От тональные поля и заполнение Данные

Длина заголовка

Тип обслуживания

Общая длина

Идентификатор фрагмента

Смещение фрагмента

Время жизни

Протокол

Контрольная сумма заголовка

Адрес отправителя

Адрес получателя

От тональные поля и заполнение Данные

Рис. 4.2 IP-дейтаграмма

Поле тип обслуживания (Type of Service) содержит информацию, которая бывает нужна при поддержке сетью разных классов обслуживания. Использование этого поля в Интернет будет возрастать по мере роста в IP-сетях возможностей передачи мультимедийного трафика с задаваемыми параметрами качества обслуживания. Более подробную информацию на эту тему можно найти в главе 10.

Поле общая длина (Total Length) определяет общую длину дейтаграммы в октетах (байтах), включая заголовок и полезную нагрузку. Максимальная длина дейтаграммы составляет 65535 октетов, однако, на практике, все рабочие станции и маршрутизаторы работают с длинами, не превышающими 576 байтов. Это объясняется тем, что при превышении указанной длины, снижается эффективность работы сети.

Протокол IP использует 3 поля заголовка для управления фрагментацией/сборкой дейтаграмм. Как уже упоминалось, фрагментация необходима потому, что разные сети, по которым передаются дейтаграммы, имеют разные максимальные размеры кадра.

Идентификатор фрагмента (Identifier) обозначает все фрагменты одной дейтаграммы, что необходимо для ее успешной сборки на приемной стороне.

Поле флагов (Flags) обеспечивает возможность фрагментации дейтаграмм и, при использовании фрагментации, позволяет идентифицировать последний фрагмент дейтаграммы.

Поле смещение фрагмента (Fragment Offset) определяет положение фрагмента относительно исходной дейтаграммы в единицах, равных 8 октетам.

Поле время жизни (TTL - Time To Live) используется для ограничения времени, в течение которого дейтаграмма находится в сети. Каждый маршрутизатор сети должен уменьшать значение этого поля на единицу, и отбрасывать дейтаграмму, если поле TTL приняло нулевое значение. Наличие поля TTL ограничивает возможность бесконечной циркуляции дейтаграммы по сети, например, в случае, если по какой-либо причине маршрут, по которому она следует, оказался «закольцованным».

Поле протокол (Protocol) идентифицирует протокол верхнего уровня (TCP, UDP и т.д.).

Поле контрольная сумма заголовка (Header Checksum) обеспечивает возможность контроля ошибок в заголовке. Алгоритм подсчета контрольной суммы весьма прост, поскольку обычно протоколы нижнего уровня имеют более развитые средства контроля ошибок.

IP-дейтаграммы содержат в заголовке два адреса - отправителя (Source) и получателя (Destination), которые не меняются на протяжении всей жизни дейтаграммы.

Подробнее структура и функции протокола IPv4 описаны в RFC-

791.

4.6 Протокол IP версии 6

В начале 90-х годов интенсивное коммерческое использование Интернет привело к резкому росту количества узлов сети, изменению характеристик трафика и ужесточению требований к качеству обслуживания. Сообщество Интернети весь телекоммуникационный мир начали решать новые задачи путем внедрения новых протоколов в рамках стека протоколов TCP/IP, таких как протокол резервирования ресурсов RSVP, MPLS и т.д. Однако стало ясно, что только таким путем развивать технологию нельзя - нужно идти на модернизацию святая святых стека - протокола IP, так как некоторые проблемы нельзя решить без изменения формата заголовка дейтаграмм и логики его обработки.

Как уже отмечалось выше, самой насущной проблемой становится нехватка адресного пространства, что требует изменения формата адреса.

Другой проблемой является недостаточная масштабируемость процедуры маршрутизации - основы IP-сетей. Быстрый рост сети вызывает перегрузку маршрутизаторов, которые уже сегодня вынуждены поддерживать таблицы маршрутизации с десятками и сотнями тысяч записей, а также решать проблемы фрагментации пакетов. Облегчить работу маршрутизаторов можно, в частности, путем модернизации протокола IP.

Комитет IETF намеревается решить существующие проблемы с помощью межсетевого протокола нового поколения - IPng, известного также как IPv6.

Наряду с вводом новых функций непосредственно в протокол IP, целесообразно обеспечить более тесное взаимодействие его с новыми протоколами, путем введения в заголовок пакета новых полей. Например, работу механизмов обеспечения гарантированного качества обслуживания облегчает внесение в заголовок метки потока, а работу IPSec - внесение в заголовок поля аутентификации.

В результате было решено подвергнуть протокол IP модернизации, преследуя следующие основные цели:

• создание новой расширенной схемы адресации;

• улучшение масштабируемости сетей за счет сокращения функций магистральных маршрутизаторов;

• обеспечение защиты данных.

Работы по модернизации протокола IP начались в 1992 году, когда было предложено несколько альтернативных вариантов спецификаций. С тех пор в рамках IETF была проделана огромная работа, в результате которой в августе 1998 года были приняты окончательные версии стандартов, определяющих как общую архитектуру IPv6 (RFC 2460 «Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification»), так и отдельные компоненты данной технологии (RFC 2373 «IP Version 6 Addressing Architecture»).

Итак, рассмотрим более подробно особенности IPv6.

Расширение адресного пространства. Протокол IP решает потенциальную проблему нехватки адресов за счет расширения адреса до 128 битов. Однако такое существенное увеличение длины адреса было сделано, в значительной степени, не с целью снять проблему дефицита адресов (для этого было бы достаточно гораздо более скромной размерности), а для повышения эффективности работы сетей на основе этого протокола. Главной целью было структурное изменение системы адресации, расширение ее функциональных возможностей.

Вместо существующих двух уровней иерархии адреса (номер сети и номер узла) в протоколе IPv6 предлагается использовать четыре уровня, что предполагает трехуровневую идентификацию сетей и один уровень для идентификации узлов. За счет увеличения числа уровней иерархии в структуре адреса, новый протокол эффективно поддерживает технологию агрегации адресов (CIDR), которая упоминалась выше. Благодаря этой особенности, а также усовершенствованной системе групповой адресации и введению нового типа адресов (anycast), IPv6 позволяет уменьшить затраты ресурсов оборудования на маршрутизацию.

В 6 версии протокола IP принята новая форма записи адреса, так как при определении адреса сети граница маски часто не совпадает с границей байтов адреса, и десятичная запись в данном случае неудобна. Теперь адрес записывается в шестнадцатиричном виде, причем каждые четыре цифры отделяются друг от друга двоеточием, например:

FEDC: OA96: 0: 0: 0: 0: 7733: 567A.

Для сетей, поддерживающих обе версии протокола - IPv4 и IPv6, - имеется возможность использовать для младших 4 байтов традиционную десятичную запись, а для старших - шестнадцатиричную:

0: 0: 0: 0: 0: FFFR 194.135.75.104.

Типы адресов. Для IPv6 определены следующие основные типы адресов:

• unicast;

• multicast;

• anycast.

Типы адресов определяются содержимым нескольких старших битов адреса, которые получили название префикса формата.

Адрес типа unicast представляет собой уникальный идентификатор сетевого интерфейса рабочей станции или маршрутизатора и по смыслу полностью идентичен уникальному адресу IPv4. Однако в версии 6 отсутствует понятие класса сети и фиксированное разбиение адреса на адрес сети и адрес узла по границам байтов.

Адрес типа multicast - групповой адрес, необходимый для многоадресной рассылки. Он характеризуется префиксом формата 11111111 И идентифицирует группу интерфейсов, относящихся к разным рабочим станциям. Пакеты с такими адресами доставляются ко всем интерфейсам, входящим в группу. Существует также предопределенный адрес, обозначающий все интерфейсы подсети. В составе группового адреса IPv6 имеется поле scope, которое определяет, входят ли в группу рабочие станции одной подсети, всех подсетей предприятия, или рабочие станции, рассредоточенные по сети Интернет. Кроме того, предусмотрен признак, позволяющий определить, является ли группа постоянной или временной, что также облегчает работу маршрутизаторов.

Адрес типа anycast - новый тип адреса, определяющий, как и multicast, группу интерфейсов. Но пакет с таким адресом доставляется не всем членам группы, а какому-либо одному, как правило, «ближайшему» с точки зрения маршрутизатора. Такой адрес синтаксически никак не отличается от адреса типа unicast и выделяется из того же диапазона. Anycast-адрес может быть присвоен только сетевым интерфейсам маршрутизатора. Интерфейсам маршрутизатора будут присваиваться индивидуальные unicast-адреса и общий anycast- адрес. Адреса anycast ориентированы на определение маршрута узлом- отправителем. Например, у абонента есть возможность обеспечить прохождение своих пакетов через сеть конкретного поставщика, указав в цепочке адресов маршрута anycast-адрес, присвоенный всем маршрутизаторам в сети этого поставщика. В таком случае пакет будет передан на «ближайший» подходящий маршрутизатор именно этой сети.

В рамках системы адресации IPv6 имеется также выделенное пространство адресов для локального использования, т.е. для сетей, не входящих в Интернет. Существует две разновидности локальных адресов: для «плоских» сетей, не разделенных на подсети (Link-Local), и для сетей, разделенных на подсети (Site-Local), различающиеся значением префикса.

В настоящий момент распределено порядка 15% адресного пространства IPv6, что определяет широкие возможности развития сетей и приложений, их использующих.

Изменение формата заголовков пакетов. Многолетний опыт практического применения протокола показал неэффективность использования некоторых полей заголовка, а также выявил необходимость добавить поля, упрощающие идентификацию пакетов, которые требуют специальной обработки, поля, облегчающие реализацию процедур шифрования, и некоторые другие.

Реализовать это позволяет новая схема организации «вложенных заголовков», обеспечивающая разделение заголовка на основной, который содержит необходимый минимум информации, и дополнительные, которые могут отсутствовать. Такой подход открывает богатые возможности для расширения протокола путем определения новых опциональных заголовков, делая протокол открытым.

Основной заголовок дейтаграммы IPv6 длиной 40 байтов имеет следующий формат (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Формат основного заголовка дейтаграммы IPv6

Поле Класс Трафика (Traffic Class) эквивалентно по назначению полю Тип Обслуживания (Type Of Service), а поле Лимит Переходов

(Hop Limit) - полю Время Жизни (Time To Live) протокола IPv4, рассмотренного в предыдущем параграфе.

Поле Метка Потока (Flow Label) позволяет выделять и особым образом обрабатывать отдельные потоки данных без необходимости анализировать содержимое пакетов. Это очень важно с точки зрения снижения нагрузки на маршрутизаторы.

Поле Следующий Заголовок (Next Header) является аналогом поля Протокол (Protocol) IPv4 и определяет тип заголовка, следующего за основным. Каждый следующий дополнительный заголовок также содержит поле Next Header. Если дополнительные заголовки отсутствуют, то это поле содержит значение, присвоенное тому из протоколов TCP, UDP, OSPF, который используется для переноса полезной нагрузки данной дейтаграммы.

В рамках спецификаций IPv6 определены заголовки следующих типов.

Заголовок Routing - содержит информацию о маршруте, выбранном отправителем дейтаграммы.

Заголовок Fragmentation -содержит информацию о фрагментации дейтаграммы и обрабатывается только конечными узлами сети.

Заголовок Authentication - содержит информацию, необходимую для проверки подлинности отправителя дейтаграммы.

Заголовок Encapsulation - содержит информацию, необходимую для обеспечения конфиденциальности данных путем шифрования.

Заголовок Hop-by-Hop Options - специальные параметры обработки пакетов.

Заголовок Destination Options - дополнительные параметры для узла назначения.

Снижение нагрузки на маршрутизаторы. При переходе к протоколу IPv6 могут быть уменьшены расходы на реализацию функций маршрутизации в сети, а маршрутизаторы могут быть оптимизированы для выполнения их основной функции - продвижения пакетов. Это становится возможным благодаря следующим особенностям нового протокола.

Дополнительные заголовки обрабатываются только конечными узлами и краевыми маршрутизаторам. Это упрощает логику работы маршрутизаторов и позволяет легче реализовать важные функции на аппаратном уровне.

Функции поддержки фрагментации переносятся в конечные узлы или краевые маршрутизаторы. Конечные узлы должны найти минимальный размер пакета вдоль всего пути до узла назначения (эта технология называется Path MTU discovery и уже используется для протокола IPv4) и не передавать пакеты с размером, превышающим найденное значение. Маршрутизаторы, поддерживающие протокол IPv6, в ядре сети могут не обеспечивать фрагментации, а только передавать сообщение протокола ICMP - «слишком длинный пакет» к конечному узлу, который должен соответственно уменьшить размер пакета.

Агрегация адресов ведет к уменьшению размеров адресных таблиц маршрутизаторов и, соответственно, к уменьшению времени их просмотра.

Широкое использование маршрутизации, управляемой отправителем (например, пограничным маршрутизатором), освобождает маршрутизаторы в ядре сети от просмотра адресных таблиц при выборе следующего маршрутизатора,

В качестве адреса узла в локальной сети можно использовать МАС-адрес сетевого интерфейса, что избавляет от необходимости применять протокол ARP.

Переход к протоколу IP версии 6. Так как IPv6 представляет собой естественное развитие предыдущей версии, он с самого начала спроектирован с учетом возможности поэтапного мягкого перехода к его использованию, что требует обеспечения взаимодействия узлов с разными версиями протоколов. Способы, которые используются для организации совместной работы протоколов IPv6 и IPv4, вполне традиционны:

• Установка на некоторых сетевых узлах сразу двух стеков протоколов, так что при взаимодействии с рабочими станциями, поддерживающими разные версии протокола, используется соответствующий стек протоколов TCP/IP. Маршрутизаторы могут в данном случае обрабатывать оба протокола независимо друг от друга.

• Конвертирование протоколов при помощи специальных шлюзов, которые преобразуют пакеты IPv4 в пакеты IPv6 и обратно. Важнейшая часть этого процесса - преобразование адресов. Для упрощения данной процедуры применяются так называемые «^4-совместимые адреса IPv6», которые содержат в четырех младших байтах адрес, используемый в протоколе IPv4.

• Инкапсуляция - Туннелирование одного протокола в сетях, построенных на основе другого протокола. При этом пакеты одного протокола помещаются в пакеты другого в пограничных устройствах. Недостаток метода состоит в том, что в данном случае сети никак не взаимодействуют между собой. В настоящее время развернута опытная зона эксплуатации IPv6 под названием 6Вопе, которая использует технологию инкапсуляции пакетов IPv6 при их транзите через части сети Интернет, не поддерживающие этот протокол.

4.7 Протокол TCP

Протокол управления передачей информации - Transmission Control Protocol (TCP) - был разработан для поддержки интерактивной связи между компьютерами. Протокол TCP обеспечивает надежность и достоверность обмена данными между процессами на компьютерах, входящих в общую сеть.

К сожалению, протокол TCP не приспособлен для передачи мультимедийной информации. Основная причина-обеспечение требуемой достоверности путем повторной передачи потерянных пакетов. Пока передатчик получит информацию о том, что приемник не принял очередной пакет, и передаст его снова, проходит слишком много времени. Приемник вынужден либо ждать прихода повторно переданного пакета, разрушая структуру потоковых данных, либо игнорировать этот пакет, игнорируя одновременно принятый в TCP механизм обеспечения достоверности. Кроме того, TCP предусматривает механизмы управления скоростью передачи с целью избежать перегрузок сети. Аудиоданные и видеоданные требуют, однако, строго определенных скоростей передачи, которые нельзя изменять произвольным образом.

С одной стороны протокол TCP взаимодействует с прикладным протоколом пользовательского приложения, а с другой стороны -с протоколом, обеспечивающим «низкоуровневые» функции маршрутизации и адресации пакетов, которые, как правило, выполняет IP.

В модели межсетевого соединения взаимодействие TCP и протоколов нижнего уровня, вообще говоря, не специфицировано, за исключением того, что должен существовать механизм, который обеспечивал бы асинхронную передачу информации от одного уровня к другому. Результатом работы этого механизма является инкапсуляция протокола более высокого уровня в тело протокола более низкого уровня. Каждый TCP-пакет вкладывается в «пакет» протокола нижележащего уровня, например, IP. Получившаяся таким образом дейтаграмма содержит в себе TCP-пакет так же, как TCP-пакет содержит пользовательские данные.

Простейшая модель работы TCP-протокола выглядит обманчиво гладко, поскольку на самом деле его работа изобилует множеством деталей и тонкостей.

Логическая структура сетевого программного обеспечения, реализующего протоколы семейства TCP/IP в каждом узле сети Internet, изображена на рис. 4.4.

Прямоугольники обозначают модули, обрабатывающие данные, а линии, соединяющие прямоугольники, - пути передачи данных. Горизонтальная линия внизу рисунка обозначает сеть Ethernet, которая используется в качестве примера физической среды. Понимание этой логической структуры является основой для понимания всей технологии TCP/IP.

Рис. 4.4 Структура сетевого программного обеспечения стека протоколов TCP/IP

Ниже рассматриваются более подробно возможности, принципы построения и основные функции протокола TCP.

1 Потоки, стек протоколов, механизм портов и мультиплексирование

Чтобы установить соединение между двумя процессами на разных компьютерах сети, необходимо знать не только Internet-адреса компьютеров, но и номера тех ТСР-портов (sockets), которые процессы используют на этих компьютерах. Любое TCP-соединение в сети Internet однозначно идентифицируется двумя IP-адресами и двумя номерами ТСР-портов.

Рассмотрим потоки данных, перенос которых обеспечивают протоколы. При использовании протокола TCP данные передаются между прикладным процессом и модулем TCP. Типичным прикладным протоколом, использующим протокол TCP, является FTP (File Transfer Protocol, Протокол переноса файлов). Стек протоколов в этом случае выглядит следующим образом: FTP/TCP/IP/Ethernet. При использовании протокола UDP (User Datagram Protocol, Протокол дейтаграмм пользователя) данные передаются между прикладным процессом и модулем UDP. Транспортными услугами протокола UDP пользуется, например, SNMP (Simple Network Management Protocol, Простой протокол эксплуатационного управления сетью). Его стек протоколов выглядит так: SNMP/UDP/IP/ Ethernet.

Один порт компьютера может быть задействован в соединениях с несколькими портами удаленных компьютеров. Таким образом, механизм портов позволяет работать на одном компьютере одновременно нескольким приложениям и однозначно идентифицировать каждый поток данных в сети. Это называется мультиплексированием соединений.

Модули TCP, UDP и драйвер Ethernet являются мультиплексорами типа n x 1. Действуя как мультиплексоры, они переключают несколько входов на один выход. Они также являются демультиплексорами типа 1 х п. Как демультиплексоры, они переключают один вход на один из многих выходов в соответствии с определенным полем в заголовке протокольного блока данных (в Ethernet-кадре это поле «тип»). Когда Ethernet-кадр попадает в драйвер сетевого интерфейса Ethernet, он может быть направлен либо в модуль ARP, либо в модуль IP. (Значение поля «тип» в заголовке кадра указывает, куда должен быть направлен Ethernet-кадр.)

Если IP-пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP, либо UDP, что определяется полем «Protocol» в заголовке IP-пакета. Если TCP- сообщение попадает в модуль TCP, то выбор прикладной программы, которой должно быть передано сообщение, производится на основе значения поля «порт» в заголовке TCP-сообщения.

Демультиплексирование данных, передаваемых в обратном направлении, осуществляется довольно просто, так как из каждого модуля существует только один путь «вниз». Каждый протокольный модуль добавляет к пакету свой заголовок, на основании которого машина, принявшая пакет, выполняет демультиплексирование.

Назначение портов для приложений на каждом компьютере производится независимо. TCP может самостоятельно выбирать порт, с которым будет работать приложение, или приложение укажет, с каким портом на данном компьютере оно будет работать. Однако, как правило, часто используемые приложения-сервисы, например, такие как HTTP, FTP, SMTP и др., используют одни и те же номера портов, которые уже стали общеизвестными. Это делается для того, чтобы к данному процессу на компьютере можно было присоединиться, указывая только адрес машины. Например, lnternet-браузер, если ему не указать дополнительно, ищет по указанному адресу приложение, работающее с портом 80 (наиболее распространенный порт для серверов WWW). Кроме того, рабочая станция может быть снабжена несколькими сетевыми интерфейсами, тогда она должна осуществлять мультиплексирование типа n х т, т. е. между несколькими прикладными программами и несколькими интерфейсами.

4.7.2 Установление TCP-соединения и передача данных

Режим участия в установлении TCP-соединения может быть активным и пассивным. При пассивном участии рабочая станция ожидает сигнал открытия ТСР-канала от встречного оборудования и не пытается открыть ТСР-канал сама. Этот режим обычно используется процессами, которые предоставляют свой сервис через общеизвестный номер своего порта (например, HTTP, SMTP и т. д.). При активном режиме участия рабочая станция сама инициирует открытие ТСР- канала. Соединение будет также установлено, если два процесса активно откроют канал навстречу друг другу. Такая гибкость в установлении соединения особенно важна в распределенных сетях, когда компьютеры работают асинхронно.

Процедура установления TCP-соединения выглядит следующим образом. Рабочая станция, инициирующая открытие ТСР-канала, передает пакет с флагом SYN, в котором указывается номер порта и начальный порядковый номер пакетов данных. Встречная станция передает на указанный адрес ответ с флагами SYN и АСК, в котором указывается начальный порядковый номер пакетов данных. Сторона, инициирующая установление TCP-соединения, подтверждает получение пакета с флагами SYN и АСК передачей пакета с установленным флагом АСК.

Именно трех тактов квитирующих сообщений всегда бывает достаточно, чтобы синхронизировать потоки данных. Соединение считается установленным, когда последовательности передаваемых пакетов в обоих направлениях синхронизируются, т.е. когда и клиент, и сервер «знают», пакет с каким номером поступит с противоположной стороны соединения.

Соединение закрывается, когда порты оборудования обмениваются пакетами, содержащими флаги FIN. При этом все ресурсы системы должны быть освобождены.

4.7.3 Механизмы обеспечения достоверности

Протокол TCP умеет работать с поврежденными, потерянными, дублированными или поступившими с нарушением порядка следования пакетами. Это достигается благодаря механизму присвоения каждому передаваемому пакету порядкового номера и механизму проверки получения пакетов.

Когда протокол TCP передает сегмент данных, копия этих данных помещается в очередь повтора передачи, и запускается таймер ожидания подтверждения. Когда система получает подтверждение (сегмент TCP, содержащий управляющий флаг АСК), что этот сегмент данных получен, она удаляет его из очереди. Сегмент подтверждения получения содержит номер полученного сегмента, на основании которого и происходит контроль доставки данных адресату. Если подтверждение не поступило до срабатывания таймера, сегмент отправляется еще раз. Уведомление о получении сегмента данных еще не означает, что он был доставлен конечному пользователю. Оно только означает, что модуль TCP выполнил возложенные на него функции.

При передаче информации каждому байту данных присваивается порядковый номер, поэтому, в какой бы последовательности эти байты ни достигали точки назначения, они всегда будут собраны в изначальной последовательности. Порядковый номер первого байта данных в передаваемом сегменте называется порядковым номером сегмента. Нумерация проводится «с головы состава», т. е. от заголовка пакета. TCP-пакет содержит также «подтверждающий номер» (acknowledgment number), который представляет собой номер следующего ожидаемого пакета. Иными словами, подтверждающий номер означает: «до сих пор я все получил». Механизм с использованием «подтверждающего номера» исключает дублирование пакетов при повторной отправке не доставленных данных.

Кроме определения порядка следования информационных пакетов, «порядковый номер» играет важную роль в механизме синхронизации соединения и в контроле потерянных пакетов при разрывах соединения.

Стоит сказать несколько слов о механизме, предотвращающем появление в сети пакетов с одинаковыми номерами. Они могут появиться, например, при установлении и быстром сбросе соединения или при сбросе соединения и его быстром восстановлении, т.е. когда номер испорченного пакета может быть сразу использован новым пакетом. Механизм предотвращения подобных ситуаций основан на генерировании начального числа последовательности пакетов, а поскольку счетчик циклический, то все равно, с какого места начинать отсчет.

Так, при установлении нового соединения генерируется 32-битовое число ISN (Initial Sequence Number). Генератор может использовать 32 младших разряда машинного таймера, который меняется каждые 4 микросекунды (полный цикл - 4, 55 часа). Это число и служит отсчетом нумератора пакетов. Кроме того, каждая дейтаграмма в сети имеет ограниченное время жизни MSL - Maximum Life Time, которое значительно меньше периода генератора. Таким образом, в сети гарантируется невозможность появления пакетов с одинаковыми номерами.

Поврежденные пакеты отсеиваются механизмом проверки контрольной суммы, которая помещается в каждом передаваемом пакете.

4.7.4 Механизм управления потоком данных

Протокол TCP предоставляет получателю пакетов возможность регулировать передаваемый к нему отправителем поток данных. Этот механизм основан на том, что при передаче флага подтверждения получения пакета (АСК) в ТСР-сегменте передается указатель объема данных (так называемое «окно» TCP-соединения), которые могут быть переданы отправителем, не дожидаясь от получателя разрешения отправить следующую порцию данных. Иными словами, указывается размер свободного места в буферном накопителе, куда записываются только что принятые данные, ожидающие дальнейшей обработки и передачи соответствующим процессам. Этот механизм позволяет избежать «пробок» при обмене данными между системами, обладающими разной производительностью.

«Окно» задается количеством байтов, отсчитываемых от последнего подтвержденного байта (acknowledgment number). Нулевой размер окна означает, что отправитель должен приостановить передачу до тех пор, пока он не будет уведомлен о готовности получателя к приему данных. Необходимо заметить, что в этом случае отправитель передает однобайтовые пакеты.

Безусловно, большой размер окна позволяет передавать данные быстрее, поскольку отправителю пакета не нужно ждать от получателя сигнал о его готовности к приему. Однако в случае сбоя передачи, соответственно, возрастет объем данных, которые нужно отправить заново. При небольшом же размере окна потерянные сегменты данных можно восстановить с минимальными затратами.

Механизм управления потоком данных позволяет протоколу TCP оптимизировать скорость достоверного обмена данными между процессами в сети Интернет.

4.7.5 Состав и назначение полей заголовка

Пакеты протокола TCP переносятся в поле «Данные» IP- дейтаграммы. Заголовок пакета TCP следует за заголовком дейтаграммы. Структура заголовка пакета TCP представлена на рис. 4.5.

Рис. 4.5 Заголовок пакета TCP Порт отправителя (Source Port, 6 битов). Порт получателя (Destination Port, 16 битов).

Порядковый номер (Sequence Number, 32 бита). Если в пакете отсутствует флаг SYN, то это - номер первого октета данных в этом пакете. Если флаг SYN в пакете присутствует, то номер данного пакета становится номером начала последовательности (ISN), и номером первого октета данных становится номер ISN+1.

Номер при подтверждении (Acknowledgment Number, 32 бита) -если пакет содержит установленный флаг АСК, то это поле содержит номер следующего ожидаемого получателем октета данных. При установленном соединении пакет подтверждения отправляется всегда.

Поле величины смещения данных (Data Offset, 4 бита) указывает количество 32-битовых слов заголовка TCP-пакета.

Резерв (Reserved, 6 битов) - зарезервированное поле. Флаги управления (слева направо):

URG - флаг срочности,

АСК - флаг пакета, содержащего подтверждение получения,

PSH - флаг форсированной отправки,

RST - сброс соединения,

SYN - синхронизация порядковых номеров,

FIN - флаг окончания передачи со стороны отправителя.

Окно (Window, 16 битов) - поле содержит количество байтов данных, которое отправитель данного сегмента может принять, считая от байта с номером, указанным в поле Номер при подтверждении.

Поле контрольной суммы (Checksum, 16 битов).

Поле указателя срочности данных (Urgent Pointer, 16 битов). Это поле содержит номер пакета, начиная с которого следуют пакеты повышенной срочности. Указатель принимается во внимание только в сегментах с установленным флагом URG.

Опции (Options) - поле дополнительных параметров, может быть переменной длины.

Заполнение (Padding) - поле, заполняемое нулями для выравнивания заголовка до размера, кратного 32-битам.

Более подробное описание протокола TCP можно найти в RFC- 793, RFC-1180.

4.8 Протокол UDP

Протокол передачи пользовательских дейтаграмм - User Datagram Protocol (UDP) значительно проще рассмотренного в предыдущем параграфе протокола TCP и предназначается для обмена дейтаграммами между процессами компьютеров, расположенных в объединенной системе компьютерных сетей.

Протокол UDP базируется на протоколе IP и предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, немногим отличающиеся от услуг протокола IP. Протокол UDP обеспечивает негарантированную доставку данных, т.е. не требует подтверждения их получения;

кроме того, данный протокол не требует установления соединения между источником и приемником информации, т. е. между модулями UDP.

К заголовку IP-пакета протокол UDP добавляет служебную информацию в виде заголовка UDP-пакета (рис. 4.6).

Порт отправителя (Source Port) - поле указывает порт рабочей станции, передавшей дейтаграмму. На этот порт следует адресовать ответную дейтаграмму. Если данное поле не используется, оно заполняется нулями.

Порт получателя (Destination Port) - поле идентифицирует порт рабочей станции, на которую будет доставлен пакет.

Длина (Length) - это поле информирует о длине UDP-пакета в октетах, включая как заголовок, так и данные. Минимальное значение длины равно восьми.

Контрольная сумма (Checksum) - поле проверки правильности передачи данных заголовка пакета, псевдозаголовка и поля полезной нагрузки пакета. Если данное поле не используется, оно заполняется нулями.

Модуль IP, реализованный в принимающей рабочей станции, передает поступающий из сети IP-пакет модулю UDP, если в заголовке этого пакета указано, что протоколом верхнего уровня является протокол UDP. При получении пакета от модуля IP модуль UDP проверяет контрольную сумму, содержащуюся в его заголовке. Если контрольная сумма равна нулю, значит, отправитель ее не подсчитал. Протоколы UDP и TCP имеют один и тот же алгоритм вычисления контрольной суммы (RFC-1071), но механизм ее вычисления для UDP- пакета имеет некоторые особенности. В частности, UDP-дейтаграмма может содержать нечетное число байтов, и в этом случае к ней, для унификации алгоритма, добавляется нулевой байт, который никуда не пересылается.

Более подробную информацию о протоколе UDP можно найти в RFC-768.

4.9 Требования к современным IP-сетям

В главе 3 были рассмотрены принципы кодирования речевой информации, используемые для передачи ее по сетям с маршрутизацией пакетов IP. Закодированные при помощи таких алгоритмов данные генерируются с заданной (не обязательно фиксированной) скоростью независимо от загрузки сети. Требуется, чтобы информация была доставлена получателю с точно той же скоростью, с какой ее генерировал отправитель. Аналогичное требование предъявляется и к доставке видеоинформации.

Синхронная передача данных предполагает периодическую генерацию битов, байтов, или пакетов, которые должны быть воспроизведены приемником с точно таким же периодом. В данном случае скорость передачи информации постоянна. ТфОП функционирует на основе синхронной передачи данных, примером может служить цифровой поток Е1.

Передача такого рода информации (аудио, видео, синхронные потоки) сама по себе не требует очень малой задержки между источником и приемником, хотя это часто является предпочтительным. Однако принципиально необходимо, чтобы задержка была предсказуема, так как только в этом случае временные параметры переданных сообщений могут быть восстановлены в приемнике.

Требования к скорости передачи информации для разных услуг варьируются очень широко. Например, передача данных телеметрии в реальном времени может требовать скорости несколько бит/с, для речевой информации удовлетворительного качества потребуется от 4 до 32 Кбит/с, для обеспечения качества на уровне ТфОП необходимо до 64 Кбит/с, передача видео требует от десятков Кбит/с до десятков Мбит/с (HDTV), в зависимости от характеристик системы (размер изображения, частота кадров, способ кодирования и т.д.). Требования ко времени доставки тоже могут быть различны. Например, при организации речевой связи допускается сквозная задержка от 12 мс при отсутствии эхокомпенсации (G.164), и до 400 мс при ее наличии. При этом, как отмечалось в главе 3, при стремлении величины задержки к верхнему пределу субъективная оценка качества связи падает, взаимодействие становится полудуплексным. Для не интерактивных приложений (например, предоставление видеоинформации по запросу) могут допускаться задержки более 500 мс, которые ограничиваются только возможностью пользователя нормально управлять процессом воспроизведения и возможностями буферизации данных в приемнике.

Процесс передачи данных по сетям с коммутацией пакетов подвержен влиянию статистически изменяющейся задержки (джиттера), возникающей при обработке очередей в узлах сети. Джиттер компенсируется приемником путем использования буфера воспроизведения. Приемник должен обладать информацией о статистических характеристиках задержки, чтобы предусмотреть необходимое место в буферном накопителе. Например, если допустимы потери 0, 1% пакетов, величина буфера должна поддерживаться на уровне, превышающем переменную составляющую задержки поступающих пакетов в 99, 9% случаев. Таким образом, высокий уровень джиттера заставляет мириться либо с большим количеством мест в буферном накопителе и, как следствие, с большими задержками, либо с высоким уровнем потерь информации.

Сеть Интернет была создана для передачи данных на основе адаптивной маршрутизации, предполагающей, что данные могут следовать по разным маршрутам, выбираемым в зависимости от некоторых условий. Кроме того, в сети Интернет не предусматривалось установление соединения между источником и приемником информации, т.е. между компьютерами в сети не устанавливается никаких связей, информация о которых сохранялась бы в сети. Это приводит к тому, что пакеты часто приходят к получателю не в той последовательности, в какой они были переданы.

Интернет - сеть с доставкой по мере возможности. Это значит, что сеть пытается доставить информацию, но если это по каким-либо причинам не получается, то информация будет потеряна. Потери пакетов в Интернет, к сожалению, носят «пачечный» характер, то есть внутри некоторых интервалов времени теряется сразу много пакетов подряд или пакетов, следующих с небольшими промежутками. Эта характеристика сети Интернет затрудняет организацию передачи мультимедийной информации, поскольку такие приложения нормально работают только в условиях случайных независимых потерь.

Интернет - сеть, которая сегодня поддерживает только одноадресную доставку. Многоадресная доставка информации, очень полезная для многих приложений (организация конференций, трансляция телепрограмм и т.д.), поддерживается только в экспериментальном режиме на некоторых участках.

Кроме того, сегодня Интернет предоставляет любым приложениям и любым пользователям одинаковый (и притом, как уже говорилось, не гарантированный и не специфицированный) уровень качества обслуживания. Это не позволяет сравнивать качество услуг IP- телефонии с качеством услуг ТфОП, так как в ТфОП существуют и действуют очень жесткие спецификации качества обслуживания вызовов. Для решения названной проблемы необходимо обеспечить возможность резервирования ресурсов сети в процессе установления соединений.

Скажем несколько слов о надежности. Стремление обеспечить в рамках IP-сетей предоставление услуг телефонии, аналогичных услугам ТфОП, сталкивается с проблемой физической надежности сети. Пользователи ТфОП привыкли, что услуги доступны 24 часа в сутки 7 дней в неделю, т.е. всегда. Эта привычка вполне обоснована, так как АТС и другое оборудование, составляющее основу ТфОП, разработано с учетом коэффициента готовности 99.999%, что эквивалентно 3 часам простоя за 40 лет (!) эксплуатации. Так исторически сложилось, что в мире сетей передачи данных действуют совершенно другие стандарты. Большинство людей не смогут ответить, когда последний раз не работал их телефон, однако они без труда припомнят, когда отказала локальная сеть, или не было доступа к Интернет. Создание универсальной сетевой инфраструктуры на базе протокола IP потребует пересмотреть требования к надежности IP-сетей.

Подводя итог, отметим, что Интернет в сегодняшнем состоянии, со всеми отмеченными выше свойствами, вполне удовлетворяет требованиям наиболее популярных приложений (WWW, электронная почта, передача файлов и т.д.), однако, как мы увидим ниже, для поддержки новых услуг, в том числе аналогичных по сути и качеству услугам ТфОП, необходима глубокая поэтапная модернизация сети с внедрением новых протоколов и алгоритмов обслуживания трафика.

4.10 Протоколы RTP и RTCP

Приложения, обеспечивающие передачу речевой и видеоинформации, используют сервис транспортного уровня без установления соединений (например, UDP). При этом каждое приложение может обеспечивать формирование полезной нагрузки пакетов специфическим образом, включая необходимые для функционирования поля и данные. Однако, как показал приведенный в предыдущем параграфе анализ, данные разной природы (речь, видео) имеют общие особенности, которые требуют обеспечения вполне определенной функциональности при их передаче по сети. Это позволяет сформировать некий общий транспортный уровень, объединяющий функции, общие для потоковых данных разной природы, и используемый всеми соответствующими приложениями, придав протоколу этого уровня статус стандарта. Комитетом IETF был разработан протокол транспортировки информации в реальном времени - Realtime Transport Protocol (RTP), который стал базисом практически для всех приложений, связанных с интерактивной передачей речевой и видеоинформации по сети с маршрутизацией пакетов.

Характерные для IP-сетей временные задержки и вариация задержки пакетов (джиттер) могут серьезно исказить информацию, чувствительную к задержке, например, речь и видеоинформацию, сделав ее абсолютно непригодной для восприятия. Отметим, что вариация задержки пакетов гораздо сильнее влияет на субъективную оценку качества передачи, чем абсолютное значение задержки.

Уже длительное время ведется работа по созданию методов уменьшения джиттера и задержек. Для этого могут применяться рассмотренные в главе 10 механизмы, обеспечивающие пользователю заданный уровень качества обслуживания. Они, конечно, улучшают качество услуг, предоставляемых сетью, но не могут совсем устранить образование очередей в сетевых устройствах и совсем убрать джиттер.

Именно протокол RTP позволяет компенсировать негативное влияние джиттера на качество речевой и видеоинформации. В то же время, он не имеет собственных механизмов, гарантирующих своевременную доставку пакетов или другие параметры качества услуг, -это осуществляют нижележащие протоколы. Он даже не обеспечивает все те функции, которые обычно предоставляют транспортные протоколы, в частности функции исправления ошибок и управления потоком. Обычно протокол RTP базируется на протоколе UDP и использует его функции, но может работать и поверх других

транспортных протоколов.

Существует несколько серьезных причин, по которым такой распространенный транспортный протокол, как TCP, плохо подходит для передачи чувствительной к задержкам информации. Во-первых, это алгоритм надежной доставки пакетов. Пока отправитель повторно передаст пропавший пакет, получатель будет ждать, результатом чего может быть недопустимое увеличение задержки. Во-вторых, алгоритм управления при перегрузке в протоколе TCP далеко не оптимален для передачи речи и видеоинформации. При обнаружении потерь пакетов протокол TCP уменьшает размер окна, а затем будет его медленно увеличивать. Однако передача речевой и видеоинформации осуществляется на вполне определенных, фиксированных скоростях, которые нельзя мгновенно уменьшить, не ухудшив качество предоставляемых услуг. Правильной реакцией на перегрузку для информационных потоков этих типов было бы изменение метода кодирования, частоты видеокадров или размера видеоизображения.

Протокол RTP предусматривает индикацию типа полезной нагрузки и порядкового номера пакета в потоке, а также применение временных меток. Отправитель помечает каждый RTP-пакет временной меткой, получатель извлекает ее и вычисляет суммарную задержку. Разница в задержке разных пакетов позволяет определить джиттер и смягчить его влияние - все пакеты будут выдаваться приложению с одинаковой задержкой.

Итак, главная особенность RTP - это вычисление средней задержки некоторого набора принятых пакетов и выдача их пользовательскому приложению с постоянной задержкой, равной этому среднему значению. Однако следует иметь в виду, что временная метка RTP соответствует моменту кодирования первого дискретного сигнала пакета. Поэтому, если RTP-пакет, например, с видеоинформацией, разбивается на блоки данных нижележащего уровня, то временная метка уже не будет соответствовать истинному времени их передачи, поскольку они перед передачей могут быть установлены в очередь.

На рис. 4.7 представлен основной заголовок RTP-пакета, содержащий ряд полей, которые идентифицируют такие элементы, как формат пакета, порядковый номер, источник информации, границы и тип полезной нагрузки.

Рис. 4.7 Основной заголовок RTP-пакета

V (2 бита) - поле версии протокола. Текущая версия протокола - вторая.

Р (1 бит) - поле заполнения. Сигнализирует о наличии заполнения в конце поля полезной нагрузки. Заполнение применяется, когда приложение требует, чтобы размер полезной нагрузки был кратен, например, 32 битам.

Х (1 бит) - поле расширения заголовка. Служит для индикации того, что за основным заголовком следует дополнительный заголовок, используемый в экспериментальных расширениях протокола RTP.

СС (4 бита) - поле отправителей. Содержит идентификаторы отправителей, чьи данные находятся в пакете, причем сами идентификаторы следуют за основным заголовком.

М (1 бит) - поле маркера. Обычно используется для указания границ потока данных. Смысл бита маркера зависит от типа полезной нагрузки. В случае передачи видеоинформации он определяет конец кадра. При передаче речевой информации маркер указывает начало периода активности после периода молчания.

РТ (7 битов) - поле типа полезной нагрузки. Идентифицирует тип полезной нагрузки и формат данных, включая сжатие и шифрование. В стационарном состоянии отправитель использует только один тип полезной нагрузки в течение сеанса, но он может его изменить в ответ на изменение условий, если об этом сигнализирует протокол управления транспортировкой информации в реальном времени (Real­Time Transport Control Protocol).

Порядковый номер пакета (Sequence Number, 16 битов). Каждый источник начинает нумеровать пакеты с произвольного номера, увеличиваемого затем на единицу с каждым переданным пакетом RTP.

Это позволяет обнаруживать потери пакетов и определять порядок пакетов с одинаковым временным штампом. Несколько последовательных пакетов могут иметь один и тот же штамп, если логически они порождены в один и тот же момент, как, например, пакеты, принадлежащие одному и тому же видеокадру.

Временной штамп (Timestamp, 32 бита). Момент времени, в который был создан первый октет данных полезной нагрузки. Единицы, в которых время указывается в этом поле, зависят от типа полезной нагрузки. Значение определяется по локальным часам отправителя.

Идентификатор SSRC (Synchronization Source Identifier, 32 бита) - поле идентификатора источника синхронизации. Псевдослучайное число, которое уникальным образом идентифицирует источник в течение сеанса и не зависит от сетевого адреса. Это число играет важную роль при обработке порции данных, поступившей от одного источника.

Идентификатор CSRC (Contributing Source Identifier, 32 бита) - список полей идентификаторов источников, участвующих в создании RTP-пакета. Устройство смешивания информации (миксер) вставляет целый список SSRC идентификаторов источников, которые участвовали в построении данного RTP-пакета. Количество элементов в списке: от 0 до 15. Если число участников более 15, выбираются первые 15. Примером может служить речевая конференция, в которой передаются RTP-пакеты с речью всех участников - каждый со своим идентификатором SSRC. Они-то и образуют список идентификаторов CSRC. Вся конференция имеет общий идентификатор SSRC.

Доставка RTP-пакетов контролируется специальным протоколом RTCP (Real Time Control Protocol).

Основной функцией протокола RTCP является организация обратной связи приемника с отправителем информации для отчета о качестве получаемых данных. Протокол RTCP передает сведения (как от приемника, так и от отправителя) о числе переданных и потерянных пакетов, значении джиттера, задержке и т.д. Эта информация может быть использована отправителем для изменения параметров передачи, например для уменьшения коэффициента сжатия информации с целью улучшения качества ее передачи. Более подробное описание протоколов RTP и RTCP можно найти в RFC-1889.

4.11 Многоадресная рассылка

Основной целью группового вещания является создание эффективного механизма передачи данных по схеме «один-ко-многим» и «многие-ко-многим».

Традиционные механизмы доставки пакетов стека TCP/IP мало пригодны для поддержки группового вещания. Например, использование уникальных адресов (unicast) приводит к необходимости установления многочисленных двухточечных соединений между отправителем и каждым из получателей.

Другим способом передачи данных является широковещательная передача, когда станция направляет пакеты, используя широковещательные адреса (broadcast). Пакеты с такими адресами передаются ко всем конечным узлам указанной сети, независимо оттого, нужны ли они каждому из них. Во многих ситуациях такой способ передачи также оказывается неэффективным вследствие своей избыточности, которая ведет к чрезмерному росту трафика, особенно в крупных сетях.

В случае использования групповых адресов отправитель передает сообщение только один раз, затем оно тиражируется и доставляется только к тем узлам, которые являются членами соответствующей группы. Такой режим экономит пропускную способность за счет передачи только того трафика, который необходим. Номера группы задаются с использованием IP-адреса типа multicast.

Основными протоколами, на базе которых реализуется многоадресная рассылка в IP-сетях, являются протоколы IGMP (Internet Group Management Protocol), DVMRP - (Distance Vector Multicast Routing Protocol), PIM (Protocol Independent Multicast).

Глава 5 - Архитектура Н.323

5.1 Стандарты мультимедийной связи

Работа над рекомендациями ITU-T серии Н, уже упоминавшимися в первых четырех главах, началась отнюдь не для IP-телефонии. Более 10 лет тому назад Международный союз электросвязи начал разработку рекомендаций для будораживших умы связистов того поколения систем

■ W WW W

видеотелефонной и мультимедийной связи. Термин «мультимедийная связь» обозначает связь двух или более пользователей, обменивающихся одновременно речью, видеоинформацией и данными.

Первая рекомендация из этой серии, Н.320, была выпущена в 1990 году и относилась к системам видеотелефонии, ориентированным на работу в узкополосной ISDN. Следующие рекомендации ITU-T разрабатывались для систем мультимедийной связи, работающих в разном сетевом окружении.

В рекомендациях серии Н описываются архитектура и функциональные элементы систем, алгоритмы кодирования речи и видеоинформации, организация передачи данных, протоколы сигнализации и управления информационными каналами (таблица 5.1). За истекшее время ITU-T выпустил для таких систем несколько новых версий рекомендаций, в которых учитывались пожелания и замечания ведущих фирм-производителей оборудования, разрабатываемого на базе этих рекомендаций.

Основу рекомендаций Международного союза электросвязи составляет единая базовая архитектура систем мультимедийной связи, функционирующих в разном сетевом окружении. Все рекомендации предусматривают использование для поддержки передачи речи, видеоинформации и данных, а также для управления системой, идентичных функциональных элементов. Различие заключается в упаковке пользовательской и сигнальной информации - выбирается оптимальный способ упаковки информации для той сети, в которой система будет функционировать.

Таблица 5.1. Рекомендации ITU-T по видеотелефонии и

мультимедийной связи

Оборудование мультимедийной связи содержит оконечные устройства, то есть устройства конечных пользователей (терминалы), и сетевые устройства, которые предоставляют пользователям услуги.

Среди этих услуг - организация конференций, преобразование протоколов сигнализации и пользовательской информации, согласование скоростей передачи и дополнительные услуги, такие как переадресация вызовов и переключение связи.

Представляется полезным кратко рассмотреть особенности каждой из систем мультимедийной связи, предложенных ITU-T.

Рекомендация Н.320 специфицирует системы видеотелефонной связи по В-каналам узкополосной ISDN со скоростью 64 Кбит/с и со скоростями до 1.920 Мбит/с, кратными 64 Кбит/с. Видеоинформация кодируется по алгоритму, предложенному ITU-T в рекомендации Н.261. Алгоритм поддерживает два формата изображений: необязательный формат CIF с разрешением 352 х 288 пикселей и обязательный формат QCIF с разрешением 176 х 144 пикселей. Частота кадров - 30 кадров/с или ниже. Для кодирования аудиоинформации используются алгоритм G.711 - импульсно-кодовая модуляция со скоростью передачи 64 Кбит/с, алгоритм G.722 - адаптивно-дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, использующая полосу частот 7кГц и скорости передачи 48, 56, 64 Кбит/с, и G.728 - алгоритм кодирования LD-CELP со скоростью передачи 16 Кбит/с (об этих алгоритмах уже упоминалось в главе 3). Процедуры установления и разрушения соединений, формирования кадра данных и мультиплексирования, а также ряд эксплуатационных и административных функций описываются в рекомендациях Н.221, Н.230 и Н.242.

Рекомендация Н.321 определяет механизм адаптации узкополосных терминалов видеотелефонной связи Н.320 к работе в широкополосной ISDN. Следует отметить, что широкополосные ISDN базируются на транспортной технологии ATM, которая обеспечивает гарантированное качество обслуживания. В терминалах Н.321 реализована часть требований, предъявляемых к широкополосным терминалам видеотелефонной связи Н.310. При этом обязательным требованием Международного союза электросвязи является совместимость терминалов Н.310, Н.321 и Н.320.

В рекомендации Н.322 представлены технические требования к узкополосным системам видеотелефонии, работающим в локальных вычислительных сетях с гарантированным качеством обслуживания, эквивалентным качеству обслуживания ISDN. Применение данной спецификации ограничено ЛВС IsoEthernet

Рекомендация Н.323 специфицирует системы мультимедийной связи, которые ориентированы на работу в сетях с коммутацией пакетов, не обеспечивающих гарантированное качество обслуживания. К таким сетям относятся локальные вычислительные сети Ethernet и Token Ring, глобальная сеть Интернет и другие сети, поддерживающие технологию маршрутизации пакетов IP или IPX.

Рекомендация Н.323 предусматривает применение различных алгоритмов сжатия речевой информации, что позволяет использовать полосу пропускания гораздо более эффективно, чем в сетях с коммутацией каналов. Оконечные устройства Н.323 поддерживают передачу информации в режиме многоадресной рассылки, что позволяет организовывать конференции без дорогостоящих устройств управления конференциями (MCU), хотя на сегодняшний день без MCU не обойтись, т.к. режим многоадресной расслыки, как правило, IP-сетями не поддерживается. В приложении D к рекомендации Н.323 описан механизм передачи факсимильной информации в реальном времени по IP-сетям.

В рекомендации Н. 324 Международный союз электросвязи представил технические требования к системам низкоскоростной мультимедийной связи, ориентированным на работу по аналоговым линиям ТфОП с использованием модемов. С учетом того, что скорость модемной передачи ограничена, в системах реализуются алгоритмы кодирования речи, видеоинформации и данных с высокой степенью сжатия.

Рекомендация Т. 120 специфицирует механизм передачи данных в системах мультимедийной связи. Основным телематическим приложением, поддерживаемым рекомендацией Т. 120, является обмен текстовыми сообщениями между участниками конференции в реальном времени. Другое приложение - коллективное редактирование растровых изображений. Система Т. 120 является полностью платформо- независимой и может работать в широком диапазоне сетевых технологий с надёжной или ненадёжной передачей данных. Следует отметить, что механизм передачи данных Т. 120 может функционировать как отдельно, так и совместно с вышеописанными системами мультимедийной связи. При этом поддерживаются режимы передачи данных с адресацией конкретному устройству и с многоадресной рассылкой.

Этот более чем краткий обзор деятельности ITU-T в области стандартизации систем мультимедийной связи, функционирующих в

разном сетевом окружении, для целей данной книги представляется достаточным. Но прежде чем приступить к выполнению основной задачи данной главы - анализу системы мультимедийной связи, базирующейся на рекомендации Н.323, - будет полезно также ознакомиться с системами видеотелефонии Н.320, являющимися предшественницами систем мультимедийной связи Н.323.

5.2 Архитектура систем видеотелефонии в узкополосных ISDN

В 1990 году Международный союз электросвязи разработал рекомендацию Н.320, принятую впоследствии всеми ведущими производителями оборудования в качестве стандарта для реализации систем видеоконференций в узкополосных ISDN.

Система видеоконференций Н.320 включает в себя две основные группы компонентов - терминалы и устройства управления конференциями (Multipoint Control Units - MCU). Терминал представляет собой оборудование конечного пользователя, в то время как устройство управления конференциями является сетевым оборудованием, позволяющим организовывать видеоконференции с участием множества пользователей. Разрешается каскадное подключение друг к другу нескольких устройств MCU в рамках одной конференции. На рис. 5.1 показана архитектура системы видеоконференций, функционирующей в узкополосной ISDN.

Рис. 5.1 Система видеоконференций в узкополосной ISDN

блок обработки видеоинформации, необходимый для реализации такой функции как разделение изображения в мониторе на несколько частей.

Блок аудиоаппаратуры содержит микрофон, громкоговоритель и блок обработки речевой информации, реализующий функции компенсации эха.

Телематические приложения обеспечивают передачу неподвижных изображений, коллективное редактирование растровых изображений, передачу файлов и др. Услуги передачи данных в системах видеотелефонии Н.320 реализуются на базе набора протоколов 1120.

Модуль управления системой отвечает за выполнение таких функций, как организация доступа к сетевым ресурсам при помощи абонентской сигнализации и управление соединением - организация общего режима функционирования на основе сквозной (end-to-end) сигнализации.

Для установления, поддержания и разрушения соединений системы Н.320 используют протокол сигнализации Q.931 [7]. Обмен сигнальными сообщениями между терминалом и опорной АТС производится по D-каналу. Следует отметить также, что сигнальные сообщения не мультиплексируются с пользовательской и управляющей информацией.

Управление соединением производится на основе протоколов Н.242 и Н.243. Протокол Н.242 используется для обмена информацией о функциональных возможностях терминалов, выбора режима передачи речи, видео и данных в соединении между двумя пользователями и для изменения режима. Протокол Н.243 используется для организации конференций, в которых несколько участников соединяются через устройство управления конференциями.

Аудиокодеки кодируют и декодируют речевую информацию. Рекомендация Н.320 определила в качестве основного алгоритма кодирования речевой информации алгоритм G.711, рассмотренный в главе 3, но на практике, чаще всего, при скорости передачи информации 128 Кбит/с в конференциях используется алгоритм кодирования G.728, а при скорости 384 Кбит/с - алгоритм G.722.

Видеокодеки сжимают видеоинформацию и выполняют обратное преобразование. Рекомендация Н.320 определяет видеокодек Н.261 как обязательный; может также использоваться кодек Н.263.

Блок синхронизации обеспечивает задержку речевых сигналов при передаче для синхронизации движения губ говорящего с его речью.

Необходимость задержки связана с тем, что обработка видеоинформации занимает значительно больше времени, чем кодирование речи. Внесение задержки при передаче речевой информации не является обязательным требованием рекомендации Н.320, но большинство производителей оборудования реализуют эту возможность, поскольку покупатели предпочитают видеть изображения, со