Лекция №23. Использование интернет пакетов в IP-телефонии. Основные протоколы в IP-телефонии.

Среди каналов, на которых может быть организована IP-телефонная связь, особый интерес представляют каналы Интернет. Несмотря на большое разнообразие, характеризуемое пропускными способностями, числом маршрутизаторов, характеристиками физических линий и пр. реально действующие каналы Интернет характеризуются

· действительной пропускной способностью, определяемой наиболее " узким местом" в виртуальном канале в данный момент времени;

· трафиком, также являющимся функцией времени;

· задержкой пакетов, что определяется трафиком, числом маршрутизаторов, реальными физическими свойствами каналов передачи, образующими в данный момент времени виртуальный канал, задержками на обработку сигналов, возникающими в речевых кодеках и других устройствах шлюзов; все это также обеспечивает зависимость задержки от времени;

· потерей пакетов, обусловленной наличием " узких мест", очередями;

· перестановкой пакетов, пришедших разными путями.

Упомянутые обстоятельства и эффекты наглядно могут быть представлены в графической форме. Так, на рис. 3 приведены гистограммы задержек пакетов, показывающие эмпирические распределения вероятностей задержек. На оси абсцисс отложена относительная задержка, характеризующая реальное положение пакета в последовательности на временной оси по отношению к идеальному в предположении, что первый пакет пришел без задержки.

Рис. 3. Гистограммы задержки пакетов

Детальное изучение явлений задержки и потери пакетов позволяет сделать следующие выводы. Задержки пакетов существенно зависят от времени. Кривая этой зависимости имеет большой динамический диапазон и скорость изменения. Заметные изменения времени распространения могут произойти на протяжении одного не продолжительного сеанса связи, а колебания времени передачи могут быть в диапазоне от десятков до сотен миллисекунд и даже превышать секунду.

Зависимость рис. 3 показывает величины возникающих задержек и их вероятности. Данная информация исключительно важна для организации процедуры обработки и выбора параметров обработки. Так, становится ясным, что временная структура речевого пакетного потока меняется. Возникает необходимость организации буфера для превращения пакетной речи, отягощенной нестационарными задержками в канале, возможными перестановками пакетов, в непрерывный естественный речевой сигнал реального времени. Параметры буфера определяются компромиссом между величиной запаздывания телефонного сигнала в режиме дуплексной связи и процентом потерянных пакетов. Потеря пакетов является другим важнейшим негативным явлением в Интернет -телефонии.

На рис. 4 представлены гистограммы потерь пакетов. По оси абсцисс отложено число подряд потерянных пакетов. Анализ гистограммы показывает, что наиболее вероятны потери одного, двух и трех пакетов. Потери больших пачек пакетов редки.

Существенно, что потеря большой группы пакетов приводит к необратимым локальным искажениям речи, тогда как потери одного, двух, трех пакетов можно пытаться компенсировать.

Протоколы IP-телефонии

На данный момент существует несколько стандартизованных протоколов, на базе которых строятся системы IP-телефонии. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Протокол H.323

Автором данного стандарта является организация ITU-T (International Telecommunication Union). Существует несколько версий стандарта H323. Первая была выпущена в 1996 году. Последующие являются эволюционным развитием (большая гибкость, масштабируемость и надежность). Последняя на данный момент версия 4 появилась в 2000 году. На данный момент протокол H.323 является стандартом де-факто для междугородной и международной телефонии. Если вы захотите воспользоваться предложением одного из транснациональных операторов IP-телефонии, то придется обратить внимание именно на H.323. Стандарт определяет базовую архитектуру сети передачи мультимедиаданных:

Рисунок 1. Возможная структура H323-сети

К числу объектов стандарта H.323 относятся:

n Терминал (Terminal).

n Шлюз (Gataway).

n Устройство управления конференциями (Multipoint Control Unit - MCU).

n Привратник (GateKeeper).

Терминал

Конечное H.323-устройство пользователя. Может быть как программным (приложение на компьютере), так и аппаратным (телефонный аппарат). Терминалам могут назначаться один или несколько псевдонимов (номера телефонов, названия).

Шлюз

Устройство, предназначенное для сопряжения разнородных сетей. Так, рекомендации ITU-T содержат информацию по сопряжению H.323-устройств с устройствами сетей ISDN, ATM и ТФОП.

Привратник

Основной управляющий [6] элемент сети H.323, координирующий и контролирующий работу всех ее устройств. К его задачам относятся:

n аутентификация;

n авторизация;

n разрешение имен;

n управление пропускной способностью, используемой H.323-устройствами.

Как правило, сеть H.323 разбивается на " зоны", в каждой из которых присутствует привратник, управляющий вверенными ему устройствами. Для обеспечения большей надежности одну " зону" могут обслуживать несколько привратников, тогда один из них называется " главным", а остальные - " альтернативными". Помимо управления и централизованного разрешения имен абонентов, привратники также могут предоставлять дополнительные возможности, например, выполнять функции прокси-сервера для сигнальных и медиаданных.

MCU [7]

Предназначено для организации конференций с числом участников более 3. Оно координирует передачу управляющей (и опционально мультимедийной) информации между участниками конференций. Работу с устройствами H323 мы рассмотрим на примере привратника GNU GateKeeper и открытых программных телефонов.

Протокол SIP

SIP - Session Initiation Protocol (протокол управления сессиями) - используется для создания, изменения и разрыва " сессий" между одним или несколькими участниками. Понятие " сессии" в протоколе SIP достаточно широкое. Под " сессией" могут подразумеваться не только телефонные звонки, но и передача данных, конференции, децентрализованные игры и т. д.

SIP регламентирует только процедуру установки соединения между устройствами, поэтому обычно наряду с SIP используется протокол передачи информации. В случае IP-телефонии в качестве таких протоколов выступают RTP [8] и SDP [9].

Разработкой протокола SIP занимался комитет MMUSIC [10] организации IETF, поэтому в отличие от протокола H.323 (разработанного телефонистами из ITU-T) протокол SIP является более интернет-ориентированным и предназначен для предоставления несколько других (по сравнению с H.323) услуг.

Ключевые возможности протокола SIP:

n Мультимедийность.

n Персональная мобильность пользователей. Пользователи могут перемещаться без ограничений в пределах сети, поэтому услуги связи должны предоставляться им в любом месте этой сети. Пользователю присваивается уникальный идентификатор, а сеть предоставляет ему услуги связи вне зависимости от того, где он находится.

n Масштабируемость сети. Она характеризуется в первую очередь возможностью увеличения количества элементов сети при её расширении. Серверная структура сети, построенной на базе протокола SIP, в полной мере отвечает этому требованию.

n Открытость и простота. По убеждению авторов и специалистов, SIP позволит наполнить решения и продукты новыми сервисами и возможностями. Что касается простоты, то достаточно сказать, что все используемые в SIP сообщения имеют текстовый формат и поддерживают вложение любых типов данных. Поэтому голосовое соединение может сопровождаться обменом данными между приложениями. Так, разговор по протоколу SIP свободно дополняется передачей данных от одного абонента другому, например, электронной визитки, цифровых фотографий или даже файла MP3.

n Клиент-серверная архитектура.

n Возможность реакции на события. Так, клиент может " подписаться" на определенное событие (например, обновление статуса пользователя), и как только оно наступит, сервер вышлет соответствующее обновление.

Протокол SIP во многом схож с широко используемым протоколом HTTP, который также можно считать сигнальным (клиенты запрашивают у сервера нужные им документы). При установке соединения параметры сессии описываются в соответствии с SDP и вместе с заголовками протокола SIP передаются клиенту. Коды ответов протокола SIP также очень похожи на стандартные коды протокола HTTP. В случае удачного ответа клиенту посылается код 200, адрес не найден (404), ошибка авторизации (403) и др.

Клиенты SIP-сети идентифицируются по универсальным идентификаторам SIP-URI, внешне похожим на адреса электронной почты: sip: platov@cs.vsu.ru. Таким образом, имя клиента SIP состоит из персональной части (до знака @), идентифицирующей пользователя, и доменной части (после @), определяющей, например, организацию. В качестве доменной части возможно использование DNS-имени.

Протокол SIP выделяет следующие типы объектов сети:

n Агенты.

n Серверы регистрации.

n Серверы перенаправления.

n Прокси-серверы.

Агенты

Под агентами подразумеваются конечные устройства пользователя (телефоны, программные телефоны, мобильные телефоны, наладонные компьютеры, шлюзы в ТФОП, системы голосовых меню и т. д.)

В составе агентов выделяются две логические составляющие:

n агент-клиент (UAC - user agent client) - посылает запросы и получает ответы;

n агент-сервер (UAS - user agent server) - принимает запросы и посылает ответы.

Рисунок 2. Взаимодействие UAC и UAS

Ввиду того, что большинству устройств необходимо как передавать, так и принимать данные, в реальных устройствах присутствует как UAC, так и UAS [11].

Прокси-серверы

Являются неотъемлемой частью SIP-сети, отвечают за маршрутизацию сообщений, а также аутентификацию и авторизацию пользователей. В стандарте определяется два типа SIP-прокси-серверов:

n Без учета состояния (stateless). Такие серверы не отслеживают состояния SIP-сессий и передают сообщения, используя внутренние правила маршрутизации. Их основное применение - распределение нагрузки и маршрутизация. Open Source-примером stateless SIP-прокси-сервера является SER [12] (SIP Express Router).

n С учетом состояния (stateful). Отслеживают состояние каждой SIP-сессии от момента ее создания до завершения. Могут использоваться для более интеллектуальной маршрутизации (перенаправление вызовов, голосовая почта, дополнительная обработка вызовов и т. д.), могут самостоятельно повторно пересылать пакеты (в случае если они были потеряны при передаче). Платой за дополнительные возможности является более сложная реализация и большие требования в вычислительной мощности сервера (из-за необходимости хранить информацию о каждой SIP-сессии). Наиболее популярным Open Source stateful прокси-сервером, работающим по протоколу SIP, является Asterisk - The Open Source Linux PBX [13].

Рисунок 3. Типичная схема использования SIP-прокси-сервера

Если пользователь A1@a.com захочет позвонить пользователю B1@b.com, то он передаст запрос INVITE B1 своему прокси-серверу, который перенаправит вызов прокси-серверу b.com абонента B1.

Сервер регистрации (REGISTRAR)

Перед работой в сети каждое устройство должно зарегистрироваться с помощью специального сообщения REGISTER. При этом клиент сообщает серверу свое имя в формате: IP-адрес, номер порта, SIP-URI и пароль доступа. В случае успешной регистрации информация о клиенте заносится в специальную базу данных (используется в дальнейшем для нахождения клиента) и клиенту высылается сообщение: " 200 OK". С определенной периодичностью этот процесс повторяется, таким образом обеспечивается " актуальность" данных о клиентах. Как правило, серверы REGISTRAR совмещаются с прокси-серверами. PBX Asterisk, рассмотрению которого будет посвящена отдельная статья, в этом отношении не является исключением и может выполнять как функции прокси-сервера, так и сервера регистрации.

SCCP (Skinny Client Control Protocol)

Данный протокол является корпоративным. Он разработан компанией Cisco Systems для организации работы IP-телефонов Cisco под управлением ПО Cisco Call Manager, являющегося в том числе и шлюзом в сети H.323. Идея подхода, лежащего в основе разработки протокола SCCP, заключалась в переносе логики обработки H.323 соединений из конечных устройств в ПО Cisco Call Manager. Таким образом, существенно упрощалась (и удешевлялась) реализация конечного устройства клиента.