IP-телефония: что это и как работает

До недавнего времени сети с коммутацией каналов (телефонные сети) и сети с коммутацией пакетов (IP-сети) существовали практически независимо друг от друга и использовались для различных целей. Телефонные сети использовались только для передачи голосовой информации, а IP-сети - для передачи данных.

Как работает IP-телефония?

При разговоре голосовые сигналы (слова, которые мы произносим) преобразуются в сжатые пакеты данных. После эти пакеты данных посылаются через Интернет другой стороне. Когда пакеты данных достигают адресата, они декодируются в голосовые сигналы оригинала. Создание пакетов - превращение аналоговых (в частности, звуковых) сигналов в цифровые, их сжатие, передача по сети Интернет и обратное преобразование в аналоговые происходит благодаря существованию протокола передачи данных через Интернет (IP), отсюда и название IP-телефония. Протокол передачи данных - это своеобразный язык, который позволяет преобразовать и донести цифровые данные в точку назначения, причем эти данные могут быть и текстами электронной почты, и голосовыми сообщениями, и изображениями, и видеофрагментами.

В чем отличие IP-телефонии от обычной телефонии?

В обычном телефонном звонке подключение между обоими собеседниками устанавливается через телефонную станцию исключительно с целью разговора. Голосовые сигналы передаются по определенным телефонным линиям, через выделенное подключение. При запросе же по Интернет, сжатые пакеты данных поступают в Интернет с адресом назначения. Каждый пакет данных проходит собственный путь до адресата, по различным маршрутам. Для адресата пакеты данных перегруппировываются и декодируются в голосовые сигналы оригинала.

Почему IP-телефония стоит дешевле? 

Наши тарифы на звонки через IP

Обычные телефонные звонки требуют разветвленной сети связи телефонных станций, связанных закрепленными телефонными линиями, подвода волоконно-оптических кабелей и спутников связи. Высокие затраты телефонных компаний приводят к дорогим междугородным разговорам. Выделенное подключение телефонной станции также имеет много избыточной производительности или времени простоя в течение речевого сеанса. IP-Телефония частично основывается на существующей сети закрепленных телефонных линий. Но главное, она использует технологию сжатия голосовых сигналов и полностью использует емкость телефонных линий. Поэтому пакеты данных от разных запросов, и даже различные их типы, могут перемещаться по одной и той же линии в одно и тоже время.

Общий принцип действия телефонных серверов IP-телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонными линиями и может соединиться с любым телефоном мира. С другой стороны, сервер связан с Интернет и может связаться с любым компьютером в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал, оцифровывает его (если он исходно не цифровой), значительно сжимает, разбивает на пакеты и отправляет через Интернет по назначению с использованием протокола Интернет (TCP/IP). Для пакетов, приходящих из Сети на телефонный сервер и уходящих в телефонную линию, операция происходит в обратном порядке. Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его выход из телефонной сети) происходят практически одновременно, что позволяет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций.

Сеть IP-телефонии (согласно рекомендациям ITU-T H.323) представляет собой набор следующих устройств, соединенных по IP-сети:

1. шлюз (gateway);
2. диспетчер (gatekeeper);
3. монитор (administration manager).

Архитектура сети IP-телефонии представляет собой соединенные по IP-сети шлюзы в телефонную сеть, которые предоставляют непосредственный интерфейс абоненту и осуществляют кодировку, сжатие и пакетизацию голоса/данных и их восстановление. Весь механизм взаимодействия шлюзов и учет производится диспетчерами. Для удобства удаленного конфигурирования и администрирования сети может быть использован монитор. Эти три компонента у разных производителей могут называться по-разному, но все они выполняют функции, обобщенные выше.

Кроме описанных выше требований, оборудование для IP-телефонии должно поддерживать еще несколько возможностей.

Шлюз или gateway - необходимое устройство, подключенное к IP-сети и к телефонной сети (PBX/PSTN). (Private Branch eXchange, PBX - офисная или учрежденческая мини-АТС, Public Switched Telephone Network, PSTN - телефонная сеть общего пользования, ТфОП). 

• ответ на вызов вызывающего абонента PBX/PSTN;
• установление соединения с удаленным шлюзом;
• установление соединения с вызываемым абонентом PBX/PSTN;
• сжатие, пакетирование и восстановление голоса/данных.

Таким образом, шлюз, - это основная и неотъемлемая часть архитектуры IP-телефонии, непосредственно соединяющая телефонную сеть с сетью IP.

Шлюзы разных производителей отличаются способом подключения к телефонной сети, емкостью, аппаратной платформой, реализованными кодеками, интерфейсом и другими характеристиками. Но все они выполняют вышеперечисленные функции, являющиеся базовыми для технологии IP-телефонии.

Диспетчер или gatekeeper - это дополнительное устройство, подключенное только к IP-сети и несущее в себе всю логику работы сети IP-телефонии.

Функции:

• аутентификация и авторизация абонента;
• распределение вызовов между шлюзами;
• биллинг.

Как правило, диспетчер не содержит в себе законченной биллинговой программы, а только основанный на стандартах интерфейс к профессиональным системам биллинга третьих производителей, а также API для разработки оператором собственной биллинговой программы.

Диспетчер необходим в любой сети IP-телефонии, содержащей более двух шлюзов. В первых шлюзах (в первых host-based версиях VocalTec, Vienna и др.) функции диспетчера в их примитивном виде выполнялись самим шлюзом. С развитием технологии и ростом сетей IP-телефонии, функции диспетчера были вынесены в отдельный модуль. Хотя у некоторых производителей диспетчер может физически находиться на одной системе со шлюзом, логически это самостоятельный модуль.

Монитор - необязательный дополнительный модуль сети IP-телефонии, подключаемый только к IP-сети, используемый для удаленного конфигурирования и поддержки остальных устройств сети - шлюзов и диспетчеров.

Функции:

• интерфейс для удаленной настройки через IP-сеть параметров шлюзов и диспетчеров сети IP-телефонии.

Монитор является удобным средством конфигурирования и администрирования сети. В первых шлюзах для этого просто использовались стандартные сетевые приложения. Позднее в целях оптимизации работы производители оборудования IP-телефонии стали выпускать собственные приложения для этих целей.

Кроме описанных выше требований, оборудование для IP-телефонии должно поддерживать еще несколько возможностей.

Передачу управляющей информации. Тональные сигналы не распространяются свободно через Интернет. Кодирование и разбивка на IP-пакеты искажают их до полной неузнаваемости на другом конце связи. Таким образом, телефонные сервера должны определять тональные сигналы локально, подавлять их передачу и затем генерировать на другом конце. Пока не существует стандарта для передачи DTMF через Интернет, однако в настоящее время различные группы ведут разработку по данному вопросу, что позволяет надеяться на появление и этого стандарта в самое ближайшее время.

Интерфейс с телефонными линиями. На связь телефонного сервера с телефонной линией налагается два условия. Связь должна отвечать стандарту, принятому во всех основных странах, поскольку наибольшая экономия, приносимая IP-телефонией, - на международных звонках. Решение должно быть масштабируемым. В зависимости от задачи, стоящей перед системным интегратором, система может варьировать от двух линий для маленького предприятия до нескольких тысяч линий для крупного провайдера (оператора) услуги.

Удаление эха (Echo Cancellation). Телефонные сервера должны уметь удалять эхо. В стандартной конфигурации оба сервера подсоединены к аналоговой телефонной линии через офисную телефонную станцию. Обычно при работе в локальных сетях телефонная система не удаляет эхо. Эхо существует, но локальным звонкам не мешает, т.к. задержка очень мала, так что эхо не возвращается в виде отдельного звука (он практически совпадает с речью). IP-телефония - уникальный случай. С технической точки зрения, используется локальная сеть, для которой проблемы эха как бы не существует, так как оно сливается с исходным звуком. Но необходимо осуществлять дальнюю связь, а IP-телефония сама по себе не гасит эхо. Следовательно, чтобы эхо не искажало звук, гасить его должны телефонные сервера с использованием специальных алгоритмов.

Поддержка полного дуплекса. Телефонное соединение является полнодуплексным, то есть оба собеседника могут говорить одновременно. Хорошие решения IP-телефонии также полнодуплексные.

Голосовая связь через IP-сеть может осуществляться различными способами:

• "Телефон - телефон". Для организации такой связи необходимо наличие определенных сетевых устройств и механизмов взаимодействия. Голосовой трафик передается через IP-сеть, как правило, на отдельном дорогостоящем участке. Устройствами, организующими взаимодействие, являются шлюзы, состыкованные, с одной стороны, с телефонной сетью общего пользования, а с другой - с IP-сетью. Голосовая связь в таком режиме имеет высокое качество, и пользоваться ею удобно. Для того чтобы воспользоваться этой услугой, надо позвонить провайдеру, обслуживающему шлюз, ввести с телефонного аппарата код и номер вызываемого абонента и разговаривать так же, как при обычной телефонной связи. Все необходимые операции по маршрутизации вызова выполнит шлюз.
• "Компьютер - телефон". Здесь открывается больше возможностей использования для корпоративных пользователей, так как чаще всего применяется корпоративная сеть, обслуживающая вызовы от компьютеров до шлюза, которые уже затем передаются по телефонной сети общего пользования. Корпоративные решения с использованием связи "компьютер-телефон" могут помочь сэкономить деньги. Конечному пользователю никакого дополнительного оборудования не требуется. Достаточно иметь под рукой телефон с возможностью тонального набора. Это нужно для того, чтобы, дозвонившись до оператора, ввести свой код в тональном режиме, а дальше действия абонента ничем не отличаются от привычных. В большинстве современных телефонных аппаратов, включая таксофоны и мобильные телефоны, эта функция предусмотрена. Если такого телефона почему-то нет, то с функцией набора может справиться бипер или, в крайнем случае, специальная программа, которую можно скачать из Интернета.
• "WEB - телефон. Еще одна новая услуга, которую предоставляют провайдеры IP-телефонии - это звонок с Вэб-сайта или Surf&Call - решение компании VocalTec в области веб-телефонии, позволяющее осуществлять вызов, выбрав со страницы Интернет ссылку на имя вызываемого абонента. Это решение направлено, прежде всего, на расширение возможностей электронной коммерции. Surf&Call позволяет пользователям Интернет напрямую поговорить, например, с торговым представителем либо со специалистом технической поддержки интересующей его фирмы. Установление телефонного соединения происходит при нажатии курсором на ссылку, представляющую собой, например, название компании, имя вызываемого абонента и т. д. на странице Интернет. При этом пользователю не требуется вторая телефонная линия или прерывание работы в Интернет, необходимо лишь загрузить небольшое клиентское программное обеспечение, которое обычно можно найти на той же WEB-странице, и которое устанавливается автоматически. С другой стороны Surf&Call позволяет представителям компаний отвечать на вопросы, демонстрировать WEB-страницы, передавать необходимую информацию, улучшая тем самым качество предоставляемых услуг.

Преимущества IP-телефонии .

Удешевление телефонных переговоров. Внедрение технологии VOIP позволяет уменьшить суммарные расходы, связанные с ведением международных и междугородних телефонных переговоров, а также начать процесс миграции к технологиям пакетной передачи мультимедийных данных. Кроме того, учитывая возможность выхода на городскую телефонную сеть, использование этой технологии может свести к минимуму аренду обычных телефонных линий.

Улучшенное качество связи. Качество связи можно оценить, используя следующие основные характеристики: уровень искажения голоса; частота "пропадания" голосовых пакетов; время задержки (между произнесением фразы первого абонента и моментом, когда она будет услышана вторым абонентом). По всем перечисленным характеристикам качество связи значительно увеличилось в сравнении с первыми версиями решений IP-телефонии, которые допускали искажение и прерывание речи. Улучшение кодирования голоса и восстановление потерянных пакетов позволило достичь уровня, когда речь понимается абонентами настолько хорошо, что собеседники не догадываются, что соединение происходит по технологии IP-телефонии. Понятно, что задержки влияют на темп беседы. Известно, что для человека задержка до 250 миллисекунд практически незаметна. Существующие на сегодняшний день решения IP-телефонии не превышают этот предел, так что разговор фактически не отличается от связи по обычной телефонной сети. Кроме этого, задержки уменьшаются благодаря следующим трем факторам:

• Во-первых, совершенствуются телефонные серверы (их разработчики борются с задержками, улучшая алгоритмы работы).
• Во-вторых, развиваются частные (корпоративные) сети (их владельцы могут контролировать ширину полосы пропускания и, следовательно, величины задержки).
• В-третьих, развивается сама сеть Интернет - современный Интернет не был рассчитан на коммуникации в режиме реального времени. The Internet Engineering Task Force (IETF) вместе с операторами сетей Интернет предлагают новые технологии, такие, как Reservation Protocol (RSVP), которые позволяют резервировать полосу пропускания.

Решение проблемы занятой линии. Уже давно любители бороздить всемирную сеть сталкиваются с проблемой занятости телефонных линий во время сеанса Dial-up. IP-телефония позволяет очень элегантно решить эту проблему. Единственное, что должен сделать абонент - это заказать на своей АТС переадресацию по сигналу "занято" на телефонный номер сервера IP-телефонии. При звонке на номер абонента во время Интернет-сессии вызов переадресуется на сервер IP-телефонии, который преобразовывает его в IP-пакеты и отправляет на компьютер абонента. На компьютере абонента появляется иконка "Входящий звонок", кликнув на которую он может поговорить со звонящим.

Повышение качества факсимильной связи. Так как, по сути, факсимильное сообщение - поток цифровых данных, а в технологии VoIP данные передаются в цифровом виде, поэтому передача факсимильных сообщений по аналоговым линиям сокращается до минимума. А за счет того, что оборудование имеет возможность демодулировать сигнал перед передачей по IP-сети и передавать закодированное в 64Кбитном формате факс-сообщение в полосе 9,6 Кбит, снижается нагрузка на каналы.

Интеграция филиалов в единую информационную структуру. В последнее время с развитием информационных технологий и увеличением пропускной способности каналов для наиболее оперативного решения деловых задач филиалы компании объединяют в одно целое, образуя интрасеть. Так как предлагаемая технология использует для передачи голоса как раз сети передачи данных, то появляется возможность объединять не только компьютерные сети, но и телефонные.

Виртуальные частные сети (VPN). IP-телефония является идеальной технологией для построения виртуальных частных сетей предприятия. Главная черта технологии VPN - использование IP-сети в качестве магистрали для передачи корпоративного IP-трафика. Сети VPN решают задачи подключения корпоративного пользователя к удаленной сети и соединения нескольких удаленных ЛВС и АТС в единую корпоративную сеть передачи голоса и данных.

Глобальный роуминг. IP-телефония позволяет операторам связи очень просто и с минимальными затратами организовать роуминг услуг связи. Это особенно актуально для операторов мобильной связи - решение, построенное на технологиях IP-телефонии, на порядок дешевле традиционного, и обладает гораздо большей гибкостью.

Совмещенный доступ в Интернет. Голосовые данные, факсимильные сообщения передаются с использованием IP - основного набора протоколов Интернет, данное решение само собой подразумевает доступ к ресурсам сети и очевидную экономию на аренду линий связи и оплату услуг.