Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Архитектура сети, построенной в соответствии с рекомендацией H.323. Контроллер зоны. Первый в истории подход к построению сетей IP-телефонии на стандартизированной основе предложен Международным Союзом Электросвязи (ITU) в рекомендации Н.323. Сети на базе протоколов Н.323 ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных. Рекомендация Н.323 предусматривает довольно сложный набор протоколов, который предназначен не просто для передачи речевой информации по IP сетям с коммутацией пакетов. Его цель обеспечить работу мультимедийных приложений в сетях с негарантированным качеством обслуживания. Речевой трафик это только одно из приложений Н.323 наряду с видеоинформацией и данными. Вариант построения сетей IP-телефонии по рекомендации Н.323 хорошо подходит тем операторам, которые заинтересованы в использовании IP сети для предоставления услуг междугородней и международной связи. На рисунке 9 показана архитектура сети на базе рекомендации Н.323. Основными устройствами сети являются: терминал, шлюз, контроллер зоны (привратник) и устройство управления конференциями.
Рисунок 7 – Архитектура сети Н.323
Терминал Н.323 представляют собой конечную точку в сети способную передавать и принимать трафик в масштабе реального времени, взаимодействуя с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления многоточечной конференцией.
Для обеспечения этих функций терминал включает в себя: - элементы аудио (микрофон, акустические системы, система акустического эхоподавления); - элементы видео (монитор, видеокамера); - элементы сетевого интерфейса; - интерфейс пользователя. Технология передачи голоса по IP сети вместо классической сети с коммутацией каналов предусматривает конфигурацию с установкой шлюзов. Шлюз обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование её в IP пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы. Такое преобразование информации не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени. Основные функции, выполняемые шлюзом, состоят в следующем:- реализация физического интерфейса с телефонной и IP сетью;- детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации; - преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты и обратно; - соединение абонентов;- передача по сети сигнализационных и речевых пакетов; - разъединение связи. Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуются в процессах прикладного уровня. Схема обработки сигналов в шлюзе при подключении аналогового двухпроводного телефонного канала показано на рисунке 8.Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную схему, которая разделяет приёмную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с просочившейся частью сигнала приёма подаётся на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и превращается в стандартный 12-разрядный сигнал. В последнем случае обработка должна включать соответствующий экспандер. В устройстве эхокомпенсации из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхокомпенсатор представляет собой фильтр. Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере. В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определённой длительности (в зависимости от метода кодирования) и каждому входному блоку сопоставляется информационный кадр соответствующей длины. Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности, который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой.
Рисунок 8 – Схема обработки сигналов в шлюзе
При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передаётся лишь каждый пятый паузный информационный кадр. При отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приёмной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума, который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры сигнала обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхокомпенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого даёт составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифроаналогового преобразования, сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке.Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи. В контроллере зоны (привратнике) сосредоточен весь интеллект сети IP-телефонии. Сеть, построенная в соответствии с рекомендацией Н.323, имеет зонную архитектуру. Контроллер зоны выполняет функции управления одной зоной сети IP-телефонии, в которую входят: терминалы, шлюзы, устройства управления конференциями, зарегистрированные у одного контроллера зоны. Отдельные фрагменты зоны сети Н.323 могут быть территориально разнесены и соединяться друг с другом через маршрутизаторы. Наиболее важными функциями контроллера зоны являются: - регистрация оконечных и других устройств; - контроль доступа пользователей системы к услугам IP-телефонии при помощи сигнализации RAS; - преобразование alias адреса вызываемого пользователя (объявленного имени абонента, телефонного номера, адреса электронной почты и др.) в транспортный адрес сетей с маршрутизацией пакетов IP (IP адрес -номер порта TCP); - контроль, управление и пропускной способности сети; - ретрансляция сигнальных сообщений Н.323 между терминалами. В одной сети IP-телефонии, отвечающей требованиям ITU H.323, может находиться несколько контроллеров зоны, взаимодействующих друг с другом по протоколу RAS. Устройство управления конференциями (MCU) обеспечивает возможность организации связи между тремя или более участниками. Рекомендация Н.323 предусматривает три вида конференции: централизованная (то есть управляемая MCU, с которым каждый участник конференции соединяется в режиме точка-точка), децентрализованная (каждый участник конференции соединяется с остальными её участниками в режиме точка группа точек) и смешанная. Устройство управления конференциями состоит из одного обязательного элемента контроллера конференций (MC), и, может включать в себя один или более процессоров для обработки пользовательской информации (МР). МС может быть физически совмещён с контроллером зоны, шлюзом или устройством управления конференциями, а последнее, может быть совмещено со шлюзом или контроллером зоны. Существует ещё один элемент сети Н.323 – прокси-сервер Н.323, то есть сервер-посредник. Этот сервер функционирует на прикладном уровне и может проверять пакеты с информацией, которой обмениваются два приложения. Прокси-сервер может определять, с каким приложением (Н.323 или другим) ассоциирован вызов, и осуществляет нужное соединение. Семейство протоколов Н.323 включает в себя три основных протокола: протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником RAS, протокол управления соединениями Н.225 и протокол управления логическими каналами Н.245. Международный союз электросвязи в рекомендации Н.225.0 определил протокол взаимодействия компонентов сети Н.323: оконечного оборудования (терминалов, шлюзов, устройств управления конференциями) с привратником. Этот протокол получил название RAS (Registration, Admission and Status). Основными процедурами, выполняемыми оконечным оборудованием и привратником с помощью протокола RAS, являются: - обнаружение привратника, - регистрация оконечного оборудования у привратника, - контроль доступа оконечного оборудования к сетевым ресурсам; - определение местоположения оконечного оборудования к сетевым ресурсам, - определение местоположения оконечного оборудования к сетевым ресурсам, - определение местоположения оконечного оборудования в сети; -изменение полосы пропускания в процессе обслуживания вызова; - опрос и индикация текущего состояния оконечного оборудования; - оповещение привратника об освобождении полосы пропускания, ранее занимавшейся оборудованием. Выполнение первых трех процедур, предусмотренных протоколом RAS, является начальной фазой установления соединения с использованием сигнализации H.323. Далее следуют фаза сигнализации H.225 (Q.931) и обмен управляющими сообщениями H.245. Разъединение происходит в обратной последовательности: в первую очередь закрывается управляющий канал H.245 и сигнальный канал H.225.0, после чего по каналу RAS контроллер зоны оповещается об освобождении ранее занимавшейся оконечным оборудованием полосы пропускания. Для переноса сообщений протокола RAS используется протокол негарантированной доставки информации UDP. В связи с этим ITUT рекомендовал передавать повторно те сообщения RAS, получение которых не было подтверждено в течение установленного промежутка времени. Оконечное оборудование или контроллер зоны, не имеющие запрос, могут передавать сообщение RIP (Request in Progress) для индикации того, что запрос находится в стадии обработки. При приёме сообщения RIP контроллер зоны и оконечное оборудование должны перезапустить свои таймеры. В сети без контроллера зоны сигнальный канал RAS вообще не используется
Влияние сети на показатели качества IP-телефонии Задержка создаёт неудобство при ведении диалога, приводит к перекрытию разговоров и возникновению эха. Эхо возникает, когда отражённый речевой сигнал вместе с сигналом от удалённого конца возвращается опять к говорящему. Эхо становится трудной проблемой, когда задержка в петле передачи больше, чем 50 мс.Затруднение диалога и перекрытие разговоров становится серьёзным вопросом качества, когда задержка в одном направлении превышает 250 мс.Можно выделить следующие источники задержки при передаче речи из конца в конец (см. рисунок 15):- задержка накопления (алгоритмическая задержка): эта задержка обусловлена необходимостью сбора кадра речевых отсчётов, выполняемая в речевом кодере; - задержка обработки: определённые задержки создаются в процессе кодирования и сбора закодированных отсчётов в пакеты для передачи через пакетную сеть;
- сетевая задержка: задержка обусловлена физической средой и протоколами, а также буферами, используемыми для удаления джиттера на приёмном конце. Сетевая задержка зависит от ёмкости сети и процессов передачи в сети.
Рисунок 15 – Составляющие задержки в сети IP-телефонии
Время задержки можно отнести к одному из трёх уровней: - первый уровень до 200 мс отличное качество связи. Для сравнения, в СТОП допустимы задержки 150, 200 мс; - второй уровень до 400 мс хорошее качество связи. Но при сравнении с СТОП разница ощутима; - третий уровень до 700 мс приемлемое качество связи для неделовых переговоров. Такое качество связи возможно и в спутниковой связи. Когда речь или данные разбиваются на пакеты для передачи через IP сеть, пакеты часто прибывают в различное время и в разной последовательности. Это создаёт разброс времени доставки пакетов (джиттер). Джиттер приводит к нарушениям передачи речи, слышимым как трески и щелчки. Различают три формы джиттера:- джиттер, зависимый от данных, происходит в случае ограниченной полосы пропускания или при нарушениях в сети;- искажения рабочего цикла обусловлено выдержкой распространения между передачей снизу вверх и сверху вниз; - случайный джиттер является результатом теплового шума. Потерянные пакеты в IP-телефонии нарушают речь и создают искажения тембра. Все голосовые кадры обрабатываются как данные, поэтому при пиковых нагрузках голосовые кадры будут отбрасываться, как и кадры данных. Кадры данных не связаны со временем, и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путём повторения, а потеря голосовых пакетов приведёт к неполной передаче информации. Предполагается, что потеря до 5% пакетов незаметна, а свыше 10 – 15 % недопустима. Можно предположить, что с повышением трафика возрастают задержки и потери в канале.
Видеосвязь
Видеосвязь – это способ передачи аудио- и видеоданных между удаленными пользователями. Видеосвязь можно осуществить в виде персонального звонка или групповой видеоконференций. Реализуется видеосвязь не только на компьютере, ноутбуке или специализированном устройстве, видеосвязи, но также на смартфонах, коммуникаторах, ноутбуке, специализированных устройствах видеосвязи. Видеосвязь типа «точка-точка» популярна среди пользователей интернет-сервисов.
Программное обеспечение видеосвязи подразделяется на пиринговое, поставляемое в качестве сервиса или через сервер.
Пиринговая – это overлейная комп.сеть, основанная на равноправии участников. В такой сети отсутствуют выделенные серверы, а каждый узел является как клиентом, так и сервером. В отличие от архитектуры клиент-серверов такая организация позволяет сокранять работоспособность сети при любом количестве и любом сочетании доступных узлов.
Для реализации программного типа видеоконференцсвязи достаточно базового комплекта оборудования, такого, как гарнитура и веб-камера, что позволяет создавать различные по стоимости решения, подходящие как для частного использования, так и для внедрения на предприятия. Естественно, чем лучше устанавливаемое оборудование, тем выше качество видеосвязи.
Следует отметить, что эхо- и шумо- подавляющие спикерфоны, камеры высокого разрешения, а также высококачественные акустические системы хорошо реализуют свои возможности как с аппаратными, так и с программными системами видеоконференцсвязи, т.к. являются и для тех и для других всего лишь набором периферийного оборудования.
Аппаратные комплексы видеосвязи ориентированы на передачу видео HD качества, и соответственно, требуют приобретения дорогостоящего оборудования: терминальных устройств видеосвязи, специальных MCU серверов, средств вывода аудио и видео информации (плазменных или жидкокристаллических панелей, мониторов, проекторов, акустических систем).
Существует также оборудование, направленное на улучшение качества видеосвязи: системы озвучивания помещения, дополнительное осветительное оборудование, средства управления и интеграции ВКС с другими системами коммуникационного обеспечения здания и т.п.
Достоинства и недостатки IP-телефонии IP-телефония (VoIP – Voice over IP) – система связи, которая передает речь по сети Интернет или по другим IP-сетям. Сигнал предается в цифровом виде, обязательно подвергается сжатию для удаления избыточности .Достоинства IP-телефонии: -Низкая стоимость разговоров относительно традиционной телефонной связи. Причем стоимость разговоров никак не зависит от расстояний между абонентами. Стоимость международной связи обходится дешевле в 10 раз. -Качество связи не зависит от удаленности абонента, а зависит от загруженности канала. -Применение VoIP а корпоративном уровне. IP-телефония, способная передавать данные, голос и видео, снижает общую стоимость содержания коммуникаций. Недостатки IP-телефонии: - Плохое качество передачи голоса. Интернет изначально предназначался не для передачи голосовых пакетов, поэтому если сеть загружена, то возможны задержки передачи пакетов, а иногда и их потери. Также неудовлетворительное качество связи связано с преобразование "голос - IP-пакеты - голос". Для абонента все эти недостатки могут означать плохую слышимость, эхо, помехи, а факсимильные сообщения вообще могут не проходить. Решением этой проблемы является выделение специальных каналов связи. -Неудобство использования услуги по IP-карточкам. Для того чтобы осуществить звонок по IP-телефонии, необходимо приобрести телефонную карточку, позвонить на указанный номер, далее в зависимости от оборудования в тоновом режиме ввести пароль (8-20 цифр) и номер вызова или сообщить оператору эти данные. В результате произведенных действий, звонок через IP-карточку занимает длительное время и поэтому большинство людей предпочитают разговаривать по более дорогой и надежной связи. -Чтобы использовать программный IP-телефон, необходимо включить компьютер, загрузить необходимую программу, подключить микрофон и наушники или web-камеру. -Аппаратным IP-телефонам необходимы настройки под Интернет-провайдера. - Телефон с определителем номера, поступающий сигнал из сети IP-телефонии, определит не номер абонента, а номер дозвона до шлюза, случайная последовательность цифр. А если абонент использует услугу «белый список», то вы не дозвонитесь до него.
Классификация сетей IP-телефонии
Сеть IP-телефонии представляет собой совокупность оконечного оборудования, каналов связи и узлов коммутации. Сети IP-телефонии строятся по тому же принципу, что и сети Интернет. Однако в отличие от сетей Интернет, к сетям IP-телефонии предъявляются особые требования по обеспечению качества передачи речи. Одним из способов уменьшения времени задержки речевых потоков в узлах коммутации является сокращение количества узлов коммутации, участвующих в соединении. Поэтому при построении крупных транспортных сетей ,в первую очередь ,организуется магистраль, которая обеспечивает транзит трафика между отдельными участками сети, а оконечное оборудование (шлюзы) включается в ближайший узел коммутации (см. рисунок 5).Оптимизация маршрута позволяет улучшить качество предоставляемых услуг. При подключении к сети других операторов их оборудование также подключается к ближайшему узлу коммутации. Для связи между устройствами внутри сети и с устройствами других сетей IP-телефонии используются выделенные каналы или сеть Интернет. По способу связи оконечных устройств между собой сети IP- телефонии можно разделить на выделенные, интегрированные и смешанные.В выделенных сетях (см. рисунок 6) связь между оконечными устройствами осуществляется по выделенным каналам и пропускная способность этих каналов используется только для передачи речевых пакетов. Чаще всего провайдеры IP-телефонии не строят собственную инфраструктуру, а арендуют каналы у провайдеров первичной сети.
Рисунок 5 – Пример построения сети с использованием магистрали
Рисунок 6 – Пример построения сети IP-телефонии
Главное преимущество выделенной сети - это высокое качество передачи речи, так как такие сети предназначены только для передачи речевого трафика. Для обеспечения гарантированного качества предоставляемых услуг в этих сетях, кроме протокола IP, применяются и другие транспортные протоколы ATM и Frame Relay. В интегрированных сетях IP-телефонии для связи между устройствами используется глобальная сеть Интернет (рис 3). Это может быть уже существующая собственная сеть или доступ к сети Интернет через провайдеров. Если оператор имеет собственную сеть Интернет, то для предоставления услуг IP-телефонии он лишь устанавливает дополнительное оборудование, которое обеспечивает преобразование речи в данные и наоборот, и модернизирует уже имеющееся оборудование, чтобы обеспечить качество предоставляемых услуг. Если оператор IP-телефонии пользуется услугами провайдеров Интернет, то качество услуг такой сети может быть низким, так как обычные сети Интернет не рассчитаны на передачу информации в реальном масштабе времени. По разным причинам операторы сетей IP-телефонии для объединения своих устройств в сети могут использовать выделенные каналы и сеть Интернет. Такие сети можно назвать сетями смешанного типа (рис 4). Вопрос о том, какие каналы использовать для связи устройств между собой, решается оператором индивидуально в зависимости от возможностей. Если оператор, обычно использующий выделенные каналы, по каким-либо причинам не может арендовать канал до оконечного устройства, он прибегает к услугам провайдеров Интернет. Если оператор IP-телефонии, использующий сеть Интернет, не имеет возможности получить доступ в Интернет в конкретной точке, или качество услуг через сеть Интернет очень низкое, то для подключения оконечного устройства к сети используется выделенный канал. К построению сети по смешанному типу прибегают редко, только когда нет другого варианта. Чаще всего, таким способом более крупные операторы подключают к себе более мелких операторов.
Рис. 3. Пример построения интегрированной сети IP-телефонии
Рис. 4. Пример построения смешанной сети IP-телефонии
По своему масштабу все сети IP-телефонии можно разделить на международные, региональные и местные. Международная сеть IP-телефонии имеет точки своего присутствия в нескольких странах и обеспечивает терминацию трафика практически в любую точку мира при минимальном использовании телефонной сети общего пользования. Чаще всего, международные сети не работают с конечными пользователями, а предоставляют свою пропускную способность другим сетям. Главной задачей международных сетей является транзит трафика между сетями различного уровня. Кроме того, операторы международной сети организуют международные клиринг-центры, которые упрощают процедуры взаиморасчетов между операторами. При построении международной сети в первую очередь строится мощная магистраль, имеющая большую пропускную способность. Международные сети строятся с использованием выделенных каналов и на базе уже существующих сетей Интернет. Яркими примерами выделенных международных сетей являются сети компаний ITXC, iBasis и DeltaThree. Среди провайдеров Интернет, предоставляющих услуги международной IP-телефонии, можно отметить компании Carrierl, GRIC, GTE Internetworking и Equant. В отличие от международной сети национальная сеть имеет точки своего присутствия в одной или, в крайнем случае, в нескольких близлежащих странах и обслуживает абонентов и местных операторов только этого региона. С помощью заключения договоренности с международными сетями национальная сеть предоставляет своим абонентам и другим местным сетям возможность терминации вызовов в любую точку мира. Чаще всего, национальные сети строятся национальными телекоммуникационными компаниями с использованием уже существующей инфраструктуры, поэтому большая часть национальных сетей IP-телефонии являются интегрированными сетями. Крупные национальные операторы проводят дооборудование своих сетей передачи данных для предоставления услуг IP-телефонии. Прежде всего, оператор заботится об обеспечении качества передачи речи по сети с помощью модернизации имеющегося оборудования или приобретении нового. Также, в зависимости от имеющегося на сети оборудования, оператор или приобретает дополнительное шлюзовое оборудование, или дооборудует уже используемое на сети оборудование передачи данных функциями шлюза. Примерами телекоммуникационных компаний, имеющих национальную сеть IP-телефонии, могут служить Deutsche Telecom, France Telecom, Telecom Finland, Japan Telecom и многие другие.Операторы IP-телефонии, не имеющие собственной инфраструктуры, строят свои сети с использованием провайдеров Интернет или провайдеров первичной телекоммуникационной сети и стараются выйти за рамки национальной сети, так как особенно выгодно предоставлять услуги IP-телефонии на большие расстояния. Поэтому операторы, имеющие достаточно средств на строительство сети, предпочитают строить международные сети, причем они располагают точки своего присутствия в тех странах, куда больше всего тяготеет международный телефонный трафик. Примерами национальных выделенных сетей можно считать сети компаний Innofone (Канада) и Liberty One (Австралия, Новая Зеландия). Местная сеть IP-телефонии предоставляет возможность абонентам местной телефонной сети и частным компаниям воспользоваться услугами IP-телефонии. В основном, операторы местных сетей являются провайдерами доступа к сети IP-телефонии. Чаще всего, их сети имеют всего один шлюз, подключенный к более крупным сетям через сеть Интернет или по выделенным каналам. Таких операторов часто называют ресселерами, так как они просто перепродают услуги других сетей абонентам местной телефонной сети. Для большинства операторов местная сеть является лишь промежуточным этапом развития и они стремятся выйти на международный или национальный уровень.
Маршрутизация в IP-сетях
Общими словами маршрутизацию можно описать как процесс передачи пакетов между соединенными сетями. В TCP/IP-сетях маршрутизация является частью протокола IP (Internet Protocol) и используется в сочетании с другими службами сетевых протоколов для обеспечения передачи данных между узлами, расположенными в разных сегментах более крупной TCP/IP-сети. IP — это своего рода «почтовая система» протокола TCP/IP, выполняющая сортировку и доставку IP-данных. Каждый входящий или исходящий пакет называется IP-датаграммой. Датаграмма IP содержит два IP-адреса: адрес источника (отправляющего узла) и адрес назначения (принимающего узла). В отличие от аппаратных адресов, IP-адреса в датаграмме в процессе передачи ее по TCP/IP-сети остаются постоянными. Маршрутизация является основной функцией IP. Обмен IP-датаграммами и их обработка на каждом узле выполняются протоколом IP, работающим на межсетевом уровне. Над этим уровнем транспортные службы узла-источника передают данные уровню IP в виде TCP-сегментов или UDP-сообщений. Уровень IP помещает в IP-датаграммы информацию об адресах отправителя и получателя, которая используется для маршрутизации данных в сети. Затем уровень IP передает датаграммы уровню сетевого интерфейса. На этом уровне канальные службы преобразовывают IP-датаграммы в кадры для передачи по физическим носителям сети. На узле-получателе эти действия выполняются в обратном порядке. Каждая IP-датаграмма содержит IP-адреса источника и назначения. Службы уровня IP (межсетевого уровня) на каждом узле анализируют адрес назначения каждой датаграммы, ищут этот адрес в локальной таблице маршрутизации и выбирают действие по ее дальнейшему перенаправлению. IP-маршрутизаторы подключаются к двум или нескольким сегментам IP-сети, между которыми требуется обеспечить перенаправление пакетов. В следующих разделах более подробно рассказывается об IP-маршрутизаторах и об использовании таблиц маршрутизации.IP-маршрутизаторы Сегменты TCP/IP-сети соединяются между собой с помощью IP-маршрутизаторов — устройств для передачи IP-датаграмм из одного сегмента сети в другой. Этот процесс, проиллюстрированный на следующем рисунке, называют IP-маршрутизацией.
IP-маршрутизаторы являются основным средством объединения нескольких физически раздельных сегментов IP-сети. Все IP-маршрутизаторы обладают двумя существенными общими характеристиками. -IP-маршрутизаторы являются узлами с несколькими сетевыми интерфейсами.
Узел с несколькими сетевыми интерфейсами — это узел сети, использующий два или более сетевых интерфейсов для подключения к физически раздельным сегментам сети. -IP-маршрутизаторы обеспечивают перенаправление пакетов для других узлов TCP/IP.
IP-маршрутизаторы отличаются от других узлов с несколькими сетевыми интерфейсами одной важной особенностью: IP-маршрутизатор должен уметь перенаправлять между сетями данные, передаваемые по протоколу IP другими узлами IP-сети. IP-маршрутизатор можно реализовать, используя множество различных аппаратных и программных продуктов. Часто применяются специализированные аппаратные устройства, использующие специальное программное обеспечение. Можно также использовать и программные решения, такие как служба маршрутизации и удаленного доступа. Независимо от типа задействованных IP-маршрутизаторов, система IP-маршрутизации основана на использовании таблиц маршрутизации для связи между сегментами сети.
Узлы TCP/IP используют таблицу маршрутизации, содержащую сведения о других IP-сетях и IP-узлах. Сети и узлы идентифицируются с помощью IP-адресов и масок подсети. Таблицы маршрутизации важны потому, что они предоставляют каждому локальному узлу необходимую информацию о том, как связаться с удаленными сетями и узлами. Для любого компьютера IP-сети можно создать и поддерживать таблицу маршрутизации, содержащую сведения обо всех остальных компьютерах и сетях, с которыми он поддерживает связь. Обычно такой подход не используется, а вместо него применяется основной шлюз (IP-маршрутизатор).
Когда компьютер готовится к отправке IP-датаграммы, он помещает свой IP-адрес (адрес источника) и IP-адрес получателя (адрес назначения) в IP-заголовок. Затем компьютер анализирует IP-адрес получателя, ищет его в локальной таблице IP-маршрутизации и на основе результатов этого поиска выполняет соответствующее действие. На этом этапе выполняется одно из трех возможных действий: -Датаграмма передается уровню протоколов локального узла, расположенному над межсетевым уровнем (уровнем IP). -Датаграмма перенаправляется через один из сетевых интерфейсов данного компьютера. -Датаграмма отбрасывается.
Датаграмма – это простое сообщение, которое не требует подтверждения о приёме от принимающей стороны, а если такое подтверждение необходимо, то адресат должен сам послать специальное сообщение. Для осуществления таким способом принимающая и передающая стороны должны строго придерживаться определённой информации. Каждая датаграмма явл самостоятельным сообществом и при наличии ЛВС их доставка адресату не гарантируется. Существуют два типа межкомпьютерного обмена данными: 1- датаграммы, 2 – сеансы, мы посылаем сообщение и будем знать о получении. Протокол IP просматривает таблицу маршрутизации в поисках маршрута, позволяющего наиболее близко подойти к IP-адресу назначения. Поиск маршрутов (от наиболее точного к наименее точному) выполняется в следующем порядке: -маршрут до самого IP-адреса назначения (маршрут к узлу); -маршрут до сети, имеющей тот же идентификатор сети, что и IP-адрес назначения (маршрут к сети); -маршрут по умолчанию. Если подходящий маршрут найден не был, датаграмма отбрасывается. Структура таблицы маршрутизации стека TCP/IP соответствует общим принципам построения таблиц маршрутизации, рассмотренным выше. Однако важно отметить, что вид таблицы IP-маршрутизации зависит от конкретной реализации стека TCP/IP. Приведем пример трех вариантов таблицы маршрутизации, с которыми мог бы работать маршрутизатор Ml в сети, представленной на рис. 5.13.
Рис. 5.13.Пример маршрутизируемой сети
Операционная система – это программа, которая обеспечивает возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя образом. По числу одновременно выполняемых задач операционные системы можно разделить на однозадачные (MS-DOS) и многозадачные (Windows, Unix), по числу одновременно работающих пользователей на однопользовательские и многопользовательские Если представить, что в качестве маршрутизатора Ml в данной сети работает штатный программный маршрутизатор MPR операционной системы Microsoft Windows NT, то его таблица маршрутизации могла бы иметь следующий вид (табл. 5.9).
Таблица 5.9.Таблица программного маршрутизатора MPR Windows NT
Первым источником является программное обеспечение стека TCP/IP. При инициализации маршрутизатора это программное обеспечение автоматически заносит в таблицу несколько записей, в результате чего создается так называемая минимальная таблица маршрутизации.
Это, во-первых, записи о непосредственно подключенных сетях и маршрутизаторах по умолчанию, информация о которых появляется в стеке при ручном конфигурировании интерфейсов компьютера или маршрутизатора. Во-вторых, программное обеспечение автоматически заносит в таблицу маршрутизации записи об адресах особого назначения. Пакеты, направленные в сеть с номером 127.0.0.0, не передаются протоколом IP на канальный уровень для последующей передачи в сеть, а возвращаются в источник - локальный модуль IP. Записи с адресом 224.0.0.0 требуются для обработки групповых адресов (multicast address). Кроме того, в таблицу могут быть занесены адреса, предназначенные для обработки широковещательных рассылок. Вторым источником появления записи в таблице является администратор, непосредственно формирующий запись с помощью некоторой системной утилиты, например программы route, имеющейся в операционных системах Unix и Windows NT. В аппаратных маршрутизаторах также всегда имеется команда для ручного задания записей таблицы маршрутизации. Заданные вручную записи всегда являются статическими, то есть не имеют срока истечения жизни. Эти записи могут быть как постоянными, то есть сохраняющимися при перезагрузке маршрутизатора, так и временными, хранящимися в таблице только до выключения устройства. Часто администратор вручную заносит запись default о маршрутизаторе по умолчанию. Таким же образом в таблицу маршрутизации может быть внесена запись о специфичном для узла маршруте. Специфичный для узла маршрут содержит вместо номера сети полный IP-адрес, то есть адрес, имеющий ненулевую информацию не только в поле номера сети, но и в поле номера узла. Предполагается, что для такого конечного узла маршрут должен выбираться не так, как для всех остальных узлов сети, к которой он относится. В случае когда в таблице есть разные записи о продвижении пакетов для всей сети и ее отдельного узла, при поступлении пакета, адресованного узлу, маршрутизатор отдаст предпочтение записи с полным адресом узла. И наконец, третьим источником записей могут быть протоколы маршрутизации, такие как RIP или OSPF. Такие записи всегда являются динамическими, то есть имеют ограниченный срок жизни. Программные маршрутизаторы Windows NT и Unix не показывают источник появления той или иной записи в таблице, а маршрутизатор NetBuilder использует для этой цели поле «Source».
Обеспечение качества на базе протокола RTSP
Потоковый протокол реального времени (Real Time Streaming Protocol, RTSP), разработанный IETF в 1998 году и описанный в RFC 2326, является прикладным протоколом, предназначенным для использования в системах, работающих смультимедиа данными, и позволяющий клиенту удалённо управлять потоком данных с сервера, предоставляя возможность выполнения команд, таких как «Старт», «Стоп», а также доступа по времени к файлам, расположенным на сервере.
RTSP не выполняет сжатие, а также не определяет метод инкапсуляции мультимедийных данных и транспортные протоколы. Передача потоковых данных сама по себе не является частью протокола RTSP. Большинство серверов RTSP используют для этого стандартный транспортный протокол реального времени, осуществляющий передачу аудио- и видеоданных.
По синтаксису и операциям протокол RTSP похож на HTTP. Однако между протоколами RTSP и HTTP есть ряд существенных различий. Одно из основных заключается в том, что в первом и сервер, и клиент способны генерировать запросы. Например, видеосервер может послать запрос для установки параметров воспроизведения определенного видеопотока. Далее, протоколом RTSP предусматривается, что управление состоянием или связью должен осуществлять сервер, тогда как HTTP вообще никакого отношения к этому не имеет. Наконец, в RTSP данные могут передаваться вне основной полосы (out-of-band) другими протоколами, например RTP, что невозможно в случае HTTP. RTSP-сообщения посылаются отдельно от мультимедийного потока. Для них используется специальный порт с номером 554. Формат запроса
Запрос на сервер посылается в текстовом виде в формате: "метод абсолютный_адрес_контента версия_протокола". Вместе с запросом могут быть переданы дополнительные служебные поля (на новых строчках запроса).
Использование протокола RTSP упрощает создание и поддержку виртуальных серверов, где один хост с одним адресом IP обслуживает несколько структур, деревьев, документов.
Обеспечение качества на базе протокола RSVP Одним из средств обеспечения качества IP-телефонии является использование протокола резервирования ресурсов (Resourse Reservation Protocol, RSVP), рекомендованного комитетом IETF. С помощью RSVP мультимедиа программы могут потребовать специального качества обслуживания (QoS) посредством любого из сетевых протоколов IP, а также UDP, чтобы обеспечить качественную передачу видео и аудиосигналов. Протокол RSVP предусматривает гарантированное QoS благодаря тому, что через каждый компьютер, или узел, может передаваться определённое количество данных. Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о свободном количестве ресурсов сообщением RSVP Path (см. рисунок 17). Транзитные маршрутизаторы по мере прохождения этого сообщения также анализируют имеющееся у них количество свободных ресурсов и подтверждают его соответствующим сообщением RSVP Resv, передаваемых в обратном направлении. Если ресурсов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов недостаточно, получатель должен снизить требования или прекратить передачу информации.
Рисунок 17 – Применение протокола RSVP
В виду зависимости RSVP от совместимости предела своих возможностей, когда он не может гарантировать запрошенный уровень QoS, все последующие запросы будут игнорироваться и удаляться. При отказе только одного узла обслуживать запрос вся стройная система RSVP распадается на части. RSVP имеет весьма хорошие перспективы на корпоративном уровне, где администратор имеет возможность определить, какие параметры будет использовать маршрутизатор для обслуживания запросов о предоставлении QoS. В глобальных сетях маршрутизаторы вовсе необязательно находятся под той же юрисдикцией, что и хосты и приложения, производящие запросы, что осложняет гарантированное QoS. Для уменьшения значений джиттера и задержек на сетевом уровне применяются гарантирующие пользователю заданный уровень качества механизмы RSVP, MPLS, ATM и другие. Они улучшают качество услуг, предоставляемых сетью, но не могут полностью устранить образование очередей в сетевых устройствах, а, следовательно, и совсем убрать джиттер. Компенсировать его негативное влияние позволяет разработанный IETF протокол прикладного уровня RTP (Realtime Transport Protocol), который используется технологией H.323.
Обеспечение качества на базе протокола RTP Протокол прикладного уровня RTP (Real-time Transport Protocol), предназначен для доставки чувствительной к задержкам информации с использованием сетевых служб одноадресной и групповой рассылки. Он не имеет собственных механизмов, гарантирующих своевременную доставку пакетов или другие параметры качества услуг - это осуществляют нижележащие протоколы. Обычно RTP работает поверх UDP и использует его службы, но может функционировать и поверх других транспортных протоколов (рисунок 3.5.2)
Рисунок 3.5.2 Стек протоколов Н.323
Служба RTP предусматривает указание типа полезной нагрузки и последовательного номера пакета в потоке, а также применение временных меток. Отправитель помечает каждый RTP-пакет временной меткой, а получатель извлекает ее и вычисляет суммарную задержку. Разница в задержке пакетов позволяет определить джиттер и смягчить его влияние - все пакеты будут выдаваться приложению с одинаковой задержкой.
Таким образом, главная особенность RTP - это вычисление средней задержки некоторого набора принятых пакетов и выдача их пользовательскому приложению с постоянной задержкой, равной этому среднему значению. Временная метка RTP соответствует моменту кодирования первого дискретного сигнала пакета. Поэтому, если RTP пакет, например, с видеоинформацией, разбивается на несколько пакетов нижележащего уровня, то временная метка уже не будет соотвествовать истинному времени их передачи, поскольку они перед передачей могут быть организованы в очередь. Еще одно преимущество RTP состоит в том, что его можно использовать с RSVP для передачи синхронизированной мультимедиаинформации с определенным уровнем качества обслуживания. Кроме того, разговоры передаются по сети Интернет в незашифрованном виде. Поэтому любой узел, находящийся на пути следования данных, может подключиться к этой линии и прослушать ваш разговор. Чтобы решить эту проблему, в RTP предлагается механизм, до некоторой степени обеспечивающий защиту от несанкционированного доступа и конфиденциальность. Эти средства довольно ненадежны и могут рассматриваться лишь как временное решение проблемы пока протоколы, поверх которых работает RTP, не будут располагать развитыми механизмами безопасности данных.
Обеспечение качества на базе протокола RTCP
Возможность RTP можно расширить, объединив его с протоколом управления передачей в реальном времени (Real-time Transport Control Protocol, RTCP). С помощью RTCP контролируется доставка RTP-пакетов и обеспечивается обратная связь с передающей стороной и другими участниками сеанса. RTCP периодически рассылает свои управляющие пакеты, используя тот же механизм распределения, какой применяется и для RTP-пакетов с пользовательской информацией. Основной функцией RTCP является организация обратной связи с приложением для отчета о качестве получаемой информации. 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. RTCP также предусматривает идентификацию пользователей-участников сеанса.При всех своих достоинствах протокол RTP далеко не совершенен. Например, протокол никак не способен повлиять на задержку в сети, но он помогает сократить дрожание звука в процессе воспроизведения при наличии задержек. Пакеты UDP получают порядковые номера, благодаря чему принимающая станция может установить факт потери пакетов. В RTP нет механизмов для восстановления потерянных пакетов.Один из способов расширения возможностей RTP состоит в использовании его совместно с протоколом RSVP, который официально не входит в комплект протоколов Н.323, но поддерживается многими приложениями реального времени.
Основные функции, выполняемые шлюзом в сетях IP
Технология передачи голоса по IP сети вместо классической сети с коммутацией каналов предусматривает конфигурацию с установкой шлюзов. Шлюз обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование её в IP пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы. Такое преобразование информации не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени. Основные функции, выполняемые шлюзом, состоят в следующем:- реализация физического интерфейса с телефонной и IP сетью;- детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации; - преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты и обратно; - соединение абонентов;- передача по сети сигнализационных и речевых пакетов; - разъединение связи. Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуются в процессах прикладного уровня. Схема обработки сигналов в шлюзе при подключении аналогового двухпроводного телефонного канала показано на рисунке 8.Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную схему, которая разделяет приёмную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с просочившейся частью сигнала приёма подаётся на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и превращается в стандартный 12-разрядный сигнал. В последнем случае обработка должна включать соответствующий экспандер. В устройстве эхокомпенсации из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхокомпенсатор представляет собой фильтр. Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере. В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определённой длительности (в зависимости от метода кодирования) и каждому входному блоку сопоставляется информационный кадр соответствующей длины. Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности, который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой. При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передаётся лишь каждый пятый паузный информационный кадр. При отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приёмной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума, который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры сигнала обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхокомпенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого даёт составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифроаналогового преобразования, сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке.Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.
Построение сети по рекомендации ITU H.323
Первый в истории подход к построению сетей IP-телефонии на стандартизированной основе предложен Международным Союзом Электросвязи (ITU) в рекомендации Н.323. Сети на базе протоколов Н.323 ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных. Рекомендация Н.323 предусматривает довольно сложный набор протоколов, который предназначен не просто для передачи речевой информации по IP сетям с коммутацией пакетов. Его цель обеспечить работу мультимедийных приложений в сетях с негарантированным качеством обслуживания. Речевой трафик это только одно из приложений Н.323 наряду с видеоинформацией и данными. Вариант построения сетей IP-телефонии по рекомендации Н.323 хорошо подходит тем операторам, которые заинтересованы в использовании IP сети для предоставления услуг междугородней и международной связи. На рисунке 9 показана архитектура сети на базе рекомендации Н.323. Основными устройствами сети являются: терминал, шлюз, контроллер зоны (привратник) и устройство управления конференциями.
Рисунок 7 – Архитектура сети Н.323
Терминал Н.323 представляют собой конечную точку в сети способную передавать и принимать трафик в масштабе реального времени, взаимодействуя с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления многоточечной конференцией.
Для обеспечения этих функций терминал включает в себя: - элементы аудио (микрофон, акустические системы, система акустического эхоподавления); - элементы видео (монитор, видеокамера); - элементы сетевого интерфейса; - интерфейс пользователя. Технология передачи голоса по IP сети вместо классической сети с коммутацией каналов предусматривает конфигурацию с установкой шлюзов. Шлюз обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование её в IP пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия: расшифровку и расформирование пакетов вызовов. В результате обычные телефонные аппараты без проблем принимают эти вызовы. Такое преобразование информации не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи обязан сохранить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени. Основные функции, выполняемые шлюзом, состоят в следующем:- реализация физического интерфейса с телефонной и IP сетью;- детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации; - преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты и обратно; - соединение абонентов;- передача по сети сигнализационных и речевых пакетов; - разъединение связи. Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуются в процессах прикладного уровня. Схема обработки сигналов в шлюзе при подключении аналогового двухпроводного телефонного канала показано на рисунке 8.Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную схему, которая разделяет приёмную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с просочившейся частью сигнала приёма подаётся на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и превращается в стандартный 12-разрядный сигнал. В последнем случае обработка должна включать соответствующий экспандер. В устройстве эхокомпенсации из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхокомпенсатор представляет собой фильтр. Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере. В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определённой длительности (в зависимости от метода кодирования) и каждому входному блоку сопоставляется информационный кадр соответствующей длины. Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности, который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой.
Рисунок 8 – Схема обработки сигналов в шлюзе
При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передаётся лишь каждый пятый паузный информационный кадр. При отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр. На приёмной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума, который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры сигнала обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхокомпенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого даёт составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифроаналогового преобразования, сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке.Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи. В контроллере зоны (привратнике) сосредоточен весь интеллект сети IP-телефонии. Сеть, построенная в соответствии с рекомендацией Н.323, имеет зонную архитектуру. Контроллер зоны выполняет функции управления одной зоной сети IP-телефонии, в которую входят: терминалы, шлюзы, устройства управления конференциями, зарегистрированные у одного контроллера зоны. Отдельные фрагменты зоны сети Н.323 могут быть территориально разнесены и соединяться друг с другом через маршрутизаторы. Наиболее важными функциями контроллера зоны являются: - регистрация оконечных и других устройств; - контроль доступа пользователей системы к услугам IP-телефонии при помощи сигнализации RAS; - преобразование alias адреса вызываемого пользователя (объявленного имени абонента, телефонного номера, адреса электронной почты и др.) в транспортный адрес сетей с маршрутизацией пакетов IP (IP адрес -номер порта TCP); - контроль, управление и пропускной способности сети; - ретрансляция сигнальных сообщений Н.323 между терминалами. В одной сети IP-телефонии, отвечающей требованиям ITU H.323, может находиться несколько контроллеров зоны, взаимодействующих друг с другом по протоколу RAS. Устройство управления конференциями (MCU) обеспечивает возможность организации связи между тремя или более участниками. Рекомендация Н.323 предусматривает три вида конференции: централизованная (то есть управляемая MCU, с которым каждый участник конференции соединяется в режиме точка-точка), децентрализованная (каждый участник конференции соединяется с остальными её участниками в режиме точка группа точек) и смешанная. Устройство управления конференциями состоит из одного обязательного элемента контроллера конференций (MC), и, может включать в себя один или более процессоров для обработки пользовательской информации (МР). МС может быть физически совмещён с контроллером зоны, шлюзом или устройством управления конференциями, а последнее, может быть совмещено со шлюзом или контроллером зоны. Существует ещё один элемент сети Н.323 – прокси-сервер Н.323, то есть сервер-посредник. Этот сервер функционирует на прикладном уровне и может проверять пакеты с информацией, которой обмениваются два приложения. Прокси-сервер может определять, с каким приложением (Н.323 или другим) ассоциирован вызов, и осуществляет нужное соединение. Семейство протоколов Н.323 включает в себя три основных протокола: протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником RAS, протокол управления соединениями Н.225 и протокол управления логическими каналами Н.245. Международный союз электросвязи в рекомендации Н.225.0 определил протокол взаимодействия компонентов сети Н.323: оконечного оборудования (терминалов, шлюзов, устройств управления конференциями) с привратником. Этот протокол получил название RAS (Registration, Admission and Status). Основными процедурами, выполняемыми оконечным оборудованием и привратником с помощью протокола RAS, являются: - обнаружение привратника, - регистрация оконечного оборудования у привратника, - контроль доступа оконечного оборудования к сетевым ресурсам; - определение местоположения оконечного оборудования к сетевым ресурсам, - определение местоположения оконечного оборудования к сетевым ресурсам, - определение местоположения оконечного оборудования в сети; -изменение полосы пропускания в процессе обслуживания вызова; - опрос и индикация текущего состояния оконечного оборудования; - оповещение привратника об освобождении полосы пропускания, ранее занимавшейся оборудованием. Выполнение первых трех процедур, предусмотренных протоколом RAS, является начальной фазой установления соединения с использованием сигнализации H.323. Далее следуют фаза сигнализации H.225 (Q.931) и обмен управляющими сообщениями H.245. Разъединение происходит в обратной последовательности: в первую очередь закрывается управляющий канал H.245 и сигнальный канал H.225.0, после чего по каналу RAS контроллер зоны оповещается об освобождении ранее занимавшейся оконечным оборудованием полосы пропускания. Для переноса сообщений протокола RAS используется протокол негарантированной доставки информации UDP. В связи с этим ITUT рекомендовал передавать повторно те сообщения RAS, получение которых не было подтверждено в течение установленного промежутка времени. Оконечное оборудование или контроллер зоны, не имеющие запрос, могут передавать сообщение RIP (Request in Progress) для индикации того, что запрос находится в стадии обработки. При приёме сообщения RIP контроллер зоны и оконечное оборудование должны перезапустить свои таймеры. В сети без контроллера зоны сигнальный канал RAS вообще не используется.
Принципы пакетной передачи речи "Классические" телефонные сети основаны на технологии коммутации каналов (см. рисунок 3), которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соединения. Следовательно, один телефонный разговор представляет собой одно физическое соединение физических каналов. В этом случае аналоговый сигнал шириной 3,1 кГц передаётся на ближайшую АТС, где мультиплексируется по технологии временного разделения с сигналами, которые поступают от других абонентов, подключённых к этой АТС. Далее групповой сигнал передаётся по сети межстанционных каналов. Достигнув АТС назначения, сигнал демультиплексируется и доходит до адресата. Основным недостатком телефонных сетей с коммутацией каналов является неэффективное использование полосы канала - во время пауз в речи канал не несёт никакой полезной нагрузки.
Рисунок 3 – Соединение в «классической» телефонной сети
Переход от аналоговых к цифровым технологиям стал важным шагом для возникновения современных цифровых телекоммуникационных сетей. Одним из таких шагов в развитии цифровой телефонии стал переход к 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 (см. рисунок 4), более того по отдельным виртуальным каналам, не зависящим от физической среды. Каждый пакет идентифицируется заголовком, который может содержать информацию об используемом им канале, его происхождении и пункте назначения. В настоящее время в IP-телефонии существует два основных способа передачи голосовых пакетов по IP сети: - через глобальную сеть Интернет (Интернет-телефония); - используя сети передачи данных на базе выделенных каналов (IP-телефония).
Рисунок 4 – Соединение в сети с коммутацией пакетов
В первом случае полоса пропускания напрямую зависит от загруженности сети Интернет пакетами, содержащими данные, голос, графику и так далее, а значит, задержки при прохождении пакетов могут быть самыми разными. При использовании выделенных каналов исключительно для голосовых пакетов можно гарантировать фиксированную скорость передачи. В виду широкого распространения сети Интернет особый интерес вызывает реализация системы Интернет-телефонии, но в этом случае качество телефонной связи оператором не гарантируется. Для того чтобы осуществить междугородную (международную) связь с помощью телефонных серверов, организация или оператор услуги должны иметь по серверу в тех местах, куда и откуда планируются звонки. Общий принцип действия телефонных серверов Интернет-телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны сервер связан с Интернетом и может связываться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через Интернет по назначению с использованием протокола IP. Для пакетов приходящих из сети на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Например, звонок телефон - компьютер или компьютер - телефон может обеспечивать один телефонный сервер. Для организации связи телефон (факс) - телефон (факс) нужно два сервера. Основным сдерживающим фактором на пути масштабного внедрения IP-телефонии является отсутствие в протоколе IP механизмов обеспечения гарантированного качества услуг, что делает его пока не самым надёжным транспортом для передачи голосового трафика. Сам протокол IP не гарантирует доставку пакетов, а также время их доставки, что вызывает такие проблемы, как рваный голос и просто провалы в разговоре. С точки зрения масштабируемости IP- телефония представляется вполне законченным решением. Соединение на базе протокола IP может начинаться и заканчиваться в любой точке сети от абонента до магистрали. Соответственно, IP- телефонию можно вводить участок за участком. Для решений IP-телефонии характерна определённая модульность: количество и мощность различных узлов шлюзов, контролеров зоны можно наращивать практически независимо, в соответствии с текущими потребностями. Проблемы наращивания ресурсов сетевой инфраструктуры не учитываются, поскольку узлы самой сети могут быть независимы от системы IP-телефонии, могут и совмещать в себе их функции.
Принципы установления соединения в сетях IP-телефонии
В традиционной телефонии вызывающий пользователь набирает номер нужного ему абонента, а телефонная сеть использует его для маршрутизации вызова. Процедура управления вызовами делится на три фазы: установления соединения, передача речи или данных и разъединение. Сообщения системы сигнализации инициируют и завершают эти фазы, а стандартные контрольные сигналы и записанные голосовые сообщения информируют абонента о характере прохождения его вызова.В системах IP-телефонии процедуры управления вызовами (см. рисунок 9) выполняются протоколами сигнализации.
Рисунок 9 – Управление вызовами в сети IP-телефонии
Ещё важный вопрос в IP-телефонии – это контроль за доступом к сети. В сети телекоммуникаций общего пользования (СТОП) абонент подключается к АТС через фиксированный местный шлейф, поэтому идентифицировать его телефонный аппарат очень просто. В сети IP-телефонии всё гораздо сложнее, поскольку существует множество разных способов доступа к ней:- с обычного телефона через СТОП;- по модемному соединению через сервер удалённого доступа;- через ЛВС и территориально распределённую сеть.В общем случае для установления соединения между вызываемым и вызывающим абонентом шлюзы IP-телефонии должны:- найти контроллер зоны, на котором возможна регистрация оконечного устройства;- зарегистрировать свой мнемонический адрес на контроллере зоны;- указать требуемую полосу пропускания;- передать запрос на установление соединения;- установить соединение;- в процессе вызова управлять параметрами соединения;- разъединить соединение. Алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединения В общем случае алгоритмы установления, поддержания и разрушения соединений по Н.323 включают в себя следующие фазы: - фаза А. Установление соединения;- фаза В. Определение ведущего/ведомого оборудования и обмен данными о функциональных возможностях; - фаза С. Установление аудиовизуальной связи между вызывающим и вызываемым оборудованием;- фаза D. Изменение полосы пропускания, запрос текущего состояния оборудования, создание конференций и обращение к дополнительным услугам;- фаза Е. Завершение соединения.Базовое соединение с участием контроллера зоны осуществляется: вызывающее оборудование передаёт сообщение ARQ с alias адресом вызывающего абонента, в ответ на которое контроллер зоны передаёт сообщение ACF с уведомлением, что именно он будет маршрутизировать сигнальные сообщения, и с указанием транспортного адреса своего сигнального канала. Далее вызывающее оборудование передаёт на этот транспортный адрес запрос соединения Setup (установка). Контроллер зоны пересылает сообщение Setup вызываемому оборудованию и передаёт вызывающему оборудованию сообщение Call Proceeding (переход запроса), означающее, что полученной информации достаточно для обслуживания поступившего вызова. Вызываемое оборудование также отвечает на Setup сообщением Call Proceeding. Если оборудование имеет возможность принять вызов, то оно передаёт запрос допуска к ресурсам сети ARQ, на который контроллер зоны может ответить подтверждением ACF или отказом в допуске к ресурсам сети ARG. В первом случае вызываемое оборудование передаёт сообщение Alerting (приведение в готовность), и контроллер зоны маршрутизирует его к вызывающему оборудованию. Вызываемому пользователю подаётся визуальный или акустический сигнал о входящем вызове, а вызывающему подаётся индикация того, что вызываемый пользователь не занят и ему подаётся вызывной сигнал. При отказе в допуске к ресурсам сети вызываемое оборудование закрывает сигнальный канал путём передачи контроллеру зоны сообщения Release Complete (освобождение).После того, как вызываемый пользователь примет входящий вызов, контроллеру зоны передаётся сообщение Connect с транспортным адресом управляющего канала Н.245 вызываемого оборудования. Контроллер заменяет этот адрес транспортным адресом своего управляющего канала Н.245 и пересылает Connect вызывающему оборудованию, после чего открывается управляющий канал Н.245. Чтобы ускорить открытие разговорной сессии, управляющий канал может быть открыт вызываемым оборудованием после получения сообщения Setup c транспортным адресом управляющего канала Н.245 вызывающего оборудования или контроллера зоны, или вызывающим пользователем после получения сообщения Call Proceeding или Alerting, содержащего транспортный адрес управляющего канала Н.245 вызываемого пользователя или контроллера зоны.После открытия управляющего канала Н.245 начинается обмен данными о функциональных возможностях оборудования. В нашем случае все управляющие сообщения, передаваемые от одного оконечного оборудования к другому, маршрутизируются контроллером зоны. Терминалы обмениваются сообщениями TerminalCapabilitySet (терминальный набор способностей), в которых указываются возможные алгоритмы декодирования принимаемой информации. Следует отметить, что сообщение TerminalCapabilitySet должно быть первым сообщением, передаваемым по управляющему каналу. Оборудование, принявшее сообщение TerminalCapabilitySet от другого оборудования, подтверждает его получение передачей сообщения TerminalCapabilitySetAck. Затем инициируется процедура определения ведущего/ведомого оборудования, необходимая для разрешения конфликтов, возникающих между двумя устройствами при организации конференции, когда оба они могут быть активными контроллерами конференций, или между двумя устройствами, пытающимися одновременно открыть двунаправленные логические каналы. В ходе процедуры устройства обмениваются сообщениями masterSlaveDetermination (определение главного).В ответ на полученные сообщения (mSD) оба устройства передают сообщения mSDAck, в которых указывается, какое из этих устройств является для данного соединения ведущим, а какое ведомым. Оборудование, передавшее сообщение mSD и получившее в ответ сообщение mSDAck, передаёт сообщение mSDAck.После обмена данными о функциональных возможностях и определения ведущего и ведомого оборудования может выполняться процедура открытия однонаправленных логических каналов. В требовании открыть логический канал Open LogicalChannel (открыть логический канал) оборудование указывает вид информации, который будет передаваться по этому каналу, и алгоритм кодирования. Логический канал предназначается для переноса речи, поэтому в сообщении OpenLogicalChannel включается параметр media Control Channel с указанием транспортного адреса канала RTCP, при помощи которого производится контроль передачи RTP пакетов. В ответ на сообщение OpenLogicalChannel оборудование должно передать подтверждение OpenLogicalChannelAck, в котором указывается транспортный адрес, на который передающей стороне следует посылать RTP пакеты, а также транспортный адрес канала RTCP.Далее открывается разговорная сессия. Оборудование вызывающего пользователя передаёт речевую информацию, упакованную в пакеты RTP/UDP/IP, на транспортный адрес RTP канала оборудования вызванного пользователя, а вызванный пользователь передаёт пакетированную речевую информацию на транспортный адрес RTP канала оборудования вызывающего пользователя. При помощи канала RTCP ведётся контроль передачи информации по RTP каналам. После окончания разговорной фазы начинается фаза разрушения соединения. Оборудование пользователя, инициирующего разъединение, должно прекратить передачу речевой информации, закрыть логические каналы и передать по управляющему каналу Н.245 сообщение end Session Command (команда об окончании сессии), означающее, что пользователь хочет завершить соединение. Далее от встречного оборудования ожидается сообщение endSessionCommand, после приёма которого управляющий канал Н.245 закрывается. Далее, если сигнальный канал ещё открыт, передаётся сообщение Release Complete.
Пользователь, получивший команду endSessionCommand от пользователя, инициировавшего разрушение соединения, должен прекратить передачу речевой информации, закрыть логические каналы и передать сообщение end Session Command. Далее, если сигнальный канал остался открытым, передаётся сообщение Release Complete, и сигнальный канал закрывается.После всех этих действий оконечное оборудование извещает контроллер зоны об освобождении зарезервированной полосы пропускания. С этой целью каждый из участников соединения передаёт по каналу RAS запрос выхода из соединения DRQ, на который контроллер зоны должен ответить подтверждением DCF, после чего обслуживание вызова считается завершённым.
Показатели качества IP-телефонии Традиционные телефонные сети коммутируют электрические сигналы с гарантированной полосой пропускания, достаточной для передачи сигналов голосового спектра. При фиксированной пропускной способности передаваемого сигнала цена единицы времени связи зависит от удалённости и расположения точек вызова и места ответа. Сети с коммутацией пакетов не обеспечивают гарантированной пропускной способности, поскольку не обеспечивают гарантированного пути между точками связи. Для приложений, где не важен порядок и интервал прихода пакетов (например, электронная почта) время задержек между отдельными пакетами не имеет решающего значения. IP-телефония является одной из областей передачи данных, где важна динамика передачи сигнала, которая обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации, а также увеличением пропускной способности каналов. Основными составляющими качества IP-телефонии являются качество речи и сигнализации (см. рисунок 14). Качество речи включает: - диалог или возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме; - разборчивость или чистота и тональность речи; - эхо слышимость собственной речи; - уровень или громкость речи. Качество сигнализации включает:- установление вызова или скорость успешного доступа и время установления соединения;- завершение вызова или время отбоя и скорость разъединения;- DTMF или определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.
Рисунок 14 – Факторы, влияющие на качество IP-телефонии
Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории: качества IP сети и шлюза.
Факторы качества IP сети:- максимальная пропускная способность или максимальное количество полезных и избыточных данных, которая она передаёт;- задержка или промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;- джиттер или задержка между двумя последовательными пакетами.- потеря пакета или пакеты, потерянные при передаче через сеть.Факторы качества шлюза:- требуемая полоса пропускания или различные вокодеры требуют различную полосу;- задержка или время, необходимое цифровому процессору или другим устройствам обработки для кодирования или декодирования речевого сигнала;- буфер джиттера или сохранение пакетов данных до тех пор , пока все пакеты не будут получены и можно будет передать в требуемой последовательности для минимизации джиттера;- потеря пакетов или потеря пакетов при сжатии или передаче в оборудовании IP-телефонии;- подавление эха или механизм для подавления эха, возникающего при передаче по сети;- управление уровнем или возможность регулировать громкость речи.
Процедуры обработки речи
Для обеспечения качественной передачи речевых сигналов в IP-телефонии необходима их следующая обработка: а) устранение всех нежелательных компонентов из входного аудиосигнала. После оцифровки речи надо удалить эхо из динамика в микрофон, комнатное эхо и непрерывный фоновой шум, а также отфильтровать шумы переменного тока на низких частотах звукового спектра. Эти функции реализуются аудиокомпонентами персонального компьютера, так что сама система IP-телефонии может их и не иметь; б) подавление пауз в речи; распознавание остаточного фонового шума (внешних шумов) и кодирование для восстановления на дальнем конце. Паузы лучше полностью подавлять на ближнем конце. Сигналы DTMF и другие сигналы можно заменить на короткие коды для восстановления на дальнем конце. Из-за того, что функция подавления пауз активизируется, когда громкость речи становится ниже определённого порога, некоторые системы обрезают начала и концы слов (в периоды нарастания и снижения энергии);в) сжатие голосовых данных. Сжать оцифрованный голос можно разными способами. В идеале решения, используемые в IP-телефонии, должны быть быстрыми, сохранять качество речи и давать на выходе небольшие массивы данных;г) нарезание сжатых голосовых данных на короткие сегменты равной длины, их нумерация по порядку, добавление заголовков пакетов и передача;д) приём и переупорядочивание пакетов в адаптивном буфере ресинхронизации для обеспечения интеллектуальной обработки потерь или задержек пакетов. Главной целью является преодоление влияния переменной задержки между пакетами. Решение этой проблемы состоит в буферизации достаточного числа поступающих пакетов с тем, чтобы воспроизведение было непрерывным, даже если время между поступлением пакетов разное. Одним из важных факторов эффективного использования пропускной способности IP канала, является выбор оптимального алгоритма кодирования/декодирования речевой информации кодека. Все типы речевых кодеков по принципу действия можно разделить на три группы:а) кодеки с ИКМ и адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ), появившиеся в 50х годах и использующиеся сегодня в системах традиционной телефонии. В большинстве случаев представляют собой сочетание АЦП/ЦАП;б) кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радиотракта. Эта группа кодеков использует гармонический синтез сигнала на основании информации о его вокальных составляющих фонемах. Обычно такие кодеки реализованы как аналоговые устройства;в) комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных процессоров. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер. В голосовых шлюзах IP-телефонии понятие кодека подразумевает не только алгоритмы кодирования/декодирования, но и их аппаратную реализацию. Большинство кодеков, используемых в IP-телефонии, описаны рекомендациями семейства «G» стандарта Н.323 (см. рисунок 16).
Рисунок 16– Стандарты для кодирования речевых сигналов
Рекомендация G.711, утверждённая МККТТ в 1984 году, описывает кодек, использующий ИКМ преобразование аналогового сигнала с точностью 8 кГц и простейшей компрессией амплитуды сигнала. Скорость потока данных на выходе преобразователя составляет 64 кбит/с (8 бит х 8 кГц). Для снижения шума квантования и улучшения преобразования сигналов с небольшой амплитудой при кодировании используется нелинейное квантование по уровню. Кодек G.711 широко распространён в системах традиционной телефонии. Несмотря на то, что рекомендация G.711 в стандарте Н.323 является основной и первичной, в шлюзах IP-телефонии данный кодек применяется редко из-за высоких требований к полосе пропускания и задержкам в канале передачи. Использование G.711 в системах IP-телефонии обосновано лишь в тех случаях, когда требуется обеспечить максимальное качество кодирования речевой информации при небольшом числе одновременных разговоров.Один из старейших алгоритмов сжатия речи АДИКМ адаптивная дифференциальная ИКМ (стандарт G.726 был принят в 1984 году). Этот алгоритм даёт практически такое же качество воспроизведения речи, как и ИКМ, однако для передачи информации при его использовании требуется полоса всего 16 32 кбит/с. Метод основан на том, что в аналоговом сигнале, передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности. Поэтому, если кодировать не саму амплитуду сигнала, а её изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций. Рекомендация G.723.1 описывает гибридные кодеки, использующие технологию кодирования речевой информации MP MLQ (MultyPulse Multy Level Quantization множественная импульсная, многоуровневая квантизация), данные кодеки можно охарактеризовать, как комбинацию АЦП/ЦАП и вокодера. Кодек G.723.1 осуществляет преобразование аналогового сигнала в поток данных со скоростью 64 кбит/c (ИКМ), а затем при помощи многополосного цифрового фильтра/вокодера выделяет частотные фонемы, анализирует их и передаёт по IP каналу информацию только о текущем состоянии фонем в речевом сигнале. Данный алгоритм позволяет снизить скорость до 5,3 6,3 кбит/с без видимого ухудшения качества речи. Процесс преобразования вносит задержку 37 мс. Кодек G.723.1 широко применяется в голосовых шлюзах и прочих устройствах IP-телефонии. Кодек уступает по качеству кодирования G.729, но менее требователен к ресурсам процессора и пропускной способности канала. Кодеки G.729 сокращённо называют CSACELP (Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction сопряжённая структура с управляемым алгебраическим кодом линейным предсказанием). Скорость кодирования речевого сигнала составляет 8 кбит/с. В устройствах VoIP этот кодек занимает лидирующее положение, обеспечивая наилучшее качество кодирования речевой информации при достаточно высокой компрессии. Гибридный кодек, описанный в рекомендации G.728 в 1992 году относится к категории LDCELP Lowe DelayCode Excited Linear Prediction кодек с управляемым кодом линейным предсказанием и малой задержкой. Кодек обеспечивает скорость преобразования 16 кбит/с, вносит задержку при кодировании 35мс и для реализации необходим процессор с быстродействием более 40 MIPS. Кодек предназначен для использования в системах видеоконференций. В устройствах IP-телефонии данный кодек применяется достаточно редко.
Сеть Интернет и протокол IP Создатели технологии Интернет исходили из двух основополагающих соображений: невозможно создать единую физическую сеть, которая позволит удовлетворить потребности всех пользователей; пользователям нужен универсальный способ для установления соединений друг с другом. В пределах каждой физической сети подсоединённые компьютеры используют ту или иную технологию (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN, соединения типа точка-точка, а в последнее время к этому списку добавились сеть АТМ и даже беспроводные технологии). Между механизмами коммуникаций, зависящими от данных физических сетей, и прикладными системами встраивается новое программное обеспечение, которое обеспечивает соединение различных физических сетей друг с другом. При этом детали этого соединения скрыты от пользователей и им предоставляется возможность работать как бы в одной большой физической сети. Такой способ соединения в единое целое множества физических сетей и получил название технологии Интернет, на базе которой реализована одноимённая сеть Интернет. Основной протокол, на базе которого строится сеть Интернет, называется Интернет протоколом или протоколом IP. Для соединения двух и более сетей в сети Интернет используются маршрутизаторы - устройства, которые физически соединяют сети друг с другом и с помощью специального программного обеспечения передают пакеты из одной сети в другую. Технология Интернет не навязывает какой-то определённой топологии межсетевых соединений. Добавление новой сети к сети Интернет не влечёт за собой её подсоединения к некоторой центральной точке коммутации или установке непосредственных физических соединений со всеми уже входящими в сеть Интернет сетями. Маршрутизатор знает топологию сети Интернет за пределами тех физических сетей, которые он соединяет, и, основываясь на адресе сети назначения, передаёт пакет по тому или иному маршруту. В сети Интернет используются универсальные идентификаторы подсоединённых к ней компьютеров (адреса), поэтому любые две машины имеют возможность взаимодействовать друг с другом. В Интернет должен также быть реализован принцип независимости пользовательского интерфейса от физической сети, то есть должно существовать множество способов установления соединений и передачи данных (см. рисунок 1), одинаковых для всех физических сетевых технологий.
Рисунок 1 – Внутренняя структура сети Интернет
Фундаментальным принципом Интернет является равнозначность всех объединённых с её помощью физических сетей: любая система коммуникаций рассматривается как компонент Интернет, независимо от её физических параметров, размеров передаваемых пакетов данных и географического масштаба. На рисунке 1 использованы одинаковые обозначения для любых физических сетей, объединённых в сеть Интернет.Универсальная сеть Интернет строится на основе семейства протоколов TCP/IP и включает в себя протоколы четырех уровней коммуникаций (см. рисунок 2).
|
Прикладной Telnet, FTP, E mail |
|
Транспортный TCP, UDP |
|
Сетевой IP, ICMP, IGMP |
|
Сетевой интерфейс драйвер устройства и сетевая плата |
Рисунок 2 – Четыре уровня стека протоколов TCP/IP
Уровень сетевого интерфейса отвечает за установление сетевого соединения в конкретной физической сети компоненте сети Интернет, к которой подсоединён компьютер. На этом уровне работают драйвер устройства в операционной системе и соответствующая сетевая плата компьютера. Сетевой уровень основа стека протоколов TCP/IP. Именно на этом уровне реализуется принцип межсетевого соединения, в частности маршрутизация пакетов по сети Интернет. Протокол IP - основной протокол сетевого уровня, позволяющий реализовывать межсетевые соединения. Он используется обоими протоколами транспортного уровня TCP и UDP. Протокол IP определяет базовую единицу передачи данных в сети Интернет IP дейтаграмму, указывая точный формат всей информации, проходящей по сети TCP/IP. Программное обеспечение уровня IP выполняет функции маршрутизации, выбирая путь данных по соединениям физических сетей. Для определения маршрута поддерживаются специальные таблицы; выбор осуществляется на основе адреса сети, к которой подключён компьютер-адресат. Протокол IP определяет маршрут отдельно для каждого пакета данных, не гарантируя надёжной доставки в нужном порядке. Он задаёт непосредственное отображение данных на нижележащий физический уровень передачи и реализует тем самым высокоэффективную доставку пакетов. На сетевом уровне протокол IP реализует ненадёжную службу доставки пакетов по сети от системы к системе без установления соединения. Это означает, что будет выполнено всё необходимое для доставки пакетов, однако эта доставка не гарантируется. Пакеты могут быть потеряны, переданы в неправильном порядке, продублированы и т.д. Протокол IP не обеспечивает надёжность коммуникации. Нет контроля ошибок для поля данных, а имеется только контрольная сумма для заголовка. Надежную передачу данных реализует следующий уровень, транспортный, на котором два основных протокола, TCP и UDP, осуществляют связь между машиной-отправителем пакетов и машиной-адресатом. Прикладной уровень - это приложения типа клиент-сервер, базирующиеся на протоколах нижних уровней. В отличие от протоколов остальных трёх уровней, протоколы прикладного уровня занимаются деталями конкретного приложения и не интересуются способами передачи данных по сети. Среди основных приложений TCP/IP, имеющихся практически в каждой его реализации, протокол эмуляции терминала TELNET, протокол передачи файлов FTP, протокол электронной почты SMTP, протокол управления сетью SNMP, используемый в системе World Wide Web (WWW), протокол передачи гипертекста HTTP и другие. Между конечными системами может быть несколько десятков маршрутизаторов и множество промежуточных физических сетей различных типов, но приложение будет воспринимать этот конгломерат как единую физическую сеть. Это и обуславливает основную силу и привлекательность технологии Интернет и протокола IP.
Системы видеоконференцсвязи (ВКС)
Расширение международных контактов и реализация проектов с "удаленными" отечественными партнерами делает актуальной проблему экономии командировочных расходов особенно в случае коротких поездок (1-7 дней). Одним из средств решения проблемы является использование видеоконференций. Видеоконференция – коммуникационная технология, которая обеспечивает взаимодействие двух и более абонентов, а также обмен между ними видео- и аудиоданными в режиме реального времени. 4 основные системы видеоконференцсвязи: - персональные, - групповые, - мобильные, - отраслевые системы. Персональные (индивидуальные) системы обеспечивают возможность общения tet-a-tet (один на один) между двумя пользователями в режиме реального времени. Групповые системы ВКС позволяют проводить видеоконференции, в которых могут принимать участие сразу несколько человек. При этом участники могут быть разбросаны по разным странам и по разным континентам. Мобильные системы ВКС очень удобны, так как позволяют проводить сеансы видеоконференцсвязи. Компактные переносные системы позволяют оперативно организовать видеоконференцию. Чаще всего такие системы используют в медиине, спасательных службах, а также в военных подразделениях. Отраслевые системы ВКС применяются в опред сфере, например, в медицине, судебной системе, строительстве. Виделконференции по каналам Интернет (ISDN) Integrated Services Digital Network представляет собой цифровую сеть с интеграцией обслуживания,Видеоконференции по каналам Интернет (ISDN) могут быть привлекательны для дистанционного обучения и медицинской диагностики. В отличие от телевизионных программ обучение с использованием Интернет предполагает диалог между преподавателем и обучаемым, что делает процесс более эффективным (эта техника может успешно дополнить WWW-методику, широко используемую в университетах США и Европы). Медицинские приложения еще более многообещающи. Видеоконференции позволят проконсультироваться в клинике, отстоящей на тысячи километров, устроить консилиум с участием врачей из разных городов, оперативно передать томограмму или многоканальную кардиограмму пациента с целью ее интерпретации и т.д. В более отдаленной перспективе технология видеоконференций может быть применена для целей телевидения. Для проведения видеоконференции необходимо иметь цифровой канал с пропускной способностью не менее 56-128 кбит/с. Если канал не позволяет, можно ограничиться аудиоконференцией. Помимо стандартного оборудования рабочей станции требуется интерфейс для подключения видеокамеры и микрофонов. Этот интерфейс обычно снабжается аппаратной схемой сжатия видео и аудио данных. Многие современные мультимедиа интерфейсы снабжены входами для видеокамеры. Полезным дополнением может служить сканер, который позволит с высоким разрешением передать изображения документов или чертежей, видеомагнитофон, а также видеопроектор для отображений принятого изображения на экране или телевизор с большим экраном. Видеоконференции обеспечивают не только "живое" общение партнеров, но также оперативное обсуждение и редактирование чертежей и документов. При этом разрешающая способность может превышать в 10-100 раз ту, которая доступна для факсов. Реализовать видеоконференцию можно разными путями, из них два наиболее реальны:
а) использование оборудования, каналов и программного обеспечения ISDN; полоса и качество здесь гарантируются, но стоимость весьма высока;
б) применение каналов Интернет, соответствующего (обычно общедоступного) программного обеспечения и оборудования общего применения; вариант относительно дешев, но качество здесь пока не гарантируется, ведь информационный поток при проведении сеанса конкурирует с потоками от других процессов в Интернет.При видеоконференциях используется технология codec (coder/decoder) для выделенных и телефонных коммутируемых линий (>56 Кбит/с, интерфейс V35), применим и режим коммутации пакетов (multicast backbone, >256 Кбит/с). Базовым протоколом для работы в локальных сетях является H.323. Этот стандарт обеспечивает видеоконференции для соединений точка-точка и для многоточечных топологий в рамках стека протоколов TCP/IP, он регламентирует также принципы сжатия видео и аудио информации. Привлекательность стандарта заключается в том, что он применим к уже существующей инфраструктуре телекоммуникаций с широкими вариациями задержек отклика. Способствует этому возрастающая пропускная способность локальных (fast ethernet и gigabit ethernet) и региональных сетей (SDH, ATM, FDDI, Fibre Channel и т.д.)
Сценарий IP-телефонии: «Компьютер-компьютер»
Сценарий "компьютер - компьютер" реализуется на базе стандартных компьютеров, оснащённых средствами мультимедиа и подключённых к сети Интернет. Компоненты модели IP-телефонии по сценарию "компьютер - компьютер" показаны на рисунке 10.
.
Рисунок 10 – Сценарий IP-телефонии "компьютер - компьютер"
В этом сценарии аналоговые речевые сигналы от микрофона абонента А преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), обычно при 8000 отсчётов/с, 8 битов/отсчёт, в итоге 64 Кбит/сек. Затем отсчёты речевых данных в цифровой форме сжимаются кодирующим устройством для сокращения нужной для их передачи полосы в отношении 4:1, 8:1 или 10:1. Выходные данные после сжатия формируются в пакеты, к которым добавляются заголовки протоколов, после чего пакеты передаются через IP- сеть в систему IP- телефонии, обслуживающую абонент Б. Когда пакеты принимаются системой абонента Б, заголовки протокола удаляются, а сжатые речевые данные поступают в устройство, развёртывающие их в первоначальную форму, после чего речевые данные снова преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и попадают в телефон абонента Б. Для обычного соединения между двумя абонентами системы IP-телефонии на каждом конце одновременно реализуют как функции передачи, так и функции приёма. Под IP- сетью подразумевается либо глобальная сеть Интернет, либо корпоративная сеть передачи данных.Для проведения телефонных разговоров друг с другом абоненты А и Б должны иметь доступ к Интернет или к другой сети с протоколом IP. Рассмотрим алгоритм организации связи между этими абонентами:- абонент А запускает своё приложение IP-телефонии, поддерживающее протокол Н.323;- абонент Б уже заранее запустил своё приложение IP-телефонии, поддерживающее протокол Н.323,- абонент А знает доменное имя абонента Б элемент системы имён доменов(DNS), вводит это имя в раздел "кому позвонить" в своём приложении IP-телефонии и нажимает кнопку Return;- приложение IP-телефонии обращается к DNS серверу (который в данном примере реализован в компьютере абонента А) для того, чтобы преобразовать доменное имя абонента Б в Ipадрес;- - сервер DNS возвращает IP адрес абонента Б;- - приложение IP-телефонии абонента А получает IPадрес абонента Б и отправляет ему сообщение Н.225 Setup; - при получении сообщения Н.225 Setup приложение абонента Б сигнализирует ему о входящем вызове;- абонент Б принимает вызов и приложение IP-телефонии отправляет ответное сообщение Н.225 Connect; - приложение IP-телефонии у абонента А начинает взаимодействие с приложением у абонента Б в соответствии с рекомендацией Н.245; - после окончания взаимодействия по протоколу Н.245 и открытия логических каналов абоненты А и Б могут разговаривать друг с другом через IP сеть.
Сценарий IP-телефонии «компьютер-телефон» Сценарий "телефон - компьютер" находит применение в разного рода справочно-информационных службах технической поддержки. Рассмотрим две модификации этого сценария IP-телефонии: - от компьютера (пользователя IP сети) к телефону (абоненту СТОП), в частности, в связи с предоставлением пользователям IP сетей доступа к телефонным услугам, в том числе, к справочно-информационным услугам и к услугам Интеллектуальной сети; - от абонента СТОП к пользователю IP сети с идентификацией вызываемой стороны на основе нумерации Е.164 или IP адресации. В первой модификации сценария "компьютер - телефон" соединение устанавливается между пользователем IP сети и пользователем сети коммутации каналов (см. рисунок 11).
Рисунок 11 – Вызов абонента СТОП пользователем IP сети
Предполагается, что установление соединения инициирует пользователь IP сети. Шлюз для взаимодействия сетей СТОП и IP может быть реализован в отдельном устройстве или интегрирован в существующее оборудование СТОП или IP сети.
Сценарий IP-телефонии «телефон-компьютер» Сценарий "телефон - компьютер" находит применение в разного рода справочно-информационных службах технической поддержки. Рассмотрим две модификации этого сценария IP-телефонии:- от компьютера (пользователя IP сети) к телефону (абоненту СТОП), в частности, в связи с предоставлением пользователям IP сетей доступа к телефонным услугам, в том числе, к справочно-информационным услугам и к услугам Интеллектуальной сети;- от абонента СТОП к пользователю IP сети с идентификацией вызываемой стороны на основе нумерации Е.164 или IP адресации. В первой модификации сценария "компьютер - телефон" соединение устанавливается между пользователем IP сети и пользователем сети коммутации каналов (см. рисунок 11).
Рисунок 11 – Вызов абонента СТОП пользователем IP сети
Предполагается, что установление соединения инициирует пользователь IP сети. Шлюз для взаимодействия сетей СТОП и IP может быть реализован в отдельном устройстве или интегрирован в существующее оборудование СТОП или IP сети. Рассмотрим несколько подробнее пример упрощённой архитектуры системы IP-телефонии по сценарию "телефон - компьютер" (см. рисунок 12).
Рисунок 12– Пользователя IP сети вызывает абонент СТОП
При попытке вызвать справочно-информационную службу используя услуги пакетной телефонии и обычный телефон на начальной фазе, абонент А вызывает близлежащий шлюз IP-телефонии. От шлюза к абоненту А поступает запрос ввести номер к которому должен быть направлен вызов и личный идентификационный номер (PIN) для аутентификации и последующего начисления платы ,если это служба, вызов которой оплачивается вызывающим абонентом. Основываясь на вызываемом номере, шлюз определяет наиболее доступный путь к данной службе. Кроме того, шлюз активизирует свои функции кодирования и пакетизации речи, устанавливает контакт со службой, ведёт мониторинг процесса обслуживания вызова и принимает информацию о состояниях этого процесса (занятость посылка вызова разъединение) от исходящей стороны через протокол управления и сигнализации. Разъединение с любой стороны передаётся противоположной стороне по протоколу сигнализации и вызывает завершение установленных соединений и освобождение ресурсов шлюза для обслуживания следующего вызова.
Сценарий IP-телефонии «телефон-телефон» Следующий сценарий "телефон - телефон" отличается от остальных сценариев IP-телефонии, поскольку, целью его применения является предоставление обычным абонентам СТОП альтернативной возможности междугородней и международной телефонной связи. В этом режиме современная технология IP-телефонии предоставляет виртуальную телефонную линию через IP доступ. Обслуживание вызовов по такому сценарию IP-телефонии выглядит следующим образом. Поставщик услуг IP-телефонии подключает свой шлюз к коммутационному узлу или станции СТОП ,а по сети Интернет или по выделенному каналу соединяется с аналогичным шлюзом находящимся в другом городе или другой стране (см. рисунок 13).
Рисунок 13 – Соединение абонентов СТОП через транзитную IP сеть
Поставщики услуг IP-телефонии предоставляют услуги "телефон - телефон" путём установки шлюзов IP-телефонии на входе и выходе IP сетей. Абоненты подключаются к шлюзу поставщика через СТОП, набирая специальный номер доступа. Абонент получает доступ к шлюзу, используя персональный идентификационный номер (PIN) или услугу идентификации номера вызывающего абонента. После этого шлюз просит ввести телефонный номер вызываемого абонента, анализирует его и определяет, какой шлюз имеет лучший доступ к нужному телефону. Как только между входным и выходным шлюзами устанавливается контакт, дальнейшее установление соединения к вызываемому абоненту выполняется выходным шлюзом через его местную сеть. Для организации соединения через сеть IP, абонент А набирает местный телефонный номер шлюза своего поставщика услуг IP-телефонии. Абоненту А передаётся второй сигнал ответа станции и предлагается ввести телефонный номер вызываемого абонента. Далее устанавливается соединение со стороной вызываемого абонента Б.Эффективность объединения услуг передачи речи и данных является основным стимулом использования IP-телефонии по сценариям "компьютер - компьютер" и "компьютер - телефон".
Типы адресов стека TCP/IP
В стеке TCP/IP используются три типа адресов: локальные (называемые также аппаратными), IP-адреса и символьные доменные имена.В терминологии TCP/IP под локальным адресом понимается такой тип адреса, который используется средствами базовой технологии для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети. В разных подсетях допустимы разные сетевые технологии, разные стеки протоколов, поэтому при создании стека TCP/IP предполагалось наличие разных типов локальных адресов. Если подсетью интерсети является локальная сеть, то локальный адрес - это МАС - адрес. МАС - адрес назначается сетевым адаптерам и сетевым интерфейсам маршрутизаторов. МАС - адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными, так как управляются централизованно. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС - адрес имеет формат 6 байт, например 11-AO-17-3D-BC-01. Однако протокол IP может работать и над протоколами более высокого уровня, например над протоколом IPX или Х.25. В этом случае локальными адресами для протокола IP соответственно будут адреса IPX и Х.25. Следует учесть, что компьютер в локальной сети может иметь несколько локальных адресов даже при одном сетевом адаптере. Некоторые сетевые устройства не имеют локальных адресов. Например, к таким устройствам относятся глобальные порты маршрутизаторов, предназначенные для соединений типа «точка-точка». IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает пакеты между сетями. Эти адреса состоят из 4 байт, например 109.26.17.100. IP-адрес назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Internet Network Information Center, InterNIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно поставщики услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений InterNIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.Символьные доменные имена. Символьные имена в IP-сетях называются доменными и строятся по иерархическому признаку. Составляющие полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя конечного узла, затем имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более крупной группы (поддомена) и так до имени домена самого высокого уровня (например, домена объединяющего организации по географическому принципу: RU - Россия, UK - Великобритания, SU - США), Примеров доменного имени может служить имя base2.sales.zil.ru. Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакого алгоритмического соответствия, поэтому необходимо использовать какие-то дополнительные таблицы или службы, чтобы узел сети однозначно определялся как по доменному имени, так и по IP-адресу. В сетях TCP/IP используется специальная распределенная служба Domain Name System (DNS), которая устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют также DNS-именами,
IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме и разделенных точками, например, 128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса, а 10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса.
Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая - к номеру узла, определяется значениями первых бит адреса. Значения этих бит являются также признаками того, к какому классу относится тот или иной IP-адрес. То есть традиционная схема деления ip-адреса на N сети и N узла основана на понятии класса, который определяется значениями нескольких первых битов адреса. Именно потому что первый байт адреса 185.23.44.206 попадает в диапазон от 128 до 191, этот адрес относится к классу B, а значит N сети явл первые 2 байта IP адреса, дополненные двумя нулевыми байтами 185.23.0.0., а номером узла 2 младших байта, дополненные сначала двумя нулевыми байтами 0.0.44.206.
На рис. 5.9 показана структура IP-адреса разных классов.
Рис. 5.9. Структура IP-адреса
Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) Сетей класса А немного, зато количество узлов в них может достигать 224, то есть 16 777 216 узлов.
Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В. В сетях класса В под номер сети и под номер узла отводится по 16 бит, то есть по 2 байта. Таким образом, сеть класса В является сетью средних размеров с максимальным числом узлов 216, что составляет 65 536 узлов.
Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С. В этом случае под номер сети отводится 24 бита, а под номер узла - 8 бит. Сети этого класса наиболее распространены, число узлов в них ограничено 28, то есть 256 узлами.
Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.
Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу Е, Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.
В табл. 5.4 приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей.
Таблица 5.4. Характеристики адресов разного класса
Большие сети получают адреса класса А, средние - класса В, а маленькие класса С.
Формы записи IP-адреса
IP-адрес (айпи-адрес, сокращение от англ. Internet Protocol Address) — уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP. В сети Интернет требуется глобальная уникальность адреса; в случае работы в локальной сетитребуется уникальность адреса в пределах сети. В версии протокола IPv4 IP-адрес имеет длину 4 байта.
В 4-й версии IP-адрес представляет собой 32-битовое число. Удобной формой записи IP-адреса (IPv4) является запись в виде четырёх десятичных чисел значением от 0 до 255, разделённых точками, например, 192.168.0.1.
В 6-й версии IP-адрес (IPv6) имеет 128-битовое представление. Адреса разделяются двоеточиями (напр. fe80:0:0:0:200:f8ff:fe21:67cf или 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334). Большое количество нулевых групп может быть пропущено с помощью двойного двоеточия (fe80::200:f8ff: fe21:67cf). Такой пропуск может быть единственным в адресе.
IP-адрес состоит из двух частей — идентификатор сети (префикс сети, Network ID) и идентификатор узла (номер устройства, Host ID). Такая схема приводит к двухуровневой адресной иерархии.
Идентификатор сети идентифицирует все узлы, расположенные на одном физическом или логическом сегменте сети, ограниченном IP-маршрутизаторами. Все узлы, находящиеся в одном сегменте должны иметь одинаковый идентификатор сети.
Идентификатор узла идентифицирует конкретный сетевой узел (сетевой адаптер рабочей станции или сервера, порт маршрутизатора). Идентификатор узла должен быть уникален для каждого узла внутри IP-сети, имеющей один идентификатор сети. Таким образом, в целом IP-адрес будет уникален для каждого сетевого интерфейса всей сети TCP/IP.
IP-адрес назначается администратором при конфигурировании компьютеров и маршрутизаторов. Номер сети может быть выбран администратором произвольно либо назначен по рекомендации специального подразделения интернет. Конечный узел может входить в несколько IP-сетей. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей, поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.
Символьные имена в IP-сетях называются доменными и строятся по иерархическому признаку. Составляющие полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя хоста, затем имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более крупной группы (подцомена) - и так до имени домена самого высокого уровня (например, домена, объединяющего организации по географическому признаку: RU - Россия, UK - Великобритания, SU - США). Примером доменного имени может служить имя base2.sales.zil.ru. Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакой функциональной зависимости (нет алгоритмического соответствия), поэтому необходимо использовать другой способ установления соответствия в виде дополнительных таблиц или служб, чтобы узел сети однозначно определялся как по доменному имени, так и IP-адресу. В сетях TCP/ IP используется распределенная служба доменных имен (Domain Name System - DNS), которая устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют DNS-именами.
Формы записи IP-адреса могут быть различны. IP-адрес имеет длину 4 байта (32 бита) и состоит из двух частей - номера сети и номера узла в сети. Наиболее употребляемой формой представления ІР-адреса является запись в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме и разделенных точка- ' ми, например: 128.10.2.30. Этот же адрес может быть представлен в двоичной форме: 10000000.00001010.00000010.00011110. А также в шестнадцатеричном формате: 80.0А.02. Ш. Заметим, что запись адреса не предусматривает специального разграничительного знака между номером сети и номером узла. Каким образом маршрутазаторы, на которые поступают пакеты, выделяют из адреса назначения номер сети, чтобы по нему определить дальнейший маршрут? Какая часть из 32 бит, отведенных под 1Р-адрес, относится к номеру сети, а какая - к номеру узла? Можно предположить несколько вариантов решения этой задачи. Простейший из них состоит в том, что все 32-битовое поле адреса заранее делится на две части необязательно равной, но фиксированной длины, в одной из которых всегда будет размещаться номер сети, а в другой - номер узла. Но такой подход не позволяет дифференцированно подходить к потребностям отдельных предприятий и организаций и не нашел широкого применения. Другой подход основан на использовании «маски», которая позволяет максимально гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла. В данном случае «маска» - это число, которое используется в паре с ІР-адресом; двоичная запись маски содержит последовательность единиц в тех разрядах, которые должны в 1Р-ад- ресе интерпретироваться как номер сети. Граница между последовательностью единиц и последовательностью нулей в маске соответствует границе между номером сети и номером узла в 1Р-адресе.Традиционный способ решения данной проблемы заключается в использовании «классов». Этот способ представляет собой компромисс по отношению к двум вышеописанным: размеры сетей хотя и не являются произвольными, как при использовании масок, но и не являются одинаковыми, как при установлении фиксированных границ. Вводится несколько классов сетей, и для каждого класса определены свои размеры. Схема деления 1Р-адреса на номер сети и номер узла и основана на понятии класса, который определяется значениями нескольких первых бит адреса.
Цифровое представление телевизионного сигнала
Цифровая техника стала постепенно проникать в телевидение в семидесятые годы прошлого века. Первыми появились цифровые корректоры временных искажений, затем - кадровые синхронизаторы, генераторы специальных эффектов, микшеры, коммутаторы. Но говорить о возможности полномасштабного перехода к цифровому телевидению стали двадцать лет назад, когда появился первый промышленный цифровой видеомагнитофон, разработанный фирмой Sony. Это - выдающееся событие для телевидения. Прежде всего, надо отметить, что параметры, характеризующие качество воспроизводимого изображения и звука в цифровом аппарате, превосходили те значения, которые были типичными для аналоговых магнитофонов. Но появление цифровой видеозаписи означало не просто значительное улучшение параметров. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, например, ограничивает предельно допустимое число перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом магнитофоне. А вот цифровые системы свободны от эффекта накопления искажений. Но цифровая техника порождает и проблемы. Полоса частот цифровых сигналов значительно шире полосы их аналоговых "предшественников". Например, полоса частот, занимаемая телевизионным видеосигналом в цифровой форме, составляет сотни мегагерц. Так, при передаче полного телевизионного сигнала в цифровой форме требуются каналы связи с пропускной способностью до сотен мегабит в секунду. Использование каналов, не вносящих ошибки в цифровой поток и обладающих столь большой пропускной способностью, может оказаться невозможным или экономически невыгодным. Принципиальный способ решения проблем передачи и записи с высокой степенью помехозащищенности был обоснован Шенноном. Он заключается в кодировании сигнала. К системам кодирования в цифровой видеотехнике предъявляются весьма многочисленные и часто противоречивые требования. Поэтому на практике кодирование всегда выполняется в несколько приемов. Сейчас принято выделять следующие основные виды: - кодирования источника информации с целью преобразования сигнала в цифровую форму и его экономное представление путем сжатия или, как часто говорят, компрессии; - кодирования с целью обнаружения и исправления ошибок; - канального кодирования с целью согласования параметров цифрового сигнала со свойствами канала связи и обеспечения самосинхронизации. Для преобразования любого аналогового сигнала (звука, изображения) в цифровую форму необходимо выполнить три основные операции: дискретизацию, квантование и кодирование. Дискретизация - представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений (отсчетов). Эти отсчеты берутся в моменты времени, отделенные друг от друга интервалом, который называется интервалом дискретизации. Величину, обратную интервалу между отсчетами, называют частотой дискретизации. На рисунке 23 показаны исходный аналоговый сигнал и его дискретизированная версия. Изображения, приведенные под временными диаграммами, получены в предположении, что сигналы являются телевизионными видеосигналами одной строки, одинаковыми для всего телевизионного растра.
Рисунок 23 – Аналого-цифровое преобразование. Дискретизация
Чем меньше интервал дискретизации и, соответственно, выше частота дискретизации, тем меньше различия между исходным сигналом и его дискретизированной копией. Ступенчатая структура дискретизированного сигнала может быть сглажена с помощью фильтра нижних частот. Таким образом и осуществляется восстановление аналогового сигнала из дискретизированного. Но восстановление будет точным только в том случае, если частота дискретизации по крайней мере в 2 раза превышает ширину полосы частот исходного аналогового сигнала (это условие определяется известной теоремой Котельникова). Если это условие не выполняется, то дискретизация сопровождается необратимыми искажениями. Дело в том, что в результате дискретизации в частотном спектре сигнала появляются дополнительные компоненты, располагающиеся вокруг гармоник частоты дискретизации в диапазоне, равном удвоенной ширине спектра исходного аналогового сигнала. Если максимальная частота в частотном спектре аналогового сигнала превышает половину частоты дискретизации, то дополнительные компоненты попадают в полосу частот исходного аналогового сигнала. В этом случае уже нельзя восстановить исходный сигнал без искажений.
Пример искажений дискретизации приведен на рисунке 24.
Рисунок 24 – Искажение дискретизации
Аналоговый сигнал (предположим опять, что это видеосигнал ТВ строки) содержит волну, частота которой сначала увеличивается от 0,5 МГц до 2,5 МГц, а затем уменьшается до 0,5 МГц. Этот сигнал дискретизируется с частотой 3 МГц. На рисунке 30 последовательно приведены изображения: исходный аналоговый сигнал, дискретизированный сигнал, восстановленный после дискретизации аналоговый сигнал. Восстанавливающий фильтр нижних частот имеет полосу пропускания 1,2 МГц. Как видно, низкочастотные компоненты (меньше 1 МГц) восстанавливаются без искажений. Волна с частотой 1,5 МГц исчезает и превращается в относительно ровное поле. Волна с частотой 2,5 МГц после восстановления превратилась в волну с частотой 0,5 МГц (это разность между частотой дискретизации 3 МГц и частотой исходного сигнала 2,5 МГц). Эти диаграммы иллюстрируют искажения, связанные с недостаточно высокой частотой пространственной дискретизации изображения. Если объект телевизионной съемки представляет собой очень быстро движущийся или, например, вращающийся предмет, то могут возникать и искажения дискретизации во временной области. Примером искажений, связанных с недостаточно высокой частотой временной дискретизации (а это частота кадров телевизионного разложения), является картина быстро движущегося автомобиля с неподвижными или, например, медленно вращающимися в ту или иную сторону спицами колеса (стробоскопический эффект).
Если частота дискретизации установлена, то искажения дискретизации отсутствуют, когда полоса частот исходного сигнала ограничена сверху и не превышает половины частоты дискретизации. Если потребовать, чтобы в процессе дискретизации не возникало искажений ТВ сигнала с граничной частотой, например, 6 МГц, то частота дискретизации должна быть не меньше 12 Мгц. Однако, чем ближе частота дискретизации к удвоенной граничной частоте сигнала, тем труднее создать фильтр нижних частот, который используется при восстановлении, а также при предварительной фильтрации исходного аналогового сигнала. Это объясняется тем, что при приближении частоты дискретизации к удвоенной граничной частоте дискретизируемого сигнала предъявляются все более жесткие требования к форме частотных характеристик восстанавливающих фильтров - она все точнее должна соответствовать прямоугольной характеристике. Следует подчеркнуть, что фильтр с прямоугольной характеристикой не может быть реализован физически. Такой фильтр, как показывает теория, должен вносить бесконечно большую задержку в пропускаемый сигнал. Поэтому на практике всегда существует некоторый интервал между удвоенной граничной частотой исходного сигнала и частотой дискретизации. Квантование представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин - уровней квантования. Другими словами, квантование - это округление величины отсчета. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов - шагов квантования. Расположение уровней квантования обусловлено шкалой квантования. Используются как равномерные, так и неравномерные шкалы. На рисунке 31 показаны исходный аналоговый сигнал и его квантованная версия, полученная с использованием равномерной шкалы квантования, а также соответствующие сигналам изображения. Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют шумом квантования. При инструментальной оценке шума квантования вычисляют разность между исходным сигналом и его квантованной копией, а в качестве объективных показателей шума принимают, например, среднеквадратичное значение этой разности. В отличие от флуктуационных шумов, шум квантования коррелирован с сигналом, поэтому шум квантования не может быть устранен последующей фильтрацией. Шум квантования убывает с увеличением числа уровней квантования.
Рисунок 25– Квантование
Еще несколько лет назад вполне достаточным казалось использовать 256 уровней для квантования телевизионного видеосигнала. Сейчас считается нормой квантовать видеосигнал на 1024 уровня. Число уровней квантования при формировании цифрового звукового сигнала намного больше: от десятков тысяч до миллионов. Квантованный сигнал, в отличие от исходного аналогового, может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов. Совокупность знаков (символов) и система правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом. Конечная последовательность кодовых символов называется кодовым словом. Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность кодовых слов. Эта операция и называется кодированием. Каждое кодовое слово передается в пределах одного интервала дискретизации. Для кодирования сигналов звука и изображения широко применяют двоичный код. Если квантованный сигнал может принимать N значений, то число двоичных символов в каждом кодовом слове n ≥ log2N. Один разряд, или символ слова, представленного в двоичном коде, называют битом. Обычно число уровней квантования равно целой степени числа 2, т.е. N = 2n.
Кодовые слова можно передавать в параллельной или последовательной формах (см. рисунок 26). Для передачи в параллельной форме надо использовать n линий связи (в примере, показанном на рисунке 32, n = 4).
Рисунок 26 – Цифровое кодирование
Символы кодового слова одновременно передаются по линиям в пределах интервала дискретизации. Для передачи в последовательной форме интервал дискретизации надо разделить на n подинтервалов - тактов. В этом случае символы слова передаются последовательно по одной линии, причем на передачу одного символа слова отводится один такт. Каждый символ слова передается с помощью одного или нескольких дискретных сигналов - импульсов. Преобразование аналогового сигнала в последовательность кодовых слов называют импульсно-кодовой модуляцией. Форма представления слов определенными сигналами определяется форматом кода. В параллельном цифровом потоке по каждой линии в пределах интервала дискретизации передается 1 бит 4-разрядного слова. В последовательном потоке интервал дискретизации делится на 4 такта, в которых передаются (начиная со старшего) биты 4-разрядного слова. Операции, связанные с преобразованием аналогового сигнала в цифровую форму (дискретизация, квантование и кодирование), выполняются одним устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Сейчас АЦП может быть просто интегральной микросхемой. Обратная процедура, т.е. восстановление аналогового сигнала из последовательности кодовых слов, производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП). Сейчас существуют технические возможности для реализации всех обработок сигналов звука и изображения, включая запись и излучение в эфир, в цифровой форме. Однако в качестве датчиков сигнала (например, микрофон, передающая ТВ трубка или прибор с зарядовой связью) и устройств воспроизведения звука и изображения (например, громкоговоритель, кинескоп) пока используются аналоговые устройства. Поэтому аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи являются неотъемлемой частью цифровых систем. Цифровые сигналы можно описывать с помощью параметров, типичных для аналоговой техники, например таких, как полоса частот. Но их применимость в цифровой технике является ограниченной. Важным показателем, характеризующим цифровой поток, является скорость передачи данных. Если длина слова равна n, а частота дискретизации FD, то скорость передачи данных, выраженная в числе двоичных символов в единицу времени (бит/с), находится как произведение длины слова на частоту дискретизации.