13.7. Телефонная связь по компьютерным сетям

Телефонная связь предназначена для передачи человеческой ре-чи. Для этого речь, генерирующая звуки или колебания воздуха, предварительно преобразуется в непрерывные электрические сигна-лы, называемыми аналоговыми. Эти сигналы могут передавать не-прерывно по линии связи (аналоговая коммутация) или предвари-тельно аналоговый речевой сигнал преобразуется в цифровой бито-вый поток, и уже он передается по линии связи (цифровая коммута-ция). В компьютерных сетях передача цифровой информации осуще-ствляется отдельными блоками данных или пакетами. Поэтому для передачи по компьютерной сети необходимо привести ее к виду, удобному для такой передачи. Сначала выполняется преобразование звуковых колебаний в электрические импульсы, а затем - в цифровую форму при помощи аналого-цифрового преобразователя. К цифрово-му сигналу можно применить различные виды компрессии, и после этого выполнить разбиение этой информации на пакеты с целью их дальнейшей передачи по сети. Разбиение на пакеты и передача осу-ществляется при помощи специальных протоколов. Наиболее широко применяемым является набор протоколов, состоящий из протокола управления передачей и межсетевого протокола TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Протокол IP обеспечивает доставку данных в виде пакетов, снабженных IP-адресом. Он разбивает ин-формацию на пакеты одинакового объема, управлять которыми на-много легче. Протокол TCP обеспечивает доставку пакетов по назна-чению и прием их в том порядке, в котором происходила отправка.

Восприятие речи человеком очень чувствительно к задержкам, причем как к ее величине, так и колебаниям. Для телефонной связи задержка не должна превышать 150 мс при работе по наземным ли-ниям связи и 250 мс при использовании спутниковых каналов. В те-лефонной сети, где используются физические соединения, это требо-вание обеспечивается относительно легко за счет систем передачи. В компьютерных сетях выполнить эти требования сложнее, поскольку параметры задержки зависят от быстродействия, загруженности сети и от скорости обработки пакетов. Передача информации осуществля-ется не в реальном масштабе времени, т.е. возможны значительные задержки доставки информации и эти задержки не постоянны. Поэто-му до недавнего времени пакетный режим переноса был неприемлем для телефонной связи и обмена речевой информацией. Однако но-вые технологии передачи информации пакетами обеспечивают дос-таточно большие скорости передачи и, следовательно, малую за-держку информации. Существующее сегодня оборудование для сетей АМТ обеспечивает обмен данными со скоростью до 155 Мбит/с по волоконно-оптическому кабелю. Поэтому становится возможным применение пакетной коммутации для телефонной связи или передачи в реальном масштабе времени.

Телефонная связь в локальной сети. Телефонную связь, реализованную на базе протокола TCP/IP, называют IP-теле-фонией, реализацию IP-телефонии в локальной компьютерной се-ти - LAN-телефонией. Цель LAN-телефонии заключается в органи-зации телефонной связи внутри предприятия, оснащенного такой сетью. Эта технология позволяет осуществлять передачу речи с помощью IP-протокола, не нуждаясь в традиционной телефонной инфраструктуре. Благодаря этому корпоративная сеть, которая ра-нее строилась на базе ведомственных АТС, может передать свои функции локальной компьютерной сети предприятия.

В качестве терминального оборудования LAN-телефонии могут использоваться Ethernet-телефоны, телефонные шлюзы и обычные ПК с подключенными звуковой картой, наушниками и микрофоном. Все терминальные устройства могут участвовать в сеансе связи од-новременно при условии соблюдения для них стандарта Н.323, рег ламентирующего совместимость устройств LAN-телефонии. Ethernet-телефон по внешнему виду напоминает обычный телефонный аппа-рат, у которого вместо разъема RJ11, предназначенного для подклю-чения стандартного телефонного кабеля, имеется разъем ВМС для подключения к LAN на базе коаксиального кабеля при разъеме RJ45 для подключения к сети на базе витой пары. В Ethernet-телефоне, как и в обычном телефонном аппарате, выполняется преобразование звукового колебания в электрические сигналы, а затем АЦП, разбити-ем оцифрованной речевой информации на пакеты и их передача. Ес-ли ПК выступает в роли абонентского терминала, он должен иметь соответствующее аппаратное и программное обеспечение. Аппарат-ная часть - это сетевая и звуковая платы, наушники и микрофон. Про-граммная часть - программа, поддерживающая телефонную связь посредством IP-сети и протокол Н.323.

Телефонный шлюз - это устройство, осуществляющее обмен ре-чевыми сообщениями между LAN и стандартной телефонной сетью PSTN. В шлюзе речевая информация, передающаяся по LAN, извле-кается из пакетов, декодируется и приводится к виду, используемого в телефонной сети. Подключаемое к шлюзу оборудование может быть аналоговым или цифровым. При подключении к шлюзу стан-дартных аналоговых телефонных аппаратов (шлюз с портом FXS) шлюз эмулирует для этих аппаратов стандартные сигналы АТС. При подключении аналоговой телефонной станции (шлюз с порта FXO) шлюз эмулирует работу обычного абонентского терминала. К шлюзу может быть подключена АТС через цифровую линию связи, поддерживающую до 30 телефонных соединений одновременно.

Рис. 13.19. Структурная схема LAN-телефонии

Главным управляющим устройством LAN-телефонии (рис. 13.19) яв-ляется компьютер с серверной программой, называемой гейткипером или администратором вызовов. В задачи такой системы входит со-поставление телефонного номера абонента с текущим IP-адресом его терминала, а также предоставлении возможных услуг - переадреса-ции, определение номера вызывающего абонента, удержание соеди-нения и т.д. Важной компонентой сети LAN-телефонии является DHCP-сервер. В его функции входит автоматическая конфигурация протокола TCP/IP для новых устройств, подключенных к локальной сети, т.е. присвоение им IP-адресов, адреса шлюза и остальных па-раметров, необходимых для функционирования сети. Это позволяет подключить Ethernet-телефон в любое свободное гнездо в произ-вольном месте локальной сети и тут же вызывать с него или прини-мать вызовы. Для каждого телефона существует идентификатор, по которому «гейткипер» находит его в сети, несмотря на возможные изменения IP-адреса. Это удобно для служащих, меняющих свое ра-бочее место в течение рабочего дня.

Процесс установления соединения происходит следующим образом. Когда на терминале (телефоне или компьютере) набирается но-мер вызываемого абонента, терминал обращается по сети к гейтки-перу. Тот в свою очередь идентифицирует вызывающего абонента по его IP-адресу и паролю в своей базе данных. Если доступ к требуе-мому номеру разрешен с этого терминала, то гейткипер определяет IP-адрес вызываемого абонента и направляет ему вызов. Если же вызов адресован абоненту стандартной телефонной сети, то он на-правляется на соответствующий телефонный шлюз. После установ-ления связи с терминалом или шлюзом, гейткипер не участвует в об-мене речевой информацией между терминалами, но в это время он ведет журнал учета вызовов и прочих событий. При разрыве соеди-нения фиксируется длительность разговора.

Пропускная способность LAN с точки зрения телефонной нагрузки (число одновременных разговоров) определяется шириной переда-ваемого спектра одного голосового соединения и скоростью передачи данных в сети. Преобразование речи методом ИКМ требует скорости передачи 64 Кбит/с. Однако применение компрессии стандарта G.723.1 ACELP снижает это требование до значения 5,3 Кбит/с. Тогда, например, в 10-мегобитной сети Ethernet, даже с учетом того, что фактическая скорость передачи данных не более 5 Мбит/с (из-за коллизий), можно поддержать до 65 или 400 телефонных разговоров од-новременно, 65 - при использовании кодека ИКМ стандарта G.711, а 400 при использовании кодека и компрессии стандарта G.723.1 ACELP. На LAN со скоростью 100 Мбит/с реально установление соответственно 650 и 4000 одновременных разговоров.

Если сеть предприятия подключена к Интернету, то появляется возможность использовать ее для соединений на дальнее расстояние через глобальную IP-сеть. Для этого собеседник должен быть под-ключен к IP-телефонии. Он может быть и с обычным телефоном, если поблизости от него функционирует шлюз, совместимость со стандар-том Н.323, который имеет выход на городскую телефонную сеть.

Глобальная связь в глобальной сети Интернет. Региональные и глобальные компьютерные сети, предназначенные в основном для передачи данных, уже начинают использоваться для передачи речи. Наиболее привлекательна с этой точки зрения глобальная компью-терная сеть Интернет, представляющая собой совокупность локаль-ных сетей и хост-компьютеров, связанных между собой спутниковыми и радиоканалами, обычными телефонными сетями и ISDN. Их объе-диняет то, что все они используют стандартный комплекс протоколов Интернет TCP/IP.

Вначале телефонные компании и производители телекоммуни-кационного оборудования скептически относились к инициативе пе-редачи речи по Интернету. Но согласно прогнозам некоторых иссле-довательских фирм в ближайшее время на Интернет-телефонию бу-дет приходиться до 40 % рынка международных телефонных перего-воров. Интернет-телефонию называют IP-телефонией по названию протокола, используемого в Интернету.

В компьютерной сети Интернет, для того чтобы осуществить связь (рис. 13.20), пользователи двух компьютеров должны соединиться со своим провайдером, запустить программное обеспечение, например Internet Phone (Интернет-Телефон), и найти необходимого абонента в списке активных пользователей, также использующих эту програм-му.

Рис. 13.20. Связь двух компьютеров сети

Оба компьютера должны быть включены и на них загружено оди-наковое ПО. Конечно, такую передачу речи нельзя назвать в полной мере телефонной связью. Это связь между абонентами Интернета, обладающими компьютерами. Распространению технологии теле-фонной связи по компьютерным сетям может способствовать воз-можность разговаривать пользователям, имеющим в своем распоря-жении не только компьютеры, но и обычные телефоны. Для этого принимаются специальные шлюзы, реализующие связь Интернета и телефонных сетей (рис. 13.21).

Функция шлюза - это компрессия, аналого-цифровое преобразо-вание сигнала и разбиение его на IP-пакеты, а также выполнение об-ратного процесса. Шлюзы подключаются с одной стороны к телефон-ной сети, а с другой - к Интернету. При вызове с телефона на компь-ютер вызов передается через телефонную сеть на шлюз. Затем шлюз посылает вызов компьютеру, сжимая и упаковывая телефонный сиг-нал в пакеты для передачи по IP-сети. Если на обоих концах линии установлены телефоны, то речевой сигнал первого абонента посыла-ется по телефонной сети на ближайший шлюз, где разбивается на IP-пакеты, а затем передается по Интернету на второй шлюз, ближай-ший ко второму абоненту. Этот шлюз принимает пакеты, восстанав-ливает из них исходный сигнал и посылает его по телефонной сети вызываемому абоненту.

В основном компьютерная телефония в Интернете не сильно отличается от телефонии и локальной сети. Но есть и особенности. Одной из основных задач при управлении потоком речевой инфор-мации по Интернету становится обеспечение небольшой, и главное, постоянной задержки.

Рис. 13.21. Связь абонентов телефонной сети через Интернет

В сетях ПД постоянную и предсказуе-мую задержку информации должны обеспечивать коммутаторы или маршрутизаторы. Для этого при обработке очередей пакетов каж-дый коммутатор или маршрутизатор для каждого пакета должен знать приоритет и допустимое время нахождения в очереди. В се-тях с коммутацией пакетов, где используется виртуальное соеди-нение, известны параметры соединения, включая сведения о мар-шруте и числе транзитных узлов, и поэтому каждый узел имеет возможность определить динамический приоритет пакета и допус-тимое время на его обработку.

В сетях с маршрутизацией, к числу которых принадлежит Интер-нет, транзитный узел (маршрутизатор), как правило, не знает, через какое количество транзитных узлов предстоит пройти пакету, пока он не достигнет адресата. Поэтому у транзитного узла отсутствуют дан-ные, необходимые для определения допустимого времени обработки пакета. Кроме того, маршрутизация пакетов требует более продолжи-тельного времени обработки пакета на узле. Это время не является постоянным и носит случайный характер. Также имеет значение и ди-намический режим, применяемый в Интернете, когда маршрут пере-дачи последующего пакета может отличаться от маршрута, по кото-рому был передан предыдущий. Это может привести к нарушению порядка следования пакетов и необходимости их сортировки на при-емной стороне, что также оказывает влияние на увеличение задерж-ки. Если добавить общую проблему перегруженности транспортных узлов Интернета, то обеспечение небольшой и постоянной задержки еще более затруднено.

Существует два способа решения этой проблемы:

- резервирование части пропускной способности сети для передачи пакетов с речевой информацией;

- построение магистральной транспортной сети Интернет на основе технологии Frame Relay или ATM.

Согласно первому способу, для того чтобы более эффективно ис-пользовать зарезервированную полосу пропускания, на оконечном или шлюзовом оборудовании должна осуществляться предваритель-ная концентрация речевой информации. При этом IP- пакеты должны формироваться не по мере поступления речевых сигналов, а с неко-торой задержкой, достаточной для сборки информационного блока больших размеров. Передача речи в больших информационных бло-ках упрощает процедуру управления очередями на транзитных узлах, что существенно в связи с неразвитой системой приоритетов прото-кола IP. Однако реализация этого подхода приводит к появлению до-полнительной задержки. Для резервирования полосы пропускания в сети IP может использоваться метод WFQ (Weighted Fair Queuing) или протокол RSVP (Resource Reservation Protocol), разрабатываемый группой перспективных разработчиков Интернета IETF (Internet Engi-neering Task Force).

Метод WFQ позволяет для каждого вида сообщений выделить оп-ределенную часть полосы пропускания. Оператор через систему ад-министративного управления может задать количество очередей (до 10 очередей для ПД и одну очередь для системных сообщений). В случае, если одна очередь не использует полностью выделенную ей полосу пропускания, то свободный резерв полосы пропускания может задействоваться для передачи информации из следующей очереди. Этот метод позволяет гибко использовать ресурсы сети. На-пример, если для очереди с речевой информацией зарезервировано 50 % пропускной способности, а используется 30 %, то следующая очередь будет получать в свое распоряжение дополнительно 20 % до тех пор, пока эта пропускная способность снова не потребуется оче-реди с речевой информацией.

Протокол RSVP предназначен только для резервирования части пропускной способности. Используя RSVP, отправитель периодически информирует получателя о своем количестве ресурсов сообщением «RSVP Resv», передаваемым в обратном направлении. Если ресур-сов достаточно, то отправитель начинает передачу. Если ресурсов не достаточно, получатель должен снизить требования или прекратить передачу информации. Как альтернатива может использоваться ал-горитм управления потоками на основе системы приоритетов. Меха-низм управления приоритетами предусматривает введение до 16 приоритетов, а также возможность организации нескольких логиче-ских потоков в рамках одного физического соединения.

Согласно второму способу (рис. 13.22), пограничные узлы IP взаи-модействуют друг с другом через виртуальное соединение сети Frame Relay или ATM, для которых обеспечиваются параметры нагрузки и качества обслуживания такие, как скорость передачи, время задержки, время отклонения величины задержки и т.д. Использование Frame Relay или ATM позволяет отказываться от применения транзитных маршрутов IP. При этом возможно более эффективное ис-пользование полосы пропускания за счет установления соединения для каждого телефонного разговора.

Развитие технологии передачи речи по сети Интернет затрагивает интересы операторов телефонных сетей, поскольку эта технология начала применяться в качестве альтернативы традиционной между-городной и международной связи.

Сетевой узел транспортной сети (ATM, Frame Relay)

Рис. 13.22. Использование в Интернете технологий ATM и Frame Relay

Контрольные вопросы

1. Перечислите составные части персонального компьютера и объясните их назначение.

2. Объясните назначение компьютерных сетей и основные принципы их по-строения.

3. Произведите сопоставительный анализ байт-ориентированных протоко-лов канального уровня BSC и DDCMP.

4. Рассмотрите основные отличия байт-ориентированных протоколов и бит-ориентированных протоколов канального уровня на примере BSC и HDLC.

5. Рассмотрите особенности реализации протоколов для локальных вычисли-тельных сетей по сравнению с глобальными сетями.

6. Дайте определение, перечислите требования и рассмотрите примеры сетевых операционных систем.

7. Дайте классификацию локальных компьютерных сетей.

8. Рассмотрите технологию локальных сетей Ethernet со скоростью 10 Мбит/с.

9. Рассмотрите кольцевые технологии Token Ring и FDDI.

10. Произведите сопоставительный анализ высокоскоростных технологий Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM.

11. Рассмотрите принципы построения и протоколы глобальных вычисли-тельных сетей.

12. Произведите сопоставительный анализ протокола Х.25 и Frame Relay.

Список литературы

1. Дитер Веттиг. Novell Netware для пользователя: Пер. с нем. - К.: Торг. изд. бюро BHV, 1994.

2. Самойленко. Сети ЭВМ. - Москва: Наука, 1986.

3. Локальные вычислительные сети. Кн. 2: Аппаратные и программные средства / Под ред. С.В. Захарова. Справочник. - М.: Финансы и статистика, 1994.

4. Уинн Л. Рош. Библия по техническому обеспечению Уинна-Роша. - Минск: МХХК «Динамо», 1992.

5. Шварцман В.О. Передача данных: функциональные блоки, компоненты, их взаи-модействие, интерфейсы // Вести, связи. - 1996. - № 9,10.

6. Ю. Блэк. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы / Пер. с англ.; Под ред. В.В. Василькова. - Москва: Мир, 1990.

7. Hard» Soft 1995.- №5.

8. Бэрри Нанс. Компьютерные сети: Пер. с англ. Ш.С. Зейналов. - М.: БИНОМ, 1995.

9. Протоколы и программные средства телекоммуникации в среде Netware. Док-МП-04. Материалы конференции. - Суздаль, 1991.

10. Фролов А.В., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров. Монтаж сети, установка программного обеспечения. - М.: Диалог-МИФИ, 1994. - (Б-ка сис-темного программиста; Т. 7).

11. Фролов А.В., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров. Использо-вание протоколов IPX, SPX, NETBIOS - М.: Диалог-МИФИ, 1995. - (Б-ка системного программиста; Т. 8).

12. Фролов А.В., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров. Работа с сервером Novell Netware. - М.: Диалог-МИФИ, 1993. - (Б-ка системного програм-миста; Т. 9).

13. МККТТ. Сети передачи данных. Взаимосвязь открытых систем (ВОС): требования к протоколам, аттестационные испытания. Рекомендация Х.224 - «Спецификация протокола транспортного уровня взаимосвязи открытых систем для применения МККТТ». IX Пленарная Ассамблея. - Мельбурн, 1988.

14. МККТТ. Сети передачи данных. Взаимосвязь открытых систем (ВОС): требования к протоколам, аттестационные испытания. Рекомендация Х.225 - «Спецификация протокола сеансового уровня взаимосвязи открытых систем для применения МККТТ». IX Пленарная Ассамблея. - Мельбурн, 1988.

15. МККТТ. Сети передачи данных. Взаимосвязь открытых систем (ВОС): требования к протоколам, аттестационные испытания. Рекомендация Х.226 - «Спецификация протокола уровня представления взаимосвязи открытых систем для применения МККТТ». IX Пленарная Ассамблея. - Мельбурн, 1988.

16. Осадчук. А. Сетевые архитектуры современных информационно-вычислительных сетей // Компьютер-пресс/ - 1995.

17. IEEE. Local Networks. Standarts Commitee Functional Requirements Document. - Ver-sion, 1981.

18. Щербо В.К., Киреичев В.М., Самойленко С.И. Стандарты по локальным вычисли-тельным сетям / Под ред. С.И. Самойленко: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990.

19. Сунчелей И.Р. Кадры Ethernet//Сети. - 1995. - № 8.

20. ANSI/IEEE 802.3 Standard - 1985. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detec-tion CSMA/CD // IEEE Press. - 1985.

21. ANSI/IEEE 802.2 Standard - Logical Link Control // IEEE Press, - 1985.

22. Лясковский Ю.К. Frame Relay - путь к цифровой суперсети связи // Сети. - 1995. -№7.

23. Джон МакМален. UNIX / Пер. с англ. В.Л. Григорьева. - М.: Компьютер ЮНИТИ, 1996.

24. ANSI/IEEE 802.5 Standard - 1985. Token-passing Ring Access Method and Physical Layer Specification // IEEE Press. - 1985.

25. ANSI/IEEE 802.4 Standard - 1985. Token-passing Bus Access Method and Physical Layer Specification // IEEE Press. - 1985.

26. Фоминов O.C. Fast Ethernet - стандарты и применение // Сети. - 1995. - № 9.

27. Стивен Стром. Где и как применять Gigabit Ethernet // Сети. - 1997. - № 1.

28. Сатовский Б., Юрин. В. Gigabit Ethernet против ATM. // Сети. - 1997. - № 1.

29. Уолрэнд Дж. Телекоммуникационные и компьютерные сети. Вводный курс. - М.: Постмаркет, 2001. - 480 с.

30. Бондаренко Д. ATM - сетевая технология будущего. Компоненты сети ATM // Ком-пьютер-пресс. - 1995. - № 8.

31. Максимов В.А., Пархомук Е.И. Коммерческие сети в России // Сети. - 1995. - № 7.

32. Сети и системы телекоммуникаций. Т. 1. Под ред. Н.В. Захарченко. - К.: Техника, 2000. - 297 с.