Альтернативные инициативы

Статьи и анонсы об успехах различных фирм, предоставляющих услуги IP-телефонии, в последнее время не сходят с полос изданий. Правительство США приравнивает операторов IP-телефонии к обычным операторам. Страсти кипят, отрасль развивается. Стоит рассмотреть поближе и проблему, и продукты, предлагаемые производителями для компьютерной телефонии. Здесь и далее под компьютерной телефонией мы будем рассматривать ту ее часть, которая связана с передачей голоса по альтернативным каналам. Существует еще большая, не менее интересная отрасль, связанная с обработкой телефонных вызовов при помощи компьютера, но ее мы сейчас касаться не будем. Так что в дальнейшем под словами "компьютерная телефония" будет подразумеваться именно передача голоса. Изначально телефон предназначался для передачи голоса. С развитием компьютерных сетей телефон задействовали и для передачи данных. Устройства передачи данных превращают цифровой сигнал в аналоговый, передавая его по обычным каналам связи. Производительность таких устройств напрямую зависит от ширины полосы пропускания канала. Недавно был достигнут теоретический предел для традиционных телефонных модемов. Как известно, прогресс не стоит на месте, и с достижением предела мысли о более эффективном использовании существующих каналов не покинули разработчиков. Разработки идут дальше. Чтобы лучше осознать, что нас ждет, коснемся технологии передачи голоса и работы телефонии.

Аналоговый сигнал можно превратить в цифровой, и обратно. Набор номера и информация о состоянии линии передается по тем же проводам, по которым идет разговор. Для полного описания состояния линии достаточно четырех сигналов: трубка снята для инициирования вызова, ответ на вызов, завершение соединения и статус занято/свободно. Эти сигналы преобразуются в цифру так же, как голос, но требуют всего четырех битов для передачи состояния. Не является секретом, что аналоговый сигнал от нашего телефона передается, как правило, только до ближайшей локальной АТС. В принципе возможности обычной медной пары проводов куда выше, чем пропускание узкой полосы частот для передачи голоса. Достаточно невыгодно было бы прокладывать между телефонными станциями пару проводов на каждый канал. Используя большую частоту можно передать больше информации. Чтобы превратить низкочастотный аналоговый сигнал в высокочастотный, лучше всего подвергнуть его цифровой обработке. Таким образом, голосовые каналы преобразуются в цифровой поток и передаются дальше. Поэтому на следующем этапе в действие вступает аппаратура временного уплотнения. Временное уплотнение работает следующим образом. Поток E-1, или по российскому стандарту ИКМ-30, передает 30 каналов полезных данных, которые еще называются тайм-слотами. Реально в потоке 32 канала, но два из них задействуются под служебную информацию. Каждый срез в такой передаче выглядит как 32 октета. Первый октет всегда несет служебную информацию, необходимую для целостности потока. Шестнадцатый октет передает информацию о состоянии аналогового соединения. Как уже говорилось выше, для передачи состояния линии достаточно четырех битов. Поэтому в каждом октете идет информация о состоянии двух линий с интервалом в 15 линий (например, 1 и 16, далее 2 и 17). Таким образом, для формирования полной информации о потоке необходимо шестнадцать срезов. Давайте немного посчитаем. Передача голоса осуществляется по каналам с полосой пропускания частот от 300 до 3400 герц. Это международный стандарт и среднестатистический диапазон человеческих голосов. Согласно теореме Котельникова, для уверенного декодирования оцифрованных данных необходима частота дискретизации в два раза выше, чем частотный диапазон передаваемых данных. Учитывая некоторую нелинейность систем промежуточной обработки, считаем, что для одного голосового канала требуется полоса в 4 килогерца, что дает 64 Кбит пропускной способности сети. Таким образом, в один поток E-1 помещается 30 каналов по 64 Кбит. Итого по двум парам медных проводов передается до 2 Мбит информации. Это первый уровень консолидации потоков. Более крупные потоки работают на других протоколах, но все равно в цифровом формате. На оконечной станции происходит обратный процесс - цифровой сигнал преобразуется в аналоговый, который и поступает на телефонный аппарат. Конечно, существуют варианты, когда оконечные устройства работают сразу в цифровом формате и дополнительных преобразований не происходит. Преобразование с временным уплотнением практически не вносит задержки в передачу данных.

Теперь немного о маршрутизации. Каждый телефон имеет номер в своей локальной телефонной сети. Сеть также имеет свой номер в масштабе страны. И каждая национальная сеть также имеет номер. Всего на адресацию отводится 12 цифр. От одной до трех цифр обозначают национальную сеть и оставшиеся девять отводятся на национальные номера. Таким образом, набирая телефонный номер, вы однозначно определяете конечный адресат звонка. На основании этой информации телефонная станция маршрутизирует звонок. Вот на этом этапе и можно сказать, что телефония и передача пакетов по IP-сетям практически схожи.

Телефонные звонки в зависимости от адреса назначения также отправляются на другие станции, с которыми у оконечной станции есть связь. Существуют также бекбон-сети, где маршрутизируются звонки на основных направлениях. Остается единственное различие - критичность к задержкам. В телефонной сети звонок маршрутизируется по каналам с гарантированной полосой пропускания, количество которых ограничено. Если на направлении, куда нам нужно позвонить, все каналы заняты, то возникает "межАТСное занято". Если в IP-сети можно ожидать соединения, принимать и передавать пакеты в зависимости от загруженности сети, то в телефонии нельзя создавать искусственные паузы между пакетами оцифрованного голоса. Передача IP-пакетов с гарантированной задержкой в принципе возможна в сетях, обеспечивающих так называемое качество сервиса (QoS - Quality of Service), но в настоящий момент это скорее исключение, чем правило. Таким образом, мы вплотную подходим к проблеме интеграции телефонии обычной и компьютерной.

Что она нам даст. Ну, во-первых, не нужно думать, что IP-телефония является панацеей от тяжестей телефонии обычной. Основная проблема обычной телефонии в том, что адресное пространство ограничено. И появление компьютерной телефонии не решит этой проблемы. И хотя при должном развитии компьютерной телефонии может образоваться достаточно большое альтернативное адресное пространство, интеграция ее с обычной останется невысокой. Стык этих двух сред останется достаточно узким, для того чтобы стать прозрачным. Ведь для того чтобы успешно сосуществовать, этим технологиям нужно иметь пересечения. IP-телефония, маршрутизируясь по альтернативным каналам, все равно должна выйти в какой либо шлюз для сопряжения с обычной телефонной станцией. Еще раз представим. Как уже говорилось, телефонный номер вместе с кодом страны и города может состоять из двенадцати цифр. Значит, уникальных телефонных номеров может быть 10 в двенадцатой степени. То есть один триллион. Почти в двести раз превышает население Земли. Но все не так просто. Емкость национальных номерных систем ограничена девятью порядками. Крупной стране этого недостаточно, поэтому у нее как бы несколько международных кодов. Для России это код 07, но для национальной сети отводится только девять единиц, а необходимо десять. Поэтому части страны имеют код 070, 071 и т. д. Это большая условность, описываемая местом постановки скобки в коде, но маршрутизация звонков осуществляется именно по таким кодам. И на всю нашу страну отводится один процент мирового адресного пространства. Таким образом, мы за счет большего количества национальных сетей ограничиваем мировую номерную емкость. И далее, за счет количества местных сетей ограничиваем национальную емкость. А внутри каждой сети мы еще теряем одну цифру в первом порядке для однозначного обозначения маршрутизации во внешнюю (междугороднюю и международную) сеть. Еще одна цифра теряется на так называемых публичных услугах (01, 02 и т. д.). Конечно, IP-телефония может быть куда более интеллектуальной и автоматически обрабатывать дополнительные цифры в телефонных номерах, но для этого нужно выделение отдельной телефонной зоны под стык IP-телефонии и обычной. Невыгодно отдавать конкурирующей технологии собственный дефицитный ресурс. Это барьер номер один.

Далее производительность. В чем причина дешевизны IP-телефонии по сравнению с обычной? Во-первых, отсутствие выделения ресурса из номерной емкости. Во-вторых, относительная дешевизна международных каналов. В общем случае будем считать, что каналы, отданные под данные, и каналы в распоряжении телефонистов стоят одинаково. Но в обычной телефонии необходимо гарантированное качество, а значит гарантированная полоса пропускания. А также необходимо достаточное количество каналов для обеспечения соединений, которые не всегда используются на полную мощность. С другой стороны, существует альтернатива, которая может использовать компрессию данных (как именно это делается, рассмотрим чуть позже) практически от самого абонента, хотя может не гарантировать качества связи. И при этом может не резервировать выделенных полос в каналах на самых дорогих отрезках передачи данных. IP-трафик может маршрутизироваться динамически на основании множества условий. Одним из таких условий можно поставить стоимость передачи пакета (протоколы динамической маршрутизации мы рассматривать не будем, но возможность такая есть) и передавать пакет с наименьшей стоимостью, но не всегда с минимальными задержками. Конечно, чтобы успешно конкурировать с обычной телефонией, которая по качеству выше (традиционные голоса о "поганых" линиях в расчет не принимаются, международные каналы находятся несколько в другом уровне), нужно предложить что-то существенное и следить за качеством своих услуг.

Теперь об оценке качества голосовой связи. Единственный способ реально оценить качество голоса - это послушать его. Проводились исследования качества голоса в различных условиях передачи голоса. Передавалось одинаковое сообщение через устройство, моделирующее канал, которое создавало соответствующую задержку и осуществляло компрессию и декомпрессию. Таким образом, было выведено несколько градаций качества передачи голоса. Самая верхняя - Toll Quality (коммерческое качество) получается при передаче голоса по обычным сетям. Далее следует бизнес-качество - качество, приемлемое для ведения разговора, практически не искажающее голос. Нижняя градация - синтезированный голос - получается при использовании сильного сжатия, основанного на уменьшении абсолютной полосы пропускания. Нужно сразу отметить, что компрессированный голос звучит хуже, чем не компрессированный. И при компрессии и декомпрессии голоса появляется задержка. Для разных кодеков она разная и зависит от мощности процессора, занимающегося сжатием. Сделаем небольшой экскурс в область сжатия голоса. Если для нормального телефонного разговора требуется полоса в четыре килогерца и, соответственно, поток в 64 килобита, то, уменьшив полосу пропускания до двух килогерц, мы тем самым уменьшим требования к потоку в четыре раза.

Вроде просто. Но полосу для телефонии в 4 килогерца сделали именно потому, что людей много, голосов много и если для одного полосы от 1200 до 3200 герц хватает, то при разговоре с человеком, обладающим более низким голосом, мы практически ничего не разберем. Поэтому появился стандарт на сжатие G.729 CS-ACELP (Conjugate Structure, Algebraic Code Linear Processing), который передает голос с хорошим качеством и требует для себя потока в 8 Кбит. Результаты, получаемые при таком сжатии, относятся к бизнес-качеству речи. Примерно так же, как при разговоре по сотовому телефону (кстати, у сотовой телефонии свой алгоритм компрессии). Но для его реализации требуются достаточно мощные аппаратные средства. В наилучшем на данный момент исполнении наличествует задержка на компрессию и декомпрессию около десяти миллисекунд. Но это опять-таки ситуация идеальная. Представим себе нашу сеть. Наравне с пакетами с голосовыми данными передаются, например, данные с FTP-сервера. И между маленькими пакетиками с голосом вклинивается пакет на 1500 байт. В результате мы получим очень существенную задержку голоса только на выходе в сеть. А если среда добавит свою задержку, то качество голоса станет неприемлемым. С этим явлением успешно борется реализованная в устройствах для передачи голоса по альтернативным каналам "нарезка" пакетов маленькими частями. В одном из устройств размер такой "частички" равен десяти байтам. Но решив одну проблему, мы сразу создаем еще одну. Очень высокие накладные расходы на передачу пакета снижают реальную эффективность канала. Для передачи сжатого голоса с потоком 8 Кбит требуется 11 Кбит реальной емкости канала. То же происходит и с обычным IP-трафиком. С задержкой сети успешно борется буфер на принимающей стороне. Внося некоторую начальную задержку, он позволяет нивелировать неодинаковое время прохождения пакетов.

Но это все теория. А на практике все выглядит куда более привлекательно. Различные производители делают оборудование для IP-телефонии и телефонии альтернативных каналов. Существуют модели, начинающиеся от простейшей ISA карты в компьютер, к которой подключается обычный телефон, до сетеобразующих многосервисных устройств. Многосервисные маршрутизаторы для кампусных сетей (сеть, проложенная на ограниченной территории организации, где кабельная система находится в ее собственности) стирают грань между традиционными маршрутизаторами и оборудованием для телефонии.

С карточкой в компьютер все выглядит относительно просто. Звонок, инициируемый с телефона, пробрасывается по IP-сети до шлюза в обычную телефонную сеть, где он превращается в обычный телефонный звонок. При наличии достаточного количества шлюзов по всему миру можно получить возможность звонить в любую страну за очень маленькие деньги. Такие возможности уже предоставляют операторы IP-телефонии в России. Выпущены новые карты к маршрутизаторам Cisco серии 3600 и линия маршрутизаторов серии Cisco 2600. Они дают возможность подключить как телефонный аппарат, так и телефонную станцию, также "пробрасывая" звонок по IP-сети. Но настоящая интеграция телефонии и традиционных сетей начинается уже дальше. Многопротокольный маршрутизатор Cisco MC 3810 позволяет построить собственную телефонную сеть небольшого масштаба. Имея возможность подключить цифровую телефонную станцию потоком E-1 или аналоговые аппараты и телефонные станции, он дает возможность динамически делить полосу пропускания для телефонии и данных. Таким образом, можно собрать несколько удаленных площадок на одну, где есть выход в телефонную сеть, и маршрутизировать звонки по альтернативным каналам. При некоторой комбинации этих устройств можно добиться эффекта, когда звонок во внешний мир будет производиться по обычной телефонной сети, а в случае ее занятости - по альтернативной сети. Или наоборот, в зависимости от приоритета. Априори считается, что обычная телефония лучше, и если нет иных соображений, то лучше пользоваться ей. Но эти решения дают представление только о начальном уровне интеграции. Производители сетевого оборудования, похоже, решили окончательно стереть грань между телефонией и Интернетом. У той же Cisco есть сервер доступа серии 5300 с высокой интеграцией портов. До недавних пор это устройство давало возможность подключить несколько цифровых потоков E-1 и принимать модемные звонки. Теперь для него выпущены модули, дающие возможность принимать звонки IP-телефонии и шлюзовать их в обычную телефонную сеть и обратно. Естественно, высокая плотность портов и относительно низкая цена одного шлюза дают возможность построить недорогой универсальный шлюз. Ascend тоже не отстает, выпуская модули для серверов доступа MAX. Но и на этом все не закончилось. Bay Networks пошла дальше, сделав устройство, которое работает с сигнализацией SS-7 (ОКС-7 в России). Эта сигнализация применяется на магистральных телефонных каналах. Таким образом, появилось устройство, которое реально может создать достаточно широкий шлюз для компьютерной телефонии и обычных телефонных сетей. Думаю, что другие производители не заставят себя долго ждать.

Что даст такое слияние технологий для обычного пользователя? С одной стороны, очевидное снижение расходов на телефонные переговоры и появление дополнительных возможностей сделать несколько звонков по существующему каналу. С другой стороны, IP-телефония либо будет развиваться как параллельная область деятельности, либо глубоко интегрироваться в существующую телефонную сеть. Такие движения невозможны без участия нынешних операторов телефонии. Как показывает практика, эта отрасль достаточно живо реагирует на изменения рынка, одно то, что телефонные операторы активно выходят на рынок Интернет-провайдинга, показывает это. А приход в область IP-телефонии операторов нынешнего рынка означает только одно. Телефонисты признают возможность предоставления нового вида услуг - с более низкой ценой и ниже качеством, нежели традиционные услуги. Что из этого выйдет - покажет время, но логично предположить, что это либо приведет к снижению расценок на существующие услуги, либо к увеличению их качества. А, учитывая то, что многие зарубежные операторы уже предоставляют услуги очень высокого качества, им останется только первый путь. Также не пострадают и производители. Их инициатива будет поддержана в том или ином виде, и если речь пойдет о глобальном появлении дополнительной услуги, им будет открыт путь к новому сегменту рынка, который до того был несколько в стороне. Вызовет это какие-либо слияния крупных фирм или нет, покажет время, но ожидать их вполне возможно. А, в общем, развитие IP-телефонии - очередной качественный технологический прорыв. А такие прорывы обычно приносят достаточно богатые плоды всем.