Анализ возможности использования алгоритмов пакетной передачи речи в сетях передачи данных ip и Frame Relay
| Вид материала | Анализ |
- 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. 2.1. Схема организации телефонной связи по сети передачи данных Frame Relay.
Для определенности предположим, что услугами телефонной связи пользуются абоненты двух узлов. Для этого выделен постоянный виртуальный канал, в рамках которого может быть организовано до 255 речевых трактов (подканалов). Теоретически, максимальная гарантированная скорость передачи по виртуальному каналу (СIR) не может превышать величины пропускной способности физического канала связи, соединяющего узлы сети.
Положим, что в сети организован виртуальный канал, с максимально возможной гарантированной скоростью передачи, и в рамках него организовано максимально возможное количество речевых трактов. Для этого рассмотрим два типа каналов: с пропускной способностью 19,2 кбит/c и 2048 кбит/c.
2.2. Оценка количества речевых трактов при организации речевой связи по физическому каналу 19,2 кбит/с
Исходя из того, что скорость алгоритма кодирования речи составляет 5,3 кбит/c, можно делать выводы о возможном количестве речевых трактов. Ясно, что их количество по крайней мере должно быть не более 3 (19,2 / 5,3 = 3,6; где 19,2 - скорость физического канала в кбит/c, а 5,3 - скорость алгоритма в кбит/c). Это означает, что номера подканалов можно представить в виде 6 разрядного двоичного числа и тем самым уменьшить на один байт размер заголовка подкадра (см. описание структуры подкадров в разделе 1.6.). Исходя из того, что размер речевого кадра составляет 20 байтов, формат речевого подкадра согласно стандарту FRF.11 будет иметь вид, представленный на Рис. 2.2.
Рис. 2.2. Формат речевого подкадра.
Предположим, что в одном виртуальном канале функционируют 3 речевых тракта. Это означает, что кадр Frame Relay, согласно стандарту FRF.11, будет иметь вид, представленный на Рис. 2.3.
Рис. 2.3. Формат кадра Frame Relay, при организации 3 речевых подканалов.
Из Рис. 2.3 видно, что общий размер кадра Frame Relay составляет 28 байтов. Из них 20 байтов - полезная нагрузка. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 7,4 кбит/c (20 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/c, следовательно 28 байтов кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью 7,4 кбит/c для своевременной доставки речевого кадра). Этот вывод показывает, что для организации 3-х речевых трактов потребуется 22,2 кбит/c пропускной способности физического канала (7,4 кбит/c 3 = 22,2 кбит/c), и это означает, что невозможно организовать 3 речевых тракта в канале 19,2 кбит/c. Возможна организация лишь 2 речевых трактов. В случае организации двух речевых трактов, необходимо 14,8 кбит/c пропускной способности канала связи.
Воспользуемся такой возможностью метода VoFR как мультиплексирование различных подканалов в единственном кадре Frame Relay и попробуем вложить в кадр Frame Relay 3 речевых подкадра различных пользователей. В этом случае, в соответствии со стандартом FRF.11, кадр Frame Relay, будет иметь формат, представленный на Рис.2.4.
Рис. 2.4. Формат кадра Frame Relay с несколькими речевыми кадрами.
Из рисунка видно, что общий размер кадра Frame Relay составляет 73 байта. Из них 60 байтов - полезная нагрузка. Исходя условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 19,3 кбит/c (20 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/c, следовательно 73 байта кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью 19,3 кбит/c, для своевременной доставки речевого кадра). Т.о. даже в случае мультиплексирования нескольких речевых кадров в пределах одного кадра Frame Relay нельзя организовать 3 речевых тракта в канале 19,2 кбит/c.
На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что при использовании физического канала связи с пропускной способностью 19,2 кбит/c и алгоритма кодирования речи G.723.1 (ACELP - 5,3 кбит/c) для передачи речи по сети Frame Relay можно организовать 2 речевых тракта.
2.3. Оценка количества речевых трактов, при организации речевой связи по физическому каналу 2048 кбит/с
При определении размера кадра Frame Relay будем исходить из того, что в одном кадре Frame Relay передается один речевой кадр. Дело в том, что мультиплексирование различных подканалов в пределах одного кадра Frame Relay приводит к дополнительной задержке.
Количество речевых трактов для данного физического канала по крайней мере должно быть не более 386 (2048 / 5,3 = 386,4; где 2048 - скорость физического канала в кбит/c, а 5,3 - скорость алгоритма в кбит/c). Рассмотим виртуальный канал с максимальным числом речевых трактов (т.е. 255 речевых подканалов). Это означает, что номера 63 первых подканалов будут представлены 6 разрядным двоичным числом, поэтому заголовок подкадра будет составлять 1 байт, а номера последующих 192 подканалов будут представлены в виде 8 разрядного двоичного числа, т.е заголовок подкадра будет иметь размер 2 байта (см. описание структуры подкадров в разделе 1.6.). Кроме того, каждый речевой кадр должен быть снабжен фиксированным заголовком в 1 байт. Таким образом размер 63 кадров Frame Relay составит 28 и размер 192 кадров - 29 байтов.
Рассматривается час наибольшей нагрузки, когда все речевые тракты одновременно активны. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, 63 кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью не менее 7,4 кбит/c, а 192 кадра - со скоростью 7,7 кбит/c, для своевременной доставки речевых кадров. Исходя из этого условия можно определить полосу пропускания необходимую для организации 255 речевых трактов ([63 * 7,4 кбит/c] + [192 * 7,7 кбит/c] = 1945 кбит/c).
Видно, что при использовании канала 2048 кбит/с остается еще 103 кбит/c пропускной способности, где можно организовать дополнительный виртуальный канал для нужд речевой связи.
Количество речевых подканалов по крайней мере не будет превышать 19 (103 / 5,3 = 19). Это означает, что номера подканалов могут быть представлены 6 разрядным двоичным числом, и следовательно размер кадра составит 28 байтов. Исходя из того, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, кадр Frame Relay должен быть передан со скоростью не менее 7,4 кбит/c. Это означает, что в случае активности всех речевых трактов для данной пропускной способности их число составит 13.
Окончательно можно сделать вывод о том, что при использовании физического канала связи с пропускной способностью 2048 кбит/c и алгоритма кодирования речи G.723.1 (ACELP - 5,3 кбит/c) для передачи речи по сети Frame Relay можно организовать 2 виртуальных канала с общим числом речевых трактов равным 268.
2.4. Анализ задержки передачи речи по сети передачи данных Frame Relay
Основным показателем качества передачи речи является совокупная задержка передачи речевого сигнала, поэтому основное внимание следует обратить именно на этот показатель качества телефонной связи.
Условия анализа были приведены в предыдущем разделе, однако для удобства рассмотрения вводится такое условие, что в сети организован один виртуальный канал содержащий единственный речевой тракт. В этом случае размер кадра Frame Relay будет составлять 28 байтов и следовательно должен быть передан со скоростью 7,4 кбит/с. Формат кадра Frame Relay представлен на Рис.2.5.
Рис. 2.5. Формат кадра Frame Relay для единственного речевого подканала.
На Рис.2.6. представлена схема распределения задержек, возникающих при передачи речи по сети Frame Relay корпоративной сети передачи данных.
Рис. 2.6. Схема распределения задержек в сети передачи данных Frame Relay.
Предположим, что в сети отсутствует какая-либо дополнительная нагрузка. Таким образом, опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов при передаче речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных Frame Relay в соответствии со следующим соотношением:
Величины задержек накопления и обработки были приведены при описании основных характеристик вокодеров, в разделе 1.3. Последовательная задержка рассчитывалась из того минимально допустимого условия, что кадры Frame Relay от узла к узлу будут передаваться с постоянной скоростью 7,4 кбит/c. Задержка распространения сигнала, рассчитывалась из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU G.114 рассчитывается из соотношения:
задержка распространения (мс) = 0,004 * протяженность канала связи (км).
В Табл.2.1. представлены величины задержек, возникающих при передачи речи между абонентами некоторых узлов корпоративной сети передачи данных.
Табл. 2.1. Односторонняя задержка при передаче речевого сигнала по сети Frame Relay (от ТЛФ до ТЛФ)
| | Москва-1 | С.-Петербург | Калининград | Новосибирск | Петропавловск-Камчатский |
| Москва-1 | | 153 мс | 154 мс | 189 мс | 270 мс |
| С.-Петербург | | | 187 мс | 222 мс | 303 мс |
| Калининград | | | | 223 мс | 304 мс |
| Новосибирск | | | | | 201 мс |
Конец формы
4. Анализ возможности передачи речи по сети передачи данных IP Как и в предыдущем случае, целью данного анализа является оценка возможного числа речевых трактов, которые можно организовать на основе физических каналов сети передачи данных пропускной способности 19,2 и 2048 кбит/c, а также расчет общей задержки, возникающей при передаче речи по сети передачи данных IP корпоративной сети передачи данных.
4.1. Наиболее вероятная схема организации речевой связи по сети передачи данных IP
Организация речевой связи по сети IP основана на использовании метода VoIP, описанного в разделе 1.7. Основными устройствами, обеспечивающими передачу речи, являются шлюз VoIP, к которому может быть подключена УПАТС или отдельные телефонные аппараты, и речевой терминал. В качестве речевого терминала, в частности, может выступать персональный компьютер удаленного абонента корпоративной сети, снабженный соответствующими аппаратными и программными средствами.
Как правило, в сетях передачи данных используется оборудование не позволяющее в полной мере реализовать все требования стандарта VoIP IA 1.0, так как не все маршрутизаторы поддерживают протокол резервирования ресурсов RSVP, который рассматривался в этом стандарте как средство обеспечения гарантированного качества передачи речи.
Для кодирования речи будет использоваться вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU G.723.1. Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением качество речи / скорость потока. Характеристики вокодера можно найти в разделе 1.3.
На Рис. 4.1 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети IP.
Рис. 4.1. Схема организации телефонной связи по сети передачи данных IP.
В качестве протокола канального уровня, при передачи информации между узлами сети, используется протокол Frame Relay. Для передачи информации, между соседними узлами сети выделяется виртуальный канал с максимально возможной согласованной скоростью передачи.
4.2. Оценка количества речевых трактов, при организации речевой связи по физическому каналу 19,2 кбит/с
Исходя из того, что размер речевого кадра составляет 20 байтов, формат пакета IP согласно стандарту VoIP IA 1.0 будет иметь вид, представленный на Рис. 3.2.
Рис. 4.2. Формат пакета IP.
При передачи этот пакет упаковывается в кадр Frame Relay, который добавляет еще 6 байтов служебной информации (2 байта - флаги, 2 байта - FCS, 2 байта - стандартный заголовок). Итого, полный размер кадра Frame Relay составит 74 байта.
Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/c, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 19,6 кбит/c (20 байтов, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 5,3 кбит/c, следовательно 74 байта кадра Frame Relay должны быть переданы со скоростью 19,6 кбит/c, для своевременной доставки речевого кадра). Т.о. канал пропускной способности 19,2 кбит/c нельзя использовать для передачи речи в соответствии со стандартом VoIP IA 1.0.
4.3. Оценка количества речевых трактов при организации речевой связи по физическому каналу 2048 кбит/с
Как и в предыдущем случае, рассуждения основаны на том, что между соседними узлами на базе физического канала 2048 кбит/c создан виртуальный канал с максимально возможной согласованной скоростью передачи.
В рамках этого канала передаются речевые пакеты IP от различных абонентов, одновременно ведущих телефонные переговоры. Требуется определить максимально возможное количество телефонных абонентов, которые будут иметь возможность одновременно использовать данный канал.
Размер пакета IP составляет 68 байтов, и таким образом размер кадра Frame Relay составит 74 байта (2 байта - флаги, 2 байта - FCS, 2 байта - стандартный заголовок, 68 байтов - пакет IP).
Необходимо вычислить, какое количество кадров Frame Relay можно передать по каналу 2048 кбит/c за 30 мс (это условие обосновывается тем, что речевой кадр размером 20 байтов любого из абонентов должен быть передан от узла к узлу со скоростью не менее 5,3 кбит/с). Количество речевых кадров, а значит и число возможных абонентов составит 104.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что в физическом канале пропускной способности 2048 кбит/с можно организовать одновременную передачу речевой информации от 104 различных абонентов КСПД (имеющих различные адреса IP), что равносильно организации 104 отдельных речевых трактов.
4.4. Анализ задержки передачи речи по сети передачи данных IP
Для определенности условимся, что в сети осуществляется телефонные разговоры между 103 абонентами речевых терминалов двух различных узлов КСПД, соединенных каналом 2048 кбит/c. Локальная сеть функционирует согласно протоколу Ethernet, 10 Мбит/c.
Метод передачи информации, предусмотренный протоколом Ethernet, заключается в том, что перед посылкой данных станции "слушают" сеть, чтобы определить, используется ли она в данный момент. Если сеть используется, то желающая передавать станция ожидает. Передача информации осуществляется кадрами Ethernet, которые имеют формат, представленный в Табл. 4.1.
Табл. 4.1. Формат кадра Ethernet
Каждый речевой пакет пользователя упаковывается в кадр Ethernet и передается по локальной сети согласно приведенному выше правилу. Это означает, что пакет 113 - го абонента будет передан с задержкой 8 мс. Такое заключение сделано из следующих соображений: размер кадра Ethernet для каждого абонента будет иметь размер 94 байта или 752 бита (68 байтов - размер речевого пакета IP, 26 байтов - служебная информация кадра Ethernet), а скорость передачи кадра по локальной сети составляет 10 Мбит/c. Значит, максимальная задержка передачи по локальной сети будет составлять:
103 [ 752 бита / 10000000 бит/c ] = 0,008 с.
На данных (скоростных) направлениях применяются магистральные маршрутизаторы серии Cisco 7000, или, в недалеком будущем, Cisco 7200, которые отличаются высокой производительностью (например, у маршрутизатора Cisco 7200 скорость передачи по системной шине составляет 600 Мбит/с). Из этих соображений, вносимая ими задержка, при обработке пакетов IP на сетевом уровне ЭМВОС, будет незначительная и учитываться не будет.
Из маршрутизатора речевой пакет IP передается на порт с функциями FRAD коммутатора Frame Relay серии Cascade STDX - 6000, где формируется кадр Frame Relay для передачи информации между узлами сети. Информация между маршрутизатором и коммутатором передается со скоростью 2048 кбит/c (скорость физического интерфейса), и это означает, что последовательная задержка передачи пакета IP в худшем случае составит 27 мс (задержка передачи 103 пакетов IP размером 68 байт со скоростью 2048 кбит/с составит 27мс).
Размер кадра Frame Relay составит 74 байта (2 байта - флаги, 2 байта - FCS, 2 байта - стандартный заголовок, 68 байтов - пакет IP). Таким образом, последовательная задержка передачи речевого пакета 103-го пользователя составит 30 мс.
Задержка распространения сигнала, рассчитывалась из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU G.114 рассчитывается из соотношения:
задержка распространения (мс) = 0,004 протяженность канала связи (км)
На Рис. 4.3 представлена схема распределения задержек при передачи речи по сети IP КСПД.
Рис. 4.3. Схема распределения задержек в сети IP.
Опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов, при передачи речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных IP КСПД, в соответствии со следующим соотношением:
Использование низкоскоростных каналов для передачи речи по сети IP недопустимо, поэтому рассмотрим КСПД построенную на основе цифровых каналов 2048 кбит/с.
В Табл. 3.1 представлены величины задержек, возникающих при передачи речи между абонентами некоторых узлов корпоративной сети.
Табл. 4.2. Односторонняя задержка передачи речевого сигнала по сети IP.
| | Москва-1 | С.-Петербург | Екатеринбург | Новосибирск | Хабаровск |
| ЦУС | 190 мс | 193 мс | 193 мс | 256 мс | 327 мс |
| Москва-1 | | 193 мс | 193 мс | 256 мс | 327 мс |
| С.-Петербург | | | 253 мс | 316 мс | 387 мс |
| Екатеринбург | | | | 196 мс | 267 мс |
| Новосибирск | | | | | 204 мс |
Приведенные показатели задержек могут помочь оценить величину реальной задержки в полноценно работающей сети передачи данных IP.
Конец формы
5. Пример практического внедрения метода передачи речи VoIP Создание телефонной сети на базе имеющейся сети передачи данных видимо эффективнее осуществлять с использованием метода VoFR, но когда речь идет об обеспечении услугами речевой связи обычных удаленных пользователей локальных сетей, необходимо вспомнить о технологии VoIP - именно в этом заключается вся ее привлекательность.
Однако выбор оборудования и процесс внедрения подобной технологии должен быть всесторонне обоснован, поскольку реализация приемлемой речевой связи требует решения целого ряда сложных и взаимосвязанных технических и организационных проблем.
В настоящее время лидером сетевой индустрии является компания Cisco Systems, и по мнению экспертов, предлагающая наилучшие решения по передаче речевого трафика в сетях передачи данных. В частности, для обеспечения качества речи в сетях IP фирма Cisco Systems предусматривает использование в своем оборудовании таких возможностей как: RTP, RSVP, IP precedence, Weighted Fair Queing (WFQ), сжатие заголовков RTP и другие. Для уменьшения требований к полосе пропускания поддерживаются практически все стандарты сжатия речи, в том числе G.711, G.729 и G.723.1.
В качестве оборудования для передачи речи по сетям IP можно выделить такие серии как: AS5300 и Cisco 3600.
Универсальный сервер доступа серии AS5300 представляет собой многоцелевую платформу, обеспечивающую функции сервера доступа, маршрутизатора и пула цифровых модемов на едином шасси.
AS5300 имеет модульную архитектуру и может быть укомплектован различными интерфейсными модулями со встроенными модемами, что позволяет создавать конфигурации, точно соответствующие требованиям пользователя. Кроме того, это позволяет динамически наращивать конфигурацию по мере необходимости путем добавления требуемых модулей. Серверы являются полностью управляемыми платформами через программное обеспечение SNMP.
Недавно для устройств серии Cisco AS5300 была выпущена специальная карта (voice/fax feature card), которая обеспечивает передачу речевого трафика через сети IP. С появлением этой карты появилась возможность использовать устройство Cisco AS5300 Access Server как шлюз VoIP между сетями IP и телефонными сетями общего пользования (с соответствующим программным обеспечением). Каждая карта обеспечивает 24 цифровых речевых тракта для канала T1 или 30 речевых трактов для канала E1. В каждое устройство AS5300 можно установить до 2 карт, что обеспечивает 48/60 речевых трактов в одном шасси. Кодирование речи осуществляется согласно стандартам G.711 и G.729 (в будущем G.723.1, G.726, G.728, G.729a). Кроме того, Cisco AS5300 может быть укомплектован программным обеспечением Cisco Voice Manager (СVM). CVM является Web-совместимым приложением сетевого управления, которое предоставляет простое в использовании, но мощное решение для конфигурирования, мониторинга и диагностики сетей, построенных в соответствии с технологией VoIP. Cisco Voice Manager автоматически определяет речевую активность, включает средства решения сетевых проблем, и предоставляет детальную информацию о звонках, включая информацию о качестве связи. CVM устанавливает соединения с устройствами VoIP и шлюзами через сеть IP. Взаимодействие между сервером CVM и клиентским браузером Web осуществляется по протоколу HTTP, а взаимодействие между сервером CVM и речевым устройством – по протоколам SNMP и Telnet.
В качестве примера внедрения технологии VoIP в КСПД, можно предложить техническое решение центрального (в смысле реализации технологии VoIP) узла КСПД на базе оборудования фирмы Cisco, представленное на Рис. 5.1.
