Анализ возможности использования алгоритмов пакетной передачи речи в сетях передачи данных ip и Frame Relay
| Вид материала | Анализ |
СодержаниеТабл.1.1. Краткий обзор нагрузки речевых трактов. Табл.1.6. Заголовок пакета IP и усредненное потребление полосы пропускания. |
- Лекция 11 Система gprs, 312.4kb.
- Ун-т «Дубна». Курс «Компьютерные сети», 611.15kb.
- Введение в предмет основы телекоммуникационного бизнеса, 31.52kb.
- О. В. Тараканов московский инженерно-физический институт (государственный университет), 17.51kb.
- Преимущественные характеристики помехоустойчивых кодов, применяемых для обработки, 399.37kb.
- Internet protocol, 624.15kb.
- Лекция 4 Общие принципы ip-телефонии Терминология, 154.1kb.
- Лабораторная работа, 78.36kb.
- Анализ и разработка моделей систем передачи данных с гибридной решающей обратной связью, 276.23kb.
- Удование, объединенные одним или несколькими автономными высокоскоростными каналами, 52.06kb.
Рис.1.9. Cтек протоколов H.323
H.323 включает также такие стандарты кодирования речи, как G.711, G.722, G.723.1, G.728 и G.729, из которых G.711 является основным. Несмотря на обязательность применения G.711 и достаточную пропускную способность локальных сетей для поддержки предусматриваемых им скоростей передачи, эксперты предсказывают широкую популярность другому стандарту кодирования речи, а именно G.723.1, так как ему требуется очень небольшая скорость передачи, а это обстоятельство становится очень важным при передаче по территориально распределенным сетям.
Особое положение занимает подгруппа стандартов для контроля вызовов, в том числе для установления соединения, управления потоками, контроля доступа, передачи служебных сообщений и т. п. Ключевым компонентом этой подгруппы является протокол управляющего канала H.245 для передачи разного рода служебной информации во время сеансов H.323. Он применяется для согласования конечными точками взаимоприемлемых параметров, открытия и закрытия логических каналов, передачи сообщений для управления потоками и других необходимых команд и запросов.
Соединение же между двумя устройствами H.323 устанавливается и закрывается с помощью другого протокола данной подгруппы - протокола сигнализации вызова Q.931, а регистрация и контроль доступа, контроль за доступной пропускной способностью и статусом устройств H.323 осуществляются посредством третьего протокола этой подгруппы - RAS (в его названии перечислены основные выполняемые им функции - регистрация (Registration), контроль доступа (Admission) и мониторинг статуса (Status)).
H.323 использует транспортировку информации как с гарантией доставки, так и без нее. Первая применяется для передачи служебных сообщений и данных, так как в этом случае потери информации недопустимы, а вторая - для речи и видео, поскольку запоздавший пакет вряд ли будет полезен соответствующему приложению. Доставка с гарантией обеспечивается протоколом TCP, а доставка без гарантии осуществляется посредством UDP.
Доставка речи и видео в реальном масштабе времени обеспечивается протоколами RTP (Real-Time Transfer Protocol) и RTCP (Real-Time Transfer Control Protocol).
Каждый пакет RTP имеет основной заголовок, а также дополнительные поля, в случае, когда число участников сеанса больше двух. На Рис. 1.10 представлена структура пакета RTP в случае организации речевой связи между двумя абонентами.
Рис.1.10. Формат пакета RTP.
Заголовок RTP состоит из следующих полей:
- поле версии (2 бита): текущая версия вторая;
- P - поле заполнения (1 бит): это поле сигнализирует о наличии заполняющих октетов в конце полезной нагрузки. (Заполнение применяется, когда приложение требует, чтобы размер полезной нагрузки был кратен, например, 32 битам.) В этом случае последний октет указывает число заполняющих октетов;
- X - поле расширения заголовка (1 бит): когда это поле задано, то за основным заголовком следует еще один дополнительный, используемый в экспериментальных расширениях RTP;
- CC - поле числа отправителей (4 бита): это поле содержит число идентификаторов отправителей, чьи данные находятся в пакете, причем сами идентификаторы следуют за основным заголовком; поле маркера (1 бит): смысл бита маркера зависит от типа полезной нагрузки. Бит маркера используется обычно для указания границ потока данных. В случае передачи видео он задает конец кадра. В случае передачи речи он задает начало разговора после периода молчания;
- поле типа полезной нагрузки (7 бит): это поле идентифицирует тип полезной нагрузки и формат данных, включая сжатие и шифрование. В стационарном состоянии отправитель использует только один тип полезной нагрузки в течение сеанса, но он может его изменить в ответ на изменение условий, если об этом сигнализирует протокол управления передачей в реальном времени (Real-Time Transport Control Protocol);
- поле порядкового номера (16 бит): каждый источник начинает нумеровать пакеты с произвольного номера, увеличиваемого затем на единицу с каждым посланным пакетом данных RTP. Это позволяет обнаружить потерю пакетов и определить порядок пакетов с одинаковой отметкой о времени. Несколько последовательных пакетов могут иметь одну и ту же отметку о времени, если логически они порождены в один и тот же момент (например, пакеты, принадлежащие к одному и тому же видеокадру);
- поле отметки о времени (32 бита): здесь записывается момент времени, в который был создан первый октет данных полезной нагрузки. Единицы, в которых время указывается в этом поле, зависят от типа полезной нагрузки. Значение определяется по локальным часам отправителя;
- поле идентификатора источника синхронизации: генерируемое случайным образом число, уникальным образом идентифицирующее источник в течение сеанса;
- поле полезной нагрузки: в случае передачи речи, полезной нагрузкой являются речевые кадры, сформированные вокодером. Размеры речевых кадров различных типов вокодеров были приведены в разделе 1.3.
Протокол RTP используется только для передачи пользовательских данных. Отдельный протокол управления передачей в реальном времени (RTCP) работает с несколькими адресатами для обеспечения обратной связи с отправителями данных RTP и другими участниками сеанса. RTCP использует тот же самый базовый транспортный протокол, что и RTP (обычно UDP), но другой номер порта. Сообщения отправителя позволяют получателям оценить скорость данных и качество передачи. Сообщения получателей содержат информацию о проблемах, с которыми они сталкиваются, включая утерю пакетов и избыточную неравномерность передачи.
1.7.2. Операционная среда VoIP
Операционная среда VoIP описывает физические элементы, которые обеспечивают передачу речи по сети IP в соответствии со стандартом VoIP IA 1.0 и могут взаимодействовать друг с другом. Эти элементы представлены на Рис. 1.11.
Рис.1.11. Операционная среда VoIP.
Терминалы H.323 - это конечные точки сети, с помощью которых пользователи могут взаимодействовать друг с другом в реальном времени. Типичными примерами терминалов могут служить клиентские ПК с программным обеспечением аудио- или видеоконференций типа NetMeeting компании Microsoft; в последнее время их число пополнили так называемые Internet-телефоны. В обязательном порядке все терминалы должны поддерживать сжатие голоса по алгоритму G.711, H.245 - для согласования параметров соединения, Q.931 - для установления и контроля соединения, канал RAS - для взаимодействия с привратником (gatekeeper), а также RTP/RTCP - для оптимизации доставки речи и/или видео.
Другим архитектурным компонентом H.323 является шлюз. Его основная функция состоит в преобразовании форматов и протоколов передачи. Шлюз позволяет связать терминалы H.323 с другими, не поддерживающими данный стандарт конечными устройствами, в частности с обычными телефонами, а также с терминальными устройствами ISDN. Терминалы передают шлюзам необходимую информацию с помощью протоколов H.245 и Q.931.
Шлюз является необязательным компонентом и применяется только в случае необходимости организации взаимодействия с другими сетями. Многие функции шлюзов оставлены на усмотрение разработчика. Например, стандарт не оговаривает, сколько терминалов, соединений, конференций должен поддерживать шлюз и какие преобразования форматов и протоколов он обязан выполнять.
Третий, и наиболее важный, компонент любой сети H.323 - это привратник. Он выступает в качестве центра обработки вызовов внутри своей зоны и выполняет важнейшие функции управления вызовами. (Зона определяется как совокупность всех терминалов и шлюзов под юрисдикцией данного привратника.) Кроме того, привратник выполняет контроль доступа, т. е. идентификацию вызовов с помощью RAS.
Сервер DNS (Domain Name System) используется в системе адресации и хранит соответствия между всеми именами хостов и адресами IP для данного домена (домен охватывает все нижележащие ветви для данного узла дерева DNS).
1.8. Сравнение методов передачи речи VoFR и VoIP
1.8.1. Требования к речевым трактам
Стоимость внедрения возможности передачи речи и факсимильной информации по сетям передачи данных, зависит в основном от стоимости УСПРД (оборудование интеграции речи и данных), стоимость которого пропорциональна числу речевых трактов, организуемых этим оборудованием. Поэтому есть смысл стремиться минимизировать число необходимых речевых трактов.
Опыт показывает, что два речевых тракта функционируют в среднем около 3 часов в течение 8-часового рабочего дня, при условии, что 95% абонентов получат доступ с первой попытки; четыре тракта функционируют около 12 часов, и так далее. В Табл.1.1 представлена информация о загрузки речевых трактов.
Условие 95% доступности - достаточно высокий показатель для абонентов сети совместной передачи речи и данных, хотя можно использовать и более высокий процент доступности, однако возрастающее при этом число трактов отрицательно сказывается на стоимости оборудования.
Табл.1.1. Краткий обзор нагрузки речевых трактов.
| | Время телефонных разговоров (в часах) | ||||
| Период | Количество речевых трактов | ||||
| | 2 | 4 | 8 | 12 | 24 |
| 1 час | 0.4 | 1.45 | 4.32 | 7.6 | 19.0 |
| 2 часа | 0.7 | 2.9 | 8.64 | 15.2 | 38.0 |
| 4 часа | 1.5 | 5.8 | 17.28 | 30.4 | 76.0 |
| 6 часов | 2.2 | 8.7 | 25.92 | 45.60 | 114.0 |
| 8 часов | 2.9 | 11.6 | 34.56 | 60.8 | 152.0 |
| 9 часов | 3.3 | 13.05 | 38.88 | 68.4 | 171.0 |
В главном узле число трактов часто рассчитывается как процент от общего числа трактов в подчиненных узлах. Например, для 20 подчиненных узлов с двумя речевыми трактами в каждом (всего 40 трактов), в большинстве случаев требуется только 15-20 речевых трактов в главном узле. Подчиненные тракты должны оспорить набор трактов главного узла, с коэффициентом конкуренции 8/3 (40/15), или 2/1 (40/20). В Табл.1.3 приведены некоторые общие коэффициенты конкуренции.
Табл.1.3. Коэффициенты конкуренции.
| Общее количество удаленных трактов | Число удаленных узлов с двумя трактами в каждом | Типичное количество трактов главного узла | Типичные коэффициенты конкуренции |
| 2 | 1 | 2 | 1:1 |
| 4 | 2 | 3-4 | 1.3:1 - 1:1 |
| 6 | 3 | 4 | 1.5:1 |
| 8 | 4 | 5-6 | 1.6:1 - 1.8:1 |
| 10 | 5 | 5-6 | 1.7:1 - 2:1 |
| 16 | 8 | 8-9 | 1.8:1 - 2:1 |
| 24 | 12 | 10-13 | 1.8:1 - 2.4:1 |
| 32 | 16 | 13-16 | 2:1 - 2.5:1 |
| 64 | 32 | 24-29 | 2.2:1 - 2.7:1 |
1.8.2. Сравнение размеров служебной информации кадра Frame Relay и пакета IP
Основное различие VoIP и VoFR состоит в том, что размер служебной информации пакета IP существенно больше кадра Frame Relay. Сравним оба метода на предмет использования полосы пропускания, и в качестве примера рассмотрим вокодер G.723.1 (5,3 кбит/c). Усредненное потребление полосы пропускания при использовании методов VoFR и VoIP приведено соответственно в Табл.1.5 и Табл.1.6.
Табл.1.5. Заголовок кадра FR и усредненное потребление полосы пропускания.
| Полоса пропускания используемая кодером | 5,3 кбит/c |
| Для передачи служебной информации кадра Frame Relay с речью | 2,1 кбит/c |
| Суммарное использование полосы пропускания в сети Frame Relay. | 7,4 кбит/c |
| Удаление пауз речи (60%) | - 4,4 кбит/c |
| Окончательное использование полосы пропускания, усредненное за период 20-30 секунд разговора. | 3 кбит/c |
Необходимо заметить, что при сравнении не учитывается размер служебной информации, добавляемой к пакету IP, при его передаче на канальном уровне.
Табл.1.6. Заголовок пакета IP и усредненное потребление полосы пропускания.
| Полоса пропускания используемая кодером | 5,3 кбит/c |
| Для передачи служебной информации речевого пакета IP | 12,7 кбит/c |
| Суммарное использование полосы пропускания в сети IP | 18 кбит/c |
| Удаление пауз речи (60%) | - 7,2 кбит/c |
| Окончательное использование полосы пропускания, усредненное за период 20-30 секунд разговора. | 10,8 кбит/c |
1.8.3. Сравнение VoFR и VoIP с точки зрения использования полосы пропускания
Предыдущие цифры показывают, что трафик IP использует почти в 3 раза большую полосу пропускания чем трафик Frame Relay. Например, в канале 64 Кбит/с сети Frame Relay может быть организовано 64/7,4 = 8 речевых трактов, в отличие от 64/18 = 3 при использовании сети IP.
Один из подходов решения данной проблемы требует рассмотрения так называемого ”рабочего цикла” речевого тракта. Рабочим циклом называется время использования речевого тракта в течении рабочего дня. В случае, когда тракт не используется, потребление полосы пропускания составляет 0 кбит/с. Рабочий цикл варьируется в зависимости от числа речевых трактов в канале, которое обычно не превышает загрузочный фактор - 95% доступных телефонных номеров.
В Табл.1.7 показана зависимость среднего рабочего цикла от различного числа речевых трактов за 8-часовой рабочий день. Например, время использования отдельного речевого тракта составляет 36% от длительности рабочего дня (рассматривается один из четырех трактов). Величина 36% обычно наблюдается (достигается) за 20-30 минутный период, и означает, что общий расход полосы пропускания речевым трактом за этот период составляет 36% от 6 Кбит/с (для IP) или от 4 Кбит/с (для FR), то есть 2.2 Кбит/с для IP или 1.4 Кбит/с для FR.
Табл.1.7. Усредненный рабочий цикл различного числа трактов
| Количество трактов | 2 | 4 | 8 | 12 | 24 |
| Рабочий цикл | 18% | 36% | 54% | 63% | 79% |
Например, пусть имеется 2 речевых тракта с 18% рабочим циклом. Оба тракта могут функционировать 2,9 часа в течение рабочего дня. Каждый тракт использует 3 кбит/c от полосы пропускания канала (VoFR), и с учетом рабочего цикла эта величина составит в среднем 0.54 кбит/c (4 кбит/c * 18%) за 20-30 минутный период. Итак, в случае использования канала 64 Кбит/c, остаток составит 63.46 кбит/c.
1.8.4. Сравнение сегментации кадров VoFR и пакетов VoIP
Принцип последовательной передачи пакетов по каналу связи приводит к тому, что передача длинного пакета с данными может существенно увеличить время ожидания передачи речевого пакета. Например, передача 1500 байтового пакета Ethernet по каналу доступа 56 кбит/с составит более 200 мс.
Следовательно для УСПРД важно, чтобы имелась возможность просегментировать любые длинные пакеты данных, особенно для низкоскоростных каналов доступа. Ограничения на размеры пакетов с данными приведены в Табл.1.8.
Табл.1.8. Максимальные размеры пакетов с данными.
| Размер полосы пропускания канала доступа (кбит/c) | Максимальный размер пакета (байт) |
| 56/64 | 256 |
| 128 | 512 |
| 192 | 768 |
| 256 | 1024 |
| 384 | 1536 |
| 512 | 2048 |
| 1544 | 6144 |
Последствием сегментации пакетов данных является уменьшение эффективности предачи данных. Поскольку есть фиксированный заголовок для каждого пакета, то создание небольших пакетов увеличивает процент служебной информации. Последствия сегментации в сетях Frame Relay менее чувствительны, чем в сетях IP поскольку размер заголовка Frame Relay существенно меньше.
В сетях IP эффективность функционирования сети может уменьшиться на 10-15%; в сетях Frame Relay - на 2-4%.
При использовании метода VoFR, сегментация пакетов происходит автоматически в VFRAD всякий раз, когда есть речевой вызов. В случае завершения разговора сегментация прекращается.
При использовании VoIP сегментация пакетов происходит в маршрутизаторе доступа по команде администратора сети или под управлением протокола “шлюз-маршрутизатор”, как например, RSVP. При использовании RSVP, устанавливается сеанс RSVP с маршрутизатором, в течении которого маршрутизатор сегментирует пакеты с данными.
Поскольку большинство маршрутизаторов и шлюзов VoIP не поддерживают RSVP или аналогичный управляющий протокол, принудительная сегментация, при использовании VoIP, в среднем на 10%-15% снижает эффективность функционирования сети на низкоскоростных каналах, независимо от того, присутствуют или нет телефонные вызовы.
Т.о., основными преимуществами VoFR над VoIP являются:
- более эффективное использование полосы пропускания каналов;
- меньшие показатели задержек передачи речи;
- автоматическая сегментация данных.
Конец формы
Конец формы
2. Анализ возможности передачи речи по сети передачи данных Frame RelayЦелью настоящего анализа является оценка вместимости каналов корпоративной сети передачи данных (КСПД) для организации в них речевых трактов, при передачи речи согласно методу VoFR, а также расчет задержки передачи речи по сети передачи данных Frame Relay, как основного показателя качества передачи речи.
2.1. Наиболее вероятная схема организации речевой связи по сети передачи данных Frame Relay
При организации телефонной связи на основе сети передачи данных Frame Relay основным руководящим документом является стандарт FRF.11 [18]. В нем четко сформулированы функции VFRAD, а также способы подключения к нему телефонного оборудования и место VFRAD в структуре сети. Основные положения стандарта FRF.11 были приведены в разделе 1.6. Для кодирования речи желательно использовать вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU G.723.1 [3]. Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением качество речи / скорость потока. Характеристики вокодера можно найти в разделе 1.3.
На Рис. 2.1 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети Frame Relay.
