Ограничения при разработке сетей VoIP

После сжатия и преобразования в цифровой вид голосовые данные помещаются в поток протокола реального времени (Real Time Protocol — RTP) для передачи по сети 1Р. При реализации VoIP сетевые разработчики должны учитывать полосу пропускания и задержку. Требования к полосе пропускания являются критичными и определяются не только выбранным кодеком, но и дополнительной нагрузкой на сеть, вызываемой IP-заголовками и другими факторами. Особенно важное значение полоса пропускания приобретает при соединении по дорогостоящим распределенным сетям. На общую задержку влияет задержка распространения (ограничение по скорости света), последовательная задержка (обычно вызывается буферизацией в промежуточных устройствах по пути следования) и задержка пакетирования.

Требования к полосе пропускания

На полосу пропускания при передаче голоса по протоколу IP влияет множество факторов. Прежде всего, как уже отмечалось, скорость передачи используемого кодека может изменяться в широком диапазоне — от менее чем 3-4 Кбит/с до более чем 64 Кбит/с. Дополнительное время затрачивается на передачу заголовков 2-го (Ethernet) и 3-го (IP) уровней. Обычно голосовые пакеты очень малы и зачастую содержат не более 20 байтов информации. Отсюда очевидно, что такие служебные сигналы могут быстро превысить ограничения по полосе пропускания.

У системных разработчиков есть несколько средств для уменьшения последствий этой проблемы. Прежде всего, в источнике применяется обнаружение голосовой активности (Voice Activity Detection — VAD) для регулирования потока пакетов. Данный метод позволяет остановить передачу, если уровень аналогового голосового сигнала упадет ниже пороговой величины. В результате требования к полосе пропускания снижаются примерно в два раза, так как большинство разговоров наполовину состоит из молчания — в то время, когда говорит собеседник (за исключением ожесточенных споров…).

Однако это решение может привести к возникновению нескольких проблем. Прежде всего, во избежание потерь, необходимо тщательно настроить время включения/выключения. В Cisco такая проблема решается путем постоянного квантования и кодирования, а затем отбрасывания пакета в последний момент, если голосовая энергия падает ниже определенного минимума в течение отведенного времени. На самом деле большинство пустых голосовых пакетов ставятся в очередь и готовятся к передаче и при необходимости будут предшествовать первым фразам. Другой проблемой VAD является отсутствие шума на приемнике. Пользователи первых подобных систем часто жаловались на то, что из-за отсутствия шума кажется, будто связь оборвалась посреди разговора. Этот факт лишь подтверждает, что VAD работает, но явно неудобен для пользователя.

Cisco и другие производители решили вышеуказанную проблему путем введения на приемнике "комфортного шума". Когда буфер приемника пуст (что означает отсутствие принимаемых пакетов), система генерирует низкоуровневый сигнал "розового" или "белого" шума, чтобы убедить слушателей в наличии соединения. Более совершенные системы фактически извлекают фоновый шум окружающей среды на противоположном конце и воспроизводят его в периоды молчания.

Другим средством, часто используемым сетевыми разработчиками, является сжатие заголовков RTP. В этих заголовках много избыточной информации, повторяющейся в других местах потока. Маршрутизаторы Cisco сжимают заголовки протокола RTP от узла к узлу, что значительно уменьшает требуемую полосу пропускания.

Конечный результат таких действий показан в табл. 19.2. В ней содержатся требования к относительной полосе пропускания для различных реализаций кодеков с учетом дополнительных расходов, связанных с обычными сетевыми транспортными уровнями.

Задержка

Сетевые разработчики, планирующие внедрение технологии VoIP, должны учитывать допустимые задержки, которые определяются требованиями к качеству системы, выдвигаемыми пользователями. Обычно суммарная сквозная задержка не должна превышать 150 мс.

Задержка распространения сигнала определяется средой передачи. Скорость света в вакууме составляет 186000 миль в секунду, а скорость перемещения электронов в меди — примерно 100000 миль в секунду. Волоконно-оптический кабель длиной в пол-экватора (13000 миль) теоретически создает одностороннюю задержку около 70 мс. Хотя для человеческого уха такая задержка почти незаметна, но вместе с задержками, вызванными передачей заголовков, задержки распространения могут привести к заметному ухудшению качества речи. Пользователи, разговаривающие по спутниковой телефонной связи, ощущают задержку, достигающую в некоторых случаях 1 с, в то время как обычно приемлемая задержка составляет около 250 мс. Задержки, превышающие 250 мс, нарушают естественный темп разговора, как если бы разговаривающие перебивали друг друга.

Окончание табл. 19.2

Задержки, вызванные передачей заголовков, могут влиять на традиционные телефонные сети с коммутацией каналов, но настоящие проблемы они вызывают в среде с пакетной передачей — из-за буферизации пакетов. Необходимо рассчитать задержку, чтобы определить, не превышает ли она порога в 150—200 мс.

В G.729 имеется алгоритмическая задержка на прогнозирование, составляющая примерно 20 мс. Обычно в продуктах для передачи голоса по IP-протоколу DSP генерируют фрейм каждые 10 мс. Затем эти голосовые фреймы помещаются в пакет (по два); таким образом, задержка пакета составляет 20 мс.

В сетях с пакетной передачей есть и другие причины для задержек: время помещения текущего пакета в выходную очередь и задержка в самой очереди. В Cisco IOS проблема перемещения и определения адреса назначения пакета решена достаточно хорошо. (Данный факт необходимо отметить потому, что в иных решениях на основе пакетной передачи — как на основе ПК, так и других — это сделано не столь удачно.) Иной причиной задержки является фактическая задержка в выходной очереди. Ее следует по возможности удерживать в пределах 10 мс при помощи любых методов управления очередью, оптимальных для данной сети.

В табл. 19.3 приводятся величины задержек, вносимые разными кодеками.

Кроме описанных выше стационарных задержек, приложения VoIP чувствительны к изменениям задержки. В отличие от коммутируемых сетей, в сетях с пакетной передачей сквозная задержка может изменяться в широких пределах, в зависимости от загрузки сети. Кратковременные отклонения задержки называют дребезжанием (jitter), который определяется как разница между ожидаемым и реальным временем получения пакета. Голосовые устройства должны компенсировать дребезг путем настройки буфера воспроизведения на сглаживание речи, предотвращение разрывов в голосовом потоке. Это увеличивает суммарную задержку (и сложность) системы. Такой приемный буфер может иметь фиксированную или настраиваемую длину, как в некоторых современных устройствах производства Cisco Systems.

Обратите внимание, что дребезг является главным препятствием для использования VoIP в Internet. Типичный вызов VoIP по Internet пройдет через множество транспортных систем, с широким диапазоном времени ожидания и различными способами управления QoS. В результате использование VoIP для передачи по Internet приводит к плохому качеству и часто отпугивает производителей устройств VoIP. Тем не менее, существует множество программных продуктов, предоставляющих возможность бесплатной передачи голоса по Internet. Общей особенностью этих систем являются очень большие приемные буферы, которые приводят к задержкам значительно более продолжительным, чем I с. Бесплатная передача голоса привлекательна, но для бизнесменов из-за плохого качества она не подходит. Впрочем, для бытовых разговоров многие находят такие системы вполне пригодными — особенно учитывая стоимость международных телефонных переговоров.

В будущем, по мере улучшения провайдерами услуг Internet, передача голоса по сети приобретет большую популярность. На самом деле, многие аналитики предсказывают, что в один прекрасный день передача голоса станет бесплатной и будет входить в стандартный пакет услуг, предоставляемых вместе с доступом к Internet.

Литература:

Руководство по технологиям объединенных сетей, 4-е издание. : Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. — 1040 с.: ил. – Парал. тит. англ.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100