Птички в клетке, или Голоса в Сети

Три страсти правят нашим миром - власть, деньги и любовь…

Это может показаться странным, но первые средства телекоммуникаций, придуманные человечеством, - сигнальные огни, флажковая азбука, телеграф и, наконец, радио, главным элементом которого поначалу был искровой разрядник, были по существу цифровыми. Сообщения передавались с помощью набора кодовых комбинаций, наиболее известный из них - азбука Морзе. Использование всех этих средств требовало либо специальной подготовки и, как правило, длительного обучения, либо позволяло передавать лишь простые, односложные сообщения.

Аналоговый телефон стал изобретением, радикально изменившим положение вещей и в значительной мере повлиявшим на судьбы человечества. 26 июля 1874 года Александр Грэхем Белл придумал, каким образом можно передавать голос по проводам; в 1876 году, всего через два года, заработала первая телефонная линия; а в 1878 году Белл создает собственную телефонную компанию - Bell Telephone Company. С момента изобретения до создания индустрии прошло всего четыре года - неплохой результат даже для нашего стремительного двадцатого века.

Вся довольно сложная по тем временам начинка была спрятана от пользователя - ему оставалось только поднять трубку и, услышав голос барышни, назвать номер или имя вызываемого абонента и попросить ее установить соединение, что она и делала с помощью проводов и соответствующего контактного поля. В дальнейшем на телефоне появился диск для набора номера, барышни перебрались сначала на междугородние станции, а затем и вовсе канули в Лету - их в большинстве случаев заменили автоматы.

Телефоны становились доступнее, число их увеличивалось, и, соответственно, становились сложнее телефонные линии и телефонные же станции - сам телефон с момента появления наборного диска практически не менялся. На телефонных линиях появилось сначала частотное, затем - временное уплотнение каналов (Time Division Multiplexing - TDM), а сами они образовали иерархическую структуру. Сигналы в такой структуре собираются в единые обрабатывающие центры - телефонные станции, соединенные друг с другом магистральными кабелями; номера телефонов присваиваются по географическому принципу, а для установления соединения используется статическая коммутация: на все время разговора устанавливается двухточечное соединение между двумя абонентами. Вследствие применения статической коммутации при обрыве магистрального кабеля все абоненты по соответствующему направлению остаются без связи.

С появлением новых технологий магистрали между станциями стали цифровыми, и сейчас даже в нашей многострадальной стране строящиеся АТС соединяются между собой оптоволокном, а для передачи сигналов используются передовые технологии - SDH и (все чаще) ATM. Каналы в этих технологиях образуются в общем-то виртуальные, но по-прежнему на время разговора устанавливается двухточечное соединение с пропускной способностью 64 кбит/с, а вся довольно сложная процедура обработки сигналов, мультиплексирование и демультиплексирование, коммутация, установление соединений, поддержание профилей пользователей (есть и такие, в них заносится, например, информация о том, в какое время и по каким телефонам звонить каждому из абонентов, по какому номеру пейджера сообщить о поступлении важного сообщения и т. д.) ложится на центры по обработке вызовов - на АТС.

Для того чтобы лучше представить масштаб происходящего и успехи, достигнутые традиционной телефонией (Public Switched Telephone Network - PSTN) за прошедшие 123 года, позволю себе привести некоторые цифры: в настоящее время в мире установлено около 670 млн. телефонов. Тем не менее четыре миллиарда, или 70%, жителей нашей планеты по-прежнему лишены средств голосовой связи, а половине населения может потребоваться два часа, чтобы добраться до ближайшей телефонной трубки. И в то же время только в одном Нью-Йорке установлено телефонов столько же, сколько их имеется на всем (!!!) африканском континенте.

Согласно оценке IDC, всемирный рынок услуг телефонии оценивается в 700 млрд. долларов. Понятно, что игрокам этого довольно специфичного, с постоянными финансовыми потоками, бизнеса есть что терять и любое вторжение конкурентов на свои рынки они воспринимают как серьезную угрозу своему положению.

А что же второй претендент, пакетные сети передачи данных? Вот как мой тезка Джордж Гилдер (George Gilder, "Metcalf's Law and Legacy") описывает его становление:

"Другая парадигма предложена Робертом Меткалфом. Она пришла ему в голову в 1970 году во время чтения статьи Нормана Абрамсона из Гавайского университета (Norman Abramson, University of Hawaii), представленной на одной из компьютерных конференций. Абрамсон называл эту парадигму Алоха (Aloha). Алоха не предоставляла никаких гарантий. AlohaNet была пакетной системой передачи данных, используемой для связи на Гавайях. Пакеты состояли из наборов битов, предваряемых заголовками, которые распространялись по всей системе подобно конвертам в почтовом ведомстве. Ключевой характеристикой системы было то, что каждый пользователь мог отправлять пакеты любому абоненту, когда заблагорассудится, стоило только начать передачу. Если отправитель не получал подтверждения, то он знал, что сообщение не прошло через систему. Возможно, пакеты вступили в конфликт с другими такими же пакетами. Говоря словами Меткалфа, "они были затеряны в эфире". В этой ситуации необходимо было выждать случайный интервал времени (во избежание повторных коллизий между одними и теми же отправителями) и повторить передачу своего сообщения".

Изложенные принципы и ныне использует самая распространенная сетевая технология - Ethernet. Они же легли и в основу Интернет, с единственным отличием - местом гибели пакетов в последнем случае чаще всего является не эфир, а многочисленные маршрутизаторы, установленные в Сети (подробнее это описано в статье В. Баскакова "С уровня на уровень", "Компьютерра" #39).

Будучи сравнительно молодой технологией межсетевого взаимодействия, Интернет демонстрирует рекордные темпы роста и сейчас. По мнению его основателя и старшего вице-президента компании MCI Telecommunications Винта Серфа (Vint Cerf), Интернет находится в середине пути - на втором пике своего развития. Нынешний период характеризуется интенсивным использованием Интернета для отыскания, передачи и доставки информации, причем все чаще она сама, с помощью push-механизмов, находит своего пользователя.

Целью первого этапа, по словам Серфа, было объединение компьютеров в глобальную сеть и организация передачи данных между ними.

На следующем, третьем, этапе Интернет станет средством для объединения бизнес-процессов, автоматизации их внутри компании и распространения этих процессов за ее границы. Составляющим элементом этих критически важных для бизнеса приложений станет использование Интернета для передачи голоса и другой мультимедийной информации.

Благодаря чему стоимость IP-телефонии так низка и почему никто не применял ее раньше?

Начнем с того, что Интернет-телефония стала возможна как сумма новых технологий, среди которых - появление мощных и дешевых процессоров, эффективных алгоритмов и протоколов сжатия и передачи данных, а также магистралей с высокой пропускной способностью.

Вот как оценивает требования к вычислительной мощности процессоров Роберт Честер из компании Natural Microsystems (из доклада на конференции "VON-97" 23 сентября 1997 года):

Ну что ж, mips'ы сейчас продаются по пять с половиной штук на доллар (33 миллиона за 6 долларов; процессор StrongARM SA-110 с потребляемой мощностью 300 мВт и ценой 49 долларов), а Natural Microsystems через пару лет планирует довести производительность каждой платы расширения своих телефонных серверов до 10 млрд. операций в секунду.

Современные алгоритмы сжатия позволяют практически без потери качества сжимать голосовой поток 64 кбит/с в 10 раз, до 6,3 кбит/с, а с некоторыми издержками - до 2,4 (c такой скоростью будет передавать разговоры глобальная система спутниковой телефонии Iridium) и даже до 1,26 кбит/с. Кстати, довольно распространено заблуждение, что голосовая телефония может вызвать значительный рост сетевого трафика (и последующий коллапс Интернет), - так вот, часовой телефонный разговор с использованием сжатия голоса до 2,4 кбит/с приведет к передаче по Сети всего лишь 500 Кбайт данных (из расчета, что вместе абоненты будут разговаривать 54 минуты, а 6 - молчать). Примерно такой трафик возникнет в Сети в результате просмотра десятка-другого интернетовских страничек, так что коллапс грозит Интернету скорее вследствие общего увеличения числа пользователей, и вот этому-то IP-телефония наверняка поспособствует.

Определяющую роль в происходящих событиях должны сыграть стандарты, хотя здесь уместно вспомнить слова Высоцкого: "Жираф большой, ему видней". Так вот, стандарт H.323, например, тоже оказался "большим", и, по словам одного из представителей Dialogic, компании пришлось дополнительно адаптировать свою аппаратуру для приложений каждого из производителей - VocalTek, Microsoft и Intel.

Для IP-телефонии также важны возникающие в Сети задержки и пропажи пакетов. Статистика показывает, что при задержке длительностью 200-300 мс человек не чувствует разницы между обыкновенной и Интернет-телефонией, при 500-700 мс абоненты начинают испытывать определенные неудобства, а при задержках порядка 1500 мс 25-30% пользователей предпочтут обычный телефон. Для сравнения в таблице приведены данные о задержках на трассе США - Москва по нескольким московским провайдерам. При тестировании использовались последовательности из 100 пакетов длиной по 50 байт. Американский провайдер имел устойчивое соединение с Интернетом с пропускной способностью около 3 Мбит/с (благодарю Валерия Костюнина за предоставленную информацию):

Оказывается, некоторые провайдеры обеспечивают вполне приемлемые задержки (не забывайте, что для определения правильного результата к длительности задержки на трассе необходимо добавить по крайней мере удвоенное время задержки на формирование пакета, которое для 50 байт и 6400 бит/с составит 125 мс, см. рис. 2). Однако особенно интересен последний столбец таблицы: как видно, некоторые московские провайдеры позволяют себе терять почти что 40% пакетов. В случае использования TCP потерянные пакеты передаются еще раз, что хотя и замедляет скорость передачи, но позволяет доставить данные в целости и сохранности. Однако в Интернет-телефонии это проявляется в выпадении отдельных букв, что, конечно же, неприятно: говоришь "мама", а получается "м… м…"

Рисунок 2.

Кстати, с потерями пакетов можно бороться уже сейчас, не дожидаясь появления протокола резервирования полосы пропускания RSVP и QoS (Quality of Service). Нужно использовать каналы "потолще", чтобы начинали действовать законы больших чисел, и держать их недогруженными процентов этак на тридцать. Ethernet ведь тоже "ложится", если попытаться использовать его более чем на 50 процентов от паспортной пропускной способности.

Именно поэтому применение IP-телефонии сейчас особенно перспективно в корпоративных сетях, которые поддаются хоть какому-то регулированию. При испытаниях в локальных сетях время задержки Ethernet-телефонов Selsius не превысило 60 мс, а применение пакетов DirectX 5.0 и Winsock 2.0 (которые войдут в состав Windows 98 и NT 5.0) позволило Microsoft программным способом добиться задержек, не превышающих 160 мс, и повысить QoS.

На этом же рынке действует компания Lucent Technologies. Ее телефонный сервер фактически является преобразователем интерфейсов "телефония - Интернет" и работает в комплекте с офисной АТС. Он оперативно оценивает загруженность выделенного канала и, если позволяют обстоятельства, помещает в него телефонные пакеты. В противном случае соединение устанавливается по традиционным телефонным линиям.

Кстати, раз уж речь зашла о выделенных каналах, - вот примерные расценки на соединения Москва - Нью-Йорк (все по 64 кбит/с):

А теперь вспомним, что по одному IP-каналу можно передать, скажем, 10 телефонных разговоров. Скажите, как вам нравится такая цифра - 20 центов за час разговора с Америкой? А 1370? - наши расчеты весьма приблизительны. Однако они позволяют судить о порядках величин и эффективностях применяемых решений.

Однако и это, как говорится, еще не "все о нем". В своем выступлении на осенней конференции "VoN-97" (www.pulver.com) Блейк Ирвин (Blake Irving), генеральный менеджер корпорации Microsoft, призвал собравшихся отличать два подхода к IP-телефонии: Call-центрический (традиционный, ориентированный на соединения) и Web-центрический, использующий все преимущества и наработки Интернета и Web. Будущее, по мнению его и Microsoft, за вторым подходом.

Кстати, Microsoft не одинока. Аналитическое агентство Frost&Sullivan понимает под термином "IP-телефония" следующие приложения:

• голосовая почта - голосовая связь не в реальном времени;
• факс - передача данных между двумя пользователями через систему "ящиков" или напрямую;
• голосовая телефония в реальном времени между двумя и более пользователями;
• "застольные" (J) видеоконференции (desktop videoconferencing) - голосовая и видеосвязь в реальном времени между двумя и более пользователями;
• совместное использование приложений и документов в реальном времени, по крайней мере двумя пользователями.

Интересно, что и этот список далеко не полон. Например, приложение E-lert (www.bonaventure.com), существующее в трех вариантах: для дома, офиса и - совсем большое - для Интернет-провайдера, может перенаправлять почтовые сообщения на пейджер и факс-аппарат в соответствии с установленным расписанием, сообщать на сотовый телефон о поступлении важных сообщений, отфильтровывать почту в соответствии с установленными приоритетами, сообщать о вложениях в почтовые сообщения, в соответствии с вашими указаниями направлять их на факс и даже прочитать по телефону.

Продолжается интеграция традиционной телефонии и Интернета. Например, компания MCI, являющаяся крупным телефонным и Интернет-оператором, предоставляет абонентам возможность управления по Интернету своим профилем (см. выше) и внедряет систему Vault, которая оперативно принимает решение о том, по каким каналам установить телефонное соединение - пакетным или традиционным, коммутируемым.

По оценкам Винта Серфа, для темпов роста трафика традиционных систем телекоммуникаций характерны цифры 5-10% в год, а для Интернета - 300-400%. В начале текущего года Интернет-трафик составлял около 1% трафика телекоммуникационных сетей. Если задаться цифрами 300 и 10%, то к середине 2002 года, считает Серф, Интернет-телефония по объему трафика догонит телефонные сети (рис. 3), а к 2010 году коммутируемых телефонных линий просто не останется. Кстати, это довольно пессимистический прогноз. Один из представителей AT&T вообще отмерил PSTN пять лет жизни, после чего их сменят сети с коммутацией пакетов - этакое торжество Интернета в глобальном масштабе.

Рисунок 3.

Конечный пользователь может не замечать происходящих изменений, но, с точки зрения телекоммуникационной индустрии, уже начался переход от сетей с коммутацией каналов, оптимизированных для передачи голоса и только голоса, к основанным на открытых стандартах интернетовским сетям с коммутацией пакетов, способным интегрировать все вновь появляющиеся сетевые службы и сервисы и изначально ориентированным на достижение максимальной живучести и надежности (Интернет задумывался как средство коммуникаций на случай ядерной войны). За счет некоторого усложнения абонентских устройств, функции по формированию и направлению потоков данных переместятся на границы сети, оставляя центральной ее части лишь функции по их транспортировке и доставке.

Совершенно ясно, что происходящие явления затронут интересы всех игроков рынка телекоммуникаций. Здесь довольно уместно вспомнить наш собственный опыт. Многим известно имя крупнейшего российского оператора междугородней телефонии ОАО "Ростелеком" (балансовая прибыль за 1996 год составила 1,82 трлн. рублей). Во врезке представлены основные тезисы с его Web-странички. Они интересны как сами по себе, так и в контексте нашего разговора. Дело в том, что аналогичным образом ведут себя и другие операторы PSTN, а некоторые из них (Deutche Telecom, MCI, Fintelecom - список, очевидно, не полон) занимаются IP-телефонией самостоятельно или в кооперации с другими компаниями. Кстати, деваться им просто некуда: спектр приложений телефонии растет, появляются спутниковые и кабельные системы телефонии, не говоря уже о повсеместно распространенных системах мобильной телефонии. Объединение всех этих систем выльется в самостоятельную задачу, при решении которой вполне могут быть (и видимо, будут) применены отработанные на Интернете технологии межсетевого взаимодействия.

А проигравших, которыми могут оказаться небольшие операторы междугородней связи (впрочем, в России их не так много), погубит отсутствие Интернет-трафика.

Пишите: gbash@cterra.com.