Пакетная телефония

Рис. 9. Организация телефонной связи в гибридных сетях

Одно из самых важных требований к проекту сети - обеспечение совместимости телефонной сигнализации. УПАТС корпоративных сетей оснащаются самыми различными интерфейсами. Для того чтобы каждый филиал имел надежную телефонную связь, нужно поддерживать все стандартные типы сигнализации. Любой филиал может быть соединен по иному сигнальному интерфейсу - в зависимости от того, по какому маршруту произошла коммутация (или маршрутизация) вызова. Совместимость типов сигнализации и их преобразование необходимы для организации надежной и устойчивой телефонной связи в сети на основе коммутации пакетов.

Соответствие стандартам гарантирует беспроблемную работу в сети оборудования разных производителей. Не забывайте, что ключ к построению эффективной и надежной сети - тестирование и еще раз тестирование.

Помните, что пакетная телефония не только обеспечивает заметную экономию на телефонных счетах, но и при вносит массу дополнительных функций. К их числу относятся:

цифровая интерполяция речи . Этим термином компания Motorola обозначает механизм, поддерживающий передачу данных во время пауз в телефонном разговоре;
подавление эха на ближнем и дальнем концах соединения. Эхо мешает телефонному разговору и возникает из-за несогласования входного и выходного импенданса дифференциальных систем, обеспечивающих переход с двухпроводной на четырехпроводную линию на местных АТС;
факсимильная связь поверх IP или FR. Позволяет передавать факсы в пакетных сетях;
аудиовещание - передача объявлений одновременно во многие филиалы;
использование централизованной таблицы коммутации . За счет этой таблицы значительно упрощается расширение сети, поскольку требуется настройка только одного телефонного узла коммутации;
поддержка тонального и импульсного набора . Обеспечивает совместимость телефонных аппаратов разного типа;
применение серийного номера . Он позволяет соединиться с организацией по любой из незанятых линий, объединенных в группу под одним номером. Устройство доступа с интеграцией речи выступает в роли УПАТС, осуществляющей динамическое распределение вызовов по свободным линиям;
передача речи и данных по одному DLCI . Помогает сэкономить значительные средства: пользователь оплачивает лишь один DLCI, используя его как для передачи данных, так и для всех исходящих звонков;
альтернативная маршрутизация вызовов . В случае, если основной канал занят или вышел из строя, можно звонить по резервному маршруту;
группирование телефонных каналов . За счет объединения нескольких речевых пакетов в один пакет IP или кадр FR снижаются объем служебного трафика и требования к пропускной способности сети;
подавление пауз . Канал освобождается от передачи "пустых" пакетов во время пауз в телефонном раз говоре, а в результате, другому трафику предоставляется дополнительная полоса пропускания.

На этапе планирования важно уяснить как текущие, так и потенциальные потребности организации. Причина проста: необходимо получить стабильное, надежное и работоспособное решение. Гарантии производителя, связанные с модернизацией модулей программного и аппаратного обеспечения для поддержки будущих стандартов, чрезвычайно важны для надежной защиты капиталовложений.

Классы, типы и качество

Определяя, какие преимущества дают классы (CoS) и качество (QoS) обслуживания, следует понять, чем они отличаются друг от друга применительно к пакетной телефонии.

CoS - это способ улучшения условий транспортировки данных, он задает схему установки приоритетов различным типам сетевого трафика. Изначальный стандарт FR не имеет механизма, обеспечивающего преимущество одного пакета над другим. По этой причине на каждом узле доступа следует реализовать CoS: тогда данные будут получать приоритеты до их поступления в сеть. Именно так строится современная сеть VoFR. По этому сценарию речь и любой другой трафик реального времени, например видео, получает более высокий приоритет, чем другие данные, перед поступлением в сеть. Как только информация попала в сетевое облако, все кадры считаются равными.

Протокол IP v.4 также не имеет механизма обеспечения CoS. IP v.6 (его называют также IPng, где "ng" обозначает "следующее поколение") позволяет устанавливать приоритеты, но вряд ли эта версия получит широкое распространение даже в начале следующего века. IP v.6 вносит дополнительные задержки из-за увеличения до 40 байт (в базовой конфигурации) размера заголовка. Тем временем протоколы RTP, RSVP и ToS (тип обслуживания) могут обеспечить временное решение проблем CoS в сегодняшних корпоративных и ведомственных сетях IP.

ToS - один из самых простых способов установления приоритетов в существующих IP-сетях, хотя поле ToS и не входит в оригинальную спецификацию IP v.4. Поле ToS состоит всего из одного байта, но его реализацию признали слишком сложной, потому-то оно и пребывало в забвении долгие годы. Но в условиях мультимедийного бума преимущества перевешивают недостатки. Поле ToS задает параметры задержек и пропускной способности, оно совместимо с протоколами маршрутизации, например OSPF, и обеспечивает соблюдение приоритета пакета на всем пути его следования по сети. Многие производители начали реализовать ToS в своих устройствах, делая первый шаг по пути классификации обслуживания в сетях IP.

QoS улучшает связь между двумя оконечными точками, выделяя для этого гарантированную полосу пропускания. ТфОП, базирующаяся на коммутации каналов, предоставляет очень высокое качество обслуживания по той простой причине, что после установления соединения ее абоненты получают в свое полное распоряжение выделенный канал связи. С другой стороны, в ТфОП невозможно внедрить CoS, поскольку предоставляются выделенные, а не разделяемые каналы.

Пакетная телефония требует принципиального иного подхода к QoS, поскольку сети передачи данных являются средой ресурсов совместного использования. Соглашения о CIR и постоянные виртуальные каналы (PVC) сетей FR гарантируют выделение полосы пропускания, необходимой для телефонной связи. Гибкие протоколы реального времени идут дальше простого определения параметра CIR. Они позволяют мультиплексировать голос и данные в общем PVC или разделять их по отдельным PVC в зависимости от решаемых задач, конфигурации сети и требуемых затрат. Кроме того, благодаря назначению Bc FR дает гибкость при передаче "всплесков" трафика в часы наибольшей нагрузки. Абонент может подписаться на доступ к сети FR и оплатить канал из расчета средних потребностей своей сети, получив право при необходимости передавать трафик сверх установленной нормы.

FR или IP

Инфраструктура ТфОП базируется на проверенных временем телефонных кабелях. Медная пара является основой абонентских сетей во всем мире, общая протяженность которых измеряется миллионами километров.

Пакетная телефония разрывает эту зависимость от определенного типа носителя и обеспечивает гибкость в использовании широкого спектра проводных и радиоустройств. Коммутация пакетов допускает передачу по меди, оптоволокну, коаксиальному кабелю, радиоканалу или той среде, которая может появиться в будущем. Это преимущество позволяет организациям устанавливать экономически эффективную кабельную систему, легко наращиваемую под будущие требования, а альтернативным операторам - избегать затрат на аренду абонентских линий у региональных телефонных компаний.

Технология пакетной телефонии снимает ограничения на среду передачи. Протоколы передачи данных выделяют физический уровень как отдельный, делая возможными сквозные соединения в гетерогенных физических инфраструктурах.

Есть несколько фундаментальных различий в принципах обслуживания сетями FR и IP различных видов трафика. Так, стандарты FR базируются на семиуровневой ЭМВОС. Отсюда можно сделать вывод, что каждый коммуникационный уровень имеет свои, независимые от других уровней, протоколы. Преимущество такого подхода - гибкость интеграции новых протоколов в эту модель. Хотя IP часто связывают с ЭМВОС, определения данного протокола менее строги. Объясняется это тем, что IP был разработан до создания ЭМВОС. Как бы то ни было, ныне ЭМВОС используется в качестве теоретической модели для описания любых протоколов, что облегчает понимание их базовой структуры.

FR работает независимо от уровней ЭМВОС с третьего (сетевого) по седьмой (прикладной). Поддержка таких стандартов, как RFC 1490, особенно важна сегодня, поскольку позволяет связать FR со столь важными протоколами, как IP, IPX и SNA.

Реализация пакетной телефонии требует создания новой основы, которая еще теснее свяжет ее с FR. Такая спецификация уже подготовлена консорциумом Frame Relay Forum в документе FRF.11.

Недавно появившийся мультимедийный стандарт H.233 Международного союза электросвязи (МСЭ) предназначен для сетей, не гарантирующих доставку информации. H.323 прописан до уровня настольного ПК и определяет основы аудио-, видео- и компьютерной связи в пакетных сетях, в том числе работающих по протоколам IP и FR. Этот стандарт предлагает средства, с помощью которых устройства разных производителей в процессе установления связи могут "согласовывать" свои возможности (например, посылая запрос типа "Поддерживаешь ли ты видео?"), а затем активизировать доступные функции. Подмножество стандартов H.323 тесно связано с IP, что обеспечивает использование всевозможных видов связи, в том числе видео- и аудиоконференций (VoIP), а также интерактивной переписки типа white board.

С точки зрения реализации обычного телефонного разговора, разница между VoIP и VoFR может казаться и не столь существенной. Контраст между этими транспортными протоколами становится особенно заметным при анализе возможностей передачи трафика данных, не относящегося к протоколам семейства IP (т. е. трафика протоколов SNA, IPX и целой группы устаревших). Вот где проявляются самые сильные стороны FR.

* * *

Изменение парадигмы пакетной телефонии будет иметь позитивное и продолжительное воздействие на развитие отрасли телекоммуникаций. Пакетная телефония уже заметно изменила отношения в этой отрасли. Но еще более значимыми окажутся изменения, которые произойдут с появлением на рынке устройств и технологий с новыми полезными и эффективными функциями. Например, в первой половине следующего десятилетия ожидается появление алгоритмов сжатия, которые позволят передавать речь в полосе всего лишь 2,4 кбит/с.

По мере конвергенции телефонных и компьютерных сетей следует ожидать снижения стоимости услуг и появления более широкого выбора у абонентов. Установление телефонных соединений в следующем десятилетии, вероятно, будет происходить совсем не так, как сегодня. Можно будет позвонить через ТфОП, ISDN, ATM, FR или IP, а также через любую их комбинацию.

Но не забудьте о тех преимуществах, которые пакетная телефония дает уже сегодня. Не откладывайте внедрения VoIP или VoFR в сетях, наиболее активно используемых вашей компанией, там, где эти технологии принесут быструю экономическую отдачу и превосходство над конкурентами. Затем переходите к следующей фазе.

В заключение хочу сказать, что нельзя внедрять мультимедиа-связь в существующих маршрутизируемых сетях без понимания сути IP и FR. Экономически эффективное решение, позволяющее предоставлять услуги пакетной телефонии высокого качества, можно создать только после тщательного проектирования сети. Сложилось ошибочное мнение, что для интеграции пакетной телефонии в имеющиеся сети их необходимо радикальным образом изменять. Эта точка зрения далека от истины.

Пакетная телефония становится логичным расширением функциональности любой корпоративной сети IP или FR. Ее успешное внедрение определяется качеством проектирования сети - особенно того, как будет осуществляться управление нагрузкой, и какие способы борьбы с перегрузками будут использоваться (это очень важно при передаче изохронного трафика). Пакетная телефония может быть интегрирована в существующие корпоративные сети, а необходимые для этого затраты несопоставимы с потенциальными преимуществами.

ОБ АВТОРЕ

Габриэль Дюсиль - менеджер по маркетингу компании Motorola ING. С ним можно связаться по адресу

Инженеры, проводящие лабораторные тестирование коммутаторов, как оказалось, наибольшее значение придают одному параметру - пропускной способности. Почему? Поскольку пропускная способность поражает воображение пользователей и они убеждены, что именно этот параметр в основном определяет то, заслуживает ли этот коммутатор внимания.

Последние тесты коммутаторов Ethernet 10 Гбит/с показали, что с точки зрения пропускной способности они значительно отличаются друг от друга. Парадокс состоит в том, что чем быстрее сеть, тем меньшее значение имеет пропускная способность свитча.
Этот фактор, естественно, весьма важен, но только в тех случаях, когда сеть интенсивно загружена пакетами. В то же время задержка (то есть время, необходимое для переключения между портом ввода и порта вывода) играет важную роль для каждого типа движений пакетов, в каждой ситуации и в каждой сети.
Устройства, характеризующиеся большой величиной задержки, уменьшают скорость работы сети - и это происходит вне зависимости от того, загружена ли сеть на 1% или на 100%. Для того, чтобы приложения "запротестовали", задержки вовсе не должны составлять несколько сот миллисекунд.
Если говорить о коммутаторах, оснащенных интерфейсами Ethernet 1 и 10 Гбит/с, то чаще всего задержка у них составляет величину от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд. До сих пор считается, что задержки, составляющие несколько десятков миллисекунд, не влияют на производительность сетевых приложений.
Отчасти это неверно. Даже небольшие задержки порядка нескольких десятков миллисекунд могут стать причиной резкого уменьшения производительности сетей Ethernet 1 и 10 Гбит/с. "Виновен" в этом, если так можно выразиться, протокол ТСР, а точнее, окна, необходимые этому протоколу для передачи пакетов в сеть.
Как работает ТСР? Отправитель высылает ограниченные порции данных таким образом, чтобы получатель мог выслать в обратном направлении информацию, подтверждающую их получение. Окна обеспечивают подтверждения о получении нескольких пакетов сразу, но если отправитель не получает от получателя за определенное время такого подтверждения, то все пакеты должны быть переданы повторно.
Поскольку в сети Интернет свыше 80% передач происходит с помощью протоколов ТСР, повторная передача пакетов может привести к значительному снижению работоспособности приложений, запущенных в той же среде.
Например, в сети работает коммутатор E1200 (Force10 Networks) и получает пакеты Ethernet длиной 1518 байт, соответствующих максимально возможной длине пакетов Ethernet и обычно используемых при передаче больших объемов данных. Использование сетей на этот момент умеренное, в пределах 10%. Коммутатор принимает 81274 пакета в секунду (один пакет принимается за 12 микросекунд).
В ОС Windows 2000 и XP размер пакета ТСР по умолчанию составляет 16 Кб. Это означает, что в сеть можно отправить без подтверждения их получения не более 11 пакетов. Для 11 пакетов (считая по 12 микросекунд на каждый), каждая задержка более 132 микросекунд будет означать, что данные будут высылаться повторно.
Последние тесты коммутаторов Ethernet 10 Гбит/с показали, что в устройствах Avaya и Force10 Networks задержка при переключении пакетов длиной 1518 байт составляет свыше 40 микросекунд. То есть одиннадцать таких задержек - и мы имеем дело с повторно передаваемыми через протокол ТСР пакетами. Компания Force10 представила свой коммутатор E1200 и сообщила, что задержки удалось уменьшить вполовину (теперь они составляют 23 микросекунды). При таких задержках в сетях Ethernet 10 Гбит/с и дальше происходит повторная передача пакетов, но в сетях 1 Гбит/с протокол ТСР уже не передает их повторно. Но размеры окон изменяются динамически: чем больше окошко, тем большее влияние имеют маленькие задержки.
Можно описать влияние окна ТСР на работу любой сети. Для того, чтобы это сделать, необходимо знать три параметра: длина пакетов, размер окна ТСР и степень использования сети.

Установка протокола TCP/IP

Протокол TCP/IP использует IP-адрес, маску подсети и шлюз по умолчанию для соединения с узлами. Узлы TCP/IP, работающие в глобальной сети, требуют задания всех трех параметров в конфигурации. Каждая плата сетевого адаптера в компьютере, использующем TCP/IP, нуждается в этих параметрах.

IP-адрес - это логический 32-разрядный адрес, однозначно определяющий узел TCP/IP. Каждый IP-адрес состоит из двух частей: идентификатора сети и идентификатора узла. Первый служит для обозначения всех узлов в одной физической сети. Второй обозначает конкретный узел в сети. Каждому компьютеру, использующему TCP/IP, требуется уникальный IP-адрес, например, 194.103.2.200.

Маска подсети выделяет часть IP-адреса и позволяет TCP/IP отличить идентификатор сети от идентификатора узла. Пытаясь связаться, узлы TCP/IP используют маску подсети (например, 255.255.255.0), чтобы определить, находится узел-получатель в локальной или удаленной сети.

Для того чтобы установить соединение с узлом из другой сети, вы должны сконфигурировать IP-адрес шлюза по умолчанию. TCP/IP посылает пакеты, предназначенные для удаленных сетей, на шлюз по умолчанию, но только в том случае, если на локальном узле не сконфигурирован другой маршрут к сети получателя. Если вы не сконфигурируете шлюз по умолчанию, то связь может быть ограничена локальной сетью.

Зайдите на Панель управления, а затем в раздел "Сеть". Если TCP/IP не числится в списке установленных сетевых протоколов, необходимо его установить. Затем выделите TCP/IP и нажмите на кнопку "Свойства". Если ваш компьютер включен в большую сеть, необходимо убедиться, что имя компьютера, домена и информация об IP-адресе не конфликтуют с сетью. В отличие от IP-адреса и маски подсети шлюз по умолчанию является необязательным параметром. Если вы его опустите, то область работы вашего компьютера ограничится локальной сетью.

задержки передачи носят случайный характер

Постоянная и динамическая коммутация

Как сети с коммутацией пакетов , так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса:

сети с динамической коммутацией ;
сети с постоянной коммутацией .

В сетях с динамической коммутацией :

разрешается устанавливать соединение по инициативе пользователя сети;
коммутация выполняется только на время сеанса связи, а затем (по инициативе одного из пользователей) разрывается;
в общем случае пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети;
время соединения между парой пользователей при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается после выполнения определенной работы - передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т.п.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации , являются телефонные сети общего пользования, локальные сети , сети TCP/IP .

Сеть , работающая в режиме постоянной коммутации :

разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени;
соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть;
период, на который устанавливается постоянная коммутация , составляет обычно несколько месяцев;
режим постоянной (permanent ) коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated ) или арендуемых (leased ) каналов;
в том случае, когда постоянное соединение через сеть коммутаторов устанавливается с помощью автоматических процедур, инициированных обслуживающим персоналом, его часто называют полупостоянным (semi-permanent) соединением , в отличие от режима ручного конфигурирования каждого коммутатора .

Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации , сегодня являются сети технологии SDH , на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети X.25 и ATM могут предоставлять пользователю возможность динамически связаться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению определенному абоненту.

Пропускная способность сетей с коммутацией пакетов

Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя абонентами. В случае коммутации каналов после образования составного канала пропускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна - это пропускная способность - канала . Данные после задержки, связанной с установлением канала , начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. 7.1). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов Т к.к. равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи и задержки передачи сообщения. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распространения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблется от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V - объем сообщения в битах, а C - пропускная способность - канала в битах в секунду.

В сети с коммутацией пакетов картина совсем иная.

Рис. 7.1.

Процедура установления соединения в этих сетях, если она используется, занимает примерно такое же время, как и в сетях с коммутацией каналов , поэтому будем сравнивать только время передачи данных.

Рис. 7.2.

На рис. 7.2 показан пример передачи данных в сети с коммутацией пакетов . Предполагается, что по сети передается сообщение того же объема, что и сообщение, передаваемое на рис. 7.1 однако оно разделено на пакеты , каждый из которых снабжен заголовком. Время передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов обозначено на рисунке Т к.п. При передаче этого разбитого на пакеты сообщения по сети с коммутацией пакетов возникают дополнительные задержки. Во-первых, это задержки в источнике передачи, который, помимо передачи собственно сообщения, тратит дополнительное время на передачу заголовков t п.з. , к тому же добавляются задержки t инт, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета (это время уходит на формирование очередного пакета стеком протоколов ).

Во-вторых, дополнительное время тратится в каждом коммутаторе . Здесь задержки складываются из времени буферизации - пакета t б.п. (коммутатор не может начать передачу пакета , не приняв его полностью в свой буфер ) и времени коммутации t к. Время буферизации равно времени приема пакета с битовой скоростью протокола. Время коммутации складывается из времени ожидания пакета в очереди и времени перемещения пакета в выходной порт . Если время перемещения пакета фиксировано и, как правило, невелико (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд), то время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети.

Проведем грубую оценку задержки при передаче данных в сетях с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов на простейшем примере. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, имеет объем 200 Кбайт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Пропускная способность линий связи составляет 2 Мбит/c.

Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из времени распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить примерно в 25 мс (принимая скорость распространения сигнала равной 2/3 скорости света), и времени передачи сообщения, которое при пропускной способности 2 Мбит/c и длине сообщения 200 Кбайт равно примерно 800 мс. При расчете корректное значение К (2 10), равное 1024, округлялось до 1000, аналогично значение М (2 20), равное 1048576, округлялось до 1000000. Таким образом, передача данных оценивается в 825 мс.

Ясно, что при передаче этого сообщения по сети с коммутацией пакетов , обладающей такой же суммарной длиной и пропускной способностью - каналов , пролегающих от отправителя к получателю, время распространения сигнала и время передачи данных будут такими же - 825 мс. Однако из-за задержек в промежуточных узлах общее время передачи данных увеличится. Давайте оценим, на сколько возрастет это время. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов . Пусть исходное сообщение разбивается на пакеты в 1 Кбайт, всего 200 пакетов . Вначале оценим задержку, которая возникает в исходном узле. Предположим, что доля служебной информации, размещенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10%. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков - пакетов , составляет 10% от времени передачи целого сообщения, то есть 80 мс. Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, то дополнительные потери за счет интервалов составят 200 мс. Таким образом, в исходном узле из-за пакетирования сообщения при передаче возникла дополнительная задержка в 280 мс.

Каждый из 10 коммутаторов вносит задержку коммутации , которая может составлять от долей до тысяч миллисекунд. В данном примере будем считать, что на коммутацию в среднем тратится 20 мс. Кроме того, при прохождении сообщений через коммутатор возникает задержка буферизации пакета. Эта задержка при величине пакета 1 Кбайт и пропускной способности линии 2 Мбит/c равна 4 мс. Общая задержка, вносимая 10 коммутаторами , составляет примерно 240 мс. В результате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов , составила 520 мс. Учитывая, что вся приложение делит процессор .

На эффективность работы сети влияют размеры пакетов , которые передает сеть . Слишком большие размеры пакетов приближают сеть с коммутацией пакетов к сети с коммутацией каналов , поэтому эффективность сети падает. Кроме того, при большом размере пакетов увеличивается время буферизации на каждом коммутаторе . Слишком маленькие пакеты заметно увеличивают долю служебной информации, так как каждый пакет содержит заголовок фиксированной длины, а количество пакетов , на которые разбиваются сообщения, при уменьшении размера пакета будет резко расти. Существует некоторая "золотая середина", когда обеспечивается максимальная эффективность работы сети, однако это соотношение трудно определить точно, так как оно зависит от многих факторов, в том числе изменяющихся в процессе работы сети. Поэтому разработчики протоколов для сетей с коммутацией пакетов выбирают пределы, в которых может находиться размер пакета , а точнее его поле данных, так как заголовок, как правило, имеет фиксированную длину. Обычно нижний предел поля данных выбирается равным нулю, что дает возможность передавать служебные пакеты без пользовательских данных, а верхний предел не превышает 4 Кбайт. Приложения при передаче данных пытаются занять максимальный размер поля данных, чтобы быстрее выполнить обмен, а небольшие пакеты обычно используются для коротких служебных сообщений, содержащих, к примеру, подтверждение доставки пакета .

При выборе размера пакета необходимо также учитывать интенсивность битовых ошибок канала . На ненадежных каналах необходимо уменьшать размеры пакетов , так как это сокращает объем повторно передаваемых данных при искажениях пакетов .

Frame Relay (FR) - протокол коммутации пакетов, используемый в глобальных сетях для высокоскоростной передачи кадров или пакетов с минимальными задержками в узле коммутации и для эффективного использования пропускной способности сети. Действует на канальном уровне модели OSI. Может применяться в ЛВС, в каналах с временным мультиплексированием, а также в сетях с коммутацией пакетов и каналов. При ретрансляции сеть направляет кадр в точку назначения в соответствии с содержащимся в нем адресом получателя. Вместо средств управления потоком включает функции извещения о перегрузках в сети, использует более длинные кадры. Главным фактором повышения скорости передачи является то, что анализ ошибок в данном случае не осуществляется и узлы ретрансляции не посылают уведомления или запросы на повтор ошибочно принятых кадров.

При организации связи на основе сети Frame Relay (FR) основным руководящим документом является стандарт FRF.11 . В нем четко сформулированы функции VFRAD, а также способы подключения к нему телефонного оборудования и место VFRAD в структуре сети. Для кодирования речи во FR желательно использовать вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU-T G.723.1 . Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением «качество речи/скорость потока». Параметры задержек некоторых вокодеров приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Задержка некоторых вокодеров

Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов:

а) задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера. Время подготовки одного речевого отсчета равно 125 мкс.

б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать цифровой процессор обработки сигналов такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или, по крайней мере, равна задержке накопления.

На рисунке 1.6 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети Frame Relay.

Рисунок 1.6 - Схема организации телефонной связи по сети 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 (CIR) не может превышать величины пропускной способности физического канала связи, соединяющего узлы сети.

Предположим, что в одном виртуальном канале функционируют три речевых тракта. Это означает, что FR-кадр, согласно стандарту FRF.11, будет иметь вид, представленный на рисунке 1.7.






	Порядковый номер	Тип кодирования
	Речевой кадр G.723.1 (5,3 кбит/с)

Рисунок 1.7 - Формат кадра Frame Relay для единственного речевого подканала.

Из рисунка видно, что общий размер кадра FR составляет 28 байт. Из них 20 байт - полезная нагрузка. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/с, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 7,4 кбит/с (20 байт, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 7,4 кбит/с для своевременной доставки речевого кадра). Этот вывод показывает, что для организации трех речевых трактов потребуется 22,2 кбит/с пропускной способности канала (7,4 кбит/с·3=22,2 кбит/с), и это означает, что невозможно организовать три речевых тракта в канале 19,2 кбит/с. Возможна организация лишь двух речевых трактов. В случае организации двух речевых трактов, необходимо 14,8 кбит/с пропускной способности канала связи.

Таким образом, для удобства рассмотрения введем такое условие, что в сети организован один виртуальный канал содержащий единственный речевой тракт. В этом случае размер кадра будет составлять 28 байт и, следовательно, должен быть передан со скоростью 7,4 кбит/с.

На рисунке 1.8 представлена схема распределения задержек, возникающих при передачи речи по сети Frame Relay корпоративной сети передачи данных.

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:

Т=(t накопл + t обраб + t посл) +…+ (t распр + t посл) +…+ (t распр + t посл + t обраб), (1.1)

Последовательная задержка рассчитывается из того минимально допустимого условия, что кадры Frame Relay от узла к узлу будут передаваться с постоянной скоростью 7,4 кбит/с. Задержка распространения сигнала, рассчитывалась из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU G.I 14 рассчитывается из соотношения:

задержка распространения (мс) = 0,004 протяженность канала связи (км).

Как было описано выше, организация речевой связи по IP-сети основана на использовании протокола Н.323. Основными устройствами, обеспечивающими передачу речи, являются шлюз Н.323, 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.

Задержка распространения сигнала в IP-сети рассчитывается из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU-T G. 114 рассчитывается из соотношения:

задержка распространения (мс) = 0,004·протяженность канала связи (км)

Рисунок 1.8 - Схема распределения задержек в сети передачи данных Frame Relay

На рисунке 1.9 представлена схема распространения задержек при передаче речи по сети IP.

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 IP, в соответствии со следующим соотношением:

Т=(t накопл + t обраб + t ЛВС + t посл.комм) +…+ (t распр + t посл.комм + t посл.маршр) +…+

+..+ (t распр + t посл.комм + t посл.маршр + t ЛВС + t обраб), (1.2)

где t накопл - задержка накопления (t накопл =30 мс);

t обраб - задержка обработки (t обраб =30 мс);

t посл - последовательная задержка (t посл =30 мс);

t распр - задержка распространения (t распр =30 мс).

Рисунок 1.9 - Схема распределения задержек в сети IP

В основном, в современных корпоративных сетях можно выделить следующие типы задержки:

Задержка обработки : Это время, которое затрачивает маршрутизатор на получение пакета на входном интерфейсе и отправку его в исходящую очередь на исходящий инетерфейс. Задержка обработки зависит от следующих факторов:

Скорость центрального процессора;
Использование центрального процессора;
Архитектура маршрутизатора;
Настроенные опции входящих и исходящих интерфейсов.

Задержка очереди: Это время, которое пакет находится в очереди на отправку. Данный вид задержки зависит от таких факторов как количество и размер пакетов, которые уже находятся в очереди, полоса пропускания интерфейса и механизм очередей;
Задержка сериализации: Время, необходимое для перемещения фрейма в физическую среду передачи;
Задержка распространения: Время, которое занимает путь пакета от источника к получателю по каналу связи. Эта задержка сильно зависит от среды передачи.

Методы ограничения задержки

Маршрутизатор имеет достаточно мощностей для того, чтобы быстро и оперативно принимать решения о дальнейшем перенаправлении пакетов. Задержка обработки, очереди и сериализации зависит от следующих факторов:
Средняя длина очереди;
Средняя длина пакетов в очереди;
Пропускная способность канала связи.

Указанные ниже методы удовлетворяют требования чувствительного к задержке трафика

Увеличение пропускной способности: При достаточной пропускной способности, сокращается время ожидания в исходящей очереди, тем самым, сокращается задержка сериализации;
Приоритизация чувствительного к задержкам трафика: Данный метод является более гибким. алгоритмы PG, CQ, MDRR и LLQ имеют значительное воздействие задержку, вносимую очередью;
Сжатие поля полезной нагрузки: Сжатие поля полезной нагрузки уменьшает общий размер пакета, тем самым, по сути, увеличив пропускную способность канала передачи. Так как сжатые пакеты меньше обычных по размеру, их передача занимает меньше времени. Важно помнить, что алгоритмы сжатия весьма сложны, и компрессия наряду с декомпрессией могут добавить дополнительные задержки;
Сжатие заголовков пакетов: Сжатие заголовков не так сильно требует ресурсов центрального процессора, как сжатие поля полезной нагрузки, поэтому, данный механизм часто используется наряду с другими алгоритмами уменьшения задержки. Сжатие заголовков особенно актуально для голосового трафика.

Потеря пакетов

Обычно, потеря пакетов происходит при условии переполнения буфера маршрутизатора. Например, пакеты находятся в исходящей на интерфейсе очереди. В какой-то момент размер очереди достигает своего максимума, и, новые приходящие пакеты просто отбрасываются. В целом, потеря пакетов происходит по следующим причинам:

Потеря на входящей очереди: если не хватает мощности CPU (Central Processing Unit) маршрутизатора, пакеты могут быть потеряны еще на входящем интерфейсе;
Игнорирование пакетов: Буфер маршрутизатора переполнен, следовательно, приходящие пакеты просто игнорируются;
Ошибка во фреймах: Аппаратное обнаружение ошибок во фреймах, например, Cyclic Redundancy Check (CRC).

Как правило, потеря пакетов является результатом чрезмерной загрузки интерфейса.

Используются следующие методы и алгоритмы для предотвращения потерь пакетов :

Увеличение пропускной способности чтобы предотвратить перегрузку на интерфейсе;
Обеспечение достаточной пропускной способности и увеличение буферного пространства для гарантированного перемещения чувствительного к задержкам трафика в начало очереди;
Ограничить перегрузку путем отбрасывания пакетов с низким приоритетом до того, как произойдет переполнение интерфейса. Для обеспечения данной цели, инженер может использовать алгоритм Weighted Random Early Detection (WRED), который будет случайно отбрасывать нечувствительный к потерям и трафик и пакеты, с заранее настроенными низкими приоритетами.