Стандарты мультимедийной связи
Работа над рекомендациями ITU-T серии Н, уже упоминавшимися в первых четырех главах, началась отнюдь не для IP-телефонии. Более 10 лет тому назад Международный союз электросвязи начал разработку рекомендаций для будораживших умы связистов того поколения систем видеотелефонной и мультимедийной связи. Термин “мультимедийная связь” обозначает связь двух или более пользователей, обменивающихся одновременно речью, видеоинформацией и данными.
Первая рекомендация из этой серии, Н.320, была выпущена в 1990 году и относилась к системам видеотелефонии, ориентированным на работу в узкополосной ISDN. Следующие рекомендации ITU-T разрабатывались для систем мультимедийной связи, работающих в разном сетевом окружении.
В рекомендациях серии Н описываются архитектура и функциональные элементы систем, алгоритмы кодирования речи и видеоинформации, организация передачи данных, протоколы сигнализации и управления информационными каналами (таблица 5.1). За истекшее время ITU-T выпустил для таких систем несколько новых версий рекомендаций, в которых учитывались пожелания и замечания ведущих фирм-производителей оборудования, разрабатываемого на базе этих рекомендаций.
Основу рекомендаций Международного союза электросвязи составляет единая базовая архитектура систем мультимедийной связи, функционирующих в разном сетевом окружении. Все рекомендации предусматривают использование для поддержки передачи речи, видеоинформации и данных, а также для управления системой, идентичных функциональных элементов. Различие заключается в упаковке пользовательской и сигнальной информации - выбирается оптимальный способ упаковки информации для той сети, в которой система будет функционировать.
Таблица 5.1. Рекомендации ITU-T по видеотелефонии и мультимедийной связи| Рекомендации ITU-T серии Н | Н.320 | Н.321 | H.322 | Н.323 V1/V2/V3 | H.324 |
| Дата утверждения | 1999 | 1998 | 1996 | 1996/1998/ 1999 | 1998 |
| Сетевое окружение | ТфОП, N-ISDN | ТфОП, B-ISDN, ATM, ЛВС | ЛВС, поддерживающие гарантированное качество обслуживания: IsoEthernet | Сеть с коммутацией пакетов без гарантированного качества обслуживания: Интернет, Token Ring, Ethernet | ТфОП |
| Алгоритмы кодирования видеоинформации | Н.261 Н.263 | Н.261 Н.263 | Н.261 Н.263 | Н.261 Н.263 | Н.261 Н.263 |
| Алгоритмы кодирования речевой информации | G.711 G.722 G.728 | G.711 G.722 G.728 | G.711 G.722 G.728 | G.711 G.722 G.728 G.723 G.729 | G.723 |
| Мультиплексирование | Н.221 | Н.221 | Н.221 | Н.225.0 | Н.223 |
| Управление информационными каналами | Н.230 Н.242 | Н.242 | Н.230 Н.242 | Н.245 | Н.245 |
| Данные | Т. 120 | Т. 120 | Т. 120 | Т. 120 | Т. 120 |
| Интерфейсы и протоколы | 1.400 | AAL 1.363 ATM 1.361 PHYI.400 | 1.400 TCP/IP | TCP/IP | V.34 |
Оборудование мультимедийной связи содержит оконечные устройства, то есть устройства конечных пользователей (терминалы), и сетевые устройства, которые предоставляют пользователям услуги. Среди этих услуг - организация конференций, преобразование протоколов сигнализации и пользовательской информации, согласование скоростей передачи и дополнительные услуги, такие как переадресация вызовов и переключение связи.
Представляется полезным кратко рассмотреть особенности каждой из систем мультимедийной связи, предложенных ITU-T.
Рекомендация Н.320 специфицирует системы видеотелефонной связи по В-каналам узкополосной ISDN со скоростью 64 Кбит/с и со скоростями до 1.920 Мбит/с, кратными 64 Кбит/с. Видеоинформация кодируется по алгоритму, предложенному ITU-T в рекомендации Н.261. Алгоритм поддерживает два формата изображений: необязательный формат CIF с разрешением 352 х 288 пикселей и обязательный формат QCIF с разрешением 176 х 144 пикселей. Частота кадров - 30 кадров/с или ниже. Для кодирования аудиоинформации используются алгоритм G.711 - импульсно-кодовая модуляция со скоростью передачи 64 Кбит/с, алгоритм G.722 - адаптивно-дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, использующая полосу частот 7кГц и скорости передачи 48, 56, 64 Кбит/с, и G.728 - алгоритм кодирования LD-CELP со скоростью передачи 16 Кбит/с (об этих алгоритмах уже упоминалось в главе 3). Процедуры установления и разрушения соединений, формирования кадра данных и мультиплексирования, а также ряд эксплуатационных и административных функций описываются в рекомендациях Н.221, Н.230 и Н.242.
Рекомендация Н.321 определяет механизм адаптации узкополосных терминалов видеотелефонной связи Н.320 к работе в широкополосной ISDN. Следует отметить, что широкополосные ISDN базируются на транспортной технологии ATM, которая обеспечивает гарантированное качество обслуживания. В терминалах Н.321 реализована часть требований, предъявляемых к широкополосным терминалам видеотелефонной связи Н.310. При этом обязательным требованием Международного союза электросвязи является совместимость терминалов Н.310, Н.321 и Н.320.
В рекомендации Н.322 представлены технические требования к узкополосным системам видеотелефонии, работающим в локальных вычислительных сетях с гарантированным качеством обслуживания, эквивалентным качеству обслуживания ISDN. Применение данной спецификации ограничено ЛВС IsoEthernet
Рекомендация Н.323 специфицирует системы мультимедийной связи, которые ориентированы на работу в сетях с коммутацией пакетов, не обеспечивающих гарантированное качество обслуживания. К таким сетям относятся локальные вычислительные сети Ethernet и Token Ring, глобальная сеть Интернет и другие сети, поддерживающие технологию маршрутизации пакетов IP или IPX.
Рекомендация Н.323 предусматривает применение различных алгоритмов сжатия речевой информации, что позволяет использовать полосу пропускания гораздо более эффективно, чем в сетях с коммутацией каналов. Оконечные устройства Н.323 поддерживают передачу информации в режиме многоадресной рассылки, что позволяет организовывать конференции без дорогостоящих устройств управления конференциями (MCU), хотя на сегодняшний день без MCU не обойтись, т.к. режим многоадресной расслыки, как правило, IP-сетями не поддерживается. В приложении D к рекомендации Н.323 описан механизм передачи факсимильной информации в реальном времени по IP-сетям.
В рекомендации Н. 324 Международный союз электросвязи представил технические требования к системам низкоскоростной мультимедийной связи, ориентированным на работу по аналоговым линиям ТфОП с использованием модемов. С учетом того, что скорость модемной передачи ограничена, в системах реализуются алгоритмы кодирования речи, видеоинформации и данных с высокой степенью сжатия.
Рекомендация Т. 120 специфицирует механизм передачи данных в системах мультимедийной связи. Основным телематическим приложением, поддерживаемым рекомендацией Т. 120, является обмен текстовыми сообщениями между участниками конференции в реальном времени. Другое приложение - коллективное редактирование растровых изображений. Система Т. 120 является полностью платформо-независимой и может работать в широком диапазоне сетевых технологий с надёжной или ненадёжной передачей данных.
Следует отметить, что механизм передачи данных Т. 120 может функционировать как отдельно, так и совместно с вышеописанными системами мультимедийной связи. При этом поддерживаются режимы передачи данных с адресацией конкретному устройству и с многоадресной рассылкой.
Этот более чем краткий обзор деятельности ITU-T в области стандартизации систем мультимедийной связи, функционирующих в разном сетевом окружении, для целей данной книги представляется достаточным. Но прежде чем приступить к выполнению основной задачи данной главы - анализу системы мультимедийной связи, базирующейся на рекомендации Н.323, - будет полезно также ознакомиться с системами видеотелефонии Н.320, являющимися предшественницами систем мультимедийной связи Н.323.
5.2 Архитектура систем видеотелефонии в узкополосных ISDN
В 1990 году Международный союз электросвязи разработал рекомендацию Н.320, принятую впоследствии всеми ведущими производителями оборудования в качестве стандарта для реализации систем видеоконференций в узкополосных ISDN.
Система видеоконференций Н.320 включает в себя две основные группы компонентов - терминалы и устройства управления конференциями (Multipoint Control Units - MCU). Терминал представляет собой оборудование конечного пользователя, в то время как устройство управления конференциями является сетевым оборудованием, позволяющим организовывать видеоконференции с участием множества пользователей. Разрешается каскадное подключение друг к другу нескольких устройств MCU в рамках одной конференции. На рис. 5.1 показана архитектура системы видеоконференций, функционирующей в узкополосной ISDN.
Терминал Н .320 состоит из следующих функциональных модулей.
Блок видеоаппаратуры включает в себя видеокамеру, монитор и блок обработки видеоинформации, необходимый для реализации такой функции как разделение изображения в мониторе на несколько частей.
Блок аудиоаппаратуры содержит микрофон, громкоговоритель и блок обработки речевой информации, реализующий функции компенсации эха.
Телематические приложения обеспечивают передачу неподвижных изображений, коллективное редактирование растровых изображений, передачу файлов и др. Услуги передачи данных в системах видеотелефонии Н.320 реализуются на базе набора протоколов 1120.
Модуль управления системой отвечает за выполнение таких функций, как организация доступа к сетевым ресурсам при помощи абонентской сигнализации и управление соединением - организация общего режима функционирования на основе сквозной (end-to-end) сигнализации.
Для установления, поддержания и разрушения соединений системы Н.320 используют протокол сигнализации Q.931 [7]. Обмен сигнальными сообщениями между терминалом и опорной АТС производится по D-каналу. Следует отметить также, что сигнальные сообщения не мультиплексируются с пользовательской и управляющей информацией.
Управление соединением производится на основе протоколов Н.242 и Н.243. Протокол Н.242 используется для обмена информацией о функциональных возможностях терминалов, выбора режима передачи речи, видео и данных в соединении между двумя пользователями и для изменения режима. Протокол Н.243 используется для организации конференций, в которых несколько участников соединяются через устройство управления конференциями.
Аудиокодеки кодируют и декодируют речевую информацию. Рекомендация Н.320 определила в качестве основного алгоритма кодирования речевой информации алгоритм G.711, рассмотренный в главе 3, но на практике, чаще всего, при скорости передачи информации 128 Кбит/с в конференциях используется алгоритм кодирования G.728, а при скорости 384 Кбит/с - алгоритм G.722.
Видеокодеки сжимают видеоинформацию и выполняют обратное преобразование. Рекомендация Н.320 определяет видеокодек Н.261 как обязательный; может также использоваться кодек Н.263.
Блок синхронизации обеспечивает задержку речевых сигналов при передаче для синхронизации движения губ говорящего с его речью. Необходимость задержки связана с тем, что обработка видеоинформации занимает значительно больше времени, чем кодирование речи.
Внесение задержки при передаче речевой информации не является обязательным требованием рекомендации Н.320, но большинство производителей оборудования реализуют эту возможность, поскольку покупатели предпочитают видеть изображения, согласованные со звуком. Можно отметить, что в системах мультимедийной связи Н.324, функционирующих в ТфОП, передающая сторона вместо задержки речевых сигналов информирует приемную сторону о средней разности фаз между звуковым и видеосигналом, благодаря чему приемная сторона может внести требуемую задержку при воспроизведении речи и изображения.
Система мультиплексирования, специфицированная в рекомендации Н.221 , обеспечивает возможность совместной передачи сигналов управления, речи, видео и данных. В-каналы разделяются на октеты, каждый бит которых в действительности представляет отдельный подканал. Например, в одном октете могут находиться биты управляющей информации, речи, видеоинформации и данных.
Сетевой интерфейс выполняет функции адаптации терминала, необходимые для его подключения к сети в соответствии с требованиями рекомендации 1.400, рассмотренными в главе 3 [7].
Следующим элементом систем видеотелефонии Н.320 является устройство управления конференциями (MCU).
Рекомендация Н.320 определяет устройство управления конференциями как сетевое устройство, обеспечивающее участие пользователя в соединении одновременно с несколькими другими пользователями. Это устройство выполняет такие функции, как согласование скоростей передачи информации, смешивание речевых сигналов, переключение и смешивание видеосигналов, передача данных от одного пользователя ко многим другим пользователям и управление конференциями. В части управления конференциями MCU реализует функцию согласования функциональных возможностей терминалов для того, чтобы выбрать общий для всех терминалов режим работы.
Таким образом, функции MCU можно разделить на две основные части: управление конференциями и обработка сигналов информационных каналов.
Управление конференциями включает в себя согласование алгоритмов, используемых каждым из участников конференции для кодирования речи, видеоинформации и данных, причем MCU может транскодировать информацию любого вида, если терминалы, участвующие в конференции, используют разные алгоритмы ее кодирования.
В процессе согласования функциональных возможностей терминалов устройство управления конференциями выбирает режим конференции (selected communication mode).
Обработка сигналов информационных каналов является неотъемлемой функцией устройства управления конференциями. От каждого терминала, участвующего в конференции, MCU принимает речь, видеоинформацию и данные. Речевую информацию, получаемую от всех участников конференции, устройство управления конференциями смешивает и направляет суммарный речевой сигнал к каждому из участников. Для предотвращения эха MCU может не включать в суммарный речевой сигнал голос того участника, которому этот сигнал передается.
Видеосигналы обычно коммутируются устройством управления конференциями на основе анализа уровня речевого сигнала. Ко всем терминалам, участвующим в конференции, направляется видеосигнал, связанный с речевым сигналом, имеющим самый высокий уровень. Проще говоря, всем участникам конференции передается изображение участника, который в данный момент времени говорит наиболее громко. Помимо этого, устройство управления конференциями может работать в режиме смешивания видеосигналов для получения видеоизображения, содержащего информацию сразу от нескольких источников.
Кроме обработки речи и видеоинформации MCU может выполнять обработку данных в соответствии с рекомендацией Т. 120.
5.3 Мультимедийная связь в IP-сетях
Рекомендация Международного союза электросвязи Н.323 является первой зонтичной спецификацией систем мультимедийной связи для работы в сетях с коммутацией пакетов, не обеспечивающих гарантированное качество обслуживания. В рекомендациях, входящих в семейство Н.323, определены протоколы, методы и сетевые элементы, необходимые для организации мультимедийной связи между двумя или более пользователями.
Наиболее востребованной из услуг, специфицированных в рекомендации Н.323, в силу разных обстоятельств оказалась услуга передачи речевой информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP. Самым распространенным подходом к построению сетей IP-телефонии сегодня является именно подход, предложенный ITU-T в рекомендации Н.323.
Сети, построенные на базе протоколов Н.323, ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных. В частности, процедура установления соединения в таких сетях IР-телефонии базируется на рекомендации ITU-T Q.931 и практически идентична той же процедуре в сетях ISDN.
Этот вариант построения сетей IP-телефонии ориентирован на операторов местной телефонной связи (или на компании, владеющие транспортными сетями), которые желают использовать сети с маршрутизацией пакетов IP для предоставления услуг междугородной и международной связи. Протокол RAS, входящий в семейство протоколов Н .323, предоставляет операторам высокий уровень контроля использования сетевых ресурсов и обеспечивает поддержку аутентификации пользователей и начисления платы за предоставленные услуги.
На рис. 5.2 изображена архитектура сети, построенной на базе рекомендации Н.323.
Основными устройствами сети являются: терминал, шлюз, привратник и устройство управления конференциями.
5.4 Терминал Н.323
Терминал Н.323 - это оконечное устройство сети IP-телефонии, обеспечивающее двухстороннюю речевую или мультимедийную связь с другим терминалом, шлюзом или устройством управления конференциями. Структурная схема терминала Н.323 приведена на рис. 5.3.
Пользовательский интерфейс управления системой дает пользователю возможность создавать и принимать вызовы, а также конфигурировать систему и контролировать ее работу.
Модуль управления поддерживает три вида сигнализации: Н.225, Н.245 и RAS. Этот модуль обеспечивает регистрацию терминала у привратника, установление и завершение соединения, обмен информацией, необходимой для открытия разговорных каналов, предоставление дополнительных услуг и техобслуживание.
Телематические приложения обеспечивают передачу пользовательских данных, неподвижных изображений и файлов, доступ к базам данных и т.п. Стандартным протоколом для поддержки таких приложений является протокол Т. 120.
Модуль Н.225. 0 отвечает за преобразование видеоинформации, речи, данных и сигнальной информации в вид, пригодный для передачи по сетям с маршрутизацией пакетов IP, и за обратное преобразование. Кроме того, функциями модуля являются разбиение информации на логические кадры, нумерация последовательно передаваемых кадров, выявление и коррекция ошибок.
Сетевой интерфейс обеспечивает гарантированную передачу управляющих сообщений Н.245, сигнальных сообщений Н.225.0 (Q.931) и пользовательских данных при помощи протокола TCP и негарантированную передачу речевой и видеоинформации, а также сообщений RAS, при помощи протокола UDP.
Блок синхронизации вносит задержку на приемной стороне с целью обеспечить синхронизацию источника информации с ее приемником, согласование речевых и видеоканалов или сглаживание вариации задержки информации.
Видеокодеки кодируют видеоинформацию, поступающую от внешнего источника видеосигналов (видеокамеры или видеомагнитофона), для ее передачи по сети с маршрутизацией пакетов IP и декодируют сигналы, поступающие из сети, для последующего отображения видеоинформации на мониторе или телевизоре.
Аудиокодеки кодируют аудиоинформацию, поступающую от микрофона (или других источников аудиоинформации), для ее передачи по сети с маршрутизацией пакетов IP и декодируют сигналы, поступающие из сети, для последующего воспроизведения. Любое терминальное оборудование Н.323 должно иметь аудиокодеки. Обязательным для реализации является кодек, выполняющий преобразование речевой информации в соответствии с рекомендацией G.711. Реализация остальных алгоритмов кодирования, показанных на рис. 5.3, не обязательна. В том случае, когда в терминалах реализовано несколько алгоритмов кодирования речевой информации, желательно, чтобы терминалы могли работать в асимметричном режиме, например, принимать речь, закодированную по алгоритму G.711, и передавать речь, закодированную по алгоритму G.728.
Следует отметить, что при организации децентрализованной конференции терминал Н.323 может принимать более чем один поток речевой информации.
В этом случае терминал должен уметь смешивать или переключать пакетированную речь, поступающую от остальных участников конференции.
5.5 Шлюз Н.323
Основной функцией шлюза является преобразование речевой (мультимедийной) информации, поступающей со стороны ТФОП с постоянной скоростью, в вид, пригодный для передачи по IP-сетям, т.е. кодирование информации, подавление пауз в разговоре, упаковка информации в пакеты RTP/UDP/IP, а также обратное преобразование.
Кроме того, шлюз должен уметь поддерживать обмен сигнальными сообщениями как с коммутационным или терминальным оборудованием ТфОП, так и с привратником или оконечным устройством сети Н.323. Таким образом, шлюз должен преобразовывать аналоговую абонентскую сигнализацию, сигнализацию по 2ВСК, сигнальные сообщения систем сигнализации DSS1 и ОКС7 [6,7] в сигнальные сообщения Н.323. Спецификации преобразования сигнализации Q.931 (DSS1, QSIG) и ОКС7 в сигнализацию Н.225.0, основанную на Q.931, приведены в рекомендации ITU-T H.246. Для поддержки дополнительных услуг в шлюзе может быть обеспечена прозрачная передача сигнальных сообщений Q.932 и Н.450.
Желательно, чтобы шлюз мог генерировать и распознавать сигналы DTMF на стороне ТфОП и передавать сигналы DTMF в сообщениях Н.245 userlnputlndication по сети с маршрутизацией пакетов IP.
При отсутствии в сети привратника должна быть реализована еще одна функция шлюза - преобразование номера ТфОП в транспортный адрес IP-сети.
Со стороны сетей с маршрутизацией пакетов IP, так же, как и со стороны ТфОП, шлюз может участвовать в соединениях в качестве терминала или устройства управления конференциями (рис. 5.4).
Примечательно, что шлюз может изначально участвовать в соединении в качестве терминала, а затем, при помощи сигнализации Н.245, продолжить работу в качестве устройства управления конференциями.
В случае, когда терминал Н.323 связывается с другим терминалом Н.323, расположенным в той же самой IP-сети, шлюз в этом соединении не участвует.
Шлюз, в совокупности с привратником сети IP-телефонии, образует универсальную платформу для предоставления всего спектра услуг мультимедийной связи.На рис. 5.5 представлены некоторые услуги, которые могут быть реализованы в прикладном программном обеспечении на базовой платформе аппаратных и программных средств шлюза IP-телефонии.
