Архитектура Н.323

Первый стандартизированный подход к построению сетей IP-телефонии был предложен в рекомендации ITU-T H.232. Рекомендация Н.323 предусматривает использование набора протоколов, предназначенных для передачи как речевой информации, так и для работы мультимедийных приложений в сетях с негарантированным качеством обслуживания.

Сегодня этот способ создания сетей IP-телефонии широко используется операторами во всем мире, для предоставления услуг междугородной и международной телефонной связи. Сети на базе протоколов Н.323 ориентированы на интеграцию с телефонными сетями и могут рассматриваться как сети ISDN, наложенные на сети передачи данных. В частности, процедура установления соединения в таких сетях IP-телефонии базируется на рекомендации Q.931 [1] и аналогична процедуре, используемой в сетях ISDN (см. рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Архитектура сети на базе H.323

Основными устройствами сети являются: терминал (Terminal), шлюз (Gateway), привратник (Gatekeeper) и устройство управления конференциями (Multipoint Control Unit - MCU).

ТерминалН. 323 – оконечное устройство пользователя сети IP-телефонии, которое обеспечивает двухстороннюю речевую (мультимедийную) связь с другим терминалом Н.323, шлюзом или устройством управления конференциями.

ШлюзIP-телефонии реализует передачу речевого трафика по сетям с маршрутизацией пакетов IP по протоколу Н.323. Основное назначение шлюза – преобразование речевой информации, поступающей со стороны СТОП, в вид, пригодный для передачи по сетям с маршрутизацией пакетов IP. Кроме того, шлюз преобразует сигнальные сообщения систем сигнализации DSS1 и ОКС7 в сигнальные сообщения Н.323 и производит обратное преобразование в соответствии с рекомендацией ITU H.246.

В привратнике сосредоточен весь интеллект сети IP-телефонии. Сеть, построенная в соответствии с рекомендацией Н.323, имеет зонную архитектуру. Привратник выполняет функции управления одной зоной сети IP-телефонии, в которую входят: терминалы, шлюзы, устройства управления конференциями, зарегистрированные у данного привратника. Отдельные фрагменты зоны сети Н.323 могут быть территориально разнесены и соединяться друг с другом через маршрутизаторы.

Наиболее важными функциями привратника являются:

- регистрация оконечных и других устройств;

- контроль доступа пользователей системы к услугам IP-телефонии при помощи сигнализации RAS;

- преобразование аlias-адреса вызываемого пользователя (объявленного имени абонента, телефонного номера, адреса электронной почты и др.) в транспортный адрес сетей с маршрутизацией пакетов IP (IP-адрес плюс номер порта TCP);

- контроль, управление и резервирование пропускной способности сети;

- ретрансляция сигнальных сообщений Н.323 между терминалами.

В одной сети IP-телефонии, отвечающей требованиям рекомендации ITU H.323, может находиться несколько привратников, взаимодействующих друг с другом по протоколу RAS. Кроме основных функций, определенных рекомендацией Н.323, привратник может отвечать за аутентификацию пользователей и начисление платы (биллинг) за телефонные соединения.

Устройство управления конференциямиобеспечивает возможность организации связи между тремя или более участниками. Рекомендация Н.323 предусматривает три вида конференции: централизованная (т.е. управляемая MCU, с которым каждый участник конференции соединяется в режиме точка-точка), децентрализованная (когда каждый участник конференции соединяется с остальными ее участниками в режиме точка-группа точек) и смешанная.

Преимуществом централизованной конференции является сравнительно простое терминальное оборудование, недостатком – большая стоимость устройства управления конференциями. Для децентрализованной конференции требуется более сложное терминальное оборудование и желательно, чтобы в сети IP поддерживалась передача пакетов IP в режиме многоадресной рассылки (IP multicasting). Если этот режим в сети не поддерживается, терминал должен передавать речевую информацию каждому из остальных участников конференции в режиме точка-точка.

Устройство управления конференциями состоит из одного обязательного элемента – контроллера конференций (Multipoint Controller, МС) и, кроме того, может включать в себя один или более процессоров для обработки пользовательской информации (Multipoint Processor – МР). Контроллер может быть физически совмещен с привратником, шлюзом или устройством управления конференциями. Устройство управления конференциями может быть совмещено со шлюзом или привратником.

Контроллер конференций используется для организации конференции любого вида. Он организует обмен между участниками конференции данными о режимах, поддерживаемых их терминалами, и указывает, в каком режиме участники конференции могут передавать информацию, причем в ходе конференции этот режим может изменяться, например, при подключении к ней нового участника. Так как контроллеров в сети может быть несколько, для каждой вновь создаваемой конференции должна быть проведена специальная процедура выявления того контроллера, который будет управлять данной конференцией. При организации централизованной конференции, кроме контроллера МС, должен использоваться процессор МР, обрабатывающий пользовательскую информацию. Процессор МР отвечает за переключение или смешивание речевых потоков, видеоинформации и данных. Для децентрализованной конференции процессор не нужен.

Существует еще один элемент сети Н.323 – прокси-серверН.323.Этот сервер функционирует на прикладном уровне и может проверять пакеты с информацией, которой обмениваются два приложения. Прокси-сервер может определять, с каким приложением (Н.323 или другим) ассоциирован вызов, и осуществлять нужное соединение. Прокси-сервер выполняет следующие ключевые функции:

- подключение через средства коммутируемого доступа или локальные сети терминалов, не поддерживающих протокол резервирования ресурсов (RSVP). Два таких прокси-сервера могут образовать в IP-сети туннельное соединение с заданным качеством обслуживания;

- маршрутизацию трафика Н.323 отдельно от обычного трафика данных;

- обеспечение совместимости с преобразователем сетевых адресов, поскольку допускается размещение оборудования Н.323 в сетях с пространством адресов частных сетей;

- защиту доступа (только для трафика Н.323).

Лекция 6. Стек протоколов H.323

Цель лекции: ознакомление с стеком протоколов H.323.

H.323 это не один стандарт, а целая серия стандартов для поддержки передачи речи и видео по сетям без обеспечения качества услуг. Он содержит спецификации алгоритмов кодирования речи и видео, протоколы установления и управления соединениями, меры для обеспечения передачи в реальном времени, интерфейсы с другими сетями и т. д. Стек протоколов H.323, приведен на рисунке 6.1 [7].

Рисунок 6.1 – Cтек протоколов H.323

Семейство протоколов H.323. включает в себя три протокола составляющие основу:

- протокол RAS (Registration, Admission and Status) – протокол взаимодействия оконечного оборудования с Gatekeeper (привратником);

- H.225 – протокол управления соединениями;

- H.245 – протокол управления логическими каналами.

H.323 включает также такие стандарты кодирования речи, как G.711, G.722, G.723.1, G.728 и G.729, из которых G.711 является основным.

Особое положение занимает подгруппа стандартов для контроля вызовов, в том числе для установления соединения, управления потоками, контроля доступа, передачи служебных сообщений и т. п. Ключевым компонентом этой подгруппы является протокол управляющего канала H.245 для передачи разного рода служебной информации во время сеансов H.323. Он применяется для согласования конечными точками взаимоприемлемых параметров, открытия и закрытия логических каналов, передачи сообщений для управления потоками и других необходимых команд и запросов.

Соединение же между двумя устройствами H.323 устанавливается и закрывается с помощью протокола сигнализации вызова Q.931, а регистрация и контроль доступа, контроль за доступной пропускной способностью и статусом устройств H.323 осуществляются посредством третьего протокола этой подгруппы – RAS (в его названии перечислены основные выполняемые им функции – регистрация, контроль доступа и мониторинг статуса). В сети без привратников RAS канал вообще не используется.

RAS – протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником. Под оконечным оборудованием следует понимать терминалы, шлюзы, устройства управления конференциями. Основными функциями выполняемыми протоколом RAS являются:

- поиск и обнаружение привратника (gatekeeper);

- процедура регистрации оконечного оборудования на привратнике (gatekeeper);

- управление доступом оконечного оборудования к сетевым ресурсам;

- установление места дислокации оконечного оборудования в сети;

- управление размером полосы пропускания в течении обработки вызова;

- мониторинг текущего состояния оконечного оборудования;

- информирование привратника об освобождении полосы пропускания, ранее занимаемой оконечным оборудование.

H.323 использует транспортировку информации как с гарантией доставки, так и без нее. Первая применяется для передачи служебных сообщений и данных, так как в этом случае потери информации недопустимы, а вторая – для речи и видео, поскольку запоздавший пакет вряд ли будет полезен соответствующему приложению. Доставка с гарантией обеспечивается протоколом TCP, а доставка без гарантии осуществляется посредством UDP. Доставка речи и видео в реальном масштабе времени обеспечивается протоколами RTP (Real-Time Transfer Protocol) и RTCP (Real-Time Transfer Control Protocol). Каждый пакет RTP имеет основной заголовок, а также дополнительные поля, в случае, когда число участников сеанса больше двух. На рисунке 6.2 представлена структура пакета RTP в случае организации речевой связи между двумя абонентами.

Заголовок RTP состоит из следующих полей:

- поле версии (2 бита): текущая версия вторая;

- поле P – поле заполнения (1 бит). Это поле сигнализирует о наличии заполняющих октетов в конце полезной нагрузки. В этом случае последний октет указывает число заполняющих октетов;

- поле X – поле расширения заголовка (1 бит). Когда это поле задано, то за основным заголовком следует еще один дополнительный, используемый в экспериментальных расширениях RTP;

- поле CC – поле числа отправителей (4 бита). Это поле содержит число идентификаторов отправителей, чьи данные находятся в пакете, причем сами идентификаторы следуют за основным заголовком;

- поле маркера (1 бит). Смысл бита маркера зависит от типа полезной нагрузки. Бит маркера используется обычно для указания границ потока данных. В случае передачи видео он задает конец кадра. В случае передачи речи он задает начало разговора после периода молчания;

Рисунок 6.2 – Формат пакета RTP

- поле типа полезной нагрузки (7 бит). Это поле 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 передачей в реальном времени;

- поле порядкового номера (16 бит). Каждый источник начинает нумеровать пакеты с произвольного номера, увеличиваемого затем на единицу с каждым посланным пакетом данных RTP. Это позволяет обнаружить потерю пакетов и определить порядок пакетов с одинаковой отметкой о времени. Несколько последовательных пакетов могут иметь одну и ту же отметку о времени, если логически они порождены в один и тот же момент (например, пакеты, принадлежащие к одному и тому же видеокадру);

- поле отметки о времени (32 бита). Здесь записывается 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;

- поле идентификатора источника синхронизации: генерируемое случайным образом число, уникальным образом идентифицирующее источник в течение сеанса;

- поле полезной нагрузки: в случае передачи речи, полезной нагрузкой являются речевые кадры, сформированные вокодером.

Протокол RTP используется только для передачи пользовательских данных. RTCP использует транспортный протокол, что и RTP UDP, но другой номер порта. Сообщения отправителя позволяют получателям оценить скорость данных и качество передачи. Сообщения получателей содержат информацию о проблемах, с которыми они сталкиваются, включая утерю пакетов и избыточную неравномерность передачи. На рисунке 6.3 представлен упрощенный сценарий.

Рисунок 6.3 – Упрощённый сценарий установления соединения в сети Н.323

В данном сценарии предполагается, что конечные пользователи уже знают IP-адреса друг друга. Рассмотрим этот упрощенный сценарий:

- оконечное устройство пользователя А посылает запрос соединения - сообщение SETUP - к оконечному устройству пользователя В;

- оконечное устройство вызываемого пользователя В отвечает на сообщение SETUP сообщением ALERTING;

- после того, как пользователь В принимает вызов, к вызывающей стороне А передается сообщение CONNECT;

- оконечные устройства обмениваются по каналу Н.245 информацией о типах используемых речевых кодеков(G.729, G.723.1 и т.д.);

- открываются логические каналы для передачи речевой информации;

- речевая информация передаётся в обе стороны в сообщениях протокола RTP; кроме того, ведется контроль передачи информации при помощи протокола RTCP.