Процесс оцифровки имеет следующие стадии.
1. Выборка.
2. Квантование сигнала.
3. Кодирование.
Самый известный стандарт кодирования звука называется PCM (Pulse Code Modulation – импульсно-кодовая модуляция), известный также как стандарт G.711. Он предполагает выборку 8000 образцов речи в секунду. Каждый из образцов имеет размер 8 бит, так что результатом работы РСМ является цифровой поток 64 000 бит/с (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Запись голосового сигнала на компьютере после оцифровки
Одновременно с оцифровкой звука кодек РСМ обеспечивает и эффективное сжатие цифрового сигнала. Основной принцип сжатия звука основан на том, что человеческое ухо не воспринимает большую часть звукового спектра. Кроме того, голос человека занимает лишь узкую полосу в диапазоне всех слышимых звуков.
Диапазон слышимых частот составляет примерно 200-20 000 Гц. Частоты человеческого голоса лежат в пределах 200-10 000 Гц, а типичные частоты телефонного сигнала – в диапазоне 300-3000 Гц.
Только за счет эффективной выборки частот уже можно сжать сигнал в несколько раз. Применяются и другие, более сложные методы компрессии. Как уже было сказано, кодек РСМ обеспечивает цифровой поток 64 000 бит/с. Существуют и другие стандарты оцифровки звукового сигнала. Вот некоторые из кодеков, которые входят в базовый набор Н.323 (рис. 1.4):
• G.711 (РСМ) – 64 Кбит/с;
• G.721 (ADPCM) – 32 Кбит/с;
• G.723 (ADPCM) – 24 Кбит/с;
• G.726 (ADPCM) – 16 Кбит/с;
• G.728 (LD-CELP) – 16 Кбит/с;
• G.729 (CS-ACELP) – 8 Кбит/с.
Рис. 1.4. Архитектура Н.323 и основные стандарты, входящие в этот набор
Набор стандартов Н.323 используется в некоторых программах для интернет-телефонии, таких как NetMeeting и Ekiga. Однако сегодня Н.323 не является единственным общепризнанным стандартом, хотя и рекомендован к использованию ITU.
Существует еще стандарт SIP (о нем будет рассказано позже), а также различные кодеки и коммерческие протоколы для передачи трафика, которые не являются признанными стандартами. Сегодня в мире насчитывается более 650 различных VoIP-сервисов, зачастую несовместимых между собой. Самый известный – это Skype. Существуют национальные VoIP-сервисы, например в России.
Закрытые протоколы Skype – это нестандартные протоколы связи и кодеки. Несмотря на это, сервису удалось добиться популярности. По оценкам экспертов, пользователи Skype составляют не менее 20 % всей аудитории пользователей сервисов VoIP в мире. На данный момент это самая популярная в мире VoIP-программа.
Передача пакетов
Транспортировка цифрового трафика через Интернет осуществляется с помощью TCP/IP – набора технологий и прикладных программ, связанных с передачей данных через Интернет. Это протоколы TCP и IP, вспомогательные протоколы DNS (Domen Name System – система доменных имен), UDP (User Datagram Protocol – протокол пользовательских дата-грамм), ARP (Address Resolution Protocol – протокол разрешения адресов) и многие другие. Сегодня TCP/IP – это целое семейство технологий, но на заре Интернета это были только два протокола – TCP и IP.
TCP и IP – это два базовых протокола Сети, которые были изобретены более 25 лет назад. Их функция заключается в объединении миллионов разнородных компьютерных систем, разбросанных по всему миру, в единую сеть, которая и называется Интернет.
Информация в Интернете, как уже говорилось ранее, перемещается в виде пакетов. Протокол IP обеспечивает адресацию сетевых пакетов. С помощью этого протокола прокладывается маршрут среди миллионов компьютеров, выполняющих роль шлюзов. Каждый из этих компьютеров работает как звено в цепи, получая пакеты от одного соседа и передавая их другому.
Протокол TCP обеспечивает установку надежного соединения между двумя компьютерами. С его помощью контролируется оптимальный размер пакетов передаваемых данных, а также осуществляется, например, повторная посылка пакета в случае сбоя. С помощью протокола TCP передается основная часть всего трафика в Интернете, кроме голосового.
Для голосового трафика вместо TCP используется протокол UDP. Он же используется для организации видеоконференций в Сети. Интернет-телефония не является приложением TCP/IP, но принято говорить именно так, потому что сам протокол UDP всегда рассматривается как часть TCP/IP.
Главное отличие между транспортировкой в Интернете обычной информации (тексты, веб-страницы) и голосовым трафиком – это использование разных транспортных протоколов: в первом случае используется TCP, во втором – UDP, который наряду с IP-протоколом является базовым для транспортировки голосового трафика.
Поверх UDP работают еще три специальных протокола:
• NTP (Network Time Protocol – протокол сетевого времни) – отвечает за синхронизацию времени на компьютерах адресата и получателя, чтобы передавать голосовые пакеты в правильной последовательности и в заданное время. Это важно для качества связи;
• RTP (Real-Time Transport Protocol – транспортный протокол реального времени) – это транспортный протокол реального времени, предназначенный для передачи через Интернет мультимедийных данных, в том числе аудио и видео. RTP выполняет такие функции, как идентификация типа полезной нагрузки, нумерация последовательности пакетов и присвоение временных меток. RTP был разработан для многоадресного вещания, но он подходит и для организации сессий типа «точка – точка», то есть для VoIP-телефонии (http://www.compdoc.ru/network/internet/videopotoki/);
• RTCP (Real-Time Transport Control Protocol – протокол управления передачей в реальном времени) – это протокол управления передачей, который работает в паре с RTP и помогает следить за качеством передаваемого сигнала, уровнем перегрузки канала связи, а также утерей пакетов.
Все три протокола службы UDP работают вместе и гарантируют транспортировку VoIP-пакетов точно по адресу в заданное время (чтобы задержки почти не были уловимы на слух) с максимально возможным качеством.
При передаче голосового трафика через Интернет пакеты VoIP помещаются внутрь пакетов RTP, а те, в свою очередь, – в пакеты UDP-IP.
Отдельно отметим протокол SIP, который сейчас является одной из самых современных и популярных технологий для реализации VoIP-сервисов. Он обеспечивает не только передачу VoIP, но и передачу видео, мгновенных сообщений, информации в онлайновых играх и внутри виртуальной реальности. Это универсальная технология.
Набор SIP включает в себя большое количество различных спецификаций, которые приближают VoIP к традиционной телефонной связи по качеству и надежности. Эти спецификации также добавляют новые функции VoIP. Например, если во время разговора поступает входящий вызов от другого абонента, то протокол SIP позволяет принять его в разговор (устроить трехстороннюю связь), либо отклонить вызов, либо поставить его на удержание. При помощи SIP пользователь также может изменить характеристики звонка прямо во время сеанса связи. Например, если сеанс связи был инициирован как «только голосовой», то в процессе можно подключить и функцию передачи видео. Это очень удобно, если к разговору подключается, скажем, третий участник и хочет передать файл.
Протокол SIP предусматривает передачу данных в пиринговой сети (от англ. peer-to-peer, Р2Р – «равный с равным»). Участники такой сети автоматически устанавливают между собой прямые соединения и обеспечивают передачу трафика от одного абонента к другому. Работа SIP-приложений осуществляется через специальные прокси-серверы (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Передача данных по протоколу SIP осуществляется через специальные прокси-серверы
В данный момент стандарт SIP поддерживают многие популярные VoIP-программы, в том числе Microsoft Windows Messenger, Apple iChat AV, OpenWengo, Gizmo и др.
Резюме
В данной главе вы ознакомились с понятием VoIP-телефонии и узнали, что голос можно передавать не только по аналоговым сетям телефонных линий, но и по цифровым каналам Интернета. Вы узнали, что при передаче голоса через Интернет он проходит три стадии:
• преобразование аналогового сигнала в цифровой;
• транспортировку пакетов данных через цифровые каналы связи;
• обратное преобразование цифровых данных в голос.
Вы также ознакомились с техническими особенностями процесса передачи голоса через Интернет, узнали об используемых протоколах, их различиях и сходствах. Вы уже знаете, какие кодеки и протоколы используются в тех или иных сетях и какие преимущества они имеют. Вы получили представление о необходимом оборудовании для интернет-телефонии (подробнее оно будет описано далее).
Подводя итог, можно заключить, что для установления голосовой связи через Интернет вам понадобятся: компьютер, подключенный к Сети, наушники и микрофон (или устройства, их заменяющие). Естественно, быстрота передачи данных по каналу, который вы используете, будет существенно влиять на качество связи, но практически все современные каналы обеспечивают достойную скорость.
В последующих главах вы ознакомитесь с программами, позволяющими связываться через Интернет с помощью голоса. Вы узнаете, какое оборудование можно использовать для этого. Будет также подробно рассмотрена работа с программой Skype – самым популярным в мире «телефоном».
