Пакетная телефония

Впервые за сто с лишним лет в телекоммуникационной отрасли меняется парадигма телефонной связи. В 90-е гг. эволюция перенесла нас из эры связи на основе коммутации каналов в эпоху более совершенной технологии передачи речи — пакетной телефонии. С того времени, когда возникла Internet (более 25 лет тому назад), сети передачи данных совершили революционный переворот в индустрии связи и в конце концов подарили все преимущества своих технологий телефонной отрасли. Достигло ли своего предела развитие традиционных телефонных сетей общего пользования? Кажется, это так, ведь только оборудование передачи данных способно привносить в них все новые и новые возможности.

Впервые в истории телекоммуникационная отрасль обратила взор на технологию пакетной передачи сигналов, открывающую новую эру пакетной телефонии. Традиционно передача данных играла незначительную роль в телекоммуникационном бизнесе, обеспечивая ежегодный доход приблизительно в 150 млрд дол., в то время как оборот рынка телефонной связи был колоссальным — свыше 1 трлн дол. Однако существуют весомые причины проявления интереса к рынку передачи данных со стороны телефонистов: согласно исследованиям Dataquest, за последние два года оборот телефонного рынка вырос на скромные 8%, а рынка передачи данных — на впечатляющие 23%.

Сегодня пользователи начинают осознавать экономические и технологические преимущества пакетной телефонии. Как правило, пакетом называют единицу информации, передаваемой в соответствии с протоколами третьего уровня ЭМВОС, например X.25 или IP. Для простоты мы будем использовать термины "пакет" и "пакетный" для обозначения транспортной единицы вне зависимости от того, каков уровень сетевого протокола, — третий или второй.

Как всегда бывает при смене парадигмы, пользователей терзают сомнения в стабильности и жизнеспосбности новой технологии. Сравнение технологий пакетной телефонии поможет вам лучше понять сущность методов пакетной передачи речи в соответствии с протоколами frame relay (Voice over Frame Realy, VoFR) и IP (Voice over IP, VoIP). В предлагаемой вашему вниманию статье дается лишь общее представление о технологии, являющейся основой пакетной телефонии. Однако в будущем оно позволит сформулировать технические требования к единой управляемой сети с интеграцией мультимедийных услуг.

Ожидается, что пакетная телефония пробьет значительную брешь в доходах, получаемых от услуг традиционной телефонной связи. По данным IDC, в 1999 г. будет насчитываться 16 млн пользователей Internet-телефонии. Предполагается, что к 2002 г. пакетная транспортировка речи будет приносить такой же доход, как и телефонные сети общего пользования (ТфОП). Столь поразительные прогнозы привлекли внимание обоих лагерей: передачи данных и традиционной телефонии. Грядет битва за раздел этого быстро развивающегося рынка.

Эволюция сетей передачи данных

Следует честно признаться: ТфОП достигли пределов возможного. Коммутация каналов, в отличие от коммутации пакетов, более не в состоянии удовлетворять растущие потребности рынка, обеспечивать активное внедрение новых и дополнительных услуг, снижение удельных затрат на расширение сетей. Правда, благодаря компьютерно-телефонной интеграции (CTI) в последнее десятилетие в развитии ТфОП наметился очевидный прогресс, однако стоимость внедрения современных компьютерных технологий в сетях с коммутацией каналов слишком высока.

Почему бы не пойти другим путем и не попробовать интегрировать телефоны в существующие компьютерные сети? Технологии VoIP и VoFR реализуют именно такой подход. Пакетная телефония дает отрасли электросвязи второе дыхание. Эта технология предоставляет все сервисы ТфОП, вкус к которым мы успели почувствовать, — ожидание вызова, конференцсвязь, многокальные номера и т. д. Более того, пакетная телефония обеспечивает новые возможности:

• в десять и более раз повышает эффективность использования полосы пропускания каналов за счет эффективных алгоритмов сжатия данных;
• обеспечивает будущую интеграцию интерактивных мультимедиауслуг, например "видео по запросу";
• позволяет осуществлять единое управление сетью передачи всех типов трафика — речи, данных и видео;
• поддерживает широко применяемые протоколы (в том числе frame relay и IP) и гетерогенные архитектуры;
• предоставляет конечным пользователям выбор способа телефонной связи, позволяя сократить расходы на междугородные звонки. Например, пользователь может набрать перед требуемым номером "6" и выбрать связь по frame relay, "7" будет означать IP, а "8" — обычную ТфОП.

Пакетная телефония становятся первой ступенькой на пути к будущему, пронизанному мультимедиатехнологиями реального времени.

Коммутация каналов или пакетов?

Коммутация пакетов все более утверждается в стратегических планах телекоммуникационных операторов. И настолько успешно, что заставляет их изменять собственное позиционирование, чтобы повышать доходность. Популярность коммутации пакетов объясняется не только взрывным ростом числа абонентов, но и экономией, которую она приносит как потребителю, так и провайдеру.

Давайте немного отвлечемся и рассмотрим модель современной электросвязи. Нынешние телефонные сети основаны на испытанной и надежной технологии коммутации каналов (рис. 1), которая для каждого телефонного разговора требует выделенного физического соединения. Следовательно, один канал представляет собой одно физическое соединение. В этом случае аналоговый сигнал шириной 3,1 кГц передается на ближайшую АТС, где он мультиплексируется по технологии временного разделения (Time Division Multiplexing, TDM) с сигналами, которые поступают от других абонентов, подключенных к этой АТС. Достигнув АТС назначения, сигнал демультиплексируется и "в одиночестве" доходит до адресата. К сожалению, аналоговая природа сетей ТфОП вызывает проблемы. Разработка аналоговых устройств, как хорошо известно из опыта, — непростая задача, что подтверждается сложностью спецификаций на модемы V.34.

Рис. 1. Связь на основе коммутации каналов

Будущее за цифровыми технологиями! Они используются повсюду — в мэйнфреймах и ПК, CD-ROM и цифровых видеодисках, аудиосистемах Dolby Digital и... этот список можно продолжать бесконечно. Верите или нет, но даже холодильники и автомобили стали цифровыми! Такая эволюция не случайна. Разработка устройств превратилась в науку, а данный подход оказался самым гибким и позволяющим быстро создавать наиболее эффективные приборы. Все новые коммуникационные протоколы, включая frame relay, DSL и ATM, возведены на цифровом фундаменте.

Переход от аналоговых к цифровым технологиям стал важным шагом для возникновения современного цифрового мира. Стандарт модемов V.90 фактически закрепляет смычку между аналоговыми ТфОП и цифровыми сетями ISDN.

Следующий шаг развития цифровой телефонии — переход к пакетной телефонии. По каналам передаются единицы информации, которые не зависят от физического носителя. Такими единицами могут быть пакеты, кадры или ячейки (в зависимости от протокола), но в любом случае они передаются по разделяемой сети (рис. 2), более того — по отдельным виртуальным каналам, не зависящим от физической среды. Каждый пакет идентифицируется заголовком, который может содержать информацию об используемом им канале, его происхождении (т. е. об источнике или отправителе) и пункте назначения (о получателе или приемнике).

Рис. 2. Сеть с интеграцией пакетной телефонии

Операторы этого пакетного рынка получают преимущества, присущие разделяемой инфраструктуре электросвязи по самой ее природе. Проще говоря, они могут продать больше, чем в действительности имеют, основываясь на статистическом анализе работы сети. Поскольку предполагается, что абоненты не будут круглосуточно и ежедневно задействовать всю оплаченную полосу, можно набрать больше абонентов, не расширяя магистральную инфраструктуру. Оборот и прибыль при этом увеличиваются.

Иными словами, абонент, оплативший полосу 64 кбит/с, использует канал в среднем лишь на 25%. Следовательно, оператор способен продать имеющийся у него ресурс в четыре раза большему числу пользователей, не перегружая свою сеть. Такой сценарий выгоден обеим сторонам — и клиенту, и продавцу, — поскольку оператор увеличивает свои доходы и уменьшает абонентскую плату за счет снижения издержек. Это выигрышное решение уже признано в мире передачи данных, а теперь притягивает и взоры игроков на рынке телефонии.

Что делать?

Internet вездесуща. Получить доступ во Всемирную сеть легко, достаточно обратиться к местному провайдеру ее услуг, к альтернативному телефонному оператору или на региональное предприятие электросвязи. Но следует оговориться, что появление пакетной телефонии породило ложное представление о технологии VoIP как средстве передачи речи через Internet.

К сожалению, простота, с которой данные передаются по Сети, не распространяется на связь в режиме реального времени, в том числе на передачу речи и видео. В действительности Internet не готова к удовлетворению растущих потребностей передачи сигналов в масштабе реального времени. Более того, эта сеть, вероятно, никогда не станет пригодной для телефонии и транспортировки видео.

Исследования показывают, что понадобятся в лучшем случае три-пять лет, прежде чем Internet сможет обеспечить качество обслуживания (Quality of Service, QoS), необходимое для пропуска трафика в режиме реального времени, и справиться с задержками, губительно влияющими на качество передачи речи. Вспомним, что по имеющимся прогнозам трафик данных вырастет многократно: армия киберпутешественников в США, насчитывающая сегодня 10 млн пользователей, к 2000 г. достигнет 60 млн (данные Forrester Research). Нелегко будет даже обеспечить полосу пропускания для передачи обычных данных. Словом, ближайшее будущее пакетной телефонии ассоциируется с выделенными каналами связи, которыми располагают поставщики услуг Internet-телефонии и альтернативные телефонные операторы.

Степень устойчивости различных типов мультимедийного трафика к потерям пакетов и задержкам можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 3). Анализ показывает, что для достижения приемлемого качества речи задержки в сети должны быть минимальными. В то же время, полоса пропускания для передачи речи по существующим корпоративным сетям ничтожно мала по сравнению с "коммуникационными трубопроводами", необходимыми для транспортировки видео, графических файлов и потоков данных, которые порождают киберпутешественники и видеоконференции.

Рис. 3. Устойчивость различных видов трафика к задержкам и потерям пакетов

Когда дело касается мультимедийного трафика и качества обслуживания, общедоступная Internet вызывает сплошное разочарование, а корпоративная сеть показывает себя во всем великолепии. Экономическая эффективность "прозрачной" интеграции пакетной телефонии в существующие корпоративные сети была доказана многократно. Тем самым лишний раз был подтвержден тезис, в соответствии с которым совершенствование корпоративной сети усиливает позиции компании в конкурентной борьбе.

Сегодня мы способны выбирать между двумя транспортными протоколами — frame relay (FR) и Internet Protocol (IP). Во многих случаях поддержка того или иного протокола является единственным определяющим фактором выбора технологии пакетной телефонии. В мире не так много сетей, где используется протокол FR, поэтому IP часто не имеет альтернативы. Однако с точки зрения качества и удобства обслуживания, как показано дальше, наилучшим решением может стать применение FR везде где возможно, а IP — в остальных случаях. Третий вариант — смешанный, он требует установки шлюзов, объединяющих сети, которые работают по двум упомянутым протоколам. Шлюзы пакетной телефонии отвечают за сквозное прохождение речевого трафика, за управление полосой пропускания и поддержание высокого качества обслуживания.

FR получил широкое применение как надежный и экономичный сетевой протокол. В большинстве стран Центральной и Восточной Европы уже имеются сети FR. В странах, где доступ к сетям FR ограничен или отсутствует, корпорации внедряют этот протокол в собственных сетях, чтобы воспользоваться присущими ему возможностями, такими как статистическое временное мультиплексирование и малые задержки. Международные альянсы операторов увеличивают доступность услуг FR. Кроме того, ожидается, что либерализация телекоммуникационного рынка, которая проходит во многих странах, будет способствовать распространению сетей этого протокола. Появление новых услуг, например коммутируемых виртуальных каналов (SVC), добавит весу сетям FR за счет преимуществ услуг коммутации.

С точки зрения пионеров внедрения пакетной телефонии, наибольшую выгоду от новой технологии получат:

• корпоративные пользователи услуг FR — VoFR позволит им получить доступ к дополнительным услугам и сократить расходы. Пользователи смогут выбирать, какая технология — VoFR или VoIP — будет "работать" в точке доступа, и далее использовать FR как транспортный протокол, обеспечивающий малые задержки и высокую эффективность передачи информации;
• корпоративные пользователи услуг IP —VoIP добавит новые услуги, не нарушая целостности существующих в сети приложений. В большинстве случаев имеющаяся пропускная способность сети не создаст проблем, но некоторые превентивные меры принять следует, в частности для обеспечения QоS. Конкретно речь может идти о поддержке Real Time Protocol (RTP) и видов обслуживания (Type of Service, ToS). Потребуются также сложные схемы установления приоритетов и организации очередей для придания привилегированного статуса телефонному трафику;
• поставщики услуг Internet-телефонии — эти компании будут проектировать сети пакетной телефонии, что называется, от печки. Главное для них — найти самые "передовые" шлюзы, функциональность которых обеспечит легкое сопряжение IP- и FR-сетей и совместимость с АТС различных типов.

Бесплатная полоса

Шумиха вокруг пакетной телефонии обязана своим возникновением тому, что данный вид связи обещает финансовые выгоды. Однако пока новые операторы не начнут обнародовать свои тарифы, экономические перспективы, связанные с этой технологией, останутся туманными.

Мы можем прибегнуть к простому приему, сравнив затраты на обычные коммутируемые каналы и на те же каналы после внедрения средств компрессии. Насколько эффективно "работают" эти средства можно узнать из таблицы. В корпоративных сетях сжатие сигнала сразу отражается на телефонных счетах за аренду каналов: в США при использовании алгоритма G.723.1 (сжатие речевого сигнала до 5,3 кбит/с) ежемесячный платеж сокращается с 800 до 70 дол. Даже если добавить к этому служебный трафик FR, счет вырастет всего лишь на 8 дол./мес.

К сожалению, в реальном мире экономию нельзя вычислить так же просто. Вопреки многочисленным статьям, обещающим, что в случае применения VoIP она составит 90%, истинные цифры будут получены лишь после становления этого рынка. Первоначально альтернативные телефонные операторы и поставщики услуг Internet-телефонии установят тарифы, которые позволят им окупить вложения в новую инфраструктуру пакетной телефонии. Есть и другие факторы, влияющие на тарифы VoIP:

• наличие или отсутствие конкуренции в стране (во втором случае стоимость услуг выше);
• степень либерализации телекоммуникационного рынка в конкретной стране;
• количество операторов пакетной телефонии.

Весомой экономии не получить до тех пор, пока конкуренция и либирализация не вынудят снизить цены. Тем не менее VoIP и VoFR обещают стать самыми недорогими видами телефонной связи.

Анализ потенциальной выгоды требует также понимания структуры расценок на постоянные виртуальные каналы (PVC) FR. Стоимость линии доступа может составлять свыше 50% от затрат на пользование сетью. Экономия, которую дают сквозные соединения в частной сети, складывается из нескольких элементов (рис. 4).

Рис. 4. Элементы сети пакетной телефонии

В противоположность этому, плата за выделенные линии взимается независимо от их реального использования. Преимущества такой схемы проявляются только тогда, когда каналы задействуются более двух-шести часов в сутки (точные цифры зависят от расценок, принятых в стране). Если не требуется значительная пропускная способность, может оказаться оправданным применение коммутируемых соединений через ТфОП или сеть ISDN. В таком случае абонент платит только за время соединения.

Телефонная связь по протоколу IP принесет еще большую экономию, поскольку в этом случае оплачивается лишь число переданных по сети байт, а они не передаются:

• во время установления соединения (т. е. пока АТС обмениваются служебной информацией);
• при интерполяции цифрового сигнала (подавлении речевых пауз). Напомним, что при телефонном разговоре осущуетвляется полудуплексная связь, т.е. когда один собеседник говорит, другой слушает (в это время "слушатель" может передавать данные);
• при возникновении пауз в разговоре;
• в процессе переадресации вызова.

Полудуплексная природа телефонной связи означает 50-процентное уменьшение трафика. Сравним: пользователь ТфОП оплачивает время соединения полностью — независимо от того, сколько времени занял сам разговор. В IP-телефонии все не так, размышления и ожидание не оплачиваются.

Дополнительный потенциал экономии предоставляет функция "контейнерной упаковки речи" (voice bundling), реализуемая многофункциональными устройствами доступа. Она позволяет инкапсулировать несколько речевых пакетов в один "контейнер" протокола глобальной сети. Контейнеры, состоящие из пяти речевых пакетов, в случае VoIP сокращают потребление полосы пропускания более чем на 30%, а в случае VoFR — более чем на 7%.

Где мои гарантии?

ТфОП имеют подтвержденную десятилетиями репутацию исключительно надежной инфраструктуры. Их надежность составляет 99,999%, или 5 минут отказа за год. Надежность сетей FR — от 99% (3,6 нерабочих дней) до 99,999%. Гарантией высокой надежности сети может служить соглашение об уровне обслуживания (SLA). Чем этот уровень выше, тем значительней цена обслуживания.

Всемирная Сеть — со всей ее непредсказуемостью — обладает низкой степенью надежности и не отвечает требованиям корпоративных заказчиков. Перерывы в решении критически важных для предприятия задач порой оборачиваются потерей миллионов долларов. А поскольку уровень надежности Internet трудно определить, при использовании Сети для нужд связи речь может идти только о том, что пакеты будут доставлены при первой возможности.

Сам по себе IP, будучи протоколом третьего уровня ЭМВОС, не способен гарантировать сквозную передачу информации от источника к получателю. Другими словами, в нем отсутствует механизм оповещения отправителя о доставке его послания адресату. Здесь в дело вступает протокол TCP, который "заботится" не только о подтверждении доставки, но и о пересылке поврежденных или утерянных пакетов. Однако сложность передачи изохронного трафика через Internet заключается в том, что Сеть не позволяет управлять потоком данных и полосой пропускания, а также обеспечивать необходимое качество обслуживания. Именно по этим причинам в корпоративных и ведомственных IP-сетях для организации телефонной связи применяются такие механизмы, как RTP, ToS и Resource Reservation Protocol (RSVP).

IP-маршрутизаторы расценивают перегрузку сети или выход из строя какого-либо узла как нестабильное состояние сети. До тех пор, пока не будет восстановлено ее устойчивое состояние, сохраняется опасность потери пакетов. Время, необходимое для "возврата" сети в стабильное состояние, зависит от используемого протокола маршрутизации.

В сетях на основе протокола RIP (Routng Information Protocol) для нахождения пути в обход отказавшего узла требуются 90 с. В течение данного периода пакеты могут быть сброшены, но это слабо влияет на телефонную связь, поскольку потеря небольшой части пакетов не оказывает заметного воздействия на восприятие речи. Впрочем, если пакет данных оказался "сброшенным", TCP обеспечит его повторную отправку. Допустимо также применять протокол маршрутизации Open Shortest Path First (OSPF), который позволяет восстановить стабильность за несколько секунд (правда, ценой такого ускорения является усложнение конструкции сети).

С точки зрения пользователя важно, чтобы при отказе маршрутизатора пакеты динамически направлялись в обход и связь не прерывалась. В этом проявляется главное преимущество IP, обусловленное его "неориентированностью" на соединение. Напротив, в сетях FR выход из строя узла означает немедленную потерю связи. Таков фундаментальный недостаток протокола, ориентированного на соединение.

В современных сетях FR связь обеспечивается с помощью PVC. Отказ одного из звеньев вызывает нарушение работы всего PVC. В этом случае целостность сети обеспечивается за счет поддержания относительно дешевых резервных коммутируемых соединений там, где это экономически необходимо. Возможны варианты:

• настройка резервного порта FR — при аварии происходит автоматическое переключение на запасной PVC;
• аренда резервного канала ISDN — при отказе основного канала менее чем за 800 мс устанавливается резервное соединение через ISDN, и пользователи даже не замечают такого перехода;
• подача заявки на предоставление SVC, который обеспечивает более гибкие способы восстановления соединения.

Хотя 100-процентная гарантия надежности связи вряд ли достижима в нынешних сетях, постарайтесь указать столько "девяток" в соглашении об уровне обслуживания, сколько позволяет ваш бюджет. Это как со страховым договором, заключенным на время турпоездки: если случится худшее, вы очень порадуетесь тому, что не пожадничали.

IP многократно упрощает конфигурирование сети. Для добавления нового устройства достаточно задать его IP-адрес и настроить IP-маску. Затем протокол маршрутизации обновит таблицы соседних узлов. (Если узел напрямую подключен к Internet, необходимо зарегистрироваться в комитете Internet Engineering Task Force.)

В сетях FR дела обстоят иначе. Поскольку FR базируется на PVC, конфигурировать такие сети сложнее: соединения здесь основаны не на адресах источника и получателя, а на идентификаторах DLCI (Data Link Connection Identifier). Например, чтобы добавить десятый узел в полносвязную инфраструктуру из девяти узлов, требуется сконфигурировать 10 DLCI. Аналогично, в сети из 1000 узлов придется задать 1000 новых DLCI и т. д. Чем больше узлов в полносвязной сети, тем больше оснований перейти на IP.

По этой причине для сетей FR более подходит топология типа "звезда"; она позволяет решать самые разнообразне задачи. В таких сетях весь трафик сначала аккумулируется в региональных концентраторах, а лишь потом направляется адресатам.

В крупных корпоративных и общедоступных сетях можно объединить два типа топологии (полносвязанную и "звезда"), взяв лучшее "из обоих миров". Распределенный трафик полносвязной сети защищает отдельные узлы от перегрузки, а архитектура "звезда" упрощает конфигурирование оконечных узлов.

(Окончание следует)

Об авторе