Как упаковать голос, или Вперед, к коммутации пакетов!

Барышня, дайте Смольный!

Все мы в той или иной степени знакомы с передачей данных по аналоговым телефонным сетям, которая осуществляется всякий раз, когда пользуешься модемом или передаешь факсимильное сообщение. И тут, и там происходит, в сущности, одно и то же - некоторый массив цифровой информации кодируется последовательностью звуковых сигналов разной частоты. На самом примитивном уровне для передачи цифровой информации требуется использование двух звуковых частот - одной для передачи нуля, другой для передачи единицы. На противоположном конце линии связи сигнал декодируется, информация восстанавливается, и мы получаем факсимильную копию документа или массив цифровых данных - в зависимости от того, что было отправлено.

Эта старая и всем нам знакомая технология служит для передачи цифровых данных по сетям, изначально предназначенным для передачи голоса. Одной из "горячих" проблем современной техники связи является обратная задача, то есть передача голоса по сетям, изначально предназначенным для передачи данных. Полная интеграция голосового и факсимильного обмена, а также обмена данными позволит значительно снизить затраты компаний на телекоммуникации - одну из главных статей расходов в современном деловом мире. Помимо этого, такая интеграция существенно упростит управление сетями, поскольку позволит применить единообразный подход к передаче информации всех видов.

НОВАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В ТЕЛЕФОНИИ

Прежде голосовой сигнал в телефонных сетях передавался исключительно в аналоговом виде. При этом для концентрации нескольких телефонных разговоров в один сигнал высокой плотности (впрочем, в этом случае сам термин "высокая плотность" достаточно условен) применялось мультиплексирование с разделением по частотам: для передачи каждого телефонного соединения использовалась своя частота (точнее, узкий диапазон частот вблизи несущей) в пределах общей полосы пропускания телефонного канала.

В начале семидесятых годов произошла первая революция в технологии телефонных сетей - переход от мультиплексирования с разделением по частотам к мультиплексированию с разделением по времени (рисунок 1). При использовании этой технологии аналоговый сигнал передается только на участке между абонентским телефонным аппаратом и телефонной станцией. На телефонной станции голосовой сигнал оцифровывается, иногда - сжимается (кстати, сигналы, генерируемые модемом и факсимильным аппаратом, поддаются сжатию существенно хуже, чем обычные голосовые сигналы) и передается по линиям связи в цифровом виде. При этом общее время работы канала разделяется на определенные промежутки, которые называют временными слотами. В течение одного слота передается сигнал, соответствующий одному телефонному соединению. Такой временной фрагмент цифрового сигнала именуется кадром. Затем канал используется для передачи кадра, соответствующего другому соединению, и так далее. На время передачи кадра устанавливается сквозное соединение по всем участкам сети, находящимся на пути следования кадра от исходной телефонной станции до конечной. В течение следующего временного слота устанавливается другое соединение, соответствующее начальной и конечной станциям передаваемого кадра и так далее. Подчеркнем еще раз, что во время передачи кадра устанавливается именно сквозное соединение, причем оно обеспечивается независимо от того, действительно ли передается информация по линиям связи. Пропуск временного слота, даже пустого, может привести к сбою синхронизации всего канала связи. Несмотря на то, что физически канал связи существует лишь определенную долю времени соединения, на логическом уровне он существует с момента соединения до момента разъединения. Такой подход к передаче информации по коммутируемым сетям именуется коммутацией каналов.

Следующим шагом в развитии телефонной связи по коммутируемым сетям - новой революцией в телефонии - стал переход от коммутации каналов к коммутации пакетов. Идея проста - раз голосовой сигнал уже оцифрован и известно, куда его следует передавать, то достаточно снабдить кадр голосовых данных заголовком с указанием адреса назначения, чтобы получить обычный сетевой пакет, для передачи которого можно использовать технологии, обычно применяемые для передачи данных в глобальных сетях. При этом каждый из пакетов может передаваться к месту назначения по своему собственному пути и никакого прямого соединения между источником вызова и местом его назначения не устанавливается.

Выгоды, получаемые от такого способа передачи голосовой информации, очевидны. Во-первых, одну и ту же линию можно использовать и для передачи данных, и для передачи голоса, причем пропускная способность линии используется куда более эффективно, чем это было при передаче цифровых данных по аналоговым сетям через модем. Цифровые данные передаются непосредственно в цифровом виде, как соответствующая принятой кодировке последовательность импульсов, а голосовая информация перед передачей сжимается (об алгоритмах сжатия и получаемом с их помощью эффекте мы еще поговорим). Во-вторых, при передаче голоса в виде пакетов возможно динамическое использование пропускной способности имеющихся каналов связи: суммарная емкость канала расходуется только на фактическую передачу информации, никаких "простоев" не допускается (вспомним, что при работе с коммутацией каналов временной слот выделяется в течение всего времени соединения, независимо от того, действительно ли передается информация). Получается, что после оцифровки речи голосовая информация ничем не отличается от обычных цифровых данных - правда, только с "точки зрения" передающей среды.

Требования к условиям передачи голоса и данных весьма различны, поэтому унифицированный подход к обмену цифровой и голосовой информацией порождает ряд специфических проблем. Первой и, пожалуй, главной является проблема задержек при передаче пакетов. Не все современные сети, используемые для передачи информации в виде коммутируемых пакетов, могут гарантировать доставку пакета за определенное время. В результате может оказаться, что пакет с очередной "порцией" разговора не будет доставлен в необходимый момент, что приведет к задержке в разговоре, продолжительность которой может достигать сотен миллисекунд. Такие задержки, возможно, допустимы при ведении каких-то рабочих переговоров, но крайне нежелательны для коммерческих сетей связи. Впрочем, некоторые особенности голосовой информации смягчают требования к качеству связи, по сравнению с передачей цифровой информации. Если при передаче чисто цифровой информации недопустима потеря даже одного бита (в результате все данные будут испорчены), то при передаче голоса вполне можно потерять определенную часть информации - человеческое ухо все равно окажется в состоянии правильно воспринять информацию.

Понятно, что до повсеместного использования подобной технологии связи еще весьма далеко. Одна из главных тому причин - отсутствие необходимой инфраструктуры для предоставления коммерческих услуг. Иначе говоря, надо перевести на работу в пакетном режиме все имеющиеся АТС, а это, конечно, пока что - из области фантастики. Однако есть одна область применения телекоммуникаций, где необходимая инфраструктура уже создана. Речь идет о корпоративных глобальных сетях, которые есть во всех организациях, имеющих удаленные филиалы. Такие сети вполне можно использовать для передачи голосовой информации, и при этом удастся значительно сократить расходы организации на связь.

Возникающая ситуация в известной мере является обратной по отношению к использованию модемов для передачи цифровой информации по аналоговым вычислительным сетям. Если раньше цифровой сигнал использовался для модуляции звука, передаваемого по аналоговым линиям (предназначенным в первую очередь для передачи голоса), то теперь звук оцифровывается и передается по каналам связи, предназначенным, в первую очередь, для передачи цифровой информации.

Конечно, скорость передачи цифровой информации должна быть достаточно высокой, иначе ни о какой передаче звука не может быть и речи. В частности, скорости X.25 для этого явно недостаточно. Полное решение проблемы передачи звука по сетям с коммутацией пакетов принесет повсеместное внедрение ATM. Но это произойдет, мягко говоря, не завтра. Пока же достаточно скоростной технологии коммутации пакетов, нашедшей широкое применение в глобальных сетях (как корпоративных, так и через сеть с общим доступом), является frame relay.

ГОЛОС НА FRAME RELAY

Наибольшую выгоду может принести использование frame relay для связи центрального офиса компании с ее филиалами. Наглядно это можно представить как использование каналов frame relay для связи между учрежденческими АТС (private branch exchange - PBX), установленными в связываемых офисах (рисунок 2). Обычной конфигурацией системы связи между удаленным офисом и штаб-квартирой компании является аналоговая линия для передачи голосовой информации плюс какой-либо WAN-канал (в частности, frame relay) для передачи данных. Обеспечив передачу голоса по той же линии, которая используется для передачи данных, компания может довольно существенно сэкономить.

Для упешной реализации голосового обмена по сетям frame relay необходимо решить сформулированные выше технические проблемы. Рассмотрим вначале проблему задержек. Для того, чтобы обеспечить приемлемое качество рабочих переговоров (о коммерческих услугах мы здесь пока не говорим), необходимо добиться, чтобы задержки в передаче речи не превышали 400 мс. Это достигается, в первую очередь, правильным использованием системы приоритетов: пакеты, содержащие голосовой сигнал, должны передаваться раньше пакетов с данными. Обычно считается, что голосовые пакеты должны занимать каждую третью позицию в очереди на передачу. Ясно, что продолжительность задержек при передаче голосовых пакетов зависит от длины пакетов данных, передаваемых в интервале между голосовыми пакетами. Поэтому механизм приоритетов для снижения задержек при передаче часто применяют в сочетании с сегментацией пакетов данных. Данный прием состоит в разбиении общего потока данных на небольшие пакеты таким образом, чтобы время передачи каждого пакета составляло от 5 до 10 мс. Можно потребовать, чтобы условием включения такого режима было наличие голосовой передачи. Когда голос не передается, ограничение на длину пакетов можно снять.

Теперь, зная, что перед каждым голосовым пакетом в очереди на передачу может находиться не более двух пакетов данных, время передачи которых также известно, администратор сети может подсчитать, какая задержка возможна при передаче голоса от точки отправления до точки назначения, и узнать, устроит ли компанию получившаяся цифра. Ясно, что оба параметра, определяющие задержку при передаче голосовых пакетов, поддаются настройке. Впрочем, здесь имеется и определенный нижний предел - если присвоить голосовым пакетам слишком высокий приоритет или задать слишком маленькую длину пакета данных (напомним, что даже на скорости, соответствующей каналу T-1, за одну миллисекунду можно передать 18 байт информации; для принятого в Европе канала E-1 эта цифра составляет 25 байт), можно полностью блокировать передачу данных по сети.

Обычно принимается, что для передачи одного голосового канала требуется пропускная способность 64 Кбит/с. Эту цифру получают следующим образом. Считается, что для того, чтобы человека можно было узнать по голосу, в его речи должны присутствовать частотные составляющие максимальной частотой 4 КГц. Чтобы адекватно передать форму этой составляющей, оцифровку сигнала следует производить с вдвое большей частотой, то есть 8 кГц. Приняв, что разрешение аналого-цифрового преобразования, применяемого при оцифровке, составляет 256 уровней, то есть для записи его результата требуется один байт, как раз и получим 64 Кбит/с. Это число, однако, может быть существенно снижено с помощью сжатия голосовой информации. Битовые последовательности, представляющие собой результат оцифровки голоса, можно сжимать весьма существенно, поскольку голосовой сигнал имеет целый ряд характерных особенностей: в частности, в нем не могут присутствовать резкие скачки амплитуды. Алгоритмы, реализованные в новых специализированных процессорах для обработки цифрового сигнала (digital signal processor - DSP) производства фирмы Motorola, обеспечивают сжатие цифрового голосового сигнала до уровня 16 и даже 8 Кбит/с.

Другим техническим приемом, также позволяющим намного снизить потребности голосового сигнала в пропускной способности, является так называемое подавление молчания. Дело в том, что любой телефонный разговор состоит из речи всего лишь на 40-50 процентов, все остальное время занимают паузы (один говорит, другой слушает). При работе с коммутацией цепей с этим ничего поделать нельзя, поскольку, как уже упоминалось выше, канал связи поддерживается в течение всего разговора, а соответствующие временные слоты остаются пустыми. При работе с коммутацией пакетов имеет смысл "вычленять" такие паузы и не передавать молчание по линиям связи, используя освобождающееся время для передачи данных. Это позволяет достигнуть еще большей экономии пропускной способности.

Для успешной передачи голоса по frame relay необходимо решить проблему правильной обработки заторов. Как известно, при передаче пакетов данных по сетям frame relay никаких квитанций о получении пакетов не посылается - проверка целостности данных производится только средствами протоколов более высоких уровней. Поскольку пакеты в сети пропадают достаточно редко, то такой подход не приводит к существенным потерям времени, одновременно позволяя существенно снизить накладные расходы на пересылку данных. При передаче голосовых данных утерю пакетов распознать не так просто, поэтому ее следует всячески избегать. Одной из ситуаций, которая может привести к потере пакетов, является затор, возникающий, когда тот или иной коммутатор оказывается не в состоянии "прокачивать" по исходящим от него каналам весь поступающий на него трафик. При возникновении затора коммутатор посылает специальное сообщение всем устройствам доступа, от которых исходит трафик, вызвавший затор. Реакцией на это сообщение должно являться снижение скорости передачи данных в сеть, но не все устройства доступа обладают такой способностью. Для корректной передачи голоса корректная обработка заторов является абсолютной необходимостью, в противном случае трудно ожидать, что вся пересылаемая голосовая информация дойдет по назначению в случае возникновения затора.

Несмотря на все перечисленные трудности, похоже, что технология передачи голоса по сетям frame relay находит все больше сторонников. Об этом, в частности, свидетельствуют результаты тестирования устройств доступа к сетям frame relay, проведенного компанией The Tolly Group, отчет о котором публикуется в этом номере журнала, а более полный может быть получен по World Wide Web. Так вот, оказалось, что из восьми компаний-производителей, приславших свои изделия на тестирование, четыре уже поддерживают голосовой обмен, а две из оставшихся объявили о намерении сделать это в ближайшем будущем.

Технология передачи голоса по арендованным линиям frame realy уже достаточно широко применяется для связи между штаб-квартирой компании и ее филиалами. Приведем, на наш взгляд, довольно впечатляющий пример использования этой техники.

У бельгийской стекольной компании Glaverbel есть дочерняя фирма в Чехии под названием Glavunion, владеющая рядом заводов. Естественно, возник вопрос об обеспечении нормальной связи между этими двумя компаниями. Выяснилось (Господи! Кому-то это еще приходится выяснять!), что чешская телефонная сеть работает недостаточно надежно и не обеспечивает должного качества связи. От попыток арендовать широкополосную спутниковую линию, которая могла бы обеспечить передачу нескольких каналов связи, компания отказалась, выяснив стоимость такой услуги.

В результате было решено для связи с несколькими заводами установить скоростные каналы беспроводной связи, а для передачи информации в Брюссель использовать относительно недорогой спутниковый канал на 64 Кбит/с. Для остальной части информационного потока приходилось использовать арендованные линии пропускной способностью от14,4 до 25 Кбит/с, передавая по ним голосовую и факсимильную информацию, а также данные, что никак не могло удовлетворить компанию. Наконец, компания Digital Equipment, чьими услугами как системного интегратора воспользовалась фирма Glaverbel, приняла решение перейти к передаче голоса при помощи технологии frame relay, для чего были приобретены устройства доступа под названием Fast Lane производства компании Scitec. Эти устройства могут сжимать голосовой сигнал таким образом, что для его передачи требуется всего 2400 бит/с. После такой операции даже в очень медленных линиях еще остается "место" для факсимильного обмена и для передачи данных. Отсюда мораль: передача голоса с использованием коммутации пакетов может быть очень полезна для организации корпоративных сетей на базе низкоскоростных линий связи.

Все вышесказанное относится к передаче голоса через сети frame relay на базе арендованных линий. Сети frame relay с общим доступом пока не слишком охотно предлагают своим клиентам услуги по передаче голоса через сеть. Причины этого - как коммерческие, так и чисто технологические. Во-первых, при существующем уровне развития технологии провайдер далеко не всегда может гарантировать клиенту достаточный уровень качества передачи голоса. Во-вторых, крупные телекоммуникационные компании просто не заинтересованы в предоставлении потребителю куда более дешевой связи через frame relay. Как правило, крупные провайдеры дают полную информацию о голосовой связи через frame relay только по запросу клиента, однако, сами эту услугу не рекламируют. Напротив, небольшие компании-провайдеры могут быть заинтересованы в такой рекламе. Судя по публикациям в западной прессе, полномасштабную рекламную поддержку голосовой связи через frame relay дает только компания EMI Communications (Сиракузы, шт. Нью-Йорк).

Чисто технологической причиной того, что телекоммуникационные компании пока не спешат рекламировать голосовую связь через frame relay, является гораздо более сложное устройство публичных сетей по сравнению с корпоративными, поэтому намного труднее решить все их технологические проблемы, связанные с передачей голоса. В особенности это относится к проблеме задержек и заторов. В частности, для своевременной доставки очередного пакета необходимо, чтобы по пути следования от источника до места назначения пакет совершал не более трех скачков - в противном случае задержка становится непредсказуемой. В сетях с общим доступом удовлетворить это требование значительно сложнее, чем в корпоративных сетях.

ТАМ, ЗА ГОРАМИ, В СТРАНЕ ATM

В полной мере идея передачи голосовой информации с коммутацией пакетов будет реализована после полномасштабного воплощения сети ATM. Собственно, ATM и разрабатывалась как технология, благодаря которой можно будет передавать любую информацию по сетям с коммутацией пакетов. В двух словах идею ATM можно сформулировать следующим образом. Информационный поток разбивается на ячейки постоянной длины (по 48 октетов в каждой), каждая из них снабжается заголовком длиной пять октетов, после чего поток информации передается по сети. При этом вся информация, передаваемая в течение сеанса связи от источника к месту назначения, следует по одному и тому же пути, выбираемому в момент установления соединения. Поскольку пакеты, передаваемые по сети ATM, имеют фиксированную длину, то удается достичь высоких скоростей передачи (до 622 Мбит/с), а поскольку все пакеты следуют по одному и тому же пути, то исчезает проблема непредсказуемых задержек. При этом сохраняются все достоинства технологии передачи голосовой информации с коммутацией пакетов, и в первую очередь - возможность динамического распределения пропускной способности каналов.

До полной реализации сетей ATM еще весьма далеко. Причин тому множество - и отсутствие единых стандартов на эту технологию, и крайняя дороговизна скоростных линий связи (на работу с которыми, в первую очередь, и рассчитана ATM), и отсутствие развитой инфраструктуры таких линий. Тем не менее, интерес к этой технологии весьма велик, что связано с появлением технических средств для организации сетей ATM на базе широко доступных и относительно недорогих каналов T-1/E-1. В частности, компания Madge Networks объявила о своих планах представить в конце 1997г. первые результаты работы по созданию новой архитектуры MadgeOne, благодаря которой можно будет использовать существующую WAN-инфраструктуру для передачи различного рода информации, в частности для голосовой связи. При этом в качестве "телефонных аппаратов" предполагается использовать настольные ПК, оборудованные звуковыми платами и микрофонами.