VOIP

VoIP (англ. Voice over Internet Protocol; IP-телефония) — система связи, обеспечивающая передачу речевого сигнала по сети Интернет или по любым другим цифровом виде и, как правило, перед передачей преобразовывается (сжимается) с тем, чтобы удалить избыточность.

VoIP телефон

VoIP

Возможность передачи голосовых сообщений через сеть с пакетной коммутацией впервые была реализована в 1993 году. Данная технология получила название VoIP (Voice over IP). Одним из частных приложений данной технологии является IP-телефония — услуга по передаче телефонных разговоров абонентов по протоколу IP.

Основными преимуществами технологии VoIP является сокращение требуемой полосы пропускания, что обеспечивается учётом статистических характеристик речевого трафика:

• блокировкой передачи пауз (диалоговых, слоговых, смысловых и др.), которые могут составлять до 40-50 % времени занятия канала передачи;
• высокой избыточностью речевого сигнала и его сжатием (без потери качества при восстановлении) до уровня 20-40 % исходного сигнала.

Трафик VoIP критичен к задержкам пакетов в сети, но обладает толерантностью (устойчивостью) к потерям отдельных пакетов. Так, потеря до 5 % пакетов не приводит к ухудшению разборчивости речи.

При передаче телефонного трафика по технологии VoIP должны учитываться жёсткие требования стандарта ISO 9000 к качеству услуг, характеризующие:

1. качество установления соединения, определяемое в основном быстротой установления соединения,
2. качество соединения, показателем которого являются сквозные (воспринимаемые пользователем) задержки и качество воспринимаемой речи.

Уровень

Показатели качества передачи речи		Классы качества услуги
		Лучшее	Высокое	Среднее	Низкое
Время установления соединения	прямая IP-адресация	< 1,5 сек	< 4 сек	< 7 сек	—
	перевод номера IP-адрес	< 2 сек	< 5 сек	< 10 сек	—
	перевод номера IP-адрес через расчётную организацию	< 3 сек	< 8 сек	< 15 сек	—
	перевод имени e-mail в IP-адрес	< 4 сек	< 13 сек	< 25 сек	—
Сквозные задержки	по стандарту	< 150 мс	< 250 мс	< 350 мс	< 450 мс
	по рекомендации ITU-T G.114	< 150 мс	< 260 мс	< 400 мс	> 400 мс
Качество воспринимаемой речи	ETSI	Не хуже G.726 для 32 кбит/сек	Не хуже
	Баллы MOS	> 4,5	4,0 — 4,5	3,5 — 4,0	3,5 — 3,0

В результате для обеспечения требований QoS при передаче телефонного трафика по технологии VoIP (особенно в условиях ограниченной пропускной способности сети, характерной для сетей специальной связи) необходимо использовать ряд дополнительных механизмов, не существующих в классических IP-сетях. К этим механизмам относятся:

• использование специфических вокодеров;
• уменьшение задержек при передаче пакетов по сети;
• использование специализированных декодеров, устойчивых к потерям пакетов.

Функциональность

Технология VoIP реализует задачи и решения, которые с помощью технологии PSTN реализовать будет труднее, либо дороже. Примеры:

• Возможность передавать более чем один телефонный звонок, в рамках высокоскоростного телефонного подключения. Поэтому технология VoIP используется в качестве простого способа, для добавления дополнительной телефонной линии дома или в офисе.

• Свойства, такие как

• конференция,
• переадресация звонка,
• автоматический перенабор,
• определение номера звонящего

предоставляются бесплатно или почти бесплатно, тогда как в традиционных телекоммуникационных компаниях обычно выставляют в счет за дополнительную плату.

• Безопасные звонки, со стандартизованным протоколом, (такие как Secure Real-time Transport Protocol). Большинство трудностей для включения безопасных телефонных соединений по традиционным телефонным линиям, такие как оцифровка сигнала, и передача цифрового сигнала, уже решены в рамках технологии VoIP. Необходимо лишь произвести шифрование сигнала, и его идентификацию для существующего потока данных.

• Независимость от месторасположения. Нужно только интернет соединение, для подключения к провайдеру VoIP. Например, операторы центра звонков (call center) с помощью VoIP телефонов могут работать из любого офиса, где есть в наличии эффективное быстрое и стабильное интернет подключение.

• Доступна интеграция с другими через интернет, включая видео-звонок, обмен сообщениями и данными во время разговора, аудио конференции, управление адресной книгой, и получение информации о том, доступен ли для звонка какие-то другие абоненты (коллеги или друзья).

• Дополнительные телефонные свойства, такие как маршрутизация звонка, всплывающие окна, альтернативный GSM-роуминг и внедрение IVR – легче и дороже внедрить и интегрировать. Тот факт, что телефонный звонок находится в той же самой сети передачи данных, что и персональный компьютер пользователя, открывает путь ко многим новым возможностям.

Дополнительно: возможность подключения прямых номеров в любой стране мира (

Совместимость мобильных номеров Mobile number portability или MNP

Совместимость мобильных номеров Mobile number portability (MNP) также оказывает свое влияние на IP-телефонию, или другими словами, на коммерческое применение VOIP (Voice over IP). Голосовой звонок, который пришел по каналу VOIP, маршрутизируется на мобильный телефон традиционного мобильного оператора, также имеет задачу достичь цели назначения, которая в случае с мобильным телефоном выражается в том, что звонок (сигнал) должен достичь порта. Совместимость мобильных номеров – это сервис, который позволяет его пользователям сохранить существующий телефонный номер при переходе от одного мобильного оператора к другому.

Звонки по номерам экстренных вызовов (скорая, пожарные)

Из-за свойств, присущих самой технологии IP, трудно определить местонахождение пользователя географически. Звонки по номерам экстренных вызовов нельзя легко маршрутизировать, (перенаправить) на близлежащий центр приема звонков. Иногда, VoIP-системы могут маршрутизировать экстренные внутрисетевые вызовы на неэкстренные телефонные линии в нужном подразделении.

Кодирование речевой информации

Источником информационных данных является речевой сигнал, возможной моделью которого является нестационарный случайный процесс. В первом приближении можно выделить следующие типы сигнальных фрагментов: вокализированные, невокализированные, переходные и паузы. При передаче речи в цифровой форме каждый тип сигнала при одной и той же длительности и одинаковом качестве требует различного числа бит для кодирования и передачи. Следовательно, скорость передачи разных типов сигнала также может быть различной, что обусловливает применение кодеков с переменной скоростью. В результате передача речевых данных в каждом направлении дуплексного канала рассматривается как передача асинхронных логически самостоятельных фрагментов цифровых последовательностей (транзакций) с датаграммной синхронизацией внутри транзакции, наполненной блоками различной длины.

В основе кодека речи с переменной скоростью лежит классификатор входного сигнала, определяющий степень его информативности и, таким образом, задающий метод кодирования и скорость передачи речевых данных. Наиболее простым классификатором речевого сигнала является англ. Voice Activity Detector, детектор речевой активности), который выделяет во входном речевом сигнале активную речь и паузы. Фрагменты сигнала, классифицируемые как активная речь, кодируются каким-либо из известных алгоритмов (как правило, на базе метода Code Excited Linear Prediction — CELP) с базовой скоростью 4 — 8 кбит/с. Фрагменты, классифицированные как паузы, кодируются и передаются с низкой скоростью порядка 0.1 — 0.2 Кбит/с, либо не передаются вообще. Когда срабатывает

Вокодер вносит дополнительную задержку порядка 15 — 45 мс, возникающую по следующим причинам:

• использование буфера для накопления сигнала и учёта статистики последующих отсчётов (алгоритмическая задержка);
• математические преобразования, выполняемые над речевым сигналом, требуют процессорного времени (вычислительная задержка).

Данную задержку необходимо учитывать при расчёте сквозных задержек (табл. 1).

Проведённый в различных исследовательских группах анализ качества передачи речевых данных через сеть Интернет показывает, что основным источником возникновения искажений, снижения качества и разборчивости синтезированной речи является прерывание потока речевых данных, вызванное:

• потерями пакетов при передаче по сети связи;
• превышением допустимого времени доставки пакета с речевыми данными.

Это требует решения задачи оптимизации задержек в сети и создание алгоритмов компрессии речи устойчивых к потерям пакетов (восстановления потерянных пакетов).

Least Cost Routing (LCR) system - Система с минимальной стоимостью маршрутизации звонка

VoIP совершенно заслуженно считают системой с минимальной стоимостью маршрутизации звонка (Least Cost Routing (LCR) system), которая основана на том, что осуществляется проверка пункта назначения каждого телефонного звонка, как только он сделан внутри сети, что дает потребителю самую низкую цену. При условии совместимости с GSM номерами, которая сейчас широко распространена, провайдеры систем с минимальной стоимостью маршрутизации звонка LCR, больше не могут полагаться на использование префикса номера, для того чтобы определить, как перенаправить (машрутизировать) звонок. Вместо этого, сейчас им нужно знать фактическое название сети мобильного оператора, для каждого звонка, чтобы осуществить его маршрутизацию. Следовательно, VoIP –решения также необходимы для того, чтобы управлять совместимостью мобильных номеров MNP, при маршрутизации голосового звонка. В странах без центральной базы данных, таких как UK, иногда бывает нужно направлять запрос в GSM сеть о том, к какой сети (какому оператору) принадлежит данный мобильный телефон. Поскольку VoIP начинает набирать обороты на рынке компаний благодаря применению функций системы минимальной стоимости маршрутизации звонка, необходимо предоставить определенный уровень надежности при управлении звонками.

Проверки совместимости мобильных номеров MNP нужны для того, чтобы гарантировать, что качество услуге будет соответствовать требуемому; при проведении проверки совместимости мобильных номеров перед тем, как осуществится маршрутизация звонка, и тем самым гарантировать, что голосовой звонок действительно попадет по назначению, VoIP компании дают своим компаниям-клиентам (потребителям) гарантию, что они найдут провайдера услуг IP телефонии. Компания-оператор, предоставляющая услугу интернет-пейджера, Tyntec, зарегистрированная в UK, предоставляет услугу Voice Network Query, (Система передачи голосовых сообщений), эта услуга дает возможность как традиционным операторам голосовой связи, так и VOIP операторам отправлять запрос в GSM сеть, запрос, направленный на то, чтобы найти домашнюю сеть для перенесенного номера.

Кодеки

Открытые: G.711 uLaw/Mu-law aLaw G.726 iLBC

Проприетарные: G.729A G.723.1

Сравнительные характеристики VoIP кодеков^[1]

Кодек	Размер полезной нагрузки пакета (байты)	Информационная скорость (Кбит/с)	Алгоритмическая задержка	Занимаемый поток IP-пакетами (Кбит/с)	Занимаемый поток Ethernet-фреймами (Кбит/с)
G.711	160	64	20	64.8	80
G.723.1 (6.3)	24	6.3	37.5	6.9	17.1
G.723.1 (5.3)	20	5.3	37.5	5.9	16
G.726-32	160	32	20	32.8	42.7
G.726-24	160	24	20	24.8	34.7
G.726-16	160	16	20	16.8	26.7
G.729(8)	20	8	25	8.8	18.7
G.729(6.4)	16	6.4	25	7.2	17.1

Протоколы IP телефонии

Протоколы обеспечивают регистрацию шлюз, терминал или сервере или гейткипере провайдера, вызов и/или переадресацию вызова, установление голосового или видео соединения, передачу имени и/или номера абонента. В настоящее время широкое распространение получили следующие VoIP протоколы:

• UDP
• SIP, сигнализация по порту 1720 TCP для регистрации терминалов на гейткипере
• UDP порт и сигнализация, и медиа трафик
• SCTP
• SGCP
• Skinny/Cisco
• Nortel

Механизмы оптимизации задержек в сети

Задержки пакетов в IP-сетях определяются:

• случайной задержкой пакетов на обработку в транзитных маршрутизаторах;
• датаграммным режимом передачи, приводящим к нарушению порядка следования пакетов и необходимости их сортировки на принимающей стороне.

В соответствии с этим существует несколько подходов к оптимизации задержек с целью обеспечения требуемого качества передачи.

1. Реализация первого подхода предусматривает резервирование части пропускной способности сети для передачи пакетов с речевой информацией. Для того, чтобы более эффективно использовать зарезервированную полосу пропускания, на оконечном или шлюзовом оборудовании должна осуществляться предварительная концентрация речевой информации. При этом IP-пакеты должны формироваться не по мере поступления речевых сигналов, а с некоторой задержкой, достаточной для сборки информационного блока больших размеров. Передача речи в больших информационных блоках упрощает процедуру управления очередями на транзитных узлах, что очень существенно в связи с неразвитой системой приоритетов существующего протокола IP. Однако реализация этого подхода приводит к появлению дополнительной задержки.
   Для резервирования полосы пропускания в сети IP может использоваться метод WFQ (Weighted Fair Queuing) или протокол WFQ позволяет для каждого вида трафика выделять определённую часть полосы пропускания. Оператор через систему административного управления может задать количество очередей (до 10 очередей для передачи данных и одну очередь для системных сообщений). В случае, если одна очередь не использует полностью выделенную ей полосу пропускания, то свободный резерв полосы пропускания может задействоваться для передачи информации из следующей очереди. Этот метод позволяет гибко использовать ресурсы сети и реализован в оборудовании фирмы Cisco.
2. Протокол
3. Также одним из способов оптимизации задержки в сети является использование протокола , который позволяет приложению реагировать на изменение состояния сети.
4. Третий подход предусматривает построение магистральной транспортной сети Интернет на основе технологии Frame Relay или Frame Relay или Frame Relay или

Декодирование речевой информации

С учётом возможных потерь пакетов в сети для восстановления речевого потока на приёмной стороне используется протокол реального времени — . В заголовке данного протокола, в частности, передаются временная метка и номер пакета. Эти параметры позволяют при минимальных задержках определить порядок и момент декодирования каждого пакета, а также интерполировать потерянные пакеты.

Восстановленная последовательность, с возможными пропусками как одиночных пакетов, так и групп пакетов, поступает на декодер. Декодер должен обеспечить восстановление речевой информации, заполнение пауз фоновым шумом, а также

Security: Безопасность соединения

Большинство потребителей VoIP-решений еще не поддерживают криптографическое шифрование, несмотря на то, что наличие безопасного телефонного соединения намного проще внедрить в рамках VoIP-технологии, чем в традиционных телефонных линиях. В результате, относительно несложно установить прослушивание VoIP-звонков, и даже изменить их содержание. Тот, кто вторгается с использованием анализатора сетевых пакетов, имеет возможность перехватить ваши VoIP-звонки, если вы не находитесь в рамках безопасной (защищенной) виртуальной сети. VLAN. Эта уязвимость в безопасности может привести к атакам со сбоями (отказами в обслуживании) у вас, или у кого-то, чей номер принадлежит вашей сети. Эти отказы в обслуживании могут полностью уничтожить вашу телефонную сеть, создав постоянный сигнал — «занято», и увеличив количество разъединения абонентов. Не существует такого понятия, как 100 % безопасное соединение в сети. Внедрение VoIP-протокола может лишь усложнить такое вмешательство в вашу систему. Потребители могут обезопасить свою сеть, ограничив доступ в виртуальную локальную сеть данных, спрятав свою сеть с голосовыми данными от пользователей. Если потребитель поддерживает безопасный и правильно конфигурируемый межсетевой интерфейс-шлюз с контролируемым доступом «ГЕЙТВЕЙ», вы можете держать большинство хакеров далеко позади. Есть несколько ресурсов с открытым кодом. (open source solutions), выполняющих анализ трафика VoIP-разговоров. Невысокий уровень безопасности предоставляется в рамках патентованных аудиокодеков, которые нельзя найти в списках источников с открытым кодом, однако, такая «безопасность через непонятность» не зарекомендовала себя, как эффективное средство в других областях. Некоторые вендоры используют также сжатие, чтобы перехват информации было труднее выполнить. Однако, настоящая безопасность сети требует проведения криптографического шифрования и криптографической аутентификации, которые не доступны широкому потребителю. Существующий сейчас стандарт безопасности софтфонах. Можно использовать SRTP, но там используется система шифрования, которая прозрачна для Skype-провайдера. Решение Voice VPN (которое представляет собой сочетание технологии Voice over IP и Virtual Private Network) предоставляет возможность создания безопасного голосового соединения для VoIP-сетей внутри компании, путем применеи IPSec шифрования к оцифрованному потоку голосовых данных.

Caller ID: услуга определения идентификатора звонящего

Caller ID - Услуга определения ID звонящего Поддержка услуги определения Caller ID у разных провайдеров может отличаться, хотя большинство VoIP провайдеров сейчас предлагают услугу «определение идентификатора звонящего caller ID» с именем на исходящие звонки. Когда звонок идет на номер местной сети от какого-то VoIP провайдера, услуга определения caller ID не поддерживается. В некоторых случаях, VoIP-провайдеры могут позволить звонящему имитировать какой-то не принадлежащий ему caller ID, потенциально давая возможность демонстрировать такой ID, который фактически не является номером звонящего. Коммерческое VoIP-оборудование и программное обеспечение обычно легко дает возможность изменять информацию caller ID. Несмотря на то, что эта услуга может обеспечить огромную свободу действий, она также дает возможность для злоупотреблений.

Примечания

1. ↑ приводятся по книге Александр Филимонов — Построение мультисервисных сетей Ethernet, БХВ-Петербург, 2007, ISBN 978-5-9775-0007-4, глава 2 «Голосовые приложения мультисервисных сетей»

См. также

Аналоговые порты	FXS, E&M
Цифровые порты	PRI
Оказание услуг	Callback, fring, Эхолинк

Ссылки

• Что обозначают термины FXO и FXS?
• Мониторинг и отладка VoIP-сетей с помощью сетевого анализатора
• Атака на VoIP: Перехват и Подслушивание
• Wiki SIP
• Литература о VoIP