Realaus laiko ryšio sistemų apžvalga

Realaus laiko ryšiu vadinsime ryšį, kai abu abonentai vienu metu turi būti prie ryšio priemonių, o informacijos perdavimo tarp jų laikas yra toks trumpas, kad su juo galima nesiskaityti [5,p.34].
Realaus laiko ryšio sistemos vadinamos sistemos sudarančios galimybes žmonių bendravimui per atstumą. Tačiau bendravimo sąvoka yra labai plati. Istorija parodė, kad populiariausia nuotolinio bendravimo priemonė yra telefonas. Po truputį populiarėja vaizdo telefonai, tačiau jų ateities perspektyvos dar labai miglotos. Kitų realiame laike vykstančių bendravimo priemonių naudojimas kol kas tik diskutuojamas. Išpopuliarėjus Innternetui atsirado balso telefonijos ir duomenų perdavimo tinklų integracijos poreikis [8,p.24]. Nagrinėjant tyrimus, atliktus šiuolaikinių telekomunikacijų tendencijų srityje, matome, kad kalbos perdavimo paketinės komutacijos tinklais augimas nusileidžia tik mobiliųjų telekomunikacijų augimui. [6] Todėl nagrinėsime tik tokias ryšio sistemas kurios įgalina perduoti vaizdo ir garso signalus realiame laike. Užsienio literatūroje į realaus laiko ryšio sistemų sąvoką įeina sistemos, kuriose ryšys užmezgamas ir vykdomas paketinės komutacijos tinklais. Kasdieniniame gyvenime pagrindiniai realaus laiko ryšio sistemų pavyzdžiai yra balso (IP telefonija) ir vaizdo telefonijos (vaizdo koonferencijos).
IP telefonija – tai balsinis ryšys tarp abonentų, kuomet kalbos informacija perduodama IP paketais [9,p.24]. Pagrindinis skirtumas su tradicine balso telefonija yra tas, kad kalbos informacija yra siunčiama ne komutuojamos grandimis. Šiuo metu labai aktualus IP telefonijos pripažinimo klausimas. JAV buvo ba

andoma priversti FCC pagreitinti problemų, susijusių su IP telefonijos teisiniu reglamentavimu, sprendimą. Amerikos mažųjų ir vidutiniųjų telefonijos paslaugų teikėjų asociacija yra pagrindinė organizacija koordinuojanti veiksmus susijusius su IP telefonijos pripažinimu. ACTA pasiekė tai, kad paslaugų teikėjai, kurie naudoja įrangą, įgalinančią interaktyviąsias komunikacijas realiame laike, turi būti reguliuojami FCC normų [23]. Europoje situacija šiek tiek kitokia. 1997 metais Europos komisija išleido projektinį dokumentą dėl IP telefonijos. Pagrindinė Europos komisijos nuostata buvo ta, kad balso perdavimas per Internetą nėra telekomunikacijų paslauga ir jai nebus taikomi telefonijos rinkai taikomi įstatymai. Didžiųjų Europos telekomunikacijų paslaugų teikėjų asociacija pažymėjo, kad gali būti išskirti du IP telefonijos organizavimo tipai. Pirmasis tipas apima tik asmeninius kompiuterius, modemus ir programinę įrangą. Antrasis tipas apima IP ir PSTN tinklų slenksčius, kuuriuos naudojant paslaugos vartotojas gali naudoti paprastą laidinį telefoną. Šiuo atveju Internetas yra tik perdavimo terpė. Pirmuoju atveju sutinkama, kad IP telefonija nėra telekomunikacinė paslauga, tačiau antruoju atveju siūloma iš paslaugos teikėjų reikalauti balso telefonijos mokesčių mokėjimo [24]. ITU-T taip pat dar nepripažino IP telefonijos kaip telekomunikacinės paslaugos. Viena iš priežasčių, dėl kurių IP telefonija nėra pripažįstama kaip balso telefonijos paslauga yra ta, kad nėra įrodymų, kad IP telefonijos kokybė atitinka balso perdavimui keliamus reikalavimus [22].
Tačiau šiuo metu JAV ir ki
itose išsivysčiusiose valstybėse IP telefonija atima dalį balso telefonijos teikėjų pajamų. PricewaterhouseCoopers duomenimis, IP telefonija atima 40 % pajamų gaunamų už tarptautinius sujungimus. Taip pat IP telefonija labai populiari skambučių centrų (Call Center) sprendimuose. Kadangi IP telefonija informacijos perdavimui naudoja jau standartu tapusius IP paketus, automatiškai išsisprendžia integracijos problema. Vieningas protokolas gali transportuoti įvairios prigimties duomenis. Būtent dėl šios priežasties labai didelis dėmesys skiriamas realaus laiko sistemų organizavimo paketinės komutacijos tinkluose problemų sprendimui.
Vaizdo konferencija- tai diskusija tarp dviejų ir daugiau žmonių grupių, esančių skirtingose vietose, bet galinčių matyti ir girdėti vieni kitus naudojant elektronines bendravimo priemones. Vaizdas ir garsas perduodami telekomunikaciniais tinklais, todėl tokios konferencijos gali būti vykdomos visame pasaulyje [5,p.36].
Pažanga kompiuterinėje technikoje (spartesni mikroprocesoriai ir tobulesni duomenų suspaudimo algoritmai) leido panaudoti vaizdo ir garso duomenis skaičiavimo technikoje. Dėl šių priežasčių atsirado galimybė telefonijai ir vaizdo konferencijoms panaudoti asmeninius kompiuterius (desktop videoconferencing – stalo vaizdo konferencijos). Priešingai nei kambario vaizdo konferencijos (room), kurios reikalauja specialiai paruoštos patalpos su brangia įranga, stalo vaizdo konferencijos gali būti vykdomos paprastą asmeninį kompiuterį papildžius papildoma technine bei programine įranga.
Pagrindinis stalo vaizdo konferencijų privalumas yra tas, kad nereikia fiziškai persikelti į specialią patalpą. Taip pat yra sudaroma galimybė panaudoti kitų programinių resursų (skaidrės, dokumentai ir kt.) galimybes.
Pirmas ži
ingsnis standartizuojant balso perdavimą IP tinklais buvo RFC 741 (network voice protocol) išleidimas. Tai atsitiko 1973 metais kuomet pirmą kartą buvo įkurta mokslininkų ir tyrinėtojų grupė tarpusavio ryšiui naudojusi tuo metu alternatyvią balso perdavimo sistemą. Tačiau dėl nelanksčios architektūros šis sprendimas visuotinio pripažinimo nesusilaukė.
Devintame dešimtmetyje išpopuliarėjo balso perdavimo Frame Relay tinklais sistemos. Didelę įtaką populiarinat tokias sistemas darė Frame Relay forumas. Šiuo metu visame pasaulyje labai išaugęs Interneto vartojimas, todėl labai svarbus realaus laiko ryšio sudarymas IP protokolu dirbančiais paketinės komutacijos tinklais. Didelis dėmesys skiriamas kalbos ir vaizdo transportavimui ATM tinklais, naudojant kintamos spartos servisus. Vienareikšmiškai įvertinti vienos technologijos pranašumą lyginant su kita negalima. Tikslesnis įvertinimas gaunamas sistemas vertinant pagal iš anksto pasirinktus kriterijus. Informacijos perdavimo sistemų vertinime dažniausiai išskiriami šie kriterijai:
Efektyvumas susijęs su transportuojamos naudingos informacijos kiekiu.
Suderinamumą įvertina naudojamos technologijos suderinamumas su kitais tinklais ir paslaugų integracija.
Patikimumas įvertina sistemos komponentų nepriekaištingą darbą
Valdymas akcentuoja galimybes keisti sistemos komponentų darbinius parametrus, rezervuoti resursus.
Saugumas apibūdina informacijos perdavimo patikimumą. Šio faktoriaus įvertinimas mažėja didėjant naudojamos tinklo technologijos populiarumui.
Kaina apibūdina kaštus susijusius su sistemos kūrimu, įdiegimu ir eksploatavimu.
Pagal kiekvieną vertinimo kriterijų yra vertinama nagrinėjama technologija ir skiriamas atitinkamas balas. Paveiksle parodytas balso perdavimo ATM, FR ir IP tinklais palyginimas (didesnis plotas rodo pranašumą). [7,p.60]

1. 1. 1. pav. Ba

also perdavimo ATM, FR ir IP tinklais palyginimas
Kaip parodyta 2. 1. 1. paveiksle, balso perdavimo per IP technologija yra geriausiai įvertinta (24 balai). Nedaug atsilieka balso perdavimo per ATM būdas, nes palyginus IP čia labai aukštai įvertintos tinklo valdymo ir patikimumo galimybės. FR forumas buvo pirmoji organizacija, kuri standartizavo balso perdavimą per paketinius tinklus. Todėl nenuostabu, kad balso perdavimo per FR variantas yra pigiausias.
1. 1. 1. 2. Garsas
Garso signalai atitinka diskretizuotą ir užkoduotą kalbos signalą. Atlikti tyrimai rodo, kad kalba yra atspari jos sudedamųjų dalių praradimui. Todėl prieš perduodant kalbos signalą duomenų kanalu dalis nereikalingos informacijos yra pašalinama. Per paskutinius dešimtmečius buvo sukurta daug ir įvairių garso ir kalbos informacijos skaitmeninių suspaudimo algoritmų. Kadangi tam tikrą kalbos kodavimo algoritmą atitinka konkretaus įrenginio realizacija, atitinkamas algoritmas siejamas su tam tikru kodeku. Dalis kalbos gali būti prarasta dėl ryšio kanalo įtakos (žiūr. 2. 4 skyrių). Praradus 50 % paketuotos kalbos kokybinis įvertinimas sumažėja maždaug du kartus, kai paketai prarandami atsitiktiniu dėsniu[11, p.93].
Skaitmeniniai garso suspaudimo algoritmai apibūdinamos kodeko generuojama sparta ir atkuriamo signalo garso diapazonu. Kiekvienas kodavimo algoritmas įveda savus harmoninius iškraipymus ir signalas/triukšmas santykio pakitimus. Pagrindinis kodavimo algoritmo vertinimo kriterijus yra klausytojo atsiliepimai. Dažniausiai kalbos bandinio kokybė matuojama naudojant MOS metodiką. Tačiau, kaip minėjome 2. 3 skyriuje, kodeko užkoduotam garsui įvertinti naudosime Ie reikšmę.
Pagrindinių kalbos kodekų parametrai parodyti šioje lentelėje:
Standartas Tipas Sparta, kb/s Skaičiavimas, MIPS Kalbos kadras, ms Prognozavimas, ms Kodavimo vėlinimas, ms Ie Kokybė
G.711 PCM 64 0,34 0,125 0 0,125 0 94,3
G.726 ADPCM 16 14 0,125 0 0,125 50 44,3
G.726 ADPCM 24 14 0,125 0 0,125 25 69,3
G.727 ADPCM 32 0,125 0 0,125 7 87,3
G.727 ADPCM 40 0,125 0 0,125 2 92,3
G.728 LD-CELP 12,8 33 0,625 0 0,625 20 74,3
G.728 LD-CELP 16 33 0,625 0 0,625 7 87,3
G.729(A) CS-ACELP 8 20 10 5 15 10 84,3
G.723.1 ACELP 5,3 16 30 7,5 37,5 19 75,3
G.723.1 MP-MLQ 6,3 16 30 7,5 37,5 15 79,3
GSM-FR RPE-LTP 13 4,5 20 0 20 20 74,3
GSM-HR VSELP 5,6 30 20 4,4 20 23 71,3
GSM-EFR ACELP 12,2 20 20 0 20 5 89,3
1. 1. 1. lentelė Kalbos kodekai [4, 32 ps]
Pastaba: MIPS skaičiavimo galia duota Texas instruments 54 DSP skaitmeniniams procesoriams. Palyginkime: 80486 33Mhz procesorius yra 27 MIPS, o Pentium II 266 Mhz yra 560 MIPS skaičiavimo galios. Visos vėlinimo trukmės pateiktos vienos krypties keliui. Prognozavimo sudaromo vėlinimo gali nebūti, jei priėmimo pusėje nenaudojamas prarastų paketų nuslėpimo prootkolas PLC.
Taip pat reikia atkreipti dėmesį, kad naudojant tandeminį spaudimą, kai PCM koduotas garsas kelis kartus perkoduojamas, jo kokybė gali žymiai pablogėti.Vertinant garso suspaudimo technologijas, reikia atkreipti dėmesį į suspaudimui reikalingą laiką, kuris turi įtakos bendram siuntimo laikui iki vartotojo.
3. 1. 1. lentelėje parodyta, kad kodekas sudaro skirtingus užlaikymo laikus. Kalbos kodekai gali būti aprūpinti balso aktyvumo nustatymo detektoriumi VAD (Voice activity detection) kurio naudojimas leidžia padidinti sistemos efektyvumą. Esant tylos pauzei ryšio kanalu paketai nesiunčiami ir dėl šios priežasties laisvi tinklo resursai gali būti naudojami kitoms reikmėms.
Vėlinimo kitimo įtakos sumažinimui naudojamas buferizavimo protokolas, kuris bus aptartas vėliau.
Realaus laiko ryšio sistemos kalbos posistemės blokinė struktūra pavaizduota 3. 1. 2. paveiksle.

1. 1. 2. pav. Kalbos posistemės struktūra
Kaip matome, analoginis kalbos signalas patenka į PCM sąsają, kur signalas diskretizuojamas ir perduodamas balso (kalbos) kodekui, kuris pagal tam tikrą algoritmą koduoja šį signalą arba jų grupę. Toliau informacija suskirstoma grupėmis ir talpinama į paketus, bei perduodama tinklo posistemei [13]. Paketavimo įrenginys sprendžia kokios trukmės kalbos dalį talpinti į vieną paketą. Nuo šio sprendimo priklauso kokį minimalų vėlinimą įneš kalbos posistemė, koks bus visos sistemos jautrumas informacijos praradimui bei kaip efektyviai bus išnaudojimas ryšio kanalas. Visi šie klausimai bus išnagrinėti modeliuojant balsinio ryšio sistemas.
Kuriant kolektyvines (grupines) balsinio ryšio sistemas, siūloma keleto pašnekovų sugeneruotus kalbos kadrus transportuoti viename pakete [16]. Tokia sistema leidžia sumažinti perteklinės informacijos kiekį, tačiau tada labai išauga sinchronizavimui keliami reikalavimai.
Blokinėje schemoje parodyti VAD ir PLC (Packet loss concleament) moduliai nevisada naudojami. Apie PLC bus plačiau pasakojama 3. 1. 9. 4 skyriuje.
1. 1. 1. 3. Vaizdas
Vaizdas: vaizdo signalas atitinka diskretizuotą ir užkoduotą judantį vaizdą. Dėl riboto ryšio kanalo pralaidumo, vaizdo perdavimo metu yra nustatoma ribinė sparta, kurios neviršijama. Kartu su vaizdo signalu siunčiamas vaizdo kontrolės signalas.
Perduodant informaciją internetiniais kanalais, dauguma duomenų paketų prarandama ne dėl perdavimo klaidų, o dėl tinklo apkrautumo. Tik nuo programinės įrangos, koderio ir dekoderio priklauso kaip bus interpretuotas paketo praradimas
Šiuo metu vaizdo kodavimui vaizdo konferencijų sistemos naudoja egzistuojančius du iš trijų analoginių vaizdo signalo formatų:
PAL (Phase Alternation Line) tai populiariausias standartas Vakarų Europos šalyse. Šis standartas apibūdinamas 625 eilučių skiriamąja geba ir 50 Hz vaizdo atnaujinimu.
NTSC (National Television StandardsCommitte) standartas naudojamas Japonojoje ir Amerikos žemyne. Šis standartas apibūdinamas 525 eilučių skiriamąja geba ir 60 Hz vaizdo atnaujinimu.
SECAM (SEquential Couleur A Memoire) yra Prancūzijoje ir Rytų Europos šalyse naudojamas standartas. Vaizdo konferencijų sistemose jis nenaudojamas. [ 6 ]

Šioje lentelėje pateikiami skiriamųjų raiškų pagrindiniai parametrai, CIF (Common Intermediate Format) :
Skiriamoji raiška Taškų skaičius Eilučių skaičius
SQCIF 128 96
QCIF 176 144
CIF 352 288
4CIF 704 576
16CIF 1408 1152
1. 1. 1. lentelė CIF skiriamosios raiškos
Egzistuoja tokie skaitmeniniai vaizdo suspaudimo standartai:
H.261 pagrindu pagaminti koderiai naudoja tarpinį, papildomą vaizdo perteklių suspaudimo procesui. Toks kodavimo būdas (Inter-frame) labai jautrus tokiems paketų praradimams. Po paketų praradimo atskiros vaizdo dalys gali atrodyti sugadintos. Kadangi Intra-frame būdu atitinkamos vaizdo dalys buvo užkoduotos be jokio ryšio su ankstesniais kadrais, vaizdas pablogės tik atskiruose kadruose. Šis standartas palaiko 2 skiriamąsias raiškas: QCIF ir CIF. H.261 vaizdą koduoja nuo 40 kb/s iki 2 Mb/s sparta.
H.263 yra skirtas vaizdo perdavimui žemos spartos (mobiliosioms komunikacijoms skirtais) ryšio kanalais. Vaizdo suspaudimui naudojama QAM moduliacija. Šis standartas palaiko 5 skiriamąsias raiškas: QCIF, CIF, SQCIF, 4CIF, ir 16CIF. [ 7 ]

1. 1. 2. Realaus laiko ryšio sistemų standartai
1. 1. 2. 1. H.323
H.323 rekomendacija aprašo techninius reikalavimus audiovizualinių paslaugų, aprašytų X.200 serijos rekomendacijose, teikimui žemos spartos, negarantuotos kokybės telekomunikacijų tinklais. Pagal ITU-T garantuojantys serviso kokybę (QoS) tinklai yra vadinamieji N-ISDN tipo tinklai. H.323 nagrinėja darbą vietiniuose kompiuterių tinkluose (LAN). Tokių LAN pavyzdžiai yra:
-Ethernet (IEEE 802.3)
-Fast Ethernet (IEEE 802.10)
-FDDI (ANSC X3-T9.5)
-Token Ring (IEEE 802.5)
Svarbu paminėti, kad populiariausios LAN technologijos turi standartizuotus QoS protokolus.
Paveiksle pateikta H.323 galinio įrenginio loginė ir protokolinė struktūros.

1. 1. 3. pav. Galinio įrenginio struktūra pagal H.323.
Kaip matyti 3. 1. 3. paveiksle, H.323 įvairių funkcijų realizavimui naudoja keletą egzistuojančių protokolų:
H.225.0 terpių srautų paketavimas ir sinchronizavimas.
Q.931 ISDN DSS1 signalizacijai
H.245 deryboms (inf apsikeitimui) ir sujungimo kontrolė.
H.450 papildomoms paslaugoms
Dėl šios priežasties H.323 galima laikyti jau egzistuojančių protokolų apjungimu. Tačiau egzistuoja keletas trūkimų. Visų pirma dėl giminystės su ISDN technologija galimi tik taškas – taškas sujungimai. Tai reiškia, kad visos paprastos papildomos paslaugos (konferencinis pokalbis, skambučio peradresavimas ir skambučio perkėlimas) neįmanomos be MCU naudojimo. Sudarant konferencinį pokalbį, tarp konferencijos sumanytojo ir MCU sudaromas taškas – taškas sujungimas. Tada MCU sudaro taškas – taškas sujungimus su kiekvienu iš konferencijos dalyvių. MCU yra užimamas viso sujungimo metu ir nuo jo stabilumo priklauso konferencijos stabilumas. Didelės konferencijos reikalauja didelių sistemos išteklių. Taip pat MCU yra pakankamai brangūs įrenginiai. H.323 3 versija operuoja virš UDP (5 OSI lygis) ir nereikalauja stabilios būsenos, todėl nereikalingas MCU.
H.323 labai griežtai nustato komunikacijos kanalų sudarymo eiliškumą. Taip yra dėl to, kad kiekvienas protokolas turi atlikti jam priklausančių komandų ciklą. Dėl šios priežasties paprasto balsinio sujungimo sudarymas užima 6 – 7 ciklus.
H.323 efektyvus mažose organizacijose, kur reikalingi taškas – taškas sujungimai.
H.323 palaikantis tinklas gali atlikti heterogeninių tinklų apjungimą. Tokių apjungimų pavyzdžiais gali būti:
H.323 tinklas su H.320 galiniais taškais
H.323 tinklas su H.324 galiniais taškais
1. 1. 2. 2. SIP
SIP (session Initiation Protocol) buvo sukurtas Kolumbijos universitete. Šio protokolo specifikacija yra dar tik projektinėje būsenoje (RFC 2543) IETF organizacijoje. Tačiau nežiūrint į tai SIP jau diegiamas kai kurių gamintojų įrangoje.
SIP yra 7 OSI lygio kontrolės (signalizacijos) protokolas. Protokolas skirtas sesijų tarp dviejų ir daugiau vartotojų sudarymui, modifikavimui ir nutraukimui. SIP valdomos sesijomis gali būti daugialypės terpės konferencijos, Internetinės telefonijos pokalbiai ir daugialypės informacijos paskirstymas. Sesijos dalyviai gali bendrauti multicast, unicast arba mišrių sujungimų dėka [4].
SIP pilnai suderinamas su RSVP, RTP, RTSP, SDP protokolais.
Kadangi SIP yra tik 7 OSI lygyje operuojantis protokolas, detalesnė analizė nebus atliekama.
1. 1. 3. TCP/IP protokolas
IETF standartizuotas IP protokolas šiandieniniame pasaulyje ko gero labiausiai žinomas kaip Internetinis protokolas. Naudojant IP protokolą įmanoma pateikti visas telekomunikacijų tinklo paslaugas.
TCP/IP protokolų rinkinys susideda iš IP, TCP, UDP ir keleto kitų specifinių protokolų. Apžvelgsime svarbias IP protokolo savybes, naudojant jį realaus laiko ryšio sistemose. Nagrinėjimo paprastumui naudosimės OSI modeliu:
Sąryšio su kanaliniu lygiu (II pagal OSI) funkcijas atlieka įrenginio tvarkyklė operacinėje sistemoje ir tam tikra tinklo plokštė. Anksčiau IP protokolas buvo diegiamas tik kompiuteriuose ir sąryšiui su vietiniu tinklu (LAN) naudojama paprasčiausia tinklinė plokštė. Populiarėjant IP protokolui ir platėjant naudojimo sričiai tinklinė plokštė integruojama įrenginyje.
IP atliekas tinklo lygio funkcijas. Visų pirma tai atsakomybė už paketų judėjimą ir teisingą nukreipimą (maršrutizavimą) tinklu. Kitos svarbios savybės yra adresavimas, potinklių sudarymas ir kitos. IP paketas loginį sujungimą sudaro tarp dviejų to paties potinklio įrenginių (kompiuterio ir maršrutizatoriaus sąsajos).
Transportinis lygis atsakingas už IP paketų perdavimą tarp dviejų vartotojiškų programų. TCP protokolas atlieka IP paketų adresato pasiekimo eiliškumo tikrinimo, klaidų tikrinimo ir klaidingų paketų atnaujinimo, srautų greičių ribojimo, segmentavimo funkcijas Tai standartinės transportinio lygio (IV pagal OSI) funkcijos. Vienas iš eiliškumo nustatymo funkcijos privalumų yra orientuoto sujungimo sudarymo galimybė.
UDP protokolas atlieka tas pačias funkcijas kaip ir TCP, tačiau nereikalauja patvirtinimo apie pristatymą. Ši savybė naudojama informacijos surinkimo reikmėms. Atsiradus poreikiui perduoti realaus laiko prigimties informaciją, UDP buvo panaudotas kaip transportinio lygio protokolas.
IP protokolas turi sąsajas su visomis šiuo metu naudojamomis kanalinio lygio terpėmis ir operacinėmis sistemomis. Dėl šios priežasties dauguma tinklinės programinės įrangos gamintojų savo įrangą pritaiko IP protokolo palaikymą.
IP protokolo paketų perdavimui tinkluose, sudarytuose iš daug sujungimų, reikalingas mechanizmas optimizuojantis paketo kelią. Šias funkcijas atlieka maršrutizavimo protokolai. Dinaminių protokolų naudojimas gali atsiliepti realaus laiko ryšio sistemos darbui, nes paketai iki tikslo keliauja skirtingais keliais ir dėl to gali pablogėti sistemos kokybiniai parametrai.
IP paketo struktūra

1. 1. 4. pav. IP paketo struktūra
Panagrinėsime IP ketvirtosios versijos paketo struktūrą, detalesnę analizę skirdami svarbesnėms jo dalims.
TOS (Type Of Service) nurodo kokios serviso kokybės klasės reikalauja šis IP paketas. Tinklo mazguose naudojami QoS protokolai pagal serviso kokybės klasės reikalavimus vykdo tam tikras kokybės užtikrinimo funkcijas. Žemiau pateikta IP antraštės antrojo baito struktūra [3]. TSO bitų reikšmės pateiktos Priede 2.

1. 1. 5. pav. Ipv4 antrasis baitas
Kalbos (vaizdo) perdavimui turėtų būti nustatytos tokios TOS baito vertės:
001100 – paketas turi santykinį prioritetą ir reikalauja žemo vėlinimo
010100 – paketas negali laukti ir taip pat reikalauja žemo vėlinimo.
011010 – kombinacija gali būti naudojama perduodama suspaustus vaizdus, nes tokios prigimties srautas yra pliūpsninio pobūdžio ir reikalauja aukšto pralaidumo.
101101 – kombinacija išspęstų problemas kylančias tinkuose su įvairiai taikomomis kokybės užtikrinimo strategijomis.
Reikia pažymėti, kad TOS baito reikšmės privataus tinklo ribose gali būti įvairiai nustatytos. Standartizuotą TOS baito naudojamą serviso kokybės protokolams užtikrina QoS forumas [1].
Informacinės dalies ilgio baite talpinama perduodamos informacijos dalies ilgis (didžiausia vertė yra 65535 baitai). Mūsų nagrinėjamu atveju vienas IP paketas turi būti kiek galima mažesnis, nes toks paketas greičiau aptarnaujamas tinklo įrenginių ir yra mažiau jautrus informacijos praradimams. Taip pat labai svarbus faktorius įtakojantis paketo dydį yra kalbos kodeko specifika. Savaime aišku, kad mažinant pakete transportuojamos naudingos informacijos kiekį, mažėja ryšio kanalo išnaudojimoefektyvumas. Sekančiame skyriuje panagrinėsime specialias funkcijas leidžiančias sumažinti perteklinės informacijos kiekį.
Perduodant IP paketus įvairiomis terpėmis, kai kuriuose sujungimuose gali būti atliekamas fragmentavimas. Šį procesą atlieka fragmentavimo ir defragmentavimo algoritmas. Kalbos perdavime fragmentavimas yra nelestinas, nes išauga visuminis vėlinimas. Kad nebūtų atliekamas fragmentavimas, prieš išsiunčiant paketą reikia nustatyti fragmentavimo draudimo žymę (1) vyksmaženklio bituose. Taip jautri vėlinimams informacija apsaugoma nuo fragmentavimo.
Protokolo lauke saugoma informacija apie aukštesnio lygio protokolą, kuriam IP slenkstis pristatys gautus duomenis. Dešimtainė reikšmė 6 (00000110) nurodo TCP, o 17 (000010111) nurodo UDP [2]. Antraštės kontrolinė suma naudojama klaidų IP paketo antraštėje suradimui ir taisymui.
UDP antraštė yra labai paprasta ir susideda iš dviejų dalių (šaltinio ir paskyrimo portų). Pagal RFC 768 UDP antraštės ilgis 4 baitai. Kartais naudojama pseudo UDP antraštė susidedanti iš gavėjo ir siuntėjo adresų, aukštesnio lygio transportuojamo protokolo. Tokia antraštė padeda apsisaugoti nuo blogai adresuotų paketų, tačiau ji 4 kartus ilgesnė.
1. 1. 4. Realaus laiko protokolas (RTP)
RTP (Real-Time Transport Protocol) aprašo realaus laiko sistemų protokolas. Tai IETF standartizuotas protokolas (RFC 1889), skirtas optimaliam garso ir vaizdo perdavimui paketinės komutacijos kanalais, negarantuojančiais informacijos pristatymo. Su šiuo standartu susijęs informacijos, perduodamos realaus laiko ryšio sistemomis, kontrolės protokolas RTCP (Real-Time Transport Control Protocol). RTCP garantuoja grįžtamąjį ryšį tarp siuntėjo ir gavėjo (grupės). RTCP funkcijos yra informacijos apie duomenų perdavimo terpės kokybę pateikimas, papildomo RTP sesijos identifikavimo mechanizmo organizavimas, generuojamų duomenų srautų reguliavimas ir minimalus RTP sesijos valdymas. Yra numatytas supaprastintas RTP variantas aprašytas RFC 1890.
RTP protokolas yra “skaidrus” žemesnio lygio perdavimo terpei, tačiau dažniausiai perduodamas UDP paketais. Protokolas atlieka įvairialypių srautų multipleksavimą. RSVP ir QoS mechanizmai nėra įdiegti, bet tai užtikrina žemesnio lygio protokolai.
RTP atlieka informacinės dalies identifikavimą, paketų eiliškumo numeravimą, laiko atskaitų žymėjimą ir pristatymo stebėjimą.
RTP paketas susideda iš fiksuoto ilgio antraštės (12 baitai), dažniausiai tuščios tarpinių šaltinių sąrašo ir informacinės dalies. Kai kurie transportinio lygio protokolai reikalauja specialios enkapsuliacijos žymės (UDP pakete RTP atpažįstamas pagal ). Dažniausiai enkapsuliacijos procese vienas RTP paketas talpinamas į vieną IP paketą, tačiau galimas ir keleto paketų grupavimas. Informacinėje dalyje (payload) yra talpinama transportuojama informacija. RTP paketo antraštėje talpinama informacija apie transportuojamo vaizdo ir garso kodavimo algoritmą. Rekomendacijose yra pateikti numeriai dažniausiai naudojamų standartizuotų garso ir vaizdo kodekų numeriai. Be garso ir vaizdo transportavimo RTP gali būti panaudotas tinklo kokybės matavimo reikmėms.
Priėmimo pusėje yra tikrinamas RTP paketo eilės numeris ir taip nustatomas realaus laiko informacijos eiliškumas bei prarastos informacijos dalis. Taip pat RTP paketų laiko žymės naudojamos nustatyti vėlinimo sklaidai. Laiko žymes prieš išsiųsdamas paketą ryšio kanalu, įdeda siunčiantysis terminalas. Paketui pasiekus adresatą, atvykimo laikas gali būti analizuojamas ir naudojamas atkuriamos kalbos ir vaizdo sinchronizavimui. Naudojant buferiavimą priėmimo pusėje galima sušvelninti vėlinimo sklaidos įtaką atkuriamai kalbai.
RTP sesija sudaroma tarp keleto terminalų. Kiekvienam terminalui RTP sesija yra nusakoma gavėjo transportiniais adresų rinkiniais (vienas tinklo adresas ir du RTP bei RTCP portai). Jeigu ryšio sesijos metu yra naudojama ne viena terpė (vaizdas ir garsas), kiekvienai terpei yra sudaroma atskira RTP sesija.
RTP paketų šaltinis yra identifikuojamas pagal 32 bitų numerinį SSRC sinchronizacijos identifikatorių, kuris talpinamas RTP antraštėje. Taigi SSRC yra nepriklausomas nuo tinklo adreso.visi paketai iš sinchronizacijos šaltinio sudaro tam tikrą sinchronizavimo šaltinį, pagal kurį priėmimo dalyje yra grupuojami paketai ir po to atkuriami. Sinchronizavimo pavyzdžiu gali būti terminalas atliekantis analoginio signalo keitiklio į skaitmeninį funkcijas. Sinchronizavimo šaltinis gali laikui bėgant keisti duomenų formatą. SSRC identifikatorius reikšmė yra atsitiktinai parinktas skaičius. Ši reikšmė globaliu požiūriu yra unikali RTP sesijos atžvilgiu.SSRC identifikatoriaus reikšmė priskiriama naudojant funkcijas RTCP. Jeigu terminalas generuoja keletą srautų vienos RTP sesijos metu (iš keleto vaizdo šaltinių), kiekvienas srautas atpažįstamas pagal skirtingą SSRC.
Labai svarbus RTP komponentas yra vadinamasis monitorius. Tai RTP sesijos procesas priimantis RTCP paketus ir atliekantis surinktos informacijos kaupimą, ilgalaikę analizę, vertinantis sistemos kokybės parametrus kuriuos gali perduoti QoS užtikrinančiai sistemai. Trečiosios šalies monitoriaus funkcijas gali atlikti sistema nedalyvaujanti RTP sesijoje.
Kadangi realaus laiko informacija transportuojama naudojant keletą lygių (RTP/UDP/IP), dėl papildomų antraščių neefektyviai išnaudojamas tinklo pralaidumas. Naudojant antraščių suspaudimo algoritmą, standartizuotą RFC 1144, pavyksta antraštes suspausti iki 2 baitų. Tačiau suspaustos antraštės ne visada gali būti naudojamos. Didelio pralaidumo ryšio linijomis perduodami dideli įvairios informacijos kiekiai, todėl ne visą laiką galima naudoti antraščių suspaudimą. Antraščių suspaudimas naudojamas sujungimuose kuriuose dominuojantis duomenų kiekis yra realaus laiko prigimties.
1. 1. 5. Serviso kokybės (Quality of Service) protokolai
Standartinis IP duomenų perdavimo tinklas visiems vartotojams suteikia vienodas galimybes. Visi paketai keliauja tinklu nepriklausomai nuo pernešamos informacijos tipo. Paketų maršrutizavimo įrenginiai (maršruzatoriai ir komutatoriai) atlieka tik paketų paskirstymą ir filtravimą. Pradėjus Internetą naudoti realiame laike judančių vaizdų ir balso perdavimui atsirado poreikis valdyti duomenų srautus.
QoS (Quality of Service) – serviso kokybė yra tinklo elemento savybė užtikrinti tam tikro tinklu perduodamų duomenų kiekio pristatymo užtikrinimą. Šiuo metu išskiriami dviejų tipų QoS protokolai:
Resursų rezervavimas (integruotos paslaugos) – tinklo resursai paskirstomi pagal programinės įrangos kokybinius reikalavimus, bei reikalavimų atitikimą valdymo sistemos suteiktoms teisėms.
Prioritetizavimas (diferencijuotos paslaugos) – tinkle esantys duomenų srautai suklasifikuoti ir tinklo resursai paskirstyti priklausomai nuo esamo tinklo pralaidumo paskirstymo kriterijų. [3]
Priklausomai nuo programinės įrangos ir tinkle naudojamos aparatūros galimybių yra nusprendžiama kurį QoS protokolą naudoti. Paminėsime keletą mūsų atvejui tinkamų QoS protoklų.
RSVP (ReSerVation Protocol) – Tinklo resursų rezervavimo protokolo darbo principas yra signalizacijos pranešimais iš tinklo mazgų pareikalaujami atitinkami tinklo resursai.
DiffServ (Differentiated Services) – prioritetizavimo protokolas suteikia paprastą būdą nustatyti srautų kategorijas ir taip prioritizuoti tinklo srautus.
MPLS (Multi Protocol Labeling Switching) – srautų valdymas atliekamas įrašant specialias žymes į paketų antraštes. Antraščių žymės perskaitomos maršrutizatoriuose, kur priklausomai nuo įrašo priimamas sprendimas apie paketo likimą. MPLS nėra savarankiškas QoS protokolas. Jis tiktai palengvina kitų protokolų realizavimą.
RSVP ir ypač MPLS yra neseniai patvirtinti standartai ir serijinėje aparatūroje dar nenaudojami. DiffServ arba analogiškas priemones palaiko dauguma komunikacijų irenginių. Priede 2 pateikiami pavyzdžiai QoS protokolų taikymo realaus laiko ryšio sistemų našumo gerinimui.

1. 1. 6. Tinklo technologijos
IP paketų transportavimui tinka visos tinklo technologijos, įgalinančios sudaryti abipusį ryšį.
ATM – asinchroninis perdavimo būdas. Ši tinklo technologija naudojama įvairios prigimties duomenų srautų perdavimui.Šiuo metu ATM pagrinde naudojamas mažesnių vietinių kompiuterinių tinklų LAN apjungimui į globalius tinklus. ATM atlieka stuburinio tinklo funkcijas. Geriausios ATM savybės yra efektyvus įvairios prigimties duomenų perdavimas ir kokybinių parametrų valdymas.
ISDN – integruotųjų paslaugų skaitmeninis tinklas. Bazinės šios paslaugos formos yra BRI ir PRI. Šiuo metu ši tinklo technologija plačiai paplitusi Vakarų Europos ir Skandinavijos šalyse. Lietuvoje ši paslauga teikiama didžiuosiuose miestuose.
PSTN – paprastas komutuojamų linijų telefoninis tinklas. Duomenys perduodami naudojant analoginius modemus. Duomenų perdavimo sparta neviršija 56 Kb/s.
Frame Relay – kadrų komutavimas. X.25 protokolo patobulinimas, naudojamas WAN prijungimui prie ATM stuburinio tinklo.
Ethernet – vietinis kompiuterių tinklas, aprašytas IEEE 802.3 rekomendacijoje. Tai magistralės struktūros tinklas, pagrįstas atsitiktiniu priėjimu prie perdavimo monokanalo. Šiuo metu tai yra pats populiariausias vietinių tinklų standartas.
Šiek tiek detaliau apžvelgsime tinklo technologijas naudojamas realaus laiko ryšio sudarymui Lietuvoje. Šių technologijų pagrindu teikiamos telekomunikacijų paslaugos yra standartizuotos ir teikėjai yra atsakingi už kokybę.
DXX technologija. Skaitmeninių skirtųjų linijų paslauga teikiama visoje Lietuvos teritorijoje. DXX yra naudojama aukštesnio lygio protokolų pernašai.
FR technologija. Kadrų perdavimo paslaugos pateikimui iki galinio vartotojo (paskutinė mylia) Lietuvoje teikiama “virš” DXX tinklo. FR aprašomas Q.922 ir Q.933 rekomendacijose. FR naudojamas aukštesnio lygio protokolų perdavimui (IP, IPX).
ISDN technologija.Integruotųjų paslaugų skaitmeninio tinklo paslaugos vartotojui teikiamos paprastomis varinėmis linijomis. Šioje lentelėje pateikimos Skirtūjų linijų, Frame Relay ir ISDN technologijų palyginimas realaus laiko ryšio sistemų sudarymo atveju:
Paslauga Vėlinimas Vėlinimo sklaida Klaidų kiekis Efektyvumas
Skirtoji linija (DXX) l. mažas nėra l. mažas aukštas
Frame Relay Vidutinis vidutinė Mažas vidutinis
ISDN l. mažas maža l. mažas vidutinis
1. 1. 1. lentelė Komerciškai naudojamų technologijų savybių palyginimas
Detalesnė analizė, panaudojant šiuolaikinius kaštų skaičiavimo metodus, pateikta Priede 3
1. 1. 7. Vaizdo konferencijų įrangos architektūra
Panagrinėsime kaip suprojektuota PictureTel vaizdo konferencijų įranga. Šis pavyzdys apibendrina anksčiau nagrinėtus klausimus, nes tai yra klasikinis pagal H.323 standartą organizuotos architektūros pavyzdys.

Vaizdokonferencijų programinė įranga naudoja dviejų rūšių transportinius protokolus:
• TCP protokolas garantuojantis duomenų pristatymą.
• UDP protokolas negarantuojantis duomenų pristatymo.
TCP naudojamas apsikeitimui kontroline informacija. Kadangi garsas ir vaizdas labai jautrūs vėlinimui, o informacijos praradimas yra leistinas, skirti garso ir vaizdo perdavimui naudojami UDP paketai. UDP protokolas siunčiančiajam terminalui nesiunčia patvirtinančio pranešimo. Dėlto sutaupomas laikas ir tinklo pralaidumas kurį TCP protokolas naudoja patvirtinimo informacijai perduoti. RTP paketai su suspaustomis antraštėmis įgalina sumažinti perteklinės informacijos siuntimą. Žemiau pateiktame pavyzdyje parodytas sujungimas tarp dviejų H.323 terminalų. Susijungus dviem terminalams naudojami tokie portai.

Protokolas Porto Numeris Kryptis Sujungimai Paaiškinimas
TCP 1720 Abipusis 1 H.225/Q.931 sujungimo sudarymui
TCP Dinaminis Abipusis 1 H.245 sujungimo kontrolė
UDP Dinaminis Išeinantis 2 RTP garsui ir vaizdui
UDP Dinaminis Įeinantis 2 RTP garsui ir vaizdui
UDP Dinaminis Abipusis 2 RTCP garsui ir vaizdui
TCP 1503 Abipusis Keletas T.120 duomenų apsikeitimui
1. 1. 1. lentelė Ryšiai tarp portų.

1. 1. 6. pav. Ryšiai tarp programinių portų
Aprašysime procedūrą, kuomet LiveLAN 1 terminalas skambina į LiveLAN 2 terminalą:
1. Skambinantysis inicijuoja TCP sujungimą į standartinį 1720 skambinamojo terminalo portą sujungimo nustatymui (call setup). Šis sujungimas skirtas H.225 signaliniam kanalui. Šiame kanale, skambučio nustatymo protokolas naudoja Q.931 pranešimus nustatymui H.245 dinaminio porto kontrolinio kanalo sudarymui.
2. Skambinantysis terminalas inicijuoja antrą TCP sujungimą. Šis sujungimas naudoja H.245 operavimą(protokolas skirtas H.323 įrenginių valdymui). Operacijos susideda iš suderinamumo informacijos apsikeitimo, loginių kanalų atidarymo ir uždarymo, sujungimo kontrolinių pranešimų apsikeitimui ir kitų.
3. Greta antrojo TCP sujungimo H.245 organizuoja keletą dinaminių UDP portų skirtų terpės kanalų sudarymui. Tai yra šeši UDP sujungimai: trys skirti garsui ir trys vaizdui. Garso ir vaizdo srautai perduodami naudojant RTP/RTCP protokolą, kuris atlieka duomenų srauto paketavimą ir sinchronizaciją. Bendro darbo programos T.120 protokolu naudoja vieną arba daugiau kanalų. Tokio pobūdžio kanalai naudoja standartinį TCP 1503 portą.
Kai vaizdo konferencijoje dalyvauja daugiau nei du vartotojai, vykdoma daugiataškė vaizdo konferencija. Tokio tipo Vaizdo konferencija reikalauja daugiataškių konferencijų įrenginio – MCU. Priklausomai nuo MCU naudojamos programinės įrangos, vartotojams siunčiami identiški vaizdo ir garso duomenų srautai vienu srautu (multicast) arba kiekvienas gauna identišką duomenų srautą (unicast). Šiame paveiksle parodyta duomenų srautai tarp terminalų, dalyvaujančių daugiataškėje vaizdo konferencijoje.

Siunčiami unicast paketai Siunčiami multicast paketai:

Kai siunčiami multicast paketai, į nutolusį tinklą siunčiamas vienas duomenų srautas, ir šitaip sumažinamas tinklo apkrautumas. Multicast transliavimo minusas – reikalinga speciali tinklinė įranga ir specialus reguliavimas
Unicast paketų atveju, kiekvienam terminalui siunčiamas atskiras duomenų srautas. Toks siuntimo būdas labiau apkrauna tinklus, tačiau nereikalauja specialios tinklinės įrangos bei specialaus reguliavimas.

Leave a Comment