СЕТИ, ОПУТАВШИЕ МИР
У ATM - НЕТ ПРОБЛЕМ!
FRAME RELAY ВЫХОДИТ НАВСТРЕЧУ
ДВЕ ТЕХНОЛОГИИ НА РАБОЧЕМ СТОЛЕ

ПРИМЕР ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ПЕРЕДАЧИ ГОЛОСА ПО СЕТИ FRAME RELAY
Голос Motorola слышен по frame relay


Современный бизнес "потребляет" огромное количество средств связи. От офиса любой компании тянется множество проводов, используемых для передачи самой разнообразной информации. Еще совсем недавно можно было бы сказать, что по этим каналам связи передается информация двух принципиально различных видов - цифровая и голосовая. С некоторого момента грань между этими двумя видами начала стираться, и через некоторое время, возможно, она исчезнет совсем.

Время это, впрочем, наступит еще не скоро. Пока что для передачи информации разного рода, как правило, требуется использование разнородных сетей. В результате возникает немало сложностей в проектировании сетей и управлении ими. Как было бы хорошо, если бы "из стенки" в офисе торчал, грубо говоря, один кабель, по которому передавалась бы вся необходимая информация! Конечно, пропускная способность таких каналов должна быть очень высокой, однако подобные трудности, так сказать, не более чем количественные. Строго говоря, и это утверждение не совсем верно - известно ведь, что и у масштабируемости есть свой предел. Однако все равно такое решение, во-первых, значительно упростило бы структуру информационной системы (и, следовательно, повысило бы ее надежность, снизило стоимость, уменьшило эксплуатационные затраты и проч.), а во-вторых, позволило бы куда более рационально использовать имеющуюся пропускную способность - известно ведь, что при раскрое одного большого куска ткани отходов остается куда меньше, чем при кройке из большого числа маленьких кусочков.

СЕТИ, ОПУТАВШИЕ МИР

Вначале был телефон. Именно для передачи голоса предназначалась первая, возникшая в мировом масштабе разветвленная сеть (телеграфную сеть, появившуюся раньше телефонной, можно все-таки в расчет не принимать - и масштабы не те, и инфраструктура этой сети была не слишком разветвленной). К тому моменту, когда возникла потребность обмениваться информацией в электронном виде, телефонные сети уже представляли собой весьма развитую инфраструктуру. Естественно, назрела идея использовать эти сети для обмена цифровой информацией с помощью технологии модуляции/демодуляции. Так появились модемы - устройства, преобразующие ряд нулей и единиц в последовательности звуковых тонов определенной частоты: один тон соответствовал нулю, другой - единице. Таким образом сети, изначально предназначенные для передачи аналоговых сигналов, стали применяться для обмена цифровыми данными.

Пока объемы передаваемой информации были невелики, для ее передачи телефонной сети вполне хватало. Но по мере роста интенсивности информационного потока начинали сказываться принципиальные различия в голосовом и цифровом информационном обмене. Разговор по телефонной сети подразумевает прямое соединение между абонентами (один говорит - другой слушает). Именно этот принцип действия и был заложен в основу работы телефонной сети, и даже произошедшая в 70-80-е годы техническая революция, связанная с переходом от уплотнения каналов с разделением по частоте к уплотнению с разделением по времени, не изменила сложившуюся ситуацию (чуть позже мы обрисуем в общих чертах суть произошедшей революции).

Напротив, обмен цифровой информацией в принципе не требует прямого соединения. Общий цифровой поток при передаче по сети можно разбить на отдельные пакеты и передавать их по отдельности. При этом неважно не только то, что пакеты могут поступать к месту получения разными путями и с разными задержками, но и то, что они могут прибывать даже в иной последовательности. Главное - чтобы ни один пакет не потерялся и все пакеты содержали в себе информацию, по которой после получения можно было бы выстроить их в правильной последовательности.

Именно поэтому в настоящее время в мире существуют сети, построенные на двух абсолютно разных принципах - сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов. Сети с коммутацией каналов обеспечивают упоминавшееся выше прямое соединение между абонентами. В них давно уже используется не аналоговое, а цифровое представление информации. Аналоговые линии сохранились, в основном, только на "последней миле", т. е. между телефонной станцией и телефонным аппаратом абонента, хотя и для этого участка разработан ряд технологий, обеспечивающих передачу информации в цифровом виде. Уплотнение большого количества голосовых каналов или коммутируемых каналов в одну широкополосную магистраль осущесвляется при помощи технологии мультиплексирования с разделением по времени. Именно в переходе к этой технологии и состояла упоминавшаяся выше телекоммуникационная революция 70-80-х годов.

Применявшаяся до этого технология мультиплексирования с разделением по частоте предполагала использование разных частотных каналов для разных соединений. Новая (на тот момент) технология уплотнения каналов с разделением по времени предполагает следующее. Весь поток цифровой информации разделяется на определенные фрагменты, или кадры. На передачу одного кадра затрачивается определенное количество времени. Именно на этот временной интервал (называемый также временным слотом) в магистрали устанавливается сквозное соединение между отправителем и получателем данного кадра. Соединение осуществляется независимо от реального информационного обмена в данный момент (например, временной слот - и даже не один - может быть полностью занят "передачей" молчания одного из участников разговора, слушающего, что ему говорит его собеседник). Моменты переключения временных слотов определяются внешним (по отношению к каналу) таймером, поэтому пропуск одного временного слота может привести к полному сбою работы магистрали. Подчеркнем еще раз, что при использовании данной технологии устанавливается именно сквозное прямое соединение абонентов, поддерживаемое в течение всего времени переговоров, несмотря на то что физически канал существует лишь определенную долю времени логического соединения. С количеством реально передаваемой информации загрузка сети никак не связана!

Ясно, что применение такой технологии для передачи цифровой информации - в первую очередь в силу того, что обмен подобной информацией не требует прямого соединения, - приводит к непроизводительным потерям пропускной способности. Поэтому для передачи интенсивных потоков цифровой информации используются сети с коммутацией пакетов. Здесь тоже данные разделяются на отдельные фрагменты, или пакеты. Однако способ их доставки принципиально иной. Пакеты снабжаются заголовками, указывающими адрес, по которому их следует доставить, и "выпускаются" в сеть. В дальнейшем именно сетевое оборудование решает, каким способом и по какому пути следует доставить пакет. Сеть с коммутацией пакетов гарантирует только сам факт доставки, но далеко не всегда время доставки.

Применение двух принципиально разных технологий информационного обмена вынуждает организации, испытывающие потребность в обеспечении интенсивного информационного обмена, пользоваться несколькими сетями одновременно, передавая, например, голос по обычной телефонной сети, а данные - по сети frame relay. В силу перечисленных нами в начале статьи причин желательно обеспечить унифицированный подход к информационному обмену через одну и ту же сеть передачи голоса и данных. Конечно, существует еще и такая технология, как ISDN, разработанная для интегрированной передачи данных, голоса и видеоинформации по одним и тем же каналам. Данная технология имеет целый ряд существенных достоинств, однако работает она на основе коммутации каналов, а следовательно, ей присущи все те слабые места этого подхода, о которых говорилось выше.

В настоящее время большие надежды возлагаются на использование для передачи голосовой информации сетей с коммутацией пакетов. Говорят даже о том, что назревает очередная революция в средствах связи (вторая за всю историю этой области техники), революция, которая ознаменует собою полный переход к сетям с коммутацией пакетов. Естественно, что до перевода всей мировой телекоммуникационной инфраструктуры на технологию коммутации пакетов еще очень далеко. Однако для корпоративных сетей (без коих не обходится ни одна крупная организация, имеющая большое число филиалов) такой вопрос уже вполне назрел. Понятно, что все определяется напряженностью необходимого информационного потока - например, в одном из российских райцентров корпоративная сеть местного банка обходится выделенными линиями со скоростью обмена 600 бод. И тем не менее крупным организациям данная унификация весьма полезна - прежде всего из-за неслыханных ранее возможностей оптимизации использования пропускной способности. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно, ведь в современном мире телекоммуникаций нет ничего дороже самих линий связи, и почти любое оборудование, позволяющее сэкономить пропускную способность, окупается на удивление быстро.

У ATM - НЕТ ПРОБЛЕМ!

То есть они, конечно, есть, однако совсем иные. Применение ATM позволяет решить главную проблему, возникающую при попытках использовать сеть с коммутацией пакетов для передачи голоса, - проблему переменных задержек при передаче пакетов. ATM собственно и разрабатывался как технология, обеспечивающая унифицированный подход к передаче информации всех видов, будь то данные, голос или видеоинформация.

Напомним, что при передаче по сетям ATM данные разделяются на ячейки фиксированной длины, а в момент установления связи между точкой отправления и точкой назначения организуется виртуальное соединение, полностью определяющее путь, по которому будут передаваться ячейки на протяжении всего времени соединения. Помимо этого, в ATM имеется понятие "качества услуг" (quality of service); в результате оборудование, отвечающее за соединение, может запросить определенный приоритет для трафика, передаваемого по данному виртуальному каналу. В ATM имеется возможность задавать четыре различных уровня услуг: CBR (constant bit rate - постоянная скорость передачи информации), VBR (variable bit rate - переменная скорость передачи информации), ABR (available bit rate - доступная скорость передачи информации) и UBR (unspecified bit rate - неопределенная скорость передачи информации). Наиболее приоритетной является услуга CBR; именно она позволяет обеспечить передачу данных с гарантированной скоростью и именно ее следует использовать для передачи голоса. При установлении связи запросы CBR-трафика удовлетворяются в полном объеме, под все прочие виды трафика пропускная способность выделяется по мере возможности; при перегрузке сети низкоприоритетные пакеты просто отбрасываются. В результате обеспечивается доставка голосовых пакетов с гарантированно малыми задержками.

Однако данная технология, как известно, пока не стала общепринятой. Причин тому несколько - это и отсутствие общепринятого стандарта (в такой ситуации, купив оборудование, пользователь зачастую становится заложником фирмы, продавшей ему оборудование, - изделия прочих производителей просто не могут работать с этим изделием), и высокая стоимость изделий для ATM, и возможность работать только с каналами высокой пропускной способности - принято считать, что скорости ATM начинаются с 51,840 Мбит/с (базовым каналом при работе с этой технологией является канал OC-1, имеющий именно такую пропускную способность). В последнее время, однако, появились сообщения об оборудовании для работы по технологии ATM в относительно низкоскоростных сетях. Так, например, компания Northern Telecom оснастила свой коммутатор Magellan интерфейсом для передачи трафика ATM по каналам T-1 пропускной способностью 1,54 Мбит/с. Во время последней выставки NetWorld+Interop компания OnStream Networks анонсировала модуль обратного мультиплексирования (inverse multiplexing; данная технология позволяет разделять один интенсивный поток данных на несколько менее интенсивных, осуществляя тем самым логическое объединение нескольких физически различных низкоскоростных каналов в один высокоскоростной) для своего ATM-коммутатора OnStream CS600. В результате пользователи смогут объединять до восьми каналов T-1 в один логический канал для передачи трафика ATM.

Впрочем, чудес не бывает - вопрос масштабируемости ATM на каналы относительно низкой пропускной способности остается открытым. Ясно же, что понижение пропускной способности базового канала в тридцать раз не может не сказаться на работе технологии в целом. А посему, несмотря на всю привлекательность ATM для передачи голоса по сетям с коммутацией пакетов, приходится признать, что этой технологии еще далеко до полного господства на рынке телекоммуникаций.

FRAME RELAY ВЫХОДИТ НАВСТРЕЧУ

Frame relay - технология, предназначенная для передачи данных с коммутацией пакетов по сетям, построенным на базе каналов T-1/E-1. Эта относительно недорогая технология, по мере того как пользователей перестают удовлетворять возможности старой доброй сети X.25, завоевывает все большую популярность во всем мире. В отличие от ATM, которая изначально создавалась как высокоинтеллектуальная интегрированная сеть для передачи информации разных видов, назначение frame relay, в первую очередь, состоит в том, чтобы обеспечить экономичный обмен цифровыми данными с коммутацией пакетов. При передаче пакетов в сети frame relay фиксируются только место выхода и точка назначения пакета, а сам путь следования пакета определяется в ходе его передачи. В частности, при возникновении заторов сеть не "выбрасывает" низкоприоритетные пакеты, как это делает ATM, а пускает их в обход перегруженной точки. В результате задержка при передаче пакета может возрасти непредсказуемым образом.

Поэтому, на первый взгляд, сети frame relay малопригодны для передачи голосовой информации в режиме коммутации пакетов. Подобная точка зрения, однако, ошибочна, о чем свидетельствует возрастающий в последнее время интерес к этой технологии. По оценке журнала Telecommunications, технология передачи голоса по сетям frame relay занимает вторую строку в списке десяти самых "горячих" технологий 1996 года, уступая первое место только языку Java. Конечно, такая оценка может показаться чересчур завышенной, да и сделана она была в мае месяце прошлого года, однако, как говорится, нет дыма без огня.

До крупномасштабного коммерческого предоставления услуг по передаче голоса по сетям frame relay еще не дошло - во-первых, новая технология пока не обеспечивает должного качества связи, а во-вторых (и это, наверное, даже более важно), телефонные компании просто боятся потерять часть своих доходов из-за того, что их клиенты начнут пользоваться более экономичными сетями frame relay. Сегодня, насколько нам известно, провайдерскую поддержку передачи голоса по сетям frame relay обеспечивает только компания EMI Communications. Областью применения этой технологии остаются корпоративные сети крупных компаний - frame relay оказывается вполне по силам обеспечить качество передачи звука, необходимое для ведения деловых переговоров, экономия же за счет его использования очень большая.

Каким же образом удается решить проблему задержек при передаче голоса? Прежде всего отметим, что полного решения во frame relay эта проблема пока не получила. Для обеспечения разборчивой передачи речи и предотвращения выпадения звуков необходимо, чтобы величина задержек не превышала 400 мс. Достигается это, в первую очередь, правильной расстановкой приоритетов. Голосовому трафику присваивается наивысший приоритет. Поскольку система приоритетов сети frame relay не гарантирует времени доставки (речь может идти лишь о сокращении вероятного времени доставки всеми возможными способами), то приходится дополнительно сокращать фактическое время доставки пакетов переупорядочением очереди пакетов в устройстве доступа к сети frame relay (frame relay access device - FRAD). Обычно принимается, что между двумя голосовыми пакетами в очереди на передачу может находиться не более двух пакетов данных. Эти же цели преследует и технология сегментации пакетов, когда данные разбиваются на очень короткие пакеты таким образом, чтобы время передачи каждого пакета составляло от 5 до 10 мс; тем самым удается дополнительно сократить интервалы между голосовыми пакетами. Одновременно, правда, возрастает удельный вес накладных расходов на передачу данных. Режим сегментации часто включается только на время передачи голоса.

Можно заставить "потесниться" и голос. Во-первых, как уже говорилось выше, телефонные разговоры примерно на 50% состоят из молчания. При передаче по сети периоды молчания подавляются. Далее, сам голос тоже можно подвергать компрессии. Если при обычной оцифровке голоса по алгоритму PCM (pulse code modulation - импульсно-кодовая модуляция) для передачи одного голосового канала требуется 64 Кбит/с, то применением современных методов компресии можно уменьшить эту полосу до 8 Кбит/с и меньше. Такие алгоритмы сжатия, предшественником большинства которых был алгоритм CELP (Code Excited Linear Prediction), опираются на характерные особенности голосового сигнала. При этом оцифровке подвергаются не отдельные значения уровня сигнала, как в PCM, а целые речевые фрагменты. Количество таких фрагментов ограничено, поэтому удается построить кодировочные таблицы. Вообще говоря, голос можно сжимать и сильнее, однако тогда значительно пострадает его качество.

Поддержка голосового обмена пользуется большой популярностью среди производителей FRAD. По данным недавнего исследования, проведенного компанией The Tolly Group, из восьми рассмотренных производителей FRAD-устройств четыре компании поддерживают голосовой обмен. О продукте компании Motorola подробно рассказывается во врезке А. Савченкова "Голос Motorola слышен по frame relay". Среди прочих устройств, поддерживающих передачу голоса, можно также назвать такие изделия, как устройства доступа к сетям frame relay IEN 3000 компании Hypercom, CX 900 компании Memotec и MAXcess-300 компании RAD Data Communications. Их краткая сравнительная характеристика дается в Таблице 1. Они обеспечивают подавление молчания в линии, сегментацию цифровых данных при передаче и могут устанавливать приоритеты при передаче голосового трафика. Все устройства имеют интерфейсы трех видов для подключения к офисной телефонной сети: FXS, FXO и E&M.

ТАБЛИЦА 1 - УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ГОЛОСА ПО FRAME RELAY

Изделие
Компания-производитель
Число голосовых портов
Степень сжатия голоса
Коммутация голосовых каналов
MPR 6520/6560
Motorola
до 24
до 10 Кбит/с
Нет
IEN 3000
Hypercom
4
24; 6,2 Кбит/с
Нет
CX900
Memotec
1
8; 5,8 Кбит/с
Да
MAXcess
RAD Data Communications
4
5,1; 6,4; 8,3 Кбит/с
Нет

Существенным продвижением в сторону обеспечения голосового обмена по сетям frame relay может стать объявленное недавно большинством крупнейших американских телефонных компаний (в частности, Ameritech Corp., Bell Atlantic Corp. и BellSouth Corp.) намерение предоставлять услуги frame relay на базе каналов T-3 пропускной способностью до 45 Мбит/с (т. е. до нижнего предела, с которого начинает работать "штатный" ATM). При этом очень важно, что стоимость новых услуг будет не особенно велика, т. е. компании смогут приобретать как бы "лишнюю" пропускную способность, обеспечивая тем самым интеграцию голосовых каналов без ущерба для передачи данных и без возникновения заметных задержек в передаче информации по сети.

ДВЕ ТЕХНОЛОГИИ НА РАБОЧЕМ СТОЛЕ

Переход к использованию сетей с коммутацией пакетов для передачи голоса будет означать еще один шаг к стиранию грани между технологиями компьютерных и коммуникационных сетей. Процесс этот давно уже не новость, однако до недавнего времени он был как бы скрыт от конечного пользователя. С недавнего времени ситуация изменилась - появились технологии, благодаря которым телефон и компьютер объединялись на рабочем столе пользователя. Но новые технологии либо позволяют использовать компьютер для управления традиционными телефонными сетями, либо превращают телефон в разновидность средства удаленного доступа к компьютеру. Дальше - больше: применение единой технологии для передачи голоса и данных может привести к тому, что грань между телефоном и компьютером почти полностью исчезнет.


Александр Крейнес - научный сотрудник Института кристаллографии РАН. С ним можно связаться по электронной почте: kreines@radio-msu.net.

ПРИМЕР ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ПЕРЕДАЧИ ГОЛОСА ПО СЕТИ FRAME RELAY

Голос Motorola слышен по frame relay

Среди разнообразия телекоммуникационного оборудования компании Motorola на данный момент только два устройства этой компании поддерживают функцию передачи голоса по frame relay (FR). Эти устройства называются Multimedia Peripheral Routers 6520 и 6560. В ближайшем будущем голосовые функции будут поддержаны в недорогом маршрутизаторе Vanguard 300. Голосовые функции в оборудовании Motorola по сути являются функциями телефонии - передача голоса, полученного напрямую с телефона или учрежденческой АТС, или передача факсов. Передача голоса по frame relay происходит по частному протоколу Motorola под названием Voice Relay. От "классической" компьютерной телефонии Voice Relay отличается тем, что по одному каналу frame relay одновременно могут передаваться как "компьютерные" данные, так и полнодуплексные телефонные разговоры и факсы. Voice Relay отличается от известных технологий под общим названием Voice over Internet (Голос через Internet) тем, что поддерживает привычный режим общения телефонных абонентов в полнодуплексном режиме, а не режим плохой радиосвязи, когда абонент сначала говорит, а потом, перейдя на прием, слушает. От технологий временного мультиплексирования Motorola отличается еще и тем, что при отсутствии голоса в канале весь канал отдается под передачу данных.

Motorola использует для передачи голоса механизм под названием CVSELP (Codex Vector Sum Excited Linear Prediction). Данный механизм кодирования является наследником известной технологии CELP; суть CELP в том, что, как говорилось, голос хорошо изучен, и благодаря этому построена специальная таблица, в которой каждому звуку в голосе поставлено в соответствие число. По сети передается не сам оцифрованный звук, а его номер в этой таблице. Таким образом удается достичь сжатия голоса до уровня 10 Кбит/с.

Motorola MPR 6520/6560 представляет собой шасси, в которое можно установить различные платы расширения, в том числе Ethernet, Token Ring, а также платы для синхронной и асинхронной передачи данных и голосовые платы. В данном случае нас интересуют именно голосовые платы.

Motorola поддерживает 4 типа голосовых плат: FXS, FXO, E&M, а также специальные платы для соединения с цифровыми АТС - Voice Server Card. Ко всему прочему, при работе голосовых плат бывает необходима поддержка электрического питания на линии в 48 В (так называемый "подпор", обеспечивающий звонок при телефонном вызове). Для этого в MPR устанавливается плата под названием Ringer Support, которая не занимает отдельный разъем расширения, а устанавливается рядом. Одной такой платы хватает для обеспечения питанием всех установленных в MPR голосовых плат.

Рассмотрим эти платы подробнее. FXS имеет два голосовых порта и предназначена для подключения телефонов напрямую к MPR. В этом случае MPR выступает в качестве АТС. FXO и E&M используются для подключения к АТС; у каждой из них по 2 порта. При подключении к АТС плата FXO выступает в качестве телефона, а при аналогичном подключении платы E&M она выступает в качестве другой АТС. Всего в MPR можно установить до двух плат FXS, до шести FXO и семи E&M.

Плата Voice Server Card необходима для подключения к цифровым АТС, имеющим выходы E1, T1. MPR подключается к АТС через специальную плату E1 или T1, а рядом устанавливается плата Voice Server Card, основная функция которой - передача всего голосового трафика от АТС в frame relay плюс обслуживание этого голосового канала в соответствии с вышеупомянутыми правилами. Voice Server Card обеспечивает четыре голосовых канала, и в MPR можно установить до шести плат (24 голосовых канала).

Андрей Савченков, технический специалист компании Race Communications
158-4028, 198-9710
a.savchenkov@rcnet.ru.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями