IP telefónia

Vývoj TCP/IP

Vývoj sa pevne viaže na históriu Internetu, ale základný zlom nastal asi vtedy, keď ARPA investovala peniaze, aby TCP/IP bolo implementované do nejakého operačného systému. Zaplatili komerčnej firme BBN, aby ona implementovala protokoly TCP/IP v BSD Unixe. Potom ešte prispela stredisku Berkeley Software Distribution na univerzite v Berkeley na to, aby mohla zdarma distribuovat BSD Unix vybavený už protokolmi TCP/IP celej akademickej obci. Takže protokoly TCP/IP mali dobrý štart a dodnes sú jednoznačne prevládajúce v prostredí Unix.


TCP/IP a Internet 

Ako už bolo naznačené, protokoly TCP/IP vznikli v lone Internetu a pre jeho potreby a dodnes sú tiež technológiou, na ktorej je Internet vybudovaný a na ktorej aj funguje. Hovorí sa o nich tiež ako o protokoloch Internetu.

Ale nie je správne dávať rovnosť medzi TCP/IP a Internet. TCP/IP je technológia, spôsob ako niečo spraviť. Naproti tomu Internet je konkrétna sieť, respektíve sústava vzájomne prepojených sieti alebo jedno konkrétne použitie technológie TCP/IP. Tá istá
technológia môže byť implementovaná v sieťach, ktoré s Internetom nemajú nič spoločné.

Sieťový model TCP/IP vychádza tiež z predstavy o tom, že sieťové funkcie by mali byť rozdelené do vrstiev. Ale na rozdiel od RM ISO/OSI (7 vrstiev) má SM TCP/IP 4 vrstvy.


Vrstvy TCP/IP

Referenčný model ISO OSI je vlastne abstrakciou a rozšírením usporiadania protokolov TCP/IP. Najčastejšie sa reprezentácia vrstiev TCP/IP znázorňuje podľa obr. 1:

Vrstva sieťového rozhrania je najnižšou vrstvou v stĺpci a zodpovedá dvom najnižším vrstvám modelu ISO OSI. Funkcie a parametre tejto vrstvy sú u väčšiny sieťových adaptérov pevne zabudované v hardvéri a firmvéri.

Internetová vrstva - zodpovedá pomerne presne sieťovej vrstve ISO OSI,

Transportná vrstva - zodpovedá transportnej vrstve modelu ISO OSI,

Aplikačná vrstva - zahrňuje v sebe funkcie troch najvyšších vrstiev ISO OSI. 

Hlavný rozdiel medzi stĺpcom protokolov TCP/IP a ISO OSI je v tom, že posledný menovaný model má nad transportnou vrstvou ešte tri ďalšie, zatiaľ čo TCP/IP má na tomto mieste iba jednu vrstvu. Monolitický prístup TCP/IP v princípe vedie ku kódu, ktorý síce môže byť rýchlejší, ale nie je tak prehľadný a opakovane použiteľný.


Tok dát medzi vrstvami

Spolupráca medzi vrstvami je založená na tom, že vrstvy vyššej úrovne využívajú dopredu definované služby, ktoré poskytuje niektorá z nižších vrstiev. Pritom spravidla vyššia vrstva spolupracuje priamo iba s tou, ktorá sa nachádza bezprostredne pod ňou. Skutočný tok dát pri komunikácii je znázornený na obr. 2. Na zdrojovej stanici A prechádzajú dáta vrstvami smerom dole až do vrstvy sieťového rozhrania, kde sa uskutoční ich prenos do cieľovej stanice B, odtiaľ postupujú vrstvami v opačnom smere, teda zdola nahor. Vďaka dátovej abstrakcii danej vrstvením protokolov sa pre obidva programy v aplikačnej vrstve vytvára predstava, ako keby spolu priamo komunikovali.

Pozrime sa teraz trochu podrobnejšie na to, čo sa deje s dátami, ktoré si protokoly v susedných vrstvách medzi sebou odovzdávajú. Predpokladajme, že nejaký program v aplikačnej vrstve vytvára určité dáta, ktoré chce poslať partnerskému programu, s ktorým komunikuje. Použije teda napríklad služby protokolu TCP na nadviazanie spojenia medzi obidvoma počítačmi a na vytvorenie logického prúdu dát. Dáta však musia byť prenášané v diskrétnych paketoch, takže TCP najprv odhadne optimálnu veľkosť takéhoto paketu, a potom rozdelí spojitý prúd dát na segmenty s touto veľkosťou. Segmenty sú doplnené identifikačnými údajmi, tvoriacimi hlavičku TCP a sú odovzdané nižšej vrstve - protokolu IP. Protokol IP zoberie obsah segmentu, ktorý považuje za indiferentné dáta a pripojí k nemu vlastné identifikačné údaje - hlavičku IP, čím vznikne IP datagram. Ten je odovzdaný sieťovému rozhraniu, napríklad Ethernetu, kde je postup úplne analogický: Datagram sa umiestni do dátovej časti ethernetovského rámca, v ktorom sa ešte ďalej vyplnia identifikačné dáta špecifické pre Ethernet, a potom je rámec odoslaný na prenosové médium.

Na cieľovej stanici je postup opačný: Protokol nižšej vrstvy odstráni identifikačné údaje a vlastný dátový obsah odovzdá protokolu vo vyššej vrstve. Keďže v každej vrstve sa nachádza niekoľko protokolov, mohol by vzniknúť problém, ktorému protokolu vyššej vrstvy je potrebné dáta odovzdať. Preto každý protokol nižšej úrovne má vo svojej hlavičke okrem iného uvedené, ktorému z možných kandidátov vo vyššej vrstve má dáta odovzdať.


Vlastnosti protokolov

Spojovaná služba (Connection - oriented Service)

Používa podobný princíp ako klasický telefón. Entity na rovnakej úrovni musia najprv nadviazať spojenie, prostredníctvom ktorého potom komunikujú. Toto spojenie sa po ukončení komunikácie musí zrušiť. Spojenie sa chová v určitom zmysle ako rúra (pipe), napr. zachováva sa poradie prenášaných dát. S vytvorením spojenia a s jeho zrušením je spojená určitá réžia, preto sa tento druh služby odporúča použiť pri väčšom objeme prenášaných dát. 


Nespojovaná služba (Connectionless Service)

Používa princíp ako listová pošta. Jednotlivé prenášané časti dát môžu použiť rôzne cesty a môžu doraziť v rôznom poradí. Táto služba nemá prakticky žiadnu réžiu na začiatku a konci komunikácie, ale má vyššiu réžiu pri prenose jednotlivých častí dát. Je výhodné ju použiť pri menšom množstve dát. 


Spoľahlivá služba (Reliable Service)

Nikdy nestráca žiadne dáta. Zvyčajne sa používa mechanizmus potvrdzovania (ok - opakovať prenos). Tento však zvyšuje réžiu a často môže byť opakovanie prenosu nevhodné, napr. pri digitálnom prenose zvuku (real time). 


Nespoľahlivá služba (Unreliable Service)

Presnejšie služba zabezpečujúca vysokú, ale nie stopercentnú spoľahlivosť. Má však menšiu réžiu a preto je rýchlejšia. Nespoľahlivým typom protokolu je napr. UDP.


IP telefónia

IP telefónia (IPT) sa v posledných rokoch vyvinula a dozrela natoľko, že sa v súčasnosti prekonáva klasický prenos hlasu. Všetci významnejší dodávatelia klasických telefónnych riešení už majú aj riešenia podporujúce IP telefóniu. Firma Tronet a.s. ponúka
implementáciu IP telefónie na báze produktov firmy Cisco Systems, ktorá je v súčasnosti v oblasti IP telefónie lídrom na trhu. 

IP telefónia patrí takpovediac k trendom dnešnej doby a prispieva k zvýšeniu konkurencieschopnosti jej užívateľa. Jej hlavnou výhodou je to, že je založená na osvedčených štandardoch a otvorených rozhraniach. To prispieva k jej rýchlemu rozšíreniu,
keďže ako otvorené riešenie sa vyznačuje vysokou mierou ochrany a efektívnosti vynaložených investícií. 
Hlavnou myšlienkou IP telefónie je teda zjednotenie komunikačnej infraštruktúry, čo znamená, že napriek rôznym užívateľským rozhraniam (Voice Mail, E-Mail, Fax) existuje jednotná a spoločná infraštruktúra s infraštruktúrou, ktorú používajú
sieťové zariadenia, jednotiacim prvkom je ďalej komunikačný IP protokol ako aj jednotná databáza používateľov v rámci firemnej infraštruktúry. 

To, že IPT je technológiou budúcnosti dokazujú okrem neustále reálne narastajúcich čísel predaných IP telefónov aj prognózy pre budúci vývoj. V prognózach sa napríklad uvádza, že sa objem celosvetovo predaných IP telefónov v porovnaní s telefónmi klasickými zmení v pomere 60% ku 40% už v roku 2003-2004. 


Čo je to IP telefónia a ako funguje

Jedná sa o prenos hlasu prostredníctvom dátových sietí. Myšlienka samotná je relatívne stará. Prvé štandardy vznikli v roku 1996. Od tej doby sa rada vecí zmenila. Dnešné IP telefónie od spoločnosti Cisco Systems je stavebnici, jej už jednotlivé prvky sú prispôsobené konkrétnym potrebám podniku. Takto vytvorená komunikačná sieť ľahko  „rastie“ s aktuálnymi potrebami podniku.

IP telefónia prenáša hlasovú informáciu prostredníctvom komunikačných sietí založených na protokolu IP. Dnes je IP protokol štandardom dátových počítačových sietí. Hlas je vtedy prenášaný v jednej sieti spoločne s ďalšími informáciami akými sú napríklad e-mailové správy. Pre užívateľa je hovor uskutočnený pomocou IP telefónie úplne identickým  hovorom v stávajúcej jednotnej telekomunikačnej sieti. Volajúci vytočí bežne telefónne číslo a hovor sa spojí. Pokiaľ sa takýto hovor uskutoční v rámci podniku – jeho IP infraštruktúry – je využitá výhradne existujúca dátová sieť namiesto klasickej jednotnej telekomunikačnej siete.


Prenos hlasu cez IP sieť

IP telefónia je založená na princípu digitalizácie hlasu známeho a používanom pomerne dlhú dobu. Dodnes používaná metóda digitalizácie, nazývaná PCM (Pulse Code Modulation) bola po prvé použitá v roku 1938 a štandardizovaná pod označením G.711 bola v roku 1960. Analógový signál je vzorkovaný 8.000 krát za sekundu, pričom každý vzor môže na byť jednu z 256 hodnôt amplitúdy. 256 hodnôt môžeme vyjadriť ako 28, teda 8 bitu 8.000 krát za sekundu znamená požiadaviek na 64.000 bitu za sekundu – teda 64 kbit/s. Už tušíte prečo má jeden ISDN B kanál kapacitu práve 64 kbit/s ?

64 kbit/s je samozrejme pomerne dosť a ľudské ucho je nedokonalé. Môžeme preto používať stratové algoritmy, ktorými je pri solídnej kvalite prenášaného hlasu dosahovaná kapacita až kolem 6 kbit/s.

Na obrázku je vidieť postup spracovania hlasu. Analógový signál je DSP (Digital Signaling Processor) digitalizovaný, pote je v Codec (compression/decompression) modulu komprimovaný na výslednou kapacitu. Ďalej nasleduje balení vzniknutých dát do
paketov a ich prenos sietí.

IP telefónia je obecne založená na tom, že telefónnu ústredňu nahradzuje jedno nebo súbor zariadení plniacich minimálne tieto funkcie: 

- pripojenie do klasického telefónneho sveta (JTS alebo klasické zariadenie typu fax) a prevod hlasu/faxu na IP pakety; 
- funkcie riadenia komunikácií – teda akého centrálneho mozgu, ktorý udržuje a spravuje konfigurácie a je schopný smerovať hovory v rámci telefónnej siete.

Na obrázku je analógia IP telefónie ku klasickej telefónnej ústredne. Ta zisťuje tieto základné funkcie: 

- spracovanie hovoru; 
- prepínanie hovoru; 
- pripojenie k JTS.

K týmto základným funkciám potom pristupujú aplikácie, ktoré skvalitňujú a zhodnocujú používanie IP telefónie. Tieto aplikácie sú buď známe zo sveta klasickej telefónie alebo sú nové. 


Technické dôvody

- otvorená architektúra založená na štandardoch, ľahká škálovateľnosť
- možnosť doprogramovania funkcionality (billing hovorov a podobne)
- nahrávanie hovorov
- integrácia do podnikovej DB cez otvorené API rozhrania
- jednotný komunikačný protokol
- IP protokol – pre LAN, WAN a IPT
- IP telefóny sú napojené priamo na počítačovú sieť čo prispieva ku zníženiu nákladov pri zriaďovaní užívateľa, pretože väčšinou už má PC, telefón sa zapojí sériovo pred PC (ako napr. Fax pred telefón) 
- jednoduchá rozšíriteľnosť – na báze licencií - nový používateľ znamená nový telefón a licencia k nemu; neexistujú problémy s plne osadenou PBX a pod. 
- vysoká dostupnosť a odolnosť voči poruche - využíva sa redundancia počítačovej siete
- optimalizácia hlasovej komunikácie - smerovanie hovoru podľa ceny, náhrada v prípade výpadku (failover), celosieťový číselný  plán 
- rozsiahly balík aplikácií – IP telefón nie je iba telefón - integrácia nad DB službami v rámci organizácie (adresár zamestnancov firmy, zákazníkov …), otvorené programovanie aj pre vlastné aplikácie 
- servis a technická podpora - riešia „IT ľudia“, nie je potrebný špecialista na ústredňu
- nízke nároky na prenosové pásmo - komprimovanie hlasu (jeden hlasový kanál – 12 K)
- QoS

Bezpečné riešenie

- IP telefóny na separátnych VLAN-och
- komunikácia chránená presne tak, ako dáta (za FW), smerom “von” sa komunikuje hlasovo cez JTS


Hlavní ekonomické prínosy IP telefónie

Prínosy každej investície musí byť jednoznačne vymenované. Dnešné IP oddelenie musí vyberať také riešenia, ktoré majú jasnú návratnosť i v krátkodobom horizonte. Medzi najvýznamnejšie prínosy IP telefónie patria: 

- Redukcie investícií z mnohých sietí na investíciu do jednej založenej na IP. Organizácia už nemusí investovať do viacerých zariadení pre viac sietí, ale jen do jedného riešenia, ktoré realizuje všetky potreby a je založené na otvorených štandardoch, nie proprietárnych telefónnych ústredniach. Prechod na jedinú sieť naviac zredukuje náklady na správu a komplexnosť sieťové infraštruktúry, ich riadení, rozširovaní a väčší flexibilitu. 

- Zníženie nákladov na zaistenie rastu komunikačného systému. Potreby na nasadenie technológie sú výrazne nižšie pre jednu sieť než pre riešenie na viac sietí. Systém ako celok môže byť naviac riadený odkiaľkoľvek. 

- Centrálna správa systému. Miesto, kde sa prevádzajú aplikácie, môže byť na jedinom mieste, rovnako tak riadenie telefónnej siete. Pobočkám to umožňuje používať rovnaké aplikácie ako v centrále. 

- Významné zníženie nákladov na implementáciu nových služieb. Dátová sieť zjednotí adresy o zamestnancoch a ich tel. číslach, e-mailoch a pod. Poskytne ich ako službu celou organizáciou. Adresár je jednotný, a vďaka jedinej sieti založené na IP mu rozumejú všetky aplikácie. 

- Zníženie nákladov na pripojenie. Cena za dátové spojenie je výrazne nižšia než v prípade pripojenia  konvenčnou telefónnou ústredňou. 

- Optimalizácia mzdových nákladov. Z dôvodu správy iba  jednou sieťou je možné pracovníkov technických divízií lepšie využiť, prípadne ich premiestniť do iných častí organizačnej štruktúry. 

- Konsolidácia technických požiadavkou na pracovníkov IT divízie. Integrovanej siete IP redukujú potreby požiadavkou na špecialistov špecifických častí siete.


Qos

Najväčším problémom IP sietí je zaistenie doručenia dát s definovanými prenosovými parametrami. Ide hlavne o formu predstavenia informácie, pri ktorej záleží na prenosových parametroch, teda hlas a video. Napríklad pri veľkom oneskorení
hlasového paketu je telefonovanie nemožné. Preto, kvôli uprednostneniu niektorého typu prenosu, vznikli služby so zaručenou kvalitou – QoS (Quality of Service – zaručená kvalita spojenia). Zariadenia, ktoré podporujú QoS (predovšetkým routery) sú
schopné uprednostniť niektoré pakety pri odosielaní na linku. To umožňuje uprednostňovať hlasové toky pred ostatnými.
Voice quality (zaručená kvalita hlasu) je jeden z najdôležitejších aspektov z Quality of Services – zaručenej kvality spojenia (QoS) pre IP telefonovanie. QoS zahŕňa:

• kvalitu hlasu (jasnosť, oneskorenie, echo = ozvena)
• uskutočnenie hovoru (spoľahlivosť a dostupnosť siete, potvrdenie smerovania)
• podporné služby


Call manager

CallManager (správca hovorov) je program, ktorý zabezpečí preklad telefónneho čísla na IP adresu a späť [3]. Taktiež riadi nadviazanie, priebeh a ukončenie hovoru. Je schopný komunikovať s hlasovou schránkou a presmerovať do nej hovory.

CallManager je zodpovedný za základný návrh trasy spojenia. Pokiaľ nie je dostupná druhá strana cez dátovú sieť, zvolí volanie cez bežnú telefónnu sieť. Umožňuje tiež usporadúvať konferencie rôznych druhov.


Gatekeeper

GateKeeper je nástroj pre zaistenie volnej kapacity na linkách pre hlasové a video prenosy. Ak je linka preťažená, začne dochádzať k oneskoreniu a stratám dát. GateKeeper sa snaží, aby dát nebolo viac než je kapacita linky. Pracuje v spolupráci
s CallManagerom. CallManager pri vytváraní spojenia zisťuje, či je linka dostatočne voľná. Ak CallManager linku použije, GateKeeper si zapamätá, že linka je už čiastočne obsadená. Ak linka nie je dostatočne voľná na prenos požadovaných dát, potom
CallManager musí hľadať inú cestu, teda inú linku, iný router, verejnú sieť.


Kodek

V súčasnosti sa v digitálnych okruhovo prepínaných sieťach používa PCM modulácia, čo je zastaraná technológia, ktorá potrebuje 64kbit/s v oboch smeroch komunikácie. IP telefónia používa moderné komprimačné techniky ktoré potrebujú iba zlomok prenosovej kapacity oproti PCM modulácii. Hlasové kódeky komprimujú hlas vzhľadom na požadovanú kvalitu a teda vzhľadom na QoS poskytovanú IP sieťou. Enkóder konvertuje digitalizovaný signál po analóg-digital konverzii na bitový tok, ktorý je
paketizovaný a posielaný IP sieťou. Dekóder rekonštruuje pôvodný hlasový signál, ktorý je aproximáciou pôvodného signálu. Hlasové kódeky sa implementujú na koncových zariadeniach a teda priamo určujú dosiahnuteľnú kvalitu v ideálnej sieti bez faktorov degradujúcich kvalitu.

Iné faktory určujúce kvalitu kódeku sú napr. spracovávanie rozdielnych hlasov alebo nehlasových signálov ako šum pozadia.

Bitový tok (bits/s) produkovaný enkóderom ovplyvňuje zaťaženie kapacity siete. Kvalita rozhovoru sa z pravidla zväčšuje so vzrastajúcim bitovým tokom.

Kódek musí počítať so stratenými paketmi, mal by byť dostatočne robustný. Táto vlastnosť určí kvalitu zvuku v zaťaženej sieti a v situáciách zahltenia, kde je pravdepo- dobná strata paketov. 


Rôzne riešenia IP telefónie

Obrázok č.1 je situačným náčrtom nasadenia IP telefónie v prostredí WAN siete s existujúcou štruktúrou pobočkových ústrední. 
 

Obrázok č.1: Nasadzovanie IPT v heterogénnom prostredí

V takomto modeli je na centrále jeden Call Manager server (alebo niekoľko servrov v „clustri“). CallManager server preberá na seba “logickú” funkcionalitu klasickej telefónnej ústredne a mohli by sme povedať, že ju “softvérovo” nahrádza. Server zabezpečuje základné spracovanie hovorov, signalizačné a spojovacie služby pre IP telefóny, SoftPhony, VoIP brány,
softvérové aplikácie a iné zariadenia. 

Jednotlivé pobočky – a samozrejme aj centrála - sú pripojené do WAN siete prostredníctvom hlasových smerovačov, ktoré slúžia ako brány do Jednotnej Telefónnej Siete (JTS). Hardvérovo teda nahrádzajú moduly v klasickej ústredni, pretože linky od
poskytovateľa hlasových služieb (ST) sú ukončené priamo v týchto zariadeniach. 
Na nasledujúcom obrázku sú naznačené všetky bežné varianty nasadenia IP telefónie – od veľkých lokálnych sietí s redundantným zapojením CallManageru cez strednú sieť so samostatným signalizačným serverom až po malé pobočky alebo jednotlivých užívateľov s centrálnym serverom. WAN sieť ich potom integruje do jednotlivého komunikačného systému.

Za zmienku stojí SRST – vlastnosť operačného systému IOS Cisco smerovačov. Funguje ako záloha CallManageru pre prípad, že spojenie cez WAN prestane fungovať. Smerovač potom CallManager plne zastúpi a v súčasnej funkcií hlasovej brány im
sprostredkuje hlasovú komunikáciu i pri omedzenej prevádzke dátovej siete.


Navrhnutie IP telefónie

Máme hlavnú firmu ktorá má jednu pobočku. V hlavnej firme máme 6  počítačov, ktoré sú pripojené na dva routre. A na pobočke sú tri počítače na jeden router. Všetky tri routre sú navzájom prepojené a napojené na hlavnú sieť. Na každom počítači sú IP
telefóny a nie sú navzájom prepojené. Môžu spolu komunikovať všetci lebo všetky routre sú spojené .A preto sa nemusí robiť ďalšie pripojenie.