Введение в IP-телефонию – основные термины и сведения [16.02.2007]

• FXS (Foreign eXchange Subscriber) - аналоговый интерфейс телефонных станций, таким интерфейсом могут подключаться обычные телефонные аппараты, факсы и другие абонентские устройства. Устройства, имеющие этот интерфейс, отвечают за генерацию сигнала готовности АТС (то есть гудок в линии), сигнала вызова абонента и так далее.
• FXO (Foreign eXchange Office) - аналоговый интерфейс абонентских устройств телефонных станций. С помощью интерфейсов FXO можно организовать связь с телефонной сетью общего пользования или предоставить доступ к сети IP-телефонии аналоговым телефонам.
• E1 - цифровой интерфейс ISDN (BRI), используемый для создания высокоскоростных магистралей. В цифровом потоке E1 имеется 32 канала (2 из них служебные) по 64 кБит. Через 1 поток E1 можно организовать до 30 одновременных телефонных разговоров – аналог 30 подведенных отдельных телефонных пар. В IP-телефонии такие интерфейсы часто используются для организации связи с телефонной сетью общего пользования или для организации связи между АТС. В каналах E1 может использоваться различная сигнализация (CAS, SS7, R2, R1.5, Q.931).

Протоколы, применяемые в IP-телефонии.

Есть несколько стандартизованных протоколов, по правилам которых строятся системы IP-телефонии. Некоторые из них являются свободными, некоторые – лицензированными (например, протоколы Cisco). Каковы основные отличия протоколов IP-телефонии?

Протокол H.323
Разработанный ITU-T (International Telecommunication Union), этот протокол имеет несколько версий, развивающихся с 1996 года (повышаются гибкость протокола, надежность, обеспечивается большая масштабируемость сетей IP-телефонии на его основе). Последняя на данный момент версия 4 появилась в 2000 году. Сегодня протокол H.323 является стандартом для междугородной и международной телефонии. Он использует следующие понятия для описания структуры сети IP-телефонии:

• Terminal - H.323-устройство, имеющееся у пользователя. Это может быть приложение на компьютере (так называемый soft-phone), а также телефонный аппарат. Терминалы имеют свои параметры, идентифицирующие их в сети H.323 – имя или номер (DN - Directory Number).
• Gateway - Устройство, предназначенное для сопряжения разнородных сетей. Так, рекомендации ITU-T содержат информацию по сопряжению H.323-устройств с устройствами сетей ISDN, ATM и ТФОП.
• MCU (Multipoint Control Unit - устройство управления конференциями) – управляет multicast-запросами в сети, что позволяет ему управлять конференциями. Конференция в данном случае – обмен голосовыми или видео-данными между 3 и более участниками конференции. MCU координирует передачу информации, как управляющей, так и мультимедийной, между участниками конференции.
• GateKeeper – управляющее устройство в сети H.323, его основные функции: аутентификация, авторизация, разрешение имен, управление пропускной способностью для каждого устройства в H.323-сети.

• Client - в SIP-сети клиенты (аналог терминала в H.323) имеют уникальный идентификатор SIP-URI, вида sip:ivanov@sip.mos.ru. Протокол SIP выделяет следующие типы объектов сети:
• Agent - конечное устройство пользователя, аналог терминала в H.323 + сети телефонии общего пользования, сопрягаемые с сетью IP-телефонии. Агенты подразделяются на UAC (User Agent Client) - посылают запросы и получают ответы и UAS (User Agent Server) - принимают запросы и посылают ответы. Следовательно, для поддержки и передачи, и приема реальные устройства в сетях IP-телефонии, работающих по протоколу SIP, имеют и UAC, и UAS.
• Registrar (сервер регистрации) - перед началом передачи голосовых данных в сети IP-телефонии каждое устройство должно зарегистрироваться с помощью специального сообщения REGISTER. При этом клиент сообщает серверу свое имя в определенном стандартом формате: IP-адрес, номер порта, SIP-URI и пароль доступа. В случае успешной регистрации информация о клиенте заносится в специальную базу данных и клиенту высылается сообщение об успешной регистрации. С определенной периодичностью процесс регистрации повторяется, чтобы обеспечить актуальность данных о подключенных к сети устройствах. Как правило, серверы регистрации в сетях IP-телефонии, работающих по протоколу SIP, совмещаются с прокси-серверами.
• Proxy-server – важная часть сетей IP-телефонии, работающих по протоколы SIP - отвечают за маршрутизацию  передаваемых данных, а также аутентификацию и авторизацию пользователей. В стандарте определяется два типа SIP-прокси-серверов: Stateless (не учитывают состояние SIP-сессий и передают сообщения, используя собственные правила маршрутизации, один из примеров Stateless-Proxy-Server’а – SER, SIP Express Router) и Stateful (учитывающие состояние каждой SIP-сессии от ее создания до момента ее завершения, могут повторно пересылать потерянные при передаче пакеты, более требовательны к серверу, самым известным примеров Stateful-Proxy-Server’а является Asterisk - Open Source Linux PBX).

SCCP (Skinny Client Control Protocol)
Протокол SCCP является собственностью компании Cisco и используется для работы и управления работой IP-телефонов Cisco с помощью Cisco CallManager. Cisco CallManager «забирает себе» все управляющие функции устройств в сети, сильно упрощая конфигурирование устройств в сетях IP-телефонии.

Оценка качества передачи данных в сети IP-телефонии

Основные параметры линии связи, влияющие на качество передачи данных в сетях IP-телефонии:

• Latency (задержка) - при передаче голосовых данных предъявляются достаточно жесткие требования к максимально допустимой задержке – для удобоваримого качества диалога необходимо, чтобы задержка при передаче голосовых данных не превышала 250-300 мс (так называемый бюджет задержки). То есть для ведения нормального разговора односторонняя задержка не должна превышать 150 мс (задержка канала + задержка кодека на преобразование данных), что совпадает с параметрами кодека G.114. Для уменьшения задержки, вносимой сетью, необходимо использовать QoS (Quality of Service) – предпочтение одних передаваемых данных перед другими. Например, голосовые данные в сетях IP-телефонии передаются с большим приоритетом, чем остальные данные.
• Jitter (дрожание – пакеты в сетях Ethernet могут быть получены клиентом не в том порядке, в каком были ему отправлены, так как для доставки пакетов могли использоваться разные маршруты с разными характеристиками скорости и удаленности.  Для решения проблем подобного рода используется сглаживающий буфер – jitter buffers. Задачей этих буферов является предварительное накопление пакетов перед их дальнейшей передачей декодеру.
• Packet Loss (потеря пакетов) - Влияние потери пакетов, передаваемых в сетях Ethernet, на качество речи определяется размером пакета и используемым кодеком. Для нормальной работы систем IP-телефонии допускается потеря 1% пакетов, иначе заметно ухудшение качества речи.

Кодеки IP-телефонии

Основными кодеками, используемыми в конечных устройствах, в настоящее время являются:

• G711 - кодек, используемый в устройствах ISDN. Требуемая пропускная способность - 64 кбит/сек. Существуют две разновидности кодека a-law и u-law, отличающиеся алгоритмами кодирования. Кодек поддерживается практически всеми устройствами IP-телефонии. Самый требовательный к полосе пропускания и самый качественный кодек.
• G729 - кодек, предназначенный для передачи речи с "хорошим качеством" при использовании небольшой пропускной способности (8 кбит/сек). Существуют две популярные (и несовместимые между собой) версии данного стандарта: Annex A (более "простая" схема кодирования) и Annex B (с использованием алгоритмов сжатия пауз). Этот кодек обладает качеством лучшим, чем у G.723, но худшим, чем G711. Он также поддерживается практически всеми производителями оборудования.
• G723.1 - кодек, отличительной особенностью которого является возможность работы при очень низком потоке (5.3, 6.3 кбит/сек). Обладает самым низким качеством голосовых данных, кодируемых с его помощью. Поддерживается большой частью устройств IP-телефонии.
• GSM (RPE-LTP) - голосовой кодек, разработанный для использования в системах сотовой связи стандарта GSM. При кодировании кадра используется информация предыдущего кадра, кодирование осуществляется блоками по 20 мс со скоростью 13 кбит/с. Поддерживается производителями оборудования, в основном в шлюзах между сотовыми и VoIP-сетями.
• iLBC (Internet low bitrate codec) - открытый голосовой кодек, предназначен для кодирования с потоком 13.33 кбит/сек (при размере кадра 30 мс) и 15.20 кбит/сек (при размере кадра 20 мс). Качество кодируемых голосовых данных для этого кодека превосходит G.729. Кроме того, кодек более устойчив к потере кадров, что позволяет использовать его при организации сеансов связи через сеть Интернет (например, он используется в сети Skype). Поддерживается небольшим числом производителей оборудования.