MGCP(Media Gateway Control Protocol).

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 3

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ.. 6

ГЛАВА 2 РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ... 8

2.1 Постановка задачи. 8

2.2 Принцип действия. 8

2.2.1 Кодеки. 9

2.2.2 Джиттер. 11

2.2.3. Классификация. 12

2.2.5. Качество связи. 20

2.3. Аппаратно-программное обеспечение. 22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 26

ЛИТЕРАТУРА.. 27

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цель работы: изучить в основы IP-телефонии ,ее особенности, виды, а также рассмотреть аппаратное и программное обеспечение необходимое для организации систем IP-телефонии.

Под IP-телефонией подразумевается голосовая связь, которая осуществляется по сетям передачи данных, в частности по IP-сетям (IP — Internet Protocol). На сегодняшний день IP-телефония все больше вытесняет традиционные телефонные сети за счет легкости развертывания, низкой стоимости звонка, простоты конфигурирования, высокого качества связи и сравнительной безопасности соединения.

Данная технология  зародилась в 1993 году благодаря исследователю из Университета штата Иллинойс Чарли Кляйну. Он разработал программу, которая преобразовывала голос в цифровой код и передавала его по сети. Программа называлась Maven.

В том же году одновременно с Maven вышла другая программа CU-SeeMe, разработанная специально для персональных компьютеров компании Apple и призванная осуществлять видеосвязь (видеоконференции).

Через год в апреле 1994 Maven и CU-SeeMe использовали для передачи голоса и видеоизображений во время полета космического корабля Endeavor в рамках космической программы НАССА. Тогда любой желающий, подключив свой компьютер к Интернету, мог слышать и видеть космонавтов. В конечном итоге эти две программы объединили под общим названием CU-SeeMe и адаптировали как для работы на компьютерах Macintosh, так и для IBM PC совместимых.

Моментом рождения самой IP телефонии в ее теперешнем представлении принято считать февраль 1995 года. Именно тогда израильская компания VocalTec объединила воедино все разработки в области передачи речевого и видеосигнала по компьютерным сетям в программе Internet Phone. Была создана частная сеть серверов компании и тысячи людей, которые имели на то время персональные компьютеры с мультимедийными функциями, ощутили удобство и функционал новой телефонной связи.

 

В этом же году другие компании, производящие электрооборудование и программное обеспечения, увидев невероятные перспективы IP телефонии, принялись разрабатывать схожие сети и программы. Так в сентябре в розничную продажу поступила программа DigiPhone, разработанная малоизвестной фирмой базирующейся в Далласе, штат Техас. Примечательно, что DigiPhone использовала так называемую «дуплексную связь» – имелась возможность одновременно и говорить и слушать собеседника. До этого мог говорить только один.

Но разработчикам новой телефонной связи оказалось и этого мало. В марте 1996 года две компании: уже известная VocalTec и производитель программного обеспечения для IP телефонии компания Dialogic вознамерились приспособить к новой сети обычные телефонные аппараты. Для этого они использовали специальный шлюз, получивший название VocalTec Telephone Gateway (VTG), который связывал цифровые каналы с аналоговыми телефонными.

Благодаря возможности уплотнения канала связи появилась возможность связывать между собой до 8 независимых общающихся пар абонентов.

Уже через год в 1997 начали работать первые операторы IP телефонии в России.

Дальнейшее развитие технологий в этой области позволило компания предоставлять такую услугу, как виртуальная ip АТС и теперь каждый желающий мог организовать собственную телефонную сеть, не покупая при этом собственное физическое оборудование. Это оказалось достаточно удобным новшеством для небольших и средних компаний.

 

 

ГЛАВА 1
АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

 

IP-телефония – технология, позволяющая использовать IP-сеть в качестве средства организации и ведения телефонных разговоров и передачи факсов в режиме реального времени.

В отличии от традиционной телефонии, где установка соединения происходит при помощи телефонной станции и голосовые сигналы передаются по телефонным линиям, через выделенное подключение. В  IP-телефонии, сжатые пакеты данных поступают в глобальную или локальную сеть с определенным адресом и передаются на основе данного адреса. При этом используется уже IP-адресация, со всеми присущими ей особенностями.
При этом IP-телефония оказывается более дешевым решением как для оператора, так и для абонента. Происходит это благодаря тому, что:

• Традиционные телефонные сети обладают избыточной производительностью, в то время, как IP-телефония использует технологию сжатия голосовых пакетов и позволяет полностью использовать емкость телефонной линии.
• Как правило, на сегодняшний момент доступ в глобальную сеть есть у всех желающих, что позволяет сократить затраты на подключение или совсем исключить их.
• Звонки в локальной сети могут использовать внутренний сервер и происходить без участия внешней АТС.

     Вместе с вышеперечисленным, IP-телефония позволяет улучшить качество связи. Достигается это, опять же, благодаря трем основным факторам:

• Телефонные серверы постоянно совершенствуются и алгоритмы их работы становятся более устойчивыми к задержкам или другим проблемам IP-сетей.
• В частных сетях их владельцы обладают полным контролем над ситуацией и могут изменять такие параметры, как ширина полосы пропускания, количество абонентов на одной линии, и, как следствие, величину задержки.
• Сети с коммутацией пакетов развиваются, и ежегодно вводятся новые протоколы и технологии, позволяющие улучшить качество связи (например, протокол резервирования полосы пропускания RSVP).

    Благодаря IP-телефонии очень элегантно решается проблема занятой линии, так как переадресация, либо перевод в режим ожидания могут быть осуществлены несколькими командами в конфигурационном файле на АТС.

 

ГЛАВА 2
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Постановка задачи

В соответствии с целью работы задача заключается в изучении основы IP-телефонии, ее особенностей, видов, а также рассмотрении аппаратного и программного обеспечение необходимого для организации систем IP-телефонии.

Принцип действия

Общий принцип действия телефонных серверов IP-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 связаться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его, значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через IP-сети по назначению с использованием протокола ТСР/IР. Для пакетов, приходящих из сети на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Обе составляющие операции происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплекационный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Допустим, звонок телефон-компьютер или компьютер-телефон может обеспечивать один телефонный сервер. (рис. 1) Для организации связи телефон(факс) – телефон(факс) нужно два сервера.

 

Рис. 1. Соединение компьютер-телефон

 

Междугородняя (международная) связь осуществляется с помощью телефонных серверов, организация или оператор услуги должны иметь сервер в тех местах, куда и откуда планируются звонки. Стоимость такой связи на порядок меньше стоимости телефонного звонка по обычным телефонным линиям. Особенно велика эта разница для международных переговоров.

 

     2.2.1 Кодеки

Как указывалось выше, перед отправкой телефонного звукового сигнала он предварительно сжимается с помощью аудиокодека. Аудиокодеком называют программу или алгоритм, который сжимает, либо разжимает цифровые звуковые данные, позволяя снизить требования к пропускной способности канала передачи данных. В IP-телефонии на сегодняшний день наиболее распространено преобразование посредством кодека G.729, а также сжатие G.711 по А-закону (alaw) и μ-закону (ulaw).

G.729 является кодеком, который сжимает исходный сигнал с потерей данных. Основная идея — передача не самого оцифрованного сигнала, а его параметров (спектральной характеристики, количества переходов через ноль), достаточных для последующего синтезирования на принимающей стороне. При этом все основные характеристики голоса, такие как амплитуда и тембр сохраняются.

Пропускная способность канала, на которую рассчитан данный кодек — 8 кбит/с. Длина кадра обрабатываемого G.729 — 10 мс, частота дискретизации — 8 кГц. Для каждого из таких кадров определяются параметры математической модели, которые в дальнейшем и передаются в канал в виде кодов.

При использовании кодирования G.729 задержка составляет 15 мс, из которых 5 мс тратится на заполнение предварительного буфера. Отметим также, что кодек G.729 предъявляет достаточно высокие требования к ресурсам процессора.

G.711 — голосовой кодек, который не предполагает никакого сжатия, помимо компандирования — метода уменьшения эффектов каналов с ограниченным динамическим диапазоном. В основе данного метода лежит принцип уменьшения количества уровней квантования сигнала в области высокой громкости, сохраняя при этом качество звука. Две широко использующиеся в телефонии схемы компандирования — alaw и ulaw.

Сигнал в данном кодеке предоставлен потоком величиной 64 кбит/с. Частота дискретизации — 8000 кадров по 8 бит в секунду. Качество голоса субъективно лучше, нежели при применении кодека G.729.

Alaw или А-закон — алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Европы и России.

Ulaw или μ-закон — алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Японии и Северной Америки.

Для сигнала x преобразование по алгоритму ulaw выглядит следующим образом:

где μ принимается равным 255 (8 бит) в стандартах Северной Америки и Японии.

Джиттер

Еще одно явление, характерное для IP-телефонии — джиттер, или, иначе, случайная задержка распространения пакета.
Обуславливается джиттер тремя факторами:

• Ограниченная полоса пропускания или некорректная работа активных сетевых устройств;
• Высокая задержка распространения сигнала;
• Тепловой шум.

Наиболее часто применяющийся метод борьбы с джиттером — джиттер-буфер, хранящий определенное количество пакетов.

Обычно предусматривается динамическая подстройка длины буфера в течение всего времени существования соединения. Для выбора наилучшей длины используются эвристические алгоритмы.

Для компенсации неравномерной скорости поступления пакетов на приемной стороне создают временное хранилище пакетов, или так называемый джиттер буфер. Его задача, собрать поступающие пакеты в правильном порядке в соответствии с временными метками и выдать их кодеку с правильными интервалами и правильном порядке.

                                     Рис. 2. Джиттер буфер

Размер буфера приемное VOIP устройство рассчитывает в процессе работы, либо принудительно задается в настройках. С одной стороны он не может быть слишком большим, чтобы не увеличивать транспортную задержку. С другой стороны, маленький размер буфера вызывает потери пакетов при изменениях времени задержки в IP сети.

Отсюда и происходит одно из главных противоречий, между интернет провайдерами и пользователями IP телефонии. С точки зрения провайдера все пакеты доставлены абоненту, то есть, потерь нет. А с точки зрения VoIP устройства, разница во времени между приходом пакетов значительно превышает джиттер буфер. Поэтому фактически потери есть. На практике потеря более 1% вызывает определенные неприятные ощущения. При 2% разговор оказывается затруднен. При значениях больше 4% разговор уже практически невозможен.

Классификация

Основой для классификации различных видов ip-телефонии является модель протокола. Отметим три наиболее популярных:

· H.323. Данный вид сетевого протокола был разработан в 1996 г. Это протокол для передачи голоса, видео и данных, описывает взаимодействие мультемедийных приложений в сетях с негарантированным качеством обслуживания Его составляющими элементами являются терминал, шлюз, контроллеры зоны и управления многоточечной конференции (MCU). Данный протокол получил большую популярность при организации операторских сетей и межоператорского обмена. Схема подключения на основе H.323 выглядит следующим образом:

 

Рис.3.Cтруктурная схемы сети в IP-телефонии 

MGCP(Media Gateway Control Protocol).

· Первая разработка данного протокола датируется 1999 г. Протокол управления телефонными шлюзами внешними устройствами управления - media gateway controllers или call agents .Его главная идея заключена в том, что за управление сигнализацией отвечает ЦУП (центральное управляющее устройство), полностью отделенное от медиапотоков. Они обрабатываются абонентскими терминалами или ограниченными шлюзами, способными исполнять лишь узкий перечень команд, исходящих от управляемого устройства. MGCP-протокол ориентирован на организацию операторских узлов сопряжения IP-сетей с городскими телекоммуникациями и сетями SS7. Структурная схема подключения выглядит следующим образом:

 

·

 

Рис.4.Cтруктурная схемы IP-телефонии с помощью MGCP

· SIP ( Session Initiation Protocol ). Данный протокол появился в 1999 г. и продолжает активно развиваться в настоящий момент. SIP- это протокол сигнализации, используемый для установления, изменения и прерывания сессий (или звонков) между одним или несколькими пользователями IP-сетей. Он разрабатывался на основе HTTP и SMTP и многое от них позаимствовал. Если не вдаваться в глубокие технические подробности, то его можно представить клиент-серверным протоколом, работа которого состоит из постоянного чередования вопросов и ответов. При этом заголовки SIP передает в формате ASCII-текста, что позволяет избежать трудностей с прочтением. Структурная схема подключения выглядит следующим образом:

 

Рис.4.Cтруктурная схемы IP-телефонии с помощью SIP

 

Отметим, что связь по SIP-протоколу проходит шесть этапов:

· INVITE (приглашение). На данном этапе устанавливается новое соединение и тем самым пользователь приглашается для участия в сеансе связи.

· BYE (разъединение). По желанию пользователя его связь с другим человеком разъединяется в любой момент.

· OPTIONS (опции).Данный этап необходим для передачи информации о поддерживаемых технических характеристиках либо напрямую между пользователями, либо через сервер SIP.

· АСК (подтверждение). После команды INVITE пользователь должен дать положительный ответ на приглашение вступить в диалог.

· CANCEL (отмена). На данном этапе происходит прекращение поиска пользователя.

· REGISTER (регистрация). Здесь происходит передача информации на сервер SIP о геолокации пользователя. При необходимости она может быть передана по всем локальным адресам.

     Таким образом, технология SIP является одним из наиболее перспективных способов развития IP-телефонии. Она позволяет привязать номер не к конкретному географическому месту, а к человеку. Он будет на связи везде, где есть Интернет со скоростью от 64 Кбит/с. При этом SIP-протокол поддерживает передачу не только голоса, но и видеопотока.

Также существует классификация по способам осуществления связи:

1."Телефон - телефон".

 Для организации такой связи необходимо наличие определенных сетевых устройств и механизмов взаимодействия. Голосовой трафик передается через IP-сеть, как правило, на отдельном дорогостоящем участке. Устройствами, организующими взаимодействие, являются шлюзы, состыкованные, с одной стороны, с телефонной сетью общего пользования, а с другой - с IP-сетью. Голосовая связь в таком режиме имеет высокое качество, и пользоваться ею удобно. Для того чтобы воспользоваться этой услугой, надо позвонить провайдеру, обслуживающему шлюз, ввести с телефонного аппарата код и номер вызываемого абонента и разговаривать так же, как при обычной телефонной связи. Все необходимые операции по маршрутизации вызова выполнит шлюз.

Рис.5.Схема организации IP-телефонии при осуществлении связи способом

"Телефон - телефон".

2."Компьютер - телефон".

Здесь открывается больше возможностей использования для корпоративных пользователей, так как чаще всего применяется корпоративная сеть, обслуживающая вызовы от компьютеров до шлюза, которые уже затем передаются по телефонной сети общего пользования. Корпоративные решения с использованием связи "компьютер-телефон" могут помочь сэкономить деньги. Конечному пользователю никакого дополнительного оборудования не требуется. Достаточно иметь под рукой телефон с возможностью тонального набора. Это нужно для того, чтобы, дозвонившись до оператора, ввести свой код в тональном режиме, а дальше действия абонента ничем не отличаются от привычных. В большинстве современных телефонных аппаратов, включая таксофоны и мобильные телефоны, эта функция предусмотрена. Если такого телефона почему-то нет, то с функцией набора может справиться бипер или, в крайнем случае, специальная программа, которую можно скачать из Интернета.

Рис.6.Схема организации IP-телефонии при осуществлении связи способом

"Компьютер-телефон".

 

«Компьютер – компьютер»

Два компьютера, подключенные к сети Интернет, могут общаться без посредников:

Из общей схемы исчез шлюз, поскольку необходимость преобразования сигнала отпала (если быть более точным, в качестве шлюза выступает некая программа – Интернет-телефон, запущенная на обоих компьютерах). Данные сразу передаются по стандартным протоколам Интернета, поэтому помехи проникнуть в пакет данных не могут. Все, на что помехи способны, – это задержать пакеты в пути.

Будучи многофункциональным устройством, компьютер легко снимает ограничения на способы общения, которые присущи обыкновенному телефону. При разговоре можно не только слышать собеседника, но и видеть его. Если компьютер оснащен цифровой видеокамерой, образ появится на экране компьютера. Но и это не все! Компьютеры позволяют обмениваться текстовой информацией, вместе рисовать на «грифельной доске», пересылать друг другу файлы и звуковые письма. Связь «компьютер – компьютер» позволяет обойтись вовсе без услуг провайдера Интернет-телефонии. Однако в этом случае вы лишаетесь ряда полезных функций. Например, ни вы не сможете позвонить на обыкновенный телефон, ни вам невозможно будет позвонить с обычного телефона.

Рис.7.Схема организации IP-телефонии при осуществлении связи способом

"Компьютер-компьютер".

 

3."WEB - телефон".

 Еще одна новая услуга, которую предоставляют провайдеры IP-телефонии - это звонок с Вэб-сайта или Surf&Call - решение компании VocalTec в области веб-телефонии, позволяющее осуществлять вызов, выбрав со страницы Интернет ссылку на имя вызываемого абонента. Это решение направлено, прежде всего, на расширение возможностей электронной коммерции. Surf&Call позволяет пользователям Интернет напрямую поговорить, например, с торговым представителем либо со специалистом технической поддержки интересующей его фирмы. Установление телефонного соединения происходит при нажатии курсором на ссылку, представляющую собой, например, название компании, имя вызываемого абонента и т. д. на странице Интернет. При этом пользователю не требуется вторая телефонная линия или прерывание работы в Интернет, необходимо лишь загрузить небольшое клиентское программное обеспечение, которое обычно можно найти на той же WEB-странице, и которое устанавливается автоматически. С другой стороны Surf&Call позволяет представителям компаний отвечать на вопросы, демонстрировать WEB-страницы, передавать необходимую информацию, улучшая тем самым качество предоставляемых услуг.

Качество связи

В сетях на основе стека TCP/IP высокое качество обслуживания трафика, чувствительного к задержкам передачи не обеспечивается по умолчанию. При использовании протокола TCP имеется гарантия достоверной доставки информации, но ее перенос может осуществляться с непредсказуемыми задержками. Для UDP характерна минимизация задержек, но гарантия верной доставки пакета отсутствует.

В то же время добротность речевого трафика сильно зависит от качества передачи, и в сети, где не реализованы механизмы, гарантирующие соответственное качество, реализация IP-телефонии может быть не удовлетворяющей требованиям пользователей.

Основными показателями качества обслуживания являются пропускная способность сети и задержка передачи. Задержка при этом определяется как промежуток времени, прошедший с момента отправки пакета, до момента его приема.

Также существуют такие характеристики, как готовность сети и ее надежность (оцениваются по результатам контроля уровня обслуживания в течение длительного времени, либо по коэффициенту использования).
Для улучшения качества связи используются следующие механизмы:

1. Перемаршрутизация. При перегрузке одного из каналов связи позволяет осуществить доставку при помощи резервных маршрутов.

2. Резервирование ресурсов канала связи на время соединения.

3. Приоретизация трафика. Дает возможность помечать пакеты в соответствии с уровнем их важности и производить обслуживание на основе меток.

Как было сказано ранее, голосовой трафик чрезвычайно чувствителен к задержкам передачи. Максимальное время задержки не должно превышать 400 мс (сюда включается и продолжительность обработки информации наконечных станциях). Различают два основных типа задержек:
— Задержка при кодировании информации в голосовых шлюзах или терминальном оборудовании. Уменьшается путем улучшения алгоритмов обработки и преобразования голоса.
— Задержка, вносимая сетью передачи. Уменьшается путем улучшения сетевой инфраструктуры, в частности, сокращением количества маршрутизаторов и использованием высокоскоростных каналов.

                  Рис.8.Источники задержки в IP-телефонии