ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Transcription

1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Riešenie modemovej, faxovej a DTMF prevádzky v kombinovaných NGN/PSTN sieťach TOMÁŠ PEKARA 2006

2 Riešenie modemovej, faxovej a DTMF prevádzky v kombinovaných NGN/PSTN sieťach DIPLOMOVÁ PRÁCA TOMÁŠ PEKARA ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: Ing. Jozef Kukura Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: ŽILINA 2006

3 ABSTRAKT Téma Riešenie modemovej, faxovej a DTMF prevádzky v kombinovaných NGN/PSTN sieťach prináša pohľad na siete novej generácie s kladmi aj zápormi. V úvodnej časti sú zhrnuté základné vlastnosti siete NGN, jej architektúra a základné prvky, z ktorých sa skladá. Ďalej je pozornosť venovaná analýze modemovej (dial-up), faxovej a DTMF prevádzke v sieti NGN/PSTN a posledná časť práce sa zaoberá riešením problémov, ktoré sprevádzajú tieto tri typy prenosov.

4 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA Priezvisko, meno: Pekara Tomáš školský rok: 2005/2006 Názov práce: Riešenie modemovej, faxovej a DTMF prevádzky v kombinovaných NGN/PSTN sieťach Počet strán: 43 Počet obrázkov: 26 Počet tabuliek: 1 Počet grafov: 0 Počet príloh: 0 Použitá lit.: 10 Anotácia (slov. resp. český jazyk): Táto diplomová práca sa zaoberá analýzou problémov pri prenose faxového, modemového a DTMF signálu v kombinovaných NGN/PSTN sieťach. Ďalej je pozornosť venovaná riešeniu spomínaných problémov. Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký): This thesis deals with the analysis of problems in transmision of fax modem and DTMF signals in the combined NGN/PSTN networks. The next thing the attention is paid to is solving of the above mentioned problems. Kľúčové slová: Fax over IP, modem over IP, bandwidth, protocol structure Vedúci práce: Ing. Jozef Kukura Recenzent práce: Ing. Ivan Fiačan, PhD. Dátum odovzdania práce:

5 OBSAH 1. ÚVOD NGN EVOLUČNÉ KROKY K NGN SIEŤAM ARCHITEKTÚRA SIETÍ NGN ZÁKLADNÉ STAVEBNÉ PRVKY NGN Softswitch Média brána (Media Gateway - MGW) KĽÚČOVÉ VÝHODY, CHARAKTERISTIKY A SLABÉ MIESTA SIETE NGN Charakteristiky siete NGN Kľúčové výhody a požiadavky pre VoIP Slabé miesta riešenia NGN PROBLÉMY V SIETI NGN MODEMOVÝ (DIAL-UP) PRENOS Protokolová analýza FAXOVÝ PRENOS Protokolová analýza DTMF PRENOS RIEŠENIE PROBLÉMOV V SIETI NGN MODEMOVÝ (DIAL-UP) PRENOS V L2TP FAXOVÝ PRENOS T DTMF PRENOS ZÁVER ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY...43

6 Zoznam obrázkov Obr. 2.1: PSTN klasická TDM okruhovo orientovaná sieť...3 Obr. 2.2: Migrácia od okruhovej ku paketovej telefónii...4 Obr. 2.3: Preklenutie hlasovej prevádzky do paketovej podoby...5 Obr. 2.4: Konečná podoba siete NGN...5 Obr. 2.5: Architektúra siete NGN...6 Obr. 2.6: Dekompozícia sieťových uzlov...7 Obr. 2.7: Aplikácie a služby zariadenia Softswitch...8 Obr. 2.8: Softvérové moduly zariadenia Softswitch...9 Obr. 2.9: Sieť NGN s rôznymi typmi média brán...10 Obr. 3.1: Modemový (dial-up), faxový a DTMF prenos v sieti PSTN/ISDN...15 Obr. 3.2: Modemový (dial-up), faxový a DTMF prenos v sieti NGN/PSTN...15 Obr. 3.3: Modemový (dial-up) prenos v sieti PSTN/ISDN...16 Obr. 3.4: Modemový (dial-up) prenos v sieti NGN/PSTN spoločnosti T-com...17 Obr. 3.5: Faxový prenos v sieti PSTN/ISDN...25 Obr. 3.6: Prenos faxového signálu v spoločnej sieti NGN/PSTN soločnosti T-com...26 Obr. 3.7: DTMF prenos v sieti PSTN/ISDN...28 Obr. 3.8: DTMF prenos v spoločnej sieti NGN/PSTN spoločnosti T-com...29 Obr. 4.1: Referenčný model MR...31 Obr. 4.2: Funkcie TCX...32 Obr. 4.3: N-TCX...32 Obr. 4.4: S-TCX...33 Obr. 4.5: D-TCX...34 Obr. 4.6: D-TCX...34 Obr. 4.7: Modemový (dial-up) preos v spoločnej sieti NGN/PSTN spoločnosti T-com riadený štandardom V Obr. 4.8:Modemový (dial-up) prenos v sieti NGN prostredníctvom protokolu L2TP...37 Obr. 4.9: Faxový prenos v sieti NGN/PSTN spoločnosti T-com riadený štandardom T

7 Zoznam tabuliek Tab 3.1: DTMF frekvencie...29

8 Zoznam skratiek AAA Authentication, Authorization and Accounting AFS Application Feature Servers AGW Access Gateway ANSI American National Standards Institute ATM Asynchronous Transfer Mode BICC Bearer-Independent Call Control BRAS Broadband RAS CDR Call Detail Record CNG Comfort Noise Genaretion Cx Compression DCE Data Communication Equipment DSL Digital Subscriber Line DSLAM DSL Access Multiplexer DSP Digital Signal Processor DTE Data Terminal Equipment DTMF Dual-Tone Multifrequency Dx Decompression E1 Digital Signal Level 1 EC Error Correction ETSI European Telecommunications Standards Institute FoIP Fax over IP GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications IN Inteligent Network INT International exchange ITU-T International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector IP Internet Protocol IPDC Internet Protocol Device Control ISDN Integrated Services Digital Network ISP Internet Servis Provider

9 ISUP ISDN User Part L2TP Layer 2 Tunneling Protocol LAC L2TP Access Concentrator LAN Local Area Network LEX Local exchange MAC Media Access Control MEGACO Media Gateway Control MGC Media Gateway Controller MGCP Media Gateway Control Protocol MGW Media Gateway MoIP Modem over IP MR Modem Relay NAS Narrowband RAS NGN Next Generation Network OAM Operation Administration and Maintenance OSI Open Systems Interconnection OSS Operations Support System PBAX Private Branch Automatic exchange PBX Private Branch exchange PCM Pulse Code Modulation PRI Primary Rate Interface PSTN Public Switched Telephone Network QoS Quality of Service RAS Remote Access Server RGW Residential Gateway SDH Synchronous Digital Hierarchy SGW Signalling Gateway SIP Session Initiation Protocol SS7 Signaling System No. 7 TCX Trans-Compression TDM Time Division Multiplexing TEX Terrestrial exchange TGW Trunking Gateway VAD Voice Activity Detection

10 VBD VoATM VoIP VPN WGW Voice Band Data Voice over ATM Voice over IP Virtual Private Network Wireless Gateway

11 1. Úvod Next Generation Networks (NGN, čiže siete novej generácie) - tento pojem sa v súčasnosti stal v oblasti telekomunikácií jedným z najdiskutovanejších. Technický pokrok, konvergencia hlasu a dát, liberalizácia telekomunikačného trhu, požiadavky na nové multimediálne služby a komunikačné technológie, príchod takzvaných alternatívnych operátorov a mnohé ďalšie aspekty dávajú nové pohľady na telekomunikačné siete a stavajú výrobcov a dodávateľov technológie ako aj operátorov do novej pozície. Jednoduchosť sieťových prvkov, ako aj samotnej architektúry NGN a fakt, že sa využíva jedná dátová sieť pre prenos hlasu aj dát, je dôležitý faktor, ktorý v súčasnej dobe telekomunikačným operátorom výrazne zníži náklady na prevádzku, čo v konečnom dôsledku vedie k zvýšeniu ziskov operátorov. NGN a teda to, ako budú siete v budúcnosti vyzerať, fungovať a samozrejme aj prinášať zisky pre operátorov je v centre pozornosti mnohých telekomunikačných spoločností. Cieľom tejto diplomovej práce je rozobrať problematiku prenosu služieb reálneho času cez aktuálne paketové siete (IP) a vykonať analýzu požiadaviek na prenos modemového (Dial-Up), faxového a DTMF signálu cez NGN siete na báze IP, keďže práve tieto tri typy prenosu signálov sú hlavným problémom v sieti NGN. Druhým cieľom tejto diplomovej práce je analýza problémov modemovej, faxovej a DTMF prevádzky a návrh optimálneho riešenia. Informácie potrebné na vypracovanie tejto práce som čerpal z dostupných zdrojov, ako aj zo skúseností zamestnancov spoločnosti, ktorá je popredným dodávateľom telekomunikačných technológií, VoIP riešení a NGN. 1

12 2. NGN Sieť NGN umožňuje svojim vybaveniam (infraštruktúra, protokoly, atď.) konvergovať telefónne služby (tradične poskytované TDM okruhovo orientovanou sieťou) a dátové služby (tradične poskytované paketovo orientovanou sieťou) do spoločnej infraštruktúry, na báze Internetového protokolu (IP). Takto konvergovaná sieť dovoľuje tvorbu, rozmiestnenie a manažment všetkých druhov služieb, v rôznej kombinácii. Zahrňuje to služby, ktoré používajú rôzne druhy médií (audio, vizuálne, audiovizuálne), ďalej dátové služby, hlasové, unicast, multicast a broadcast služby, informačné služby, služby reálneho a nereálneho času. Vo vnútri NGN sa kladie zvýšený dôraz na prispôsobovanie služieb pre koncových užívateľov. To vykonávajú poskytovatelia služieb. Komunikácia medzi NGN a rôznymi operátormi alebo medzi NGN a existujúcimi sieťami, ako napríklad PSTN, ISDN a GSM, je poskytovaná prostredníctvom brán (Media Gateways - MGW). NGN podporuje, existujúce, aj celkom nové terminály (koncové stanice). Terminály, ktoré sú pripojené k NGN, môžu byť nasledovné: analógové telefónne prístroje, fax, ISDN prístroje, mobilné telefóny, GPRS terminálové zariadenia, PBAX a privátne pobočkové siete, SIP terminály, PC telefóny, digitálne káblové prijímače, atď. Hlavným problémom pri zavádzaní siete NGN je otázka spojená s migráciou verejnej telefónnej siete PSTN k sieti NGN, prostredníctvom protokolu VoIP (prenos hlasu pomocou internet protokolu (IP)). 2.1 Evolučné kroky k NGN sieťam Pri riešení otázok spojených s migráciou sietí k NGN je nutné mať na pamäti, že sa jedná o dlhodobý proces. Migrácia k NGN predstavuje dlhodobý evolučný prechod v postupných krokoch. Nejedná sa o revolučné zmeny v tom zmysle, že sa pôvodná technológia (ústredne) nenahradí novou v jednom kroku. Obsah a načasovanie jednotlivých krokov je veľmi špecifický pre každého operátora. Prvými krokmi operátorov v ceste ku NGN je rozširovanie inštalovaných zariadení (ústrední) o nové sieťové prvky. Príkladom môžu byť širokopásmové paketové spojovacie polia s rozhraniami SDH a dátovými rozhraniami ATM alebo prípadne IP. Ďalšou možnosťou rozširovania sietí a približovania hlasových a dátových služieb je implementácia širokopásmových xdsl technológií. 2

13 Na Obr. 2.1 a Obr. 2.2 je naznačený prvý krok migrácie od klasickej okruhovo orientovanej telefónie TDM, ku paketovej. Do siete budú implementované tranzitné brány (Trunking Gateways - TGW) na báze technológie IP prípadne ATM. TGW slúžia na spojenie dátovej a hlasovej siete, pomocou protokolov VoIP alebo VoATM (Voice over ATM) podľa toho, aká technológia je použitá (IP alebo ATM). Hlavným prvkom tohto migračného kroku je implementácia zariadenia Softswitch. Softswitch zabezpečuje spojenie k signalizačnej sieti SS7 (Signalling System No.7) pomocou štandardných protokolov (BICC, SIGTRAN) a taktiež komunikuje s tranzitnými bránami (VoIP TGW, VoATM TGW) a riadi zostavenie spojení. Prístup do SS7 umožňuje signalizačná brána (Signalling Gateway - SGW). E1 Prístup E1 INT INT E1 E1 TEX TEX TEX Ostatní národní operátori LEX LEX LEX LEX LEX PRI ISDN POTS PBX Obr. 2.1: PSTN klasická TDM okruhovo orientovaná sieť 3

14 Obr. 2.2: Migrácia od okruhovej ku paketovej telefónii Ďalším krokom migrácie k architektúre NGN, ako je zobrazené na Obr. 2.3, je preklenutie hlasovej prevádzky do paketovej podoby. Táto fáza predstavuje implementáciu ďalších typov brán (Access Gateway AGW, Residential Gateway RGW, Wireless Gateway WGW,...) a predovšetkým rozšírenie funkcií zariadenia Softswitch. Softswitch komunikuje prostredníctvom protokolov s bránami a samozrejme aj s koncovými zariadeniami. Uvedieme si nasledovný príklad: Softswitch prostredníctvom protokolu H.323 komunikuje napríklad s IP telefónmi; prostredníctvom protokolu SIP komunikuje napríklad so SIP telefónmi alebo PC; prostredníctvom protokolu MEGACO/H.248 komunikuje napríklad s média bránami (MGW). Siete PSTN budú do tejto siete pripojené prostredníctvom tranzitných brán (TGW). Hlasová služba sa tým pádom stane integrálnou súčasťou balíka multimediálnych služieb operátora. 4

15 Obr. 2.3: Preklenutie hlasovej prevádzky do paketovej podoby Konečná podoba sietí budúcej generácie NGN je naznačená na Obr NGN pracuje v paketovom prenosovom prostredí s centralizovaným riadením (Softswitch) a automatizovaným riadiacim systémom (OSS). NGN vytvára jednotné multimediálne prostredie pre všetky typy telekomunikačných služieb. [8] IN Služby Softswitch Riadenie Sieťový manažment, OSS PSTN Trunking Gateway Paketová multimediálna sieť Transport/Média PSTN RAS DSLAM Residential Gateway Prístup Wireless Gateway (2G, 3G) Access Gateway Obr. 2.4: Konečná podoba siete NGN 5

16 2.2 Architektúra sietí NGN Koncepcia NGN, ako je naznačená na Obr. 2.5, je založená na jednotnom paketovom prenosovom prostredí pre všetky typy služieb - dáta, hlas, video, atď. Architektúra NGN je založená na štyroch oddelených vrstvách: Prístupová a transportná vrstva Média vrstva Riadiaca vrstva Vrstva sieťových služieb (vrstva manažmentu) Obr. 2.5: Architektúra siete NGN Prostriedky prístupovej a transportnej vrstvy zabezpečujú pripojenie koncových užívateľov siete do média vrstvy. Realizujú spojenie end-to-end (koniec - koniec). Média vrstva zabezpečuje adaptáciu prichádzajúcich tokov od prístupových systémov, do jednotného paketového prostredia a následné spracovanie (smerovanie - routing, prepínanie - switching) prevádzky. Média vrstva je zabezpečená okrem smerovačov a prepínačov niekoľkými typmi brán (Trunking Gateway, Access Gateway, Residential Gateway, Wireless Gateway), ktoré môžeme pomenovať všeobecným názvom média brány (Media Gateways - MGW). Tieto brány zabezpečia pripojenie a plnohodnotnú 6

17 funkciu TDM zariadení a sietí v celkovej NGN architektúre. V riadiacej vrstve architektúry NGN je centralizovaná inteligencia siete. Riadenie spojení a všetkých operácií spojených so sprostredkovaním služieb zabezpečujú zariadenia ako softswitch, signalizačné brány (Signalling Gateway - SGW) a pod. OSS systém, prostriedky IN, a pod. sú v separovanej vrstve sieťových služieb. Medzi jednotlivými vrstvami NGN architektúry sú štandardné otvorené rozhrania, ktoré dávajú široké možnosti škálovateľnosti a pružnosti telekomunikačných sietí. Poskytujú tiež väčšie možnosti pre realizáciu, poskytovanie a správu služieb a nezávislosť siete na jednom dodávateľovi technológie. Oproti architektúram dnešných sietí, prináša koncepcia NGN dekompozíciu sieťových uzlov. Pôvodné uzly sietí s prepájaním okruhov predstavovali takmer monolitické bloky obsahujúce vlastné prepínacie matice, obvody linkových rozhraní, moduly s riadiacimi funkciami a moduly pre manažment. Dekompozícia sieťových uzlov predstavuje oddelenie a centralizáciu jednotlivých funkcií. Situácia je naznačená na Obr.2.6. [8 ] Obr. 2.6: Dekompozícia sieťových uzlov 7

18 2.3 Základné stavebné prvky NGN NGN obsahuje tri hlavné stavebné prvky: Softswitch Brány (Media Gateways - MGW) Paketová prenosová sieť Softswitch Softswitch je vlastne centralizovaná inteligencia (mozog), ktorá je potrebná na kontrolu a riadenie prevádzky v sieti NGN. Je to vysoko spoľahlivý komponent, ktorý zabezpečuje nepretržitú prevádzku. Platforma Softswitchu je modulárna a značne škálovateľná. Softswitch obsahuje niekoľko kľúčových aplikácií. Tie budú pomáhať operátorom riešiť problémy, rozvíjať nové služby na existujúcich sieťach a súčastne im budú pomáhať pri migrácii do NGN infraštruktúry. Všetky tieto aplikácie sú postavené na tej istej základnej platforme (Obr. 2.7). Obr. 2.7: Aplikácie a služby zariadenia Softswitch Pre Softswitch boli definované nasledovné aplikácie: IP Offload (IPO) aplikácia umožňuje poskytovateľom služby (servis providerom) optimalizovať ich sieťovú architektúru, čo má za následok podstatné zníženie nákladov. The Long Distance Bypass (LDB) aplikácia umožňuje diaľkové a medzinárodné výmeny. The IP Telephony (IPT) aplikácia poskytuje IP telefónne služby (hlas/video/dáta). The Multimedia (MuM) aplikácia poskytuje IP multimediálne služby. 8

19 Ďalej sa tu nachádza vrstva Application Feature Servers (AFS), kde sú zavedené služby, ako napríklad autentifikácia, autorizácia, účtovníctvo, zobrazovanie telefónnych čísiel atď. Softvér, ktorý je implementovaný na platforme Softswitchu naplno využíva modulárnu architektúru. Rôzne softvérové moduly (OAM Manager, VPN Manager, SS7 interface, atď.) sú štruktúrované v troch vrstvách: Protocol interfaces, Call/Session Control a Function Managers (Obr. 2.8). Obr. 2.8: Softvérové moduly zariadenia Softswitch Protocol interfaces poskytuje prístup cez rôzne rozhrania (SS7, IPDC, H.323, SIP, MGCP, Megaco/H.248) do vrstvy Call/Session control. SS7 interface je rozhranie pre prepojenie si signalizačnou sieťou PSTN, ktoré podporuje normy ANSI a ETSI a tiež široký okruh národných variantov signalizácie N7 (Number 7). To znamená, že Softswitch je navrhnutý tak, aby fungoval hocikde vo svete s hocijakým typom zariadenia. Softvér Call/Session control je tzv. "funkčné srdce" zariadenia Softswitch. Function managers plní množstvo funkcií pre Call/Session control: OAM Manager poskytuje prevádzkovanie, monitorovanie a údržbu platformy zariadenia Softswitch VPN Manager umožňuje zariadeniu Softswitch vytváranie virtuálnych privátnych hlasových sietí Location Manager zabezpečuje registráciu telefónnych účastníkov a podporuje mobilitu účastníkov platformy zariadenie Softswitch 9

20 AAA Manager pridáva na platformu zariadenia Softswitch funkcie autentifikácie, autorizácie a účtovania (Authentication, Authorization a Accounting-AAA). AAA Manager je taktiež zodpovedný za generovanie podrobných záznamov o volaniach (Call Detail records - CDRs) Service Manager umožňuje platforme zariadenia Softswitch pripojenie k application feature servers (AFS) Inter-Softswitch Manager umožňuje pripojenie platformy zariadenia Softswitch k iným zariadeniam softswitch použitím štandardizovaných protokolov Média brána (Media Gateway - MGW) Media Gateway je NGN média brána, ktorá poskytuje sprostredkovanie medzi telefónnymi službami v TDM sieti (PSTN) a paketovej sieti. MGW ponúka servis providerom lacný prístupový bod do konvergovanej siete hlasu a dát. Na Obr. 2.9 je znázornených niekoľko typov média brán, ktoré spájajú IP sieť s rôznymi typmi telefónnych účastníkov a operátorov. Všetky sú riadené zariadením Softswitch pomocou modulu Media Gateway Controller (MGC), prostredníctvom protokolov MGCP, MEGACO/H.248 a SIP. Obr. 2.9: Sieť NGN s rôznymi typmi média brán 10

21 Vlastnosti média brány: Vysoká spoľahlivosť (Carrier Grade, 99,999%) a škálovateľnosť. Podpora protokolov MGCP, MEGACO/H.248, SIP, H.323, SIGTRAN. Aplikácie, ako napríklad VoIP trunking a TDM hairpinning. Rôzne rozhrania (prepojenia): - 1-port STM-1/OC-3 do TDM siete (optické) - 16-port E1/T1 do TDM siete (elektrické) - 4-port 10/100 Ethernet do IP siete Voice over IP (VoIP) funkcionalita: - hlasové kódeky (kódovanie a dekódovanie): - G.711 (64kb/s) - G.723 (6.3kb/s) - G.729A (8kb/s) - dynamické prepínanie kódekov - silence suppression (potlačenie tichých miest): - voice activity detection (VAD) detekcia hlasovej aktivity - comfort noise generation (CNG) generovanie šumu - G.168 rušenie echa (počas hlavných volaní) až po 128 ms konečnej dĺžky Fax over IP (FoIP) - detekcia faxu a automatické prepínanie hlas/fax - faxová PCM (G.711) - podpora protokolu T.38 pre FoIP v reálnom čase Dátové služby - detekcia modemu - modemová prevádzka prechádza cez IP sieť pomocou kódeku G

22 2.4 Kľúčové výhody, charakteristiky a slabé miesta siete NGN Charakteristiky siete NGN NGN môže byť ďalej definovaná nasledovnými základnými charakteristikami: paketový prenos separácia riadiacich funkcií odpojenie služieb od prenosu a zabezpečenie otvorených prepojení podpora širokého okruhu služieb, aplikácií a mechanizmov širokopásmové kapacity s end-to-end QoS prepojenie so zvyšnými sieťami cez otvorené rozhrania voľný prístup užívateľov k rôznym servis providerom množstvo identifikačných schém konvergencia fixných (mobilných) služieb nezávislosť funkcií služieb od základných prenosových technológií podpora početných last-mile technológií zhoda so všetkými regulačnými (predpísanými) požiadavkami (núdzové volania, bezpečnosť, súkromie, atď.) Kľúčové výhody a požiadavky pre VoIP Obchodná úloha VoIP: všadeprítomnosť IP ako sieťovej technológie otvára možnosti veľkého rozmiestnenia inovačných služieb hlasu a dát, ktoré sú konvergované. Tieto služby nemôžu byť cenovo priaznivé pre dnešnú PSTN infraštruktúru. IP internetové aplikácie, ako napríklad a správa, môžu byť bez problémov integrované do hlasových aplikácií. IP služby umožňujú sieťovým operátorom vybaviť spoločnosti cenovo efektívnymi náhradami, pre ich zastaralú infraštruktúru. Služby VoIP môžu byť rozšírené, aby podporovali multimédiálne aplikácie, otvárali možnosť cenovo zefektívniť video konferenciu, video streaming, hranie po internete alebo ostatné multimédiálne aplikácie. Použitie IP, vzhľadom na otvorené prepojenia, vedie k zníženiu ceny, ziskom v produktivite a rýchlejšiemu obchodu. Spojenie hlasu a dát do jednej siete môže taktiež výrazne znížiť cenu. IP zariadenie je podstatne rýchlejšie a z dlhodobého hľaiska, kde musíme brať do úvahy aj údržbu aj lacnejšie ako TDM zariadenie. Pre tieto výhody a 12

23 mnohé iné dôvody je VoIP smer budúcnosti. Poskytovatelia služieb však musia zaistiť, aby nasledovné kľúčové požiadavky vyhovovali aj pre PSTN: bezpečnosť QoS (kvalita služby) spoľahlivosť migrácia toku podpora OSS systému účtovanie prepojenie siete Slabé miesta riešenia NGN Je niekoľko otázok, ktoré treba pomenovať s cieľom dosiahnutia PSTN ekvivalentu koniec-koniec vo VoIP sieti. Jedna z kľúčových požiadaviek pre masové zavedenie VoIP je schopnosť ponúkať rovnakú úroveň služby ako v existujúcej PSTN. U niektorých poskytovateľov zavádzajú siete NGN ako prostriedok poskytnutia omnoho vyššej kvality hlasu ako služby. Kvalita hlasu je veľmi citlivá na 3 kľúčové kritéria v paketovej sieti: oneskorenie jitter strata paketov Je teda nevyhnutné implementovať vhodné QoS riešenie vo väčšine prípadov, kde jednoduchý nadhľad nemôže garantovať úspech. Je mnoho technológii, ktoré môžu byť vybrané prevádzkovať QoS podporu ako diferenciálne služby, RSVP, MPLS, ATM, všetky s jedným cieľom: garantovať prioritu pre hlasové toky cez best-effort sieť. Môžeme skonštatovať, že prenos hovorového telefónneho signálu v NGN sieťach je zvládnutý, avšak nastáva problém pri prenose modemovej, faxovej a DTMF prevádzky. DTMF Keď používame VoIP, je tu otázka s prenosom DTMF tónov. Tieto sa môžu prenášať transparentne používajúc tzv. full rate kód (kód s plnou bitovou rýchlosťou) ako G.711, ale nemôžu byť prenášané použitím kodeku s nižšou bitovou rýchlosťou, takým ako G

24 Prenos faxového a modemového signálu: PSTN spoľahlivo podporuje faxové a modemové spojenia, ktoré v PSTN sieti zriedkavo zlyhávajú. VoIP sieť musí prevádzkovať tieto služby podobne spoľahlivo. Hoci faxová a modemová a prevádzka obsahuje určité obmedzenia voči hlasovej prevádzke. V porovnaní s hlasovou, je faxová a modemová prevádzka viac citlivá na stratu paketov, ale menej citlivá na celkové oneskorenie. Navyše, kodeky s nižšími prenosovými rýchlosťami sú optimalizované pre hlasovú prevádzku a nemôžu prenášať iné než hlas. 14

25 3. Problémy v sieti NGN V tejto časti opíšem problémy, ktoré sa vyskytli zavedením siete NGN. Týka sa to modemového (dial-up), faxového a DTMF prenosu. Pred zavedením siete NGN bol prístup do internetu zabezpečený pomocou prepínacej siete PSTN/ISDN (Obr. 3.1). Obr. 3.1: Modemový (dial-up), faxový a DTMF prenos v sieti PSTN/ISDN Implementáciou architektúry NGN sa pôvodný užívatelia odpojili od siete PSTN/ISDN a pripojili sa prostredníctvom prístupovej brány (AGW) k sieti NGN (Obr.3.2). Obr. 3.2: Modemový (dial-up), faxový a DTMF prenos v sieti NGN/PSTN 15

26 3.1 Modemový (dial-up) prenos Na Obr. 3.3 je znázornená modemová komunikácia, ktorá je riadená štandardom V.90, medzi analógovým modemom a Remote Access Serverom (RAS), pre prístup do internetu cez prepínaciu sieť PSTN/ISDN. Obr. 3.3: Modemový (dial-up) prenos v sieti PSTN/ISDN Štandard V.90, ktorý riadi modemový prenos v sieti PSTN/ISDN je charakteristický tým, že analógový signál, ktorý je vysielaný od užívateľa, sa nachádza vo frekvenčnom pásme 300Hz Hz. Dátovým signálom, ktorý prichádza od PC sa modulujú frekvenčné zložky v analógovom pásme a ďalej sa prenášajú ako štandardný analógový signál v pásme 300Hz Hz k miestnej ústredni (Local Exchange - LEX). Tu sa analógový signál pomocou analógovo digitálneho prevodníka prevedie do digitálnej podoby vo forme signálu podľa doporučenia ITU-T G.711. Ďalej je prenášaný ako digitálny signál s nominálnou šírkou pásma 64 kb/s po prepínacej sieti PSTN/ISDN k nasledujúcej LEX. Tu je signál prenášaný, prostredníctvom digitálnej prípojky Primary Rate Interface (PRI), k zariadeniu RAS, ktorý plní funkciu digitálneho modemu. RAS je server, ktorý zabezpečuje riadenie a obsluhu užívateľov prostredníctvom protokolu PPP, ktorí sa nenachádzajú priamo v Local Area Network (LAN), ale potrebujú k tomu vzdialený prístup (remote access). RAS umožňuje užívateľom získať prístup k 16

27 súborom a službám v sieti LAN zo vzdialeného miesta. Napríklad užívateľ, ktorý sa pripojí do siete z domácnosti, kde používa analógový modem, bude pripojený k zariadeniu RAS. Ihneď ako je užívateľ autentifikovaný a autorizovaný, môže sprístupňovať a zdieľať súbory ako keby bol fyzicky pripojený k ústredni siete LAN. Keď sú dodržané všetky optimálne podmienky, definované štandardom V.90 na prenos modemového (dial-up) signálu a nenastane žiadne rušenie signálu, štandard V.90 zaručuje prenosovú rýchlosť 56kb/s v smere od PC k IP sieti (downstream) a v opačnom smere prenosovú rýchlosť 33kb/s (upstream). Treba zdôrazniť, že sa jedná o maximálne prenosové rýchlosti, ktoré v dôsledku vibrácií, chvenia alebo vonkajších rušivých vplyvov klesajú. Zakomponovaním siete NGN sa štruktúra celkovej siete a samozrejme aj vlastnosti modemového (dial-up) prenosu zmení, čo prezentuje model spoločnej siete na Obr Obr. 3.4: Modemový (dial-up) prenos v sieti NGN/PSTN spoločnosti T-com Pri prenose modemového (dial-up) signálu od užívateľa (PC) smerom k internetu, prechádza signál dvoma úplne odlišnými sieťami. Sieť PSTN/ISDN je synchrónna sieť, naproti tomu NGN je asynchrónnou sieťou, čiže tu evidentne nie je dodržaná synchronizácia medzi analógovým modemom a zariadením RAS. Modemová (dial-up) komunikácia v spoločnej NGN/PSTN sieti je riadená štandardom V.90, ktorý je určený 17

28 výhradne pre synchrónnu sieť PSTN/ISDN. Tento poznatok je prvým dôkazom toho, že modemová (dial-up) komunikácia, pri takto prezentovanom sieťovom modeli (Obr. 3.4) má svoje slabé miesto. Ďalším aspektom, ktorý vplýva na modemový (dial-up) prenos je šírka pásma, ktorá je potrebná pre bezproblémový prenos modemového (dial-up) signálu. Pri sieti PSTN/ISDN (Obr. 3.3) je digitálny signál prenášaný s nominálnou šírkou pásma 64kb/s. Pri spoločnej sieti NGN/PSTN (Obr. 3.4) je signál pri vstupe do siete NGN, konkrétne v prístupovej bráne (AGW), zdigitalizovaný nekompresným kóderom G.711, čo po zapuzdrení cez prislúchajúce protokoly (RTP-UDP-IP-LLC-AAL5-ATM) spôsobuje neúmerné zväčšenie potrebnej šírky pásma, až na 127kb/s [6], čo je skoro dvojnásobok predošlej hodnoty. Pri priemernom trvaní modemovej (dial-up) prevádzky okolo 100 minút, keď je užívateľ pripojený prostredníctvom modemu do internetu, môžu vznikať komplikácie, ako napríklad kolísanie prenosovej rýchlosti údajov a dát, nestálosti internetového spojenia, atď. Môže to vyústiť až do preťaženia siete a následnému prerušeniu modemovej (dial-up) komunikácie Protokolová analýza V nasledujúcej časti je spracovaný prehľad jednotlivých protokolov, ktorými modemový (dial-up) signál prechádza. Najskôr sú opísané protokoly, ktoré sú použité pri modemovej (dial-up) komunikácii v sieti PSTN/ISDN (Obr. 3.3) a to v smere od klasického užívateľa (PC). HTTP - Hyper Text Transfer Protocol Protokol HTTP pracuje podľa modelu OSI na úrovni aplikačnej vrstvy. Je to primárna metóda prepravy informácií na World Wide Webe (WWW). HTTP je protokol, ktorý definuje požiadavky a odpovede medzi užívateľmi a webovými servermi. Komunikácia prebieha prostredníctom TCP protokolu. [7 ] TCP - Transmission Control Protocol TCP je spojovo orientovaný transportný protokol poskytujúci spoľahlivý dátový tok, ktorý zabezpečuje, že dáta budú prenesené úplné, nepoškodené a v správnom poradí. TCP sa neustále pokúša merať zaťaženie siete a reguluje rýchlosť odosielania, za účelom 18

29 vyhnutia sa preťaženiu siete. V reálnych smerovacích aplikáciách s veľkou stratou informácií, pri prenose medzi sieťami, sa môžu stať tieto vlastnosti nevýhodou. [7] IP - Internet Protocol Protokol IP pracuje na úrovni sieťovej vrstvy. Nosnou funkciou protokolu je smerovanie paketov s dátami protokolov vyšších vrstiev (TCP, UDP), od zdrojového k cieľovému uzlu. Protokol IP vykonáva hlavne smerovaciu funciu, ako napríklad výber cesty, cez ktorú budú posielané dáta. Pri implementáciách na úrovni IP protokolu existujú dva hlavné prístupy k riešeniu: integrované služby a diferencované služby. Diferencované služby poskytujú signalizáciu pri každom prenose medzi uzlami siete, bez potreby informovať o pozícii prenosu. Kombináciou nastavení bitov v poli určenom pre typ služby (Type of Service TOS) paketu tak v koncových bodoch siete, ako aj na administratívnych hraniciach, je možné špecifikovať, ako má s konkrétnym paketom smerovač (Router) vo vnútri siete pracovať v súlade s požiadavkami na konkrétnu službu. Integrované služby poskytujú diferenciáciu služieb, na základe presných požiadaviek od užívateľa, na kvalitu služby a prostriedky siete. Príkladom je špeciálny protokol pre rezerváciu prostriedkov (Resource Reservation Protocol RSVP). [7] RS232 RS232 je štandard pre sériové binárne dátové prepojenie medzi DTE (Data terminal equipment) a DCE (Data communication equipment). V našom prípade platí, že zariadením DTE je PC a zariadením DCE je analógový modem. RS232 je obyčajne použitý v PC sériových portoch. [7] PHY Fyzická vrstva charakterizuje komunikáciu po fyzickej stránke, poskytuje informácie o používanom médiu (drôty, optické vlákno, rádiové spojenie) a všetky súvisiace podrobnosti ako konektory, kódy kanálov, modulácia, vlnová dĺžka, synchronizácia a časovanie, maximálne vzdialenosti, atď. [7] Dátový signál je prostredníctvom RS232 a fyzickej vrstvy prenášaný od PC k analógového modemu. Tu sú dáta prenášané (forwarding) prostredníctvom protokolu IP k protokolu PPP a dátový signál sa mení na signál analógový. 19

30 PPP Point-to-Point Protokol (PPP) pre priame spojenie dvoch koncových bodov pôvodne vznikol ako protokol pre prenos IP prevádzky na linkách spájajúcich dva koncové body. Tento protokol tiež viedol k založeniu štandardov pre priradenie a manažment IP adries, asynchrónnej a bitovo orientovanej metódy synchrónneho zapúzdrenia. [7] HDLC High-Level Data Link Control (HDLC) sa nachádza v linkovej vrstve OSI modelu a poskytuje vysoko rýchlostné riadenie dátového spojenia. Táto vrstva sa niekedy rozdeľuje na Logical Link Control (riadenie logického spojenia) a Media Access Control (riadenie prístupu k médiu). HDLC je skupina protokolov pre synchrónny prenos dát a paketov medzi Point-to-Point (PPP) uzlami. V HDLC sú dáta usporiadané do rámca. HDLC rámec je synchrónny a preto záleží aj na fyzickej vrstve, aby poskytovala synchronizáciu prenosu a príjmu týchto rámcov. [7] V.90 Štandard V.90 špecifikuje dvojicu digitálneho a analógového modemu určeného pre verejnú telefónnu sieť PSTN s asymetrickou prenosovou rýchlosťou 33 kbit/s (upsteam) a 56 kbit/s (downstream). Každý z dvojice modemov je špecifikovaný z hľadiska kódovania, spúšťacích signálov a sekvencií, signalizačných procedúr na rozhraní sieť - užívateľ. V tomto odporúčaní nie je určená prenosová rýchlosť digitálneho modemu pripojeného k digitálnej sieti. [2] Signál sa cez fyzickú vrstvu (PHY), ktorú v mojom prípad tvorí analógová telefónna linka, prenesie k miestnej ústredni (LEX), kde je digitalizovaný kodekom G.711 a ako digitálny signál prenášaný cez prepínaciu sieť PSTN/ISDN k druhej LEX. G.711 Odporúčanie ITU-T G.711 (Pulse Code Modulation of Voice Frequencies) patrí k formátom určeným k prenosu audio signálu. Jeho podstatou je logaritmické kódovanie. Využíva vlastnosti logaritmického vnímania hlasitosti ľudského sluchu (zmena intenzity je viac vnímaná pri nízkych úrovniach signálu) a toho, že prenášaný signál obvykle obsahuje viacej vzoriek s nižšou intenzitou, ktoré budú zakódované s väčšou presnosťou, ako menej vyskytujúce sa vzorky s väčšou hlasitosťou. K jeho výhodám patrí nízka 20

31 náročnosť na výpočet a tiež kompatibilita so všetkými systémami využívajúce odporúčanie H.32x, pretože jeho implementácia je povinná. Na druhej strane ale použitím tohto kodeku prídeme o celých 64 kbit/s, teda celý B-kanál ISDN. Kvalita audio signálu tohto kodeku je rovnaká ako u klasickej telefónnej siete. Pri telefónnej sieti sa tento spôsob kódovania stále používa pre prevod 14 bitového (USA), alebo 13 bitového (Európa) signálu na 8 bitový, čo pri vzorkovacej frekvencii dáva prenosovú rýchlosť 64kbit/s. K najčastejšie používaným metódam nelineárneho kódovania patria: A-law, používa sa v Európe µ-law, používa sa v USA a v Japonsku [ 1] Modemový (dial-up) signál prechádza cez digitálnu prípojku PRI k zariadeniu RAS (digitálny modem), kde prebieha dekódovanie signálu prostredníctvom dekódera G.711 a odrámcovanie z HDLC rámcov. Protokolom PPP sa zabezpečí spojenie dvoch koncových bodov v našom prípade analógového a digitálneho modemu (RAS). Cez IP protokol je signál zapúzdrený do paketov a prostredníctvom linkovej (Layer 2 L2) a fyzickej vrstvy (PHY) je prenášaný na IP adresu WWW servera, ktorú zadal užívateľ (PC). L2 L2 je linková alebo spojová vrstva a špecifikuje spôsob prenosu paketov fyzickou vrstvou, vrátane rámcovania (t.j. špeciálne bitové vzory označujúce začiatok a koniec paketu). Napríklad Ethernet má polia v hlavičke paketu, ktoré špecifikujú, pre ktorý stroj alebo stroje v sieti sú pakety určené. Príkladom protokolov, ktoré sa môžu nachádzať v tejto linkovej vrstvy sú Ethernet, ATM, Wireless Ethernet, atď. [7] V ďalšej časti analýzy opíšem, ako sa zmenila protokolová štruktúra po implementácii siete NGN (Obr. 3.4). Sieť NGN sa nachádza medzi analógovým modemom a prepínacou sieťou PSTN/ISDN. Protokolová štruktúra bola doplnená o protokoly, ktoré sa nachádzajú v sieti NGN, v mojom prípade išlo o protokoly na prístupovej bráne (AGW), na smerovači (Router) a na tranzitnej bráne (TGW). Ostatné časti a ich protokoly ostali nezmenené a z tohto dôvodu opíšem prenos modemového (dial-up) signálu iba pre sieť NGN. V podstate sa jedná o prechod modemového (dial- Up) signálu medzi bránami AGW a TGW. Z AGW je signál prenášaný pomocou 21

32 protokolu RTP, ktorý je zdigitalizovaný kodekom G.711. Po vytvorení IP paketu a to tak, že je signál zapuzdrený cez protokly RTP-UDP-IP, je tento paket prenášaný linkovou vrstvou L2. V mojom prípade je to prenosová technológia ATM. IP paket sa musí prispôsobiť na zapúzdrenie do ATM buniek v prispôsobovacej vrstve ATM typu 5 (AAL5). Nižšie je uvedený opis spomínaných protokolov. RTP - Real-time Transport Protocol Protokol RTP sa používa na realizáciu doručovacích služieb (delivery services), ktoré slúžia na prenos dát v reálnom čase (audio a video) medzi dvoma koncovými bodmi. Je to nadstavba protokolu UDP ktorá zaisťuje prijatie paketov v správnom poradí a dosahuje sa pomocou číslovania paketov a časových značiek. Poradové číslo paketov umožňuje príjemcovi detekovať pokazené alebo stratené pakety. [7] UDP - User Datagram Protocol Protokol UDP je nespojový datagramový protokol transportnej vrstvy, ktorý pracuje v pevnej sieti a tvorí v podstate rozhranie medzi IP a procesmi vo vyšších vrstvách. UDP poskytuje hlavne súčinnosť, t.j. umožňuje viacerým aplikáciám zdieľať jednu IP adresu. Táto súčinnosť je založená na čísle UDP portu, pričom každému volaniu je pridelené iné číslo portu. RTP používa párne číslo portu a RTCP (Real Time Control Protocol) nepárne číslo portu. Protokol UDP sa označuje ako nespoľahlivý protokol preto, že neoveruje, či pakety prišli do cieľa a neposkytuje záruku, že prídu v poradí v akom boli odoslané. Ak aplikácia tieto záruky požaduje, musí si ich zabezpečiť sama, alebo použiť spojový protokol, ako napríklad TCP. Na rozdiel od protokolu TCP, protokol UDP nijako nezvyšuje spoľahlivosť, nezaisťuje dômyselné riadenie toku, alebo funkciu nápravy chýb. Vďaka týmto zjednodušeniam obsahuje záhlavie UDP menej bytov a vyžaduje menej zdrojov siete. UDP sa typicky používa v aplikáciách ako streamovanie multimédií (audio, video atď.), kde je dôležitejšie včasné doručenie ako spoľahlivosť. [7 ] IP IP protokol je opísaný vyššie. Jeho nosnou funkciou je smerovanie paketov s dátami protokolov vyšších vrstiev (TCP, UDP), od zdrojového k cieľovému uzlu. 22

33 LLC Logical Link Control (LLC) je protokol riadenia logického spojenia, ktorý umožňuje zabalenie IP protokolu cez ATM. [7 ] AAL5 ATM Adaptation Layer type 5 (AAL5), čiže ATM adaptačná vrstva typu 5, ktorá je špeciálne navrhnutá pre premenlivú bitovú rýchlosť dátovej prevádzky. AAL5 má tolerantné oneskorenie, je spojovo orientovaná, vyžaduje minimálne radenie a detekciu chýb. Je to optimálne riešenie pre dopravu IP dátových paketov cez ATM bunky. [7 ] ATM - Asynchronous Transfer Mode ATM je osvedčená technológia prenosu, ktorá poskytuje spojový prenos, pričom používa bunky pevnej dĺžky. Jedna bunka ATM má celkovú dĺžku 53 bytov, pričom ju tvorí 48 bytov informačnej časti bunky s dátami a 5 bytov záhlavia bunky. ATM podporuje prenos hlasu, dát a videa. Najväčšia výhoda použitia ATM je výborná podpora manažmentu kvality služieb (QoS) a riadenia. [7 ] Na vrstve ATM v sieti NGN/PSTN (Obr. 3.4) sa takmer dvojnásobne zvýšila šírka pásma na 127kb/s, oproti pôvodnému zdigitalizovanému signálu v sieti PSTN/ISDN (Obr. 3.3), ktorý mal šírku pásma 64kb/s. Toto je jeden z problémov, ktorý bol opísaný vyššie. Následne je signál prenášaný v ATM bunkách jednou zo štandardných metód cez fyzickú vrstvu (PHY) do smerovača (routera). Tu sa signál cez protokoly ATM-AAL5- LLC vráti do podoby IP paketov a prostredníctvom IP protokolu je smerovaný k linkovej vrstve L2 (v našom prípade ju tvorí technológia Ethernet) cez fyzickú vrstvu (PHY) je signál prenášaný k tranzitnej bráne (TGW). Tu sa signál rozbalí cez protokoly IP-UDP- RTP a ako digitálny signál je prenášaný cez digitálnu fyzickú linku E1, ktorá má prenosovú rýchlosť 2048 Mb/s, k miestnej ústredni (LEX). Tu prenos pokračuje ako pri klasickej prepínacej sieti PSTN/ISDN, ktorá je opísaná vyššie, s tým rozdielom, že modemový (dial-up) signál sa v miestnej ústredni nedigitalizuje, pretože už je zdigitalizovaný. 23

34 Ethernet Ethernet je technológia LAN počítačových sietí, ktorá je založená na rámcovaní. V 90. rokoch 20. storočia sa stal dodnes najrozšírenejšou LAN technológiou a z prevažnej miery nahradil všetky ostatné LAN štandardy. Ethernet je založený na nápade, že počítače v sieti budú posielať správy spôsobom, ktorý pripomína rádio, prostredníctvom spoločného kábla alebo kanála, niekedy označovaného ako ether. Každý počítač má globálne jedinečnú 48-bitovúMAC adresu, ktorú má každá karta pridelenú od výrobcu, aby bolo zabezpečené, že všetky systémy v spoločnom Ethernete majú rozdielne adresy. Vďaka tomu, že Ethernet je v dnešnej dobe najrozšírenejšou LAN technológiou, zabudovali mnohí výrobcovia ethernetové karty priamo do matičných dosiek počítačov. [7] 24

35 3.2 Faxový prenos Na Obr. 3.5 je naznačený faxový prenos medzi dvoma faxami, ktoré spolu komunikujú cez prepínaciu sieť PSTN/ISDN prostredníctvom štandardu T.30. Obr. 3.5: Faxový prenos v sieti PSTN/ISDN Faxový signál, ktorý má za úlohu doručiť faximilnú správu z prvého faxu k druhému, sa nachádza, podobne ako modemový (dial-up) signál, vo frekvenčnom pásme 300Hz 3400Hz. V tomto pásme sa analógový faxový signál ovzorkuje a prostredníctvom klasickej telefónnej linky je prenášaný k miestnej ústredni (LEX). Následne je, presne ako modemový (dial-up) signál, prevedený do digitálnej podoby prostredníctvom doporučenia ITU-T G.711 a už ako digitálny signál prenášaný prepínacou sieťou PSTN/ISDN, s nominálnou šírkou pásma 64kb/s, k nasledujúcej LEX. Tu sa pomocou digitálno-analógového prevodníka (dekóder G.711) prevedie späť na analógový signál a cez analógovú telefónnu linku je doručený k cieľovému faxu. Faxy v sieti PSTN/ISDN medzi sebou komunikujú rýchlosťami od 9,6kb/s až po 33,6kb/s. 25

36 Štruktúra celkovej siete spolu s prislúchajúcimi protokolmi, po implementácii siete NGN, je znázornená na Obr Obr. 3.6: Prenos faxového signálu v spoločnej sieti NGN/PSTN soločnosti T- com Presne ako pri modemovej (dial-up) prevádzke aj tu sa vyskytli dva závažné problémy pri prenose faxového signálu. Prvým je nedodržanie synchronizácie v celkovej sieti NGN/PSTN a druhým je zvýšenie šírky pásma potrebnej na prenos faxového signálu z 64kb/s na 127kb/s. [6 ] Protokolová analýza Pre implementovanú sieť NGN platí, že má rovnaké vlastnosti ako pri modemovej (dial-up) prevádzke a tým pádom aj rovnakú protokolovú štruktúru. Zmena nastala pri faxovej prevádzke v sieti PSTN/ISDN (Obr. 3.5). Tu je faxový signál zarámcovaný cez HDLC a prostredníctvom skupiny faxových protokolov G.3 prenášaný cez fyzickú vrstvu (PHY) k miestnej ústredni (LEX). Ďalší prenos faxového signálu je opísaný vyššie. 26

37 G.3 Faxy skupiny 3 (Group 3 G.3) pripojené k analógovej telefónnej linke, sú najbežnejšie faxové zariadenia, ktoré sa dnes používajú a pravdepodobne ešte aj dlho budú. Klasický fax obsahuje faxový modem, protokolový softvér a obrazový prevod. Faxový modem má mnoho prenosových štandardov, ktoré konvertujú dáta do analógového alebo digitálneho tvaru, za účelom pripojiť fax k ústredni prostredníctvom analógovej telefónnej linky. Protokolový softvér, ktorý sa taktiež nachádza vo faxe, je jeho mozog a má obojsmerné spojenie s faxovým modemom. Posiela príkazy k tej časti faxu, ktorá slúži na tlačenie a prijíma signály z optického snímača (scanner). T.30 protokolový softvér faxového zariadenia G.3 ITU-T T.30 je štandard, ktorý riadi prenos faxového signálu cez prepínaciu sieť PSTN/ISDN. Štandard T.30 opisuje 4 základné fázy faxového prenosu: vytváranie spojenia, ktoré inicializujú vysielacie a prijímacie faxové zariadenia predbežná oznamovacia procedúra, ktorá umožňuje prijímajúcemu faxu identifikovať sa prenos správ v dvoch fázach, prvá fáza zabezpečuje synchronizáciu, sledovanie liniek, detekciu problémov a druhá fáza zabezpečuje prenos dát nasledujúca oznamovacia procedúra, ktorá začína akonáhle je strana prenesená. Umožňuje odosielateľovi poslať viacej stránok, tým že použije tzv. multi-stranový signál (Multi-Page Signal) T.4 protokolový softvér pre tvorbu obrazu T.4 definuje, akým spôsobom a v akej forme by mal byť faxový signál prenášaný. Zahrňuje to napríklad, kódovanie, dekódovanie alebo či má byť obraz čiernobiely alebo farebný. T.4 taktiež definuje požiadavky, ktoré sú potrebné pre vytlačenie a skenovanie dokumentov. To zahrňuje procedúry merania, dimenzovania, rozloženia, kompresie a dekompresie, aby bol obraz prenesený a vytlačený v rovnakej podobe a forme ako bol naskenovaný. [4] 27

38 3.3 DTMF prenos Dual-tone multifrequency (DTMF) je multifrekvenčná voľba v telefónnej sieti. Každé tlačidlo telefónu má pridelený tón určitej frekvencie. Na základe toho je možné cez DTMF voľbu ovládať na diaľku telekomunikačné zariadenia, ako napríklad automatické hláskové systémy, hlasové záznamníky a pod. Na Obr. 3.7 je znázornená DTMF prevádzka v prepínacej sieti PSTN/ISDN. Obr. 3.7: DTMF prenos v sieti PSTN/ISDN DTMF signál sa nachádza vo frekvenčnom pásme 300Hz 3400Hz. V tomto pásme sa analógový DTMF signál ovzorkuje a cez klasickú telefónnu linku je prenášaný k miestnej ústredni (LEX), kde je prevedený do digitálnej podoby prostredníctvom doporučenia ITU-T G.711 a už ako digitálny signál je prenášaný prepínacou sieťou PSTN/ISDN, s nominálnou šírkou pásma 64kb/s, k nasledujúcej LEX.. Tu je signál DTMF signál prenášaný prostredníctvom digitálnej prípojky PRI k Private Branch Automatic Exchange (PBAX-automatická pobočková ústredňa). Pobočková ústredňa (PBX) je telefónna ústredňa, ktorú vlastní privátny sektor, napr. verejný dopravca, alebo rôzne iné spoločnosti. PBX umožňuje pripojenie podnikových telefónnych prístrojov oddelene k PSTN, alebo k ISDN. Takto vybavená 28

39 spoločnosť má väčšinou vlastnú internú sieť (Virtual Private Network - VPN). PBAX a PBX znamenajú v podstate to isté. V protokolovej štruktúre sa vyskytuje nový protokol DTMF, ktorý zabezpečuje DTMF signalizáciu. DTMF signalizácia zrýchľuje voľbu účastníka použitím viacfrekvenčného vytáčania účastníka. Vysielané číslice sú reprezentované dvanástimi, alebo šestnástimi frekvenciami. Keďže existuje viac ako 10 kombinácii frekvencií, zvyšné kombinácie sú použité pre signalizáciu ďalších udalostí a služieb. V Tab 3.1 sú zobrazené frekvencie pre DTMF. Tab 3.1: DTMF frekvencie Štruktúra siete po implementácii siete NGN je znázornená na Obr Obr. 3.8: DTMF prenos v spoločnej sieti NGN/PSTN spoločnosti T-com 29

40 Tak ako pri modemovej (dial-up) a faxovej prevádzke, aj pri DTMF prevádzke sa vyskytli dva problémy. Prvý sa týka už spomínanej synchronizácie a druhý zväčšenia šírky prenosového pásma. 4.Riešenie problémov v sieti NGN 4.1 Modemový (dial-up) prenos Ako bolo uvedené v kapitole 3.1, pri modemovej (dial-up) prevádzke, po implementácii siete NGN, sa vyskytli dva hlavné problémy, ktoré ovplyvňujú bezchybný prenos modemového (dial-up) signálu. Prvým je synchronizácia medzi analógovým modemom a zariadením RAS, ktorá nie je dodržaná, keďže sieť NGN je asynchrónna a prepínacia sieť PSTN/ISDN je sieťou synchrónnou. Druhým problémom je šírka pásma, ktorou modemový (dial-up) signál prechádza a ktorá dosahuje skoro dvojnásobnú hodnotu 127kb/s, oproti šírke pásma v prepínacej sieti PSTN/ISDN, ktorá má hodnotu 64kb/s. Znížením šírky pásma sa samozrejme dosiahne aj zníženie nákladov. Na riešenie týchto problémov pri modemovej (dial-up) prevádzke môžeme použiť nasledujúce metódy: použitie štandardu ITU-T V použitie tunelového protokolu L2TP V Štandard V obsahuje možnosti pre čiastočné zakončenie modemu a taktiež aj spoľahlivý transportný protokol, ktorý nesie dáta cez IP sieť. Typy Modem over IP (MoIP) prenosou nevyžadujú zdokonalenie QoS existujúcich IP sietí. Kvalita modemového spojenia, ktorá je dosiahnutá cez brány, by mala byť taká dobrá, ako spojenie cez sieť PSTN. Stavy MoIP brán MoIP brány môžu byť v jednom z troch stavov: Audio je normálny VoIP stav, v ktorom brána monitoruje volanie, aby zistila modemové tóny a signalizuje druhej bráne, že boli prijaté. Druhá brána bude reprodukovať tieto signály vo vlastnom telefónnom rozhraní. 30

41 Voice Band Data (VBD). V tomto stave je volajúcí signál prenesený medzi bránami pomocou telefónneho kodeku, ktorý má minimálne skreslenie pri VAD/CNG a má zablokované DC (jednosmerné) odstránenie filtrov. Tento stav sa hodí k pomalým modemom. Modemy s vyššími rýchlosťami, ako V.34 a vyššie, nebudú v tomto móde za normálnych sieťových podmienok pracovať. Modem Relay - v tomto stave sú modemové signály zakončené v každej bráne. V dátovej fáze sa dáta prenášajú medzi bránami pomocou SPRT protokolu. Okrem týchto stavov, MoIP brána môže prechádzať aj ku stavu Fax over IP (FoIP). Počiatočný stav brány je obyčajne Audio stav. Neskôr môže byť brána v stave VBD alebo v stave Modem Relay, ale musí byť jasné, že sa jedná o modemové volanie. Metóda modemového prenosu (modem relay - MR) Táto metóda modemového prenosu je charakteristická tým, že brána zakončuje aj fyzickú vrstvu aj funkcie korekcie chýb (error-correction). Obr. 4.1 popisuje základný referenčný model pre metódu MR. Cx a Dx reprezentujú funkcie kompresie a dekompresie. EC je vrstva korekcie chýb, obsahuje linkovú vrstvu, ktorú reprezentuje HDLC. M1 G1 G2 2 M2 Cx/Dx Dx/Cx Cx/Dx Dx/Cx Cx/Dx Cx/Dx EC EC EC EC EC EC Modem Physical Layer Connection IP Transport Modem Physical Layer Connection Control Channel Data Path Obr. 4.1: Referenčný model MR Okrem primárneho toku dát medzi bránami je poskytnutý aj sekundárny riadiaci kanál (Control channel), ktorý slúži na priamu výmenu informácií medzi bránami. 31

42 Charakteristiky a zloženie tohoto riadiaceho kanála sú závislé od použitého IP transportného protokolu. Najskôr štandard V presne určí dva typy kompatibilných brán G1 a G2, v našom prípade to budú brány AGW a TGW. MR trans-kompresné (Trans-Compression) funkcie Brány môžu byť rozdelené podľa ich Trans-Compression (TCX) funkčnosti, ktorá pozostáva z dekompresnej funkcie typu A (Dx) a kompresnej funkcie typu B (Cx), kde výstup z Dx je pripojený k vstupu do Cx. Kompresné a dekompresné typy A a B môžu ale nemusia byť rovnaké. Obr. 4.2 ukazuje trans-kompresnú funkciu. Dx Cx Obr. 4.2: Funkcie TCX Toto doporučenie definuje tri základné konfigurácie TCX, ktoré sú popísané nižšie. Prvá konfigurácia: Bez trans-kompresie (No Trans-Compression (N-TCX)) V tejto konfigurácii (Obr. 4.3), brány nevykonávajú žiadnu trans-kompresiu. Komprimované dáta, ktoré sú generované modemami M1 a M2, sú prenášané z jedného konca (M1) na druhý (M2). M1 G1 G2 M2 Cx X X X X Dx Dx X X X X Cx PSTN Link IP Network Obr. 4.3: N-TCX PSTN Link 32

43 Druhá konfigurácia: Jednodielna trans-kompresia (Single Trans-Compression (S-TCX)) Tento typ konfigurácie (Obr. 4.4) je ten, ktorý potrebujeme použiť v našom prípade. M1 je analógový modem, G1 je prístupová brána (AGW), G2 je tranzitná brána (TGW) a M2 je digitálny modem, čiže RAS. Pri modemovej (dial-up) prevádzke od užívateľa (PC) k internetu, prebieha dátová kompresia v analógovom modeme (M1). Prístupová brána (G1) prepúšťa dáta, ktoré prechádzajú celou sieťou NGN až sa dostanú k tranzitnej bráne (G2). Tu sa dáta dekomprimujú a znovu komprimujú, tak že sú použité parametre analógového modemu (M1). Týmto spôsobom tranzitná brána (G2) emuluje analógový modem (M1) a digitálnemu modemu RAS (M2) sa zdá, ako keby komprimované dáta, ktoré prijíma, boli priamo od analógového modemu. Pri opačnej modemovej (dial-up) prevádzke, čiže v smere od internetu k užívateľovi (PC), je tento proces opačný. Dáta sú skomprimované v digitálnom modeme (M2) a prechádzajú cez tranzitnú bránu (G2), ktorá tieto dáta voľne prepúšťa. Cez sieť NGN sa dáta dostávajú k prístupovej bráne (G1), kde prebieha dátová dekompresia a následne sa dáta znova skomprimujú, ale tak, že sa použijú parametre digitálneho modemu (M2), čiže prístupová brána (G1) emuluje digitálny modem (M2). Takto skomprimované dáta sa dostávajú k analógovému modemu, ktorému sa zdá, že komunikuje priamo s digitálnym modemom. M1 G1 G2 M2 Cx X X Dx Cx D Dx Cx Dx X X C PSTN Link IP Network Obr. 4.4: S-TCX PSTN Link Tretia konfigurácia: Dvojitá trans-kompresia (Double Trans-Compression (D-TCX)) Dvojitá trans-kompresná brána, je iba jedna, ktorá má obe kompresné funkcie Dx a Cx v každej prenosovej ceste. Na Obr. 4.5 je dvojitou trans-kompresnou bránou G2 a na Obr. 4.6 sú obe brány G1 aj G2 dvojitými trans-kompresnými bránami. 33

44 M1 G1 G2 M2 Cx X X Dx Cx Dx Dx X X Cx Dx Cx PSTN Link IP Network Obr. 4.5: D-TCX PSTN Link M1 G1 G2 M2 Cx Dx Cx Dx Cx Dx Dx Cx Dx Cx Dx Cx PSTN Link IP Network Obr. 4.6: D-TCX PSTN Link Spoľahlivý prenosový protokol Štandard taktiež definuje Simple Packet Relay Protocol (SPRT). SPRT je jednoduchý paketový protokol, ktorý poskytuje spoľahlivý a postupný prenos dát cez IP sieť. Nachádza sa v transportnej vrstve a je zapuzdrený v UDP/IP. Poskytuje štyri prenosové kanály. Dva spoľahlivé kanály pre dáta a riadenie, kde riadenie má vyššiu prioritu a dva nespoľahlivé kanály pre potvrdenia a dáta, ktoré nevyžadujú spoľahlivé doručenie. Pakety v spoľahlivých kanáloch, ktoré nie sú potvrdené počas 500ms ich prenosu, sú opakovane prenášané. Spolužitie XoIP protokolov Štandard V spája existujúcu FoIP (T.38) a VoIP štandardy. Existujúce VoIP a FoIP štandardy boli vyvinuté nezávisle od seba a majú málo spoločného. Napríklad, každý používa iný prenosový protokol (VoIP - RTP/UDP, FoIP - TCP/UDP). V štandard používa protokol RTP na určenie signalizácie a protokol SPRT používa na prenos dát. [3] Na Obr. 4.7 je znázornená modemová (dial-up) komunikácia v spoločnje sieti NGN/PSTN, ktorá je riadená štandardom V

45 Obr. 4.7: Modemový (dial-up) preos v spoločnej sieti NGN/PSTN spoločnosti T-com riadený štandardom V Z obrázka je zrejmé, že použitím štandardu V sa zmenila aj protokolová štruktúra spoločnej siete NGN/PSTN. Zmeny sa udiali v oboch bránach. Keďže podľa štandardu V.150.1, ako je opísané vyššie (Obr. 4.4), AGW emuluje RAS a TGW emuluje analógový modem. Pri prenose modemového (dial-up) signálu smerom od užívateľa (PC) k IP sieti (internet) má signál nasledovný priebeh. Prechod od PC, cez analógový modem, až k AGW je rovnaký ako v kapitole 3.1. V AGW signál nemôže byť komprimovaný a ani dekomprimovaný. Štandardom V.90 sa analógový signál mení na dátový signál a prechádza k linkovej vrstve HDLC, ktorá plní úlohu korekcie chýb (error-correction). Dátový signál je zapuzdrený cez protokoly SPRT-UDP-IP, ktoré sú potrebné na vytvorenie IP paketu. Ďalší prenos modemového (dial-up) signálu prebieha obdobne ako je opísané v kapitole 3.1, t.j. signál sa cez smerovač (Router) dostáva ku TGW. Tu je signál rozbalený prostredníctvom protokolov IP-UDP-SPRT. Štandard V.90 zmení dátový signál na analógový a kóder G.711 ho zdigitalizuje. Prostredníctvom fyzickej linky, ktorú tvorí linka E1, sa signál prenáša k miestnej ústredni (LEX). Prenos pokračuje presne ako v kapitole

46 Problém týkajúci sa veľkej šírky pásma, ktorý vznikol tým, že signál bol zdigitalizovaný kóderom G.711 a následne zapuzdrený cez prislúchajúce protokoly (RTP- UDP-IP-LLC-AAL5-ATM) je vyriešený. Kóder G.711 je odstránený a protokol RTP je nahradený protokolom SPRT, ktorý sa snáží využívať čo najmenšiu šírku pásma. Druhým problémom bola synchronizácia medzi analógovým modemom a zariadením RAS. Tento problém rieši pridaná linková vrstva reprezentovaná HDLC rámcovaním. HDLC zabezpečuje synchrónny prenos dát a paketov medzi PPP uzlami. HDLC rámec je synchrónny L2TP Protokol L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol) poskytuje výkonné riešenie pre efektívny prenos modemových (dial-up) volaní, ktoré sú vytvárané telefónnymi účastníkmi, ktorí sa nachádzajúcimi sa v Access Gateway (AGW), cez IP sieť. Tento cieľ je dosiahnutý tým, že sa vykoná modemové zakončenie v AGW tak, že iba užívateľské dáta sú prenesené cez IP sieť. Tradičná úloha NB-RAS (Narrowband RAS) je rozštiepená na dve časti, ktoré sú od seba fyzicky separované. Prvá časť NAS je vložená do AGW a nazýva sa L2TP Access Concentrator (LAC). Obsahuje fyzické prepojenie k dial-up užívateľom, zakončuje linky vrstvy 2 (L2) a vykonáva nahromadenie a dodanie viacnásobných PPP dátových spojení cez jeden alebo niekoľko L2TP tunelov. Druhá časť zariadenia NAS je realizovaná L2TP Network Serverom (LNS), je to funkcia ktorá je väčšinou integrovaná v BB-RAS (Broadband Ras). LNS poskytuje logické zakončenie PPP protokolu a vykonáva klasické AAA (autentifikácia, autorizácia a účtovníctvo) operácie. Na Obr. 4.8 je zobrazená sieť, kde je použitý protokol L2TP. Jedná sa o sieť, ktorá nie je veľmi podobná predošlej sieti, ktorá je opísaná vo všetkých predošlých kapitolách, keďže tu chýba sieť PSTN/ISDN. Na tomto prípade sa však môže najlepšie ukázať využitie L2TP protokolu, keďže na sieti opisovanej v predošlých kapitolách by sa protokol L2TP nemohol prezentovať. V tomto modeli siete je taktiež opísaný prístup alternatívnych operátorov k sieti NGN dominantného operátora. Alternatívni operátori, ktorí poskytujú svoje služby bežným užívateľom majú oproti dominantnému operátorovi nevýhodu v tom, že nemajú tak rozvinutú sieť a musia si prístup svojich zákazníkov kupovať. Zákazníci alterntívnych operátorov, ktorí sú pripojený cez dial-up k AGW, kde 36

47 je zakončený modemový prenos (dial-up), sa musia presmerovať na zariadenie BRAS a odtiaľ cez tunelový protokol L2TP sa dostanú k svojmu alternatívnemu operátorovi (ISP). Na Obr. 4.8 je znázornená štruktúra siete NGN prostredníctvom protokolu L2TP. Obr. 4.8:Modemový (dial-up) prenos v sieti NGN prostredníctvom protokolu L2TP Volanie k ISP (Internet Servis Provider) od telefónnych účastníkov je detekované počas procedúry vytvárania volania analýzami vytáčania číslic. Táto detekcia je aktuálne vykonávaná v AGW, bez zásahu zariadenia Softswitch alebo MGC. Modemové spojenie telefónneho účastníka je zakončené vnútri AGW pomocou DSP (Digital Signal Processor). Z tohoto dôvodu, výmena užívateľských dát medzi AGW a Internet Service Providerom je dokonalá na paketovej báze, ako je popísané nižšie. 37

48 V smere od AGW k ISP, užívateľské dáta (PPP rámce) sú demodulované a odrámcované z HDLC prostredníctvom DSP. PPP rámce sú zabalené cez vhodnú protokolovú štruktúru (L2TP-UDP-IP). Výsledné pakety sú posielané cez NGN sieť k BRAS, zabalené cez LLC-AAL5-ATM v ATM linke (možnosť zabaliť cez Ethernet bude k dispozícii v nasledujúcom produkte). BAS napokon posiela užívateľské pakety k určenému ISP cez IP sieť. Tok dát od ISP k AGW je opakom k vyššie popísanému. Keď sa pozrieme na protokolové zobrazenie, prvý skok reprezentujú protokoly medzi užívateľským zariadením (napríklad PC + modem) a DSP, ktorý zakončuje modemové spojenie vnútri AGW. DSP je taktiež zodpovedný za realizovanie HDLC rámcovania. Druhý skok reprezentuje protokolové zobrazenie medzi AGW a zariadením BRAS. Ako je ukázané na obrázku, výmena PPP rámcov medzi AGW a zariadením BRAS sa robí prostredníctvom L2TP protokolu. Tento protokol umožňuje rozšírenie PPP spojenia až k zariadeniu BRAS, tým že sa použije koncept tunelového protokolu. Nakoniec, tretí skok reprezentuje protokolové zobrazenie zodpovedné za rozšírenie užívateľskej roviny (PPP spojenie) medzi zariadením BRAS a ISP. Táto protokolová štruktúra môže byť realizovaná niekoľkými spôsobmi a nemusí tvoriť časť tohto dizajnu. 4.2 Faxový prenos Ako bolo uvedené v kapitole 3.2, pri faxovej prevádzke v spoločnej sieti NGN/PSTN (Obr. 3.6) sa vyskytli dva problémy spojené so synchronizáciou a šírkou pásma. Tento problém môžeme vyriešiť použitím štandardu T T.38 T.38 je štandardom ITU-T, ktorý riadi prenos v reálnom čase cez IP siete. Bol ratifikovaný v roku 1998, prostredníctvom SG 8 ITU (Study Group). Definuje postupy, ktoré umožňujú skupine 3 (Group 3) faxový prenos medzi terminálmi, kde časť toku zahrňuje IP sieť. Architektúra T.38 musí obsahovať fax terminál G.3 (Group 3) pripojený k bráne, ktorá zakóduje faxový signál do IP faxových paketov a pošle signál cez IP sieť ku prijímajúcej bráne, ktorá dekóduje IP faxové pakety do faxových signálov a vytvorí 38

49 presnú kópiu PSTN volania, akú má zariadenie na druhej strane. Iný scenár je taký, že pripojíme jeden koniec faxového zariadenia (napríklad PC) priamo k IP systému. Faxový signál, ktorý je prenášaný sieťou je vysoko výkonný s nízkymi paketovými stratami a zmenami oneskorenia (jitter). Použitie T.38 umožňuje bránam odolávať problémom znižovania kvality siete bez tvorby chýb v prijatom obraze. Štandard T.38 je rozhodujúci pre budovanie štruktúry FoIP (Fax over IP). FoIP dáva užívateľom rovnaké možnosti, ktoré by dostali od faxov a navyše podstatne sa usporia náklady. Dva rôzne G3 faxové zariadenia, ktoré komunikujú medzi sebou cez sieť PSTN, obsahujú vo svojej protokolovej štruktúre skupinu faxových protokolov G.3, ktorá pozostáva z obrazového protokolu T.4, štandardu T.30 a rozlišných G.3 faxových modemov. Bližšie je táto problematika opísaná v kapitole Sieť NGN obsahuje brány, ktoré musia fungovať tak ako keby boli faxami. Zariadenia G3 Fax porozumejú iba zariadeniu T.30 a súvisiacim dátam T.4. To znamená, že brána musí mať rovnaké protokoly ako fax, ktorý je ku nej pripojený, avšak musí obsahovať aj časť, ktorá by bola schopná prenášať tieto dáta cez IP sieť. Toto zabezpečuje štandard T.38, ktorý špecifikuje dva spôsoby prenosu dát a to buď cez protokol TCP, alebo cez protokol UDP. Faxový signál sa pomocou štandardu T.30 prispôsobí štruktúre HDLC rámcov a každá T.30 správa bude zobrazená do príslušnej T.38 správy tak, že zariadenie G.3 Fax nebude poznať, že to nie je komunikácia s iným zariadením G.3 Fax. [5] Na Obr. 4.9 je znázornený faxový prenos v sieti NGN/PSTN, ktorý je riadený štandardom T

50 Obr. 4.9: Faxový prenos v sieti NGN/PSTN spoločnosti T-com riadený štandardom T DTMF prenos DTMF prenos má trvanie v priemere iba niekoľko sekúnd a z toho dôvodu nie je až také nutné riešiť tento typ prenosu. Keď nám spojenie vypadne nespôsobuje to také problémy ako modemový (dial-up), alebo faxový prenos. 40