Рассмотрим принцип маршрутизации, выполняемой протоколом IP .

Процесс маршрутизации состоит в выборе следующего узла сети, которому следует передать пакет, на основании IP-адреса назначе­ния. С этой целью узел использует таблицу маршрутизации, в кото­рой каждая строка соответствует одному из маршрутов. В каждой строке записывается адрес сети назначения и адрес следующего узла, а также иная дополнительная информация.

В качестве примера рассмотрим посылку пакетов от компьютера А к компьютеру В, включенных в две сети Ethernet, связанных меж­ду собой маршрутизатором.

В обоих сетях Ethernet используется IP-адресация класса С. IP-адреса назначаются: сетям, компьютерам и портам маршрутизато­ра. Внутри каждой сети действует локальная адресация — МАС-адресация.

Для соединения с компьютером В пользователь компьютера А может использовать символьное имя: Host5.campus.pgups.ru или IP-адрес: 221.36.41.55. В первом случае компьютер А должен найти в своей памяти соответствие символьному имени IP-адреса. Если такого соответствия нет, то компьютер А должен обратиться за IP-адресом к DNS-серверу (на рисунке не показан). Предположим, что компьютеру А известен IP-адрес пункта назначения.

Компьютер А по адресу 221.36.41.55 определяет, что соединение должно быть вне сети 1, и пакеты надо направлять к маршрутизатору. Чтобы направлять пакеты к маршрутизатору, надо еще знать МАС-адрес порта 1 — MAC11. Компьютер А обращается к своей ARP-таблице и считывает из нее МАС11 (если в ARP-таблице таких данных нет, то компьютер А делает запрос к ARP-серверу).

Теперь компьютер А формирует кадр Ethernet, состоящий из Ethernet-заголовка и IP-пакета. В Ethernet-заголовок вставляется МАС-адрес МАС_11; а в заголовок IP-пакета — IP-адрес 221.36.41.55. Порт 1 маршрутизатора принимает кадр и по МАС11 определяет, что кадр предназначен для него. Протокол Ethernet извлекает из этого кадра IP-пакет и передает его протоколу IP, который извлекает из него IP-адрес 221.36.41.55. Происходит обращение к таблице марш­рутизации, в которой находится строка с адресом сети 2.

 

Адрес сети назначения	Адрес следующего узла (маршрутизатора)	Порт следующего узла (маршрутизатора)
221.36.41.0	221.36.41.1	2

По адресу 221.36.41.0 определяется, что пакеты, предназначенные для сети 2, надо передавать узлу 221.36.41.1 на порт 2, входящий также в маршрутизатор 1.

Маршрутизатор 1 определяет, что порт 2 включен в сеть Ethernet и, следовательно, нужно знать МАС-адрес узла в этой сети (в рассматриваемом примере — компьютера В). Для этого он обращается к своей таблице ARP и по адресу 221.36.41.55 находит МАС22-

Затем маршрутизатор 1 формирует кадр Ethernet, в Ethernet-заго­ловке которого записан МАС₂₂, а в заголовке IP-пакета — IP-адрес 221.36.41.55. Кадр принимается узлами сети 2 и компьютер В обнаруживает свой МАС-адрес и производит его дальнейшую обработку.

2.5 Протоколы TCP и UDP обеспечивают мультиплексирование (режим передачи) и демультиплексирование (режим приема) пакетов. При мультиплексировании блоки данных разных приложений объединяются в один поток и к каждому пакету добавляются адреса пор­тов приложений в узлах назначения и отправления. В процессе де­мультиплексирования выполняется обратная операция: в соответствии с адресом порта приложения данного узла принятые от уровня IP-пакеты разделяются по пользовательским приложениям.

С помощью протокола TCP устанавливается логическое соединение, предшествующее передаче пользовательского сообщения. По окончании передачи сообщения соединение нарушается. При ис­пользовании протокола UDP логическое соединение не устанавливается.

Протокол TCP формирует для каждого сегмента заголовок пере­менной длины, состоящий из 32-битовых слов (рис. 4.9). Ниже показаны поля заголовка.

Порты отправителя и получателя (по 16 бит) — указывают на но­мер портов процесса-отправителя и процесса-получателя. Номера портов присваиваются прикладным программам, связанным с про­токолами прикладного уровня модели TCP/IP. Многие номера про­токольных портов стандартизованы, для чего выделены номера от О до 1023. Например, приняты следующие номера портов в соответствии с используемыми протоколами: HTTP — 80, FTP — 21, TFTP — 69,

 

0	7	15	23	31
Порт отправителя			Порт получателя
Порядковый номер N(S)
Номер подтверждения N(R)
Длина заголовка	Резерв	Кодовые биты	Размер окна
Контрольная сумма			Указатель срочности
Опции				Выравнивание

Рис. 4.9. Заголовок ТСР-протокола

TELNET - 23, SNMP - 161, SMTP - 25 и так далее. В иных случаях номера портов могут назначаться динамически в диапазоне от 1024 до 65 535. Такие номера могут свободно задаваться портам прикладных программ пользователей.

Порядковый номер (32 бита) N(S) указывает на номер первого байта среди всех байтов, передаваемых в данном сегменте и относящихся к одному сообщению. Например, все сообщение состоит из 2000 байт, а в данном сегменте передаются байты с 503 по 812. В этом случае порядковый номер равен 503. На этапе установления логи­ческого соединения в поле «Порядковый номер» записывается начальный номер (ISN).

Номер подтверждения (32 бита) N(R) представляет собой макси­мальный номер байта в принятом от другой стороны сегменте плюс единица. Этот номер является подтверждением принятого сегмента и указывает на номер ожидаемого для приема байта.

Порядковый номер и номер подтверждения обеспечивают контроль за непрерывностью следования байтов сообщения. При пропадании одного или группы байтов запускается процедура повторной передачи байтов.

Длина заголовка (4 бита) определяет длину заголовка протокола TCP в 32-битовых словах.

Резерв (6 битов) заполняется нулями.

Кодовые биты (6 битов) содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствую­щих бит этого поля. Используются следующие шесть управляющих битов:

• URG — запрос на передачу срочного сообщения;

• АСК — квитанция на принятый сегмент;

• PSH — запрос на отправку всех данных порту получателя без ожидания заполнения буфера;

• RST — запрос на восстановление соединения;

• SYN — запрос на установление соединения, которое также синхронизирует счетчики переданных данных в пунктах отправления иполучения пакетов;

• FIN — указатель окончания передачи сообщения.

Размер окна (16 бит) — устанавливает размер окна в байтах. Используется в методе квитирования, получившего название «скользящее окно». Этот метод позволяет отправителю посылать очередной сегмент, не дожидаясь подтверждения о получении в пункте на­значения предшествующего сегмента. Значение размера окна указывает на то, сколько байтов данных можно передать, не дожидаясь подтверждения. Размер окна определяется пунктом назначения и может меняться в процессе передачи одного сообщения.

Контрольная сумма (16 бит), представляет собой слово, дополня­ющее биты в сумме всех 16-битовых слов сегмента (само поле конт­рольной суммы перед вычислением обнуляется). Контрольная сумма, кроме заголовка сегмента и поля данных, учитывает 96 бит псевдозаголовка, который для внутреннего употребления ставится перед TCP-заголовком. Этот псевдозаголовок содержит IP-адрес отправителя (4 байта), IP-адрес получателя (4 байта), нулевой байт, 8-битное поле «Протокол», аналогичное полю в IP-заголовке, и 16 бит длины TCP сегмента, измеренной в байтах. Информация для псевдозаголовка передается через интерфейс «Протокол ТСР/межсетевой уровень» в качестве аргументов или результатов запросов от про­токола TCP к протоколу IP.

Указатель срочности (16 бит) используется совместно с битом URG (поле «Кодовые биты») для того, чтобы определить длину срочных данных, содержащихся в пользовательских данных ТСР-сегмента. При наличии такого указателя прикладной процесс в пункте по­лучателя должен в первую очередь обработать срочные данные.

Опции — поле имеет переменную длину и может отсутствовать или содержать одну опцию или список опций, реализующих дополни­тельные услуги протокола TCP.

Выравнивание — поле переменной длины, заполняемое нулями и служащее для формирования полных 32-битных слов.

Рассмотрим процесс установления логического соединения и разъединения с помощью протокола TCP.

В таком процессе пункты отправления и получения пакетов об­мениваются управляющими битами: SYN, ACK, FIN. На рис. 4.10 показан пример установления соединения от компьютера А к компьютеру В через IP-сеть.

Установление соединения начинается от компьютера А, который посылает сегмент с управляющим битом SYN и порядковым номером N(S), равным некоторому числу, например Y. Компьютер В, по­лучив этот сегмент, передает в обратном направлении сегмент с битами SYN и АСК, а также порядковый номер N(S) = X и номер подтверждения N(R) = Y+1. Передача сигналов SYN в обоих направлениях указывает на то, что и данные между компьютерами могут передаваться в двух направлениях. Теперь компьютер А посылает сегмент подтверждения с битом управления АСК с номером подтверждения N(R) = Х+1. Поскольку логическое соединение между компьютерами уже установлено, в этом сегменте могут передаваться пользовательские данные. В дальнейшем происходит обмен данными между компьютерами. По окончании передачи данных производится разъединение, состоящее в нарушении логического соединения. Разъединение может активизироваться с любой из сторон, например, от компьютера А. От него посылается сегмент с управляющим битом FIN и с порядковым номером N(S)=Y. В ответ компьютер В передает сегмент с битом АСК и с номером подтверждения N(R) = Y+1 и порядковым номером N(S) = Х. Этот сегмент под тверждает прекращение посылки пользовательских данных от компь­ютера А. Далее компьютер В посылает сегмент с битами FIN и АСК с порядковым номером N(S) = X и номером подтверждения N(R) = Y+1. Такой сегмент указывает на то, что и компьютер В прекращает переда­вать пользовательские данные. Рассмотренная процедура разъедине­ния говорит о том, что возможно нарушение соединения с одной сто­роны, а с другой стороны соединение еще продолжается. Такое состоя­ние используется редко, так как обычно при передаче бита FIN соот­ветствующее приложение пользователя закрывается.

В протоколе UDP блоки данных, передаваемые протоколу IP, называются дейтаграммами. Протокол UDP формирует для каждой дейтаграммы заголовок постоянной длины, состоящий из двух 32-битовых слов.

0                       7                    15	23                      31
Порт отправителя	Порт получателя
Длина дейтаграммы	Контрольная сумма

Порты отправителя и получателя (по 16 бит) имеют такое же на­значение и параметры, что и в протоколе TCP. Если от получателя не требуется ответ, то номер порта отправителя не указывается, а это поле заполняется нулями.

Длина дейтаграммы (16 бит) указывает на общую длину дейта­граммы в байтах, включая заголовок.

Контрольная сумма (16 бит) рассчитывается для всей дейтаграм­мы и при ее расчете используется псевдозаголовок. Обычно это поле заполняется нулями и тогда оно игнорируется.

Из структуры заголовка видно, что протокол UDP значительно проще, чем протокол TCP. Обычно он просто пересылает пользова­тельские данные от уровня приложений к уровню межсетевого взаимодействия, вставляя номер порта получателя. Функциональная простота протокола UDP обуславливает его высокое быстродействие, что особенно важно для приложений, работающих в реальном масштабе времени. Именно поэтому данный протокол применяется при передаче речи и видео.

2.6 Под IP-телефонией понимают технологию по организации телефонной связи на сетях с пакетной коммутацией, применяющих про­токол IP. Такими сетями могут быть локальная и глобальная сети и их комбинации. В литературе можно также часто встретить термины VoIP (Voice Over IP — «Голос поверх протокола IP») и интернет-телефония. Эти понятия близки к IP-телефонии, однако считается, что термин IP-телефония является общим по сравнению с другими.

Сеть IP-телефонии строится на основе IP-сети, к которой полу­чают доступ терминалы с пакетной коммутацией (IP-телефоны, софт-фоны) и подключаются классические сети телефонной связи — TDM-сети. Терминалы с пакетной коммутацией либо включаются в IP-сеть непосредственно, либо — через локальные вычислительные сети.

На рис. показан пример построения сети IP-телефонии, в ко­тором IP-сеть построена на маршрутизаторах. Сеть IP-телефонии образована на трех станциях и в нее входят: 4 сети LAN типа Ethernet, две TDM-сети, отдельные IP-телефоны. У пользователей сети LAN находятся IP-телефоны и софтфоны (softphones). IP-телефон имеет обязательные устройства, присущие любому телефонному аппарату: разговорные и вызывное устройства, номеронабиратель. Софтфон представляет собой мультимедийный компьютер, имеющий разговорные устройства: микрофон и громкоговоритель, микротелефонную гарнитуру, а также программные средства для установления соединений и разъединения и для дополнительных функ­ций. IP-телефон и софтфон имеют внешний интерфейс сети Ether­net. В TDM-сети находится АТС с коммутацией каналов, в кото­рую включены телефонные аппараты, аналоговые или цифровые. Между АТС TDM-сети и IP-сетью установлен шлюз, выполняю­щий основные функции по переходу с TDM-сети на IP-сеть и на­оборот. В сети IP-телефонии обычно бывает контроллер, выпол­няющий следующие основные функции: установление соединений и разъединение, регистрация пользователей сети, управление шлю­зами и другие. В качестве контроллера может выступать: прокси-сервер, привратник (gatekeeper), а на крупных сетях — Softswitch.

В сети IP-телефонии возможны соединения между любой парой терминалов. При этом соединения устанавливаются через IP-сеть, за исключением соединений между пользователями одной локальной сети. В последнем случае соединение замыкается внутри локальной сети.

Важной особенностью сети IP-телефонии является разделение процессов установления соединения и разъединения от процессов передачи речевых пакетов. Как и в традиционной телефонии с ком­мутацией каналов, в IP-телефонии можно выделить три этапа: уста­новление соединения, передача речи и разъединение. При установ­лении соединения и при разъединении используется один из при­нятых для IP-телефонии протоколов сигнализации.

На примере соединения IP-телефонов станций А и В (см. рис. 4.12) рассмотрим указанные этапы (рис. 4.13).

, что инициатором соединения является IP-телефон A (IP-TA А). Сообщение с вызовом от этого телефона через IP-сеть передается контроллеру. В этом же сообщении содержится транспор тный адрес IP-TA А и адрес вызываемого IP-телефона В (IP-TA В), например, цифры номера. Эта цифры номера контроллер переводит в транспортный адрес IP-TA В. Транспортный адрес представляет собой совокупность IP-адреса и номера порта приложения, через которое посылаются речевые пакеты. Используя транспортный адрес IP-TA В, контроллер обменивается сигнальной информацией с IP-TA В. В этой информации содержится транспортный адрес IP-TA А. Если телефон свободен, пользователю IP-TA В передается вызов и когда он ответит на него, сигнал ответа поступит в контроллер. Контроллер пересыла­ет сигнал ответа в IP-TA А вместе с транспортным адресом IP-TA В. Теперь абоненты разговаривают и речевые пакеты передаются через IP-сеть, минуя контроллер. В зависимости от направления передачи в каждом речевом пакете посылается транспортный адрес IP-TA А или IP-TA В. По окончании разговора производится разъединение, в те­чение которого сигнальной информацией обмениваются IP-теле­фоны и контроллер.

Возможен вариант установления соединения между IP-телефо­нами без участия контроллера. Для этого каждый IP-телефон дол­жен знать транспортный адрес другого IP-телефона. При установле­нии соединения и при разъединении IP-телефоны обмениваются сигнальными сообщениями.

В рассмотренной схеме IP-телефоны являются многофункцио­нальными устройствами, осуществляющими прием и передачу речи и обмен сигнальными сообщениями. При приеме и передачи речи осуществляется: преобразование звуковых колебаний в электричес­кие и наоборот, кодирование речи, инкапсуляция и выделение эле­ментов речи из пакетов.

IP-сеть может быть использована для соединения абонентов TDM-сетей. Пример такого соединения показан на рис. 4.14. Предположим, что абонент с телефонным аппаратом А (ТА-А) станции А вызывает абонента с ТА-В станции Б. Вначале вызов от ТА-А поступает на шлюз 1, который взаимодействует по одной из систем сигнализации TDM-сети с АТС1. В то же время шлюз взаимодействует с контроллером по принятой для IP-сети системе сигнализации. Шлюз 1 получает номер вызываемого абонента В и транс­лирует его контроллеру, который переводит этот номер в транспор­тный адрес шлюза 2. Шлюз 1 также сообщает контроллеру свой транспортный адрес. Теперь контроллер обменивается сигнальной информацией со шлюзом 2, которому передаются транспортный адрес шлюза 1 и номер абонента В. Шлюз 2 передает вызов на АТС2 станции Б и обменивается с ней сигналами, принятыми на TDM-сети. Эта АТС получает от шлюза 2 номер абонента В и устанавливает соединение с ТА-В. После ответа абонента В начинается разговор между абонентами. Каждый шлюз производит кодирование речи, инкап­суляцию и выделение элементов речи из пакетов. Речевые пакеты пересылаются через IP-сеть, минуя контроллер, с использованием транспортных адресов шлюзов 1 и 2. По окончании разговора про­изводится разъединение, в процессе которого сигнальной информацией обмениваются АТС и шлюзы, шлюзы и контроллер:

Через IP-сеть могут устанавливаться соединения между або­нентскими устройствами пакетной сети и TDM-сети. На рис. 4.15 приведен пример соединения между IP-телефоном станции В и телефонным аппаратом, включенным в АТС2. Как и прежде, соединение устанавливается через контроллер. При вызове от IP-ТА А адресная информация должна содержать адрес шлюза 2 и цифры но­мера ТА-В. При установлении соединения в обратном направлении абонент с ТА-В набирает цифры номера, принятого для IP-TA А Этот номер поступает в контроллер, где преобразовывается в транспортный адрес IP-TAA.

2.8 Рассмотрим основные вопросы, связанные с преобразованием речи.

В IP-телефонии находят применение следующие устройства преобразования речи: кодеры формы речевой волны, вокодеры и гибридные кодеры. Такие устройства различаются скоростью передачи

цифрового потока, качеством передачи речи, задержкой речи в процессе преобразования и требованием к производительности процессоров, обрабатывающих речевые сигналы.

Кодеры формы речевой волны имеют широкое применение в системах с коммутацией каналов. Прежде всего — это импульсно-кодо-вая модуляция (ИКМ или PCM — Pulse Code Modulation), соответ­ствующая рекомендации МСЭ-Т G.711. В этом методе предусмот­рено цифровое сжатие, что позволяет амплитуду каждой выборки речевого сигнала преобразовать в 8-битовое слово (при линейном кодировании потребовалось бы 12-битовое слово). Скорость пере­дачи равна 64 кбит/с. Другой метод кодирования — адаптивная диф­ференциальная ИКМ (АДИКМ или ADPCM — Adaptive Differential Pulse Code Modulation), рекомендация МСЭ-Т G.721 для скорости передачи 32 кбит/с. В этом методе кодируется не сама амплитуда сиг­нала, а ее изменение по сравнению с предыдущей выборкой. Обра­ботка сигнала происходит с применением предсказания и адаптив­ного квантования. В обоих методах преобразования, ИКМ и АДИКМ, задержка речи при преобразовании минимальна и составляет 125 мкс. Оба метода обеспечивают высокое качество передачи речи и характеризуются относительно невысокими требованиями к процессорам обработки сигналов.

Вокодеры используют кодеры речи, основанные на параметри­ческом компандировании (сжатии). В вокодерах осуществляется линейное предсказание речи (LPC), являющееся эффективным методом анализа речи. Этот метод позволяет определить основные па­раметры речевых сигналов: основной тон, форманты, частотный спектр. При кодировании выявляются периодические процессы в речевом сигнале, определяются их параметры, а затем устраняют из речевого сигнала избыточность, исключая найденные периодичности. В итоге получается остаточный речевой сигнал, который после аппроксимации передается вместе с параметрами периодических процессов речи на выход кодера. В декодере по принятому остаточному сигналу и по параметрам периодических процессов речи восстанавливают речевой сигнал, выполняя синтез речи.

Вокодеры предъявляют высокие требования к процессорам обработки сигналов и вносят заметные задержки преобразования. Увеличение задержки объясняется тем, что кодирование приме­няется не к отдельным значениям речевого сигнала, а к некоторому их набору, который перед преобразованием следует накопить. При применении вокодеров скорость передачи находится в преде­лах 1,2—4,8 кбит/с. Вокодеры обеспечивают относительно высо­кую разборчивость речи, однако теряется натуральность звучания.

Гибридные кодеры используют еще более сложную схему кодирования, в которой сочетаются линейное предсказание и элементы кодирования формы речевой волны. В этом случае используется алгоритм с обратной связью. Закодировав речевой сигнал, процессор пытается восстановить его форму и для этого сравнивает результат кодирования с исходным сигналом. При этом процессор меняет параметры кодирования, добиваясь наилучшего совпадения. Добившись этого, соответствующее кодовое слово передается на выход кодека. В пункте приема речевых пакетов элементы речи восстанавливаются в декодере.

В гибридных кодерах наибольшее применение нашли методы кодирования LD-CELP, MP-MLQ и ACELP, а также CS-ACELP.

Метод LD-CELP (Low-Delay Code Excited Linear Prediction—линейное предсказание с кодовым возбуждением и низкой задержкой) обеспечивает кодирование со скоростью передачи 16 кбит/с и соот­ветствует рекомендации МСЭ-Т G.728. Этот метод позволяет полу­чить удовлетворительное качество передачи речи с относительно невысокой задержкой преобразования.

Методы MP-MLQ (Multi-pulse Multy Level Quantization — мно­жественная импульсная многоуровневая квантизация) и ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction — алгебраическое линейное предсказание с кодовым возбуждением) позволяют добиться значительного сжатия речи, однако при преобразовании появляется большая задержка речи. Несмотря на низкую скорость передачи 5,3 или 6,3 кбит/с обеспечивается хорошее качество передачи речи. Эти ме­тоды кодирования соответствуют рекомендации МСЭ-Т G.723.1.

Кодирование CS-ACELP (Conjugate Structure — Algebraic Code Exited Linear Prediction — сопряженная структура с управляемым ал­гебраическим кодом и линейным предсказанием) приводит к отно­сительно небольшой задержке со скоростью передачи 8 кбит/с. Ал­горитм кодирования описан в рекомендации МСЭ-Т G.729. Этот метод кодирования в первую очередь предназначен для технологий пакетной передачи Frame Relay и ATM (Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи).

В табл. 4.2 приведены основные характеристики кодеков, кото­рые получили название по наименованию рекомендации МСЭ-Т. К одному из параметров относится производительность цифрового сигнального процессора (DSP), реализующего соответствующий ал­горитм кодирования в вокодерах и в гибридных кодерах (произво­дительность оценивается в миллионах команд в секунду). Наиболее высокие требования к DSP предъявляет кодек G.728, однако он обес­печивает и небольшую задержку преобразования. По сравнению с другими кодек G.711 практически не вносит задержки при преобра­зовании речевых сигналов.

Таблица 4.2

Характеристики кодеков

 

 

 

Кодеки	Скорость передачи, кбит/с	Метод кодирования	Производи­тельность DSP, млн ком./с	Задержка преобра­зования, мс	Оценка по шкале MOS
G.723.1	5,3	ACELP	16	30	3,7
	6,3	MP-MLQ		22	3,9
G.729	8	CS-ACELP	30	38	4,0
G.728	16	LD-CELP	40	5	3,6
G.711	64	РСМ(ИКМ)	—	0,125	4,5

Для оценки качества преобразования речевых сигналов часто ис­пользуют метод MOS (Mean Opinion Scores — средняя экспертная оценка), определенный в рекомендациях МСЭ-Т для телефонных сетей. Шкала оценок MOS для речевой полосы 200—3400 Гц при­ведена в табл. 4.3, а значения MOS для кодеков в табл. 4.2.

Таблица 4.3