IP-телефония в компьютерных сетях

IP-телефония в компьютерных сетях

2-е издание, исправленное

Баскаков И.В.
Пролетарский А.В.
Федотов Р.А.
Мельников С.А.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК [004.738.5:621.395](07)
ББК 21
I83
IP-телефония в компьютерных сетях / Баскаков И.В., Пролетарский А.В., Мельников С.А., Федотов
Р.А. - M.: Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных
технологий)
ISBN 978-5-94774-978-6

Этот курс поможет более глубоко разобраться в тонкостях IP-телефонии.
IP-телефония прочно входит в повседневную жизнь человека, превращаясь из экзотической услуги в
базовый сервис. Это не просто альтернатива обычной телефонии, но и перспективная техническая
платформа для передачи мультимедийной информации. Практические примеры в курсе рассмотрены
на основе оборудования D-Link.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2008-2016
(c) Баскаков И.В., Пролетарский А.В., Федотов Р.А., Мельников С.А., 2008-2016

3

Введение

Концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера
сформировалась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 г. Чарли Кляйн
опубликовал Maven - первую программу для передачи голоса по сети с помощью PC.
Примерно в то же время одним из самых популярных мультимедийных приложений в
сети стала CU-SeeMe, программа видеоконференций для Macintosh (Mac),
разработанная в Корнельском университете.

Апрель 1994 г. Во время полета челнока Endeavor NASA передало на Землю его
изображение с помощью программы CU-SeeMe. Полученный со спутника сигнал
поступал на Maven, соединенную с Интернетом, и любой желающий мог услышать
голоса астронавтов. Потом одну программу встроили в другую, и появился вариант
CU-SeeMe с полными функциями аудио и видео как для Mac, так и для PC.

Февраль 1995 г. Израильская компания VocalTec предложила первую версию
программы Internet Phone для владельцев мультимедийных PC, работающих под
Windows. Это стало важной вехой в развитии интернет-телефонии. VocalTec надеялась
использовать популярные в то время текстовые каналы Internet Relay Chat (IRC) в
качестве двустороннего средства общения между людьми, имеющими сходные
интересы. Но компании не удалось договориться с Eris Free Network (EFNet),
курирующей IRC, поэтому доступ к этим общественным каналам для Internet Phone
был закрыт. Через некоторое время была создана частная сеть серверов Internet Phone,
и уже тысячи людей загрузили эту программу с домашней страницы VocalTec, - так
начиналась практика регулярного общения.

В том же 1995 г. другие компании очень быстро оценили перспективы, которые
открывала возможность разговаривать, находясь в разных полушариях и не платя при
этом за международные звонки.

В сентябре того же года в розничной продаже появилась первая из таких программ DigiPhone, которая предложила “дуплексные” возможности, позволяя говорить и
слушать одновременно. В этот момент и родилась привлекательная для абонентов
настоящая интерактивная связь.

В марте 1996 г. произошло еще одно знаменательное событие. Тогда было объявлено о
совместном проекте под названием “Internet Telephone Gateway” двух компаний: уже
известной нам VocalTec и крупнейшего производителя программного обеспечения для
компьютерной телефонии Dialogic. Его целью было научить работать через Интернет
обычный телефонный аппарат, для чего между Сетью и ТфОП устанавливался
специализированный шлюз. Последний получил название VTG (VocalTec Telephone
Gateway) и представлял собой специализированную программу, которая использовала
голосовые платы Dialogic как интерфейс с обычными телефонными линиями.
Специально разработанные многоканальные голосовые платы, во-первых, позволяли
одной системе VTG поддерживать до восьми независимых телефонных разговоров
через Сеть, а во-вторых, убрали проблему адресации, взяв на себя преобразование
обычных телефонных номеров в IP-адреса (и обратно). Для разговора одного
пользователя в том продукте достаточно было ширины полосы канала порядка 11 кбит/

4

с. Вот так возможность высокого уплотнения канала и малая стоимость связи создали
предпосылки для коренных изменений телекоммуникационного мира.

Еще через год стали вполне привычными соединения через Интернет двух обычных
телефонных абонентов, находящихся в совершенно разных местах планеты.

Всего за несколько лет технологии IP-телефонии значительно эволюционировали, и
распространенные сегодня решения существенно отличаются от прежних. С одной
стороны, это обусловлено развитием аппаратных решений, в частности появлением
мощных магистральных и транзитных маршрутизаторов и высокоскоростных
телекоммуникационных каналов. С другой стороны, нельзя не отметить и появления
таких качественно новых технологий, как динамическая маршрутизация с учетом
качества обслуживания в мультисервисных IP-сетях и резервирование ресурсов для
контроля качества обслуживания транзитных маршрутизаторов.

Современное оборудование для передачи голоса посредством протокола IP (VoIP)
позволяет обеспечивать приоритет передачи голосового трафика над передачей
обычных данных, получать приемлемое качество звукового сигнала при сильном
сжатии, эффективно подавлять различные шумы.

Сегодня телекоммуникационные операторы, специализирующиеся на предоставлении
услуг IP-телефонии, применяют выделенные каналы с приоритетом голосового
трафика над трафиком данных, что гарантирует высокое качество передачи речи. При
этом используется сразу несколько вариантов маршрутизации голосового трафика для
каждого из тысяч направлений, а в случае возникновения каких-либо проблем трафик
автоматически перенаправляется на другие каналы.

По мере своего развития IP-телефония претерпевает важные качественные изменения:
из дополнительной услуги она постепенно превращается в некий базовый сервис,
который в скором времени может стать одним из компонентов мультисервисной
технологии.

Важную роль играют сигнальные протоколы VoIP для передачи голосового трафика.
Активно развиваются, во-первых, Н.323, берущий свое начало от традиционных
телефонных протоколов, и, во-вторых, протоколы, созданные на базе IP-технологий, такие как SIP, MGCP, MEGACO.

Российские операторы IP-телефонии наиболее часто используют протоколы группы
Н.323. Это вызвано тем, что данный протокол был первым общепринятым стандартом
промышленной реализации IP-телефонии. В настоящее время все большее внимание
уделяется SIP. Протокол SIP в этой группе является самым простым видом протокола,
более доступным для восприятия и понимания рядовым IT-специалистом. SIP
особенно хорош в использовании во внутрикорпоративных сетях. При этом внешним
протоколом в сети телекоммуникационного оператора для предприятия, как правило,
все равно останется либо Н.323, либо MGCP/MEGACO.

Как было отмечено, IP-телефония становится одним из компонентов решения передачи
разнородного мультимедийного трафика с использованием протокола TCP/IP. И
вполне естественно, что развитие отдельных инструментов управления

5

мультимедийным трафиком влияет на всю систему технологий пакетной передачи
данных.

Следует также иметь в виду, что IP-телефония - это не просто альтернатива обычной
телефонии. Актуальность развития решений IP-телефонии обусловлена не только
возможностью снижения затрат на телефонные переговоры и техническое
обслуживание инфраструктуры (хотя и это, безусловно, имеет значение). В
стратегическом плане IP-телефония может стать единой технической платформой,
которая позволит объединить решения для передачи данных и голоса, а также для
обработки и последующего использования этой информации во всех бизнес-процессах.
Таким образом, развитие IP-телефонии в определенном смысле является средством
повышения производительности труда и развития бизнеса.

6

Общие вопросы технологии IP-телефонии

Данная лекция посвящена общему описанию используемой терминологии, принципов
функционирования IP-телефонии а также идеологии взаимодействия с компьютерными
сетями. Описана как работа различных сценариев IP-телефонии так и участвующих
компонент

1.1. Терминология

IP-телефония (или VoIP - Voice over Internet protocol) - технология, которая использует
сеть с пакетной коммутацией сообщений на базе протокола IP для передачи голоса в
режиме реального времени.

При разговоре наши голосовые сигналы преобразуются в пакеты данных, которые
затем сжимаются. Далее эти пакеты данных посылаются через Интернет приемной
стороне. Когда пакеты данных достигают адресата, они декодируются в аналоговый
голосовой сигнал.

IP-телефония в чистом виде может применяться в качестве линий передачи голоса, для
чего могут использоваться специально выделенные цифровые каналы.

1.2. Особенности IP-телефонии

Почему IP-телефония привлекает к себе внимание?

Меньшие затраты на традиционные телефонные разговоры. В особенности это
распространяется на междугородние и международные звонки. Также намного меньше
затраты на инвестиции в оборудование. Высокие затраты телефонных компаний
приводят к дорогим междугородным разговорам. Выделенное подключение, т. е.
возможность постоянного доступа к телефонной связи с телефонной станции требует
избыточной производительности за счет времени простоя в течение речевого сеанса. В
таких случаях приходится оплачивать и то время, когда мы не используем телефонную
линию.

В отличие от аналоговой телефонии, IP-телефония создает “подключение по запросу”
и не имеет зарезервированных линий связи, что уменьшает затраты на телефонные
разговоры.

Интернет-телефония частично использует существующие сети закрепленных за
абонентами телефонных линий. Но в них она дополнительно применяет
прогрессивную технологию сжатия (см. п. 3.3) передаваемых сигналов, которая более
полно использует емкость телефонных линий.

При обычном способе передачи речи (аналоговой телефонии) используется канал
пропускной способностью 64 кбит/с независимо от того, разговаривает абонент или
молчит во время соединения. В случае передачи речи по IP-сетям, за счет оцифровки и
компрессии (сжатия), речь передается в виде цифровой информации, причем если

7

абонент молчит или делает паузы в разговоре, цифровая информация в канал не
передается и канал не заполняется. Это позволяет в одном канале 64 кбит/с передавать
от 8 и более соединений одновременно, что в свою очередь обеспечивает снижение
тарифов, и, соответственно, оплата уменьшается.

Во-вторых, IP-телефония привлекает дополнительными возможностями совмещенного
доступа в Интернет. Голосовые данные, факсимильные сообщения передаются уже с
используемым набором IP-протоколов Интернета. Таким образом, голосовая
информация и обычные данные могут передаваться по одной и той же сети. Это
означает, что клиенты получают дополнительную полезную функцию от используемой
сети, которая сочетает в себе свойства сети передачи обычных данных и телефонной
сети. По сути это означает, что, имея компьютерную сеть, можно “наложить” на нее
телефонию, и голосовой трафик этой сети будет передаваться по тем же каналам, что и
данные (рис. 1.1). Доступ в Интернет становится более универсальным.

Рис. 1.1.  Компьютерная сеть с наложенной на нее IP-телефонией

На рисунке показаны:

А, В - абоненты, обменивающиеся информацией по сети.

KА, КВ - компьютеры абонентов А и В соответственно.

ША и ШВ - шлюзы А и В.

FAXА и FAXВ - телефаксы А и В.

ТAА и ТAВ - телефоны А и В.

Открытая архитектура - еще одна важная особенность VoIP.

Еще одним положительным свойством IP-телефонии является наличие общих
протоколов IP-телефонии: H.323, MGCP, SIP и т. д.

1.3. Принципы пакетной передачи

8

Для проведения сеанса связи мы набираем номер вызываемого абонента, после чего
происходит соединение с сетевым шлюзом, как показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2.  Соединение с сетевым шлюзом

Голосовое сообщение абонента А с помощью микрофона преобразуется в
электрический аналоговый сигнал, который претерпевает ряд преобразований
(кодируется). Внутри шлюза происходит оцифровка голосового сигнала, как условно
показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3.  Оцифровка голосового сигнала

После оцифровки цифровой сигнал, занимающий изначально, как и наша речь, канал в
64 кбит/с, сжимается в соответствии с выбранным кодеком (см. лекцию 3) и
разбивается на пакеты сигналов в соответствии с выбранным типом кодирующего
устройства (кодеком) (рис. 1.4 и 1.5.). В преобразовании участвуют как аппаратные, так
и программные средства со стороны абонента А.

Рис. 1.4.  Сжатие канала

9

Рис. 1.5.  Разбиение на пакеты

Далее сжатые данные отправляются в сеть. На приемной стороне имеется аналогичный
набор устройств абонента В (рис. 1.6), производящих преобразования в обратном
порядке. Пакеты из сети поступают в телефонный шлюз, подключенный к телефонной
линии. Все операции повторяются в обратном порядке, то есть осуществляется
декодирование цифрового сигнала и преобразование его в аналоговую форму, которая
приводит в действие звуковой динамик.

Рис. 1.6.  Соединение с приемной стороной

Показанные этапы преобразования сигналов и передачи происходят в малые доли
секунды, практически в реальном масштабе времени, что позволяет обеспечить
дуплексный (двухсторонний) разговор.

Архитектура технологии VoIP может быть упрощенно представлена в виде двух
плоскостей. Нижняя плоскость - это базовая сеть с маршрутизацией пакетов IP,
верхняя - программные средства управления обслуживанием вызовов. Нижняя
плоскость, говоря упрощенно, представляет собой комбинацию взаимосвязанных
протоколов Интернета: это RTP (Real Time Transport Protocol), который
функционирует поверх протокола UDP (User Datagram Protocol), расположенного, в
свою очередь, в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP. Таким образом, иерархия
протоколов RTP/UDP/IP представляет собой своего рода транспортный механизм для

10