INTEGRACJA RUCHU TELEFONICZNEGO Z TRANSMISJ DANYCH: TECHNOLOGIA VOICE OVER IP

Transkrypt

1 INTEGRACJA RUCHU TELEFONICZNEGO Z TRANSMISJ DANYCH: TECHNOLOGIA VOICE OVER IP WŁODZIMIERZ MOSOROW Politechnika Łódzka DOMINIK SANKOWSKI Politechnika Łódzka 1. Wst p W artykule została przedstawiona analiza technologii VoIP (Voice over IP) wraz z jej dokładnym opisem mo liwo ci i wymogów. VoIP jest technologi słu ca do przesyłania głosu poprzez sie pakietow. Jej głównym zało eniem jest integracja ruchu telefonicznego z transmisj danych i stworzenie jednej uniwersalnej sieci mog cej przenosi ka dy rodzaj danych. Poł czenie sieci transmisji danych i głosu, powoduje m.in. obni enie kosztów rozmów telefonicznych. VoIP (Voice over IP) technology and its possibilities are presented. It has been shown that VoIP is technology, which enables voice transmission in a packet network. The technology based on integration between phone traffic and data transmission creates joint universal network to transmit any type of data. Such integration decreases a cost of phone calls in practice. Poczta elektroniczna, IRC, chat, to s usługi, z których na co dzie korzystaj miliony u ytkowników Internetu. Porozumiewanie si za pomoc klawiatury komputerów nie wyeliminuje jednak potrzeby, czy te konieczno ci, przeprowadzenia zwykłej rozmowy telefonicznej. Ten znany, od ponad stu lat, sposób komunikowania si jest wci najch tniej stosowany. W dobie powszechnej integracji wszelkich usług telekomunikacyjnych nic nie stoi na przeszkodzie, aby komputer spełniał funkcj zwykłego telefonu. Jeszcze do niedawna, głos mo na było przesyła tylko przez konwencjonalne sieci telefoniczne, w postaci sygnałów analogowych lub impulsów cyfrowych. Dost pne obecnie sieci komputerowe, które jeszcze kilka lat temu słu yły wył cznie do przesyłania danych, pracuj teraz tak szybko, e mo na przez nie przesyła głos. Technologia, która umo liwia przesyłanie głosu z wykorzystaniem ł czy transmisji danych to Voice over IP, czyli technologia przesyłania głosu przez sie IP [1]. Jej głównym zało eniem jest integracja ruchu telefonicznego z transmisj danych i stworzenie jednej uniwersalnej sieci, która mo e przenosi ka dy rodzaj ruchu.

2 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr3, Technologi VoIP zajmuje si wiele firm produkuj cych sprz t i oprogramowanie dla telekomunikacji, a tak e wi kszo operatorów telekomunikacyjnych. Niniejszy artykuł przedstawia przegl d technologii VoIP, zalety i wady jej stosowania. Ponadto w artykule zaprezentowano wyniki bada na temat rynku VoIP w Polsce i przedstawiono zagadnienia prawne dotycz ce tej technologii oraz perspektywy jej dynamicznego rozwoju. 2. Telefonia internetowa Historia VoIP si ga roku 1995, kiedy firma VocalTec ( opracowała pierwsze oprogramowanie komputerowe umo liwiaj ce rozmow przez sie IP. Rys. 1 przedstawia okno aplikacji Internet Phone tego pierwszy umo liwiaj cego rozmow w Internecie. Rysunek 1. Internet Phone pierwszy program umo liwiaj cy rozmow w Internecie. ródło: [6] Pojawiły si spekulacje, e nowy, rewolucyjny produkt b dzie bardzo powa n konkurencj dla zwykłej telefonii. Przeciwnicy twierdzili, e u ytkownicy sieciowych telefonów doprowadz w szybkim czasie do całkowitego zapchania ł cz, jednak adna z tych prognoz nie sprawdziła si. Wprawdzie, po sukcesie prekursora, programy do telefonowania przez Internet zacz ły by bardzo popularne, jednak ich znaczenie jest obecnie daleko mniejsze ni to pierwotnie przewidywano. Mo liwo wykorzystania sieci IP do przenoszenia ruchu telefonicznego stała si ostatnio punktem zainteresowania wielu firm i organizacji zajmuj cych si telekomunikacj. Pocz tkowo prace nad VoIP skupiały si nad produktami pozwalaj cymi obni y koszty rozmów mi dzymiastowych i mi dzynarodowych, które

3 214 Włodzimierz Mosorow, Dominik Sankowski Integracja ruchu telefonicznego z transmisj danych: technologia Voice over IP w publicznych sieciach telefonicznych s wysokie i zale od odległo ci miejsca, z którym chcemy si poł czy. Obecnie VoIP zaczyna by postrzegany jako alternatywa dla zwykłych sieci telefonicznych. W Polsce technologi VoIP wprowadziła Polska Telefonia Cyfrowa (operator sieci Era GSM) w 2000 r., jako alternatyw dla poł cze zagranicznych id cych drogami Telekomunikacji Polskiej S.A. Fakt ten spowodował wiele zamieszania; Ministerstwo Ł czno ci, PITiP i kilka innych urz dów wystosowało pisma, e wykorzystanie tej technologii jest niezgodne z polskim prawem. Nast pnie jednak okazało si, e to ustawa o ł czno ci jest po prostu przestarzała [3]. 3. Zasada funkcjonowania pakietowego przesyłania głosu [5] Nazwa VoIP wynika z zastosowania protokołu internetowego IP (Internet Protocol) do transmisji mowy. Przyj te poj cie nie zawsze jednak jest rozumiane w sposób cisły, poniewa struktura Internetu zawiera w sobie stos ró nych protokołów. W szkielecie sieci mog wyst powa technologie ATM (Asynchronous Transfer Mode) i Frame Relay (FR), a sie dost powa mo e by zbudowana na bazie protokołów xdsl (Digital Subscriber Line) (rys.2). Rysunek 2. Sie oparta o protokół IP. ródło: [5]. Dlatego te, cz sto mo na si spotyka z poj ciami VoATM (Voice over ATM), VoFR (Voice over Frame Relay), VoDSL (Voice over DSL) okre laj cymi pakietowe przesyłanie głosu. Sieci szkieletowe zbudowane w technologiach ATM i Frame Relay s przezroczyste dla protokołów wy szego rz du, w tym IP. Dodatkowo, technologia ATM, poprzez odpowiednie warstwy adaptacyjne, ma mo liwo przesyłania informacji charakteryzuj cych si ró nymi parametrami,. Pomimo istniej cej mo liwo ci przesyłania głosu poprzez ATM, przy wykorzystaniu zaawansowanych technik kompresji, typowo korzysta si z warstwy adaptacyjnej przystosowanej do transmisji danych. Przez ni przesyła si pakiety w standardzie IP, które przenosz dane

4 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr3, zawieraj ce głos przetworzony do tej postaci dzi ki technice VoIP. Wida zatem, e pomimo wykorzystania na drodze transmisyjnej struktury sieci opartej na protokole ATM, technologia transmisji głosu przez ATM nie musi zosta wykorzystana. Podobne rozumowanie mo na przeprowadzi dla sieci szkieletowej opartej o protokół Frame Relay. Z tym wyj tkiem, e termin VoFR ma w tym przypadku pełne uzasadnienie. Bior c pod uwag powy sze przykłady nale y stwierdzi, e wykorzystanie technologii sieci szkieletowych opartych o protokoły inne ni protokół IP nie wyklucza stosowania tam technologii VoIP w przedstawiony sposób. Usługa VoIP polega na stworzeniu cyfrowej reprezentacji sygnału mowy, poddaniu go odpowiedniej kompresji i podzieleniu na pakiety. Taki strumie pakietów jest nast pnie przesyłany za pomoc sieci pakietowej, wraz z innymi danymi pochodz cymi na przykład od komputerów. W w le odbiorczym cały proces jest odtwarzany w odwrotnym kierunku, dzi ki czemu otrzymujemy ponownie sygnał głosu [2,4]. Sie IP mo e by dowoln sieci z komutacj pakietów tak jak Internet, Intranet, ATM, Frame Relay czy te sie oparta na ł czach T1 (E1) lub zwykłe poł czenie telefoniczne. Słowa wypowiadane przez człowieka to fala akustyczna. Tradycyjna telefonia przekształca słowa na sygnał analogowy (albo cyfrowy) i transmituje go przez sie ; jednak razem z sygnałem wyst puj równie szumy. Proporcjonalnie do wzmacniania sygnału szumy s równie wzmacniane. Je li natomiast przekonwertujemy mow na posta cyfrow, mamy do czynienia wył cznie z bitami. Głos w postaci bitów (takich jak przy przesyłaniu danych) mo na przesyła w sieciach o mniejszej przepustowo ci ni sieci wykorzystywane w tradycyjnej telefonii cyfrowej. Wykorzystuj c tradycyjn telefoni cyfrow, aplikacja przesyłaj ca głos musi mie do dyspozycji pasmo przenoszenia danych o szeroko ci 64 kbps. Przy u yciu technologii VoIP wystarczy pasmo 16 kb/s, a po zastosowaniu dodatkowych technik (kompresowanie danych) wystarczy nawet ł cze oferuj ce przepustowo rz du 6 kb/s. Nie ma tu adnych szumów i mow tak mo na wielokrotnie powiela, bez obawy o pogorszenie jej jako ci. Jest to jedna z podstawowych zalet technologii cyfrowej. Do przekształcenia głosu na posta cyfrow u ywana jest modulacja impulsowo-kodowa (PCM - Pulse Code Modulation) [2]. Cała droga głosu w technologii VoIP jest pokazana na rys. 3. sygnał mowy sygnał mowy A/C kompresja podział na pakiety IP ł czenie pakietów dekompresja C/A Rysunek 3. Droga głosu w technologii VoIP. ródło: opracowanie własne.

5 216 Włodzimierz Mosorow, Dominik Sankowski Integracja ruchu telefonicznego z transmisj danych: technologia Voice over IP Przy u yciu modulacji impulsowo-kodowej mo na przedstawi standardowy sygnał telefoniczny o pa mie 4 khz, za pomoc cyfrowego ci gu znaków (0 i 1), w pa mie o przepływno ci 64 kbit/s. Jest to mo liwe, poniewa PCM próbkuje sygnał analogowy 8 tysi cy razy na sekund i u ywa 8 bitów do kodowania. Z modulacji impulsowokodowej korzysta specyfikacja G.711 opracowana przez organizacj ITU. W latach osiemdziesi tych wprowadzono i uzgodniono szereg standardów (poza istniej cym ju wcze niej standardem G.711). Standardy te precyzuj ró ne techniki zaawansowanej kompresji głosu w czasie rzeczywistym, dla niejednakowych wymaga rynkowych. Do najpopularniejszych z nich nale : G PCM (Pulse Code Modulation)definiuje kompresj sygnału audio w pa mie telefonicznym: Hz o przepustowo ci 64 kbit/s. Wielko 64 kb/s przyj to jako poziom odniesienia do wyznaczenia stopnia kompresji dla innych, od PCM, standardów. Wynika z tego, e stopie kompresji dla G.711 jest równy 1:1. Standard ten jest obecnie najbardziej dominuj cy. G ADPCM (Adaptive Differential Pule Code Modulation). jest zbli ony do standardowego G.711, ale działa nie na warto ciach bezwzgl dnych tych próbek, lecz w oparciu o ró nic wyst puj c mi dzy kolejnymi próbkami głosowymi. ADPCM 32 kompresuje sygnał w stosunku 2:1 w porównaniu z PCM 64, czyli do przepływno ci 32 kb/s. G SB-ADPCM (Sub-Band Adaptive Differential Pule Code Modulation)to standard koduj cy sygnał audio o pa mie 7 khz z wykorzystaniem metody podpasmowego kodowania SB-ADPCM dla potrzeb transmisji z pr dko ci 64 kb/s. Kompresowany sygnał dzielony jest w tym przypadku, z u yciem filtrów QMF - kwadraturowych filtrów lustrzanych, na dwa podpasma: pasmo małych cz stotliwo ci (do 4 khz) i pasmo powy ej cz stotliwo ci 4 khz, a nast pnie poddawany kodowaniu adaptacyjnemu DPSM (kompresji ADPCM). Górne pasmo kodowane jest 4 - poziomowo, dolne za zale nie od dost pnej w systemie przepływno ci: 60-poziomowo (dla 64kbit/s), 30-poziomowo (56kbit/s) lub 15- poziomowo (48kbit/s). Jako uzyskiwana przy kodowaniu G.722 wy sza jest ni dla kodowania wg zalecenia G.711.

6 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr3, Na rys. 4 pokazane s fazy przekształcenie sygnału mowy na sygnał PCM Filtracja Próbkowanie Kwantyzacja Kodowanie Rysunek 4. Fazy przekształcania d wi ku na sygnał cyfrowy w PCM. ródło: opracowanie własne Głos przekształcony na posta cyfrow mo na równie przesła przez pasmo o szybko ci 32 kb/s. Jest to mo liwe dzi ki systemowi kodowania ró nicowego PCM, który jest wykorzystywany przy poł czeniach długodystansowych. W tym systemie u ywane s 4 bity, gdzie bit reprezentuje wył cznie zmian w stosunku do poprzedniej warto ci. Z systemu ADPCM korzystaj wszystkie pozostałe specyfikacje G.XXX ITU, czyli: G.722, G.723.1, G.728, G.729. Dzi ki stosowaniu ADPCM i LPC, technologii VoIP mo na u ywa w pa mie o szybko ci 5.3/6.3 kb/s. Jedn z korzy ci wynikaj cych z przesyłania głosu w sieciach pakietowych, w tym w Internecie, jest mo liwo obróbki i kompresji sygnałów mowy. Wymagania stawiane układom przetwarzaj cym sygnały mowy dla transmisji czasu rzeczywistego to: niewielka przepływno binarna zakodowanego sygnału głosu, małe opó nienia wnoszone podczas kodowania, minimalizacja waha opó nie, zachowanie odpowiedniej jako ci brzmienia głosu po stronie odbiorczy. Wybór metody kompresji i jej stopnia musi wynika z analizy wszystkich czterech wy ej wymienionych cech. Wiadomo, e im wi kszy stopie kompresji, tym gorsza jako odtworzonego sygnału oraz im bardziej skomplikowany algorytm, tym wi ksze

7 218 Włodzimierz Mosorow, Dominik Sankowski Integracja ruchu telefonicznego z transmisj danych: technologia Voice over IP opó nienia wprowadzane podczas kodowania i dekodowania. Wybór metody kompresji musi by daleko id cym kompromisem. Nale y przede wszystkim bra pod uwag, e dla u ytkownika ko cowego priorytetem jest jako docieraj cego sygnału mowy, a zwłaszcza jego zrozumiało. Wyposa enie odpowiedzialne za przetwarzanie głosu, w celu jego pó niejszego transportu przez sie IP, musi by zdolne do zachowywania wszystkich cech ludzkiej mowy. Modulacja głosu i pauzy, które wyst puj podczas konwersacji, musz pozosta w sygnale po jego odtworzeniu. Nie nale y si spodziewa, e abonent b dzie tolerował nisk jako odtwarzanego głosu, tylko z tego wzgl du. Słaba jako odtwarzanego u odbiorcy sygnału mowy jest w chwili obecnej jedn z przyczyn, dla których VoIP w sieciach pakietowych nie jest tak powszechny jak nale ałoby si spodziewa bior c pod uwag korzy ci, jakie ta usługa ze sob niesie [7]. Kolejn ró nic, pomi dzy tradycyjn cyfrow sieci telefoniczn, a telefoni opart na technologii VoIP, jest to, e w tradycyjnej telefonii mowa jest transmitowana przez synchroniczne kanały cyfrowe. Wi e si to z ci głym przepływem bitów, nawet, je li w kanale jest cisza. W przypadku VoIP, natomiast, je li w sieci panuje cisza, to aden pakiet nie jest wysyłany; dopiero w chwili wypowiedzenia jakiego słowa bity s grupowane w ramach pakietów, które s nast pnie transmitowane przez sie IP. 4. Jako a usługa VoIP Teoretycznie nic nie stoi na przeszkodzie, aby dzi ki aplikacji VoIP, głos zamieniony na pakiety mo na było transmitowa przez globaln sie Internetu. Jednak jak dot d problemem jest nieprzewidywalna jako transmisji w globalnej sieci IP. W przypadku przekazu "czystych" danych komputerowych niska jako tej sieci ma stosunkowo niewielkie znaczenie, gdy pakiety danych odebrane w niewła ciwej kolejno ci, mog by odpowiednio uszeregowane, a fragmenty uszkodzone b d stracone mog by przesłane powtórnie, natomiast na pakiety opó nione mo na przez pewien czas poczeka. Inaczej wygl da sytuacja w przypadku transmisji głosu czy obrazu, gdzie jako sieci przesyłowej ma zasadnicze znaczenie. Uszkodzonych lub straconych pakietów głosowych zwykle nie mo na retransmitowa. Na poprawne uporz dkowanie równie brak czasu, a znów nadmierne opó nienia pakietów czyni cały przekaz głosowy nieu ytecznym. Wraz z pojawieniem si w sieciach IP aplikacji czasu rzeczywistego, stały si wa ne parametry, na które nie zwracano uwagi, gdy przez sie w drowały tylko dane niezwi zane z tego typu ruchem. Gwarantowana jako usług (Quality of Service) jest jedn z najwa niejszych charakterystyk wymaganych dzi w Internecie. Definiuje si j jako zbiór technologii, które pozwalaj u ytkownikom otrzymywa od sieci przewidywalny poziom usług w kontek cie przepustowo ci (bandwith), opó nienia (delay) i zmienno ci opó nienia (jitter). Oryginalna architektura TCP/IP nie zapewnia gwarantowania jako ci usług. W zwi zku z powy szym stosuje si tak e okre lenie QoIP (Quality over IP), które informuje o nowej, dodatkowej funkcjonalno ci sieci. Obecne mo liwo ci w zakresie gwarantowanej jako ci usług w Internecie oraz innych sieciach z protokołem IP s niewielkie. Zagadnienie jako ci w

8 POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZ DZANIA WIEDZ Seria: Studia i Materiały, nr3, telefonii IP, jak równie wsz dzie tam, gdzie wymaga si działalno ci w czasie rzeczywistym, jest bardzo skomplikowane. Wska nikiem oceny Quality of Service jest zadowolenie u ytkownika.. W telefonii internetowej najwa niejsza jest jako odbieranego głosu i opó nienia w dwustronnej konwersacji. Sytuacj komplikuje po cz ci fakt, e te parametry s ze sob powi zane, poniewa lepsza jako głosu wymaga wi kszego strumienia bitów, a wi kszy strumie bitów wprowadza wi ksze opó nienia. W celu zapewnienia wymaganej jako ci nale y zna przyczyny powstawania niekorzystnych zjawisk podczas transmisji pakietów. Nast pnie do rozległych sieci pakietowych nale y wprowadzi mechanizmy pozwalaj ce poprawi istniej c obecnie sytuacj. Istniej trzy czynniki, które maj zasadniczy wpływ na jako usługi w technologii VoIP : Opó nienie (Delay) Zmienno opó nienia (Jitter) Utrata pakietów (Packet Loss) W publicznych sieciach telefonicznych opó nienie waha si pomi dzy 50 a 90 ms. Przy VoIP poprzez Internet warto ta znacznie wzrasta i dochodzi do 400 ms. Czas oczekiwania wpływa na tempo rozmowy; do ok. 200 ms człowiek nie zauwa y opó nienia, a powy ej 300 ms opó nienie jest ju bardzo wyra ne dla u ytkownika. W sieci transmituj cej głos opó nienia powinny by niewielkie - do 150 ms. Ponadto, aby unikn sytuacji, w której opó nienie wynosi np. raz 60ms a innym razem 180ms itp., opó nienia powinny by w miar stabilne, czyli jitter powinien wynosi nie wi cej ni 20 ms Je eli chodzi o utrat pakietów to eksperci twierdz, e niedopuszczalna jest utrata pakietów powy ej 5%. W telefonii sieciowej lepsza jako d wi ku wymaga wi kszej transmisji bitów, co wi e si z wi kszymi opó nieniami. W przeprowadzonych badaniach ustalono, e dla 77% u ytkowników VoIP, opó nienia były nie do zaakceptowania. W Internecie brak jest narz dzi gwarantuj cych, e dane dotr do adresata w okre lonym czasie. Mog wi c wyst powa absolutnie ró ne opó nienia. Do przesyłania pakietów zawieraj cych głos u ywa si protokołu UDP (User Datagram Protocol). Protokół ten nie stosuje znaczników czasu, dlatego nie mo e kontrolowa opó nie. Projektanci VoIP wprowadzili wi c protokół RTP (Real Time Protocol), który znajduje si na szczycie UDP. RTP utrzymuje sekwencje pakietów oraz doł cza do pakietów znaczniki czasu (time stamp), na podstawie, których pakiety dochodz do stacji przeznaczenia w okre lonym czasie. Prace RTP wspiera protokół RTCP (Real Time Control Protocol), który obsługuje tryb punkt - wiele punktów. Protokoły te działaj w czwartej warstwie modelu OSI, a zatem urz dzenia pracuj ce w trzeciej warstwie (jak np. routery) posiadaj dodatkowo takie protokoły jak RSVP (Resource Reservation Protocol), dzi ki

9 220 Włodzimierz Mosorow, Dominik Sankowski Integracja ruchu telefonicznego z transmisj danych: technologia Voice over IP którym mog rezerwowa odpowiednie pasmo przenoszenia dla pakietów zawieraj cych głos [8]. Według bada przeprowadzonych przez Forrester Research i AT&T, w 2000 r. główn barier w stosowaniu VoIP przez przemysł była niewystarczaj ca jako d wi ku (ponad 50% respondentów). QoS w sieciach IP jest niski, a szczególnie dotyczy to Internetu. Dlatego trwaj prace, które maj na celu poprawienie QoS i wydaje si, e efekt tych prac zale y od tego jak szybko b d zaimplementowane nowe techniki. Trzeba zwróci uwag na to, e im lepsza jako, tym wi ksze zwi zane z ni koszty. Jednak u ytkownik przy wyborze cz sto sugeruje si cen ; nawet wtedy, gdy wi e si to z gorsz jako ci usługi. 5. Podsumowanie Voice over IP to technologia słu ca do przesyłania głosu poprzez sie pakietow. Jej głównym zało eniem jest integracja ruchu telefonicznego z transmisj danych i stworzenie jednej uniwersalnej sieci mog cej przenosi ka dy rodzaj ruchu. Obecnie technologia VoIP ma dwa podstawowe zastosowania. Pierwszy z nich to wykorzystanie jej do prowadzenia mi dzynarodowych lub mi dzymiastowych rozmów telefonicznych a tak e rozmów głosowych mi dzy u ytkownikami Internetu. Drugim popularnym zastosowaniem, jest integracja sieci korporacyjnych. Poł czenie sieci transmisji danych i głosu, powoduje m.in. obni enie kosztów wdro enia i konserwacji takiej sieci. Bibliografia 1. Douskalis B., IP Telephony - The Integration of Robust VoIP Services, Prentice Hall, PTR Izydorczyk J., Płonka G., Tyma G., Teoria sygnałów, Helion Gliwice, Kami ski J. M., Głos ponad protokołami, [w:] ENTER nr 1, 2001 r 4. Mulgrew B., Grant P., Thompson J., Digital Signal Processing, Macmillan Press, Wielka Brytania, Szczukiewicz M., Analiza mo liwo ci realizacji usług telekomunikacyjnych przez sie Internet, Praca dyplomowa, Politechnika Wrocławska, WŁODZIMIERZ MOSOROW mosorow[dsan]@kis.p.lodz.pl