Маршрутизация и адресация IP телефонии

Протокол IP

Рассмотрим непосредственно процесс передачи данных с помощью IP-протокола. Подавляющее большинство сетей сейчас использует протокол IPv4, хотя уже давно разработана шестая версия протокола IP, которая имеет более широкое адресное пространство. Фактически сейчас происходит переход от версии IPv4 к версии IPv6, но он длится уже много лет, и не похоже, что скоро завершится.

Схема адресации протокола IPv4, который был определён в RFC 791, предусматривает размер адресного поля 32 бита, что даёт 2³² (или 4 294 967 296) потенциальных адресов. В протоколе IPv6 адресного поля расширено до 128 битов, обеспечивая тем самым 2¹²⁸ потенциальных адресов, что составляет величину 340 282 366 920 938 463 463 374 607 431 768 211 456.

В связи c большей распространенностью мы будем рассматривать адресацию пакетов на примере протокола 4й версии.

На сетевом уровне передаваемые данные принято называть дейтаграммами. IP-дейта­грамма состоит из заголовка и части непосредственно содержащей данные. Заголовок содержит обязатель­ную 20-байтную часть, а также необязательную часть переменной длины. Формат заголовка показан на рис. 4.8.

 

Версия	IHL	Тип службы	Длина заголовка
Идентификатор				DF	MF	Смещение фрагмента
Время жизни		Протокол	Контрольная сумма заголовка
Адрес отправителя
Адрес получателя
Необязательная часть
Данные

Рис. 4.8  Структура IP-пакета. Наиболее значимые именно для IP-Телефонии поля

 

Поле Версия содержит версию протокола, к которому принадлежит дейта­грамма.

Поле IHL выделено под хранение длины заголовка, которая является переменной величиной (информация в нем отражает количество 32-разрядных слов в заголовке). Минимальное значение длины (при отсутствии необязательного поля) равно 5. Максимальное значение этого 4-битового поля равно 15, что соответствует заго­ловку длиной 60 байт; таким образом, максимальный размер необязательного поля равен 40 байтам.

Поле Тип службы (Type of Service, ToS)предназначено для различения классов обслуживания.

Поле Полная длина содержит длину всей дейтаграммы, включая как заголо­вок, так и данные. Максимальная длина дейтаграммы 65 535 байт.

Поле Протокол сообщает протоколу IP, какому процессу транспортного уровня ее передать. Это может быть например TCP, UDP или что-нибудь еще.

Поле Контрольная сумма заголовка защищает от ошибок только заголовок. Подобная контрольная сумма полезна для обнаружения ошибок, вызванных не­исправными микросхемами памяти маршрутизаторов. Алгоритм вычисления суммы просто складывает все 16-разрядные полуслова в дополнительном коде, преобразуя результат также в дополнительный код. Таким образом, проверяемая получателем контрольная сумма заголовка (вместе с этим полем) должна быть равна нулю.

Поля Адрес отправителя и Адрес получателя указывают номер сети и номер хоста.

IP протокол позволяет идентифицировать компоненты Интернет посредством адресов. Важно отметить, что IP-ад­рес, на самом деле, не имеет отношения к хосту. Он имеет отношение к сетевому интерфейсу. Адресация в сети имеет иерархическую структуру. Например, в телефонной сети полный номер абонента содержит такие составляющие как код страны, код зоны, номер АТС, номер абонента в АТС. Аналогичная концепция была принята и в сети Интернет: старшие биты адреса идентифицируют сеть, в которой находится рабочая станция, а младшие - расположение рабочей станции в этой сети. Эта комбинация уникальна.

Классическим является разделение адресного пространства на пять клас­сов, показанных на рис. Такое распределение обычно называется полно­классовой адресацией.   

Рис. 4.9. Формат адресов протокола IPv4

 

• Адреса класса А идентифицируются начальным битом 0. Следующие семь битов определяют конкретную сеть (число возможных значений - 128 или 2⁷). Остальные 24 бита определяют конкретный компьютер в сети, при возможном количестве компьютеров 16 777 216 (2²⁴). Адреса класса А предназначены для очень крупных сетей с большим количеством рабочих станций.

• Адреса класса В идентифицируются начальной двухбитовой двоичной последовательностью 10. Следующие 14 битов определяют сеть, при возможном количестве сетей 16 384 (2¹⁴). Остальные 16 битов определяют конкретный компьютер, с возможным количеством компьютеров - 65 536 (2¹⁶).

• Адреса класса С идентифицируют 2 097 152 сетей с возможным количеством компьютеров - 256 (2⁸). Большинство организаций имеют адреса класса С.

• Адреса класса D предназначены для групповой передачи.

• Адреса класса Е зарезервированы для будущего использования.

Во избежание конфликтов, номера сетям назначаются некоммер­ческойкорпорацией по присвоению имен и номеров, ICANN (Internet Cor­poration for Assigned Names and Numbers). В свою очередь, ICANN делегирует полномочия по присвоению некоторых частей адресного пространства региональным органам, занимающимся выделением IP-адресов провайдерам и другим компаниям.

Сетевые адреса, являющиеся 32-разрядными числами, обычно записываются в виде четырех десятичных чисел, которые соответствуют отдельным байтам, разделенных точками, например, 192.41.6.20. Наименьший IP-адрес равен 0.0.0.0, а наибольший — 255.255.255.255.

Очень активный рост сети в последние годы внес коррективы в классическую систему адресации. Во-первых, помимо статической адресации, которая означает жесткую привязку IP-адреса к конкретному сетевому интерфейсу, широко распространена динамической адресации, при которой компьютеру присваивается доступный IP-адрес всякий раз при установлении соединения. Динамическое присвоение IP-адресов обычно осуществляется через маршрутизатор, работающий по протоколу DHCP(Протокол динамической конфигурации рабочей станции).

Во-вторых, было решено отойти от классического разбиения адресного пространства на классы, а точнее добавить разбиение на подсети. Вместо одного адреса клас­са В с 14 битами для номера сети и 16 битами для номера хоста было предло­жено использовать несколько другой формат — формировать адрес подсети из нескольких битов. Например, 6-битным номером можно кодировать подсети, а 10-битным — номера хостов. С помощью такой адресации можно организовать до 64 сетей Ethernet по 1022 хоста в каждой (адреса 0 и 1 не используются).

Все, что нужно маршрутизатору для реализации подсети, это наложить маску подсети, показывающую разбиение адреса на номер сети, подсети и хоста. Маски подсетей также записываются в виде десятичных чисел, раз­деленных точками, с добавлением косой черты, за которой следует число битов номера сети и подсети. Например, для приведенного выше примера маску подсети можно записать в виде 255.255.252.0. Альтернативная запись будет включать /22, показывая, что маска подсети занимает 22 бита.

Еще один вариант решения проблемы адресации комитет IETF в начале 90-х годов опубликовал в документах RFC 1518 и RFC 1519. Это было положение о бесклассовой междоменной маршрутизации (CIDR – Clasless InterDomain Routing). Эта технология направлена на использование IP-адресов, незадействованных в сетях класса А или B. Идея маршрутизации CIDR состоит в объединении оставшихся адресов в блоки переменного размера, неза­висимо от класса. Если кому-нибудь требуется, например, 2000 адресов, ему выде­ляется блок из 2048 адресов на границе, кратной 2048 байтам.

Отказ от классов усложняет процесс маршрутизации. В CIDR применя­ется расширение всех записей таблицы маршрутизации за счет добавления 32-бит­ной маски. Таким образом, образуется единая таблица для всех сетей, состоящая из набора троек (IP-адрес, маска подсети, исходящая линия).

Компьютер, подключенный к сети Интернет, кроме IP-адреса может идентифицироваться доменным именем. Сеть Интернет разделена на логические области (домены). Адреса в системе имён доменов (DNS), администрирование которых лежит на ICANN, имеют стандартный вид, представляющий собой последовательность имен, разделенных точками, например: компьютер, организация, домен. Подавляющее большинство зарегистрированных доменов верхнего уровня (TLD) является коммерческими. Домены TLD, которые идентифицируются как суффикс доменного имени, бывают двух типов: обобщённые домены верхнего уровня (net, corn, org) и коды стран (ru, fi, ua).

Имена доменов гораздо легче запомнить и ввести, но необходимо преобразование для перевода имён доменов в IP-адреса; это необходимо для того, чтобы разные маршрутизаторы и коммутаторы могли направить информацию в нужный пункт назначения.

Адресацию на основе доменных имен осуществляет, например, протокол SIP. Адреса SIP идентифицируют пользователя или ресурс внутри сетевого домена. Адреса SIP обычно называют SIP URI. Как правило, адрес SIP URI — это обычный адрес электронной почты в одном из следующих форматов:

sip: пользователь@домен:порт илиsip: пользователь@хост:порт

Поле пользователь идентифицирует пользователя по имени в контексте домена или хоста. Поле порт необязательно. Если номер порта не указан явно, для сообщений SIP URI по умолчанию задан порт 5060. Пример ад­реса SIP URI: sip:j ohn.doeecompany.com

Открытые адреса SIP пользователя или ресурса называются записью обращения к адресу (Address-of-Record — A0R). Запись AOR — это глобально маршрутизи­руемый адрес SIP URI, в котором указан домен, служба поиска которого способна сопоставить запись AOR с другим адресом SIP URI, по которому мог бы находиться пользователь.

Протокол UDP

В Интернете нашли применение два основных протокола транспортного уровня, один из которых ориентирован на соединение, другой — нет. Протокол TCP, ориентирован на соединение. В IP-телефонии специфика передаваемых данных не позволяет тратить время на установление соединения и подтверждение отправки данных. Поэтому приложения реального времени работают поверх протокола UDP (User Datagram Protocol - пользовательский дейтаграммный протокол), который позволяет приложениям отправлять инкапсулированные IP-дейтаграммы без установления соединений, он обеспечивает негарантированную доставку данных, т.е. не требует подтверждения их получения. UDP описан в RFC 768.

С помощью протокола UDP передаются сегменты, состоящие из 8-байтного заголовка, за которым следует поле полезной нагрузки.

Порт отправителя	Порт получателя
Длина UDP	Контрольная сумма UDP
Данные

 

Рис. 4.10. Заголовок протокола UDP

Два номера портов служат для идентификации конечных точек внутри отправляющей и принимающей машин. Когда прибывает пакет UDP, содержи­мое его поля полезной нагрузки передается процессу, связанному с портом на­значения. В сущности, весь смысл исполь­зования UDP вместо обычного IP заключается как раз в указании портов источ­ника и приемника. Без этих двух полей на транспортном уровне невозможно было бы определить действие, которое следует произвести с пакетом.

Поле Длина UDP содержит информацию о длине сегмента, включая заголовок и полезную нагрузку. Контрольная сумма UDP не является обязательной. В случаях, когда нужна высокая производительность, что как раз актуально при передаче речевой информации, она не подсчитывается (ее значение равно 0, в то время как настоящая нулевая контрольная сум­ма кодируется всеми единицами).

UDP не зани­мается контролем потока, контролем ошибок, повторной передачей после приема испорченного сегмента. Все это перекладывается на пользовательские процессы.

Протоколы RTP и RTCP

RTP (Real-Time Transport Protocol) - транспорт­ный протокол реального масштаба времени. Он описан в RFC 1889.

RTP принадлежит пользовательскому пространству и работает поверх UDP. Основной функцией RTP является уплотнение нескольких потоков реально­го масштаба времени в единый поток пакетов UDP. Поток UDP можно направ­лять либо по одному, либо сразу по нескольким адресам. Поскольку RTP ис­пользует обычный UDP, его пакеты не обрабатываются маршрутизаторами каким-либо особым образом. Он не имеет собственных механизмов, гарантирующих своевременную доставку пакетов или другие параметры качества услуг.

Протокол RTP предусматривает индикацию типа полезной нагрузки и порядкового номера пакета в потоке, а также применение временных меток. Отправитель помечает каждый RTP-пакет временной меткой, получатель извлекает ее и вычисляет суммарную задержку.

Каждый пакет, посылаемый с потоком RTP, имеет номер, на единицу превы­шающий номер своего предшественника. Такой способ нумерации позволяет получателю определить пропажу пакетов. Повторная передача пакета в данном случае не является хорошим решением, поскольку это займет много време­ни. Поэтому протокол RTP не осуществляет управление потоком, контроль ошибок, и в стан­дарте не предусмотрены никакие подтверждения и механизмы запроса повтор­ной передачи.

Отметки времени ставятся относительно момента начала передачи потока, поэтому важны только интервалы между отметками. Абсолютные значения, по сути дела, никакой роли не играют. Такой механизм позволяет приемнику буферизировать небольшое количество данных и проигрывать каждый отрезок спустя правильное число миллисекунд после на­чала потока независимо от того, когда на самом деле приходит пакет, содержащий данный отрезок. Кроме того за счет временных меток появляется возможность синхрони­зации между собой нескольких потоков. Например, в видеоконференции видеопоток и аудиопоток.

На рис. 4.11 представлен основной заголовок RTP-пакета:

 

 

 

Рис. 4.11 Основной заголовок RTP-пакета

 

Поля RPT-заголовка имеют следующие значения:

V (2 бита) - поле версии протокола.

Р (1 бит) - поле заполнения. Указывает на то, что размер пакета сделан кратным 4 байтам за счет байтов заполнения. При этом в последнем байте заполнения содержится общее число байтов заполнения.

Х (1 бит) - поле расширения заголовка. Служит для индикации того, что за основным заголовком следует дополнительный заголовок, используемый в экспериментальных расширениях протокола RTP.

СС (4 бита) - поле отправителей. Содержит идентификаторы отправителей, чьи данные находятся в пакете, причем сами идентификаторы следуют за основным заголовком.

М (1 бит) - поле маркера. Обычно используется для указания границ потока данных. При передаче речевой информации маркер указывает начало периода активности после периода молчания.

РТ (7 битов) - поле типа полезной нагрузки. Идентифицирует тип полезной нагрузки и формат данных, включая сжатие и шифрование. В стационарном состоянии отправитель использует только один тип полезной нагрузки в течение сеанса, но он может его изменить в ответ на изменение условий.

Порядковый номер пакета (Sequence Number, 16 битов). Каждый источник начинает нумеровать пакеты с произвольного номера, увеличиваемого затем на единицу с каждым переданным пакетом RTP.

Временной штамп (Timestamp, 32 бита) или отметка времени генерируется источником потока и служит для записи мо­мента создания первого слова пакета.

Идентификатор SSRC (Synchronization Source Identifier, 32 бита) - поле идентификатора источника синхронизации. Псевдослучайное число, которое уникальным образом идентифицирует источник в течение сеанса и не зависит от сетевого адреса.

Идентификатор CSRC (Contributing Source Identifier, 32 бита) - список полей идентификаторов источников, участвующих в создании RTP-пакета. Устройство смешивания информации (микшер) вставляет целый список SSRC идентификаторов источников, которые участвовали в построении данного RTP-пакета. Примером может служить речевая конференция, в которой передаются RTP-пакеты с речью всех участников - каждый со своим идентификатором SSRC. Они-то и образуют список идентификаторов CSRC. Вся конференция имеет общий идентификатор SSRC.

Доставка RTP-пакетов контролируется специальным протоколом RTCP (Real Time Control Protocol) - управляющий транспортный протокол реального времени.

Основной функцией протокола RTCP является организация обратной связи приемника с отправителем информации для отчета о качестве получаемых данных. Протокол RTCP передает сведения (как от приемника, так и от отправителя) о числе переданных и потерянных пакетов, значении джиттера, задержке и т.д. Эта информация может быть использована отправителем для изменения параметров передачи, например для уменьшения коэффициента сжатия информации с целью улучшения качества ее передачи.

RTCP также обеспечивает межпотоковую синхронизацию. Проблема состоит в том, что разные потоки могут использовать разные таймеры с разной степенью разрешения и разными скоростями дрейфа. RTCP помогает решить эти пробле­мы и синхронизировать потоки с разными параметрами. Протокол RTCP специфицирован в RFC-1889.