WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«Б.С. Гольдштейн, А.В. Пинчук, А.Л. Суховицкий IP-ТЕЛЕФОНИЯ МОСКВА «РАДИО И СВЯЗЬ» 2001 УДК 621.395.34 Г63 ББК 32.881 Гольдштейн B.C., Пинчук А.В., СуховицкийА.Л. ...»

-- [ Страница 2 ] --

3.1.3 Устройства ограничения эффектов эха Существуют два типа устройств, предназначенных для ограничения вредных эффектов эха: эхозаградители и эхокомпенсаторы.

Эхозаградители появились в начале 70-х годов. Принцип их работы прост и состоит в отключении канала передачи, когда в канале приема присутствует речевой сигнал. Такая техника широко используется в дешевых телефонных аппаратах с громкоговорящей связью (speakerphones), однако простота не обеспечивает нормального качества связи - перебить говорящего становится невозможно, т.е.

связь, по сути, становится полудуплексной.

Эхокомпенсатор - это более сложное устройство, которое моделирует эхосигнал для последующего его вычитания из принимаемого сигнала (рис. 3.3). Эхо моделируется как взвешенная сумма задержанных копий входного сигнала или, иными словами, как свертка входного сигнала с оцененной импульсной характеристикой канала. Оценка импульсной характеристики происходит в тот момент, когда говорит только удаленный корреспондент, для чего используется детектор одновременной речевой активности. После вычитания синтезированной копии эхосигнала из сигнала обратного направления полученный сигнал подвергается нелинейной обработке для увеличения степени подавления эха (подавление очень слабых сигналов).

Рис. 3.3 Упрощенная блок-схема эхокомпенсатора Поскольку эхо моделируется только как линейный феномен, любые нелинейные процессы на пути его возникновения приводят к ухудшению работы эхокомпенсатора. Использование более сложных алгоритмов позволяет подавлять эхо, представляющее собой не только задержанный, но и сдвинутый по частоте сигнал, что часто происходит из-за наличия в ТфОП устаревших частотных систем передачи.

Реализация таких алгоритмов необходима для успешного функционирования эхокомпенсаторов в телефонных сетях на территории России и бывшего СССР, и поэтому алгоритмы эхокомпенсации в российском оборудовании IP-телефонии на базе интеллектуальной платформы Протей-IP разработаны именно с учетом сдвига эха по частоте. К проблемам технической реализации оборудования IP-телефонии мы еще вернемся в заключительной главе данной книги.

Эхокомпенсатор должен хранить амплитуды эхосигналов, задержанных на время от нуля до продолжительности самого длительного подавляемого эхосигнала. Это значит, что эхокомпенсаторы, рассчитанные на подавление более длительных эхосигналов, требуют для своей реализации большего объема памяти и большей производительности процессора. Таким образом, выгодно помещать эхокомпенсаторы «максимально близко», в смысле задержки, к источнику эха.

По изложенным выше причинам эхокомпенсаторы являются неотъемлемой частью шлюзов IP-телефонии. Алгоритмы эхо компенсации реализуются обычно на базе тех же цифровых сигнальных процессоров, что и речевые кодеки, и обеспечивают подавление эхосигналов длительностью до 32-64 мс. К эхокомпенсаторам терминалов громкоговорящей связи предъявляются гораздо более строгие требования, которые здесь рассматриваться не будут, так как проблема акустического эха не входит в число проблем, специфических для IP-телефонии.

3.2 Принципы кодирования речи Как стало ясно со времени изобретения Александра Белла, для того, чтобы передать речь через телефонную сеть, речевую информацию нужно преобразовать в аналоговый электрический сигнал.

При переходе к цифровым сетям связи возникла необходимость преобразовать аналоговый электрический сигнал в цифровой формат на передающей стороне, то есть закодировать, и перевести обратно в аналоговую форму, то есть декодировать, на приемной стороне.

Процесс преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму называют анализом или цифровым кодированием речи, а обратный процесс восстановления аналоговой формы речевого сигнала - синтезом или декодированием речи.

Цель любой схемы кодирования - получить такую цифровую последовательность, которая требует минимальной скорости передачи и из которой декодер может восстановить исходный речевой сигнал с минимальными искажениями.

При преобразовании речевого сигнала в цифровую форму, так или иначе, имеют место два процесса - дискретизация (sampling), т.е.

формирование дискретных во времени отсчетов амплитуды сигнала, и квантование, т.е. дискретизация полученных отсчетов по амплитуде (кодирование непрерывной величины - амплитуды - числом с конечной точностью). Эти две функции выполняются т.н. аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), которые размещаются в современных АТС на плате абонентских комплектов, а в случае передачи речи по IP-сетям - в терминале пользователя (компьютере или IP-телефоне).

Так называемая теорема отсчетов гласит, что аналоговый сигнал может быть успешно восстановлен из последовательности выборок с частотой, которая превышает, как минимум, вдвое максимальную частоту, присутствующую в спектре сигнала. В телефонных сетях полоса частот речевого сигнала намеренно, посредством специальных фильтров, ограничена диапазоном 0.3 - 3.4 кГц, что не влияет на разборчивость речи и позволяет узнавать собеседника по голосу. По этой причине частота дискретизации при аналого-цифровом преобразовании выбрана равной 8кГц, причем такая частота используется во всех телефонных сетях на нашей планете.

Рис. 3.4 Дискретизация и квантование аналогового речевого сигнала При квантовании непрерывная величина отображается на множество дискретных значений, что, естественно, приводит к потерям информации. Для того, чтобы обеспечить в такой схеме достаточный динамический диапазон (способность передавать без искажений как сильные, так и слабые сигналы), дискретная амплитуда сигнала кодируется 12/13-ти разрядным двоичным числом по линейному закону.

Процесс аналого-цифрового преобразования получил, применительно к системам связи, название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Чтобы снизить необходимую скорость передачи битов, применяют нелинейный (логарифмический) закон квантования, т.е. квантованию подвергается не амплитуда сигнала, а ее логарифм. В данном случае имеет место процесс «сжатия» динамического диапазона сигнала, а при восстановлении сигнала происходит обратный процесс.

После длительных и бурных дебатов в отношении законов кодирования сегодня применяются две основные разновидности ИКМ:

с кодированием по (m-закону и по А-закону. В результате сжатия сигнал с амплитудой, кодируемой 12-13 битами, описывается всего восемью битами. Различаются эти разновидности ИКМ деталями процесса сжатия (m-закон кодирования предпочтительнее использовать при малой амплитуде сигнала и при малом отношении сигнал/шум).

Исторически сложилось так, что в Северной Америке используется кодирование по m-закону, а в Европе - по А-закону. Поэтому при международной связи во многих случаях требуется преобразование m закона в А-закон, ответственность за которое несет страна, в которой используется m-закон кодирования. В обоих случаях каждый отсчет кодируется 8 битами, или одним байтом, который можно считать звуковым фрагментом. Для передачи последовательности таких фрагментов необходима пропускная способность канала, равная Кбит/с. Это определяется простыми арифметическими действиями: 000 Гц * 2 = 8 000 отсчетов/с, 8 000 отсчетов/с * 8 битов = 64 Кбит/с, что составляет основу всей цифровой телефонии. Поскольку ИКМ была первой стандартной технологией, получившей широкое применение в цифровых системах передачи, пропускная способность канала, равная 64 Кбит/с, стала всемирным стандартом для цифровых сетей всех видов, причем - стандартом, который обеспечивает передачу речи с очень хорошим качеством. Соответствующие процедуры кодирования и декодирования стандартизованы ITU-T в рекомендации G.711.

Однако такое высокое качество передачи речевого сигнала (являющееся эталоном при оценке качества других схем кодирования) достигнуто в системах ИКМ за счет явно избыточной, при современном уровне технологии, скорости передачи информации.

Чтобы уменьшить присущую ИКМ избыточность и снизить требования к полосе пропускания, последовательность чисел, полученная в результате преобразования речевого аналогового сигнала в цифровую форму, подвергается математическим преобразованиям, позволяющим уменьшить необходимую скорость передачи. Эти преобразования «сырого» цифрового потока в поток меньшей скорости называют «сжатием» (а часто - кодированием, рассматривая ИКМ как некую отправную точку для дальнейшей обработки информации).

Существует множество подходов к «сжатию» речевой информации;

все их можно разделить на три категории: кодирование формы сигнала (waveform coding), кодирование исходной информации (source coding) и гибридное кодирование, представляющее собой сочетание двух предыдущих подходов.

3.2.1 Кодирование формы сигнала Импульсно-кодовая модуляция, по сути, и представляет собой схему кодирования формы сигнала. Однако нас интересуют более сложные алгоритмы, позволяющие снизить требования к полосе пропускания.

Рассматриваемые методы кодирования формы сигнала используют то обстоятельство, что между случайными значениями нескольких следующих подряд отсчетов существует некоторая зависимость. Проще говоря, значения соседних отсчетов обычно мало отличаются одно от другого. Это позволяет с довольно высокой точностью предсказать значение любого отсчета на основе значений нескольких предшествовавших ему отсчетов.

При построении алгоритмов кодирования названная закономерность используется двумя способами. Во-первых, есть возможность изменять параметры квантования в зависимости от характера сигнала. В этом случае шаг квантования может изменяться, что позволяет до некоторой степени сгладить противоречие между уменьшением числа битов, необходимых для кодирования величины отсчета при увеличении шага квантования, и сужением динамического диапазона кодера, неизбежным без адаптации (о которой речь пойдет ниже). Некоторые алгоритмы предусматривают изменение параметров квантования приблизительно в рамках произносимых слогов, а некоторые изменяют шаг квантования на основе анализа статистических данных об амплитуде сигнала, полученных за относительно короткий промежуток времени.

Во-вторых, существует подход, называемый дифференциальным кодированием или линейным предсказанием. Вместо того, чтобы кодировать входной сигнал непосредственно, кодируют разность между входным сигналом и «предсказанной» величиной, вычисленной на основе нескольких предыдущих значений сигнала.

Если отсчеты входного сигнала обозначить как y(i), то предсказанное значение в момент времени i представляет собой линейную комбинацию нескольких р предыдущих отсчетов:

y(i)=a,y(i-1)+a;

,y(i-2)+...+apy(i-p) где множители а, называются коэффициентами предсказания.

Разность e(i)=y(i)-y(i) имеет меньший динамический диапазон и может кодироваться меньшим числом битов, что позволяет снизить требования к полосе пропускания.

Описанный метод называется линейным предсказанием, так как он использует только линейные функции предыдущих отсчетов.

Коэффициенты предсказания выбираются так, чтобы минимизировать среднеквадратическое значение ошибки предсказания e(i), при этом значения коэффициентов изменяются, в среднем, каждые 10-25 мс.

Простейшей (и представляющей сегодня, скорее, исторический интерес) реализацией последнего подхода является так называемая дельта-модуляция (ДМ), алгоритм которой предусматривает кодирование разности между соседними отсчетами сигнала только одним информационным битом, обеспечивая передачу, по сути, только знака разности.

Наиболее совершенным алгоритмом, построенным на описанных выше принципах, является алгоритм адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ), предложенный ITU-T в рекомендации G.726. Алгоритм предусматривает формирование сигнала ошибки предсказания и его последующее адаптивное квантование. Существует версия этого алгоритма, в которой информационные биты выходного цифрового потока организованы по иерархической схеме, что позволяет отбрасывать наименее значимую информацию, не уведомляя об этом кодер, и получать поток меньшей скорости за счет некоторого ухудшения качества. Документ G. специфицирует кодирование при скоростях 40, 32, 24 и 16 Кбит/с, что соответствует передаче 5, 4, 3 или 2 битов на отсчет. Качество речи, передаваемой с использованием АДИКМ G.726 при скорости 32 Кбит/с соответствует качеству речи, обеспечиваемому алгоритмом кодирования G.711.

При достаточно хороших характеристиках алгоритма, АДИКМ практически не применяется для передачи речи по сетям с коммутацией пакетов, так как этот алгоритм очень чувствителен к потерям целых блоков отсчетов, происходящим при потерях пакетов в сети. В таких случаях нарушается синхронизация кодера и декодера, что приводит к катастрофическому ухудшению качества воспроизведения речи даже при малой вероятности потерь.

3.2.2 Кодеры исходной информации (вокодеры) и гибридные алгоритмы Многие методы кодирования используют особенности человеческой речи, связанные со строением голосового аппарата.

Кодеры, в которых реализуются такие методы, называют кодерами исходной информации или вокодерами (voice coding).

Звуки речи образуются при прохождении выдыхаемого воздуха через голосовой аппарат человека, важнейшими элементами которого являются язык, нёбо, губы, зубы и голосовые связки. В формировании того или иного звука участвует та или иная часть этих элементов. Если звук формируется с участием голосовых связок, поток воздуха из легких вызывает их колебание, что порождает звуковой гон.

Последовательность формируемых таким образом звуков составляет тоновую речь (или тоновый сегмент речи). Если звук формируется безучастия связок, тон в нем отсутствует, и последовательность таких звуков составляет нетоновую речь {нетоновый сегмент речи). Спектр тонового звука может быть смоделирован путем подачи специальным образом сформированного сигнала возбуждения на вход цифрового фильтра с параметрами, определяемыми несколькими действительными коэффициентами. Спектр нетоновых звуков практически равномерный, что обусловлено их шумовым характером.

В реальных речевых сигналах не все звуки можно четко разделить на тоновые и нетоновые, а приходится иметь дело с некими переходными вариантами, что затрудняет создание алгоритмов кодирования, обеспечивающих высокое качество передачи речи при низкой скорости передачи информации.

Рис. 3.5 иллюстрирует описанную упрощенную модель функционирования голосового тракта человека. Работа кодера, согласно такой модели, состоит в том, чтобы, анализируя блок отсчетов речевого сигнала, вычислить параметры соответствующего фильтра и параметры возбуждения (тоновый/нетоновый сегмент речи, частота тона, громкость и т.д.).

Рис. 3.5 Модель функционирования голосового тракта Описанный принцип кодирования получил название LPC (Linear Prediction Coding - кодирование с линейным предсказанием), поскольку центральным элементом модели голосового тракта является линейный фильтр. Наиболее известный стандартный алгоритм, построенный по описанному принципу, был стандартизован министерством обороны США под названием LPC-10, где число 10 соответствует количеству коэффициентов фильтра. Данный кодер обеспечивает очень низкую скорость передачи информации 2.4 Кбит/с, однако качество воспроизводимых речевых сигналов оставляет желать лучшего и не удовлетворяет требованиям коммерческой речевой связи - речь носит ярко выраженный «синтетический» характер.

Как уже отмечалось, алгоритмы кодирования формы сигнала основаны на наличии корреляционных связей между отсчетами сигнала, которые дают возможность линейного предсказания. В сочетании с адаптивным квантованием этот подход позволяет обеспечить хорошее качество речи при скорости передачи битов порядка 24-32 Кбит/с. LPC кодеры (вокодеры) используют простую математическую модель голосового тракта и позволяют использовать очень низкие скорости передачи информации 1200-2400 бит/с, однако ценой «синтетического» характера речи.

Гибридные алгоритмы кодирования и алгоритмы типа «анализ путем синтеза» (ABS) представляют собой попытки совместить положительные свойства двух описанных выше основных подходов и строить эффективные схемы кодирования с диапазоном скоростей передачи битов 6-16Кбит/с.

Важное отличие кодеров такого типа состоит в том, что в рамках этих алгоритмов нет необходимости принимать решение о типе воспроизводимого звука (тоновый или нетоновый), так как предусматриваются специальные меры для кодирования сигнала ошибки после прохождения возбуждения через LPC-фильтр. Например, сигнал ошибки может быть закодирован по алгоритму, аналогичному АДИКМ, что обеспечит высокую точность его передачи. ABS-кодеры не могут быть строго классифицированы как кодеры формы сигнала, однако реально целью процедуры минимизации ошибки (рис. 3.6), т.е.

различия между входным и синтезированным сигналами, является синтез на выходе кодера сигналов, форма которых наиболее близка к форме входных. ABS-декодер является малой частью кодера и очень прост (рис. 3.7).

Рис. 3.6 Упрощенная блок-схема ABS-кодера Рис. 3.7 Упрощенная блок - схема ABS - декодера 3.2.3 Процессоры цифровой обработки сигналов для речевых кодеков Узкополосному кодированию речевых сигналов дорогу на рынок коммерческих приложений открыло развитие микроэлектроники и, в частности, появление дешевых процессоров цифровой обработки сигналов (DSP - Digital Signal Processor) в интегральном исполнении. До этого цифровая обработка сигналов (в том числе, узкополосное кодирование речи) была уделом разработчиков аппаратуры для нужд армии и спецслужб.

Процессоры DSP имеют архитектуру, оптимизированную для выполнения операций, которые характерны для типичных алгоритмов обработки сигналов. В качестве примеров таких операций можно назвать умножение с накоплением, а также выборку операндов с бит инверсной адресацией, необходимую для выполнения быстрого преобразования Фурье.

Архитектура процессоров DSP часто характеризуется наличием нескольких вычислительных блоков, обеспечивающих выполнение одновременных операций в одном такте работы процессора. Для загрузки вычислительных блоков данными предусматривается несколько шин передачи данных и многопортовая память данных. Для увеличения производительности память инструкций и память данных разделены, а доступ к ним осуществляется также по раздельным шинам.

Для процессоров DSP характерно использование инструкций увеличенной длины, содержащих поля для управления всеми вычислительными блоками.

Физически процессоры DSP выполняются в виде интегральных микросхем, содержащих в одном кристалле ядро процессора, память и периферийные устройства для обмена информацией. Наличие встроенной памяти обеспечивает быстрый доступ ядра к ее содержимому для получения максимальной производительности.

Существует множество модификацией процессоров DSP, различающихся производительностью, объемом памяти, потребляемой мощностью. В оборудовании IP-телефонии используются дешевые процессоры со средней производительностью и малой потребляемой мощностью, ориентированные на реализацию малого числа (единицы) каналов обработки речевой информации и применяемые, в основном, в составе терминальных устройств, или мощные высокопроизводительные процессоры, ориентированные на многоканальные (десятки каналов) приложения и используемые в составе таких групповых устройств как многоканальные шлюзы IP телефонии, подключаемые к ТфОП по цифровым трактам Е1.

Одними из самых известных производителей DSP являются фирмы Texas Instruments (www.ti.com). Analog Devices (www.analog.com).

Motorola (www.motorola.com). на сайтах которых можно получить дополнительную информацию о номенклатуре DSP и об их применении.

Оборудование ПРОТЕЙ-1Р использует DSP с лицензированным у одной из ведущих в дан ной области фирм программным обеспечением, реализующим необходимые алгоритмы (речевые кодеки, факс, модем).

Это позволило, опираясь на существующий опыт, резко сократить время выхода оборудования на рынок. Кроме того, в данном случае исключается трудоемкая и длительная процедура лицензирования алгоритмов речевых кодеков (G.723.1, G.729), требующая значительных единовременных финансовых затрат. По такому же пути идут и ведущие мировые производители оборудования VolP (Cisco, Dialogic и др.), лицензируя программное обеспечение DSP у компаний, специализирующихся именно в этой области, и концентрируя свои силы на реализации тех функций, которые традиционно обеспечивают данным производителям оборудования технологическое лидерство.

3.2.4 Основные алгоритмы кодирования речи, используемые в IP-телефонии В первую очередь необходимо понять, какими критериями нужно руководствоваться при выборе «хорошего» кодекадля использования в IP-телефонии.

Использование полосы пропускания канала Скорость передачи, которую предусматривают имеющиеся сегодня узкополосные кодеки, лежит в пределах 1.2 - 64 Кбит/с. Естественно, что от этого параметра прямо зависит качество воспроизводимой речи.

Существует множество подходов к проблеме определения качества.

Наиболее широко используемый подход оперирует оценкой MOS (Mean Opinion Score), которая определяется для конкретного кодека как средняя оценка качества большой группой слушателей по пятибалльной шкале. Для прослушивания экспертам предъявляются разные звуковые фрагменты - речь, музыка, речь на фоне различного шума и т.д. Оценки интерпретируют следующим образом:

• 4-5 - высокое качество;

аналогично качеству передачи речи в ISDN, или еще выше;

• 3.5-4- качество ТфОП (toll quality);

аналогично качеству речи, передаваемой с помощью кодека АДИКМ при скорости 32 Кбит/с. Такое качество обычно обеспечивается в большинстве телефонных разговоров. Мобильные сети обеспечивают качество чуть ниже toll quality;

• 3-3.5- качество речи, по-прежнему, удовлетворительно, однако его ухудшение явно заметно на слух;

• 2.5-3 - речь разборчива, однако требует концентрации внимания для понимания. Такое качество обычно обеспечивается в системах связи специального применения (например, в вооруженных силах).

В рамках существующих технологий качество ТфОП (toll quality) невозможно обеспечить при скоростях менее 5 Кбит/с.

Подавление периодов молчания (VAD, CNG, DTX) При диалоге один его участник говорит, в среднем, только процентов времени. Таким образом, если применить алгоритмы, которые позволяют уменьшить объем информации, передаваемой в периоды молчания, то можно значительно сузить необходимую полосу пропускания. В двустороннем разговоре такие меры позволяют достичь сокращения объема передаваемой информации до 50%, а в децентрализованных многоадресных конференциях (за счет большего количества говорящих) - и более. Нет никакого смысла организовывать многоадресные конференции с числом участников больше 5-6, не подавляя периоды молчания. Технология подавления таких периодов имеет три важные составляющие.

Нужно отметить, что определение границ пауз в речи очень существенно для эффективной синхронизации передающей и приемной сторон: приемник может, незначительно изменяя длительности пауз, производить подстройку скорости воспроизведения для каждого отдельного сеанса связи, что исключает необходимость синхронизации тактовых генераторов всех элементов сети, как это имеет место в ТфОП.

Детектор речевой активности (Voice Activity Detector - VAD) необходим для определения периодов времени, когда пользователь говорит. Детектор VAD должен обладать малым временем реакции, чтобы не допускать потерь начальных слов и не упускать бесполезные фрагменты молчания в конце предложений;

в то же время детектор VAD не должен срабатывать от воздействия фонового шума.

Детектор VAD оценивает энергию входного сигнала и, если она превышает некоторый порог, активизирует передачу. Если бы детектор отбрасывал всю информацию до момента, пока энергия сигнала не стала выше порога, то происходило бы отрезание начальной части периода активности. Поэтому реализации VAD требуют сохранения в памяти нескольких миллисекунд информации, чтобы иметь возможность запустить передачу до начала периода активности. Это увеличивает, в некоторой степени, задержку прохождения сигнала, однако ее можно минимизировать или свести к нулю в кодерах, работающих с блоками отсчетов.

Поддержка прерывистой передачи (Discontinuous Transmission DTX) позволяет кодеку прекратить передачу пакетов в тот момент, когда VAD обнаружил период молчания. Некоторые наиболее совершенные кодеры не прекращают передачу полностью, а переходят в режим передачи гораздо меньшего объема информации (интенсивность, спектральные характеристики), нужной для того, чтобы декодер на удаленном конце мог восстановить фоновый шум.

Генератор комфортного шума (Comfort Noise Generator - CNG) служит для генерации фонового шума. В момент, когда в речи активного участника беседы начинается период молчания, терминалы слушающих могут просто отключить воспроизведение звука. Однако это было бы неразумно. Если в трубке возникает «гробовая тишина», т.е. фоновый шум (шум улицы и т.д.), который был слышен во время разговора, внезапно исчезает, то слушающему кажется, что соединение по каким то причинам нарушилось, и он обычно начинает спрашивать, слышит ли его собеседник.

Генератор CNG позволяет избежать таких неприятных эффектов.

Простейшие кодеки просто прекращают передачу в период молчания, и декодер генерирует какой-либо шум с уровнем, равным минимальному уровню, отмеченному в период речевой активности. Более совершенные кодеки (G.723.1 Annex A, G. 729 Annex В) имеют возможность предоставлять удаленному декодеру информацию для восстановления шума с параметрами, близкими к фактически наблюдавшимся.

Размер кадра Большинство узкополосных кодеков обрабатывает речевую информацию блоками, называемыми кадрами (frames), и им необходимо производить предварительный анализ отсчетов, следующих непосредственно за отсчетами в блоке, который они в данный момент кодируют.

Размер кадра важен, так как минимальная теоретически достижимая задержка передачи информации (алгоритмическая задержка) определяется суммой этого параметра и длины буфера предварительного анализа. В действительности процессоры цифровой обработки сигналов, которые выполняют алгоритм кодирования, имеют конечную производительность, так что реальная задержка сигнала больше теоретической.

Можно, казалось бы, заключить, что кодеки с меньшим размером кадра лучше в смысле такого важного критерия как минимизация задержки. Если, однако, учесть, что происходит при передаче информации по сети, то мы увидим, что к кадру, сформированному кодеком, добавляется множество дополнительной информации заголовки IP (20 байтов), UDP (8 байтов), RTP (12 байтов). Для кодека с длительностью кадра 30 мс посылка таких кадров по сети привела бы к передаче избыточной информации со скоростью 10.6 кбит/с, что превышает скорость передачи речевой информации у большинства узкополосных кодеков.

Поэтому обычно используется пересылка нескольких кадров в пакете, при этом их количество ограничено максимально допустимой задержкой. В большинстве случаев в одном пакете передается до 60 мс речевой информации. Чем меньше длительность кадра, тем больше кадров приходится упаковывать в один пакет, т.е. задержка определяется вовсе не длиной кадра, а практически приемлемым объемом полезной нагрузки в пакете.

Кроме того, кодеки с большей длиной кадра более эффективны, так как здесь действует общий принцип: чем дольше наблюдается явление (речевой сигнал), тем лучше оно может быть смоделировано.

Чувствительность к потерям кадров Потери пакетов являются неотъемлемым атрибутом IP-сетей. Так как пакеты содержат кадры, сформированные кодеком, то это вызывает потери кадров. Но потери пакетов и потери кадров не обязательно напрямую связаны между собой, так как существуют подходы (такие как применение кодов с исправлением ошибок -forward error correction), позволяющие уменьшить число потерянных кадров при данном числе потерянных пакетов. Требующаяся для этого дополнительная служебная информация распределяется между несколькими пакетами, так что при потере некоторого числа пакетов кадры могут быть восстановлены.

Однако положительный эффект от введения избыточности для борьбы с потерями пакетов не столь легко достижим, поскольку потери в IP-сетях происходят пачками, т.е. значительно более вероятно то, что будет потеряно сразу несколько пакетов подряд, чем то, что потерянные пакеты распределятся в последовательности переданных пакетов по одному. Так что если применять простые схемы введения избыточности (например, повторяя каждый кадр в двух последовательно передаваемых пакетах), то в реальных условиях они, хотя и увеличат объем избыточной информации, но, скорее всего, окажутся бесполезными.

Кроме того, введение избыточности отрицательно сказывается на задержке воспроизведения сигнала. Например, если мы повторяем один и тот же кадр в четырех пакетах подряд, чтобы обеспечить возможность восстановления информации при потере трех подряд переданных пакетов, то декодер вынужден поддерживать буфер из четырех пакетов, что вносит значительную дополнительную задержку воспроизведения.

Влияние потерь кадров на качество воспроизводимой речи зависит от используемого кодека. Если потерян кадр, состоящий из N речевых отсчетов кодека G.711, то на приемном конце будет отмечен пропуск звукового фрагмента длительностью М*125 мкс. Если используется более совершенный узкополосный кодек, то потеря одного кадра может сказаться на воспроизведении нескольких следующих, так как декодеру потребуется время для того, чтобы достичь синхронизации с кодером - потеря кадра длительностью 20 мс может приводить к слышимому эффекту в течение 150 мс и более.

Кодеры типа G.723.1 разработаны так, что они функционируют без существенного ухудшения качества в условиях некоррелированных потерь до 3% кадров, однако при превышении этого порога качество ухудшается катастрофически.

3.3 Кодеки, стандартизованные ITU-T 3.3.1 Кодек G. Кодек G.711 - «дедушка» всех цифровых кодеков речевых сигналов, был одобрен ITU-T в 1965 году. Применяемый в нем способ преобразования аналогового сигнала в цифровой с использованием полулогарифмической шкалы был достаточно подробно описан выше.

Типичная оценка MOS составляет 4.2. В первую очередь.отметим, что, как и для ТфОП, минимально необходимым для оборудования VolP является ИКМ-кодирование G.711. Это означает, что любое устройство VolP должно поддерживать этот тип кодирования.

3.3.2 Кодек G.723. Рекомендация G.723.1 утверждена ITU-T в ноябре 1995 года.

Форум IMTC выбрал кодек G.723.1 как базовый для приложений IP телефонии.

Кодек G.723.1 производит кадры длительностью 30 мс с продолжительностью предварительного анализа 7.5 мс. Предусмотрено два режима работы: 6.3 Кбит/с (кадр имеет размер 189 битов, дополненных до 24 байтов) и 5.3 Кбит/с (кадр имеет размер 158 битов, дополненных до 20 байтов). Режим работы может меняться динамически от кадра к кадру. Оба режима обязательны для реализации.

Оценка MOS составляет 3.9 в режиме 6.3 Кбит/с и 3.7 в режиме 5. Кбит/с.

Кодек специфицирован на основе операций как с плавающей точкой, так и с фиксированной точкой в виде кода на языке С.

Реализация кодека на процессоре с фиксированной точкой требует производительности около 16 MIPS.

Кодек G.723.1 имеет детектор речевой активности и обеспечивает генерацию комфортного шума на удаленном конце в период молчания.

Эти функции специфицированы в приложении A (Annex А) к рекомендации G.723.1. Параметры фонового шума кодируются очень маленькими кадрами размером 4 байта. Если параметры шума не меняются существенно, передача полностью прекращается.

3.3.3 Кодек G. Алгоритм кодирования АДИКМ (рекомендация ITU-TG.726, принятая в 1990 г.) описан выше. Он обеспечивает кодирование цифрового потока G.711 со скоростью 40, 32, 24 или 16 Кбит/с, гарантируя оценки MOS на уровне 4.3 (32 Кбит/с), что часто принимается за эталон уровня качества телефонной связи (toll quality). В приложениях IP-телефонии этот кодек практически не используется, так как он не обеспечивает достаточной устойчивости к потерям информации (см. выше).

3.3.4 Кодек G. Кодек G.728 использует оригинальную технологию с малой задержкой LD-CELP (low delay code excited linear prediction) и гарантирует оценки MOS, аналогичные АДИКМ G.726 при скорости передачи 16 Кбит/с. Данный кодек специально разрабатывался как более совершенная замена АДИКМ для оборудования уплотнения телефонных каналов, при этом было необходимо обеспечить очень малую величину задержки (менее 5 мс), чтобы исключить необходимость применения эхокомпенсаторов Это требование было успешно выполнено учеными Bell JLabs в 1992 году: кодер имеет длительность кадра только 0.625 мс. Реально задержка может достигать 2.5 мс, так как декодер должен поддерживать синхронизацию в рамках структуры из четырех кадров.

Недостатком алгоритма является высокая сложность - около MIPS для кодера и 13 MIPS для декодера - и относительно высокая чувствительность к потерям кадров.

3.3.5 Кодек G. Кодек G.729 очень популярен в приложениях передачи речи по сетям Frame Relay. Он использует технологию CS-ACELP (Conjugate Structure, Algebraic Code Excited Linear Prediction). Кодек использует кадр длительностью 10 мс и обеспечивает скорость передачи 8 Кбит/с. Для кодера необходим предварительный анализ сигнала продолжительностью 5 мс.

Существуют два варианта кодека:

• G.729 (одобрен ITU-T в декабре 1996), требующий около 20 MIPS для кодера и 3 MIPS для декодера.

• Упрощенный вариант G.729A (одобрен ITU-T в ноябре 1995), требующий около 10.5 MIPS для реализации кодера и около 2 MIPS для декодера.

В спецификациях G.729 определены алгоритмы VAD, CNG и DTX.

В периоды молчания кодер передает 15-битовые кадры с информацией о фоновом шуме, если только шумовая обстановка изменяется.

3.4 Кодеки, стандартизованные ETSI В рамках деятельности европейского института ETSI стандартизованы узкополосные кодеки для применения в системах мобильной связи (GSM).

Спецификации кодека GSM Full Rate, известного также как GSM 06.10, утверждены в 1987г. Это первый и, скорее всего, наиболее известный из узкополосных кодеков, применяемый в миллионах мобильных телефонов по всему миру. Обеспечивает хорошее качество и устойчивую работу в условиях фонового шума (оценка MOS порядка 3.7 в условиях без шума). Кодируются кадры длительностью 20 мс, образуя цифровой поток со скоростью 13 Кбит/с. Кодек не требует высокой производительности процессора - необходимо только 4.5 MIPS для дуплексной реализации. Кодек очень важен для некоммерческих проектов в области IP-телефонии, особенно -для проектов, связанных с открытым распространением исходных текстов ПО (open source), благодаря возможности бесплатного лицензирования. Такие проекты сегодня могут использовать только кодеки GSM FR и G.711, а также АДИКМ.

Существуют также спецификации кодеков GSM Half Rate, принятые в 1994 году, и GSM Enhanced Full Rate, принятые в 1995 году.

Характеристики этих кодеков превосходят характеристики исходного варианта, описанного выше, однако алгоритмы требуют большей производительности процессора (до 30 MIPS). В приложениях IP телефонии они, по разным причинам, распространения пока не получили.

Рассмотрение кодеков было бы неполным, если бы, наряду со специфицированными ITU-T и ETSI, не были упомянуты и т.н.

нестандартные кодеки.

Сегодня в приложениях VolP, кроме кодеков, прошедших процедуры международной стандартизации в ITU-T и ETSI, в продуктах ряда фирм-производителей применяются также нестандартные внутрифирменные алгоритмы. Такие алгоритмы часто лицензируются для использования в продуктах других компаний. В качестве примеров можно назвать такие кодеки, как Lucent/Elemedia SX7003P, имеющий очень хорошие характеристики при умеренной вычислительной сложности, и Voxware RT24, который предусматривает сверхнизкую (2. Кбит/с) скорость передачи информации при сохранении достаточно хорошего качества речи (оценка MOS около 3.2).

3.5 Передача сигналов DTMF Строго говоря, сигналы многочастотного набора номера (DTMF) это не что иное, как просто звуковые сигналы, передаваемые по телефонному каналу. При передаче их по цифровой телефонной сети не возникает никаких проблем, так как кодирование при помощи алгоритма G.711 не накладывает никаких ограничений на вид звуковых сигналов - это может быть речь, сигналы модема, или тональные сигналы - все они будут успешно воспроизведены на принимающей стороне.

Узкополосные кодеки, чтобы достичь низких скоростей передачи, используют тот факт, что сигнал, который они кодируют, представляет именно речь. Сигналы DTMF при прохождении через такие кодеки искажаются и не могут быть успешно распознаны приемником на приемной стороне.

Когда пользователю ТфОП нужно ввести какую-то дополнительную информацию в удаленную систему при уже установленном соединении (например, номер дебитной карты или номер пункта меню автоинформатора), необходимо обеспечить возможность надежной передачи DTMF-сигналов через сеть IP-телефонии. В случаях, когда система, взаимодействующая с пользователем, просто задает вопрос и ждет ввода, длительность и момент передачи сигнала не важны. В других случаях система зачитывает пользователю список и просит его нажать, например, кнопку «#», как только он услышит нужную информацию;

здесь ситуация более сложная, и необходима более точная привязка ко времени.

Существуют два основных метода передачи сигналов DTMF по сетям IP-телефонии.

• Обязательный метод. Специальное сообщение протокола Н. (Userlnputlndication) может содержать символы цифр и «*», «#». В данном случае используется надежное TCP-соединение, так что информация не может быть потеряна. Однако из-за особенностей TCP могут иметь место значительные задержки;

• Нестандартный метод, предложенный Форумом VolP. Он может быть применен в терминалах H.323v2 при использовании процедуры fastStart и отсутствии канала Н.245. Для передачи сигналов DTMF открывается специальная RTP-сессия, в которой передаются кодированные значения принятых цифр, а также данные об амплитуде и длительности сигналов. Может быть использована та же сессия, что и для речи, но со специальным типом полезной нагрузки. Использование RTP позволяет привязать DTMF- сигналы к реальному времени, что является важным преимуществом данного метода.

В принципе, первый метод может быть более предпочтительным, однако в случае международных вызовов и при использовании удаленных cистем, требующих жесткой привязки ввода пользователя ко времени, может оказаться необходимым применить второй метод.

Шлюзы IP-телефонии должны обязательно подавлять искаженные сигналы DTMF, прошедшие через основной речевой канал. В противном случае, при восстановлении сигналов, о которых была принята информация, могут возникнуть неприятные эффекты наложения и размножения сигналов.

3.6 Передача факсимильной информации В становлении IP-телефонии, наряду с телефоном, значительную роль сыграл телефакс. Идею нынешнего телефакса (от греческого «теле» - далеко и латинского «facsimale» - делай подобное) предложил англичанин Александр Байн в 1843 году, то есть за 33 года до появления телефона. В такой же последовательности (начиная с факсов) стали практически использоваться преимущества IP-телефонии с ее весьма низкими тарифами для передачи информации на дальние расстояния.

Значительный экономический эффект от такого применения обусловлен чрезвычайно высокой распространенностью факс-машин;

в мире их насчитывается много миллионов.

Говоря о распространенности факс-машин, отметим, что имеются в виду аппараты группы 3, специфицированные в рекомендации ITU TT.30. Именно появление этой технологии и открыло дорогу широкому внедрению услуг факсимильной связи. Оказалось, что функции, реализованные в факсах группы 3, вполне устраивают пользователей, а стандарт практически не требует развития. Об этом свидетельствует тот факт, что более современная технология, т.н. факс группы 4, не получила никакого распространения и практически забыта. На наш взгляд, неуспех этой технологии можно объяснить тем, что, во-первых, все ее потенциальные преимущества (передача цветных изображений, высокая скорость обмена и т.д.) проще и дешевле реализуются на базе компьютерных технологий (обмен файлами по электронной почте, например), а во-вторых, сеть ISDN, на которую были ориентированы факсы группы 4, не получила глобального распространения.

Что же касается необходимости обеспечить возможность обмена факсимильными сообщениями факс-машин группы 3, то, в силу огромного количества последних, без такой функции не имеет смысла даже рассуждать о предоставлении услуг ТфОП на базе IP-сетей.

Пересылка факсов через Интернет не является чем-то новым. Очень многие компании предлагают услуги факс-серверов отложенной доставки (Store & Forward). Пользователь отправляет факс на специальный сервер по заранее установленному телефонному номеру, вводя вслед за этим телефонный номер пункта назначения. Сервер, имитирующий работу факса принимающей стороны, принимает сообщение, преобразует его в набор графических файлов и отправляет данные файлы через Интернет к другому серверу, который находится ближе к месту назначения, например, в другой стране. Сервер получатель организует связь с пунктом назначения по полученному им телефонному номеру и передает факсимильное сообщение адресату, уведомляя отправителя об успешной (или неуспешной) передаче.

Технология Store & Forward Fax описана в рекомендации Т.37.

Использование такого принципа пересылки факсов не очень удобно с точки зрения как пользователя, так и оператора сети IP телефонии. Для пользователя в данном случае теряется одно из важнейших преимуществ факсимильной технологии - возможность сразу же узнать результат пересылки: доставлен ли документ, и с каким качеством он доставлен. Оператора же технология Store&Forward вынуждает принимать на себя дополнительную ответственность за успешную доставку сообщения, в то время как оно может оказаться не доставленным не по вине оператора, а просто потому, что адресат забыл включить свою факс-машину.

Единственным полноценным решением этих проблем является организация передачи факсов по IP-сетям в реальном времени и так, чтобы пользователи двух факсимильных аппаратов не подозревали о том, что связь между их терминалами осуществляется с использованием сети с коммутацией пакетов. К счастью, спецификации протокола передачи факсимильной информации группы 3 позволяют реализовать такое решение. Результатом усилий ITU-T в данном направлении стала рекомендация Т.38, определяющая процедуры взаимодействия факсимильных терминалов группы 3 в реальном времени с использованием IP-сетей. Эта рекомендация позволяет обмен факсимильной информацией между факсами с использованием шлюзов, между факсом и компьютером, подключенными к Интернет, или даже между компьютерами, хотя последнее не кажется полезным свойством - просто при установлении соединения мы можем не догадываться, что имеем дело с компьютером, а не с факсом.

Принцип передачи факсов в реальном времени очевиден: на ближнем конце сигналы факса демодулируются и упаковываются в пакеты двоичных данных, а на удаленном конце происходит их восстановление в вид, пригодный для передачи по каналам ТфОП.

Кроме собственно информационных пакетов, содержащих управляющие последовательности и графические данные, передается также информация обо всех прочих событиях, связанных с передачей факса, т.е. о тональных сигналах и служебных последовательностях, необходимых для настройки приемников модемных сигналов. Такой подход, по понятным причинам, не требует для передачи факса значительной полосы пропускания. Однако нужно отдавать себе отчет в том, что факсимильные сессии более требовательны к качеству обслуживания, чем речевые, в связи с особенностями протокола передачи факсимильной информации. Действительно, потеря 100 мс речевой информации может быть воспринята лишь как щелчок, тогда как для факсимильной сессии потеря всего одного информационного пакета может обернуться потерей нескольких строк изображения.

Рекомендация Т.38 предусматривает использование особого протокола IFP, цель которого - перенос сообщений между шлюзами и/или компьютерами. Сообщения IFP, в свою очередь, могут передаваться внутри TCP-соединения или с использованием UDP, причем в последнем случае предусматривается введение информационной избыточности, обеспечивающей восстановление одиночных потерянных пакетов. Использование протокола Т. закреплено в рамках рекомендации Н.323. Обязательным условием является поддержка протокола TCP для переноса информации IFP, а использование протокола UDP является лишь возможным вариантом.

Информация IFP передается по двум логическим каналам (от отправителя к получателю и в обратном направлении). Когда в качестве транспорта применяется протокол TCP, существует два возможных варианта: передавать сообщения IFP, используя их Туннелирование в канале H.225.0/Q.931, или использовать для этого выделенное соединение.

Несмотря на то, что согласно ITU-T реализация на основе протокола TCP является обязательной, в шлюзах большинства крупных производителей реализован транспорт IFP поверх протокола UDP.

Отчасти это можно объяснить тем, что при таком решении механизм открытия логических каналов выглядит совершенно аналогично механизму, используемому для передачи речевой информации. Кроме того, протокол Т.38 обычно реализуется на основе либо тех же DSP, что и речевые кодеки, либо специализированного процессора, обеспечивающего пересылку речевой информации, а для таких процессоров реализация протокола TCP слишком тяжеловесна, и ее стараются избежать. Как бы то ни было, реализации Т.38 на базе протокола UDP широко эксплуатируются и доказали работоспособность такого решения. Шлюз IP-телефонии семейства оборудования Протей-IP использует транспорт UDP, а вариант с TCP может быть реализован, если на рынке появится в достаточном количестве оборудование, использующее этот подход.

3.7 О реализации «стандартных» алгоритмов Как может показаться на первый взгляд, узкополосное кодирование речи, требующее огромной (миллионы операций в секунду) вычислительной мощности, является самой сложной задачей, выполняемой оборудованием IP-телефонии. Однако это отнюдь не так:

алгоритмы кодирования речи стандартизованы и отлично документированы, более того, на рынке доступны весьма эффективные их реализации для всех популярных DSP-платформ. С другой стороны, в оборудовании IP-телефонии должны быть реализованы многие другие функции, способ реализации которых не является объектом стандартизации, а представляет собой «know-how» разработчиков.

На передающей стороне оборудование IP-телефонии работает по принципу «закодировал, передал и забыл». На приемной стороне все гораздо сложнее. Пакеты приходят из сети с задержкой, меняющейся по случайному закону. Более того, пакеты могут придти не в той последовательности, в которой были переданы, а некоторые пакеты могут вообще быть потеряны. Приемник должен справляться со всеми этими трудностями, обеспечивая на выходе нормальный звуковой поток с тактовой синхронизацией, либо генерируемой на основе принимаемого потока данных, либо получаемой из ТфОП по каналам Е1. Привязка речевых потоков к местному тактовому синхросигналу производится, как уже отмечалось выше, путем незаметной на слух деформации периодов молчания в воспроизводимом сигнале.

К этому остается добавить необходимость передачи факсимильной информации в реальном времени с автоматическим распознаванием сигналов факсимильных аппаратов и передачу DTMF сигна-лов с корректным их восстановлением в приемнике.

На основе данного обзора функций оборудования IP-телефонии можно сделать вывод, о том что, несмотря на существование стандартных алгоритмов кодирования речи, у разработчиков есть огромный простор для деятельности, направленной на дальнейшее совершенствование технологии IP-телефонии.

Глава 4 Протоколы сети Интернет 4.1 Интернет аb ovo Общеизвестна дата начала знаменитого проекта сети пакетной коммутации ARPA - прототипа сегодняшней сети Интернет. Это год. Однако сама идея сети Интернет имеет гораздо более давнюю историю. Чего стоит одно только определение сетевой структуры, данное Буддой: «Как сеть состоит из множества узлов, так и всё на этом свете связано узлами. Если кто-то полагает, что ячейка сети является чем-то независимым, изолированным, то он ошибается. Она называется сетью, поскольку состоит из множества взаимосвязанных ячеек, и у каждой ячейки своё место и свои обязательства по отношению к другим ячейкам».

Реальная история Интернет началась, разумеется, спустя много веков после того, как появилось это определение. Авторы данной книги датируют ее начало 1957 годом - датой запуска первого советского искусственного спутника Земли. Именно в ответ на этот запуск США сформировали в составе Минобороны (Department of Defense - DoD) специальное агентство - Advanced Research Projects Agency (ARPA), создавшее сеть ARPANET - прообраз Интернет - и собравшее вокруг себя коллектив исследователей и ученых, заложивших основы сегодняшней сети Интернет. Таким образом, именно события, связанные с запуском первого советского спутника, стимулировали интеллектуальные усилия тысяч разработчиков и саму Интернет революцию, которая сейчас сотрясает мир. Уже в июле 1961 года Леонард Клейнрок опубликовал первую статью по теории пакетной коммутации «Information Flow in Large Communication Nets».

В 1964 году последовала работа Пола Барана (Paul Baran, RAND) «On Distributed Communications Networks» В 1965 году, под эгидой ARPA, компьютеры двух организаций -ТХ- в MIT Lincoln Lab и AN/FSQ-32 в System Development Corporation (Santa Monica, CA) - были связаны выделенной телефонной линией на скорости 1200 бит/с. В октябре 1967 года в Гатлинбурге, штат Теннесси, на симпозиуме АСМ собрались представители трех независимых команд-ARPA, RAND NPL. Последняя из них, Национальная физическая лаборатория (National Physical Laboratory- NPL), построившая экспериментальную сеть пакетной коммутации на скорости 768 Кбит/с, более известна тем, что руководитель разработки Дональд Дэвис является автором термина «пакет».

В 1969 году на основе мини-компьютера DDP-516 фирмы Honey well с памятью объемом 12К были созданы четыре первых узла сети ARPANET: Калифорнийский университет в Лос-Анжелесе (University of California Los Angeles - UCLA), Стэнфордский НИИ (Stanford Research Institute - SRI), университет Санта-Барбары и университет штата Юта.

Компания AT&T предоставила для этой сети линии со скоростью передачи 50 Кбит/с. Первые пакеты данных были переданы Чарли Клайном (Charley Kline) из UCLA, когда он пытался связаться с компьютером SRI. Первая попытка 29 октября 1969 г. закончилась аварийным отказом системы во время ввода буквы G из слова LOGIN.

Пикантность ситуации заключалась в том, что ARPANET определялась как полностью отказоустойчивая компьютерная сеть с распределением вычислительной мощности и резервированием устройств коммутации данных и компьютерных линий связи, способная выдержать ядерный удар. Тогда же первым проектом документа RFC (Request for Comments) «Программное обеспечение рабочих станций (hosts)» было положено начало стандартам Интернет.

Первая публикация, относящаяся к сети Интернет, появилась в 1970 году и была посвящена протоколу взаимодействия рабочих станций в составе сети ARPANET: Ч.Кар, С.Крокер, В.Серф. «Протокол связи рабочих станций в сети ARPA».

В 1971 году уже имеется 15 узлов (23 рабочие станции), и Рей Момлинсон изобретает программу электронной почты для передачи сообщений по распределенной сети. Оригинальная программа была создана на базе двух программ: программы внутримашинной электронной почты (SENDMSG) и экспериментальной программы пересылки файлов (CPYNET). Из клавиш пунктуации на телетайпе Model 33 производства Tomlinson в марте 1972 г. выбран знак @ в его значении «в».

Докторская диссертация Боба Меткафа из Гарварда наметила идею сети Ethernet. Эта идея была проверена на компьютерах Alto производства Xerox PARC, и первая сеть Ethernet получила в мае 1973 г.

название Alto Aloha System. А число пользователей ARPANET к марту 1973 достигло 2000. Тогда же в Мичиганском университете создается сеть Merit на базе протокола Х.25, а в Стэнфордском университете начинается разработка набора протоколов, которые должны обеспечивать взаимодействие компьютеров, включённых в сеть ARPANET.

В мае 1974 года Винт Серф из Стэнфорда и Боб Кан (Vint Cerf, Bob Kahn) из агентства перспективных научных проектов Министерства обороны США опубликовали в журнале «IEEE Transactions on Communications» статью «A Protocol for Packet Network Intercommunication» со спецификацией протокола TCP, ставшей вскоре основой Интернет. Об истории этой публикации рассказывается в колонке редактора журнала «Сети и системы связи» (№11, 1999). Серф и Кан решали, чье имя поставить первым в спецификации протокола TCP, и бросили монетку. Первым оказался Винсент Серф, и именно он, со временем, стал известен широкой публике, занял должность вице президента MCI и получил признание как один из основателей сети Интернет.

Тогда же появляется первый список адресов электронной почты - MsgGroup. Самым популярным неофициальным списком становится список любителей научной фантастики - SF-Lovers. Спустя полтора года разрабатывается спецификация электронной почты (RFC 733). В году в лаборатории Александра Белла (Bell Laboratories) корпорации AT&T разрабатывается протокол UUCP (Копирование Unix-Unix), который начинает распространяться год спустя вместе с операционной системой UNIX.

В 1978 году протокол TCP разделяется на протоколы TCP и IP, а изложенная в статье Серфа и Кана концепция получает название TCP/IP. Работа над концепцией была завершена в 1980 году, а в году управление Минобороны США утвердило новый набор компьютерных протоколов в качестве стандарта для ARPANET, вместо протокола NCP (Network Control Protocol), использовавшегося с года. Чтобы поощрить переход колледжей и университетов на технологию TCP/IP, силами ARPA был облегчен процесс внедрения операционной системы Berkeley UNIX, реализующей протоколы TCP/IP.

Этот шаг привел к формированию одного из первых определений понятия «Интернет» как совокупности соединенных между собой сетей, в частности, сетей с использованием стека протоколов TCP/IP, а понятия «Интернет» как совокупности сетей, реализованных на базе технологии TCP/IP.

Сама же ARPANET в конце 1983 года разделилась на две сети:

DARPANET (оборонная сеть) и MILNET (военная сеть). Несмотря на то, что ARPANET официально прекратила своё существование в июне 1990 года, сеть Интернет уцелела. Более того, протокол TCP/IP был усовершенствован и стал чрезвычайно популярен в сферах образования, научно-исследовательских разработок, в коммерции и во многих, многих других, порой неожиданных применениях, примером чему является эта книга. В 1984 году вводится система доменных имен (DNS). Она увязывает IP-адреса с именами компьютеров в Интернет. И в том же 1984 году Уильям Гибсон, в романе «Necromancer», вводит термин «гиперпространство». Количество рабочих станций, подключенных к сети, достигает 1000, а к 1987 году их становится уже 10000.

Национальный фонд Науки США, с целью обеспечить взаимодействие своих суперкомпьютерных центров и доступ к Интернет, создает в 1985 году сеть NSFNET (Сеть Национального фонда науки).

NSFNET - это высокоскоростная магистральная сеть, состоящая из двухточечных линий связи в узловой конфигурации. Сеть была полностью развёрнута в 1988 году и первоначально работала на скорости 56 Кбит/с. В 1986 году NSFNET организовала ряд региональных сетей, объединённых в магистральную сеть. Позже основные части сети NSFNET были модернизированы для работы на скоростях до ОС-3 (155 Мбит/с) и выше. NSFNET официально прекратила своё существование в 1995 году, и на смену ей пришла сеть MERIT. Первоначально, MERIT была сетью масштаба штата, эксплуатируемой Университетом Мичигана, и региональным компонентом как сети NSFNET, так и Интернет.

В 1988 году Ажако Ойкаринен (Jarkko Oikari-nen) разрабатывает технологию Internet Relay Chat (IRC). Тогда же появился новый термин «хакер», а 1 ноября 1988 года вирусная программа «Internet Worm» сумела повредить более 6000 рабочих станций.

В 1989 году количество рабочих станций достигает 100000 штук, а в 1990 году - 300000. Появляется первый коммерческий поставщик услуг сети Интернет, а год спустя Тим Бернерс-Ли (Tim Ber-ners-Lee) из организации CERN, Швейцария, выпускает свою разработку Всемирной Паутины - World Wide Web (WWW). Вскоре программы просмотра WWW стали неотъемлемой частью повседневной жизни, и началась эра бизнеса в сети Интернет. В 1992 году количество рабочих станций превысило 1 миллион, а в 1993 году в Интернет появился адрес www.whitehouse.gov и электронная почта president@whitehouse.gov Б.

Клинтона. Понадобилось менее 2 лет, чтобы в Интернет появились адреса правительств большинства других стран, включая, например, адрес Ватикана - www.vatican.va. В том же 1995 году коллектив программистов Sun Microsystems под руководством Джеймса Гозлинга (James Gosling) создали язык программирования Java, радикально изменивший сам смысл программирования Интернет-приложений.

В 1996 году сети Интернет исполнилось 25 лет, а число рабочих станций, подключенных к Интернет, составило 10 миллионов.

К концу 2000 года насчитывалось около 300 миллионов пользователей Интернет. Количество рабочих станций сейчас возрастает примерно на 80 процентов за год. В первой главе приведен рисунок, на котором авторы взяли на себя смелость показать, что приблизительно к 2004 году Интернет разрастется до размеров современной телефонной сети.

4.2 Стандарты в сфере Интернет Из материала предыдущего параграфа видно, что Интернет - самая необычная из всех сетей. Практически любой объект может подключиться к Интернет, чтобы предложить ресурсы, или для доступа к ним. По Интернет может гулять практически любой вид информации без каких-либо ограничений. Отсутствует центральный орган, который регулировал бы работу сети Интернет, хотя существуют организации, устанавливающие определённые фундаментальные принципы и руководящие работой сети. Сеть Интернет по своей философии является автономной и даже анархической;

в конечном счёте, в этом и её сила, и её слабость.

Существует ряд организаций, которые участвуют в различных мероприятиях по администрированию и поддержке Интернет. В контексте данной книги среди этих организаций следует упомянуть CERT, IАВ, IETF, IESG, IRTF, ICANN и The Internet Society (Общество Интернет, известное также как ISOC).

Группа реагирования на нарушения компьютерной защиты (CERT) - группа экспертов Университета Карнеги-Меллона, которая отвечает за вопросы, связанные с нарушением компьютерной защиты в сети Интернет. CERT была образована ARPA в ноябре 1998 года как реакция на ряд инцидентов, связанных с появлением вирусных программ самотиражирования.

Совет по архитектуре Интернет (IAB), первоначально - Координационный совет сети Интернет - добровольный орган, имеющий в своем составе 12 экспертов, которые используют ресурсы своих компаний-спонсоров для того, чтобы способствовать интересам Интернет. IAB контролирует и координирует деятельность двух проблемных (рабочих) групп: IETF и IRTF. В совокупности, эти организации вырабатывают техническую политику и направления работы.

Инженерная проблемная группа Интернет (IETF) определяет, устанавливает приоритеты и вырабатывает решения по краткосрочным вопросам и проблемам, включая протоколы, архитектуру и эксплуатацию. Предложенные стандарты публикуются в Интернет в виде Запросов комментариев и предложений (RFC). После выработки окончательной версии стандарта, он поступает на утверждение в группу управления инженеров Интернет (IESG).

Научно-исследовательская проблемная группа Интернет (IRTF) занимается долгосрочными вопросами, включая схемы адресации и технологии.

Корпорация Интернет по присвоению имен и номеров (ICANN) некоммерческая организация, образованная в 1999 году. ICANN была создана для того, чтобы взять на себя полномочия федерального органа IANA по распределению общеизвестных номеров портов, управлению IP-адресами и присвоению имён доменов. Номера портов представляют собой 16-битовые величины в диапазоне от 0 до 65 536. Общеизвестные порты нумеруются числами из диапазона от О до 1 023 и используются системными процессами или прикладными программами. Примерами общеизвестных портов являются: порт 25 для протокола SMTP (Простого протокола пересылки почты), порт 80 для протокола HTTP (Гипертекстового транспортного протокола) и порт 107 для Дистанционной службы Telnet. В среде клиент/сервер Интернет на базе протокола TCP/IP, сервер назначает порты с учётом протокола прикладного уровня, который выполняется на клиентском уровне. ICANN также присваивает IP-адреса организациям, желающим поместить компьютеры в Интернет;

количество адресов зависит от размера организации.

Общество Интернет (ISOC) -добровольная организация, которая представляет собой некоторую формальную структуру для администрирования Интернет. Общество Интернет предоставило официальные полномочия IESG принимать решения по стандартам.

4.3 Адресация Интернет- это совокупность тысяч компьютеров, объединенных в сети, которые, в свою очередь, соединены между собой посредством маршрутизаторов. Для организации линий связи используются практически все возможные технологии - от коммутируемых телефонных соединений до самых современных оптических систем передачи.

Активно используются и спутниковые линии связи.

Сеть Интернет имеет иерархическую структуру. Этот подход является эффективным потому, что позволяет идентифицировать компоненты Интернет посредством адресов, также имеющих иерархическую структуру. Например, в телефонной сети полный номер абонента содержит такие составляющие как код страны, код зоны, номер АТС, номер абонента в АТС. Аналогичная концепция была принята и в сети Интернет: старшие биты адреса идентифицируют сеть, в которой находится рабочая станция, а младшие - расположение рабочей станции в этой сети.

Подавляющее большинство сетей сейчас использует протокол IPv4 (Интернет - протокол версии 4), хотя уже разработана шестая версия протокола IP, которая применяется в некоторых недавно созданных крупных сетях. Схема адресации протокола IPv4, который был определён в RFC 791, предусматривает размер адресного поля бита, что даёт 232 (или 4 294 967 296) потенциальных адресов.

IP-адрес любой рабочей станции состоит из адреса сети и адреса компьютера в этой сети. В архитектуре адресации предусмотрено пять форматов адреса, каждый из которых начинается с одного, двух, трёх или четырёх битов, идентифицирующих класс сети (класс А, В, С, D или Е). Область сетевого идентификатора (Network ID) определяет конкретную сеть в классе, а область Host ID идентифицирует конкретный компьютер в сети1.

• Адреса класса А идентифицируются начальным битом 0.

Следующие семь битов определяют конкретную сеть (число возможных значений - 128 или 27). Остальные 24 бита определяют конкретный компьютер в сети, при возможном количестве компьютеров -1 б 777 (224). Адреса класса А предназначены для очень крупных сетей с большим количеством рабочих станций. Первые адреса класса А были присвоены таким компаниям как IBM Corporation, Hewlett-Packard Company, Ford Motor Company и др.

• Адреса класса В идентифицируются начальной двухбитовой двоичной последовательностью 10. Следующие 14 битов определяют сеть, при возможном количестве сетей 16 384 (214). Остальные 16 битов определяют конкретный компьютер, с возможным количеством компьютеров - 65 536 (216).

• Адреса класса С идентифицируются начальной трёхбитовой последовательностью 110. Следующие 21 бит определяют сеть, с возможным количеством сетей - 2 б97 152. Остальные 8 битов определяют конкретный компьютер в сети, с возможным количеством компьютеров - 256 (28). Большинство организаций имеют адреса класса С.

• Адреса класса D идентифицируются начальной четырёхбитовой последовательностью 1110. Адреса этого класса предназначены для групповой передачи, и оставшиеся 28 битов определяют групповой адрес.

• Адреса класса Е идентифицируются начальной четырёхбитовой двоичной последовательностью 1111. Адреса этого класса зарезервированы для будущего использования.

Способ, при помощи которого записываются все IP-адреса, называется пунктирной десятичной системой обозначений. Каждое 32 битовое адресное поле разделено на четыре поля в виде ххх.ххх.ххх.ххх, и каждому полю даётся десятичное числовое значение от 0 до 255, выраженное в виде одного октета (28 = 256 или 0-255).

Адреса класса А начинаются с 1-127, адреса класса В - с 128-191, и адреса класса С - с 192-223.

1 Строго говоря, адрес идентифицирует только сетевой интерфейс рабочей станции, т.е. точку подключения к сети.

Как отмечалось выше, корпорация Интернет по присвоению имен и номеров (ICANN) присваивает IP-адреса организациям, желающим подключить компьютеры к сети Интернет. Класс IP-адреса и, следовательно, количество возможных адресов компьютеров зависит от размеров организации. Организация, которой присвоены номера, может затем переназначить их на основе либо статической, либо динамической адресации. Статическая адресация означает жесткую привязку IP адреса к конкретному компьютеру. При динамической адресации компьютеру присваивается доступный IP-адрес всякий раз при установлении соединения. Например, поставщик услуг Интернет может иметь один или несколько адресных блоков класса С. При ограниченном количестве доступных IP-адресов поставщик присваивает IP-адрес компьютеру пользователя всякий раз, когда пользователь коммутируемой линии получает к нему доступ, чтобы установить соединение с Интернет. После завершения соединения этот IP-адрес может присваиваться другим пользователям. Динамическое присвоение IP-адресов обычно осуществляется через маршрутизатор, работающий по протоколу DHCP( Протокол динамической конфигурации рабочей станции). Наоборот, если доступ к поставщику осуществляется по xDSL, поставщик услуг Интернет обычно присваивает пользователю один или более статических IP-адресов. Так как соединение по xDSL всегда активизировано, динамическая адресация для этой категории пользователей неприменима.

Как уже отмечалось, протокол IP версии 4 предусматривает размер адресного поля 32 бита, что даёт 232 (или 4 294 967 296) потенциальных адресов. Однако возрастающая популярность технологии TCP/IP привела к истощению плана нумерации протокола IPv4 аналогично тому, как популярность подключённых к телефонной сети факсимильных аппаратов, сотовых телефонов, пейджеров, компьютерных модемов и даже копировальных машин привела к истощению плана нумерации ТфОП. Дополнительной проблемой является тот факт, что очень большое количество адресов класса А и класса В было выделено крупным организациям, которые в них на самом деле не нуждались. В связи с тем, что фактически использовался только небольшой процент адресов, огромное количество доступных адресов было потеряно. Это напоминает расточительность, с которой выделялись телефонные номера в городских телефонных сетях (за исключением МГТС) блоками по 10 000 номеров, зачастую вне зависимости оттого, сколько их требовалось реально - 100 или 1000.

Чтобы смягчить, по крайней мере - частично, эту проблему, комитет IETF в начале 90-х годов опубликовал в документах RFC 1518 и RFC 1519 положение о бесклассовой междоменной маршрутизации (CfDR). Технология CIDR построена на концепции суперсети (supernetting), состоящей из группы подсетей, каждой из которых присваивается адрес подсети. Но в целом совокупность подсетей выглядит, как единая сеть с одним префиксом (например, для Европы выделены префиксы 194 и 195). Благодаря технологии CIDR, сокращается число маршрутов и, следовательно, размер и сложность таблиц маршрутизации, которые должны поддерживать коммутаторы и маршрутизаторы. Несмотря на то, что CIDR привносит известную гибкость в схему IP-адресации, она, тем не менее, не решает главной проблемы - недостатка IP-адресов в обозримом будущем.

Протокол IPv6 решает этот вопрос путём расширения адресного поля до 128 битов, обеспечивая тем самым 2128 потенциальных адресов, ЧТО Составляет величину 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456.

По расчётам Кристиана Хюйтема, такого адресного пространства достаточно, чтобы присвоить по 32 адреса каждому квадратному дюйму суши на Земле - что, в принципе, должно решить проблему. С учётом предложений о присвоении IP-адресов сетевым кофеваркам, холодильникам, системам обогрева и кондиционирования, автомобилям и вообще всем мыслимым устройствам, ценность и рентабельность протокола IPv6 возрастёт ещё больше. Протокол IPv6 обладает также дополнительными функциональными возможностями, хотя для их реализации потребуется модернизация существующего сетевого программного обеспечения.

Но вернемся к протоколу IPv4. Компьютер, подключенный к сети Интернет, кроме IP-адреса может идентифицироваться доменным именем. Сеть Интернет разделена на логические области (домены).

Адреса в системе имён доменов (DNS), администрирование которых лежит на ICANN, имеют стандартный вид, представляющий собой последовательность имен, разделенных точками, например:

компьютер, организация, домен. Подавляющее большинство из 45 миллионов (или около того) зарегистрированных доменов верхнего уровня (TLD) является коммерческими. Домены TLD, которые идентифицируются как суффикс доменного имени, бывают двух типов:

обобщённые домены верхнего уровня (net, corn, org) и коды стран (ru, fi, ua).

Сам же ICANN получил от IANA полномочия по администрированию Интернет-адресов. При администрировании со стороны IANA, ответственность за присвоение TLD возлагалась на центр сетевой информации Интернет(InterNIC) компании Network Solutions Inc. В течение первых десятков лет существования Интернет, присвоение доменов было бесплатным. Позже, InterNIC начал брать плату за домены.сот в размере $70 за первые два года и $35 за каждый следующий год. В 1999 году InterNIC потерял монопольное право на присвоение доменов, так как в апреле 1999 года были утверждены четыре конкурентные организации на испытательный срок до 25 июня 1999 года. ICANN также объявил, что ряд других заявителей удовлетворяют его критериям аккредитации, и они будут аккредитованы по окончании испытательного срока.

Имена доменов гораздо легче запомнить и ввести, но необходимо преобразование для перевода имён доменов в IP-адреса;

это необходимо для того, чтобы разные маршрутизаторы и коммутаторы могли направить информацию в нужный пункт назначения.

4.4 Уровни архитектуры Интернет Функционирование сети Интернет основано на сложном комплексе протоколов, обеспечивающих выполнение различных функций - от непосредственно передачи данных до управления конфигурацией оборудования сети.

Для того, чтобы классифицировать различные протоколы и понять их место в общей структуре технологии межсетевого взаимодействия, удобно воспользоваться так называемым «многоуровневым представлением сетевых протоколов». В рамках такого представления подразумевается, что протоколы более высокого уровня используют функции протоколов более низкого уровня. Классической, хотя и представляющей сейчас, скорее, академический интерес, моделью такого рода является семиуровневая модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI), разработанная ITU-T в рамках неудавшейся попытки создать международный стандарт семейства сетевых протоколов. Вместе с тем, некоторые результаты данного проекта являются хорошим материалом для учебников, чем мы и воспользуемся.

Рис. 4.1 иллюстрирует взаимоотношения архитектуры Интернет, определенной ARPA, с моделью OSI, а также поясняет функции каждого из уровней.

Архитектура Интернет была разработана агентством ARPA для соединения компьютеров в государственных, военных, академических и других организациях, в основном, на территории США, что обусловило ее практический характер. С другой стороны, модель OSI охватывала более широкий круг вопросов передачи информации, и в ее рамках не был конкретизирован тип взаимодействующих систем, что породило более «дробное» разбиение на уровни. Однако между той и другой архитектурой имеется очевидное соответствие.

Первый уровень модели ARPA - уровень сетевого интерфейса поддерживает физический перенос информации между устройствами в сети, т.е. объединяет функции двух уровней OSI - физического и звена данных. Уровень сетевого интерфейса обеспечивает физическое соединение со средой передачи, обеспечивает, если это необходимо, разрешение конфликтов, возникающих в процессе организации доступа к среде (например, используя технологию CSMA/CD в сети Ethernet), упаковывает данные в пакеты. Пакет2 -это протокольная единица, которая содержит информацию верхних уровней, и служебные поля (аппаратные адреса, порядковые номера, подтверждения и т.д.), необходимые для функционирования протоколов этого уровня.

Рис. 4.1 Уровни модели OSI и архитектуры Интернет Сетевой уровень отвечает за передачу информации, упакованной в дейтаграммы (datagram), от одного компьютера к другому.

Дейтаграмма - это протокольная единица, которой оперируют протоколы семейства TCP/IP. Она содержит адресную информацию, необходимую для переноса дейтаграммы через сеть, а не только в рамках одного звена данных. Понятие дейтаграммы никак не связано с физическими характеристиками сетей и каналов связи, что подчеркивает независимость протоколов TCP/IP от аппаратуры. Основным протоколом, реализующим функции сетевого уровня, является протокол IP. Этот протокол отвечает за маршрутизацию, фрагментацию и сборку дейтаграмм в рабочей станции.

Обмен между сетевыми узлами информацией о состоянии сети, необходимой для формирования оптимальных маршрутов следования дейтаграмм, обеспечивают протоколы маршрутизации - RIP, EGP, BGP, OSPF и др.

Иногда при рассмотрении протоколов этого уровня (Ethernet, HDLC) употребляется также термин кадр (frame).

Протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol ARP) преобразует IP-адреса в адреса, использующиеся в локальных сетях (например, Ethernet). На некоторых рисунках, изображающих архитектуру и взаимосвязь протоколов, ARP размещают ниже IP, чтобы показать его тесную взаимосвязь с Уровнем Сетевого Интерфейса.

Протокол контрольных сообщений - Internet Control Message Protocol (ICMP) предоставляет возможность программному обеспечению рабочей станции или маршрутизатора обмениваться информацией о проблемах маршрутизации пакетов с другими устройствами в сети.

Протокол ICMP - необходимая часть реализации стека протоколов TCP/IP.

Когда дейтаграмма проходит по сети, она может быть потеряна или искажена. Транспортный уровень решает эту проблему и обеспечивает надежную передачу информации от источника к приемнику. Кроме того, реализации протоколов этого уровня образуют универсальный интерфейс для приложений, обеспечивающий доступ к услугам сетевого уровня. Наиболее важными протоколами транспортного уровня являются TCP и UDP.

Конечные пользователи взаимодействуют с компьютером на уровне приложений. Разработано множество протоколов, используемых соответствующими приложениями. Например, приложения передачи файлов используют протокол FTP. Web-приложения используют протокол HTTP. Оба протокола FTP и HTTP базируются на протоколе TCP. Приложение Telnet обеспечивает подключение удаленных терминалов. Протокол эксплуатационного управления сетью SNMP позволяет управлять конфигурацией оборудования в сети и собирать информацию об его функционировании, в том числе, и о аварийных ситуациях. Приложения, созданные для организации речевой связи и видеосвязи, используют протокол RТР для передачи информации, чувствительной к задержкам. Х Window - популярный протокол для подключения к интеллектуальному графическому терминалу. Этот список можно продолжать практически бесконечно.

Таким образом, IP-сети используют для передачи информации разнообразные протоколы, причем функции протоколов не зависят оттого, какие данные передаются. Иными словами, IP, ARP, ICMP, TCP, UDP и другие элементы стека протоколов TCP/IP предоставляют универсальные средства передачи информации, какой бы она ни была природы (файл по FTP, Web - страница или аудиоданные).

4.5 Протокол IP версии В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке протоколов TCP/IP используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP организует пакетную передачу информации от узла к узлу IP-сети, не используя процедур установления соединения между источником и приемником информации. Кроме того, Internet Protocol является дейтаграммным протоколом: при передаче информации по протоколу IP каждый пакет передается от узла к узлу и обрабатывается в узлах независимо от других пакетов.

Протокол IP не обеспечивает надежность доставки информации, так как он не имеет механизмов повторной передачи. Он не имеет также и механизмов управления потоком данных (flow-control). Дейтаграммы могут быть потеряны, размножены, или получены не в том порядке, в каком были переданы.

Протокол IP базируется на протоколе уровня звена данных, который обеспечивает передачу данных по физической среде.

Программный модуль, реализующий протокол IP, определяет маршрут переноса данных по сети до точки назначения, или до промежуточного маршрутизатора, где дейтаграмма извлекается из кадра локальной сети и направляется в канал, который соответствует выбранному маршруту.

Дейтаграммы могут разбиваться на более мелкие фрагменты, или, наоборот, несколько дейтаграмм могут объединяться в одну на стыке разных сетей, если эти сети поддерживают передачу дейтаграмм разной длины.

В каждой рабочей станции, подключенной к IP-сети, обработка IP дейтаграмм, производится по одним и тем же правилам адресации, фрагментации и маршрутизации. Рабочие станции рассматривают каждую дейтаграмму как независимую протокольную единицу, так как протокол IP не использует логических соединений или каких-либо других средств идентификации виртуальных каналов3.

На рис. 4.2 показана структура протокольной единицы протокола IP-дейтаграммы.

Поле версия (version) идентифицирует используемую версию протокола IP, в рассматриваемом случае указывается версия 4.

Необходимость этого поля объясняется тем, что в переходный период в сети могут использоваться протоколы разных версий.

Поле длина заголовка (header length), состоящее из 4 битов, определяет длину заголовка, причем длина указывается как количество блоков размером 32 бита. В типичном случае значение этого поля равно 5.

При рассмотрении протокола IP версии 6 и вопросов обеспечения качества обслуживания, мы увидим некоторые отклонения от этого принципа.

Версия (Version) Длина заголовка Тип обслуживания Общая длина Идентификатор фрагмента Флаги Смещение фрагмента Время жизни Протокол Контрольная сумма заголовка Адрес отправителя Адрес получателя Опциональные поля и заполнение Данные Рис. 4.2 IP-дейтаграмма Поле тип обслуживания (Type of Service) содержит информацию, которая бывает нужна при поддержке сетью разных классов обслуживания. Использование этого поля в Интернет будет возрастать по мере роста в IP-сетях возможностей передачи мультимедийного трафика с задаваемыми параметрами качества обслуживания. Более подробную информацию на эту тему можно найти в главе 10.

Поле общая длина (Total Length) определяет общую длину дейтаграммы в октетах (байтах), включая заголовок и полезную нагрузку. Максимальная длина дейтаграммы составляет 65535 октетов, однако, на практике, все рабочие станции и маршрутизаторы работают с длинами, не превышающими 576 байтов. Это объясняется тем, что при превышении указанной длины, снижается эффективность работы сети.

Протокол IP использует 3 поля заголовка для управления фрагментацией/сборкой дейтаграмм. Как уже упоминалось, фрагментация необходима потому, что разные сети, по которым передаются дейтаграммы, имеют разные максимальные размеры кадра.

Идентификатор фрагмента (Identifier) обозначает все фрагменты одной дейтаграммы, что необходимо для ее успешной сборки на приемной стороне.

Поле флагов (Flags) обеспечивает возможность фрагментации дейтаграмм и, при использовании фрагментации, позволяет идентифицировать последний фрагмент дейтаграммы.

Поле смещение фрагмента (Fragment Offset) определяет положение фрагмента относительно исходной дейтаграммы в единицах, равных 8 октетам.

Поле время жизни (TTL - Time To Live) используется для ограничения времени, в течение которого дейтаграмма находится в сети. Каждый маршрутизатор сети должен уменьшать значение этого поля на единицу, и отбрасывать дейтаграмму, если поле TTL приняло нулевое значение. Наличие поля TTL ограничивает возможность бесконечной циркуляции дейтаграммы по сети, например, в случае, если по какой-либо причине маршрут, по которому она следует, оказался «закольцованным».

Поле протокол (Protocol) идентифицирует протокол верхнего уровня (TCP, UDP и т.д.).

Поле контрольная сумма заголовка (Header Checksum) обеспечивает возможность контроля ошибок в заголовке. Алгоритм подсчета контрольной суммы весьма прост, поскольку обычно протоколы нижнего уровня имеют более развитые средства контроля ошибок.

IP-дейтаграммы содержат в заголовке два адреса - отправителя (Source) и получателя (Destination), которые не меняются на протяжении всей жизни дейтаграммы.

Подробнее структура и функции протокола IPv4 описаны в RFC 791.

4.6 Протокол IP версии В начале 90-х годов интенсивное коммерческое использование Интернет привело к резкому росту количества узлов сети, изменению характеристик трафика и ужесточению требований к качеству обслуживания. Сообщество Интернети весь телекоммуникационный мир начали решать новые задачи путем внедрения новых протоколов в рамках стека протоколов TCP/IP, таких как протокол резервирования ресурсов RSVP, MPLS и т.д. Однако стало ясно, что только таким путем развивать технологию нельзя - нужно идти на модернизацию святая святых стека - протокола IP, так как некоторые проблемы нельзя решить без изменения формата заголовка дейтаграмм и логики его обработки.

Как уже отмечалось выше, самой насущной проблемой становится нехватка адресного пространства, что требует изменения формата адреса.

Другой проблемой является недостаточная масштабируемость процедуры маршрутизации - основы IP-сетей. Быстрый рост сети вызывает перегрузку маршрутизаторов, которые уже сегодня вынуждены поддерживать таблицы маршрутизации с десятками и сотнями тысяч записей, а также решать проблемы фрагментации пакетов. Облегчить работу маршрутизаторов можно, в частности, путем модернизации протокола IP.

Комитет IETF намеревается решить существующие проблемы с помощью межсетевого протокола нового поколения - IPng, известного также как IPv6.

Наряду с вводом новых функций непосредственно в протокол IP, целесообразно обеспечить более тесное взаимодействие его с новыми протоколами, путем введения в заголовок пакета новых полей.

Например, работу механизмов обеспечения гарантированного качества обслуживания облегчает внесение в заголовок метки потока, а работу IPSec - внесение в заголовок поля аутентификации.

В результате было решено подвергнуть протокол IP модернизации, преследуя следующие основные цели:

• создание новой расширенной схемы адресации;

• улучшение масштабируемости сетей за счет сокращения функций магистральных маршрутизаторов;

• обеспечение защиты данных.

Работы по модернизации протокола IP начались в 1992 году, когда было предложено несколько альтернативных вариантов спецификаций.

С тех пор в рамках IETF была проделана огромная работа, в результате которой в августе 1998 года были приняты окончательные версии стандартов, определяющих как общую архитектуру IPv6 (RFC «Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification»), так и отдельные компоненты данной технологии (RFC 2373 «IP Version 6 Addressing Architecture»).

Итак, рассмотрим более подробно особенности IPv6.

Расширение адресного пространства. Протокол IP решает потенциальную проблему нехватки адресов за счет расширения адреса до 128 битов. Однако такое существенное увеличение длины адреса было сделано, в значительной степени, не с целью снять проблему дефицита адресов (для этого было бы достаточно гораздо более скромной размерности), а для повышения эффективности работы сетей на основе этого протокола. Главной целью было структурное изменение системы адресации, расширение ее функциональных возможностей.

Вместо существующих двух уровней иерархии адреса (номер сети и номер узла) в протоколе IPv6 предлагается использовать четыре уровня, что предполагает трехуровневую идентификацию сетей и один уровень для идентификации узлов. За счет увеличения числа уровней иерархии в структуре адреса, новый протокол эффективно поддерживает технологию агрегации адресов (CIDR), которая упоминалась выше. Благодаря этой особенности, а также усовершенствованной системе групповой адресации и введению нового типа адресов (anycast), IPv6 позволяет уменьшить затраты ресурсов оборудования на маршрутизацию.

В 6 версии протокола IP принята новая форма записи адреса, так как при определении адреса сети граница маски часто не совпадает с границей байтов адреса, и десятичная запись в данном случае неудобна. Теперь адрес записывается в шестнадцатиричном виде, причем каждые четыре цифры отделяются друг от друга двоеточием, например:

FEDC:OA96:0:0:0:0:7733:567A.

Для сетей, поддерживающих обе версии протокола - IPv4 и IPv6, имеется возможность использовать для младших 4 байтов традиционную десятичную запись, а для старших - шестнадцатиричную:

0:0:0:0:0:FFFR 194.135.75.104.

Типы адресов. Для IPv6 определены следующие основные типы адресов:

• unicast;

• multicast;

• anycast.

Типы адресов определяются содержимым нескольких старших битов адреса, которые получили название префикса формата.

Адрес типа unicast представляет собой уникальный идентификатор сетевого интерфейса рабочей станции или маршрутизатора и по смыслу полностью идентичен уникальному адресу IPv4. Однако в версии отсутствует понятие класса сети и фиксированное разбиение адреса на адрес сети и адрес узла по границам байтов.

Адрес типа multicast - групповой адрес, необходимый для многоадресной рассылки. Он характеризуется префиксом формата 11111111И идентифицирует группу интерфейсов, относящихся к разным рабочим станциям. Пакеты с такими адресами доставляются ко всем интерфейсам, входящим в группу. Существует также предопределенный адрес, обозначающий все интерфейсы подсети. В составе группового адреса IPv6 имеется поле scope, которое определяет, входят ли в группу рабочие станции одной подсети, всех подсетей предприятия, или рабочие станции, рассредоточенные по сети Интернет. Кроме того, предусмотрен признак, позволяющий определить, является ли группа постоянной или временной, что также облегчает работу маршрутизаторов.

Адрес типа anycast - новый тип адреса, определяющий, как и multicast, группу интерфейсов. Но пакет с таким адресом доставляется не всем членам группы, а какому-либо одному, как правило, «ближайшему» с точки зрения маршрутизатора. Такой адрес синтаксически никак не отличается от адреса типа unicast и выделяется из того же диапазона. Anycast-адрес может быть присвоен только сетевым интерфейсам маршрутизатора. Интерфейсам маршрутизатора будут присваиваться индивидуальные unicast-адреса и общий anycast адрес. Адреса anycast ориентированы на определение маршрута узлом отправителем. Например, у абонента есть возможность обеспечить прохождение своих пакетов через сеть конкретного поставщика, указав в цепочке адресов маршрута anycast-адрес, присвоенный всем маршрутизаторам в сети этого поставщика. В таком случае пакет будет передан на «ближайший» подходящий маршрутизатор именно этой сети.

В рамках системы адресации IPv6 имеется также выделенное пространство адресов для локального использования, т.е. для сетей, не входящих в Интернет. Существует две разновидности локальных адресов: для «плоских» сетей, не разделенных на подсети (Link-Local), и для сетей, разделенных на подсети (Site-Local), различающиеся значением префикса.

В настоящий момент распределено порядка 15% адресного пространства IPv6, что определяет широкие возможности развития сетей и приложений, их использующих.

Изменение формата заголовков пакетов. Многолетний опыт практического применения протокола показал неэффективность использования некоторых полей заголовка, а также выявил необходимость добавить поля, упрощающие идентификацию пакетов, которые требуют специальной обработки, поля, облегчающие реализацию процедур шифрования, и некоторые другие.

Реализовать это позволяет новая схема организации «вложенных заголовков», обеспечивающая разделение заголовка на основной, который содержит необходимый минимум информации, и дополнительные, которые могут отсутствовать. Такой подход открывает богатые возможности для расширения протокола путем определения новых опциональных заголовков, делая протокол открытым.

Основной заголовок дейтаграммы IPv6 длиной 40 байтов имеет следующий формат (рис. 4.3).

Версия Класс Трафика Метка Потока (20 битов) (4 бита) (8 битов) Длина (16 битов) След.Заголовок Лимит Переходов (8 битов) (8 битов) Адрес Отправителя (128 битов) Адрес Получателя (128 битов) Рис. 4.3 Формат основного заголовка дейтаграммы IPv Поле Класс Трафика (Traffic Class) эквивалентно по назначению полю Тип Обслуживания (Type Of Service), а поле Лимит Переходов (Hop Limit) - полю Время Жизни (Time To Live) протокола IPv4, рассмотренного в предыдущем параграфе.

Поле Метка Потока (Flow Label) позволяет выделять и особым образом обрабатывать отдельные потоки данных без необходимости анализировать содержимое пакетов. Это очень важно с точки зрения снижения нагрузки на маршрутизаторы.

Поле Следующий Заголовок (Next Header) является аналогом поля Протокол (Protocol) IPv4 и определяет тип заголовка, следующего за основным. Каждый следующий дополнительный заголовок также содержит поле Next Header. Если дополнительные заголовки отсутствуют, то это поле содержит значение, присвоенное тому из протоколов TCP, UDP, OSPF, который используется для переноса полезной нагрузки данной дейтаграммы.

В рамках спецификаций IPv6 определены заголовки следующих типов.

Заголовок Routing - содержит информацию о маршруте, выбранном отправителем дейтаграммы.

Заголовок Fragmentation -содержит информацию о фрагментации дейтаграммы и обрабатывается только конечными узлами сети.

Заголовок Authentication - содержит информацию, необходимую для проверки подлинности отправителя дейтаграммы.

Заголовок Encapsulation - содержит информацию, необходимую для обеспечения конфиденциальности данных путем шифрования.

Заголовок Hop-by-Hop Options - специальные параметры обработки пакетов.

Заголовок Destination Options - дополнительные параметры для узла назначения.

Снижение нагрузки на маршрутизаторы. При переходе к протоколу IPv6 могут быть уменьшены расходы на реализацию функций маршрутизации в сети, а маршрутизаторы могут быть оптимизированы для выполнения их основной функции - продвижения пакетов. Это становится возможным благодаря следующим особенностям нового протокола.

Дополнительные заголовки обрабатываются только конечными узлами и краевыми маршрутизаторам. Это упрощает логику работы маршрутизаторов и позволяет легче реализовать важные функции на аппаратном уровне.

Функции поддержки фрагментации переносятся в конечные узлы или краевые маршрутизаторы. Конечные узлы должны найти минимальный размер пакета вдоль всего пути до узла назначения (эта технология называется Path MTU discovery и уже используется для протокола IPv4) и не передавать пакеты с размером, превышающим найденное значение. Маршрутизаторы, поддерживающие протокол IPv6, в ядре сети могут не обеспечивать фрагментации, а только передавать сообщение протокола IСМР - «слишком длинный пакет» к конечному узлу, который должен соответственно уменьшить размер пакета.

Агрегация адресов ведет к уменьшению размеров адресных таблиц маршрутизаторов и, соответственно, к уменьшению времени их просмотра.

Широкое использование маршрутизации, управляемой отправителем (например, пограничным маршрутизатором), освобождает маршрутизаторы в ядре сети от просмотра адресных таблиц при выборе следующего маршрутизатора, В качестве адреса узла в локальной сети можно использовать МАС-адрес сетевого интерфейса, что избавляет от необходимости применять протокол ARP.

Переход к протоколу IP версии 6. Так как IPv6 представляет собой естественное развитие предыдущей версии, он с самого начала спроектирован с учетом возможности поэтапного мягкого перехода к его использованию, что требует обеспечения взаимодействия узлов с разными версиями протоколов. Способы, которые используются для организации совместной работы протоколов IPv6 и IPv4, вполне традиционны:

• Установка на некоторых сетевых узлах сразу двух стеков протоколов, так что при взаимодействии с рабочими станциями, поддерживающими разные версии протокола, используется соответствующий стек протоколов TCP/IP. Маршрутизаторы могут в данном случае обрабатывать оба протокола независимо друг от друга.

• Конвертирование протоколов при помощи специальных шлюзов, которые преобразуют пакеты IPv4 в пакеты IPv6 и обратно. Важнейшая часть этого процесса - преобразование адресов. Для упрощения данной процедуры применяются так называемые «IРv4-совместимые адреса IPv6», которые содержат в четырех младших байтах адрес, используемый в протоколе IPv4.

• Инкапсуляция - Туннелирование одного протокола в сетях, построенных на основе другого протокола. При этом пакеты одного протокола помещаются в пакеты другого в пограничных устройствах.

Недостаток метода состоит в том, что в данном случае сети никак не взаимодействуют между собой. В настоящее время развернута опытная зона эксплуатации IPv6 под названием 6Вопе, которая использует технологию инкапсуляции пакетов IPv6 при их транзите через части сети Интернет, не поддерживающие этот протокол.

4.7 Протокол TCP Протокол управления передачей информации - Transmission Control Protocol (TCP) - был разработан для поддержки интерактивной связи между компьютерами. Протокол TCP обеспечивает надежность и достоверность обмена данными между процессами на компьютерах, входящих в общую сеть.

К сожалению, протокол TCP не приспособлен для передачи мультимедийной информации. Основная причина-обеспечение требуемой достоверности путем повторной передачи потерянных пакетов. Пока передатчик получит информацию о том, что приемник не принял очередной пакет, и передаст его снова, проходит слишком много времени. Приемник вынужден либо ждать прихода повторно переданного пакета, разрушая структуру потоковых данных, либо игнорировать этот пакет, игнорируя одновременно принятый в TCP механизм обеспечения достоверности. Кроме того, TCP предусматривает механизмы управления скоростью передачи с целью избежать перегрузок сети. Аудиоданные и видеоданные требуют, однако, строго определенных скоростей передачи, которые нельзя изменять произвольным образом.

С одной стороны протокол TCP взаимодействует с прикладным протоколом пользовательского приложения, а с другой стороны -с протоколом, обеспечивающим «низкоуровневые» функции маршрутизации и адресации пакетов, которые, как правило, выполняет IP.

В модели межсетевого соединения взаимодействие TCP и протоколов нижнего уровня, вообще говоря, не специфицировано, за исключением того, что должен существовать механизм, который обеспечивал бы асинхронную передачу информации от одного уровня к другому. Результатом работы этого механизма является инкапсуляция протокола более высокого уровня в тело протокола более низкого уровня. Каждый TCP-пакет вкладывается в «пакет» протокола нижележащего уровня, например, IP. Получившаяся таким образом дейтаграмма содержит в себе TCP-пакет так же, как TCP-пакет содержит пользовательские данные.

Простейшая модель работы TCP-протокола выглядит обманчиво гладко, поскольку на самом деле его работа изобилует множеством деталей и тонкостей.

Логическая структура сетевого программного обеспечения, реализующего протоколы семейства TCP/IP в каждом узле сети Internet, изображена на рис. 4.4.

Прямоугольники обозначают модули, обрабатывающие данные, а линии, соединяющие прямоугольники, - пути передачи данных.

Горизонтальная линия внизу рисунка обозначает сеть Ethernet, которая используется в качестве примера физической среды. Понимание этой логической структуры является основой для понимания всей технологии TCP/IP.

Рис. 4.4 Структура сетевого программного обеспечения стека протоколов TCP/IP Ниже рассматриваются более подробно возможности, принципы построения и основные функции протокола TCP.

1 Потоки, стек протоколов, механизм портов и мультиплексирование Чтобы установить соединение между двумя процессами на разных компьютерах сети, необходимо знать не только Internet-адреса компьютеров, но и номера тех ТСР-портов (sockets), которые процессы используют на этих компьютерах. Любое TCP-соединение в сети Internet однозначно идентифицируется двумя IP-адресами и двумя номерами ТСР-портов.

Рассмотрим потоки данных, перенос которых обеспечивают протоколы. При использовании протокола TCP данные передаются между прикладным процессом и модулем TCP. Типичным прикладным протоколом, использующим протокол TCP, является FTP (File Transfer Protocol, Протокол переноса файлов). Стек протоколов в этом случае выглядит следующим образом: FTP/TCP/IP/Ethernet. При использовании протокола UDP (User Datagram Protocol, Протокол дейтаграмм пользователя) данные передаются между прикладным процессом и модулем UDP. Транспортными услугами протокола UDP пользуется, например, SNMP (Simple Network Management Protocol, Простой протокол эксплуатационного управления сетью). Его стек протоколов выглядит так: SNMP/UDP/IP/ Ethernet.

Один порт компьютера может быть задействован в соединениях с несколькими портами удаленных компьютеров. Таким образом, механизм портов позволяет работать на одном компьютере одновременно нескольким приложениям и однозначно идентифицировать каждый поток данных в сети. Это называется мультиплексированием соединений.

Модули TCP, UDP и драйвер Ethernet являются мультиплексорами типа n x 1. Действуя как мультиплексоры, они переключают несколько входов на один выход. Они также являются демультиплексорами типа х п. Как демультиплексоры, они переключают один вход на один из многих выходов в соответствии с определенным полем в заголовке протокольного блока данных (в Ethernet-кадре это поле «тип»). Когда Ethernet-кадр попадает в драйвер сетевого интерфейса Ethernet, он может быть направлен либо в модуль ARP, либо в модуль IP. (Значение поля «тип» в заголовке кадра указывает, куда должен быть направлен Ethernet-кадр.) Если IP-пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP, либо UDP, что определяется полем «Protocol» в заголовке IP-пакета. Если TCP сообщение попадает в модуль TCP, то выбор прикладной программы, которой должно быть передано сообщение, производится на основе значения поля «порт» в заголовке TCP-сообщения.

Демультиплексирование данных, передаваемых в обратном направлении, осуществляется довольно просто, так как из каждого модуля существует только один путь «вниз». Каждый протокольный модуль добавляет к пакету свой заголовок, на основании которого машина, принявшая пакет, выполняет демультиплексирование.

Назначение портов для приложений на каждом компьютере производится независимо. TCP может самостоятельно выбирать порт, с которым будет работать приложение, или приложение укажет, с каким портом на данном компьютере оно будет работать. Однако, как правило, часто используемые приложения-сервисы, например, такие как HTTP, FTP, SMTP и др., используют одни и те же номера портов, которые уже стали общеизвестными. Это делается для того, чтобы к данному процессу на компьютере можно было присоединиться, указывая только адрес машины. Например, lnternet-браузер, если ему не указать дополнительно, ищет по указанному адресу приложение, работающее с портом 80 (наиболее распространенный порт для серверов WWW).

Кроме того, рабочая станция может быть снабжена несколькими сетевыми интерфейсами, тогда она должна осуществлять мультиплексирование типа n х т, т. е. между несколькими прикладными программами и несколькими интерфейсами.

4.7.2 Установление TCP-соединения и передача данных Режим участия в установлении TCP-соединения может быть активным и пассивным. При пассивном участии рабочая станция ожидает сигнал открытия ТСР-канала от встречного оборудования и не пытается открыть ТСР-канал сама. Этот режим обычно используется процессами, которые предоставляют свой сервис через общеизвестный номер своего порта (например, HTTP, SMTP и т. д.). При активном режиме участия рабочая станция сама инициирует открытие ТСР канала. Соединение будет также установлено, если два процесса активно откроют канал навстречу друг другу. Такая гибкость в установлении соединения особенно важна в распределенных сетях, когда компьютеры работают асинхронно.

Процедура установления TCP-соединения выглядит следующим образом. Рабочая станция, инициирующая открытие ТСР-канала, передает пакет с флагом SYN, в котором указывается номер порта и начальный порядковый номер пакетов данных. Встречная станция передает на указанный адрес ответ с флагами SYN и АСК, в котором указывается начальный порядковый номер пакетов данных. Сторона, инициирующая установление TCP-соединения, подтверждает получение пакета с флагами SYN и АСК передачей пакета с установленным флагом АСК.

Именно трех тактов квитирующих сообщений всегда бывает достаточно, чтобы синхронизировать потоки данных. Соединение считается установленным, когда последовательности передаваемых пакетов в обоих направлениях синхронизируются, т.е. когда и клиент, и сервер «знают», пакет с каким номером поступит с противоположной стороны соединения.

Соединение закрывается, когда порты оборудования обмениваются пакетами, содержащими флаги FIN. При этом все ресурсы системы должны быть освобождены.

4.7.3 Механизмы обеспечения достоверности Протокол TCP умеет работать с поврежденными, потерянными, дублированными или поступившими с нарушением порядка следования пакетами. Это достигается благодаря механизму присвоения каждому передаваемому пакету порядкового номера и механизму проверки получения пакетов.

Когда протокол TCP передает сегмент данных, копия этих данных помещается в очередь повтора передачи, и запускается таймер ожидания подтверждения. Когда система получает подтверждение (сегмент TCP, содержащий управляющий флаг АСК), что этот сегмент данных получен, она удаляет его из очереди. Сегмент подтверждения получения содержит номер полученного сегмента, на основании которого и происходит контроль доставки данных адресату. Если подтверждение не поступило до срабатывания таймера, сегмент отправляется еще раз. Уведомление о получении сегмента данных еще не означает, что он был доставлен конечному пользователю. Оно только означает, что модуль TCP выполнил возложенные на него функции.

При передаче информации каждому байту данных присваивается порядковый номер, поэтому, в какой бы последовательности эти байты ни достигали точки назначения, они всегда будут собраны в изначальной последовательности. Порядковый номер первого байта данных в передаваемом сегменте называется порядковым номером сегмента. Нумерация проводится «с головы состава», т. е. от заголовка пакета. TCP-пакет содержит также «подтверждающий номер» (acknowledgment number), который представляет собой номер следующего ожидаемого пакета. Иными словами, подтверждающий номер означает: «до сих пор я все получил». Механизм с использованием «подтверждающего номера» исключает дублирование пакетов при повторной отправке не доставленных данных.

Кроме определения порядка следования информационных пакетов, «порядковый номер» играет важную роль в механизме синхронизации соединения и в контроле потерянных пакетов при разрывах соединения.

Стоит сказать несколько слов о механизме, предотвращающем появление в сети пакетов с одинаковыми номерами. Они могут появиться, например, при установлении и быстром сбросе соединения или при сбросе соединения и его быстром восстановлении, т.е. когда номер испорченного пакета может быть сразу использован новым пакетом. Механизм предотвращения подобных ситуаций основан на генерировании начального числа последовательности пакетов, а поскольку счетчик циклический, то все равно, с какого места начинать отсчет.

Так, при установлении нового соединения генерируется 32-битовое число ISN (Initial Sequence Number). Генератор может использовать младших разряда машинного таймера, который меняется каждые микросекунды (полный цикл - 4,55 часа). Это число и служит отсчетом нумератора пакетов. Кроме того, каждая дейтаграмма в сети имеет ограниченное время жизни MSL - Maximum Life Time, которое значительно меньше периода генератора. Таким образом, в сети гарантируется невозможность появления пакетов с одинаковыми номерами.

Поврежденные пакеты отсеиваются механизмом проверки контрольной суммы, которая помещается в каждом передаваемом пакете.

4.7.4 Механизм управления потоком данных Протокол TCP предоставляет получателю пакетов возможность регулировать передаваемый к нему отправителем поток данных. Этот механизм основан на том, что при передаче флага подтверждения получения пакета (АСК) в ТСР-сегменте передается указатель объема данных (так называемое «окно» TCP-соединения), которые могут быть переданы отправителем, не дожидаясь от получателя разрешения отправить следующую порцию данных. Иными словами, указывается размер свободного места в буферном накопителе, куда записываются только что принятые данные, ожидающие дальнейшей обработки и передачи соответствующим процессам. Этот механизм позволяет избежать «пробок» при обмене данными между системами, обладающими разной производительностью.

«Окно» задается количеством байтов, отсчитываемых от последнего подтвержденного байта (acknowledgment number). Нулевой размер окна означает, что отправитель должен приостановить передачу до тех пор, пока он не будет уведомлен о готовности получателя к приему данных. Необходимо заметить, что в этом случае отправитель передает однобайтовые пакеты.

Безусловно, большой размер окна позволяет передавать данные быстрее, поскольку отправителю пакета не нужно ждать от получателя сигнал о его готовности к приему. Однако в случае сбоя передачи, соответственно, возрастет объем данных, которые нужно отправить заново. При небольшом же размере окна потерянные сегменты данных можно восстановить с минимальными затратами.

Механизм управления потоком данных позволяет протоколу TCP оптимизировать скорость достоверного обмена данными между процессами в сети Интернет.

4.7.5 Состав и назначение полей заголовка Пакеты протокола TCP переносятся в поле «Данные» IP дейтаграммы. Заголовок пакета TCP следует за заголовком дейтаграммы. Структура заголовка пакета TCP представлена на рис.

4.5.

Порт отправителя Порт получателя Порядковый номер Номер при подтверждении Смеще Резерв U А С Р R S Т S Y N FIN Окно ние R К S данных G Н Контрольная сумма Указатель срочности Опции | Заполнение Данные Рис. 4.5 Заголовок пакета TCP Порт отправителя (Source Port, 6 битов).

Порт получателя (Destination Port, 16 битов).

Порядковый номер (Sequence Number, 32 бита). Если в пакете отсутствует флаг SYN, то это - номер первого октета данных в этом пакете. Если флаг SYN в пакете присутствует, то номер данного пакета становится номером начала последовательности (ISN), и номером первого октета данных становится номер ISN+1.

Номер при подтверждении (Acknowledgment Number, 32 бита) -если пакет содержит установленный флаг АСК, то это поле содержит номер следующего ожидаемого получателем октета данных. При установленном соединении пакет подтверждения отправляется всегда.

Поле величины смещения данных (Data Offset,4 бита) указывает количество 32-битовых слов заголовка TCP-пакета.

Резерв (Reserved, 6 битов) - зарезервированное поле. Флаги управления (слева направо):

URG - флаг срочности, АСК - флаг пакета, содержащего подтверждение получения, PSH - флаг форсированной отправки, RST - сброс соединения, SYN - синхронизация порядковых номеров, FIN - флаг окончания передачи со стороны отправителя.

Окно (Window, 16 битов) - поле содержит количество байтов данных, которое отправитель данного сегмента может принять, считая от байта с номером, указанным в поле Номер при подтверждении.

Поле контрольной суммы (Checksum, 16 битов).

Поле указателя срочности данных (Urgent Pointer, 16 битов). Это поле содержит номер пакета, начиная с которого следуют пакеты повышенной срочности. Указатель принимается во внимание только в сегментах с установленным флагом URG.

Опции (Options) - поле дополнительных параметров, может быть переменной длины.

Заполнение (Padding) - поле, заполняемое нулями для выравнивания заголовка до размера, кратного 32-битам.

Более подробное описание протокола TCP можно найти в RFC 793, RFC-1180.

4.8 Протокол UDP Протокол передачи пользовательских дейтаграмм - User Datagram Protocol (UDP) значительно проще рассмотренного в предыдущем параграфе протокола TCP и предназначается для обмена дейтаграммами между процессами компьютеров, расположенных в объединенной системе компьютерных сетей.

Протокол UDP базируется на протоколе IP и предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, немногим отличающиеся от услуг протокола IP. Протокол UDP обеспечивает негарантированную доставку данных, т.е. не требует подтверждения их получения;

кроме того, данный протокол не требует установления соединения между источником и приемником информации, т. е. между модулями UDP.

К заголовку IP-пакета протокол UDP добавляет служебную информацию в виде заголовка UDP-пакета (рис. 4.6).

Порт отправителя Порт получателя Длина Контрольная сумма Данные … Рис. 4.6 Формат UDP-пакета Порт отправителя (Source Port) - поле указывает порт рабочей станции, передавшей дейтаграмму. На этот порт следует адресовать ответную дейтаграмму. Если данное поле не используется, оно заполняется нулями.

Порт получателя (Destination Port) - поле идентифицирует порт рабочей станции, на которую будет доставлен пакет.

Длина (Length) - это поле информирует о длине UDP-пакета в октетах, включая как заголовок, так и данные. Минимальное значение длины равно восьми.

Контрольная сумма (Checksum) - поле проверки правильности передачи данных заголовка пакета, псевдозаголовка и поля полезной нагрузки пакета. Если данное поле не используется, оно заполняется нулями.

Модуль IP, реализованный в принимающей рабочей станции, передает поступающий из сети IP-пакет модулю UDP, если в заголовке этого пакета указано, что протоколом верхнего уровня является протокол UDP. При получении пакета от модуля IP модуль UDP проверяет контрольную сумму, содержащуюся в его заголовке. Если контрольная сумма равна нулю, значит, отправитель ее не подсчитал.

Протоколы UDP и TCP имеют один и тот же алгоритм вычисления контрольной суммы (RFC-1071), но механизм ее вычисления для UDP пакета имеет некоторые особенности. В частности, UDP-дейтаграмма может содержать нечетное число байтов, и в этом случае к ней, для унификации алгоритма, добавляется нулевой байт, который никуда не пересылается.

Более подробную информацию о протоколе UDP можно найти в RFC-768.

4.9 Требования к современным IP-сетям В главе 3 были рассмотрены принципы кодирования речевой информации, используемые для передачи ее по сетям с маршрутизацией пакетов IP. Закодированные при помощи таких алгоритмов данные генерируются с заданной (не обязательно фиксированной) скоростью независимо от загрузки сети. Требуется, чтобы информация была доставлена получателю с точно той же скоростью, с какой ее генерировал отправитель. Аналогичное требование предъявляется и к доставке видеоинформации.

Синхронная передача данных предполагает периодическую генерацию битов, байтов, или пакетов, которые должны быть воспроизведены приемником с точно таким же периодом. В данном случае скорость передачи информации постоянна. ТфОП функционирует на основе синхронной передачи данных, примером может служить цифровой поток Е1.

Передача такого рода информации (аудио, видео, синхронные потоки) сама по себе не требует очень малой задержки между источником и приемником, хотя это часто является предпочтительным.

Однако принципиально необходимо, чтобы задержка была предсказуема, так как только в этом случае временные параметры переданных сообщений могут быть восстановлены в приемнике.

Требования к скорости передачи информации для разных услуг варьируются очень широко. Например, передача данных телеметрии в реальном времени может требовать скорости несколько бит/с, для речевой информации удовлетворительного качества потребуется от до 32 Кбит/с, для обеспечения качества на уровне ТфОП необходимо до 64 Кбит/с, передача видео требует от десятков Кбит/с до десятков Мбит/с (HDTV), в зависимости от характеристик системы (размер изображения, частота кадров, способ кодирования и т.д.). Требования ко времени доставки тоже могут быть различны. Например, при организации речевой связи допускается сквозная задержка от 12 мс при отсутствии эхокомпенсации (G.164), и до 400 мс при ее наличии. При этом, как отмечалось в главе 3, при стремлении величины задержки к верхнему пределу субъективная оценка качества связи падает, взаимодействие становится полудуплексным. Для не интерактивных приложений (например, предоставление видеоинформации по запросу) могут допускаться задержки более 500 мс, которые ограничиваются только возможностью пользователя нормально управлять процессом воспроизведения и возможностями буферизации данных в приемнике.

Процесс передачи данных по сетям с коммутацией пакетов подвержен влиянию статистически изменяющейся задержки (джиттера), возникающей при обработке очередей в узлах сети. Джиттер компенсируется приемником путем использования буфера воспроизведения. Приемник должен обладать информацией о статистических характеристиках задержки, чтобы предусмотреть необходимое место в буферном накопителе. Например, если допустимы потери 0,1% пакетов, величина буфера должна поддерживаться на уровне, превышающем переменную составляющую задержки поступающих пакетов в 99,9% случаев. Таким образом, высокий уровень джиттера заставляет мириться либо с большим количеством мест в буферном накопителе и, как следствие, с большими задержками, либо с высоким уровнем потерь информации.

Сеть Интернет была создана для передачи данных на основе адаптивной маршрутизации, предполагающей, что данные могут следовать по разным маршрутам, выбираемым в зависимости от некоторых условий. Кроме того, в сети Интернет не предусматривалось установление соединения между источником и приемником информации, т.е. между компьютерами в сети не устанавливается никаких связей, информация о которых сохранялась бы в сети. Это приводит к тому, что пакеты часто приходят к получателю не в той последовательности, в какой они были переданы.

Интернет - сеть с доставкой по мере возможности. Это значит, что сеть пытается доставить информацию, но если это по каким-либо причинам не получается, то информация будет потеряна. Потери пакетов в Интернет, к сожалению, носят «пачечный» характер, то есть внутри некоторых интервалов времени теряется сразу много пакетов подряд или пакетов, следующих с небольшими промежутками. Эта характеристика сети Интернет затрудняет организацию передачи мультимедийной информации, поскольку такие приложения нормально работают только в условиях случайных независимых потерь.

Интернет - сеть, которая сегодня поддерживает только одноадресную доставку. Многоадресная доставка информации, очень полезная для многих приложений (организация конференций, трансляция телепрограмм и т.д.), поддерживается только в экспериментальном режиме на некоторых участках.

Кроме того, сегодня Интернет предоставляет любым приложениям и любым пользователям одинаковый (и притом, как уже говорилось, не гарантированный и не специфицированный) уровень качества обслуживания. Это не позволяет сравнивать качество услуг IP телефонии с качеством услуг ТфОП, так как в ТфОП существуют и действуют очень жесткие спецификации качества обслуживания вызовов. Для решения названной проблемы необходимо обеспечить возможность резервирования ресурсов сети в процессе установления соединений.

Скажем несколько слов о надежности. Стремление обеспечить в рамках IP-сетей предоставление услуг телефонии, аналогичных услугам ТфОП, сталкивается с проблемой физической надежности сети.

Пользователи ТфОП привыкли, что услуги доступны 24 часа в сутки дней в неделю, т.е. всегда. Эта привычка вполне обоснована, так как АТС и другое оборудование, составляющее основу ТфОП, разработано с учетом коэффициента готовности 99.999%, что эквивалентно 3 часам простоя за 40 лет (!) эксплуатации. Так исторически сложилось, что в мире сетей передачи данных действуют совершенно другие стандарты.

Большинство людей не смогут ответить, когда последний раз не работал их телефон, однако они без труда припомнят, когда отказала локальная сеть, или не было доступа к Интернет. Создание универсальной сетевой инфраструктуры на базе протокола IP потребует пересмотреть требования к надежности IP-сетей.

Подводя итог, отметим, что Интернет в сегодняшнем состоянии, со всеми отмеченными выше свойствами, вполне удовлетворяет требованиям наиболее популярных приложений (WWW, электронная почта, передача файлов и т.д.), однако, как мы увидим ниже, для поддержки новых услуг, в том числе аналогичных по сути и качеству услугам ТфОП, необходима глубокая поэтапная модернизация сети с внедрением новых протоколов и алгоритмов обслуживания трафика.

4.10 Протоколы RTP и RTCP Приложения, обеспечивающие передачу речевой и видеоинформации, используют сервис транспортного уровня без установления соединений (например, UDP). При этом каждое приложение может обеспечивать формирование полезной нагрузки пакетов специфическим образом, включая необходимые для функционирования поля и данные. Однако, как показал приведенный в предыдущем параграфе анализ, данные разной природы (речь, видео) имеют общие особенности, которые требуют обеспечения вполне определенной функциональности при их передаче по сети. Это позволяет сформировать некий общий транспортный уровень, объединяющий функции, общие для потоковых данных разной природы, и используемый всеми соответствующими приложениями, придав протоколу этого уровня статус стандарта. Комитетом IETF был разработан протокол транспортировки информации в реальном времени - Realtime Transport Protocol (RTP), который стал базисом практически для всех приложений, связанных с интерактивной передачей речевой и видеоинформации по сети с маршрутизацией пакетов.

Характерные для IP-сетей временные задержки и вариация задержки пакетов (джиттер) могут серьезно исказить информацию, чувствительную к задержке, например, речь и видеоинформацию, сделав ее абсолютно непригодной для восприятия. Отметим, что вариация задержки пакетов гораздо сильнее влияет на субъективную оценку качества передачи, чем абсолютное значение задержки.

Уже длительное время ведется работа по созданию методов уменьшения джиттера и задержек. Для этого могут применяться рассмотренные в главе 10 механизмы, обеспечивающие пользователю заданный уровень качества обслуживания. Они, конечно, улучшают качество услуг, предоставляемых сетью, но не могут совсем устранить образование очередей в сетевых устройствах и совсем убрать джиттер.

Именно протокол RTP позволяет компенсировать негативное влияние джиттера на качество речевой и видеоинформации. В то же время, он не имеет собственных механизмов, гарантирующих своевременную доставку пакетов или другие параметры качества услуг, -это осуществляют нижележащие протоколы. Он даже не обеспечивает все те функции, которые обычно предоставляют транспортные протоколы, в частности функции исправления ошибок и управления потоком. Обычно протокол RTP базируется на протоколе UDP и использует его функции, но может работать и поверх других транспортных протоколов.

Существует несколько серьезных причин, по которым такой распространенный транспортный протокол, как TCP, плохо подходит для передачи чувствительной к задержкам информации. Во-первых, это алгоритм надежной доставки пакетов. Пока отправитель повторно передаст пропавший пакет, получатель будет ждать, результатом чего может быть недопустимое увеличение задержки. Во-вторых, алгоритм управления при перегрузке в протоколе TCP далеко не оптимален для передачи речи и видеоинформации. При обнаружении потерь пакетов протокол TCP уменьшает размер окна, а затем будет его медленно увеличивать. Однако передача речевой и видеоинформации осуществляется на вполне определенных, фиксированных скоростях, которые нельзя мгновенно уменьшить, не ухудшив качество предоставляемых услуг. Правильной реакцией на перегрузку для информационных потоков этих типов было бы изменение метода кодирования, частоты видеокадров или размера видеоизображения.

Протокол RTP предусматривает индикацию типа полезной нагрузки и порядкового номера пакета в потоке, а также применение временных меток. Отправитель помечает каждый RTP-пакет временной меткой, получатель извлекает ее и вычисляет суммарную задержку. Разница в задержке разных пакетов позволяет определить джиттер и смягчить его влияние - все пакеты будут выдаваться приложению с одинаковой задержкой.

Итак, главная особенность RTP - это вычисление средней задержки некоторого набора принятых пакетов и выдача их пользовательскому приложению с постоянной задержкой, равной этому среднему значению. Однако следует иметь в виду, что временная метка RTP соответствует моменту кодирования первого дискретного сигнала пакета. Поэтому, если RTP-пакет, например, с видеоинформацией, разбивается на блоки данных нижележащего уровня, то временная метка уже не будет соответствовать истинному времени их передачи, поскольку они перед передачей могут быть установлены в очередь.

На рис. 4.7 представлен основной заголовок RTP-пакета, содержащий ряд полей, которые идентифицируют такие элементы, как формат пакета, порядковый номер, источник информации, границы и тип полезной нагрузки.

Рис. 4.7 Основной заголовок RTP-пакета V (2 бита) - поле версии протокола. Текущая версия протокола вторая.

Р (1 бит) - поле заполнения. Сигнализирует о наличии заполнения в конце поля полезной нагрузки. Заполнение применяется, когда приложение требует, чтобы размер полезной нагрузки был кратен, например, 32 битам.

Х (1 бит) - поле расширения заголовка. Служит для индикации того, что за основным заголовком следует дополнительный заголовок, используемый в экспериментальных расширениях протокола RTP.

СС (4 бита) - поле отправителей. Содержит идентификаторы отправителей, чьи данные находятся в пакете, причем сами идентификаторы следуют за основным заголовком.

М (1 бит) - поле маркера. Обычно используется для указания границ потока данных. Смысл бита маркера зависит от типа полезной нагрузки. В случае передачи видеоинформации он определяет конец кадра. При передаче речевой информации маркер указывает начало периода активности после периода молчания.

РТ (7 битов) - поле типа полезной нагрузки. Идентифицирует тип полезной нагрузки и формат данных, включая сжатие и шифрование. В стационарном состоянии отправитель использует только один тип полезной нагрузки в течение сеанса, но он может его изменить в ответ на изменение условий, если об этом сигнализирует протокол управления транспортировкой информации в реальном времени (Real Time Transport Control Protocol).

Порядковый номер пакета (Sequence Number, 16 битов). Каждый источник начинает нумеровать пакеты с произвольного номера, увеличиваемого затем на единицу с каждым переданным пакетом RTP.

Это позволяет обнаруживать потери пакетов и определять порядок пакетов с одинаковым временным штампом. Несколько последовательных пакетов могут иметь один и тот же штамп, если логически они порождены в один и тот же момент, как, например, пакеты, принадлежащие одному и тому же видеокадру.

Временной штамп (Timestamp, 32 бита). Момент времени, в который был создан первый октет данных полезной нагрузки. Единицы, в которых время указывается в этом поле, зависят от типа полезной нагрузки. Значение определяется по локальным часам отправителя.

Идентификатор SSRC (Synchronization Source Identifier, 32 бита) поле идентификатора источника синхронизации. Псевдослучайное число, которое уникальным образом идентифицирует источник в течение сеанса и не зависит от сетевого адреса. Это число играет важную роль при обработке порции данных, поступившей от одного источника.

Идентификатор CSRC (Contributing Source Identifier, 32 бита) - список полей идентификаторов источников, участвующих в создании RTP-пакета. Устройство смешивания информации (миксер) вставляет целый список SSRC идентификаторов источников, которые участвовали в построении данного RTP-пакета. Количество элементов в списке: от до 15. Если число участников более 15, выбираются первые 15.

Примером может служить речевая конференция, в которой передаются RTP-пакеты с речью всех участников - каждый со своим идентификатором SSRC. Они-то и образуют список идентификаторов CSRC. Вся конференция имеет общий идентификатор SSRC.

Доставка RTP-пакетов контролируется специальным протоколом RTCP (Real Time Control Protocol).

Основной функцией протокола RTCP является организация обратной связи приемника с отправителем информации для отчета о качестве получаемых данных. Протокол RTCP передает сведения (как от приемника, так и от отправителя) о числе переданных и потерянных пакетов, значении джиттера, задержке и т.д. Эта информация может быть использована отправителем для изменения параметров передачи, например для уменьшения коэффициента сжатия информации с целью улучшения качества ее передачи. Более подробное описание протоколов RTP и RTCP можно найти в RFC-1889.

4.11 Многоадресная рассылка Основной целью группового вещания является создание эффективного механизма передачи данных по схеме «один-ко-многим» и «многие-ко-многим».

Традиционные механизмы доставки пакетов стека TCP/IP мало пригодны для поддержки группового вещания. Например, использование уникальных адресов (unicast) приводит к необходимости установления многочисленных двухточечных соединений между отправителем и каждым из получателей.

Другим способом передачи данных является широковещательная передача, когда станция направляет пакеты, используя широковещательные адреса (broadcast). Пакеты с такими адресами передаются ко всем конечным узлам указанной сети, независимо оттого, нужны ли они каждому из них. Во многих ситуациях такой способ передачи также оказывается неэффективным вследствие своей избыточности, которая ведет к чрезмерному росту трафика, особенно в крупных сетях.

В случае использования групповых адресов отправитель передает сообщение только один раз, затем оно тиражируется и доставляется только к тем узлам, которые являются членами соответствующей группы. Такой режим экономит пропускную способность за счет передачи только того трафика, который необходим. Номера группы задаются с использованием IP-адреса типа multicast.

Основными протоколами, на базе которых реализуется многоадресная рассылка в IP-сетях, являются протоколы IGMP (Internet Group Management Protocol), DVMRP - (Distance Vector Multicast Routing Protocol), PIM (Protocol Independent Multicast).

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.