IP-телефония

Материал из ПИЭ.Wiki

Перейти к: навигация, поиск

VoIP (англ. Voice over IP; IP-телефония) — система связи, обеспечивающая передачу речевого сигнала по сети Интернет или по любым другим IP-сетям. Сигнал по каналу связи передаётся в цифровом виде и, как правило, перед передачей преобразовывается (сжимается) с тем, чтобы удалить избыточность.

Спор о терминах в области IP – телефонии до сих пор не решен на международном уровне. Так организатору семинара Международного союза электросвязи (ITU), посвященного IP – телефонии (Женева, 14-16 июня 2000г.), выступила с предположением считать IP – телефонию общим понятием, включающим Интернет-телефонию и VoIP. IP – телефония – это самостоятельная услуга по передаче голоса, представляющая собой более дешевую альтернативу традиционной телефонии. IP – телефония – наиболее простая для реализации услуга из пакета услуг, включая передачу данных и видео по протоколу IP. Более того, передача голоса – не самая значительная составляющая этого пакета услуг. IP – телефония будет способствовать повсеместному распространению электронной торговли.


Интернет-телефония – это частный случай IP – телефонии, когда в качестве каналов передачи пакетов телефонного трафика либо от абонента к оператору, либо на магистрали (либо на обоих названных участках) используются обычные каналы сети Интернет.

Возможность передачи голосовых сообщений через сеть с пакетной коммутацией впервые была реализована в 1993 году. Данная технология получила название VoIP. Одним из частных приложений данной технологии является IP-телефония — услуга по передаче телефонных разговоров абонентов по протоколу IP.

Содержание

История развития IP-телефонии.

Существует мнение, что концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера зародилась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993г. Чарли Кляйн выпустил первую программу для передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера Maven. Одновременно одним из самых популярных мультимедийных приложений в сети стала программа видеоконференции CU-SeeMe для компьютеров Macintosh (Mac) разработанная Корнельским университетом. В апреле 1994г. Во время полета космического челнока Endeavor Американское агентство по аэронавтике NASA передало на Землю его изображение с помощью программы CU-SeeMe. Одновременно, использую программу Maven, пробовали передать и звук. Полученный сигнал из Льюисовского исследовательского центра поступил на компьютер Mac., соединенный с Интернет, и любой желающий мог услышать голоса астронавтов. Потому одну программу встроили в другую, и появился вариант CU-SeeMe с полными функциями аудио и видео как для Mac, так и для персональных компьютеров. В феврале 1995г. Израильская компания VocalTec предложила первую версию программы Internet Phone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под операционной системой Windows. Это стало важной вехой в развитии Интернет-телефонии. VocalTec надеялась использовать очень популярные (текстовые) каналы Internet Relay Chat (IRC) в качестве двустороннего средства общения между людьми, имеющими сходные интересы. В том же 1995г. Другие компании очень быстро оценили перспективы, которые открывала возможность разговаривать, находясь в разных полушариях и не платя при этом за международные звонки. На рынок поток продукции, предназначенной для телефонии через сеть Интернет. В сентябре того же года в розничной продаже появилась первая из таких программ – DigiPhone, разработанная небольшой компанией в Далласе (штат Техас), которая предложила «дуплексные» возможности, позволяя говорить и слушать одновременно. Вот в этот момент и родилась привлекательная для абонентов настоящая интерактивная связь. В марте 1996г. Произошло еще одно памятное событие. Тогда было объявлено о совместном проекте под названием «Internet Telephone Gateway» двух компаний: уже известной нам VocalTec и крупнейшего производителя программного обеспечения для компьютерной телефонии Dialogic. Целью было научить работать через Интернет обычный телефонный аппарат, для чего между сетью Интернет и ТфОП устанавливался специализированный шлюз. Последний получил название VTG (VocalTec Telephone Gateway) и представлял собой специализированную программу, которая использовала голосовые платы Dialogic как интерфейс с обычными телефонными линиями. Многоканальные голосовые платы позволяли, во-первых, одной системе VTG поддерживать до восьми независимых телефонных разговоров через сеть Интернет, а во-вторых, убрали проблему адресации, взяв на себя преобразование обычных телефонных номеров в IP-адреса (и обратно). Для разговора одного пользователя в том продукте достаточно было ширины полосы канала порядка 11 кбит/с (у современных продуктов бывает другой). Вот так возможность высокого уплотнения канала и малая стоимость связи создали предпосылки для коренных изменений телекоммуникационного мира. К настоящему времени уже сотни компаний предложили свои коммерческие решения для IP-телефонии. Одновременно практически все крупные телекоммуникационные компании, использующие традиционные средства для организации телефонных переговоров, почувствовав угрозу рынку предоставляемых ими услуг, начали интенсивные исследования с целью оценки ее реальности и масштаба.


IP – телефония – не панацея для решения всех коммуникационных проблем. Но в то же время ее использование позволяет предлагать пользователям совершенно новые, возможные для традиционной телефонии сервисы и приложения. Да и сам фактор экономии затрат на телефонную связь играет не последнюю роль даже с учетом более низкого, но приемлемого, качества передачи разговора. Все это говорит о том, что технология IP – телефонии по большому счету выгодна всем: и пользователям, и операторам сетей, и производителям оборудования.

Основными преимуществами технологии VoIP является сокращение требуемой полосы 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.

Трафик VoIP критичен к задержкам пакетов в сети, но обладает 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:

  1. качество установления соединения, определяемое в основном быстротой установления соединения,
  2. качество соединения, показателем которого являются сквозные (воспринимаемые пользователем) задержки и качество воспринимаемой речи.

Уровень QoS качества передачи речи можно соотнести с одним из четырёх классов:

Показатели качества передачи речи Классы качества услуги
Лучшее Высокое Среднее Низкое
Время
установления
соединения
прямая IP-адресация < 1,5 сек < 4 сек < 7 сек
перевод номера E.164 в IP-адрес < 2 сек < 5 сек < 10 сек
перевод номера E.164 в IP-адрес через расчётную организацию < 3 сек < 8 сек < 15 сек
перевод имени e-mail в IP-адрес < 4 сек < 13 сек < 25 сек
Сквозные
задержки
стандарт ETSI TS101329 < 150 мс < 250 мс < 350 мс < 450 мс
рекомендации ITU-T G.114 < 150 мс < 260 мс < 400 мс > 400 мс
Качество
воспринимаемой
речи
ETSI Не хуже G.711 Не хуже G.726 для 32 кбит/сек Не хуже GSM-FR С максимальными усилиями
Баллы MOS > 4,5 4,0 — 4,5 3,5 — 4,0 3,5 — 3,0

В результате для обеспечения требований QoS при передаче телефонного трафика по технологии VoIP (особенно в условиях ограниченной пропускной способности сети, характерной для сетей специальной связи) необходимо использовать ряд дополнительных механизмов, не существующих в классических IP-сетях. К этим механизмам относятся:

  • использование специфических вокодеров;
  • уменьшение задержек при передаче пакетов по сети;
  • использование специализированных декодеров, устойчивых к потерям пакетов.

Функциональность

Технология VoIP реализует задачи и решения, которые с помощью технологии PSTN реализовать будет труднее, либо дороже.

Примеры:

  • Возможность передавать более чем один телефонный звонок, в рамках высокоскоростного телефонного подключения. Поэтому технология VoIP используется в качестве простого способа, для добавления дополнительной телефонной линии дома или в офисе.
  • Свойства, такие как
  • конференция,
  • переадресация звонка,
  • автоматический перенабор,
  • определение номера звонящего

предоставляются бесплатно или почти бесплатно, тогда как в традиционных телекоммуникационных компаниях обычно выставляют в счёт за дополнительную плату.

  • Безопасные звонки, со стандартизованным протоколом, (такие, как SRTP). Большинство трудностей для включения безопасных телефонных соединений по традиционным телефонным линиям, такие как оцифровка сигнала, и передача цифрового сигнала, уже решены в рамках технологии VoIP. Необходимо лишь произвести шифрование сигнала, и его идентификацию для существующего потока данных.
  • Независимость от месторасположения. Нужно только интернет соединение, для подключения к провайдеру VoIP. Например, операторы центра звонков (call-центр) с помощью VoIP-телефонов могут работать из любого офиса, где есть в наличии эффективное быстрое и стабильное интернет подключение.
  • Доступна интеграция с другими через интернет, включая видео-звонок, обмен сообщениями и данными во время разговора, аудио конференции, управление адресной книгой, и получение информации о том, доступен ли для звонка какие-то другие абоненты (коллеги или друзья).
  • Дополнительные телефонные свойства, такие как маршрутизация звонка, всплывающие окна, альтернативный GSM-роуминг и внедрение IVR — легче и дороже внедрить и интегрировать. Тот факт, что телефонный звонок находится в той же самой сети передачи данных, что и персональный компьютер пользователя, открывает путь ко многим новым возможностям.

Дополнительно: возможность подключения прямых номеров в любой стране мира (DID)

Кодирование речевой информации

Источником информационных данных является Речевой звук|речевой сигнал, возможной моделью которого является нестационарный случайный процесс. В первом приближении можно выделить следующие типы сигнальных фрагментов: вокализированные, невокализированные, переходные и паузы. При передаче речи в цифровой форме каждый тип сигнала при одной и той же длительности и одинаковом качестве требует различного числа бит для кодирования и передачи. Следовательно, скорость передачи разных типов сигнала также может быть различной, что обусловливает применение кодеков с переменной скоростью. В результате, передача речевых данных в каждом направлении дуплексного канала рассматривается как передача асинхронных логически самостоятельных фрагментов цифровых последовательностей (Транзакция|транзакций) с Дейтаграмма|датаграммной синхронизацией внутри транзакции, наполненной блоками различной длины.

В основе кодека речи с переменной скоростью лежит классификатор входного сигнала, определяющий степень его информативности и, таким образом, задающий метод кодирования и скорость передачи речевых данных. Наиболее простым классификатором речевого сигнала является VAD ( детектор речевой активности), который выделяет во входном речевом сигнале активную речь и паузы. Фрагменты сигнала, классифицируемые как активная речь, кодируются каким-либо из известных алгоритмов (как правило, на базе метода CELP|Code Excited Linear Prediction, CELP) с базовой скоростью 4-8 кбит/с. Фрагменты, классифицированные как паузы, кодируются и передаются с низкой скоростью порядка 0,1-0,2 кбит/с, либо не передаются вообще. Когда срабатывает VAD, на приёмной стороне может автоматически генерироваться так называемый «комфортный шум», чтобы у собеседника не возникало ощущение пропадания связи. При этом передача минимальной информации о фрагментах пауз предпочтительна. Данная стратегия позволяет оптимизировать скорость кодирования до 2-4 кбит/с при достаточном качестве синтезируемой речи. При этом для особо критичных фрагментов речевого сигнала выделяется бо?льшая скорость передачи, для менее ответственных — меньшая.

Вокодер вносит дополнительную задержку порядка 15—45 мс, возникающую по следующим причинам:

  • использование буфера для накопления сигнала и учёта статистики последующих отсчётов (алгоритмическая задержка);
  • математические преобразования, выполняемые над речевым сигналом, требуют процессорного времени (вычислительная задержка).

Данную задержку необходимо учитывать при расчёте сквозных задержек (см. #VoIP|выше).

Проведённый в различных исследовательских группах анализ качества передачи речевых данных через Интернет показывает, что основным источником возникновения искажений, снижения качества и разборчивости синтезированной речи является прерывание потока речевых данных, вызванное:

  • потерями пакетов при передаче по сети связи;
  • превышением допустимого времени доставки пакета с речевыми данными.

Это требует решения задачи оптимизации задержек в сети и создание алгоритмов компрессии речи, устойчивых к потерям пакетов (восстановления потерянных пакетов).

Принципы пакетной передачи речи, их преимущества.

«Классические» телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов, которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соединения. Следовательно, один телефонный разговор представляет собой одно физическое соединение телефонных каналов. Основным недостатком телефонных сетей с коммутацией каналов является неэффективное использование полосы канала – во время пауз в речи канала не несет ни какой полезной нагрузки. Переход от аналогов к цифровым технологиям стал важным шагом для возникновения современных цифровых коммуникационных сетей. Одним из таких шагов в развитии цифровой телефонии стал переходом пакетной коммутации. В сетях пакетной коммутации по каналам связи передаются единицы информации, которые не зависят от физического носителя. Такими единицами могут быть пакеты, кадры или ячейки (в зависимости от протокола), но в любом случае они передаются по разделяемой сети. В сетях на основе протокола IP все данные – голос, текст, видео, компьютерные программы или информация в любой другой форме – передаются в виде пакетов. Любой компьютер и терминал такой сети имеет свой уникальный IP-адрес, и передаваемые пакеты маршрутизируются к получателю в соответствии с этим адресом, указываемом в заголовке. Данные могут передаваться одновременно между многими пользователями и процессами по одной и той же линии. При возникновении проблем IP-сети могут изменять маршрут для обхода неисправных участков. При этом протокол IP не требует выделенного канала для сигнализации.

Процесс передачи голоса по IP-сети.

Процесс передачи голоса по IP-сети состоит из нескольких этапов. На первом этапе осуществляется оцифровка голоса. Затем оцифрованные данные анализируются и обрабатываются с целью уменьшения физического объема данных, передаваемых получателю. Как правило, на этом этапе происходит подавление ненужных пауз и фонового шума, а так же компрессирование. На следующем этапе полученная последовательность данных разбивается на пакеты и к ней добавляется протокольная информация – адрес получателя, порядковый номер пакета на случай, если они будут доставлены не последовательно, и дополнительные данные для коррекции ошибок. При этом происходит временное накопление необходимого количества данных для образования пакета до его непосредственной отправки в сеть.


Протоколы

Протоколы обеспечивают регистрацию IP-устройства (Сетевой шлюз|шлюз, терминал или IP-телефон) на сервер (приложение)|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 — обеспечивает 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 медиа-трафик.
  • MGCP (Media Gateway Control Protocol) — протокол управления медиашлюзами.
  • Megaco/H.248 — протокол управления медиашлюзами, развитие MGCP.
  • SIGTRAN — протокол тунеллирования PSTN сигнализации SS7/ОКС7 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.

Безопасность соединения (Security)

Большинство потребителей VoIP-решений ещё не поддерживают криптографическое шифрование, несмотря на то, что наличие безопасного телефонного соединения намного проще внедрить в рамках VoIP-технологии, чем в традиционных телефонных линиях. В результате, относительно несложно установить прослушивание VoIP-звонков, и даже изменить их содержание.

Тот, кто вторгается с использованием анализатора сетевых пакетов, имеет возможность перехватить VoIP-звонки, если пользователь не находится в рамках безопасной (защищённой) виртуальной сети VLAN (VPN). Эта уязвимость в безопасности может привести к атакам со сбоями (отказами в обслуживании) у пользователя или у кого-то, чей номер принадлежит той же сети. Эти отказы в обслуживании могут полностью уничтожить телефонную сеть, создав постоянный сигнал «занято» и увеличив количество разъединений абонентов.

Не существует такого понятия, как 100 % безопасное соединение в сети. Внедрение VoIP-протокола может лишь усложнить такое вмешательство в систему.

Потребители могут обезопасить свою сеть, ограничив доступ в виртуальную локальную сеть данных, спрятав свою сеть с голосовыми данными от пользователей. Если потребитель поддерживает безопасный и правильно конфигурируемый межсетевой интерфейс-шлюз с контролируемым доступом, это позволит обезопасить себя от большинства хакерских атак. Есть несколько ресурсов с открытым кодом (open source solutions), выполняющих анализ трафика VoIP-разговоров. Невысокий уровень безопасности предоставляется в рамках патентованных аудиокодеков, которые нельзя найти в списках источников с открытым кодом, однако, такая «безопасность через непонятность» не зарекомендовала себя, как эффективное средство в других областях. Некоторые вендоры используют также сжатие, чтобы перехват информации было труднее выполнить. Однако, настоящая безопасность сети требует проведения криптографического шифрования и криптографической аутентификации, которые не доступны широкому потребителю.

Существующий сейчас стандарт безопасности SRTP и новый ZRTP протокол доступен на аналоговых телефонных адаптерах (Analog Telephone Adapters, ATAs), также как на различных софтфонах. Можно использовать IPsec, чтобы обеспечить безопасность P2P VoIP с помощью применения альтернативного шифрования (opportunistic encryption). Программа Skype не использует SRTP, но там используется система шифрования, которая прозрачна для Skype-провайдера.

Решение Voice VPN (которое представляет собой сочетание технологии VoIP и Virtual Private Network) предоставляет возможность создания безопасного голосового соединения для VoIP-сетей внутри компании, путем применения IPSec шифрования к оцифрованному потоку голосовых данных.

Преимущества использования IP-телефонии.

Конечный пользователь IP-телефонии не только сохранит имеющиеся преимущества телефонной сети общего пользования, которые включают широкий диапазон услуг, простоту использования, надежность и качество голоса, но и получит следующие дополнительные преимущества: - более низкие цены на традиционные услуги телефонной связи; - IP-телефония одновременно поддерживает голос и данные, удовлетворяя требования конвергенции. Это означает, что клиенты получат дополнительные преимущества от экономии в развитии за счет использования единой сети, а также за счет того, что объемы трафика и шаблоны быстро сменяются от данных к голосу и наоборот и это защищает клиента; - феноменальная мобильность пользователя, которую обеспечивает сеть IP-телефонии: звонки и факсы автоматически перенаправляются в любую точку мира, пользователи имеют доступ к одному и тому же набору услуг вне зависимости от того, где и как они подключаются к сети. Эта распределенная архитектура обеспечивает прекрасную гибкость и делает возможным отсутствие привязки месту предоставления услуг; - новый набор устройств доступа, от традиционных телефонов и факсов до компьютеров; - доступ к новым услугам (голосовая почта, конференцсвязь, передача факсов и др.) через открытый интерфейс архитектуры на базе IP, что обеспечивает совместимость для широкого спектра разработчиков приложений; - возможность настройки набора услуг; - простота оплаты услуг IP- телефонии; - простота контроля пользователем состояния его расчетного счета. Наряду с провайдером IP-телефонии Интернет-провайдеры также могут занять определенную нишу на рынке услуг IP-телефонии, так как существующая у них IP-инфраструктура дает хорошие возможности для внедрения услуг голосовой связи. Необходимые для этого аппаратные средства можно устанавливать поэтапно. Интернет-провайдеры уже имеют точки присутствия, связанные с коммутаторами местных провайдеров и операторов сети общего пользования. Для Интернет-провайдеров услуга Интернет-телефонии обеспечивает следующие преимущества: - сбережение капитальных вложений за счет использования открытых компьютерных платформ; - снижение эксплуатационных расходов как результат предоставления разнообразия услуг на единой сети; - открытая среда разработчика услуги означает более конкурентную, а следовательно менее дорогую разработку новых услуг; - множество услуг может быть доступно через единственный канал с пользователем, что означает больше услуг и прибыли, в расчете на одного пользователя. Операторы «классических» телефонных сетей настороженно отнеслись к появлению IP-телефонии, так как передача речи по IP-сетям неизбежно вынуждает их снижать тарифы на междугородные и международные разговоры, что приведет к прямому сокращению их доходов. Крупнейший поставщик традиционного телефонного сервиса в США – компания AT&T понесла убытки на сумму до 950 миллионов долларов, на международных звонках от потери доли рынка в пользу IP-телефонии.

Просмотры
Инструменты

Besucherzahler russian mail order brides
счетчик посещений
Rambler's Top100
Лингафонные кабинеты  Интерактивные доски  Интерактивная приставка Mimio Teach