Як упакувати голос, або Вперед, до комутації пакетів!

1. Борошно, дайте Смольний!
2. НОВА РЕВОЛЮЦІЯ В ТЕЛЕФОНІЇ
3. ГОЛОС НА FRAME RELAY
4. ТАМ, ЗА ГОРАМИ, В КРАЇНІ ATM

Борошно, дайте Смольний!

Всі ми в тій чи іншій мірі знайомі з передачею даних по аналогових телефонних мереж, яка здійснюється всякий раз, коли користуєшся модемом або передаєш факсимільне повідомлення. І тут, і там відбувається, по суті, одне і те ж - деякий масив цифрової інформації кодується послідовністю звукових сигналів різної частоти. На самому примітивному рівні для передачі цифрової інформації потрібне використання двох звукових частот - однієї для передачі нуля, інший для передачі одиниці. На протилежному кінці лінії зв'язку сигнал декодується, інформація відновлюється, і ми отримуємо факсимільну копію документа або масив цифрових даних - в залежності від того, що було надіслано.

Ця стара і всім нам знайома технологія служить для передачі цифрових даних по мережах, спочатку призначеним для передачі голосу. Однією з "гарячих" проблем сучасної техніки зв'язку є зворотна задача, тобто передача голосу по мережах, спочатку призначеним для передачі даних. Повна інтеграція голосового та факсимільного обміну, а також обміну даними дозволить значно знизити витрати компаній на телекомунікації - одну з головних статей витрат в сучасному діловому світі. Крім цього, така інтеграція суттєво спростить управління мережами, оскільки дозволить застосувати однаковий підхід до передачі інформації всіх видів.

НОВА РЕВОЛЮЦІЯ В ТЕЛЕФОНІЇ

Перш голосовий сигнал в телефонних мережах передавався виключно в аналоговому вигляді. При цьому для концентрації кількох телефонних розмов в один сигнал високої щільності (втім, в цьому випадку сам термін "висока щільність" досить умовний) застосовувалося мультиплексування з поділом по частотах: для передачі кожного телефонного з'єднання використовувалася своя частота (точніше, вузький діапазон частот поблизу несучої ) в межах загальної смуги пропускання телефонного каналу.

На початку сімдесятих років відбулася перша революція в технології телефонних мереж - перехід від мультиплексування з поділом по частотах до мультиплексуванню з поділом за часом (рисунок 1). При використанні цієї технології аналоговий сигнал передається тільки на ділянці між абонентським телефонним апаратом і телефонною станцією. На телефонної станції голосової сигнал оцифровується, іноді - стискається (до речі, сигнали, що генеруються модемом і факсимільним апаратом, піддаються стисненню істотно гірше, ніж звичайні голосові сигнали) і передається по лініях зв'язку в цифровому вигляді. При цьому загальний час роботи каналу розділяється на певні проміжки, які називають часовими слотами. Протягом одного слота передається сигнал, що відповідає одному телефонному з'єднанню. Такий часовий фрагмент цифрового сигналу називається кадром. Потім канал використовується для передачі кадру, що відповідає другому з'єднанню, і так далі. На час передачі кадру встановлюється наскрізне з'єднання по всіх ділянках мережі, що знаходяться на шляху проходження кадру від вихідної телефонної станції до кінцевої. Протягом наступного тимчасового слота встановлюється іншу сполуку, відповідне початкової і кінцевої станцій переданого кадру і так далі. Підкреслимо ще раз, що під час передачі кадру встановлюється саме наскрізне з'єднання, причому воно забезпечується незалежно від того, чи дійсно передається інформація по лініях зв'язку. Пропуск тимчасового слота, навіть порожнього, може привести до збою синхронізації всього каналу зв'язку. Незважаючи на те, що фізично канал зв'язку існує лише певну частку часу з'єднання, на логічному рівні він існує з моменту з'єднання до моменту роз'єднання. Такий підхід до передачі інформації по комутованих лініях іменується комутацією каналів.

Малюнок 1.Схема передачі інформації при мультиплексировании: а) з поділом по частотах; б) з поділом за часом (f - загальна смуга пропускання лінії; df - частотний діапазон одного каналу; dT - тривалість тимчасового слота.

Наступним кроком у розвитку телефонного зв'язку із комутацією каналів - новою революцією в телефонії - став перехід від комутації каналів до комутації пакетів. Ідея проста - раз голосовий сигнал вже оцифрований і відомо, куди його слід передавати, то досить забезпечити кадр голосових даних заголовком із зазначенням адреси призначення, щоб отримати звичайний мережевий пакет, для передачі якого можна використовувати технології, які звичайно використовуються для передачі даних в глобальних мережах. При цьому кожен з пакетів може передаватися до місця призначення за своїм власним шляхом і ніякого прямого з'єднання між джерелом виклику і місцем його призначення не встановлюється.

Вигоди, одержувані від такого способу передачі голосової інформації, очевидні. По-перше, одну і ту ж лінію можна використовувати і для передачі даних, і для передачі голосу, причому пропускна здатність лінії використовується куди більш ефективно, ніж це було при передачі цифрових даних по аналоговим мереж через модем. Цифрові дані передаються безпосередньо в цифровому вигляді, як відповідна прийнятої кодуванні послідовність імпульсів, а голосова інформація перед передачею стискається (про алгоритми стиснення і отримується з їх допомогою ефект ми ще поговоримо). По-друге, при передачі голосу у вигляді пакетів можливо динамічне використання пропускної здатності наявних каналів зв'язку: сумарна ємність каналу витрачається тільки на фактичну передачу інформації, ніяких "простоїв" не допускається (згадаємо, що при роботі з комутацією каналів тимчасової слот виділяється протягом всього часу з'єднання, незалежно від того, чи дійсно передається інформація). Виходить, що після оцифровки мови голосова інформація нічим не відрізняється від звичайних цифрових даних - правда, тільки з "точки зору" передавальної середовища.

Вимоги до умов передачі голосу і даних дуже різні, тому уніфікований підхід до обміну цифровою і голосовою інформацією породжує ряд специфічних проблем. Першою і, мабуть, головною є проблема затримок при передачі пакетів. Не всі сучасні мережі, які використовуються для передачі інформації у вигляді комутованих пакетів, можуть гарантувати доставку пакета за певний час. В результаті може виявитися, що пакет з черговою "порцією" розмови не буде доставлений в необхідний момент, що призведе до затримки в розмові, тривалість якої може досягати сотень мілісекунд. Такі затримки, можливо, допустимі при веденні якихось робочих переговорів, але вкрай небажані для комерційних мереж зв'язку. Втім, деякі особливості голосової інформації пом'якшують вимоги до якості зв'язку, в порівнянні з передачею цифрової інформації. Якщо при передачі чисто цифрової інформації неприпустима втрата навіть одного біта (у результаті всі дані будуть зіпсовані), то при передачі голосу цілком можна втратити певну частину інформації - людське вухо все одно виявиться в стані правильно сприйняти інформацію.

Зрозуміло, що до повсюдного використання подібної технології зв'язку ще досить далеко. Одна з головних тому причин - відсутність необхідної інфраструктури для надання комерційних послуг. Інакше кажучи, треба перевести на роботу в пакетному режимі всі наявні АТС, а це, звичайно, поки що - з області фантастики. Однак є одна область застосування телекомунікацій, де необхідна інфраструктура вже створена. Йдеться про корпоративних глобальних мережах, які є у всіх організаціях, що мають віддалені філії. Такі мережі цілком можна використовувати для передачі голосової інформації, і при цьому вдасться значно скоротити витрати організації на зв'язок.

Виникає ситуація певною мірою є зворотною по відношенню до використання модемів для передачі цифрової інформації з аналогових обчислювальних мереж. Якщо раніше цифровий сигнал використовувався для модуляції звуку, що передається по аналогових лініях (призначеним в першу чергу для передачі голосу), то тепер звук оцифровується і передається по каналах зв'язку, призначеним, в першу чергу, для передачі цифрової інформації.

Звичайно, швидкість передачі цифрової інформації повинна бути досить високою, інакше ні про яку передачу звуку не може бути й мови. Зокрема, швидкості X.25 для цього явно недостатньо. Повне рішення проблеми передачі звуку по мережах з комутацією пакетів принесе повсюдне впровадження ATM. Але це станеться, м'яко кажучи, не завтра. Поки ж досить швидкісний технології комутації пакетів, що знайшла широке застосування в глобальних мережах (як корпоративних, так і через мережу із загальним доступом), є frame relay.

ГОЛОС НА FRAME RELAY

Найбільшу вигоду може принести використання frame relay для зв'язку центрального офісу компанії з її філіями. Наочно це можна представити як використання каналів frame relay для зв'язку між АТС (private branch exchange - PBX), встановленими в пов'язуються офісах (малюнок 2). Звичайною формою організації зв'язку між віддаленим офісом і штаб-квартирою компанії є аналогова лінія для передачі голосової інформації плюс будь-якої WAN-канал (зокрема, frame relay) для передачі даних. Забезпечивши передачу голосу по тій же лінії, яка використовується для передачі даних, компанія може досить суттєво заощадити.

Малюнок 2.Прімерная схема корпоративної мережі з передачею голосу по frame relay.

Для упешно реалізації голосового обміну по мережах frame relay необхідно вирішити сформульовані вище технічні проблеми. Розглянемо спочатку проблему затримок. Для того, щоб забезпечити прийнятну якість робочих переговорів (про комерційні послуги ми тут поки не говоримо), необхідно домогтися, щоб затримки в передачі мови не перевищували 400 мс. Це досягається, в першу чергу, правильним використанням системи пріоритетів: пакети, що містять голосовий сигнал, повинні передаватися раніше пакетів з даними. Зазвичай вважається, що голосові пакети повинні займати кожну третю позицію в черзі на передачу. Ясно, що тривалість затримок при передачі голосових пакетів залежить від довжини пакетів даних, переданих в інтервалі між голосовими пакетами. Тому механізм пріоритетів для зниження затримок при передачі часто застосовують в поєднанні з сегментацією пакетів даних. Даний прийом полягає в розбитті загального потоку даних на невеликі пакети таким чином, щоб час передачі кожного пакета становила від 5 до 10 мс. Можна вимагати, щоб умовою включення такого режиму була наявність голосової передачі. Коли голос не передається, обмеження на довжину пакетів можна зняти.

Тепер, знаючи, що перед кожним голосовим пакетом в черзі на передачу може перебувати не більше двох пакетів даних, час передачі яких також відомо, адміністратор мережі може підрахувати, яка затримка можлива при передачі голосу від точки відправлення до точки призначення, і дізнатися, чи влаштує компанію вийшла цифра. Ясно, що обидва параметри, що визначають затримку при передачі голосових пакетів, піддаються налаштуванню. Втім, тут є і певний нижня межа - якщо привласнити голосовим пакетам занадто високий пріоритет або задати дуже маленьку довжину пакета даних (нагадаємо, що навіть на швидкості, відповідної каналу T-1, за одну мілісекунду можна передати 18 байт інформації; для прийнятого в Європі каналу E-1 ця цифра становить 25 байт), можна повністю блокувати передачу даних по мережі.

Зазвичай приймається, що для передачі одного голосового каналу потрібно пропускна здатність 64 Кбіт / с. Цю цифру одержують у такий спосіб. Вважається, що для того, щоб людину можна було дізнатися по голосу, в його промові повинні бути присутніми частотні складові максимальною частотою 4 КГц. Щоб адекватно передати форму цієї складової, оцифрування сигналу слід проводити з удвічі більшою частотою, тобто 8 кГц. Прийнявши, що дозвіл аналого-цифрового перетворення, що застосовується при оцифрування, становить 256 рівнів, тобто для запису його результату потрібно один байт, як раз і отримаємо 64 Кбіт / с. Це число, однак, може бути істотно знижений за допомогою стиснення голосової інформації. Бітові послідовності, що представляють собою результат оцифровки голосу, можна стискати має велике значення, оскільки голосовий сигнал має цілий ряд характерних особливостей: зокрема, в ньому не можуть бути присутніми різкі скачки амплітуди. Алгоритми, реалізовані в нових спеціалізованих процесорах для обробки цифрового сигналу (digital signal processor - DSP) виробництва фірми Motorola, забезпечують стиснення цифрового голосового сигналу до рівня 16 і навіть 8 Кбіт / с.

Іншим технічним прийомом, також дозволяє набагато знизити потреби голосового сигналу в пропускної здатності, є так зване придушення мовчання. Справа в тому, що будь-який телефонна розмова складається з мови всього лише на 40-50 відсотків, решту всього часу займають паузи (один говорить, інший слухає). При роботі з комутацією ланцюгів з цим нічого вдіяти не можна, оскільки, як уже згадувалося вище, канал зв'язку підтримується протягом усієї розмови, а відповідні часові слоти залишаються порожніми. При роботі з комутацією пакетів має сенс "виокремлювати" такі паузи і не передавати мовчання по лініях зв'язку, використовуючи звільнене час для передачі даних. Це дозволяє досягти ще більшої економії пропускної здатності.

Для успішної передачі голосу по frame relay необхідно вирішити проблему правильної обробки заторів. Як відомо, під час передачі пакетів даних по мережах frame relay ніяких квитанцій про отримання пакетів не надсилається - перевірка цілісності даних проводиться тільки засобами протоколів більш високих рівнів. Оскільки пакети в мережі пропадають досить рідко, то такий підхід не призводить до суттєвих втрат часу, одночасно дозволяючи істотно знизити накладні витрати на пересилку даних. При передачі голосових даних втрату пакетів розпізнати не так просто, тому її слід всіляко уникати. Однією з ситуацій, яка може привести до втрати пакетів, є затор, що виникає, коли той чи інший комутатор виявляється не в змозі "прокачувати" за вихідними від нього каналам весь вступник на нього трафік. При виникненні затору комутатор посилає спеціальне повідомлення всіх пристроїв доступу, від яких виходить трафік, який викликав затор. Реакцією на це повідомлення повинно бути зниження швидкості передачі даних в мережу, але не всі пристрої доступу володіють такою здатністю. Для коректної передачі голосу коректна обробка заторів є абсолютною необхідністю, в іншому випадку важко очікувати, що вся пересилається голосова інформація дійде за призначенням у разі виникнення затору.

Незважаючи на всі перераховані труднощі, схоже, що технологія передачі голосу по мережах frame relay знаходить все більше прихильників. Про це, зокрема, свідчать результати тестування пристроїв доступу до мереж frame relay, проведеного компанією The Tolly Group, звіт про який публікується в цьому номері журналу, а більш повний може бути отриманий за World Wide Web. Так ось, виявилося, що з восьми компаній-виробників, що надіслали свої вироби на тестування, чотири вже підтримують голосовий обмін, а дві з решти оголосили про намір зробити це в найближчому майбутньому.

Технологія передачі голосу по орендованим лініях frame realy вже досить широко застосовується для зв'язку між штаб-квартирою компанії і її філіями. Наведемо, на наш погляд, досить вражаючий приклад використання цієї техніки.

У бельгійській скляної компанії Glaverbel є дочірня фірма в Чехії під назвою Glavunion, що володіє рядом заводів. Природно, постало питання про забезпечення нормальної зв'язку між цими двома компаніями. З'ясувалося (Господи! Комусь це ще доводиться з'ясовувати!), Що чеська телефонна мережа працює недостатньо надійно і не забезпечує належної якості зв'язку. Від спроб орендувати широкосмуговий супутниковий лінію, яка могла б забезпечити передачу кількох каналів зв'язку, компанія відмовилася, з'ясувавши вартість такої послуги.

В результате Було вірішено для зв'язку з декількома заводами Встановити швідкісні канали бездротового зв'язку, а для передачі информации в Брюссель використовуват відносно недорогий супутниковий канал на 64 Кбіт / с. Для іншої частини інформаційного потоку доводилося використовувати орендовані лінії пропускною спроможністю от14,4 до 25 Кбіт / с, передаючи по ним голосову та факсимільний інформацію, а також дані, що ніяк не могло задовольнити компанію. Нарешті, компанія Digital Equipment, чиїми послугами як системного інтегратора скористалася фірма Glaverbel, прийняла рішення перейти до передачі голосу за допомогою технології frame relay, для чого були придбані пристрої доступу під назвою Fast Lane виробництва компанії Scitec. Ці пристрої можуть стискати голосовий сигнал таким чином, що для його передачі потрібно всього 2400 біт / с. Після такої операції навіть в дуже повільних лініях ще залишається "місце" для факсимільного обміну і для передачі даних. Звідси мораль: передача голосу з використанням комутації пакетів може бути дуже корисна для організації корпоративних мереж на базі низькошвидкісних ліній зв'язку.

Все вищесказане відноситься до передачі голосу через мережі frame relay на базі орендованих ліній. Мережі frame relay із загальним доступом поки не дуже охоче пропонують своїм клієнтам послуги з передачі голосу через мережу. Причини цього - як комерційні, так і чисто технологічні. По-перше, при існуючому рівні розвитку технології провайдер далеко не завжди може гарантувати клієнтові достатній рівень якості передачі голосу. По-друге, великі телекомунікаційні компанії просто не зацікавлені в наданні споживачеві куди більш дешевого зв'язку через frame relay. Як правило, великі провайдери дають повну інформацію про голосового зв'язку через frame relay тільки за запитом клієнта, проте, самі цю послугу не рекламують. Навпаки, невеликі компанії-провайдери можуть бути зацікавлені в такій рекламі. Судячи з публікацій у західній пресі, повномасштабну рекламну підтримку голосового зв'язку через frame relay дає тільки компанія EMI Communications (Сіракузи, шт. Нью-Йорк).

Чисто технологічної причиною того, що телекомунікаційні компанії поки не поспішають рекламувати голосовий зв'язок через frame relay, є набагато більш складний пристрій публічних мереж в порівнянні з корпоративними, тому набагато важче вирішити всі їх технологічні проблеми, пов'язані з передачею голосу. Особливо це відноситься до проблеми затримок і заторів. Зокрема, для своєчасної доставки чергового пакета необхідно, щоб по шляху проходження від джерела до місця призначення пакет здійснював не більше трьох стрибків - в іншому випадку затримка стає непередбачуваною. У мережах із загальним доступом задовольнити цю вимогу значно складніше, ніж в корпоративних мережах.

ТАМ, ЗА ГОРАМИ, В КРАЇНІ ATM

Повною мірою ідея передачі голосової інформації з комутацією пакетів буде реалізована після повномасштабного втілення мережі ATM. Власне, ATM і розроблялася як технологія, завдяки якій можна буде передавати будь-яку інформацію по мережах з комутацією пакетів. У двох словах ідею ATM можна сформулювати наступним чином. Інформаційний потік розбивається на осередки постійної довжини (по 48 октетів в кожній), кожна з них забезпечується заголовком довжиною п'ять октетів, після чого потік інформації передається по мережі. При цьому вся інформація, передана протягом сеансу зв'язку від джерела до місця призначення, слід по одному і тому ж шляху, обирається в момент встановлення з'єднання. Оскільки пакети, що передаються по мережі ATM, мають фіксовану довжину, то вдається досягти високих швидкостей передачі (до 622 Мбіт / с), а оскільки всі пакети йдуть по одному і тому ж шляху, то зникає проблема непередбачуваних затримок. При цьому зберігаються всі переваги технології передачі голосової інформації з комутацією пакетів, і в першу чергу - можливість динамічного розподілу пропускної здатності каналів.

До повної реалізації мереж ATM ще досить далеко. Причин тому безліч - і відсутність єдиних стандартів на цю технологію, і крайня дорожнеча швидкісних ліній зв'язку (на роботу з якими, в першу чергу, і розрахована ATM), і відсутність розвиненої інфраструктури таких ліній. Проте, інтерес до цієї технології дуже великий, що пов'язано з появою технічних засобів для організації мереж ATM на базі широко доступних і відносно недорогих каналів T-1 / E-1. Зокрема, компанія Madge Networks оголосила про свої плани представити в кінці 1997р. перші результати роботи зі створення нової архітектури MadgeOne, завдяки якій можна буде використовувати існуючу WAN-інфраструктуру для передачі різного роду інформації, зокрема для голосового зв'язку. При цьому в якості "телефонних апаратів" передбачається використовувати настільні ПК, обладнані звуковими платами і мікрофонами.