IP-телефония и видеосвязь

Именно на методах пакетной передачи и коммутации построено функционирование современных вычислительных сетей. Заложенная в них идея проста: информация любого вида (данные, изображение, речь, звук, служебные и управляющие посылки) представляются в виде цифровой последовательности, которая в дальнейшем делится на "кванты" пакеты, снабжённые всей необходимой информацией для идентификации, маршрутизации, коррекции ошибок и прочее. Подобный подход позволяет в едином информационном русле передавать все виды информации, используя для этого различные пути и средства, применяя универсальные системы коммутации.

Работа устройств в сети Интернет осуществляется с использованием специального протокола IP (Internet Protocol протокол межсетевого взаимодействия). В настоящее время IP протокол используется не только в сети Интернет, но и в других сетях передачи данных с пакетной коммутацией (локальных, корпоративных, региональных). И во всех этих сетях, имеется возможность передавать речевые сообщения с использованием пакетов данных. Такой способ передачи речи получил название IP телефония.

В широком смысле основная задача IP телефонии заключается в обеспечении естественного речевого общения двух или нескольких лиц, являющихся абонентами различных коммуникационных сетей, посредством сети связи с коммутацией пакетов.

IP - телефония позволяет существенно сэкономить требуемую полосу пропускания каналов, что неизбежно ведёт к снижению тарифов, особенно на междугородние и международные телефонные разговоры.

Исходные данные

Таблица 1 -Доля абонентов по группам

Таблица 2 - Характеристики нагрузки, создаваемой клиентами различной группы

Таблица 3 - Выбор кодеков

Таблица 4

Выполнения задания

Задача 1

Провести расчёт производительности узла доступа с учётом структуры нагрузки поступающей от абонентов, пользующихся различными видами услуг.

Расчет:

Расчет производительности узла доступа проводят с учетом всех абонентов, пользующихся услугами. Три группы клиентов:

- пользователи телефонии, π₁

- пользователи телефонии и передачи данных, π₂;

- пользователи телефонии, передачи данных и видео, π₃

Каждая группа абонентов совершает в среднем f_iвызовов в час средней длительностью t_i минут. Для второй и третьей группы, необходимо задать объем переданных данных в час наибольшей нагрузки, величина обозначается Vj, Мбайт/с. Третья группа будет характеризоваться еще временем просмотра видео в час наибольшей нагрузки Тв минут, мультисервисный узел доступа обслуживает N абонентов.

Факторы влияющие на качество речи и выбор кодека

Первостепенными факторами, определяющими качество голоса являются выбор аудиокодека, время задержки, джиттер и потери пакетов.

Аудиокодеки - важнейший элемент терминалов Н.323. Они позволяют уменьшить необходимую ширину голосового канала при сохранении требуемого качества речи. Различных схем сжатия достаточно много, но большинство устройств Н.323 используют кодеки, стандартизированные ITU. пользовательские приложения (например, NetMeeting) могут поддерживать необходимые кодеки, выбирая тот или иной посредством протокола Н.245.

Скорость оцифровки - определенная битовая скорость, до которой кодек сжимает голосовой канал 64 Кбит/с. Для большинство кодеков она составляют 6,4 и даже 5,3 Кбит/с. Однако следует иметь в виду, что это только скорость сжатия речи. При передаче пакетированного голоса по сети расчет потерь протоколов (например, RTP/UDP/IP/Ethernet) скорость, вплоть до скорости передачи данных.

Задержка имеет фиксированную и переменную составляющие. Фиксированная задержка определяется расстоянием, тогда как переменная зависит от меняющихся сетевых условий. Общая задержка складывается из различных компонентов. Рассмотрим наиболее значимые из них:

- Сетевая задержка вносится узловыми элементами сети VoIP. Для ее минимизации необходимо сократить число узлов сети на пути пакетов между абонентами. Некоторые провайдеры способны обеспечить задержки на своих сетях, не превышающие определенный уровень. Кроме того, для уменьшения сетевой задержки речевому трафику задают высший приоритет по отношению к нечувствительному к задержкам потоку данных.

- Задержка кодека вносится каждым алгоритмом сжатия. Например, G.723 добавляет фиксированную задержку в 30 мс. У других кодеков встроенная задержка может быть меньше, но при этом возможно снижение качества речи или увеличение требуемой полосы пропускания.

- Буфер компенсации джиттера также вносит свою задержку. Джиттером называют отклонения от средней задержки следования пакетов. Задержка может быть различной для каждого пакета, в результате чего, отправленные через равный интервал, они прибывают неравномерно, а то и не в исходной последовательности. Так как алгоритм декомпрессии требует фиксированного интервала между поступлением пакетов, в шлюзе необходим буфер компенсации джиттера. Он задерживает поступающие пакеты, чтобы передавать их устройству декомпрессии с заданным интервалом. Кроме того, он также фиксирует любые ошибки, контролируя номер последовательности в полях сообщений протокола RTP. Однако буфер компенсации зачастую вносит весьма значимую задержку. Его размер задают таким, чтобы буферизовать целое количество пакетов с учетом ожидаемого значения джиттера. Как правило, для каждого направления задержка буфера-составляет 80 мс.

Выбор размера пакета также влияет на качество речи. Пакеты большого размера значительно уменьшают необходимую ширину полосы пропускания, но добавляют задержку пакетирования, так как передатчик тратит больше времени, чтобы заполнить пакет. "Накладные расходы" при пакетной передаче VoIP достаточно высоки. Рассмотрим сценарий, где голос сжимается до 8 Кбит/с, а пакеты посылаются каждые 20 мс. Таким образом, размер речевой информации в каждом пакете - 20 байт. Однако чтобы передать эти пакеты по RTP, к ним нужно добавить: заголовок Ethernet - 14 байт, заголовок IP - 20 байт, заголовок UDP - 8 байт и дополнительные 12 байт для RTP. В общей сложности 54 лишних байта, чтобы передать 20 байт голоса.

Основными механизмами обеспечения QoS (Quality of Service) являются: пакетная передача данных. NGN как сеть с коммутацией пакетов отвечает модели системы с ожиданием (ТфОП соответствует модели системы с потерей вызовов). Заявка, поступившая в момент занятости всех каналов, не покинет систему, а будет поставлена в очередь. Пакетизированный голос расходует полосу пропускания гораздо экономнее - при молчании абонентов информация не передается. Наличие «временного запаса». Временной запас (Тз) - это разница между критическим временем доставки информации к абоненту и реальным временем прохождения пакетов через сеть.

Временной запас Тз, который в традиционных сетях связи пренебрегается, в NGN оперативно предоставляется другим приложениям, что в целом благотворно сказывается на параметрах QoS /13/.

Расчёт числа пакетов от первой группы (телефония)

Рассчитаем число пакетов создаваемых пользователями телефонии, использующие выбранные ранее кодеки. Параметры кодеков представлены в таблице 1.1.1.

Таблица 1.1.1- Параметры кодеков

Рассчитаем параметры сети для двух кодеков соответственно варианту. При этом в секунду передаётся

, (кадров в секунду) (1.1.1)

Для G.711u кадр/с (т.е. без сжатия)

G.723m  кадр/с (т.е. со сжатием)

Размер пакетизированных данных

h_j = V_j·T_PDU (1.1.2)

где V_j, - скорость кодирования, байт/с;

Т _PDU -длительность одной речевой выборки (длительность пакета).

Рассчитать V_j - скорость кодирования, байт/с; h_j - размер пакетизированных данных для двух выбранных согласно варианту кодеков (индекс j соответствует 1-первый кодек без сжатия, 2- второй кодек со сжатием).

При использовании кодека скорость кодирования

V_j = R_GJ/8 , (байт/с) (1.1.3)

Для G.711u

байт/с (т.е. без сжатия)

G.723m байт/с (т.е. со сжатием)

Следовательно,

h₁ = 8000 ·20·10^-3=160 байт (т.е. без сжатия)

h₂ = 787,5 ·30·10^-3=23,625 байт (т.е. со сжатием)

Для определения размера пакета необходимо учесть заголовки:

- IP - 20 байт;

- UDP - 8 байт;

- RTP - 12 байт.

Суммарный размер пакета для кодека без сжатия

h_ΣG = h_j+ Ip + UDP+ RTP, байт (1.1.4)

h_ΣG1 = 160 + 20 + 8+ 12=200 байт (т.е. без сжатия)

h_ΣG2 = 23,625 + 20 + 8+ 12=63,625 байт (т.е. со сжатия)

Для определения числа пакетов, генерируемых первой группой абонентов, необходимо учесть их долю в общей структуре пользователей, количество вызовов в час наибольшей нагрузки, среднюю длительность разговора.

N_1j = n_lj∙t_j∙f₁∙π₁∙N (1.1.5)

где N_1j, - число пакетов, генерируемое первой группой пользователей в час наибольшей нагрузки;

n_1j- число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t₁ - средняя длительность разговора в секундах для первой группы абонентов;

f₁ - число вызовов в час наибольшей нагрузки для первой группы абонентов;

π₁ - доля пользователей группы 1 в общей структуре абонентов;

N - общее число пользователей.

N₁₁ = 50∙180∙5∙0,6∙2500=67,5·10⁶ (т.е. без сжатия)

N₁₂ = 33,3∙180∙5∙0,6∙2500=44,955·10⁶ (т.е. со сжатием)

Расчёт числа пакетов от второй группы (телефония и интернет) Рассуждения, приведённые для первой группы абонентов, в полной мере можно применить и ко второй группе для расчёта числа пакетов, возникающих в результате пользования голосовыми сервисами. Разница будет лишь в индексах.

N_{2_Tj} = n_2j∙t₂∙f₂∙π₂∙N(1.1.6)

где N_{2_Tj} - число пакетов, генерируемое второй группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;

n_2j - число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t₂ - средняя длительность разговора в секундах для второй группы абонентов;

f₂ - число вызовов в час наибольшей нагрузки для второй группы абонентов;

π₂ - доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;

N - общее число пользователей.

N_{2_T1} = 50∙180∙5∙0,35∙2500=39,375·10⁶ (т.е. без сжатия)

N_{2_T2} = 33,3∙180∙5∙0,35∙2500=26,22·10⁶ (т.е. со сжатием)

Для расчета числа пакетов, генерируемых второй группой пользователей при использовании сервисов передачи данных, необходимо задаться размером пакетов. При построении сети NGN, как правило, на одном или нескольких участках сети на уровне звена данных используется та или иная разновидность технологии Ethernet, поэтому использовать пакеты, превышающие максимальную длину поля данных Ethernet, не имеет смысла. Использование пакетов большого размера затрудняет обеспечение качества обслуживания и на магистральной сети, и в сети доступа.

Для расчёта числа пакетов в час наибольшей нагрузки необходимо задаться объёмом переданных данных. Предположим, что абоненты второй группы относятся к интернет-серверам, т.е. в основном просматривают вебстраницы. Средний объём данных, переданных за час при таком способе подключения, составит около V₂.

Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно:

N_{2_j} = π₂ N V_2j/h_2j (1.1.7)

где N_{2_j} - количество пакетов, генерируемых в час наибольшей нагрузки абонентами второй группы при использовании сервисов передачи данных;

π₂ - доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;

h_2j- размер поля данных пакета;

N - общее число пользователей.

N_{2_1} = 0,35∙2500∙15∙1024∙1024/160=86∙10⁶ (т.е. без сжатия)

N_{2_2} = 0,35∙2500∙15∙1024∙1024/23,625=582,542222∙10⁶ (т.е. со сжатием)

Суммарное число пакетов, генерируемых второй группой пользователей в ceть в час наибольшей нагрузке, будет равно

N_2J=N₂__Tj + N₂__j(1.1.8)

N₂₁=39,375·10⁶+ 86·10⁶ =125,375·10⁶ (т.е. без сжатия)

N₂₂=26,22·10⁶ + 582, 542222∙10⁶=608,762222·10⁶ (т.е. со сжатием)

Расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play) Все рассуждения, проведённые относительно первых двух групп, остаются в силе и для третьей группы, применительно к сервисам передачи голоса, а именно:

N₃__Tj =n_3j t_{3_T} f₃ π₃∙N (1.1.9)

где N₃__T - число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;

n_1j - число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом;

t₃ - средняя длительность разговора в секундах;

f₃ - число вызовов в час наибольшей нагрузки;

π₃ - доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;

N - общее число пользователей.

N₃__T1 =50∙180∙5∙0,05∙2500=5,525∙10⁶ (т.е. без сжатия)

N₃__T2 =33,3∙180∙5∙0,05∙2500=3,746250∙10⁶ (т.е. со сжатием)

Предположим, что абоненты третьей группы относятся к «активным» пользователям интернета, т.е., используют не только http, но и ftp, а также прибегают к услугам пиринговых сетей. Объём переданных и принятых данных при таком использовании интернета составляет до V3. Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно

N₃__j = π₃∙N∙V₃/h_j (1.1.10)

N₃__j = 0,05∙2500∙75∙1024∙1024/160=61,44∙10⁶ (т.е. без сжатия)

N₃__j = 0,05∙2500∙75∙1024∙1024/23,625=416,101587∙10⁶ (т.е. со сжатием)

Одной из наиболее перспективных и динамически развивающихся услуг является IPTV - передача каналов телевещания с помощью протокола IP. При организации данного сервиса для каждого пользователя в транзитной сети доступа не требуется выделения индивидуальной полосы пропускания. До мультисервисного узла доходит определённое количество каналов, которые распределяются между заказчиками услуги, причём существует возможность организации широковещательной рассылки.

Например, при скорости передачи v и размере полезной нагрузки пакета h, число пакетов, возникающих при трансляции одного канала, равно:

n_3j = v/h_j(1.1.11)

n₃₁ = 2048000 /160∙8=1600 (т.е. без сжатия)

n₃₂ =2048000 /23,625∙8= 10836 (т.е. со сжатием)

Количество пакетов, передаваемых по каналами в ЧНН, составит

N_{3i_Bj}= π₃∙N∙n_3i∙t_{3B_} (1.1.12)

где N_3i__b - число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании видео-сервисов сервисов;

n_3i- число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании просмотре видео, сжатого по стандарту MPEG2;

t_3B- среднее время просмотра каналов в ЧНН, сек;

π₃- доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;

N - общее число пользователей.

N_{31_B1}=0,05∙2500∙1600∙3300=660∙10⁶ (т.е. без сжатия)

N_{32_B2}=0,05∙2500∙10836∙3300=4469,85∙10⁶ (т.е. со сжатием)

Суммарное число пакетов, генерируемых третьей группой пользователей и сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно

N_3j = N_{3 J_T}+N_3j+N_{3j_b} (1.1.13)

N₃₁=5,525∙10⁶+61,44∙10⁶ +660∙10⁶ =726,965∙10⁶ (т.е. без сжатия)

N₃₂=3,74625∙10⁶+416,101587∙10⁶ +4469,85∙10⁶⁼ 4889,698∙10⁶ (т.е. со сжатием)

Требования к производительности мультисервисного узла доступа Мультисервисный узел доступа должен обслуживать трафик от всех трёх групп пользователей. Кроме того, именно узел доступа должен обеспечить поддержку качества обслуживания путем приоритезации трафика, которая должна осуществляться независимо от используемой технологии транспортной сети доступа.

Суммарное число пакетов, которое должен обработать мультисервисный узел доступа, будет равно:

N_ΣG1= N_1j+ N_2j+ N_3j= n_1j t∙f π₁∙N+(n_1j t₂ f₂ π₂∙N+ π₂∙N V₂/h_j)+

+( n_3j t₃ f₃ π₃∙N+ π₃∙N V₃/h_j+ π₃∙N n_3j t_{3_B}) (1.1.14)

N_ΣG1= N₁₁+ N₂₁+ N₃₁= 67,5·10⁶+125,375·10⁶ +726,965·10⁶ =919,84·10⁶ (т.е. без сжатия)

N_ΣG2= N₁₂+ N₂₂+ N₃₂= 44,955·10⁶+608,762222·10⁶+4889,698∙10⁶ =5543,415222·10⁶ (т.е. со сжатием)

Учитывая, что:

t₁=t₂ = t₃ = t - средняя длительность разговора в секундах;

f₃⁼ f₂⁼ f₁= f - число вызовов в ЧНН;

получим

N_ΣG1= N∙(n_1j∙t∙ f (π₁+ π₂+ π₃)∙N V₂/h_j)+N/h_j (π₂∙V₂ +π₃∙V₃+ π₃∙N∙ n_3j∙ t_{3_B})(1.1.15)

N_ΣG1=2500∙(50∙180∙5∙1∙2500∙15∙1024∙1024/160)+2500/160∙(15∙1024∙1024∙0,35+75∙1024∙1024∙0,05+0,05∙2500∙1600∙3300)=2,765∙10¹⁶ (т.е. без сжатия)

N_ΣG2=2500∙(33,3∙180∙5∙1∙2500∙15∙1024∙1024/23,625)+2500/23,625(15∙1024∙1024∙0,35+75∙1024∙1024∙0,05+0,05∙2500∙10836∙3300)=12,47∙10¹⁶ (т.е. со сжатием)

Учитывая, что π₁+ π₂+ π₃=1, получим

N_Σj=N∙(n_1j∙t∙ f + (π₂∙V₂ +π₃∙V₃)/h_j) + π₃N∙ n_3j ∙t₃__B(1.1.16)

N_Σ1=2500∙(50∙180∙5+(0,35∙15∙1024∙1024+0,75∙75∙1024∙1024)/160)+0,05∙2500∙1600∙3300=1,78∙10⁹ пакетов в час (т.е. без сжатия)

N_Σ2=2500∙(33,3∙180∙5+(0,35∙15∙1024∙1024+0,75∙75∙1024∙1024)/23,625)+0,05∙2500∙10836∙3300=11,37∙10⁹ пакетов в час (т.е. со сжатием)

Среднее число пакетов в секунду рассчитывается для двух выбранных кодеков и равно

N_{Σ_секj}= N_Σj/3600, (1.1.17)

N_{Σ_сек1}= N_Σ1/3600=4,94∙10⁵ пакетов в секунду

N_{Σ_сек2}= N_Σ2/3600=31,583∙10⁵ пакетов в секунду

Данные показатели позволяют оценить требования к производительности и маршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN.

Анализируется как и какие группы сети больше всего загружают систему для рассчитываемых длин пакетов. Для этого формируется таблица 1.1.2 и строится диаграмма рисунок 1.1.2.

Таблица 1.1.2 - Количество передаваемых пакетов в сек для трех групп пользователей

Рисунок 1.1.2 - Пример доли передаваемых пакетов тремя группами

Пример вывода о загрузке системы пользователями трех групп.

Из графика видно, что наибольший передаваемый трафик идет на первую группу при кодеке G.711u и G.723 m, которая составляет всего лишь 5% от общего числа пользователей. Пользователи обычной телефонии, при ее преобладающем количестве, загружают систему больше всех.

Задача 2

Требования к полосе пропускания определяются гарантиями качества обслуживания, предоставляемыми оператором пользователю. Параметры QoS описаны в рекомендации ITU Y. 1541.

Число генерирующих пакетов, возникающих в ЧНН, будет равно

 (1.2.1)

где N_tel - число пакетов телефонии, генерируемое всеми пользователями в час наибольшей нагрузки;

Nint - число пакетов интернета, генерируемое второй группой пользователей в час наибольшей нагрузки

π_2H - доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов

n_j - число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании кодека;

t- средняя длительность разговора в секундах;

f - число вызовов в час наибольшей нагрузки;

N - общее число пользователей.

 для G.711 u

 для G.723 m

Число пакетов в секунду:

 (1.2.2)

 для G.711 u

 для G.723 m

Среднее время обслуживания одного пакета при норме задержки: (1.2.3)

Коэффициент использования:

ρ_j=λ _j∙τ_j(1.2.4)

ρ₁=336∙10³∙2,97∙10^-6=0,99792

ρ₂=370∙10³∙2,7∙10^-6=0,999

При использовании системы на 50%:

Интенсивность обслуживания связана со средним временем задержки пакета в сети доступа обратно пропорционально:

 (1.2.5)

Требуемая пропускная способность:

φ_j = β_j∙h_j (1.2.6)

φ₁ = бит/с

φ₂ = бит/с

Зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

телефония тунеллирование абонент кодек

 (1.2.7)

Построим данные зависимости при помощи прикладной программы MathCad.

Рисунок 1.2.1- Зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа для кодека G.711u

Рисунок 1.2.2- Зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа для кодека G.723m

Сравним полученные результаты.