ПАКЕТНАЯ ТЕЛЕФОНИЯ: "ЗА" И "ПРОТИВ"
Кандидат физико-математических наук Д. МУРАВИН, сотрудник компании "Эрикссон".
Сегодня много говорят о развитии новых технологий передачи голоса. Можно услышать такие термины, как компьютерная телефония, пакетная телефония, IP-телефония, VoIP (от англ. Voice-over-IP - "голос поверх IP") и другие. Хотя названия эти имеют несколько различный смысл, тем не менее речь, как правило, идет примерно об одном и том же - о передаче голоса в режиме реального времени по сетям пакетной коммутации на основе протокола IP (Internet Protocol).
Исследования в области IP-телефонии велись более десятка лет назад, однако лишь в последнее время этот вид связи стал превращаться из экзотики в обычную услугу. Сейчас существует довольно много коммерческих фирм-операторов IP-телефонной связи, предлагающих свои услуги по самым разнообразным тарифам. Чтобы "позвонить по IP", не обязательно иметь компьютер и выход в Интернет - достаточно обычного городского телефона с тональным набором (или даже без него). Как правило, процедура дозвона выглядит следующим образом: вы звоните на специальный номер оператора связи, переключаетесь в тональный режим, набираете код города и телефонный номер вызываемого абонента - и получаете соединение. Дальше все происходит, как при обычном телефонном разговоре. Таким образом, воспользоваться IP-телефонией не намного сложнее, чем просто позвонить "по межгороду". Для абонента различие между традиционной и IP-телефонией - лишь в цене и качестве (об этом ниже). На самом же деле это две принципиально разные технологии передачи голосового сигнала.
КАНАЛЬНАЯ И ПАКЕТНАЯ КОММУТАЦИЯ
Для передачи голоса в обычной телефонии применяется метод коммутации каналов. Это означает, что между двумя абонентами организуется коммуникационный канал путем жесткого соединения идущих к ним линий связи на коммутаторах телефонных станций. Канал сохраняется на все время разговора и не может быть использован никем другим, даже если абоненты молчат.
В IP-телефонии применяется метод коммутации пакетов. В этом случае голосовое сообщение оцифровывается и разбивается согласно протоколу IP на небольшие фрагменты - пакеты. Причем каждый из них снабжается заголовком, указывающим, куда и от кого он идет, какой частью какого сообщения является. Затем все пакеты по очереди отсылаются адресату. Они движутся по сети отдельно друг от друга, иногда даже разными путями в зависимости от загруженности тех или иных линий связи. Маршрут следования каждого пакета определяют специальные компьютеры - IP-маршрутизаторы. На стороне приемника пакеты собирают, сортируют в правильном порядке и реконструируют из них исходное сообщение. Если какой-либо пакет был потерян - отправляется запрос на повторную посылку. (Полная процедура, включающая разбиение сообщения на пакеты, их отсылку по сети и последующую реконструкцию исходного сообщения, управляется протоколом TCP/IP - Transmission Control Protocol/Internet Protocol. Далее для простоты мы будем называть его просто IP-протоколом.) Таким образом в случае пакетной коммутации нет необходимости резервировать линию связи для каждого отдельного разговора, голосовые данные многих абонентов смешиваются в едином потоке.
На практике пакетная телефония обычно реализуется следующим образом. Если вы звоните с обычного телефона на обычный телефон, то сначала ваш голос идет по сетям канальной коммутации - до телефонного шлюза оператора. Шлюз - это компьютер, подключенный к телефонной сети и к сети передачи данных (например, к Интернету, локальной или корпоративной компьютерной сети и др.). Здесь голосовые данные преобразуются в формат IP и отсылаются на другой компьютер в сети. На принимающем шлюзе сообщение вновь переводится в исходный вид и отправляется вашему адресату по телефонной линии.
Существуют и другие схемы IP-телефонии. Так, можно позвонить непосредственно с компьютера на телефон, с телефона на компьютер или даже с компьютера на компьютер. В этих случаях необходимо, чтобы компьютер, с которого (или на который) вы звоните, имел быстрый доступ в Интернет, был оснащен звуковой картой, наушниками, микрофоном, а также специальной "телефонной" программой. Звонок с компьютера - самый экономичный вид международной связи: как бы далеко вы ни звонили, оплачивается только время, проведенное в Интернете.
Сам по себе метод пакетной коммутации не нов. Он был разработан еще в конце 60-х годов ХХ века Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) при американском правительстве. Именно пакетная коммутация легла в основу сети ARPAnet, прототипа будущей глобальной сети Интернет. С тех пор этот метод доказал свою надежность и эффективность при пересылке обычных данных в компьютерных сетях. Но так ли он хорош в случае передачи голоса в режиме реального времени?
МИФЫ И РЕАЛИИ IP-ТЕЛЕФОНИИ
Сегодня возможности и перспективы IP-телефонии вызывают немало споров: спектр мнений простирается от неумеренного оптимизма до подозрений в жульничестве. Во многом это связано с тем огромным вниманием, которое привлекала к себе IP-технология в последние годы. Многочисленные громкие заявления разработчиков и производителей, аналитиков и экспертов, финансистов и журналистов, пропагандистов и проходимцев неизбежно привели к искажению понимания реального положения дел.
Обычно в числе преимуществ IP-телефонии по сравнению с традиционной называют низкую стоимость международных и междугородних звонков и более эффективное использование линий связи. К недостаткам же причисляют низкое качество передачи сигнала. Разберемся во всем по порядку.
ДЕШЕВИЗНА
Начнем со стоимости звонка. Услуги IP-телефонии сегодня действительно дешевле обычной междугородной и международной телефонной связи. Так, звонок "по IP" за границу в зависимости от выбранного направления и оператора связи стоит в два-три раза меньше, чем обычный международный звонок. Откуда берется выигрыш в цене?
По сравнению с традиционной телефонией оборудование для IP-телефонии проще, его установка дешевле, заметно ниже эксплуатационные расходы. Но сегодня это обусловлено не какими-то принципиально новыми технологическими достижениями, а относительно небольшими масштабами IP-телефонных сетей. Если голосовые IP-сети будут развиваться и дальше, их стоимость сравняется с обычными. По мнению многих специалистов, основная причина низких цен на IP-телефонию - межоператорские соглашения. Просто операторы договорились о соблюдении относительно низких цен на обработку IP-телефонного трафика (от англ. traffic - поток данных, информационная нагрузка сети). Такова стратегия выигрыша в конкурентной борьбе с традиционной телефонией. Итак, мы видим, что дешевизна нового вида связи обусловлена главным образом нынешней ситуацией на рынке. Понятно, что она может в любой момент измениться: при росте бизнеса вырастут издержки, договоренности между операторами могут быть пересмотрены, могут упасть цены на традиционную телефонию и т. д.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ
Один из наиболее распространенных мифов об IP-телефонии заключается в том, что пакетная коммутация дает грандиозный выигрыш в использовании емкости канала связи. В частности, утверждается, что передача голоса требует не 64 Кбит/с, как при канальной коммутации в цифровых сетях, а значительно более узкую полосу вплоть до 6-8 Кбит/с. Часто этим эффектом пытаются даже объяснять относительную дешевизну IP-телефонии.
На первый взгляд пакетная коммутация действительно выглядит более оптимально. Ведь при коммутации каналов линия оказывается полностью занята одним соединением независимо от того, передаются по ней данные или нет. Если же поделить ресурсы канала между несколькими нерегулярными во времени процессами (что и происходит в случае коммутации пакетов), можно добиться более полного использования мощностей сети и в итоге получить экономическую выгоду. На самом деле это не совсем так. Влияющих факторов очень много, поэтому итог выглядит по-другому. Заблуждение тем печальнее, что количество бит в секунду, необходимое для передачи голосового сигнала, вообще не зависит от того, каким образом он транслируется - через IP или через телефонную сеть. Все определяется способом оцифровки сигнала и степенью его компрессии (сжатия). При этом чем больше сжатие, тем ниже качество сигнала. В традиционной телефонии голос тоже компрессируют: сегодня вполне обычно сжатие сигнала на магистральном участке до 32 и 16 Кбит/с - то есть в два и четыре раза соответственно (правда, этим стараются не злоупотреблять - особенно в коммерческих сетях). Экспериментально показано, что при условии обеспечения равного качества голос в IP-сети требует полосу почти в полтора раза большую, чем в коммутационных сетях(с учетом заголовков IP-пакетов и избыточности помехоустойчивого кода).
ОБСЛУЖИВАНИЕ ПОТОКА ДАННЫХ
Обслуживание IP-потока - весьма трудоемкое занятие, требующее мощных компьютеров и соответствующего программного обеспечения.
Один из основных параметров обычного телефонного коммутатора - максимально возможное количество соединений в единицу времени. Для установления соединения надо сделать многое: соотнести вызываемый номер с географическим направлением, выбрать линию, связаться с коммутатором на стороне приемника, определить параметры будущей сессии и т. д. Процедура продолжительная и очень загружающая процессорную емкость коммутатора. Зато после установления соединения его нужно только поддерживать, пересылая биты в нужном направлении.
В IP-телефонии маршрутизатор должен обработать каждый пакет по отдельности - прочитать его заголовок и определить, куда и каким маршрутом пакет отправить. Конечно, эта процедура проще, чем установление соединения телефонным коммутатором, но выполнять ее надо каждый раз заново и полностью для каждого следующего пакета, то есть несоизмеримо чаще. Поэтому в случае обработки голоса IP-маршрутизатор требует большей процессорной мощности, чем телефонный коммутатор сравнимой производительности. Сегодня уже существуют мощные гигабитные маршрутизаторы, сопоставимые с коммутаторами, но они пока что слишком дороги да и мало кто умеет их делать.
НАДЕЖНОСТЬ
При предоставлении коммерческих голосовых услуг очень важна надежность. Если выйдет из строя маршрутизатор - это неприятность, но остановка телефонного коммутатора - катастрофа. В традиционной телефонии исторически сложились более жесткие требования к соблюдению надежности и качества связи. Вот только один пример. Иногда возникает необходимость изменить какие-нибудь параметры работы коммутатора, скорректировать работу процессора, загрузить фрагмент программного обеспечения и т. д. Для этого выполняется процедура, называемая рестартом. Различают так называемые малые и большие рестарты. При малом рестарте сохраняются существующие телефонные соединения и всего лишь на незначительное время блокируется возможность установления новых. При большом рестарте, который длится несколько секунд, имеющиеся соединения разрываются. Это уже повод для длительных и настойчивых извинений перед клиентами. Еще хуже, если требуется перезагрузить процессор. В этом случае система не работает в течение нескольких минут, нанося урон репутации оператора. А если вдруг случится остановка на несколько часов, тогда не избежать судебных исков и крайне ядовитого злопыхательства конкурентов. Жесткие требования к надежности нашли отражение как в конструктивных решениях для традиционной телефонии (все узлы коммутаторов дублированы), так и в особенностях используемого программного обеспечения.
В пакетных сетях принципы соблюдения надежности слабее. Причина тому опять же историческая. Рынок компьютерных технологий развивался по иным законам, чем рынок телекоммуникаций, и пакетное оборудование сейчас такое, какое было востребовано: оно идеально подходит для передачи данных, но недостаточно надежно в случае передачи голоса. Необходимость в высокопроизводительных и высоконадежных маршрутизаторах появилась совсем недавно, а каждый продукт должен иметь историю развития, некоторый опыт успехов и ошибок. Но надо признать, что по большому счету достижение оборудованием для IP-телефонии необходимого уровня надежности - это лишь вопрос времени.
КАЧЕСТВО СВЯЗИ
Однако существуют и принципиальные трудности на пути развития нового вида связи. Они кроются в особенностях самой технологии пакетной коммутации.
Как уже говорилось, изначально сети пакетной коммутации предназначались только для передачи данных. Поскольку ARPAnet разрабатывалась в стратегических целях, на первый план выдвигалось требование: данные должны быть во что бы то ни стало доставлены любым маршрутом, даже если большая часть сети выйдет из строя. (Например, необходимо передать код на запуск ракеты при условии, что часть линий связи разрушена, а оставшиеся средства работают крайне плохо.) Пакетная коммутация на основе IP-протокола идеально удовлетворяет этим требованиям: если один или несколько маршрутизаторов откажут, пакеты не застрянут, а просто пойдут "обходным" путем через другие маршрутизаторы. Конечно, время доставки возрастет - зато информация рано или поздно все же достигнет адресата.
Для передачи голоса в режиме реального времени такая схема не очень подходит: в отличие от обычных данных голос крайне чувствителен к временным задержкам. Электронное письмо без вреда полежит некоторое время в буфере, ожидая своей очереди, пользователь Интернета подождет, пока загрузится страница и т. д. Но при телефонном разговоре задержка в передаче голоса более чем на 300 миллисекунд (примерно треть секунды) уже дискомфортна для человеческого слуха: кажется, что абонент сильно заикается. К сожалению, на современном уровне развития IP-технологий гарантировать время доставки все еще сложно.
Как возникает задержка? Упрощенно это можно представить следующим образом: придя на вход маршрутизатора, IP-пакет сначала ждет, пока освободится процессор, потом процессор читает и анализирует IP-заголовок, в соответствии с длинной таблицей маршрутизации принимает решение, куда отправить пакет, и затем уже кладет его в буфер на отправку. Каждое действие требует времени.
Попытки устранить задержки и повысить качество связи в IP-телефонии - многочисленны и изобретательны. Но в целом все они сводятся к управлению очередями и резервированию процессорных и сетевых ресурсов. Например, оставляется свободной (резервируется) некоторая полоса пропускания в канале, и процессор ждет, когда с выделенного направления придет пакет, чтобы сразу, без задержки, обработать и отправить его. При этом ресурсы сети используются не самым оптимальным образом, что, собственно, наделяет пакетные сети недостатками принципа коммутации каналов. Другой способ уменьшения задержек - пропускать IP-пакеты с голосовыми данными без очереди, для чего в заголовок пакета записывают соответствующую служебную информацию. Однако при этом дополнительно нагружается процессор. В обоих случаях необходимо, чтобы все маршрутизаторы, лежащие на траектории следования пакета, умели поддерживать соответствующую функцию - а это пока редкость. Работа идет, делается многое, но какого-то идеального решения пока нет.
В итоге на сегодняшний день можно сказать следующее. Если в сети присутствует только голос, то нет ничего лучше, чем традиционная коммутация каналов, используемая в обычной телефонии. Но такие сети крайне негибки: по сути, ничего, кроме голоса, они передавать не могут, и даже небольшая доля данных заставляет искать новые решения. Если же сеть нагружена только данными, то самое оптимальное - опять же традиционные пакетные технологии. При увеличении доли приложений реального времени, например голоса, IP-сети справляются, но недолго. С помощью разнообразных ухищрений удается продвинуться довольно далеко в область смешанного потока. Однако если объемы голоса и данных, передаваемых по одному каналу, равны или голос преобладает, то технологии, основанные на IP, в каких-то заметных масштабах не применимы. То есть технически подобную сеть построить можно, но ожидаемые сложности столь велики, что делать это просто нецелесообразно с экономической точки зрения.
ПРОБЛЕМЫ РОСТА
Можно привести и другие (не технические) примеры, доказывающие юность пакетных технологий.
Например, в отличие от традиционных телекоммуникаций, теоретические основы пакетного трафика выглядят бледно. В настоящий момент еще не создан удовлетворительный математический аппарат для описания IP-трафика - временного распределения плотности пакетов в сети, вероятности возникновения и характера перегрузок и т. д. Конечно, существуют многочисленные эмпирические данные и результаты различных тестов сетевого оборудования. Они весьма полезны при конструировании оборудования, но малоэффективны при планировании больших сетей. Ответ, например, на вопрос, что случится с данной сетью при таком-то изменении активности пользователей, можно получить в основном только опытным путем.
Есть еще проблема стандартизации. Несмотря на работу многочисленных и уважаемых международных организаций, разработки для IP-телефонии разных производителей несовместимы между собой. Даже там, где уже действуют регламентирующие документы, на практике возможны разночтения, делающие совместную работу невозможной. Выработка единого стандарта в той или иной области - непростой процесс, требующий времени. Как показывает практика, только лишь юридического оформления требований недостаточно. Необходимо, чтобы стандарт стал таковым фактически, то есть у разработчиков должно сформироваться общепринятое мнение о том, что считать эталоном.
Таким образом, в коммерческой сфере деятельности IP-телефонии еще очень трудно конкурировать с традиционным телефонным оборудованием. Голосовые сети с коммутацией каналов (телефонические сети) развиваются более ста лет и потому хорошо изучены со всех точек зрения. В результате продолжительной конкурентной борьбы сформулированы требования к производительности оборудования, надежности, ценам и так далее. Разработаны критерии жизнеспособности оборудования как инструмента коммерческой деятельности. IP-телефонии все это еще только предстоит.
НА ПУТИ К УНИВЕРСАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СЕТИ
Как уже говорилось, в настоящий момент существует целый ряд компаний - поставщиков услуг IP-телефонии. Среди них есть несколько относительно крупных и финансово весьма успешных. Однако сегодня ни один действительно крупный оператор, ни один "кит телекоммуникационного мира" не полагается в какой-либо значительной степени на технологию Voice-over-IP.
И тем не менее идеи IP-телефонии имеют мощную поддержку в лице крупных производителей телекоммуникационного оборудования и операторов связи. Почему же, несмотря на существенные трудности, продолжают инвестироваться средства, вестись конструкторские разработки, работать международные комитеты по стандартизации, прилагаться усилия для популяризации технологии? Тому есть серьезные причины.
Самое сложное в современном телекоммуникационном мире - это вовсе не изобретение новой технологии. Важно придумать услугу, которая будет пользоваться платежеспособным спросом. В этом смысле существующие голосовые технологии, как фиксированные, так и мобильные, в основном исчерпали себя. Вероятно, появление принципиально новых видов сервиса будет связано с развитием мультимедийных технологий. В частности, это могут быть разнообразные сопряжения голоса с графическими приложениями, преобразование голоса в текст и обратно, универсальные почтовые ящики для голосовых и всех прочих сообщений с возможностью доступа к ним с устройств различных типов, в том числе с мобильных терминалов и т. д. Необходимость подобных услуг действительно назрела. Как мы уже убедились, существующие сети плохи тем, что они крайне негибки и ориентированы на передачу какого-то одного типа информации: голосовые сети только для телефонии; сети данных ничего, кроме данных, по большому счету, передавать не могут; кабельные сети только для телевидения и т. д. Расширение спектра услуг требует некой универсальной основы для создания приложений принципиально различного свойства. Нужен универсальный транспортный протокол, с помощью которого потребителю может быть доставлена разнородная по природе информация. И, вероятно, именно IP-протокол послужит таким общим знаменателем.
Справедливости ради надо отметить, что у IP есть конкуренты. Не будем углубляться в сравнительный анализ различных подходов. Хотелось бы только сказать, что все они моложе его. IP-протокол - самый старый, и это, как ни странно, преимущество. Как уже говорилось, стандартизация - большая проблема, решение которой требует много времени и сил. Так вот, IP-протокол (в его классическом варианте) - вполне устоявшийся стандарт. Разработчики оборудования и приложений имеют единое детальное понимание, что он собой представляет.
Здесь можно провести аналогию с операционными системами для персональных компьютеров. Свойства операционной системы документированы, всегда одинаковы и хорошо известны. С одной стороны, производители оборудования делают компьютеры так, чтобы операционная система работала на них правильно. Производителей много, и они независимы. С другой стороны, разработчики приложений пишут программное обеспечение, совместимое с операционной системой. Разработчиков еще больше, и разнообразие приложений огромно. Таким образом, лидерство компании Microsoft на рынке операционных систем позволило в какой-то степени унифицировать требования как к производителям оборудования, так и к разработчикам программного обеспечения. Это послужило одним из мощнейших импульсов развития индустрии. Сегодня огромное количество компаний, больших и маленьких, имеют возможность реализовывать свои идеи. Посмотрите на бесконечное многообразие рынка программного обеспечения. Аналогия несколько смелая, но можно сказать, что с появлением общепризнанного универсального протокола обмена информацией и сетей, способных обеспечивать такой обмен правильным образом, можно ожидать схожего бума в области разработки приложений связи.
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Как мы убедились, для передачи разнородной информации - данных, голоса, видео и т. п. - нынешние IP-сети еще не очень приспособлены. Однако необходимость в универсальной мультисервисной сети уже назрела. И, возможно, именно IP-протокол сыграет заметную, а может быть, и решающую роль в ее создании. Но для этого придется решить множество проблем, причем не только технологического свойства.
В настоящий момент телекоммуникационная индустрия переживает не лучшие времена: наступил кризис. Бум, вызванный продвижением Интернет-технологий, электронной коммерции, онлайновой торговли и т. д., закончился (или сильно споткнулся), что не замедлило сказаться на всей отрасли. Упали прибыли, и, соответственно, уменьшились объемы средств, инвестируемых в конструкторские разработки. Некоторые программы замораживаются, некоторые сворачиваются. Это плохо, а может быть, и на пользу: исчезли пустая спекуляция и истерия гонки. Кризис не изменил, но лишь замедлил ход событий, помогая тем самым без спешки принимать правильные решения. Что касается общего направления развития телекоммуникационных технологий, то оно, скорее всего, останется прежним. Думаю, у нас еще будет возможность пообщаться по мобильному IP-видеофону.
Читайте в любое время
