IP-телефония всё глубже проникает в нашу жизнь. Но что же это – технология, сервис или направление? В этой статье мы попытались рассказать подробно об основах и принципах IP-телефонии и показать несколько сценариев её использования. 

Термин

Термин IP-телефония появился не так давно. В буквальном смысле он означает «телефония со средством передачи через протокол IP». Так как протокол IP используется для работы глобальной сети Интернет, то IP-телефонию часто связывают именно с Интернетом. С одной стороны, IP-телефония напрямую обязана своей популярностью именно Интернету, с другой стороны, Интернет при её использовании играет лишь роль транспорта. При этом IP-телефония не ограничена Интернетом, и может работать через любые сети на основе протокола IP.

Поэтому в широком смысле термин IP-телефония следует распространять не только на Интернет, но и на корпоративные сети. Далее для обозначения IP-телефонии мы будем применять более стандартную аббревиатуру VoIP (Voice over IP — голос поверх IP), которая более точно описывает суть явления и устраняет некоторые разночтения при сравнении обычной телефонии и IP.

С чего всё началось

На самом деле, передавать голос через цифровые каналы додумались телефонисты, а не интернетчики. Они уже достаточно давно стали задумываться над тем, как уплотнить несколько голосовых разговоров за счёт применения цифровых каналов. Отбрасывая весь эволюционный путь развития магистральных каналов, от аналоговых с частотным уплотнением до волоконно-оптических с разделением по спектру, опишем лишь текущее состояние современных магистральных каналов. На данный момент связисты используют, в основном, волоконно-оптические каналы связи, где через одно волокно одновременно могут передаваться сотни тысяч разговоров. Причём эти каналы интегрированы в сети операторов связи так, что конечные пользователи и не догадываются, что используются цифровые каналы. Правда, полностью цифровой связью пользуются только абоненты ISDN-сетей, которых у нас не так много, остальные же – только отчасти. «Отчасти» потому, что у подавляющего большинства абонентов стоят аналоговые телефоны, где аналоговый сигнал передаётся только на «последней миле», т.е. на отрезке от АТС до абонента. На самой АТС сигнал преобразовывается в цифровой, и именно в этом виде «путешествует» между АТС. Есть и исключения — т.н. аналоговые АТС, которые по-прежнему работают с аналоговыми сигналами при передаче голоса.

Отличным качеством междугородной и международной связи мы обязаны именно тому, что между АТС практически всегда сигнал идёт в цифровом виде. Как правило, и звонок соседу, и звонок в крупный город за тысячи километров получаются одного качества – цифровой сигнал не искажается при передаче.

Аналогичным образом работают и сети сотовых операторов, только там «последняя миля» вообще отсутствует – мобильные телефоны стандартов GSM и CDMA2000 являются полностью цифровыми устройствами, которые напрямую работают в цифровой же сети оператора сотовой связи. Именно поэтому в сотовых сетях этих стандартов невозможно услышать помехи – им просто неоткуда взяться. А те «похрюкивания» и провалы, которые иногда возникают, вызваны потерей пакетов с голосовыми данными из-за плохой радиосвязи. Такие искажения характерны так же и для VoIP, но подробно о них мы расскажем дальше.

Механизм

Чтобы понять механизм VoIP и телефонии вообще, нужно понять, как работает обычный телефон. А работает он так: ваш голос принимается микрофоном, который выдаёт некий электрический сигнал, который соответствует вашему голосу. Этот сигнал подаётся в линию, передаётся по ней и достигает телефонного аппарата вашего собеседника. Там он подаётся на динамик, встроенный в трубку, и воспроизводится в ухо вашему собеседнику. Аналогичная схема работает и со стороны второго участника разговора – его голос передаётся в вашу трубку.

Это схема для двух телефонов, когда же их много, то между ними устанавливается коммутирующее оборудование – автоматическая станция, которая «знает», на каком порту – какой абонент находится, и переключает вызывающего на нужную линию. Линии в данном случае сопоставляется цифровой номер – именно тот, который должен набрать вызывающий, чтобы «попасть» к этому абоненту.

vv 1 Введение в IP телефонию
Соответственно, в связи участвуют 3 точки: абонент 1, абонент 2 и точка регистрации абонентов. В обычной телефонии абоненты — это телефонные аппараты, а точка регистрации – АТС. Тут важно отметить, что в чисто цифровых системах, например, в ISDN, для набора номера не используются даже тональные сигналы: когда абонент 1 набирает номер абонента 2, то этот номер передаётся на АТС в цифровом виде. Для этого в технологии ISDN имеется специальный канал для управления соединениями – т.н. D-канал. Если вспомнить об ISDN подробнее, то абонентское подключение представляет собой формулу 2B+D. 2B – это два B-канала пропускной способностью по 64 кбит в сек. каждый, а D-канал имеет пропускную способность 16 кбит в сек. Причём каналы эти являются виртуальными – их сигналы передаются по одному проводу (как правило, по медной паре), а разделение полосы, которая в сумме составляет 144 кбит в сек., осуществляется методом мультиплексирования.

Мы так подробно рассказываем про ISDN потому, что на её основе довольно просто понять, как работает VoIP, ведь ISDN, являясь первой полностью цифровой массовой системой связи, стала прообразом VoIP. Так вот, ISDN-абонент имеет 2 B-канала, каждый из которых может передавать голос, факс или данные. Скорость 64 кбит в сек. была выбрана неслучайно – именно такая полоса требуется кодеку, который с минимальными потерями может передавать голос. Те, кто уже имел дело с VoIP, могут заметить, что 64 кбит в секунду это, вообще-то, многовато для одного голосового соединения. Да, это так, но не будем забывать, что во времена разработки ISDN скорость аналоговых модемов составляла 14.4 кбит в сек., а технологий ADSL и VoIP вообще не существовало. Соответственно, телефонистам не имело большого смысла экономить полосу пропускания, усложняя (и удорожая) ISDN-телефоны. Более того, скорость подключения к Интернет — 64 кбит в сек, которую обеспечивал ISDN, была в то время очень и очень высокой.

Вернёмся к телефонии. При работе ISDN в качестве голосовой связи используется 2 канала: B-канал (64 кбит в сек.) для передачи голоса и D-канал (16 кбит в сек.) для т.н. сигнализации, т.е. управления установкой и обслуживанием соединения. Именно принцип разделения голосового трафика и сигнализации является одним из признаков чисто цифровых систем. Аналоговые системы вынуждены управлять соединением по тому же каналу. Например, при пульсовом наборе телефон специальным образом замыкает линию и тем самым «сообщает» АТС номер вызываемого абонента. При тоновом наборе коды номера подаются прямо в аналоговом виде.

Разделение управления вызовом и голосового трафика сохраняется и в VoIP. Вообще, VoIP, по сути своей, очень схож с ISDN: та же полностью цифровая связь, наличие специальных абонентских терминалов. Вот только среда передачи – протокол IP.

Основные проблемы при использовании IP для передачи голосового трафика

Протокол IP (Internet Protocol) разрабатывался ещё во времена, когда каналы передачи были довольно медленными и плохо поддавались контролю. Именно поэтому IP был изначально ориентирован на каналы без гарантированной полосы пропускания и без гарантий задержек при передаче. Другими словами, принцип его работы заключается в следующем: «пытаться передать данные через любой канал». Речи об обеспечении параметров передачи трафика не шло.

В противоположность IP-сетям, каналы телефонной связи изначально проектировали с гарантированной полосой пропускания и контролем задержек. У телефонистов были достаточно жёсткие стандарты качества. И именно этим стандартам мы обязаны, имея сегодняшнюю связь, индустрия которой весьма консервативна.

Протокол IP передаёт данные, разбивая их на пакеты. При этом каждый пакет, кроме данных, содержит также и служебную информацию. Это важный момент, поскольку механизм работы VoIP таков, что часто голосовые данные в IP-пакете занимают лишь небольшую часть его объёма – остальное занимают служебные заголовки. Этот недостаток вызван схемой работы самого протокола IP. Итак, первая проблема VoIP: Большие объёмы служебной информации в каждом пакете.

Когда разрабатывался протокол IP, было решено, что при перегрузке каналов передачи, маршрутизаторы будут просто сбрасывать (уничтожать) пакеты, которые невозможно передать. Принцип тут простой: «не можем передать – уничтожаем». В VoIP это отразилось таким образом, что если голосовой поток просто не «проходит» в имеющуюся на данный момент полосу пропускания канала, пакеты просто сбрасываются и часть голосовой информации теряется. Именно это вызывает «похрюкивания» и провалы при использовании VoIP – точно так же, как и в GSM. Только в GSM потери пакетов возникают не вследствие перегрузки каналов, а по причине плохого качества радиосвязи (дело в том, что сети GSM – это, прежде всего, сети голосовой связи, которые при передаче голоса предоставляют гарантированную полосу и параметры задержек).

VoIP просто вынужден мириться и подстраиваться под идеологию работы протокола IP. А именно — использовать кодеки с минимальными требованиями к полосе пропускания и способностью сглаживать провалы, которые возникают при потере пакетов из-за перегрузок каналов. Следовательно, вторая проблема VoIP: Потери пакетов с голосовым трафиком, являющиеся результатом нормальной работы протокола IP.

Отдельной проблемой является ещё один механизм работы протокола IP- т.н. очереди. Суть работы этого механизма заключается в том, что при передаче пакетов через канал они ставятся в очередь, и если в очереди много пакетов большого размера, то пакеты с голосовым трафиком передаются с задержкой. Представьте себе ситуацию, что в очереди «стоят» 3 пакета с голосовым трафиком размером по 128 байт и 30 пакетов с бинарными данными по 1500 байт. Предположим, что пропускная способность канала – 64 кбит в сек, тогда каждый пакет в 1500 байт будет передаваться примерно 0.19 сек, но таких пакетов в 10 раз больше, чем пакетов с голосовым трафиком. Соответственно, можно предположить, что на каждый пакет с голосовым трафиком может передаваться по 10 пакетов размеров 1500 байт, а это уже задержка в 1.9 секунды! Между каждым пакетом с голосовым трафиком!

Данное явление получило название задержки (delays), именно с ним вы сталкиваетесь, когда используете VoIP и слышите своего собеседника с большим запозданием. Третья проблема VoIP: Задержки при передаче голосового трафика.

Сразу можно упомянуть о четвертой проблеме: ведь в очереди не обязательно будет стоять 30 пакетов по 1500 байт и 10 по 128 байт. Возможны и другие комбинации. Это приводит к тому, что пауза между пакетами VoIP будет постоянно изменяться в зависимости от того, какие ещё пакеты и в каком количестве стоят в очереди вместе с ними. Это явление получило название джиттер (jitter) и оно является четвёртой проблемой использования VoIP: Неравномерность задержек между соседними пакетами VoIP.

vv 2 Введение в IP телефонию

Топология VoIP

У решений для работы в Интернет, как правило, две основные топологии – «с сервером» и «клиент-клиент». В топологии с сервером, абоненты подключаются к нему и передают все данные только через сервер. При использовании топологии клиент-клиент, абоненты могут напрямую обмениваться данными. Существует и третья, гибридная, топология – когда используется топология клиент-клиент, но при этом, задействован и сервер, но не для обмена всей информацией, а только для регистрации и поиска абонента для вызова.

vv 3 Введение в IP телефонию

Топология с использованием сервера, как правило, используется в том случае, если абоненты находятся за межсетевыми экранами или трансляцией адресов. В этом случае они часто не могут обмениваться пакетами напрямую, поскольку входящие соединения блокируются межсетевым экраном или трансляцией адресов. В этой топологии абоненты полностью осуществляют обмен через сервер.

vv 4 Введение в IP телефонию

Топология «клиент-клиент» используется, как правило, когда клиенты могут обмениваться пакетами непосредственно друг с другом. Это самая эффективная топология для VoIP, поскольку отсутствует необходимость содержания постоянного сервера и каналов связи до него. Ведь каждый VoIP-разговор может занимать полосу пропускания от 32 до 160 кбит в сек., и если умножить эту цифру на количество одновременных разговоров, то может получиться очень приличное значение. Однако в такой топологии могут возникнуть сложности с определением IP-адреса, на который нужно «звонить».

vv 5 Введение в IP телефонию
Проблему регистрации VoIP-клиентов решает гибридная топология, использующая сервер, но не для обмена голосовым трафиком, а для регистрации и поиска абонентов. Тем самым, сервер в данном случае является как бы АТС для этих двух абонентов. Именно гибридная топология является самой перспективной, поскольку она не требует мощного сервера и канала его связи с Интернет, но при этом сохраняет возможность централизованной регистрации и поиска абонентов.

Всё это верно, если говорить о VoIP-абонентах в Интернет. Но ведь VoIP- абоненты могут общаться не только между собой, но и звонить абонентам обычной телефонной сети и даже получать от них звонки. Для решения этой задачи используются т.н. VoIP-шлюзы. Это специальные устройства, которые способны подключаться к сети традиционной телефонии, но при этом являться и абонентами VoIP-сети. В итоге получается устройство, которое доступно как для VoIP-абонентов, так и для абонентов традиционной телефонии. Это позволяет абонентам VoIP и традиционной телефонии звонить друг другу через подобные шлюзы. Так как установка и поддержание шлюзов стоят ощутимых денег, то в подавляющем большинстве случаев их использование является платным.

vv 6 Введение в IP телефонию

Причины использования VoIP

Казалось бы, при использовании VoIP возникает столько проблем, стоит ли вообще её использовать? Ответ на этот вопрос далеко не всегда однозначен. В первую очередь потому, что по каждому случаю стоит реально оценивать необходимость использования VoIP, а не обычной телефонии.

На Западе, откуда и началось распространение VoIP, оно было предварено распространением широкополосного доступа по ADSL. При этом стоимость аренды каналов передачи данных была достаточно низкой, чтобы иметь возможность использовать высокоскоростные соединения. Всё это, в конечном итоге, привело к тому, что стоимость трафика стала стремиться к нулю, хотя доступ в Интернет — это фактически международный доступ по всему миру.

Разумеется, первым делом начался охват самого прибыльного рынка – рынка международной телефонии. Ведь стоимость международного звонка, осуществляемого стандартным способом, и стоимость трафика для совершения такого звонка через Интернет различаются в десятки раз. Даже для Беларуси цена трафика при использовании ADSL и звонке в США, в 20 раз ниже стоимости аналогичного звонка по обычному телефону! Для России уже меньше – в 8 раз. Соответственно и прибыльность предоставления услуг международной связи посредством VoIP очень высокая. Именно выгодность международных звонков стала основным двигателем VoIP в массы.

Однако не стоит забывать и о том, что VoIP работает далеко не всегда так же хорошо, как и стандартная телефония. А для экономии в 20 раз на звонках в США нужно не только иметь у себя компьютер для совершения звонков по VoIP, но и чтобы собеседник на той стороне тоже использовал компьютер и совместимое ПО, а это не всегда достижимо. В итоге может возникнуть необходимость совершать звонки на обычные телефоны в США, а тут без помощи оператора традиционной телефонии не обойтись – придётся платить ему за звонки через его шлюз в США. Зато при этом можно звонить на любой телефон, а не только пользователям компьютера.

Стоит такая услуга около $0.03 в минуту, а это уже не в 20, а только в 10 раз дешевле, и т.д. А для звонков в Москву этот показатель снижается уже до 4 раз. При учёте всех факторов, как-то: надёжность, качество и простота оплаты, вы запросто можете прийти к выводу, что «игра не стоит свеч». Особенно, когда звонить нужно немного и не часто.

Итак, причины использования VoIP для международных звонков чисто экономические – сэкономить деньги. Особенно эффективно использование VoIP, когда требуется звонить в больших объёмах, учитывая при этом, что собеседник на той стороне будет готов мириться с более низким качеством связи.

Возникает логичный вопрос: «А как же так получилось, что телефонисты выпустили такой лакомый кусок прибыли?» Вопрос закономерный. Несколько лет назад телефонисты даже инициировали ряд законодательных инициатив, призванных ограничить использование VoIP для сохранения прибылей операторов традиционной телефонии. Однако это оказалось не так просто, а операторы VoIP-телефонии и поныне живут и здравствуют. Действительно, смешно было бы ограничивать поставщиков, например, природного газа, чтобы защитить поставщиков мазута. Любая отрасль, которая перестаёт приносить прибыль и не является стратегически важной для государства, должна быть либо реструктурирована, либо санирована по всем законам экономики.

Вторая причина использования VoIP – удобство. Некоторым людям, количество которых постоянно растёт, просто удобней звонить с компьютера, чем использовать стационарный телефон. В этой связи нет никаких сомнений, что рано или поздно VoIP полностью вытеснит проводную телефонию, точно так же, как компакт-диски вытеснили магнитные кассеты, а сами впоследствии были вытеснены MP3-проигрывателями. Тут вопрос только в экономической целесообразности (пока проводная телефония значительно дешевле) и техническом уровне пользователей (пользоваться проигрывателем кассет с магнитной лентой проще, чем MP3-проигрывателем).

Третья причина кроется в корпоративном рынке. Дело в том, что VoIP может заменить традиционную телефонию, например, на уровне предприятия. Если решить все технические проблемы VoIP, описанные ранее, то эта технология вполне может стать альтернативой офисным мини-АТС, поскольку имеет ряд преимуществ:

  • не требует отдельной проводки для телефонов — использует существующую сеть Ethernet;
  • не требует собственно мини-АТС, как устройства, – достаточно запустить специальный сервис на одном из имеющихся серверов;
  • позволяет вводить шифрование разговоров на уровне телефонного аппарата;
  • легко интегрируется как с сетями VoIP, так и с сетями традиционной телефонии.

Все эти преимущества позволяют производителям VoIP-решений с оптимизмом смотреть в будущее.

Сценарии использования

На данный момент достаточно чётко сформировалось три основных направления использования VoIP:

  • Звонки с компьютера на компьютер или традиционный телефон

    Это направление, в основном, обязано своей популярности проекту Skype и другим Интернет-пейджерам с поддержкой голосовой связи. Используется для бесплатных звонков через Интернет непосредственно между пользователям соответствующего ПО либо для звонков с компьютера в сеть традиционной телефонии (как правило, платных).

  • Использование Интернет в качестве дешёвого транспорта

    Сюда попадают карточки т.н. IP-телефонии — это когда вы покупаете предоплаченную карточку и используете её для доступа на шлюз VoIP, который пробрасывает звонок через Интернет и соединяет вас с VoIP-шлюзом в стране назначения. В этом случае сам оператор экономит значительные средства на поддержании международных каналов голосовой связи, и именно по этой причине звонки по таким карточкам дешевле, чем с традиционного телефона. Последнее время набирают популярность организации как исходящих звонков через VoIP, так и входящих, когда VoIP-абоненту присваивается номер традиционной телефонии, и он может полноценно совершать и принимать звонки. Правда, у нас это пока не практикуется, но вот в России уже весьма распространено.
    Не брезгуют более дешёвым транспортом и международные операторы, чтобы, с одной стороны, снизить свои расходы на каналы или в моменты пиковой нагрузки задействовать резервные мощности через VoIP. Например, когда вы звоните по международной связи и ощущаете значительную задержку передачи голоса от вашего собеседника, слышите эхо своего голоса или искажения голоса, как при плохой сотовой связи, знайте – ваш звонок пошёл через VoIP.

  • Корпоративный сегмент

    Именно на этом сегменте есть, где разгуляться фантазии проектировщиков VoIP-решений. Дело в том, что когда речь идёт о телефонии отдельно взятого предприятия, то описанные проблемы с VoIP, вызванные использованием протокола IP, можно эффективно решить, поскольку предприятие полностью контролирует свою сеть.
    Предприятие может применить в своей сети технологии семейства QoS (Quality of Service – качество обслуживания — передачи), чтобы получить требуемые параметры передачи голосового трафика по своей сети.

Огромный плюс VoIP состоит в том, что эта технология практически безгранично масштабируема и гибка – она «ложится» на имеющуюся корпоративную сеть предприятия. А такие функции, как шифрование разговоров на уровне телефон-телефон, возможность видео-связи и широкий набор сервисов (голосовая почта, интерактивное меню для входящих звонков, и т.д.), делают эту технологию очень перспективной.


blue up2 Введение в IP телефониюНаверх