джиттер буфер что это
Что такое сетевой джиттер и как его предотвратить?
Что такое джиттер?
Джиттер или дисперсия задержки пакета это термин, используемый для обозначения колебаний задержки при передаче пакетов по сети. Таким образом, джиттер является изменяющейся скоростью задержки в сети и измеряется в миллисекундах. Например, если у вас есть два компьютера, которые общаются друг с другом в офисе, произойдет обмен пакетами данных. В исправных сетях эти пакеты будут проходить с постоянным интервалом (примерно 10 мс задержки на пакет).
В сети, испытывающей дрожание, уровень задержки во время передачи будет колебаться и может привести к задержке 50 мс при передаче пакетов. Конечный результат перегрузка сети, когда устройства борются за одно и то же пространство. Чем больше трафика перегружено, тем больше вероятность потери пакетов..
На изображении выше изображен диалог VoIP, в котором пакеты преобразуют звук голоса пользователя и транспортируют его в конечный пункт назначения. Как вы можете видеть с левой стороны, пакеты проходят через интервалы без изменений. Однако с правой стороны компоновка пакетов была нарушена, и конечный пользователь получает пакеты вне времени. Это приводит к аудио, которое трудно различить и понять.
Что такое приемлемый джиттер?
Хотя дрожание далеко не идеально, во многих случаях небольшое дрожание в вашей сети не окажет заметного влияния на вашу связь. Иногда возникают аномальные колебания, которые не имеют длительного эффекта. В этих случаях джиттер не является большой проблемой. Cisco предполагает, что приемлемые уровни дрожания или уровни допуска дрожания являются следующими:
В идеале, вы должны стараться держать джиттер ниже 20 мс для лучшей производительности. Если ваш джиттер превышает 30 мс, это будет заметно влиять на качество ваших разговоров в реальном времени. На 30 мс или старше вы начнете испытывать искажения, которые сделают другого пользователя более трудным для понимания.
В случае, если ваш джиттер, потеря пакета или задержка превысят показатели, перечисленные выше, вам следует немедленно предпринять действия, чтобы найти причину проблемы. Поддерживая эти ключевые показатели ниже пороговых значений, вы можете гарантировать, что важные службы, включающие видеозвонки и VOIP-звонки, не испытывают серьезных проблем с производительностью.
Как джиттер влияет на сеть?
Эффект джиттера зависит от услуги, которую вы используете. На некоторых сервисах дрожание не будет очень заметным, но на других, таких как VoIP-звонки и видеозвонки, оно будет гораздо более выраженным. Джиттер оказывает наибольшее влияние на услуги реального времени, такие как трафик VoIP. Когда вы разговариваете по телефону VoIP, вы общаетесь с другим пользователем вживую, и все, что вы слышите, должно быть кристально чистым. Это означает, что поступающие аудиосигналы должны поддерживаться в последовательности, чтобы оставаться понятными.
То же самое нельзя сказать о загрузках файлов, когда вы не сможете определить, вызвало ли дрожание пакеты, которые были задержаны или скремблированы. Для разговоров по VoIP, что-либо меньшее, чем доставка сигнала в реальном времени, приведет к разговору с неразборчивыми аудиосигналами. Пропуски в аудио и шаткие звуковые сигналы характерны для джиттера, принимающего разговор.
Почему джиттер является такой проблемой для телефонных звонков VoIP?
Всякий раз, когда обсуждается дрожание сети, телефонные звонки VoIP являются одной из наиболее часто упоминаемых областей, где дрожание является вредным. Это в первую очередь из-за способа передачи данных VoIP. Когда вы говорите в VoIP телефон ваш голос преобразуется в данные, которые передаются через Интернет. Ваш голос разбивается на множество разных пакетов и затем передается вызывающему абоненту на другом конце.
Однако, пока ваши сегментированные речевые данные находятся в пути, они конкурируют с диапазоном другого трафика, проходящего через вашу сеть. Все эти данные влияют на сетевые ресурсы, что иногда приводит к задержке. Эта задержка может не проявляться при загрузке файла, но когда ваш голос проходит через неорганизованные пакеты, это может привести к путанице и искажению того, что вы первоначально сказали пользователю.
Напротив, когда вы отправляете электронное письмо, пакеты повторно собираются непосредственно перед тем, как они достигают пользователя на другом конце. С вызовами VoIP на это нет времени, и поэтому ваш голос звучит не по порядку. Именно по этой причине VoIP является одной из ключевых проблем, когда речь идет о дрожании сети, поскольку он является одним из наиболее восприимчивых. Это верно и для других сервисов реального времени, таких как видеозвонки и видеоигры..
Одной из наиболее распространенных причин дрожания услуг VoIP является отсутствие приоритетов пакетов. Если голосовые пакеты не имеют приоритета, то конечный пользователь, скорее всего, получит дрожание. Решение заключается в том, чтобы перейти к маршрутизатору и определить приоритеты пакетов, которые передаются по сети (подробнее о расстановке приоритетов мы рассмотрим ниже).
Как найти джиттер с помощью инструментов мониторинга сети
Мониторинг джиттера очень важен, потому что он позволяет вам действовать в тот момент, когда он становится проблемой. Это также дает вам контекст проблемы производительности, чтобы вы могли проводить информированное устранение неполадок в будущем. Благодаря появлению возможности дрожания сети ваши усилия по устранению и предотвращению дрожания сети в будущем будут более информированными и эффективными..
В следующем разделе мы рассмотрим, как вы можете использовать инструменты мониторинга сети для реализации мониторинга QoS. Следя за проблемами производительности, такими как дрожание и задержка, вы сможете определить, когда ваша сеть работает хорошо и когда вам нужно вмешаться.
Вот два лучших инструмента для борьбы с дрожанием сети:
Мониторинг QoS для джиттера: PRTG Network Monitor (БЕСПЛАТНАЯ ПРОБНАЯ ВЕРСИЯ)
Paessler PRTG Сетевой монитор предлагает ряд функций, которые очень полезны для мониторинга джиттера. Инструмент включает в себя QOS датчик прохождения сигнала, Односторонний датчик QOS, Cisco IP SLA Sensor, и, в частности, Датчик дрожания пинга предназначен для измерения степени влияния джиттера на ваш сервис. Датчик Ping Jitter отправляет ICMP-запросы на URL для определения статистического значения джиттера и времени выполнения.
Результат показан на циферблатах с прозрачным цветом, как показано на рисунке выше. Эта функция полезна для тех, кто хочет определить, насколько сильно дрожание влияет на ключевой сервис. Также вы можете использовать PRTG Сетевой монитор настроить свои собственные уникальные оповещения, чтобы уведомлять вас, когда у службы возникают проблемы с производительностью. В реальной среде это помогает вам быстро реагировать на дрожание, когда оно происходит. Вы можете попробовать Paessler Ping Jitter Sensor который поставляется в комплекте в Paessler PRTG Сетевой монитор на 30-дневную бесплатную пробную версию.
Сетевой монитор Paessler PRTG с датчиком Ping Jitter Скачать 30-дневную бесплатную пробную версию
Мониторинг QoS для телефонов VoIP: VoIP SolarWinds & Менеджер качества сети (БЕСПЛАТНАЯ ПРОБНАЯ ВЕРСИЯ)
Учитывая, что дрожание сети является проблемой, которая очень проблематична для вызовов VoIP, принятие Решение по мониторингу QoS для VoIP поможет вам устранить неполадки для поддержания этой важной службы. Инструменты сетевого мониторинга, такие как SolarWinds VoIP & Менеджер по качеству сети позволяют измерять такие показатели, как дрожание, задержка, и потеря пакета которые влияют на конечную производительность вызовов VoIP.
SolarWinds VoIP & Менеджер по качеству сети Это хороший выбор, потому что он не только отслеживает эти метрики, но и активно уведомляет вас при обнаружении джиттера. Это означает, что вы будете получать оповещение каждый раз, когда выполнение вызова падает против любого количества предопределенных параметров. Знание того, как именно ваш звонок терпит неудачу, позволяет вам устранять неполадки с гораздо большей информацией. SolarWinds VoIP & Менеджер по качеству сети доступна на 30-дневную бесплатную пробную версию для оценки.
SolarWinds VoIP & Диспетчер качества сетиСкачать 30-дневная БЕСПЛАТНАЯ пробная версия
Как предотвратить дрожание
Конечно, как только вы обнаружите, что у вас есть дрожание сети, вам нужно будет принять меры для его устранения. Есть несколько различных способов сделать это от приоритезации определенного трафика до развертывания буфера дрожания. В этом разделе мы собираемся обсудить некоторые из наиболее распространенных способов борьбы с дрожанием сети и вернуть сеть к полной работе..
Самое замечательное в большинстве этих техник состоит в том, что они удваиваются, чтобы уменьшить задержку. Некоторые из приведенных ниже шагов позволяют вам «убить двух зайцев одним выстрелом», чтобы устранить задержки и дрожание одновременно. Перед выполнением любого из этих изменений вы должны быть абсолютно уверены в влиянии джиттера на вашу сеть (идентифицируя его с помощью инструмента сетевого мониторинга).
Буферы джиттера для минимизации джиттера
В контексте VoIP или видеовызова это привело бы к меньшему дрожанию и разговору, который остается понятным для обеих сторон. Буфер дрожания будет задержать пакеты данных перед отправкой в попытке чтобы убедиться, что пакеты поступают в последовательности. В вызове VoIP конечный результат сводит к минимуму дрожание и перерывы в качестве вызова.
Однако важно отметить, что с помощью буфера дрожания вы будете увеличивать общую задержку в вашей сети. Удерживая пакеты буфер дрожания буквально добавляет задержку на службу. Аналогично, вы должны быть осторожны с настройкой буферов дрожания при реализации полнодуплексной связи. В результате вы хотите проверить канал передачи перед развертыванием буфера дрожания.
Основная проблема с буферами дрожания состоит в том, что они являются решением проблемы с полосой. Они не обращаются к основной причине дрожания, они только обращаются к признакам. Если вы хотите полностью устранить дрожание сети, вам нужно углубиться в сердце вашего маршрутизатора. Добавление новых настроек QoS позволит вам начать решать корень проблемы и улучшить свой сервис.
Настройки QoS: расстановка приоритетов пакетов
Для поддержки вызова VoIP и обеспечения наилучшего качества вам необходимо убедиться, что любые пакеты, содержащие медиаданные VoIP, имеют приоритет над другим трафиком. Вы должны установить канал передачи данных с «высоким приоритетом», чтобы этот трафик обрабатывался раньше всего. В случае перегрузки канала передачи данных неприоритетный трафик будет отброшен до приоритетного трафика..
Чтобы расставить приоритеты VoIP-трафика, вы можете приоритезировать транспортный протокол в реальном времени (RTP) пакеты. Как это сделать, будет зависеть от дизайна вашего роутера. Например, на маршрутизаторе Linksys вы можете перейти к представлению QoS в веб-интерфейсе. Чтобы расставить приоритеты RTP-трафика, вы должны ввести следующее номера портов:
После перезапуска трафик RTP будет более привилегированным, чем любой другой трафик. Независимо от того, какое устройство вы используете, вы хотите сохранить настройки как можно более простыми, чтобы не перегружать свои конфигурации.
Другие решения
Здесь мы рассмотрим некоторые другие решения, которые, тем не менее, не являются наиболее распространенными способами предотвращения дрожания сети, тем не менее, заслуживают рассмотрения..
1. Купите новый, более мощный маршрутизатор
Если ваш маршрутизатор недостаточно мощный, чтобы справиться с текущими сетевыми требованиями, неудивительно, что вы испытываете дрожание. Покупка нового маршрутизатора может быть одним из самых быстрых способов улучшить ваш сервис и устранить дрожание сети. Однако вы должны убедиться, что тщательно изучили свой новый маршрутизатор перед его развертыванием. Самое главное, чтобы убедиться, что он имеет пропускную способность для хорошей обработки вашего сетевого трафика.
2. Увеличьте пропускную способность или перейдите на высокоскоростное подключение к Интернету.
В ряде случаев проблема заключается не в вашей инфраструктуре, а в скорости вашего соединения. Низкие скорости соединения имеют тенденцию создавать дрожание, особенно при совместном использовании полосы пропускания с другими устройствами. Увеличение пропускной способности вашего текущего интернет-провайдера или смена поставщиков услуг может привести к заметному улучшению обслуживания, которое устраняет дрожание.
QoS останавливает дрожание сети
В большинстве случаев дрожание сети не является большой проблемой. Однако, если вы начнете использовать расширенные сервисы, такие как системы VoIP-телефонов и программное обеспечение для видеоконференций, вам, скорее всего, потребуется внедрить QoS для управления дрожанием сети. Даже если вы не страдаете от джиттера в сети, оставайтесь на связи и следите за качеством своих услуг с помощью монитора производительности сети, чтобы убедиться, что джиттер не станет нерешенной проблемой.
Как только дрожание сети становится очевидным, измерьте, насколько оно сильное. Если он превышает пороговые значения, указанные Cisco, тогда стоит вмешаться и принять меры. Вы можете сделать это, установив приоритет передачи критических пакетов и развернув буфер дрожания. Хотя обновление пропускной способности также является возможным решением, оно часто лучше оптимизировать текущую пропускную способность, чем просто покупать больше пропускной способности.
Принимая упреждающий подход к смягчению последствий дрожания сети, вы убедитесь, что в следующий раз, когда вы общаетесь с клиентом или коллегой, весь разговор протекает естественно. Помните, что плохое голосовое общение не только неудобно, но и потенциально может стоить вам значительной суммы денег (особенно если вы общаетесь с клиентом!). Инвестирование в инструменты мониторинга сети и другие решения теперь поможет вам сэкономить деньги в будущем.
Основы IP-телефонии, базовые принципы, термины и протоколы
Добрый день, уважаемые хабражители. В данной статье я постараюсь рассмотреть основные принципы IP-телефонии, описать наиболее часто используемые протоколы, указать способы кодирования и декодирования голоса, разобрать некоторые характерные проблемы.
Под IP-телефонией подразумевается голосовая связь, которая осуществляется по сетям передачи данных, в частности по IP-сетям (IP — Internet Protocol). На сегодняшний день IP-телефония все больше вытесняет традиционные телефонные сети за счет легкости развертывания, низкой стоимости звонка, простоты конфигурирования, высокого качества связи и сравнительной безопасности соединения. В данном изложении будем придерживаться принципов эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection basic reference model) и рассказывать о предмете “снизу-вверх”, начиная с физического и канального уровней и заканчивая уровнями данных.
»
Модель OSI и инкапсуляция данных
Принципы IP-телефонии
При осуществлении звонка голосовой сигнал преобразуется в сжатый пакет данных (подробнее этот процесс будет рассмотрен в главах “Импульсно кодовая модуляция” и “Кодеки”). Далее происходит пересылка данных пакетов поверх сетей с коммутацией пакетов, в частности, IP сетей. При достижении пакетами получателя, они декодируются в оригинальные голосовые сигналы. Эти процессы возможны благодаря большому количеству вспомогательных протоколов, часть из которых будет рассмотрена далее.
В данном контексте, протокол передачи данных — некий язык, позволяющий двум абонентам понять друг друга и обеспечить качественную пересылку данных между двумя пунктами.
Отличие от традиционной телефонии
В традиционной телефонии установка соединения происходит при помощи телефонной станции и преследует исключительно цель разговора. Здесь голосовые сигналы передаются по телефонным линиям, через выделенное подключение. В случае же IP-телефонии, сжатые пакеты данных поступают в глобальную или локальную сеть с определенным адресом и передаются на основе данного адреса. При этом используется уже IP-адресация, со всеми присущими ей особенностями (такими как маршрутизация).
При этом IP-телефония оказывается более дешевым решением как для оператора, так и для абонента. Происходит это благодаря тому, что:
Физический уровень (Physical Layer)
На физическом уровне осуществляется передача потока битов по физической среде через соответствующий интерфейс. IP-телефония практически полностью опирается на уже существующую инфраструктуру сетей. В качестве среды передачи информации используются, как правило витая пара категории 5 (UTP5), одномодовое или многомодовое оптическое волокно, либо коаксиальный кабель. Тем самым в полной мере реализуется принцип конвергенции телекоммуникационных сетей.
Интересно рассмотреть технологию PoE (Power Over Ethernet) — стандарты IEEE 802.3 af-2003 и IEEE 802.3at-2009. Ее суть заключается в возможности обеспечения питанием устройств посредством стандартной витой пары. Большинство современных IP-телефонов, в частности, модельный ряд Cisco Unified IP Phones 7900 Series, поставляются с поддержкой PoE. Согласно стандарту 2009 года, устройства могут получать ток мощностью до 25,5 Ватт.
При подаче питания используются лишь две витых пары кабеля 100BASE-TX, однако некоторые производители задействуют все четыре, достигая мощности до 51 Ватт. Необходимо заметить, что технология не требует модификации уже существующих кабельных систем, в том числе и кабелей Cat 5.
Для определения того, является ли подключаемое устройство питаемым (PD — powered device) на кабель подается напряжение 2,8 — 10 В. Тем самым вычисляется сопротивление подключаемого устройства. Если данное сопротивление находится в диапазоне 19 — 26,5 кОм, то процесс переходит на следующий этап. Если же нет — проверка повторяется с интервалом ≥2 мс.
Далее происходит поиск диапазона мощностей питаемого устройства путем подачи более высокого напряжения и измерения тока в линии. Вслед за этим на линию подается 48 В — питающее напряжение. Также осуществляется постоянный контроль перегрузок.
Канальный уровень (Data Link Layer)
Согласно спецификации IEEE 802 канальный уровень разделяется на два подуровня:
Необходимо упомянуть механизм виртуальных локальных сетей (Virtual Local Area Network). Данная технология позволяет создавать логическую топологию сети без оглядки на ее физические свойства. Достигается это тегированием трафика, что подробно описано в стандарте IEEE 802.1Q.
Формат фрейма
В контексте IP-телефонии отметим Voice VLAN, широко применяющуюся для изоляции голосового трафика, генерируемого IP-телефонами, от других данных. Ее использование целесообразно по двум причинам:
Сетевой уровень (Network Layer)
На сетевом уровне происходит маршрутизация, соответственно основными устройствами сетевого уровня являются маршрутизаторы (Router). Именно здесь определяется, каким путем данные достигнут получателя с определенным IP-адресом.
Основной маршрутизируемый протокол — IP (Internet Protocol), на основе которого и построена IP-телефония, а также всемирная сеть Интернет. Также существует множество динамических протоколов маршрутизации, самый популярный среди которых OSPF (Open Shortest Path First) — внутренний протокол, основанный на текущем состоянии каналов связи;
На сегодняшний момент существуют специальные VoIP-шлюзы (Voice Over IP Gateway), обеспечивающие подключение обычных аналоговых телефонов к IP-сети. Как правило, они имеют и встроенный маршрутизатор, позволяющий вести учет трафика, авторизовать пользователей, автоматически раздавать IP-адреса, управлять полосой пропускания.
Среди стандартных функций VoIP-шлюзов:
Транспортный уровень (Transport Layer)
Для транспортного уровня характерны:
UDP базируется на сетевом протоколе IP и предоставляет транспортные услуги прикладным процессам. Его главное отличие от TCP — обеспечение негарантированной доставки, то есть при отправке и получении данных никаких подтверждений не запрашивается. Также при отправке информации не обязательно установление логического соединения между модулями UDP (источник и приемник).
Несмотря на то, что RTP принято считать протоколом транспортного уровня, как правило он работает поверх UDP. С помощью RTP реализуется распознавание типа трафика, работа с метками времени, контроль передачи и нумерация последовательности пакетов.
Основное назначение RTP состоит в том, что он присваивает каждому исходящему пакету временные метки, обрабатывающиеся на приемной стороне. Это позволяет принимать данные в надлежащем порядке, снижает влияние неравномерности времени прохождения пакетов по сети, восстанавливает синхронизацию между аудио и видео данными.
Уровни данных (Data Layers)
Три последних уровня модели OSI рассмотрим совместно. Такое объединение допустимо, так как процессы, происходящие на данных уровнях тесно связаны между собой, и описывать их безотносительно разделения на подуровни будет логичнее.
Первым делом необходимо описать стек протоколов H.323, разработанный в 1996 году. Данный стандарт содержит описание оборудования, сетевых служб и терминальных устройств, предназначенных для осуществления аудио- и видеосвязи в сетях с коммутацией пакетов (Интернет). Для любого устройства стандарта H.323 обязательна поддержка обмена голосовой информацией.
Рекомендации H.323 предполагают:
Согласно H.323 четырьмя основными компонентами VoIP-соединения являются:
1. Управление соединением и сигнализация:
1.а. H.225.0: протоколы сигнализации и пакетирования мультимедийного потока (использует подмножество протокола сигнализации Q.931).
1.б. H.225.0/RAS: процедуры регистрации, допуска и состояния.
1.в. H.245: протокол управления для мультимедиа.
2. Обработка звуковых сигналов:
2.а. G.711: импульсно-кодовая модуляция тональных частот.
2.б. G.722: кодирование звукового сигнала 7 кГц в 64 кбит/с.
2.в. G.723.1: речевые кодеры на две скорости передачи для организации мультимедийной связи со скоростью передачи 5.3 и 6.3 кбит/с.
2.г. G.728: кодирование речевых сигналов 16 кбит/с с помощью линейного предсказания с кодированием сигнала возбуждения с малой задержкой.
2.д. G.729: кодирование речевых сигналов 8 кбит/с с помощью линейного предсказания с алгебраическим кодированием сигнала возбуждения сопряженной структуры.
3. Обработка видеосигналов:
3.а. H.261: видеокодеки для аудиовизуальных услуг со скоростью 64 кбит/с.
3.б. H.263: кодирование видеосигнала для передачи с малой скоростью.
4. Конференц-связь для передачи данных:
4.а. T.120: стек протоколов (включает T.123, T.124, T.125) для передачи данных между оконечными пунктами.
5. Мультимедийная передача:
5.а. RTP: транспортный протокол реального времени.
5.б. RTCP: протокол управления передачей в реальном времени.
6. Обеспечение безопасности:
6.а. H.235: обеспечение безопасности и шифрование для мультимедийных терминалов сети H.323.
7. Дополнительные услуги:
7.а. H.450.1: обобщенные функции для управления дополнительными услугами в H.323.
7.б. H.450.2: перевод соединения на телефонный номер третьего абонента.
7.в. H.450.3: переадресация вызова.
7.г. H.450.4: удержание вызова.
7.д. H.450.5: парковка вызова ( park ) и ответ на вызов ( pick up ).
7.е. H.450.6: уведомление о поступившем вызове в состоянии разговора.
7.ж. H.450.7: индикация ожидающего сообщения.
7.з. H.450.8: служба идентификации имен.
7.и. H.450.9: служба завершения соединения для сетей H.323.
Сценарий установки соединения на основе протокола H.323
SIP (Session Initiation Protocol)
SIP — протокол сигнализации, предназначенный для организации, изменения и завершения сеансов связи. SIP независим от транспортных технологий, однако при установлении соединения предпочтительно использовать UDP. Для передачи самой голосовой и видеоинформации рекомендовано применять RTP, но возможность использования других протоколов не исключена.
В SIP определены два типа сигнальных сообщений — запрос и ответ. Также существует шесть процедур:
Кодеки
Аудиокодеком называют программу или алгоритм, который сжимает, либо разжимает цифровые звуковые данные, позволяя снизить требования к пропускной способности канала передачи данных. В IP-телефонии на сегодняшний день наиболее распространено преобразование посредством кодека G.729, а также сжатие G.711 по А-закону (alaw) и μ-закону (ulaw).
G.729 является кодеком, который сжимает исходный сигнал с потерей данных. Основная идея, заложенная в G.729 — передача не самого оцифрованного сигнала, а его параметров (спектральной характеристики, количества переходов через ноль), достаточных для последующего синтезирования на принимающей стороне. При этом все основные характеристики голоса, такие как амплитуда и тембр сохраняются.
Пропускная способность канала, на которую рассчитан данный кодек — 8 кбит/с. Длина кадра обрабатываемого G.729 — 10 мс, частота дискретизации — 8 кГц. Для каждого из таких кадров определяются параметры математической модели, которые в дальнейшем и передаются в канал в виде кодов.
При использовании кодирования G.729 задержка составляет 15 мс, из которых 5 мс тратится на заполнение предварительного буфера. Отметим также, что кодек G.729 предъявляет достаточно высокие требования к ресурсам процессора.
G.711 — голосовой кодек, который не предполагает никакого сжатия, помимо компандирования — метода уменьшения эффектов каналов с ограниченным динамическим диапазоном. В основе данного метода лежит принцип уменьшения количества уровней квантования сигнала в области высокой громкости, сохраняя при этом качество звука. Две широко использующиеся в телефонии схемы компандирования — alaw и ulaw.
Сигнал в данном кодеке предоставлен потоком величиной 64 кбит/с. Частота дискретизации — 8000 кадров по 8 бит в секунду. Качество голоса субъективно лучше, нежели при применении кодека G.729.
alaw или А-закон — алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Европы и России.
Для сигнала x преобразование по алгоритму alaw выглядит следующим образом:
Где А — параметр сжатия (обычно принимается равным 87,7).
ulaw или μ-закон — алгоритм сжатия звуковых данных с потерей информации. В основном используется на территории Японии и Северной Америки.
Для сигнала x преобразование по алгоритму ulaw выглядит следующим образом:
где μ принимается равным 255 (8 бит) в стандартах Северной Америки и Японии.
Импульсно кодовая модуляция (PCM — Pulse Code Modulation)
Импульсно кодовая модуляция — передача непрерывной функции в виде серии последовательных импульсов.
Для получения на входе канала связи модулированного сигнала, мгновенное значение несущего сигнала измеряется АЦП с определенным периодом. При этом количество оцифрованных значений в секунду (иначе, частота дискретизации) должно быть большим или равным двукратной максимальной частоте в спектре аналогового сигнала.
Далее полученные значения округляются до одного из заранее принятых уровней. Заметим, что количество уровней необходимо принимать кратным степени двойки. В зависимости от того, сколько было определено уровней, сигнал кодируется определенным количеством бит.
Квантование сигнала
На данном рисунке представлено кодирование с помощью четырех битов (то есть все промежуточные значения аналогового сигнала будут округляться до одного из заранее заданных 16 уровней). Для примера, при времени равном нулю сигнал будет представлен подобным образом: 0111.
При демодуляции последовательность нулей и единиц преобразуется в импульсы демодулятором, уровень квантования которого равен уровню квантования модулятора. После этого ЦАП на основе данных импульсов восстанавливает сигнал, а сглаживающий фильтр окончательно убирает неточности.
В современной телефонии число уровней квантования должно быть большим или равным 100, то есть минимальное количество бит, которым может кодироваться сигнал — 7.
Вопросы качества обслуживания в IP-телефонии (Quality of Service — QoS)
В сетях на основе стека TCP/IP высокое качество обслуживания трафика, чувствительного к задержкам передачи не обеспечивается по умолчанию. При использовании протокола TCP имеется гарантия достоверной доставки информации, но ее перенос может осуществляться с непредсказуемыми задержками. Для UDP характерна минимизация задержек, но гарантия верной доставки пакета отсутствует.
В то же время добротность речевого трафика сильно зависит от качества передачи, и в сети, где не реализованы механизмы, гарантирующие соответственное качество, реализация IP-телефонии может быть не удовлетворяющей требованиям пользователей.
Основными показателями качества обслуживания являются пропускная способность сети и задержка передачи. Задержка при этом определяется как промежуток времени, прошедший с момента отправки пакета, до момента его приема.
Также существуют такие характеристики, как готовность сети и ее надежность (оцениваются по результатам контроля уровня обслуживания в течение длительного времени, либо по коэффициенту использования).
Для улучшения качества связи используются следующие механизмы:
— Задержка при кодировании информации в голосовых шлюзах или терминальном оборудовании. Уменьшается путем улучшения алгоритмов обработки и преобразования голоса.
— Задержка, вносимая сетью передачи. Уменьшается путем улучшения сетевой инфраструктуры, в частности, сокращением количества маршрутизаторов и использованием высокоскоростных каналов.
Источники задержки в IP-телефонии
Джиттер
Еще одно явление, характерное для IP-телефонии — джиттер, или, иначе, случайная задержка распространения пакета.
Обуславливается джиттер тремя факторами:
Обычно предусматривается динамическая подстройка длины буфера в течение всего времени существования соединения. Для выбора наилучшей длины используются эвристические алгоритмы.
Джиттер буфер
Для компенсации неравномерной скорости поступления пакетов на приемной стороне создают временное хранилище пакетов, или так называемый джиттер буфер. Его задача, собрать поступающие пакеты в правильном порядке в соответствии с временными метками и выдать их кодеку с правильными интервалами и правильном порядке.
Джиттер буфер
Размер буфера приемное VOIP устройство рассчитывает в процессе работы, либо принудительно задается в настройках. С одной стороны он не может быть слишком большим, чтобы не увеличивать транспортную задержку. С другой стороны, маленький размер буфера вызывает потери пакетов при изменениях времени задержки в IP сети.
Отсюда и происходит одно из главных противоречий, между интернет провайдерами и пользователями IP телефонии. С точки зрения провайдера все пакеты доставлены абоненту, то есть, потерь нет. А с точки зрения VoIP устройства, разница во времени между приходом пакетов значительно превышает джиттер буфер. Поэтому фактически потери есть. На практике потеря более 1% вызывает определенные неприятные ощущения. При 2% разговор оказывается затруднен. При значениях больше 4% разговор уже практически невозможен.
Размер джиттер буфера
Случайная задержка распространения Ji для i-го пакета может определяться по формуле:
где:
Di – отклонение от ожидаемого времени прибытия i-го пакета.
Отклонение от ожидаемого времени прибытия i-го пакета Di определяется по формуле:
где:
R – время прибытия пакета в метках времени RTP,
S – временная метка RTP, взятая из пакета.
Приведем пример расчета ожидаемого размера случайной задержки распространения 5-го пакета, на основе двух предыдущих.
Пусть J4=10 мс; R4=10, R3=11, S4=6, S3=5, тогда D5 будет равно (10-11)-(6-5)=-2.
В среднем, случайная задержка времени распространения для одного пакета в текущем примере составит 10 мс (точнее можно посчитать по формуле, приведенной выше). Тогда для того, чтобы ни один пакет не был отброшен, размер джиттер буфера должен быть равным 10 мс.
Для определения требуемого размера джиттер буфера в мегабайтах, домножим полученное значение на 100 мбит/сек – среднюю пропускную способность сети: 10•10^-3•100 = 128 кб.
Размер джиттер-буфера должен быть больше, чем флуктуация транзитного времени в сети. Например, если для 10 пакетов время транзита колеблется от 5 до 10 мс, то буфер должен быть хотя бы 8 мс, чтобы ни один пакет не был потерян. Лучше, если буфер еще больше, например 12 мс, тогда сможет работать механизм перезапроса потерянных пакетов.
Решения для развертывания телефонной сети
Asterisk
Asterisk — программная АТС, способная коммутировать как VoIP вызовы, так и вызовы, осуществляемые между IP-телефонами и традиционной телефонной сетью общего пользования.
Поддерживаемые протоколы: IAX, SIP, H.323, Skinny, UNIStim.
Поддерживаемые кодеки: G.711 (ulaw и alaw), G.722, G.723, G.729, GSM, iLBC, LPC-10, Speex.
Asterisk — динамично развивающееся открытое программное обеспечение, которое может быть установлено без оглядки на лицензирование. Это делает данную программную АТС привлекательной для малого и среднего бизнеса. Количество абонентов в сети может достигать 2000 и ограничено только мощностью сервера.
Еще одно достоинство Asterisk — возможность гибкой настройки. Весь необходимый функционал либо уже реализован, либо может быть дописан самостоятельно без существенных временных и денежных затрат. Этому способствует принцип: одна задача — один программный модуль.
В сравнении с решениями от таких вендоров, как Cisco или Avaya, Asterisk привлекателен еще и стоимостью развертывания. Фактически все затраты сводятся только к покупке телефонных аппаратов и сервера, способного обеспечить требуемую нагрузку на сеть. Сама программа абсолютно бесплатна.
Cisco Unified Communication Manager (CallManager)
CallManager предназначен скорее для крупных сетей, включающих до 30000 абонентов. Данный программно-аппаратный комплекс обеспечивает надежность работы и позволяет конфигурировать множество параметров, таких как переадресация звонков или голосовое меню. Существует и “облегченная” express версия, предназначенная скорее для небольших офисов.
Из преимуществ Cisco CallManager следует отметить в первую очередь знаменитую техническую поддержку корпорации Cisco. При соответствующем уровне контракта на обслуживание, любая проблема, начиная с вопросов по настройке и заканчивая вышедшим из строя оборудованием, будет решена практически мгновенно. Поэтому Cisco CallManager подойдет компаниям, готовым платить немалые деньги, но и получать при этом высочайшее качество обслуживания.
Avaya IP Office
Система IP Office может стать неплохим выбором для среднего размера телефонной сети. Количество абонентов здесь ограничено не только мощностью сервера, но и количеством приобретенных лицензий. Лицензировать необходимо практически все — платы расширения, используемые приложения и т.д., что может доставить определенные неудобства.
Конфигурирование может осуществляться через ряд программ, но наиболее популярная и простая в обращении — Avaya IP Office Manager. Также возможно управление через консоль с помощью Avaya Terminal Emulator.
В целом, продукция корпорации Avaya не ограничивается одним IP Office. Avaya, в 2009 году слившаяся с еще одним известным производителем Nortel, является признанным лидером на рынке оборудования для IP-телефонии.
Что можно почитать по теме: