IР-телефония и передача факсов по IP-сетям

IP-телефония, она же Интернет-телефония, означает голосовую телефонную связь между удаленными абонентами с использованием сетей передачи данных с протоколом IP. Эти два названия можно считать почти синонимами, поскольку в сети Интернет протокол IP является основным.

В традиционных телефонных сетях цифровой канал для абонента предоставляет полосу по 64 (56) кбит/с в каждом направлении. Такая большая (по меркам передачи данных при удаленном доступе) полоса требуется из-за принятого в телефонии простейшего способа кодирования – ИКМ (РСМ). Применение адаптивной дельта-модуляции АДИКМ (ADPCM) позволяет сократить поток даже до 16 кбит/с, но для сетей передачи данных (учитывая и неопределенность задержки и колебания нагрузки) и этот поток трудно выдержать в течение длительного времени. Современные алгоритмы сжатия, реализуемые на достаточно мощных процессорах, позволяют сжимать речевой сигнал до полосы 4-8 кбит/с с приемлемым качеством. Такой поток уже можно передавать по обычным IP-сетям, что и реализуется в IP-телефонии.

Аудиокодек для IP-телефонии должен решать довольно сложную задачу – обеспечить значительное сжатие и формировать пакеты данных небольшого размера, а алгоритм упаковки/распаковки должен быть устойчивым к потере отдельных пакетов. Изощренные методы сжатия учитывают специфику речевого сигнала при разговоре: активная речь чередуется с паузами, не несущими информации. Вполне очевидно, что вместо незначащего потока оцифрованной паузы выгоднее передавать информацию только об ее длительности. Правда, если в паузе будет тишина, то у слушателя может возникнуть ощущение потери соединения. Поэтому пауза на приемной стороне заполняется некоторым “комфортным” шумом, спектральные параметры которого передаются в описателе паузы. Активная речь тоже неоднородна – в ней присутствуют и тональные (вокализированные), и шумовые фрагменты, для которых эффективны различные методы сжатия. Кодер должен отслеживать текущее состояние сигнала и выбирать соответствующий метод представления данного фрагмента. Декодер из простого ЦАП, применяемого при РСМ (и с несложными дополнениями для ADPCM), превращается в синтезатор, воссоздающий аудиосигнал из принятого (возможно, и неполного) потока пакетов. В результате всех этих ухищрений удается из исходного равномерного потока 64 кбит/с получить неравномерный поток кадров со средней скоростью 4-8 кбит/с, который нормально проходит через большинство сетей. Для IP-телефонии уже существуют стандартизованные методы кодирования и сжатия: G.723.1 определяет кодек для скоростей 5,3 и 6,3 кбит/с, G.729A – для 8 кбит/с. Наличие этих стандартов обеспечивает совместимость устройств IР-телефонии, в международном масштабе, как это давно существует в традиционной (телефонной и телеграфной) связи.

Как известно, обычную телефонную сеть используют и для передачи факсов. Кодировать и декодировать модулированный сигнал от факса тем же способом, что и голосовой в IP-теле4юнии, бесполезно: не получится либо приемлемого сжатия, либо приемлемой достоверности. Однако сервис пересылки факсов через сети передачи данных (тоже с целью экономии на тарифах) начали предоставлять даже раньше голосовой связи. Пересылка факса в отличие от разговора может выполняться и не в режиме реального времени, поэтому вопросы сжатия (и так уже сжатого сигнала) уже не стоят. Работает этот сервис примерно так: передающий факс устанавливает по телефону соединение с ближайшим (по телефонным тарифам) факс-шлюзом и передает ему факсимильное сообщение.

Шлюз, оборудованный обычным факс-модемом, демодулирует принятое сообщение и временно сохраняет его в двоичном виде (графический файл). Этот файл передается по IP-сети на шлюз, ближайший к получателю (хоть по электронной почте). Приняв сообщение полностью, шлюз получателя “звонит” получателю и передает ему сообщение, снова модулированное по обычному стандарту для факсимильной связи. Однако такой трехступенчатый процесс вносит некоторые сложности в передачу номера телефона абонента-получателя и сигнализацию об успехе/неуспехе приема на факс отправителя. Есть и другие проблемы, связанные с идентификацией и аутентификацией пользователей. Передача факсов к IP-телефонии прямого отношения не имеет, хотя шлюзовые устройства могут распознавать сигналы от факса и по ним либо не предоставлять соединения (поскольку оно бесполезно), либо включать факс-модем для предоставления этого сервиса.

Проще всего организовать IP-телефон между парой пользователей ПК, имеющих доступ к глобальной IP-сети (Интернет). Для этого достаточно каждый ПК снабдить обычной звуковой картой с наушниками/колонками и микрофоном. Здесь все задачи могут решаться чисто программно – от звуковых карт требуется только работа обычного кодека (правда, в полнодуплексном режиме, что “умеют” не все карты). Анализ равномерного цифрового потока и упаковка его в кадры, а также обратное декодирование для современных процессоров (особенно с ММХ) не является особо обременительной задачей. Установление соединения между двумя IP-узлами – задача тривиальная. Существует ряд программных продуктов (в их числе и NetMeeting от Microsoft), обеспечивающих связь между пользователями ПК. Внешняя оболочка связи может быть различной – например, можно через Web-броузер обращаться за устными консультациями на сайт какой-нибудь фирмы. “Телефонным номером” пользователя ПК будет IР-адрес этого узла.

Однако IP-телефония не ограничивается только диалогами между пользователями ПК – существуют специальные шлюзы для связи с традиционными телефонными сетями и отдельными телефонами. Задачи шлюза несколько сложнее – кроме обеспечения установления соединения и передачи собственно речи, он должен отрабатывать систему сигнализации телефонной системы и преобразовывать ее сигналы в протокольные сообщения IP-телефонии (и обратно). С традиционной телефонией шлюз может контактировать двояко: через порты FXO к нему могут подключаться телефонные аппараты, а через порты FXS он может подключаться к одной или нескольким линиям обычной телефонной сети (местной или городской). Интерфейс сети передачи данных может быть как портом локальной сети (Ethernet), так и портом для глобальной сети. В глобальную сеть передачи данных можно выходить и через обычный модем, подключенный к коммутируемой телефонной линии. При этом пользователь через одну линию может одновременно работать в сети (просматривать Web-сайты) и вести телефонные переговоры. На рис. 29 изображена сеть с парой шлюзов, установленных в разных городах (странах) и подключенных к общей сети (Интернет). Здесь абоненты с обычных телефонов, подключенных к шлюзам, могут общаться между собой без оплаты междугородных переговоров. Более того, абоненты телефонных сетей, подключенных к шлюзам, могут связываться между собой, набирая в начале номер (городской!) телефона шлюза, а дальше, через номер противоположного шлюза, – номер абонента в его удаленной телефонной сети. Естественно, возможны и связи между “городскими” абонентами и абонентами, подключенными прямо к шлюзам. ПК-пользователи также могут “звонить” через шлюз, зная его IP-адрес. IP-телефония через шлюзы стала конкурировать с традиционной телефонией, вызывая споры на технические, экономические и правовые темы. На рисунке видно, как трафик проходит “мимо кассы” междугородной телефонной сети. Главный козырь IP-телефонии – низкая себестоимость разговоров, а потому и тарифы значительно более низкие, чем международные и междугородные телефонные. Однако шлюзы являются довольно дорогими и сложными устройствами, которые исполняются как в виде ПК с дополнительными платами адаптеров, так и в виде специализированных устройств. На рисунке показаны и два узла, подключающихся к сети непосредственно: один на базе ПК, другой – специальный IP-телефон.

Для ПК выпускают платы шлюзовых адаптеров, как правило, на 2 или 4 порта с гнездами RJ-11. Порты могут быть либо жестко специализированными (FXO для подключения телефонных аппаратов, FXS – для подключения к АТС), либо конфигурируемыми программно. Каждый порт должен иметь по крайней мере кодек G.711 и устройство распознавания генерации сигналов телефонной сигнализации. В многоканальных системах сжатие обычно выполняется специализированными сигнальными процессорами – мощности одного универсального (х86) центрального процессора может и не хватить. Связь с сетью передачи данных обеспечивается стандартной сетевой картой или адаптером интерфейса глобальных сетей. Программное обеспечение шлюзов должно работать в среде ОС, от которой требуется возможность работы в режиме реального времени и, конечно же, устойчивость (шлюз не должен “падать”). Шлюзы выполняют на базе ПК как настольного исполнения, так и промышленного (архитектуры микро-РС, с шиной Compact-PCI и т. п.). Специализированные устройства-шлюзы внешне выглядят, как обычные сетевые концентраторы и имеют либо фиксированный набор портов, либо модульную конструкцию, комплектуемую по необходимости. В принципе, шлюзы с достаточным количеством портов могут выступать и в роли УАТС или малых АТС, но для этой роли они все-таки имеют слишком высокую стоимость портов. IP-телефонный аппарат внешне выглядит, как многофункциональный кнопочный телефон с дисплеем – микрокомпьютер с сетевым ПО много места не занимает.

Интересные решения по IP-телефонии предлагают разработчики из ЦНИИ РТК. Кроме традиционных ISA-карт для шлюзов они предлагают недорогие устройства размером с мини-хаб. Каждое устройство имеет два независимых порта Ethernet 10BaseT и 4 или 8 телефонных портов (RJ-11), программно конфигурируемых на FXS или FXO. Телефонные порты имеют кодеки G.711, схемы поддержки аналоговой телефонной сигнализации и сигнальный процессор, обеспечивающий упаковку по G.723.1 или G.729A. Все порты (телефонные и Ethernet) являются периферией микрокомпьютера на процессоре класса 486 с ОЗУ 32 Мбайт и флэш-диском на 12 Мбайт. С флэш-диска загружается ОС семейства Unix, под управлением которой работает специализированное ПО. Между портами Ethernet может быть организован мост или маршрутизатор (коммутатор 3-го уровня) и даже с функциями межсетевого экрана (firewall). По портам Ethernet устройства могут связываться между собой шлейфом (без ограничения в 4 устройства на цепочку) либо подключаться к существующей сети Ethernet. При этом образуется “распределенная АТС” офиса, которая может выходить в глобальную сеть IP-телефонии, а также выходить в городскую телефонную сеть по одной или нескольким линиям. Применение этих устройств коренным образом меняет подход к построению телефонной сети организации, даже не имеющей компьютерной сети. Вместо множества линий (от каждого абонента до УАТС) – шлейф двухпарного кабеля между устройствами, расставленными по телефонизированным помещениям. Правда, возникают вопросы обеспечения живучести этой сети (при отключении или отказе одного узла цепочка разрывается), но они могут решаться с помощью избыточных связей (например, соединения устройств в кольцо) или использования радиальной топологии с хабом в центре.