Анализ возможности использования алгоритмов пакетной передачи речи в сетях передачи данных ip и Frame Relay

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5

Табл.1.3. Задержка некоторых вокодеров

Стандарт	Тип кодирования	Требуемая полоса пропускания	Задержка накопления
G.726	ADPCM	16; 24; 32; 40 кбит/с	125 мкс
G.728	LD-CELP	16 кбит/с	2.5 мс
G.729	CS-ACELP	8 кбит/с	10 мс
G.723.1	Multi Rate Coder	5.3; 6.3 кбит/с	30 мс

б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать ЦПОС такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или по крайней мере равна задержки накопления. Выбор ЦПОС можно сделать на основании данных о сложности применяемого алгоритма кодирования. Эти данные приведены в Табл.1.4. Производительность ЦПОС должна быть выше или равна указанных величин.

Табл.1.4. Показатели сложности алгоритмов

Стандарт	Тип кодирования	Сложность алгоритма (MIPS)
G.726	ADPCM	8
G.728	LD-CELP	40
G.729	CS-ACELP	30
G.723.1	Multi Rate Coder	20

в) Задержка формирования пакетов. Эта задержка вызвана процессом подготовки речевых пакетов (как информационных единиц протоколов). Например, в одном пакете могут быть собраны три речевых кадра полученных в результате преобразования G.729 (30 мс речи). Это приводит к тому, что задержка пакета составит 30 мс, а не 10 мс, как если бы в нем передавался 1 кадр.

г) Сетевая задержка. Эта задержка возникает при передаче пакетов по сети и зависит от используемых в сети каналов и протоколов передачи, а также приемных буферов для удаления джиттера. Данная задержка может занимать существенную часть общей задержки, и в некоторых сетях IP и Frame Relay составляет 70 - 100 мс и больше.

Рассмотрим проблему удаления джиттера в приемном буфере, так как эта операция может существенно влиять на задержку сети. По определению, джиттер - это величина, равная разнице во времени между поступлениями пакетов в приемный буфер, которая возникает вследствие передачи пакетов по сети. Чтобы воспроизведение речи было непрерывным, необходимо предусмотреть меры по удалению джиттера. Эта процедура заключается в объединении пакетов и удержании их некоторое время в буфере, чтобы позволить самым ”медленным” пакетам успеть прибыть и занять соответствующее место в последовательности. Естественно, это приводит к дополнительной задержке. Таким образом, две противоречивые цели уменьшения задержки и удаления джиттера привели к созданию различных схем оптимизации размера приемного буфера. Эта оптимизация имеет цель уменьшения размера приемного буфера и вносимой задержки, а также предотвращает приемный буфер от переполнения. Возможны два подхода к оптимизации размера приемного буфера.

Первый подход состоит в наблюдении изменения уровня (порядкового номера) пакета в приемном буфере за некоторый период времени и постепенно приводить размер буфера в соответствие с рассчетным джиттером. Этот подход более всего пригоден для сетей, которые обеспечивают последовательное изменение джиттера во времени.

Второй подход состоит в том, чтобы подсчитать число пакетов прибывших с опозданием и определить отношение таких пакетов к числу успешно обработанных пакетов. Этот коэффициент затем используется, чтобы отрегулировать приемный буфер. Это подход лучше всего использовать в сетях для которых характерны большие изменения интервалов между прибываемыми пакетами, например, в сетях IP.

Для того, чтобы обеспечить гарантированное качество речевой связи, сеть должна быть конфигурируема и управляема таким образом, чтобы обеспечивать минимальную задержку и джиттер.

При передачи сообщений по сетям передачи данных с пакетной коммутацией нередко случаются потери отдельных пакетов. Это явление возникает вследствие искажения пакетов в канале связи, а также при применении схем удаления джиттера приемного буфера. При передаче данных эта проблема легко решается соответствующими протоколами, но в случае передачи речи эти протоколы могут быть неприменимы из-за вносимых ими задержек.

Получили распространение следующие подходы решения данной проблемы:

а) Замена потерянного пакета предыдущим успешно принятым пакетом. Этот подход применим, когда количество потерянных пакетов невелико (до 5%).

б) Передача избыточной информации за счет дополнительного использования полосы пропускания. В этом случае вместе с n+1 пакетом посылается и n пакет. Однако, в случае использования этого подхода нерационально используется полоса пропускания и создается большая задержка.

Конец формы

1.5. Меры по обеспечению гарантированного качества передачи речи

Для того чтобы привести все нежелательные факторы, возникающие при передачи речи по сетям с пакетной коммутацией, в соответствие с допустимыми нормами необходимо придерживаться ряда мер по обеспечению гарантированного качества услуг (Quality of Service, QoS).

Обеспечить гарантированное качество услуг - значит распределить внутренние сетевые ресурсы коммутаторов и маршрутизаторов таким образом, чтобы данные могли передаваться точно по назначению, быстро, стабильно и надежно. Существует не слишком много способов обеспечения QoS. Самый простой из них - увеличение полосы пропускания сети. Можно использовать и такие приемы, как задание приоритетов данных, организация очередей, предотвращение перегрузок и формирование трафика. Управление сетью по заданным правилам в перспективе должно объединить все эти способы в единую автоматизированную систему, которая будет гарантировать качество услуг абсолютно на всех участках сети.

1.5.1. Назначение приоритетов

Способы приоритезации данных можно условно подразделить на явные и неявные. При неявном назначении приоритетов маршрутизатор или коммутатор автоматически присваивает услугам соответствующие уровни, исходя из заданных администратором сети критериев (например, типа приложения для применяемого протокола передачи или адреса источника). Каждый входящий пакет анализируется (фильтруется) на соответствие этим критериям. Механизм неявной приоритезации поддерживают практически все маршрутизаторы.

При явной приоритезации данных пользователь или приложение запрашивает определенный уровень службы, а коммутатор или маршрутизатор пытается удовлетворить запрос. Вероятно, самым популярным механизмом явной приоритезации станет протокол IP Precedence (протокол старшинства), получивший второе название IP TOS (IP Type Of Service). IP TOS резервирует ранее не используемое поле TOS в стандартном заголовке пакета IP, где могут быть указаны признаки QoS, определяющие время задержки, скорость передачи и уровень надежности передачи пакета.

Протокол резервирования ресурсов RSVP, предусматривает более сложный, чем в IP TOS, механизм передачи от приложения к машрутизатору запроса на гарантированное качество услуг. Как и IP TOS, протокол RSVP пока не получил широкой поддержки разработчиков - он реализован лишь в отдельных типах маршрутизаторов. Распространение RSVP сдерживается из-за того, что не решены некоторые вопросы, связанные с совместимостью различных сетей. К тому же применение RSVP значительно увеличивает нагрузку на маршрутизаторы и может привести к снижению быстродействия этих устройств.

Видимо, в обозримом будущем неявная приоритезация, не требующая серьезных вычислительных мощностей маршрутизатора, останется более популярной, чем явная. Кроме того, при явном задании приоритетов значительно усложняется управление сетью. Конечные пользователи, скорее всего, будут настраивать свое программное обеспечение на запрос наивысшего из возможных уровней услуг. Соответственно, администратору сети придется разрабатывать правила управления пользователями и, возможно, даже настраивать службы с гарантированным качеством для каждого пользователя в отдельности.

1.5.2. Организация и обслуживание очередей

После того как передаваемым по сети данным назначены соответствующие приоритеты (при помощи явных или неявных методов), требуется определить порядок передачи этих данных, задав алгоритм обслуживания очередей с необходимым качеством (уровнем QoS). По сути, очереди представляют собой области памяти коммутатора или маршрутизатора, в которых группируются пакеты с одинаковыми приоритетами передачи. Алгоритм обслуживания очереди определяет порядок, в котором происходит передача хранящихся в ней пакетов. Смысл применения всех алгоритмов сводится к тому, чтобы обеспечить наилучшее обслуживание трафика с более высоким приоритетом при условии, что и пакету с низким приоритетом гарантируется соответствующее внимание.

При использовании способов задания явных и неявных приоритетов алгоритм обработки очередей определяет порядок их обслуживания. Пакеты с одинаковыми приоритетами передаются по принципу FIFO ("первым пришел — первым вышел").

Если в сети возникает перегрузка, служба очередей не гарантирует своевременного достижения пункта назначения наиболее важными данными. Гарантируется лишь то, что эти пакеты будут переданы раньше, чем имеющие более низкий приоритет.

Современные службы QoS решают такую задачу за счет резервирования полосы пропускания. Каждой из очередей (или их групп) выделяется заранее заданная величина полосы пропускания, что гарантирует определенную полосу пропускания для очереди с более высоким приоритетом. Для критических ситуаций, когда объем данных в очереди превышает размеры полосы пропускания, в алгоритмах обслуживания обычно предусматривается передача трафика с высоким приоритетом на полосу пропускания, "принадлежащую" очередям с низким приоритетом, и наоборот.

Самые простые алгоритмы обслуживают каждую очередь по принципу FIFO. При этом передача кадров большого размера, имеющих высокий приоритет, может приводить к задержкам трафика другого приложения со столь же высоким приоритетом, но меньшим объемом.

В более сложных алгоритмах предпринимается попытка "справедливой" обработки очередей. Например, алгоритм равномерного пропорционального (или взвешенного) обслуживания (WFQ - Weighted Fair Queuing), разработанный компанией Cisco, подразделяет приложения на требующие большой и малой ширины полосы пропускания, а сама полоса пропускания распределяется между всеми приложениями поровну. Следует отметить, что основные производители маршрутизаторов сами разрабатывают алгоритмы обслуживания очередей и используют для их описания собственную терминологию.

Существенным недостатком современных маршрутизаторов и коммутаторов является то, что они поддерживают малое число очередей. Чаще всего производители организуют службы QoS, использующие четыре очереди, хотя чем больше очередей, тем больше различных приоритетов можно присвоить передаваемым пакетам и тем "справедливее" распределить полосу пропускания между приложениями. Например, администратор в состоянии задать приоритеты таким образом, чтобы предпочтение при передаче отдавалось пакетам, адресованным на более удаленные узлы.

1.5.3. Управление нагрузкой

Служба QoS дает возможность использовать для управления сетью два важных механизма - управления в условиях перегрузки и предотвращения перегрузок. Первый из них позволяет конечной станции сразу снижать скорость передачи данных, когда в сети начинается потеря пакетов. В протоколах TCP/IP и SNA этот механизм поддерживается уже в течение нескольких лет. И хотя сам по себе он не гарантирует качества передачи, при его использовании совместно с механизмом предотвращения перегрузок результаты оказываются намного лучшими. В сетях TCP/IP механизм предотвращения перегрузок применяется достаточно давно, но лишь в последние годы он становится стандартом "де-факто" для маршрутизаторов телекоммуникационных сетей и Internet.

Стандартным способом предотвращения перегрузок в сети стало применение механизма случайного выделения пакетов (Random Early Detection, RED). При заполнении очередей выше определенной критической отметки этот механизм заставляет маршрутизатор выбирать из очереди по случайному закону некоторые пакеты и "терять" их. Скорость передачи данных станциями-отправителями снижается, что и позволяет избежать переполнения очереди.

Механизм пропорционального случайного выделения пакетов - WRED (Weighted RED) - можно считать следующей, более совершенной "версией" RED. Он предусматривает, что выбор пакетов, которые должны "потеряться", будет происходить с учетом их приоритезации согласно IP TOS.

Среди устройств, поддерживающих механизмы RED и WRED, можно назвать маршрутизаторы серий 7000 и 12000 фирмы Cisco.

1.5.4. Формирование трафика

Формирование трафика - это общий термин, которым принято обозначать различные способы манипулирования данными для повышения качества их передачи. Один их таких способов - сегментация пакетов. В сетях АТМ гарантированно высокий уровень QoS достигается в том числе и за счет малого размера передаваемых пакетов (ячеек - в терминологии ATM). Максимальное время задержки при передаче любого пакета сети ATM - это время передачи одной ячейки.

Заимствуя полезные механизмы технологии АТМ, производители маршрутизаторов и коммутаторов начинают обеспечивать в своих продуктах возможность сегментации пакетов. Например, маршрутизаторы Cisco серии 12000 имеют встроенный механизм сегментации пакетов на ячейки размером 64 байта, что позволяет гарантировать качество передачи данных маршрутизатором. Некоторые устройства, предназначенные для сетей Frame Relay, сегментируют пакеты, передаваемые по каналам глобальных сетей, чтобы гарантировать конкретное время передачи и минимизировать задержки.

1.5.5. Объединение всех средств реализации QoS

Независимо от того, с помощью каких средств реализуется QoS в маршрутизаторе или коммутаторе, это устройство выполняет свою часть работы по передаче данных отдельно от других элементов сети. Пакет, успешно миновавший несколько узлов, может "застрять" в устройстве, не поддерживающем необходимые механизмы гарантии качества услуг. Устройства, через которые пакет уже прошел, не могут повлиять на его маршрут, чтобы предотвратить попадание пакета в несовершенный элемент сети.

Однако в настоящее время уже разрабатываются так называемые policy-based management systems, т. е. системы управления сетью по заданным правилам. В их функции входит объединение всех средств и формирование алгоритмов управления, обеспечивающих QoS на всех участках сети.

Специальное ПО, которое использует данные мониторинга и параметры администрирования, будет следить за работой сети, определять оптимальные способы реализации заданного уровня QoS и динамически настраивать маршрутизаторы и коммутаторы. Серверы правил будут "опираться" и на данные сетевых каталогов, устанавливая с их помощью, какие уровни служб соответствуют уровню запроса пользователя или приложения. Для связи серверов и каталогов чаще всего будет служить протокол LDAP (Lightweight Directory Access Protocol - облегченный протокол доступа к каталогам).

Конец формы

1.6. Метод передачи речи по сетям передачи данных Frame Relay

Метод передачи речи по сетям передачи данных - Voice over Frame Relay (VoFR), принятый Форумом Frame Relay в качестве стандарта FRF.11, расширяет область применения сетей передачи данных Frame Relay, и предусматривает набор мер (протоколов), позволяющих передавать по ним речевой трафик и некоторые другие виды информации.

Данный стандарт предусматривает:

поддержку множества алгоритмов кодирования речи;
эффективное использование низкоскоростных соединений Frame Relay;
мультиплексирование до 255 подканалов в одном логическом соединении;
поддержку различных речевых информационных элементов различных подканалов в пределах одного кадра;
мультиплексирование подканалов данных и речевых подканалов в единственном DLC (Data Link Connection).

Транспортировка речи обеспечивается универсальным форматом кадра, который поддерживает мультиплексирование речевых подканалов и подканалов данных в единственном DLC.

Доступ к сети осуществляется посредством специального устройства - VFRAD (Voice Frame Relay Access Device), которое использует метод Frame Relay в интерфейсе ”пользователь - сеть” (UNI) как средство передачи речи, телефонной сигнализации и данных. VFRAD подключаются к UNI через физические интерфейсы, как определено в стандарте [19].

В качестве оконечных устройств могут использоваться: ПК с соответствующим программным обеспечением, факсимильный аппарат, телефонный аппарат, УПАТС, и т.п.

FRF.11 поддерживает такие возможности как инициализацию и завершение вызовов для оконечных устройств, обеспечение межсетевого обмена между индивидуальными подканалами в интерфейсе VoFR и подканалами в другом типе речевого интерфейса, коммутацию вызовов.

Для того, чтобы в полной мере реализовать описанные возможности, стек протоколов должен обеспечить полнодуплексный обмен информацией. Обмен информацией осуществляется посредством передачи двух типов информационных элементов: основных информационных элементов (ИЭ) и сигнальных ИЭ.

К основным ИЭ относятся:

Закодированная речь.
Закодированная факсимильная информация.
Кадры с данными.

К сигнальным ИЭ относятся:

Цифры телефонного номера: DTMF или импульсы.
Биты сигнализации (Внутриканальная сигнализация).
Индикатор аварии.
Сообщения о сигнализации (в случае использования сигнализации по общему каналу).
Закодированная факсимильная информация.
Дескриптор информации о паузе.

Дескриптор информации о паузе (SID) информируют о паузе в разговоре и обеспечивает передачу параметров генерации комфортного шума. SID поддерживают алгоритмы обнаружения активности речи (VAD) и схемы подавления пауз.

В случае использования VAD, подкадры SID могут быть дополнительно переданы за последним закодированным речевым подкадром. Прием подкадра SID происходит после того, как речевой подкадр был интерпретирован как явное указание конца речевого потока. Кроме того, подкадры SID могут передаваться в любое время в течение интервала тишины для коррекции генерации комфортного шума.

UNI Frame Relay может поддерживать множество PVC, обеспечивающих услуги VoFR, а VoFR, в свою очередь, предусматривает организацию множества речевых подканалов и подканалов данных в единственном DLC. На Рис.1.6 представлен пример мультиплексирования речи и данных.

Рис.1.6. Возможность мультиплексирования множества речевых подканалов.

На Рис. 1.7 представлен формат речевого ИЭ, где поле ”Тип кодирования” определяет тип применяемого алгоритма кодирования речи.

Рис.1.7. Формат речевого информационного элемента.

Каждый ИЭ упакован как подкадр в пределах информационного поля кадра. Подкадры (см. Рис. 1.8) могут объединяться в пределах единственного кадра Frame Relay, с тем чтобы повысить эффективность обработки и транспортировки. Каждый подкадр содержит заголовок и информационный элемент. Заголовок подкадра идентифицирует речевой подканал и, когда требуется, тип информационного элемента (основной или сигнальный) и его длину.

Минимальный заголовок подкадра - 1 октет, содержащий младшие биты идентификатора речевого подканала, а также указания расширения и длины. Октет расширения, содержащий старшие биты идентификатора речевого подканала тип ИЭ используется в случае, когда установлен бит ”Указание Расширения” (Extension Indication). Октет с длиной ИЭ используется в случае, когда установлен бит ”Указание Длины” (Length Indication).

Рис.1.8. Формат подкадра VoFR.

1.7. Метод передачи речи по сетям передачи данных IP

В настоящее время разработкой и исследованием стандартов связанных с передачей речи по сетям IP (и в частности по сети Internet), занимается Форум Voice over IP (VoIP Forum). Это рабочая группа Международного Консорциума Мультимедийных Телеконференций (International Multimedia Teleconferencing Consortium), организованная с целью обеспечения взаимодействия персональных компьютеров и телефонов в сети Internet. Членами Форума являются многие ведущие компании - разработчики сетевого оборудования: Cisco Systems Inc., 3Com, Action Consulting, Creative Labs, Dialogic, MICOM Communications, Microsoft, NetSpeak, Nortel, Nuera Communications, Octel, U.S. Robotics, Vienna Systems, Vocaltec и Voxware. Деятельность Форума имеет несколько направлений: выработка набора открытых, последовательных руководящих принципов для реализации устройств, обеспечивающих передачу речи по сетям передачи данных IP; гарантирование полной совместимости оборудования и программных средств, а также высокого качества услуг. Форум VoIP подготовил так называемое Соглашение о внедрении (Implementation Agreement - IA 1.0), регламентирующее основные принципы и эталонную модель передачи речи по сетям передачи данных IP.

Соглашение о внедрении Форума VoIP основывается на рекомендации ITU Н.323 [11]. Кроме того, VoIP IA 1.0 определяет комплексный каталог и службу управления вызовами (Management Agent System), которая объединяет имеющуюся в сети службу каталогов с динамической адресацией IP и обеспечивает инфраструктуру для усовершенствованной службы управления вызовами. В качестве средства обеспечения гарантированного качества услуг рекомендовано использование протокола RSVP.

1.7.1. Основные положения стандарта H.323

Вообще говоря, H.323 это не один стандарт, а целая серия стандартов для поддержки передачи речи и видео по сетям без обеспечения качества услуг. Он содержит спецификации алгоритмов кодирования речи и видео, протоколы установления и управления соединениями, меры для обеспечения передачи в реальном времени, интерфейсы с другими сетями и т. д. H.323 не привязан к какому-либо конкретному типу сети, однако H.323 нашел применение преимущественно именно в сетях на базе IP.

Стек протоколов H.323, приведен на Рис. 1.9.

Blog

Анализ возможности использования алгоритмов пакетной передачи речи в сетях передачи данных ip и Frame Relay