5 ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА IP-ТЕЛЕФОНИИ

• 5.1 Уровни и показатели качества IP-телефонии

• 5.2 Влияние сети на показатели качества IP-телефонии

• 5.3 Процедуры обработки речи в IP-телефонии

• 5.4 Методы кодирования речевой информации

• 5.5 Обеспечение качества IP-телефонии на базе протокола RSVP

• 5.6 Использование протоколов RTP и RTCP для обеспечения качества IP-телефонии

• 5.7 Обеспечение качества IP-телефонии на базе протокола IPv6

• 5.8 Обеспечение качества IP-телефонии на базе дифференцированного обслуживания

• 5.9 Обеспечение качества IP-телефонии на базе MPLS

• 5.10 Обеспечение качества IP-телефонии с помощью механизма управления на основе правил

5.1 Показатели качества IP-телефонии

Трафик в сети формируется множеством потоков данных, генерируемых приложениями пользователей. Приложения предъявляют различные требования к рабочим характеристикам сети. Структура существующих в сети запросов на доставку данных определяется типами сетевых приложений. Каждому типу приложения приписывают соответствующий уровень обслуживания (Grade of Service, GoS). Каждому уровню обслуживания соответствует: полоса пропускания канала, задержка/джиттер и доля потерянных пакетов. Способность сети обеспечивать различные уровни обслуживания может быть классифицирована по трем критериям:

• негарантированная доставка данных (best-effort service);
• дифференцированное обслуживание (differentiated service);
• гарантированное обслуживание (guaranteed service).

Негарантированная доставка данных не может рассматриваться как некая ответственность сети за качество обслуживания. Негарантированная доставка пакетов является в наше время единственной услугой, поддерживаемой в Internet. Для большинства современных приложений, ориентированных на передачу файлов по протоколу FTP (File Transfer Protocol), качество доставки вполне удовлетворяет требованиям пользователей. Для оптимального обслуживания всех запросов от приложений, представленных в сети, требуется выделение определенных сетевых ресурсов (полосы пропускания каналов, задержки, доли потерянных пакетов).

Дифференцированное обслуживание предполагает разделение сетевого трафика на классы на основе требований к качеству обслуживания. Средства распределения ресурсов сети должны отличать классы обслуживания (Class of Service, CoS) друг от друга и обслуживать в соответствии с требованиями приложений. Необходимо подчеркнуть, что, в отличие от положений Рекомендации ITU-T E.800, дифференцированное обслуживание само по себе не предполагает обеспечения гарантий предоставления услуг доставки информации. Каждому классу трафика средства обработки в сети приписывают приоритет. При существующей загрузке сети приоритет доставки определяется классом. Дифференцированное обслуживание часто называют мягким качеством обслуживания (soft Quality of Service, soft QoS). Дифференцированное обслуживание применяют в сетях, где трафик приложений высок и требует оперативного контроля и распределения. Решение этой задачи возможно в том случае, если трафику административного управления будет назначен самый высокий приоритет. Оставшиеся классы приоритета назначаются пользовательскому трафику. Такая классификация трафика позволяет администратору в любой момент быть уверенным в связности узлов сети.

Гарантированное обслуживание предполагает предварительное резервирование сетевых ресурсов для всех видов трафика. Гарантированное обслуживание часто называют жестким качеством обслуживания (hard Quality of Service, hard QoS), особенность которого состоит в жесткости требований к ресурсам сети, выделяемым для трафика на всем пути его доставки к получателю. К сожалению, в сетях с протоколом IP обеспечить такую гарантию пока не представляется возможным. Это, в частности, характерно для магистрали Internet. Приближением к идеологии гарантированного обслуживания является агрегированное (объединенное, укрупненное) резервирование ресурсов, которое требует хранения в базовых маршрутизаторах Internet небольшого объема информации о резервируемых ресурсах.

Немалая доля современных приложений характеризуется высокими требованиями к задержке доставки данных получателю. Большинству интерактивных приложений (речевой обмен, мультимедиа) можно удовлетворить при задержке, не превышающей 100 мс. Решение задачи, связанной с ответственностью за качество доставки информации в IP-сети, обеспечивается благодаря использованию байта типа обслуживания (Type of Service, ToS) в заголовке IP-пакета. Байт ToS используется для указания абстрактных параметров требуемого качества обслуживания. На основании этих параметров производится выбор реальных характеристик механизмов обслуживания при передаче дейтаграммы через сеть (RFC 791: Internet Protocol Specification/Postel J., 1981). До конца 80-х годов протокол IP игнорировал поле ToS. Лавинообразный рост трафика и увеличение количества сетевых приложений Internet в 90-е годы привели к необходимости поддержки байта ToS. В наше время целью рабочей группы IETF является обеспечение приложений средствами формулирования требований к ресурсам сети при сквозном обслуживании (генерирование содержимого байта ToS) и разработка соответствующих механизмов обеспечения качества доставки маршрутизаторами. С помощью байта ToS реализуется так называемое дифференцированное обслуживание (DiffServ) в масштабах Internet.

IP-телефония является одной из технологий передачи данных, где важна минимизация задержки информации при передаче от источника до получателя. Решение этой задача обеспечивается современными методами кодирования и передачи информации, а также увеличением пропускной способности каналов. Использование пакетной передачи речевой информации и подавление пауз в разговоре позволяют экономно использовать сетевые ресурсы и относительно успешно конкурировать IP -телефонии с традиционными телефонными сетями.

Для оценки качества услуги пользователем оператор (провайдер услуг) должен проводить систематический опрос его мнения. В рекомендации ITU-T E.432 предложено оценку результатов опроса производить по усредненному мнению (Mean Opinion Score, MOS). Сущность метода состоит в том, что результаты опроса пользователей или экспертов разделяют на 4 уровня: отличный, хороший, средний и недостаточный (таблица 5.1).

Показатели качества обслуживания и нормативы для них в сетях с протоколом IP пока еще не установлены. В таблице 5.2 приведены предварительные показатели качества услуг доставки в сетях с IP.

Качество услуг IP-телефонии может быть соотнесено с одним из четырех классов:

• отличное (Excellent), когда полученное качество сравнимо с качеством услуги PSTN;
• хорошее (Good), к которому относится услуга с потенциальной возможностью предоставления качества, сравнимого с качеством услуги PSTN, но при наличии задержек может достигаться путем оптимизации использования полосы пропускания;
• среднее (Fain), сравнимое с качеством услуг беспроводной связи, например, в сетях подвижной связи стандарта GSM, и может быть реализовано в IP-сетях, не подверженных перегрузкам;
• недостаточное (Poor), при котором обеспечивается “приемлемое” взаимодействие пользователей, но со значительно ухудшенным качеством речи при отсутствии верхней границы на сквозные задержки, обеспечивается через глобальную часть Internet.

При разделении качества услуг IP-телефонии на классы учитывается пять показателей (таблица 5.3):

• сквозное качество голоса в одном направлении;
• сквозная задержка;
• время установления соединения;
• коэффициент потерь пакетов IP;
• джиттер (jitter) задержки.

На рисунке 5.1 приведены факторы, влияющие на качество IP-телефонии.

Рисунок 5.1 - Факторы, влияющие на качество IP-телефонии

Качество речи включает:

• диалог – возможность пользователя связываться и разговаривать с другим пользователем в реальном времени и полнодуплексном режиме;
• разборчивость – чистота и тональность речи;
• эхо – слышимость собственной речи;
• уровень – громкость речи.

Качество сигнализации включает:

• установление вызова (доступ к службе) – скорость успешного доступа и время установления соединения;
• завершение вызова – скорость разъединения;
• DTMF – определение и фиксация сигналов многочастотного набора номера.

Факторы, которые влияют на качество IP-телефонии, могут быть разделены на две категории:

Факторы, влияющие на качество IP-сети:

• максимальная пропускная способность - максимальный объем пользовательских и служебных данных, которые она способна передать;
• задержка – промежуток времени, требуемый для передачи пакета через сеть;
• джиттер – изменение задержки пакетов потока в течение сеанса связи;
• потеря пакетов – доля пакетов, потерянных во время сеанса связи при передаче через сеть.

Факторы, влияющие на качество шлюза:

• требуемая полоса пропускания – различные вокодеры требуют различную полосу. Например, вокодер G.723 требует полосы 16,3 Кбит/с для каждого речевого канала;
• задержка – время, необходимое цифровому сигнальному процессору DSP или другим устройствам обработки для кодирования и декодирования речевого сигнала;
• буфер джиттера – сохранение поступающих пакетов с пользовательскими данными до тех пор, пока все пакеты не будут получены и можно будет передать данные в требуемой последовательности для минимизации джиттера;
• потеря пакетов – доля пакетов, потерянных при сжатии и/или передаче в оборудовании IP- телефонии;
• подавление эхо – механизм для подавления эхо, возникающего при передаче по сети;
• управление уровнем – возможность регулирования громкости речи.

Показатели качества речевого взаимодействия “из конца в конец” зависят и от характеристик терминального оборудования. Определено три типа терминалов:

• тип А, который соответствует классам качества услуг “Excellent” и “Good” и характеризуется широкой полосой пропускания (выше, чем 64 Кбит/с);
• тип В, который соответствует классам качества услуг “Good” и “Fain” и характеризуется средней полосой пропускания (64 Кбит/с) как, например, в N-ISDN;
• тип С, который соответствует классам качества услуг “Fain” и “Poor” и характеризуется малой полосой пропускания (меньше 25 Кбит/с) как, например, в случае модемной связи.