено Основные коды спецификации SIP: 180 – Посылка вызова Занято

Адресация в SIP В Интернет для нахождения хоста используется URL (для SIP он обозначается как SIP URL). В SIP существуют 4 формы адресов: Например: sip: sip: sip:

Компоненты сети, реализованной на базе протокола SIP RFC построение сетей IP-телефонии на базе SIP. Протокол SIP утвержден IETF и поддержан основными производителями оборудования IP-телефонии в качестве общего стандарта. Сеть SIP содержит основные компоненты трех видов: Агенты - являются приложениями терминального оборудования и включают в себя две составляющие: агент пользователя - клиент (User Agent Сlient - UAC) и агент пользователя - сервер (User Agent Server - UAS), иначе называемые клиент и сервер соответственно.

Proxy-серверы - действуют "от имени других клиентов" и содержит функции клиента (UAC) и сервера (UAS). Этот сервер интерпретирует и может перезаписывать заголовки запросов перед отправкой их к другим серверам. Ответные сообщения следуют по тому же пути обратно к proxy-серверу, а не к клиенту. Серверы определения местоположения - определяют текущее местоположение вызываемого абонента и дает команду оборудованию вызывающего абонента устанавливать соединение с вызываемым абонентом по новому адресу. Для определения текущего местоположения вызываемого абонента сервер переадресации обращается к серверу определения местоположения. Позволяют расширить возможности мобильности абонента.

Сравнительный анализ Н.323 и SIP ПараметрН.323SIP РазработчикITU-TIETF Совместимость с ТфОП ПолнаяЧастичная Совместимость с TCP/IP ЧастичнаяПолная АрхитектураМонолитнаяМодульная СигнализацияQ.931 over TCPSIP over TCP Согласование параметров Оба участника соединения Формат сообщенийДвоичныйASCII АдресацияНомер, IP-адресURL, номер, IP-адрес Разрыв связиЯвный или разрыв ТСР-соединения

Организация передачи речи по IP-сети алгоритм обнаружения пауз кодер пакетизация анализатор Речевой сигнал джиттер-буфер декодер алгоритм нивелирования потерь синтезатор Cинтезированный речевой сигнал IP-сеть

Механизмы эффективного кодирования речи: ИКМ – импульсно-кодовая модуляция. Скорость 64 кбит/с. АДИКМ – адаптивная импульсно-кодовая модуляция. Используется в кодеке G.711. Скорость 64 кбит/с. Используется по умолчанию во всех решениях VoIP. LPC – на основе линейного предсказания. Используется в кодеках G и G.729. Скорости 5,3 и 6,3 кбит/с (G.723.1); 8 кбит/с (G.729). Решение ITU-T. iLBC – кодек с открытым кодом, скорость 13.3 кбит/с. Его прототипом послужил GSM-кодек. Характеризуется высокой помехоустойчивостью.

Формирование речевого сигнала в кодеке G.711 (напоминание!)

Архитектура кодека на основе линейного предсказания (G.72*) ДЕКОДЕР Линия Генератор сигнала возбуждения Основной тон Тон/шум Блок преобразо- вания LSF b 0, LSF b 0 (1+A(z)) S(n) речевой сигнал A(z)A(z) X(n) Выделитель основного тона Определитель Признака тон/шум тон/шум Коэффициент усиления Блок преобразо- вания LSF КОДЕР Линия анализатор синтезатор

Формирование речевого сигнала в кодеках LCP fд = 8 кГц, На каждом кадре рассчитывается спектр сигнала, который представляется фильтром-предсказателем вида: На начальном этапе может использоваться механизм выделения пауз VAD (Voice Activity Detecting) для экономии полосы пропускания. Ухудшает качество речи в среднем на 30%

Пакет формируется на основе 10-ти LSF, признака тон/шум, коэффициента усиления, значения частоты основного тона.

Структура IP-пакета, формируемого на выходе кодека данные RTP или другой специализирован- ный протокол UDPIP или меньше в зависимости от используемого протокола G723.1a (кадр 30 мс) - 20 байт для 5.3 Кбит/с - 24 байт для 6.3 Кбит/с - 4 байт для идентифи- кации тишины - 0 тишина G729 (кадр 10 мс) - 10 байт для 8.0 Кбит/с - 2 байта для идентифи- кации тишины - 0 тишина В некоторых реализациях может использоваться ТСР

Типы кодеков, используемых в IP-телефонии Кодек:G.711G mG aG.729 Скорость передачи, кбит/с646,35,38 Длительность кадра, мс Задержка пакетизации, мс167,5 25 Полоса пропускания для двунаправленного соединения, кГц 174,443,7341,662,4 Задержка джиттер-буфера, мс Значение R-фактора93,278,274,282,2 Теоретическая максимальная оценка MOS 4,43,873,694,07 Примечание. Максимальная задержка джиттер-буфера для всех типов кодеков – удвоенная длительность кадра.

Оценки качества услуг для трафика IP-телефонии.1 Субъективные методики оценки качества услуг: MOS - Mean Opinion Score – восприятие качества услуги пользователем по 5-бальной шкале. Не учитывает ряд явлений, типичных для сетей передачи данных и влияющих на качество речи в системах VoIP. Отсутствует возможность количественно учесть влияющие на качество речи факторы, такие как: –сквозная задержка между говорящим по телефону и слушающим; –влияние вариации задержки (джиттера); –влияние потерь пакетов.

Оценки качества услуг для трафика IP-телефонии.2 Объективные методики оценки качества услуг: Е-модель – многокритериальная оценка качества (R-фактор) в диапазоне от 1 до 100 баллов: –однонаправленная задержка, –коэффициент потери пакетов, –потери данных из-за переполнения буфера джиттера, –искажения, вносимые при преобразовании аналогового сигнала в цифровой и последующем сжатии (обработка сигнала в кодеках), –влияние эхо и др.

Расчет R-фактора R = R o - l s - l d - l e R o = 93,2 – базовое значение R-фактора. Качество речевого сигнала на входе в систему равно 100 единицам. При его оцифровке и передаче по сети происходит некоторое искажение сигнала, снижающее значение Ro до теоретического максимума – 93,2, которое обычно округляют до 94; l s - искажения, вызванные местным эффектом и процедурой квантования; l d - искажения за счет суммарных задержек в сети; l e - искажения, вносимые оборудованием.

R-фактор для некоторых типов кодеков

Соотношение R-фактора и MOS Значение R-фактора Категория качества и оценка пользователя Значение оценки MOS 90

Показатели QoS для трафика IP-телефонии Требования к речевому трафику (TIPHON): Потери пакетов –потери речевых пакетов в сквозном соединении не должны превышать 2% < 0.5% (класс 1 – gold) % (класс 2 – silver) 1 - 2% (класс 3 – bronze) Потери пакетов, % Параметр le (*) G G Влияние потерь на качество речи

Задержка –Задержка в сквозном соединении не должна превышать 250 мс для приемлемого качества –Цель: < 150мс (человек замечает задержку более 200 мс) –400 мс неприемлема Вариация задержки (джиттер задержки) –Джиттер в сквозном соединении не должен превышать 40 мс –Джиттер задержки в зависимости от класса обслуживания:

Механизмы, позволяющие снизить влияние кодека на качество речи методы эффективного кодирования речи (рекомендации ITU-T серии G.7xx); механизмы эхоподавления (G.164) и эхокомпенсации (G.165, G.168); механизмы нивелирования ошибок (packet loss concealment), обеспечивающие компенсацию пробелов в речевом потоке, вызванных потерей отдельных пакетов.

Методы нивелирования потерь (PLC - Packet Loss Concealment) в кодеках IP-телефонии Замена потерянного фрагмента: -предыдущим пакетом-комфортным шумом

Методы обеспечения качества обслуживания VoIP, используемые на сети Методы предотвращения перегрузок: алгоритмы «дырявого ведра», RED Методы обслуживания очередей: алгоритм WFQ Организация джиттер-буфера на приеме Использование протоколов передачи и контроля передачи речи по IP-сетям RTP/RTCP Использование резервирования ресурсов (приоритезация,RSVP, DiffServ, MPLS)

3. ИНТЕРНЕТ-ТЕЛЕФОНИЯ Идея: создание приложения, позволяющего пользователям получать как можно более полный комплект услуг, используя одну службу. В набор услуг в настоящее время входят пейджинг, телефония, пересылка файлов, видеоконференцвязь... Бонусы: записная книжка на сервере службы; доступ, не зависимый от типа подключения к Интернету и географического положения; поиск контактов по заданным параметрам; удобные пользователю формы оплаты (иногда) и прочее в зависимости от фантазии менеджмента службы. и прочие…

Особенности реализации телефонии в решениях общедоступных служб. 1 Использование идеи peer-to-peer (p2p, пиринговые сети). Для них характерны: –Большая размерность. Число узлов может достигать нескольких миллионов и более. –Высокая степень распределенности. Узлы географически распределены на большой территории, включая глобальное распределение по всему миру. –Эффективная масштабируемость. –Устойчивость к сбоям, атакам и эволюции системы (самоорганизация).

Для обеспечения безопасности используется шифрование HTTPS/SSL. В связи с этим протокол транспортного уровня – ТСР. Для обеспечения минимизации задержки используются виртуальные каналы Р2Р, т.е. непосредственно точка-точка с заранее оговоренными условиями обеспечения QoS. Для идентификации абонента при установлении соединения участвует сервер службы. Сигнализация отделена от пользовательской информации. Результат: при значительном (заметном пользователю) времени установления соединения допустимые задержки для телефонного разговора. Особенности реализации телефонии в решениях общедоступных служб. 2

Установление канала связи: A Б Р2Р Установление соединения

Пример: Структура децентрализованной самоорганизующейся пиринговой Skype-сети

Карта мировых супер-узлов Skype

Пример: Структура Skype-сети, в которой присутствуют Skype-клиенты за NAT и брандмауэрами

Пример: Работа Skype через proxy-сервер

Проблемы безопасности – р2р-телефония Проблема: трафик р2р-телефонии надежно зашифрован и не может быть проанализирован антивирусами, заблокирован брандмауэрами или распознан системами обнаружения вторжения. Использование для распространения вирусов: возможность рассылки через контакт-лист и проч. Организация распределенных атак путем перехвата управления узлом.

ПРОБЛЕМЫ ДЛЯ ОПЕРАТОРОВ Непредсказуемые нагрузки на оборудование (каждый клиент потенциальный маршрутизатор). Сложности в предоставлении QoS: сильная загрузка пропускной способности канала доступа. Высокая вероятность появления паразитного трафика -> низкая окупаемость безлимитных тарифов. Отсутствие контроля СОРМ. Возможность работы компаний, не лицензированных на территории данного государства.