Улучшение качества услуг, передаваемых в сетях с коммутацией пакетов

Рисунок 1.4 - Гистограммы джиттера пакетов

Величины возникающих задержек и их вероятности важны для организации процедуры обработки и выбора параметров обработки. Понятно, что временная структура речевого пакетного потока меняется. Возникает необходимость организации буфера для превращения пакетной речи, отягощенной нестационарными задержками в канале, возможными перестановками пакетов, в непрерывный, естественный речевой сигнал реального времени.

Параметры буфера определяются компромиссом между величиной запаздывания телефонного сигнала в режиме дуплексной связи и процентом потерянных пакетов. Потеря пакетов является другим серьезным негативным явлением в IP-телефонии.

1.2.3 Потеря пакетов

Потерянные пакеты в IP-телефонии нарушают речь и создают искажения тембра. В существующих IP-сетях все голосовые кадры обрабатываются как данные. При пиковых нагрузках и перегрузках голосовые кадры будут отбрасываться, как и кадры данных. Однако кадры данных не связаны со временем и отброшенные пакеты могут быть успешно переданы путем повторения. Потеря голосовых пакетов, в свою очередь, не может быть восполнена таким способом и в результате произойдет неполная передача информации. Предполагается, что потеря до пяти процентов пакетов незаметна, а свыше 10-15% - недопустима. Причем данные величины существенно зависят от алгоритмов компрессии/декомпрессии.

Существенно, что потеря большой группы пакетов приводит к необратимым локальным искаежниям речи, тогда как потери одного, двух, трех пакетов можно пытаться компенсировать.

Интуитивно ясно, что с повышением трафика возрастают задержки и потери в телефонном канале. В условиях ограниченных пропускных способностей это проявляется не только при интегральном увеличении загрузки каналов, например, в часы наибольшейнагрузки, но и при увеличении потока локального источника информации. Кривые графиков рисунка 1.4 и 1.5, построенные для различных скоростей передачи информации, убедительно свидетельствуют о необходимости использования как можно более низких скоростей передачи речевой информации при естественном требовании обеспечения желаемого качества телефонной связи.

1.3 Анализ задержек речи и передачи данных по сетям IP и Frame Relay

Frame Relay (FR) - протокол коммутации пакетов, используемый в глобальных сетях для высокоскоростной передачи кадров или пакетов с минимальными задержками в узле коммутации и для эффективного использования пропускной способности сети. Действует на канальном уровне модели OSI. Может применяться в ЛВС, в каналах с временным мультиплексированием, а также в сетях с коммутацией пакетов и каналов. При ретрансляции сеть направляет кадр в точку назначения в соответствии с содержащимся в нем адресом получателя. Вместо средств управления потоком включает функции извещения о перегрузках в сети, использует более длинные кадры. Главным фактором повышения скорости передачи является то, что анализ ошибок в данном случае не осуществляется и узлы ретрансляции не посылают уведомления или запросы на повтор ошибочно принятых кадров.

При организации связи на основе сети Frame Relay (FR) основным руководящим документом является стандарт FRF.11 [4]. В нем четко сформулированы функции VFRAD, а также способы подключения к нему телефонного оборудования и место VFRAD в структуре сети. Для кодирования речи во FR желательно использовать вокодер ACELP, описанный в рекомендации ITU-T G.723.1 [4]. Выбор этого вокодера обусловлен самым выгодным соотношением «качество речи/скорость потока». Параметры задержек некоторых вокодеров приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Задержка некоторых вокодеров

Общая задержка в сети является величиной, состоящей из следующих компонентов:

а) задержка накопления. Эта задержка вызвана необходимостью подготовки кадра из последовательности речевых отсчетов, который будет обрабатываться вокодером. Величина данной задержки будет равна размеру (длительности) кадра выбранного типа вокодера. Время подготовки одного речевого отсчета равно 125 мкс.

б) Задержка кодирования. Для того, чтобы не вносить дополнительную задержку в результате собственно процесса кодирования, необходимо подобрать цифровой процессор обработки сигналов такой производительности, чтобы задержка кодирования была меньше или, по крайней мере, равна задержке накопления.

На рисунке 1.6 приведена схема подключения телефонного оборудования к сети Frame Relay.

Рисунок 1.6 - Схема организации телефонной связи по сети Frame Relay

Для определенности предположим, что услугами телефонной связи пользуются абоненты двух узлов. Для этого выделен постоянный виртуальный канал, в рамках которого может быть организовано до 255 речевых трактов (подканалов). Теоретически, максимальная гарантированная скорость передачи по виртуальному каналу (CIR) не может превышать величины пропускной способности физического канала связи, соединяющего узлы сети.

Предположим, что в одном виртуальном канале функционируют три речевых тракта. Это означает, что FR-кадр, согласно стандарту FRF.11, будет иметь вид, представленный на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Формат кадра Frame Relay для единственного речевого подканала.

Из рисунка видно, что общий размер кадра FR составляет 28 байт. Из них 20 байт - полезная нагрузка. Исходя из того условия, что каждый речевой кадр должен быть передан со скоростью 5,3 кбит/с, скорость передачи кадра Frame Relay по каналу связи должна составить 7,4 кбит/с (20 байт, составляющих речевой кадр, должны быть переданы со скоростью 7,4 кбит/с для своевременной доставки речевого кадра). Этот вывод показывает, что для организации трех речевых трактов потребуется 22,2 кбит/с пропускной способности канала (7,4 кбит/с·3=22,2 кбит/с), и это означает, что невозможно организовать три речевых тракта в канале 19,2 кбит/с. Возможна организация лишь двух речевых трактов. В случае организации двух речевых трактов, необходимо 14,8 кбит/с пропускной способности канала связи.

Таким образом, для удобства рассмотрения введем такое условие, что в сети организован один виртуальный канал содержащий единственный речевой тракт. В этом случае размер кадра будет составлять 28 байт и, следовательно, должен быть передан со скоростью 7,4 кбит/с.

На рисунке 1.8 представлена схема распределения задержек, возникающих при передачи речи по сети Frame Relay корпоративной сети передачи данных.

Предположим, что в сети отсутствует какая-либо дополнительная нагрузка. Таким образом, опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов при передаче речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных Frame Relay в соответствии со следующим соотношением:

Т=(tнакопл + tобраб + tпосл) +…+ (tраспр + tпосл) +…+ (tраспр + tпосл + tобраб), (1.1)

где tнакопл - задержка накопления (tнакопл=30 мс);

tобраб - задержка обработки (tобраб=30 мс);

tпосл - последовательная задержка (tпосл=30 мс);

tраспр - задержка распространения (tраспр=30 мс).

Последовательная задержка рассчитывается из того минимально допустимого условия, что кадры Frame Relay от узла к узлу будут передаваться с постоянной скоростью 7,4 кбит/с. Задержка распространения сигнала, рассчитывалась из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU G.I 14 рассчитывается из соотношения:

задержка распространения (мс) = 0,004 протяженность канала связи (км).

Как было описано выше, организация речевой связи по IP-сети основана на использовании протокола Н.323. Основными устройствами, обеспечивающими передачу речи, являются шлюз Н.323, к которому может быть подключена УПАТС или отдельные телефонные аппараты, и речевой терминал. В качестве речевого терминала, в частности, может выступать персональный компьютер удаленного абонента корпоративной сети, снабженный соответствующими аппаратными и программными средствами.

Задержка распространения сигнала в IP-сети рассчитывается из того условия, что передача осуществляется по коаксиальному кабелю, и в соответствии с рекомендацией ITU-T G. 114 рассчитывается из соотношения:

задержка распространения (мс) = 0,004·протяженность канала связи (км)

Рисунок 1.8 - Схема распределения задержек в сети передачи данных Frame Relay

На рисунке 1.9 представлена схема распространения задержек при передаче речи по сети IP.

Опираясь на приведенную схему распределения задержек, а также учитывая количество транзитных узлов, при передаче речевого сигнала от абонента к абоненту, можно с достаточной точностью определить величину совокупной задержки передачи речевого сигнала по сети передачи данных IP, в соответствии со следующим соотношением:

Т=(tнакопл + tобраб + tЛВС + tпосл.комм) +…+ (tраспр + tпосл.комм + tпосл.маршр) +…+

+..+ (tраспр + tпосл.комм + tпосл.маршр + tЛВС + tобраб), (1.2)

где tнакопл - задержка накопления (tнакопл=30 мс);

tобраб - задержка обработки (tобраб=30 мс);

tпосл - последовательная задержка (tпосл=30 мс);

tраспр - задержка распространения (tраспр=30 мс).

Рисунок 1.9 - Схема распределения задержек в сети IP

1.4 Расчет задержек при передаче речи

В очередях сообщения упорядочены по времени их поступления. Когда в канале заканчивается передача очередного сообщения, то управление переходит к программе “Привратник”. Программа выбирает для очередной передачи сообщение с наивысшим приоритетом, если очереди более старших приоритетов не содержат сообщений, т.е. оказываются пустыми. Выбранное для передачи сообщение захватывает канал на все время его передачи. Если в систему поступает N простейших потоков сообщений с интенсивностями , средние длительности передачи сообщений каждого типа, соответственно, равны , и вторые начальные моменты соответственно , то среднее время tк ожидания в очереди сообщений, имеющих приоритет К, определится соотношением:

, (1.3)

где ,

,

tx =

Получим соотношение среднеквадратичного отклонения времени передачи сообщения:

(1.4)

где к = 1, 2, …, N.

tx =

Данный алгоритм задержек сообщений при передаче речи представлен на рисунке 1.10.

Рисунок 4.4 - Алгоритм задержек сообщения

В соответствии с данным алгоритмом разработана программа, представленная в приложении А.

1.5 Сравнение сетей IP и FR

Основное отличие VoIP от VoFR состоит в том, что размер служебной информации пакета IP существенно больше кадра Frame Relay. Трафик IP использует почти в три раза большую полосу пропускания, чем трафик FR. Например, в канале 64 кбит/с сети FR может быть организовано 64/7,4=8 речевых трактов, в отличие от 64/18=3 при использовании IP-сети.

Последствием сегментации пакетов данных является уменьшение эффективности передачи данных. Поскольку есть фиксированный заголовок для каждого пакета, то создание небольших пакетов увеличивает процент служебной информации. Последствия сегментации в сетях Frame Relay менее чувствительны, чем в сетях IP поскольку размер заголовка FR существенно меньше.

В сетях IP эффективность функционирования сети может уменьшиться на 10-15%, а в сетях Frame Relay - на 2-4%.

При использовании метода VoFR , сегментация пакетов происходит автоматически в VFRAD всякий раз, когда есть речевой вызов. В случае завершения разговора сегментация прекращается.

При использовании VoIP сегментация пакетов происходит в маршрутизаторе доступа по команде администратора сети или под управлением протокола «шлюз-маршрутизатор», как, например, RSVP. При использовании RSVP, устанавливается сеанс RSVP с маршрутизатором, в течение которого маршрутизатор сегментирует пакеты с данными.

Поскольку большинство маршрутизаторов и шлюзов VoIP не поддерживают RSVP или аналогичный управляющий протокол, принудительная сегментация, при использовании VoIP, в среднем на 10-15% снижает эффективность функционирования сети на низкоскоростных каналах, независимо от того, присутствуют или нет телефонные вызовы.

Таким образом, основным преимуществом VoFR над VoIP являются:

более эффективное использование полосы пропускания каналов;

меньшие показатели задержек передачи речи;

автоматическая сегментация данных.

1.6 Обработка речи в IP-телефонии, необходимая для обеспечения качественной передачи

Для обеспечения качества услуг, предоставляемых в сетях с коммутацией пакетов в первую очередь необходимо применение качественного оборудования, которое позволит успешно решать задачи установления, модификации и завершения телефонных соединений, включая процессы межсетевого взаимодействия, управления безопасностью вызова, запроса качества обслуживания, шифрования, аутентификации и другие. В рекомендации Н.323 описаны четыре основных устройства, используемые для качественной передачи по IP-сетям, показанные на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Зона Н.323

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9