MAREK Michal Po 10:00 LABORATORNÍ CVIČENÍ ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechnická MOBILNÍ KOMUNIKACE SEMESTRÁLNÍ PRÁCE VoIP přenos hlasu v prostředí IP Letní semestr 2006/2007 Počet stran: 5 Počet graf. příloh: 0
VoIP přenos hlasu v prostředí IP 1. Úvod Technologie VoIP (Voice over IP) umožňuje přenášet hlas pomocí datových sítí s přepojováním paketů založených na protokolu IP. Právě VoIP začíná konkurovat klasické telefonii fungující na principu sítí s přepojováním okruhů přes veřejnou telefonní síť. Tento typ přenášení hlasu je velmi perspektivní. Jeden z nejdůležitějších důvodů je rozsáhlý rozvoj datových sítí po celém světě a následná možnost hlasové komunikace. Rozvoj a rozšíření datových sítí je daleko výraznější než klasických telefonních sítí. Jelikož většina společností datovými sítěmi již disponuje, nemusejí investovat do nového telefonního rozvodu. Právě tento ekonomický dopad hraje nejdůležitější roli pro výběru komunikace přes prostředí IP. Dalším důvodem je možnost využívat nová aplikace a služby podporující ostatní zařízení IT. V současnosti je zavádění VoIP spojeno se snahou sjednotit komunikační protokoly a tím vytvořit jednotnou komunikační síť. Takto vytvořená komunikační síť může v budoucnu sloužit nejen pro přenos hlasu, ale i videa v reálném čase. 2. Problematika přenosu hlasu po datových sítích Snaha sjednotit datovou síť a síť pro přenos hlasu a videa vede vytvoření nových komunikačních standardů. Tyto nové standardy mají za úkol vytvořit takovou síť integrovaných služeb, která výše uvedené služby podporuje, případně umí komunikovat s ostatními IT zařízeními v síti. Problémem vzniku sítě podporující hlas a zároveň i data je rozdílnost priorit požadavků na spojení. Datová komunikace vyžaduje především proměnné nároky na šířku přenášeného pásma a spolehlivost spojení. Přenos hlasu resp. videa vyžaduje pokud možno konstantní šířku pásma a minimální konstantní zpoždění. Při přenosu hlasu vzniká problém především se zpožděním, které se dá částečně kompenzovat pomocí vyrovnávací paměti. 1
Tato paměť, ale nemůže být moc velká, protože by docházelo k většímu celkovému zpoždění. Dle výše uvedených požadavků se vytvářejí také konkrétní sítě. Datové sítě dovolují všem uživatelům plně využít dostupné pásmo. Tento způsob komunikace vede k efektivnímu využití kapacity linek. Při tomto způsobu komunikace není zaručená doba za kterou jsou data doručena a zda jsou vůbec doručena. Naproti tomu se v telefonních sítích pro každé spojení vždy rezervuje hovorové pásmo bez ohledu nato zda se na lince něco přenáší. Takto je splněna podmínka minimálního zpoždění a doručitelnosti. Tento způsob komunikace je velmi neefektivní vzhledem k využití dostupného pásma. Právě přenos digitalizovaného hlasu po sítích s přepojováním paketů se stává v současnosti silný konkurentem klasické telefonie. Tento způsob přenosu hlasu se označuje IP telefonie označovaná také jako VoIP (Voice over IP přenos hlasu prostřednictvím protokolu IP). 3. Kodeky používané na digitalizování halsu pro VoIP Pro přenos hlasu pomocí datových linek se musí nejprve provést digitalizace hlasu. Pokud hlas pouze digitalizujeme například pomocí PCM, nebude celková kapacita linky využita efektivně. Pro zefektivnění využívání stávajících kapacitně nutné použít kompresní algoritmy. Použitím vhodného kompresního algoritmu se dá i více jak osmkrát zlepšit využití použitého pásma. V dnešní době máme k dispozici mnoho různých kodeků ( G.711, G.723, G.729,...). Pro běžný přenos hlasu po digitální síti stačí analogový hlasový signál digitalizovat pouze pomocí G.711 což je v podstatě kódování audio signálu PCM (Pulse Code Modulation). Tento způsob digitalizace využívá vzorkovací kmitočet 8kHz. Tato hodnota odpovídá požadavku digitalizovat hlas pro telefonní provoz, který využívá frekvenční pásmo od 300Hz do 3400Hz. Právě horní hranice nám určuje jaký musí být minimálně vzorkovací kmitočet. Podle Shannon-Kotělníkova teorému musíme vzorkovat minimálně 2x vyšším kmitočtem než je horní mezní frekvence přenášeného pásma. Tento způsob 2
digitalizace se tedy provádí vzorkovacím kmitočtem 8kHz s 8mi bitovým kódováním vzorku. Přenosová rychlost tohoto způsobu kódování je tedy 64kbit/s. Při přenosu hlasu po IP je nutné využít pásmo v maximální možné míře. To nám kódování podle výše uvedeného standardu G711 neumožňuje. Musí se tedy použít metody, které dokáží efektivněji pracovat s kódováním audio signálu. Používají se tedy vzorkovací algoritmy využívající povahu hlasového signálu (např. ADPCM) a různé jiné kompresní metody. Pro zpracován hlasu byla určena skupina standardů mezi něž patří např.: G.726, G.728, G.729, G.723.1, GSM 06.10,. Tyto kodeky se liší především v celkové náročnosti na výpočetní výkon. Výpočetní náročnost se pohybuje od 1MIPS u G.726 využívajícího ADPCM do 30MIPS u G.728, který pro kódování využívá kódování typu LD-CELP. Pomocí různých typů požitého kódování lze přenosovou rychlost nutnou pro přenos hlasu z původních 64kbit/s radikálně snížit. Toto snížení se u novějších typů kodeků až desetinásobné např.: G.723.1 využívá přenosovou rychlost 6,3kbit/s resp. 5,3kbit/s. Obr. 1 - Přehled používaných kodeků Z tabulky je patrné, že používané algoritmy kódování vyžadují značný procesorový výkon. V běžné praxi postačí pro malé řešení VoIP sítí procesor hostujícího počítače, pro větší systémy (např. s přímým připojením na E1) se musejí využívat signálové procesory. Pro lepší využití kanálu se používají nejen výše uvedené kodeky. Pro zvýšení efektivnosti 3
využití pásma se využívají potlačovače ticha (silence suppression), detekce tónové volby (DTMF detection) a potlačení echa (echo cancelation). 4. VoIP protokoly VoIP protokoly mají řadu variant, lišících se podle standardu, použitého pro VoIP spojení. V současnosti jsou nejběžnější standardy H.323 a SIP. Používají se i speciální firemní protokoly, jako např. Skinny (Cisco) nebo HFA (Siemens). Zajímavým protokolem je IAX2 - protokol softwarových ústředen Asterisk. Nejsložitější a nejvíce pokročilý je pravděpodobně H.323. Zahrnuje řadu doporučení ITU-T, definujících zpracování audio-vizuální komunikace založené na paketovém principu. Dříve to byl v podstatě jediný protokol, pomocí kterého se dalo provozovat VoIP. V součastné době se od protokolu H.323 pomalu ustupuje i když je velmi komplexní a dá se s ním realizovat prakticky jakékoli spojení na síti IP. Dnes se navzdory komplexnosti od H.323 odstupuje k jednoduššímu protokolu SIP. Ten je sice jednodušší a zatím nedokáže v plné míře nahradit všechny funkce protokolu H.323, je ale intuitivnější, jazykově orientovaný a jednodušeji se implementuje. SIP je textový protokol podobný HTTP. Tento typ protokolu je nezávislý na typu přenášených dat (hlas, video, text, ). Právě protokol SIP získal převahu v používání a pro budoucnost je perspektivnější než starší a mohutnější H.323. 5. QoS přenosu halsu po IP Budeme li chtít na jedné síti přenášet jak data, tak i hlas, musíme zaručit pokud možno konstantní dobu doručení paketu, možnost rezervovat si pásmo, zároveň se musíme chovat co nejefektivněji k šířce pásma. Tato síť musí tedy zaručit QoS (Quality of Service) služby se zaručenou kvalitou, což je pro nezbytné pro kvalitní telefonii. 4
Ukazatele kvality přenosu hlasu digitální sítí VoIP (Voice Over Internet Protocol) pomocí paketů se doposud studují a nejsou v plném rozsahu stanoveny. Ukazatele navrhované ITU-T v doporučení I.380 jsou aplikovatelné např. pro hodnocení kvality koncového spojení prostřednictvím protokolu IP mezi dvěma koncovými stanicemi identifikovatelnými jejich IP adresou nebo pro hodnocení výkonnosti služby poskytované síťovými prvky mezi dvěma specifikovanými síťovými body. K hodnocení výkonnosti na rozhraní - v tzv. měřících bodech MP (Measurement Points) - je navržen vrstvový model. viz obr. 2. Pro hodnocení kvality přenosu uživatelských dat mezi koncovými účastnickými zařízeními jsou navrhovány následující ukazatele: doba přenosu (zpoždění) chybovost ztráta ztráta paketu četnost paketů dodaných navíc) propustnost (měřená pakety nebo oktety) pohotovost (a její doplněk) - definovaná pomocí prahové hodnoty ztráty IP paketu 5
Obr. 2 Vrstvový model hodnocení výkonnosti přenosu uživatelských dat 6. Závěr V součastné době představují telefonní sítě stále rozsáhlou infrastrukturu, která je stále udržovaná a součastní operátoři do ní sté investují nemalé finanční prostředky. Dlouholetý vývoj a zkušenosti způsobily, že tyto sítě jsou velmi spolehlivé, stabilní a mají propojení po celém světě a jsou mezinárodně standardizované. Právě jejich rozlehlost a zavedenost v infrastruktuře ukazuje na nutnost propojení nově vznikajících IP sítí po kterých lze přenášet nejen data, ale i hlas a video s pevnou telefonní sítí. Právě propojení těchto dvou sítí v sobě skýtá řadu problémů. Při propojení výše uvedených sítí nejde pouze o přenos telefonního hovoru. Pro bezproblémový provoz telefonie po propojených sítích je třeba kromě hlasu zajistit i spolehlivý přenos signalizačních informací, které s hovorem úzce souvisejí. Propojení IP sítě a klasické telefonní sítě se řeší pomocí zařízení gateway, gatekeeper a brána SS7. Pomocí těchto zařízení jsou signalizační zprávy překládány z jednoho tvaru do druhého tak, aby byl přenos bezproblémový. 6
7. Prameny [1] Doc. Ing. František KŘIŽOVSKÝ, CsSc - Problematika QoS v klasických a IP sítích, Teorie a praxe IP telefonie - 1. dvoudenní odborný seminář, Kongesové centrum Hotelu Olšanka, 26. a 27. května 2004 [2] www.cesnet.cz IP telefonie, 1996-2007 CESNET z. s. p. o. [3] www.wikipedia.cz VoIP 7