Построение сети по рекомендации Н.323. Сигнализация по стандарту Н.323

Существует несколько подходов к построению сетей IP-телефонии. Все они регламентируют управление мультимедиа-вызовами и передачу медиа-трафика в IP-сетях, но при этом реализуют различных подходы к построению систем телефонной сигнализации.

Исторически первый и самый распространенный в настоящее время – это введенный Международным союзом электросвязи (МСЭ) набор рекомендаций Н.323. Сети на базе протоколов Н.323 ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных.

Рекомендация Н.323 предусматривает довольно сложный набор протоколов, который предназначен не просто для передачи речевой информации по IP-сетям с коммутацией пакетов. Его цель – обеспечить работу мультимедийных приложений в сетях с негарантированным качеством обслуживания. Речевой трафик – это только одно из приложений Н.323, наряду с видеоинформацией и данными. На рисунке 6.1 представлена архитектура сети на базе рекомендации Н.323.

Рисунок 6.1 – Архитектура сети Н.323

Основными устройствами сети являются: терминал (Terminal), шлюз (Gateway), привратник (контроллер зоны, Gatekeeper) и устройство управления конференциями (Multipoint Control Unit- MCU).

Терминал Н.323 – оконечное устройство пользователя сети IP-телефонии, которое обеспечивает двухстороннюю речевую (мультимедийную) связь с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления конференциями. Терминал включает в себя:

– элементы аудио (микрофон, акустические системы, система акустического эхоподавления);

– элементы видео (монитор, видеокамера);

– элементы сетевого интерфейса;

– интерфейс пользователя.

Основное назначение шлюза – преобразование речевой информации, поступающей со стороны ТФОП, в вид, пригодный для передачи по сетям с маршрутизацией пакетов IP. Кроме того, шлюз преобразует сигнальные сообщения систем сигнализации DSS1 и ОКС7 в сигнальные сообщения Н.323 и производит обратное преобразование в соответствии с рекомендацией ITU H.246.

Шлюз обеспечивает сжатие информации (голоса), конвертирование её в IP пакеты и направление в IP-сеть. С противоположной стороны шлюз осуществляет обратные действия. Основные функции, выполняемые шлюзом, состоят в следующем:

– реализация физического интерфейса с телефонной и IP сетью;

– детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации;

– преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты и обратно;

– соединение абонентов;

– передача по сети сигнализационных и речевых пакетов;

– разъединение связи.

Большая часть функций шлюза в рамках архитектуры TCP/IP реализуются в процессах прикладного уровня. Схема обработки сигналов в шлюзе при подключении аналогового двухпроводного телефонного канала показана на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 – Схема обработки сигналов в шлюзе

Телефонный сигнал с двухпроводной абонентской линии поступает на дифференциальную схему, которая разделяет приёмную и передающую части канала. Далее сигнал передачи вместе с «просочившейся» частью сигнала приёма подаётся на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и превращается в стандартный 12-разрядный сигнал. В устройстве эхокомпенсации из сигнала передачи удаляются остатки принимаемого сигнала. Эхокомпенсатор представляет собой фильтр.

Для обнаружения и определения сигналов внутриполосной многочастотной телефонной сигнализации (MF сигналов), сигналов частотного (DTMF) или импульсного наборов используются детекторы соответствующих типов. Дальнейшая обработка входного сигнала происходит в речевом кодере. В анализаторе кодера сигнал сегментируется на отдельные фрагменты определённой длительности (в зависимости от метода кодирования) и каждому входному блоку сопоставляется информационный кадр соответствующей длины.

Часть параметров, вычисленная в анализаторе кодера, используется в блоке определения голосовой активности, который решает, является ли текущий анализируемый фрагмент сигнала речью или паузой. При наличии паузы информационный кадр может не передаваться в службу виртуального канала. На сеансовый уровень передаётся лишь каждый пятый «паузный» информационный кадр. При отсутствии речи для кодировки текущих спектральных параметров используется более короткий информационный кадр.

На приёмной стороне из виртуального канала в логический поступает либо информационный кадр, либо флаг наличия паузы. На паузных кадрах вместо речевого синтезатора включается генератор комфортного шума, который восстанавливает спектральный состав паузного сигнала. Параметры сигнала обновляются при получении паузного информационного кадра. Наличие информационного кадра включает речевой декодер, на выходе которого формируется речевой сигнал. Для эхокомпенсатора этот сигнал является сигналом дальнего абонента, фильтрация которого даёт составляющую электрического эха в передаваемом сигнале. В зависимости от типа цифроаналогового преобразования, сигнал может быть подвергнут дополнительной кодировке.

Можно выделить следующие основные проблемы цифровой обработки сигналов в шлюзе.

При использовании двухпроводных абонентских линий актуальной остаётся задача эхокомпенсации, особенность которой состоит в том, что компенсировать необходимо два различных класса сигналов – речи и телефонной сигнализации. Очень важной является задача обнаружения и детектирования телефонной сигнализации. Её сложность состоит в том, что служебные сигналы могут перемешиваться с сигналами речи.

В контроллере зоны (привратнике) сосредоточен весь интеллект сети IP-телефонии. Сеть, построенная в соответствии с рекомендацией Н.323, имеет зонную архитектуру. Контроллер зоны выполняет функции управления одной зоной сети IP-телефонии, в которую входят: терминалы, шлюзы, устройства управления конференциями, зарегистрированные у одного контроллера зоны. Отдельные фрагменты зоны сети Н.323 могут быть территориально разнесены и соединяться друг с другом через маршрутизаторы (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Зона сети Н.323

Наиболее важными функциями контроллера зоны являются:

– регистрация оконечных и других устройств;

– контроль доступа пользователей системы к услугам IP-телефонии при помощи сигнализации RAS;

– преобразование alias – адреса вызываемого пользователя (объявленного имени абонента, телефонного номера, адреса электронной почты и др.) в транспортный адрес сетей с маршрутизацией пакетов IP (IP адрес + номер порта TCP);

– контроль, управление и резервирование пропускной способности сети;

– ретрансляция сигнальных сообщений Н.323 между терминалами.

В одной сети IP-телефонии, отвечающей требованиям ITU H.323, может находиться несколько контроллеров зоны, взаимодействующих друг с другом по протоколу RAS.

Сервер управления конференциями (MCU) обеспечивает связь трех и более H.323-терминалов. Все терминалы, участвующие в конференции, устанавливают соединение с MCU. Сервер управляет ресурсами конференции, согласовывает возможности терминалов по обработке звука и видео, определяет аудио и видеопотоки, которые надо направлять по многим адресам.

Устройство управления конференциями состоит из одного обязательного элемента контроллера конференций (MC), и, может включать в себя один или более процессоров для обработки пользовательской информации (МР). МС может быть физически совмещён с контроллером зоны, шлюзом или устройством управления конференциями, а последнее, может быть совмещено со шлюзом или контроллером зоны.

Существует еще один элемент сети Н.323 – прокси-сервер Н.323, т. е. сервер-посредник. Этот сервер функционирует на прикладном уровне и может проверять пакеты с информацией, которой обмениваются два приложения. Прокси-сервер может определять, с каким приложением (Н.323 или другим) ассоциирован вызов, и осуществлять нужное соединение. Прокси-сервер выполняет следующие ключевые функции:

– подключение через средства коммутируемого доступа или локальные сети терминалов, не поддерживающих протокол резервирования ресурсов (RSVP). Два таких прокси-сервера могут образовать в IP-сети туннельное соединение с заданным качеством обслуживания;

– маршрутизацию трафика Н.323 отдельно от обычного трафика данных;

– обеспечение совместимости с преобразователем сетевых адресов, поскольку допускается размещение оборудования Н.323 в сетях с пространством адресов частных сетей;

– защиту доступа – доступность только для трафика Н.323.

Общие принципы сигнализации в сетях IP-телефонии.

Во всех сетях с коммутацией каналов система сигнализации основана на семействе ОКС№7. В силу специфики конечных узлов сигнализация IP-телефонии должна обладать более широкими возможностями.

В системах IP-телефонии процедуры управления вызовами выполняются протоколами сигнализации, а непосредственная маршрутизация трафика через IP сеть обеспечивается протоколами: OSPF (открытый протокол поиска кратчайшего маршрута) или BGP (протокол пограничных маршрутизаторов). Таким образом, архитектура сети предусматривает разделение плоскостей управления и передачи пользовательской информации, что является наиболее благоприятным условием для внедрения новых услуг (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 – Управление вызовами в сети IP-телефонии

Ещё важный вопрос в IP-телефонии – это контроль за доступом к сети. В сети телекоммуникаций общего пользования (ТфОП) абонент подключается к АТС через фиксированный местный шлейф, поэтому идентифицировать его телефонный аппарат очень просто. В сети IP-телефонии всё гораздо сложнее, поскольку существует множество разных способов доступа к ней: с обычного телефона через ТфОП; по модемному соединению через сервер удалённого доступа; через ЛВС и территориально распределённую сеть и т. д. Для эффективного контроля за доступом, оператор должен аутентифицировать каждого абонента, запрашивающего услугу.

В общем случае для установления соединения между вызываемым и вызывающим абонентом шлюзы IP-телефонии должны:

– найти контроллер зоны, на котором возможна регистрация оконечного устройства;

– зарегистрировать свой мнемонический адрес на контроллере зоны;

– указать требуемую полосу пропускания;

– передать запрос на установление соединения;

– установить соединение;

– в процессе вызова управлять параметрами соединения;

– разъединить соединение.

Сигнализация по стандарту Н.323.

Семейство протоколов Н.323 включает в себя три основных протокола: протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником – RAS, протокол управления соединениями (управление передачей сигналов вызова) – Н.225 и протокол управления логическими каналами – Н.245.

Протокол RAS (регистрация, доступ и состояние). Международный союз электросвязи в рекомендации Н.225.0 определил протокол взаимодействия компонентов сети Н.323: оконечного оборудования (терминалов, шлюзов, устройств управления конференциями) с привратником. Этот протокол получил название RAS (Registration, Admission and Status).

Основными процедурами, выполняемыми оконечным оборудованием и привратником с помощью протокола RAS, являются:

– обнаружение привратника (Gatekeeper);

– регистрация оконечного оборудования у привратника;

– контроль доступа оконечного оборудования к сетевым ресурсам;

– определение местоположения оконечного оборудования в сети;

– изменение полосы пропускания в процессе обслуживания вызова;

– опрос и индикация текущего состояния оконечного оборудования;

– оповещение привратника об освобождении полосы пропускания, ранее занимавшейся оборудованием.

Выполнение первых трех процедур, предусмотренных протоколом RAS, является начальной фазой установления соединения с использованием сигнализации Н.323. Далее следуют фаза сигнализации Н.225.0 (Q.931) и обмен управляющими сообщениями Н.245. Разъединение происходит в обратной последовательности: в первую очередь закрывается управляющий канал Н.245 и сигнальный канал Н.225.0, после чего по каналу RAS привратник оповещается об освобождении ранее занимавшейся оконечным оборудованием полосы пропускания.

Передача сообщений RAS осуществляется в дейтаграммах UDP (протокол негарантированной доставки информации). В связи с этим ITU-T рекомендовал передавать повторно те сообщения RAS, получение которых не было подтверждено в течение установленного промежутка времени. Оконечное оборудование или привратник, не имеющие возможности в текущий момент времени ответить на полученный запрос, могут передавать сообщение RIP (Request in Progress) для индикации того, что запрос находится в стадии обработки. При приеме сообщения RIP привратник и оконечное оборудование должны перезапустить свои таймеры.

Важно отметить, что в сети без привратника сигнальный канал RAS вообще не используется.

Для адресации RAS используется адресная информация, в которую входят: сетевой адрес оборудования; идентификатор TSAP; мнемонический адрес. Сетевой адрес является адресом в формате, используемом в сети с КП, например, адрес в форматах IPv4, IPv6. Идентификатор TSAP используется для идентификации информационных потоков, отправленных с одного сетевого адреса. Для привратника (контроллера) выделены постоянные значения TSAP: 1718 (поиск привратника), 1719 (для передачи сообщений сигнализации RAS).

Мнемонический адрес служит для адресации конечного оборудования в удобной пользователю форме. Адресом может быть телефонный номер в формате Е.164, телефонный номер в корпоративной сети, адрес электронной почты и т. д. Сам привратник не имеет мнемонического адреса.

Протокол управления соединениями – Н.225. Процедуры управления соединениями в сетях Н.323 специфицированы Международным союзом электросвязи в рекомендации Н.225.0. Данные процедуры предусматривают использование в базовом процессе обслуживания вызова ряда сигнальных сообщений Q.931, причем должен быть реализован симметричный обмен сигнальными сообщениями в соответствии с приложением D к рекомендации Q.931. Это требование не распространяется на взаимодействие шлюза с сетью коммутации каналов.

Защищенный канал управления вызовом создается в сети IP на порте TCP 1720. Этот порт инициализирует сообщения управления вызовом Q.931 между двумя конечными точками для установки, поддержки и завершения вызова.

Протокол Н.225 позволяет также использовать сообщения Q.932 для дополнительных служб.

В сетях Н.323 чаще всего используются следующие сигнальные сообщения Q.931 и Q.932:

– Setup (установка). Прямое сообщение, передаваемое вызвающим объектом Н.323 при попытке установить соединение с вызываемым объектом Н.323. Это сообщение передается на общеизвестный TCP порт 1720 вызываемого оборудования;

– Call Proceeding (продолжение вызова). Передается вызывающему оборудованию, чтобы известить его о том, что вызов принят к обслуживанию;

– Alerting (оповещение). Передается вызывающему оборудованию и информирует его о том, что вызываемое оборудование не занято, и что пользователю подается сигнал о входящем вызове;

– Connect (соединение). Обратное сообщение, передаваемое вызываемым объектом вызывающему объекту как уведомление о том, что вызываемая сторона ответила на вызов. Сообщение Connect может содержать адрес транспорта UDP/IP для передачи управляющих сигналов Н.245;

– Release Complete (завершение освобождения). Передается вызывающим или вызываемым оборудованием с целью завершить соединение. Это сообщение передается только в том случае, когда открыт сигнальный канал;

– Facility (средство). Сообщение Q.932 Facility используется для обращения к дополнительным услугам в соответствии с Рекомендациями ITU H.450.X. Оно используется также для указания того, должен ли вызов быть прямым или через контроллер зоны.

Транспортировку сигнальных сообщений обеспечивает протокол с установлением соединения и с гарантированной доставкой информации TCP. В соответствии с первой и второй версиями рекомендации Н.323 для каждого нового вызова открывается отдельный сигнальный канал. Начиная с третьей версии рекомендации Н.323, один сигнальный канал Н.225.0 может переносить сообщения, относящиеся к разным вызовам и имеющие разные метки соединения (call reference). Наличие такой возможности позволяет значительно уменьшить время установления соединения с участием шлюзов и объем передаваемой служебной информации. На рисунке 5.5 представлены сигнальные сообщения при установке вызова. Взаимодействие с контроллером зоны (привратником) ограничено сообщениями RAS для вызова и, возможно, состояния.

Рисунок 6.5 – Сигнальные сообщения установки вызова

Маршрутизацию канала передачи служебных сигналов вызова в сети Н.323 можно осуществлять двумя способами:

– прямая передача сигналов вызова конечной точки – DECS;

– GKRCS.

При прямой передаче сигналов вызова конечной точки сигнальные сообщения передаются непосредственно между двумя конечными точками. Это удобнее для работы оконечного оборудования, если используется централизованная закрытая система номеров.

При использовании GKRCS сигнальные сообщения вызова передаются между конечными точками через контроллер зоны (привратник). Здесь конечные точки предоставляют информацию об отправителе (например, идентификатор клиента) процессору маршрутизации (RE) контроллера зоны, чтобы ассоциировать вызовы с различными предприятиями. Однако конечные точки должны удалять любые клиентские идентификаторы, полученные от процессора RE, чтобы обеспечить вызов службы, соответствующей указанному идентификатору.

Протокол управления логическими каналами – Н.245 (управление ресурсами и транспорт).

Протокол Н.245 транспортирует сквозные управляющие сообщения между объектами Н.323. Процедуры Н.245 устанавливают логические каналы для передачи звука, видео, данных и управляющей информации канала. Для каждого вызова конечная точка создает один канал Н.245 к противоположной конечной точке. По завершении обмена сигнальными сообщениями вызова создается защищенный канал управления в сети IP, использующий динамически присвоенный порт TCP.

По этим каналом управления осуществляется обмен информацией о возможностях, открытие и закрытие логических каналов, обмен информацией о предпочтительных режимах, а также обмен управляющими сообщениями.

Если используется контроллер зоны, то можно управлять маршрутизацией канала двумя способами:

– прямое управление Н.245, осуществляемое непосредственно между двумя конечными точками;

– управление маршрутизацией Н.245 с использованием контроллера зоны, осуществляемое конечными точками через их контроллер зоны.

Для осуществления операций по управлению Н.245 используются следующие процедуры и сообщения:

– обмен информацией о возможностях. Представляет собой защищенный обмен сообщениями о возможностях между двумя конечными точками, называемыми также терминалами. Эти сообщения указывают, что терминал способен передавать и получать звук, видео и данные от другого терминала;

– отношения главный – подчиненный. Процедуры, используемые для выяснения того, которая из конечных точек является главной, а которая – подчиненной для определенного вызова. Эти отношения поддерживаются на протяжении всего вызова и позволяют решать конфликты между конечными точками;

– полное время прохождения пакета. Сообщение позволяет измерить задержку, а также проверить допустимость удаленного объекта протокола Н.245;

– передача сигналов логического канала. Открывает и закрывает логический канал. Канал устанавливается перед фактической передачей и гарантирует, что терминалы готовы и способны к получению и декодированию информации.

Существуют две процедуры, позволяющие устанавливать каналы передающей среды между конечными точками:

– протокол Н.245;

–алгоритм быстрого соединения. Этот метод позволяет ускорить установку вызова и существенно упростить обмен управляющими сообщениями Н.245.

Сообщения Н.245 внутри канала передачи служебных сигналов вызова Н.225 можно инкапсулировать или создавать туннель, а не использовать отдельный канал управления Н.245. Этот метод ускоряет установку вызова, снижает потребление ресурсов и обеспечивает синхронизацию передачи сигналов вызова и управления.

Инициализировать процедуры завершения вызова может любая конечная точка.

Протокол RTP обеспечивает транспорт передающей среды для протокола Н.323. Протокол RTCP контролирует доставку данных и идентифицирует службы. Канал передающей среды создается с помощью протокола UDP, где поток RTP работает на порте указанного номера, а соответствующий поток RTCP – на порте с более высоким номером.