Кузьменко Н.Г. Коммутаторы и IP телефония

Подождите немного. Документ загружается.

ще его не имеют, поскольку брандмауэры и политики безопасности запреща-

ют доступ с внешних IP адресов к корпоративной сети.

При использовании службы виртуального удалённого доступа корпора-

тивный шлюз может выделять адреса, которые являются внутренними адреса-

ми корпоративной сети (и могут быть адресами, зарезервированными для

частных сетей или не быть IP адресами). Поскольку туннели протокола L2TP

оперируют исключительно на уровне преобразованных (инкапсулированных)

кадров, реальные политики управления адресами для корректировки службы

виртуального удалённого доступа; для всех целей обработки протокола РРР

для пользователя удалённого доступа выглядят, как будто он соединён непо-

средственно с корпоративным шлюзом.

Учёт. Сервер NAS и корпоративный шлюз могут подсчитывать количе-

ство пактов, октетов и количество созданных и разорванных соединений.

Поскольку виртуальный удалённый доступ является службой доступа,

учёт попыток доступа (особенно неудачных) представляет значительный ин-

терес. Корпоративный шлюз может отвергнуть попытки создания новых со-

единений на основе информации аутентификации, собранной Internet про-

вайдером, с внесением соответствующих записей в файл учёта. Возможны

случаи, когда корпоративный шлюз принимает соединение и продолжает

аутентификацию, однако впоследствии отсоединяет клиента. В таких случаях

сообщение об отсоединении, направляемое в обратном направлении – Internet

провайдеру, может также включать в себя указание причины отсоединения.

Поскольку корпоративный шлюз может отказать в создании соединения,

основываясь на информации, собранной Internet провайдером, такой учёт поз-

воляет легко отличить серию неудачных попыток создания соединения от се-

рии коротких успешных соединений. Без этого корпоративному шлюзу при-

ходится всегда принимать запросы на соединения и обмениваться многочис-

ленными РРР пакетами с удалённой системой.

152

Контрольные вопросы

1. Объясните назначение политики безопасности ?

2. Назовите основные функции политики безопасности ?

3. В чём заключается политика безопасности на магистральном уровне ?

4. В чём заключается политика безопасности на уровне распределения ?

5. Объясните назначение списков доступа.

6. Каким образом используются списки доступа ?

7. Какие типы списков доступа Вам известны ?

8. В чём заключается политика безопасности на уровне доступа ?

9. Поясните назначение уровней привилегий.

10. Каким образом обеспечивается физическая безопасность устройств сети

11. В чём заключается безопасность порта ?

12. В чём заключается управление коммутатором ?

13. Объясните назначение частных виртуальных сетей ?

14. Какие типы частных виртуальных сетей Вам известны ?

15. Какую последовательность шагов необходимо выполнить для реализа-

ции частных виртуальных сетей ?

16. В чём заключается процесс проектирования виртуальных частных се-

тей?

17. Объясните назначения туннеля в VPN ?

18. Какие Вам известны протоколы туннелирования в VPN ?

19. Поясните процесс виртуального удалённого доступа.

20. Объясните основные шаги, выполняемые для организации виртуально-

го удалённого доступа ?

21. Какие свойства службы виртуального удалённого доступа Вам извест-

ны ?

153

ГЛАВА 9. IP ТЕЛЕФОНИЯ

Для качественной передачи голоса в аналоговой телефонии выбран

диапазон от 300 до 3400 Гц. В соответствии с теоремой Котельникова для ка-

чественной передачи голоса достаточно выбрать частоту квантования в два

раза выше сомой высокой гармоники непрерывного сигнала, то есть 6800 Гц.

Выбранная в действительности частота 8000 Гц обеспечивает некоторый

запас качества, а самое главное, легко реализуется. При использовании им-

пульсно-кодовой модуляции для представления амплитуды звукового сигнала

одного замера достаточно 7 или 8 бит, что обеспечивает 128 или 256 градаций

соответственно. Этого вполне достаточно для качественной передачи голоса.

Для передачи одного голосового канала, при использовании метода ко-

дирования ИКМ необходима пропускная способность 56 или 64 Кбит, в зави-

симости от того, каким количеством бит представляется каждый замер. Стан-

дартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который также называется эле-

ментарным каналом цифровых телефонных сетей.

Поскольку обычно голосовой сигнал меняется плавно, можно сократить

необходимое число разрядов кодирования, используя адаптивный метод ко-

дирования, заключающийся в преобразовании и передаче только разницы

между соседними замерами.

Передача непрерывного сигнала в цифровом виде требует от сетей

жёсткого соблюдения временного интервала в 125 мкс (соответствующего ча-

стоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует

синхронной передачи данных между узлами сети и потери пакетов на уровне

не более 1%. При несоблюдении синхронности прибывающих замеров исход-

ный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса.

Так, рассогласование синхронизации на 10 мс приводит к эффекту "эха", а

сдвиги между замерами в 200 мс приводят к потере распознаваемости произ-

носимых слов. В то же время потеря одного замера при соблюдении синхро-

низации между остальными замерами практически не сказывается на вос-

производимом звуке. Это происходит за счёт сглаживающих устройств в

ЦАПах, которые основаны на свойствах инерционности любого физического

сигнала – амплитуда звуковых колебаний не может мгновенно изменяться на

большую величину.

Для сжатия звуковой информации, специально для IP телефонных пере-

говоров были разработаны два метода сжатия информации: GSM (Global Sys-

tem for Mobile communications), который обеспечивает коэффициент сжатия

до 5 раз, и алгоритм DSP, с коэффициентом сжатия данных до 18 раз. При

этом потеря 2 – 5% пакетов остаётся незамеченной, а 20% пакетов обеспечи-

вают разговор понятным.

Использование цифровых телефонных сетей хоть и обеспечивает хоро-

шее качество звука, однако основано на использовании выделенного цифро-

154

вого канала в том или ином виде. Поскольку звук можно представить в циф-

ровом виде и передавать порциями (пакетами), то естественно целесообразно

воспользоваться открытыми каналами связи, например, Internet с целью

уменьшения стоимости переговоров за счёт разделения каналов связи между

большим количеством пакетов. Передача информации в среде Internet осуще-

ствляется с использованием IP адресов, поэтому такой тип телефонной связи

получил название IP телефония.

Кроме этого цифровые сети с коммутацией пакетов (а не каналов связи)

позволяют использовать методы коммуникации, которые были ранее незави-

симы; например, факс, голосовая почта, электронная почта, телеграфные ли-

нии, мобильные телефоны, и сеть. IP сети предоставляют пользователям об-

щепринятую методику, для получения доступа к сообщениям в реальном вре-

мени, независимо от времени, местоположения, или устройства.

Примерами таких устройств могут служить: компьютеры, беспровод-

ные устройства, бытовая техника, личные цифровые устройства и т.д. Интел-

лектуальный доступ к таким устройствам позволяет компаниям и поставщи-

кам услуг увеличить объём предлагаемых услуг и использовать новые

устройства, включая видеофоны, мультимедийные терминалы, и продвину-

тые IP телефоны. Поскольку полоса пропускания сети может меняться дина-

мически, затраты на пользование сетью не должны измеряться в минутах или

расстоянии. Такой подход предполагает измерение в количестве переданной

информации, что для пользователей выражается в резком снижении стоимо-

сти услуг. На рис.9.1 приведены компоненты сети для IP телефонии.

Основными компонентами сети IP телефонии являются:

− IP телефоны;

− шлюзы, обеспечивают: контроль за входной информацией; управление

пропускной способностью и преобразованием адреса; переход между IP и

155

Рис. 9.1. Компоненты сети IP телефонии

Сервер

приложений

Шлюз

Агент

вызова

Многоточечный

блок управления

IP телефон

Станция видео

конференции

IP сеть

Телефонная

сеть

Шлюз

PBX

Аналоговые

телефоны

телефонными сетями; физический доступ аналоговым устройствам, таким

как телефоны, факсы и т.д.

− многоточечный блок управления: предоставляет соединение для участни-

ков видео конференций;

− агент вызова обеспечивает контроль за вызовами с IP телефонов и управ-

ление пропускного способностью с преобразованием адреса;

− серверы приложений оказывают услуги, такие как голосовая почта,

объединенная передача сообщений и т.д.

− станция видео конференции обеспечивает доступ для участия в видео кон-

ференции;

− PBX – преобразователи аналогового сигнала в цифровой.

Цифровой IP телефон после набора номера посылает запрос менеджеру

вызова с целью определения IP адреса телефона приёмника. Менеджер вызо-

ва по своей базе данных определяет IP адрес вызываемого телефона, который

может быть либо цифровым IP телефоном, подключённым непосредственно в

IP или цифровую телефонную сеть,

либо аналоговым телефоном, подклю-

чённым к телефонной сети с помощью

преобразователя PBX, и посылает его

вызывающему телефону. После этого

вызывающий IP телефон направляет

свои пакеты непосредственно по ука-

занному IP адресу (рис.9.2).

Необходимая полоса пропуска-

ния линии связи не должна быть менее

75 процентов полного потока информа-

ции от IP телефона, включающего соб-

ственно поток голосовой информации и поток служебной информации.

Пакет IP, содержащий голосовую информацию, состоит из полезной ин-

формации (60 – 120 байт), IP заголовка (20 байт), заголовка UDP (8 байт), за-

головка RTP (12 байт), и заголовка связи (для технологии Ethernet – 14 байт).

Для передачи голоса по IP сетям необходимо обеспечить высокую

надёжность работы сети на уровне не ниже традиционных телефонных сетей

99,999 %, соответствует 5,25 минутам ежегодно времени простоя. Надёж-

ность сети обеспечивается резервированием оборудования сети и каналов

связи. В полностью избыточной сети должны быть дублированы:

− серверы и менеджеры запросов;

− коммутаторы доступа;

− устройства распределения, такие как маршрутизаторы или много-

уровневые коммутаторы;

− каналы связи, шлюзы к телефонным сетям;

− источники электропитания, включая наличие источников беспере-

бойного питания.

156

Рис. 9.2. Поток запросов в IP сети

Менеджер

вызова

RTP

Телефонная

сеть

T1 T2

Запрос на

соединение

Проблема синхронизации при передаче звука особенно важна для ло-

кальных сетей, основанных на технологии Ethernet, поскольку время доставки

пакетов в них может варьироваться в весьма широких пределах из-за исполь-

зуемого алгоритма случайного доступа – CSMA/CD. Для уменьшения задер-

жек и потерь кадров при передаче пакетов критичных к задержкам, сети

должны иметь возможность предоставлять улучшенное обслуживание опре-

делённым видам пакетов (трафику) при помощи различных технологий.

Улучшенное обслуживание получило название – качество обслуживания

(QoS), при этом очень важно гарантировать, что приоритетность одного или

нескольких потоков не привёдет к сбою остальных.

Самое простое решение заключается в организации отдельной вирту-

альной сети VLAN для передачи информации от IP телефонов. В этом случае

в сети будут присутствовать только голосовые пакеты, которым не будут ме-

шать пакеты данных. Фирма Cisco предоставляет такую возможность под на-

званием "вспомогательная VLAN", что позволяет накладывать голосовую то-

пологию на сеть передачи данных. Особенность вспомогательной виртуаль-

ной сети VLAN состоит в том, что коммутатор помещает IP телефоны в их

собственные виртуальные сети без вмешательства пользователя. Пользова-

тель просто подключает телефон к коммутатору, и коммутатор предоставит

телефону необходимую информацию о VLAN.

Системы качества обслуживания должны обеспечивать:

− управление использованием ресурсов (полосы пропускания, оборудования,

глобальных каналов и т.п.). Например, можно ограничить полосу пропус-

кания основной магистрали для передачи данных или присвоить приори-

тетность доступу к важной базе данных,

− эффективное использование сетевых ресурсов, с целью определения, для

чего используется сеть, и обслуживать в первую очередь наиболее важные

пакеты,

− обслуживание по заказу, позволяющее провайдерам услуг Internet иметь

гибкую систему услуг,

− рациональное использование глобальной сети критически важными прило-

жениями. Они должны гарантировать мультимедийным приложениям и

приложениям для обработки звука нужную полосу пропускания с мини-

мальными задержками, а также соответствующее качество обслуживания

для других приложений, использующих этот канал.

Улучшенное качество обслуживания некоторых потоков достигается

либо с помощью увеличения приоритета потока, либо благодаря ограничению

приоритета другого потока. Используя средства управления перегрузкой,

можно увеличить приоритет потока путём организации очередей и обслужи-

вания таких очередей разными способами. Введение политик и ограничений

обеспечивает приоритетность потоков посредством лимитирования пропуск-

ной способности для остальных потоков. Повышение эффективности каналов

157

связи достигается путём ограничения больших потоков, оказывая предпочте-

ние более мелким.

Из-за пульсирующего характера аудио-, видео- и цифрового трафика

его объёмы иногда превышают возможности канала. Поскольку очереди не

бесконечны, они могут заполняться и переполняться. Когда очередь полна,

новые пакеты не попадают в неё и отбрасываются. Это – так называемые кон-

цевые потери. Проблема концевых потерь заключается в том, что маршрути-

затор не может не отбрасывать данный пакет, даже если он имеет высокий

приоритет. Таким образом, необходимы механизмы, решающие описанные

проблемы.

Для решения всех проблем, поступающие на порт коммутатора пакеты,

проходят процесс классификации и соответствующей маркировки в соответ-

ствии с уровнями модели OSI (рис.9.3.). В результате пакетам присваиваются

уровни приоритета или классы приоритетного обслуживания в сети, которые

записываются в заголовок пакета. В дальнейшем согласно этой информации

пакеты будут обрабатываться в каждом коммутаторе, что гарантирует про-

движение пакета чувствительного к задержке, поскольку коммутатор управ-

ляет очередями, задержкой, и распределением полосы пропускания.

Для назначения приоритета используется три бита, что позволяет иметь

8 уровней приоритета, причём наивысший приоритет соответствует больше-

му числу:

0 – низкий уровень приоритета данных,

1 – средний уровень приоритета данных,

2 – высокий уровень приоритета данных,

3 – сигналы вызова,

4 – данные видео конференций,

5 – голосовые данные,

6 – резерв,

7 – резерв.

По результатам классификации и маркировки коммутатор выполняет

следующие действия:

158

Классификация

Интерфейс

Маркировка

Логическая

очередь

Подинтерфейс

очереди

Интерфейс

очереди

Рис. 9.3. Классификация и маркировка пакетов

− планирование входной очереди. Когда пакет поступает в порт, он по-

падает в соответствующую входную очередь, прежде чем будет

передан на выходной порт;

− просмотр пакета на предмет определения превышения периода вре-

мени обработки пакета коммутатором (определено коммутатором),

− планирование выходной очереди, коммутатор помещает пакет в со-

ответствующую выходную очередь, он управляет выходной очере-

дью и гарантирует, что она не будет переполнена.

На уровне маршрутизатора в заголовке IP пакета 3-х разрядное поле

приоритета соответствует приоритету, установленному коммутатором. На

основании этой информации маршрутизатор определяет важность пакета и

предпринимает соответствующие меры по его продвижению.

9.1. Уровни сквозного обслуживания

Уровнем сквозного обслуживания называется возможность сети предо-

ставить уровень обслуживания, необходимый данному потоку кадров на всём

протяжении его пути следования. В гетерогенных сетях предоставляются сле-

дующие три основных уровня сквозного обслуживания (рис.9.4):

− обслуживание с гарантированной доставкой. Простейшее соединение без

каких-либо дополнительных гарантий, обеспечивается наличием очередей

FIFO, где нет различий между потоками;

− дифференцированное обслуживание. Некоторые виды трафика обрабаты-

ваются лучше, чем остальные (быстрее обрабатываются, выше средняя по-

лоса пропускания, ниже средний уровень потерь). Это статистическое пре-

159

Гарантированная

доставка

(IP, IPX)

Дифференцированное

обслуживание

Гарантированное

обслуживание

(полоса пропускания,

задержка, дребезг)

Internet

соединения

Одни виды пакетов

важнее других

Некоторые пакеты

предъявляют

специальные

требования к ресурсам

Гарантированная доставка

Гарантированное обслуживание

Дифференцированное обслуживание

сеть

Рис. 9.4. Три уровня обслуживания

имущество, без жёстких и чётких гарантий, обеспечивается путём класси-

фикации трафика;

− гарантированное обслуживание. Полное резервирование сетевых ресурсов

для специфического трафика. Обеспечивается с помощью специальных

средств.

Выбор типа обслуживания зависит от следующих факторов:

1. Какие имеются приложения, или какие проблемы нужно решить. Каждый

из трёх типов обслуживания подходит для определенных приложений. Это

не означает, что пользователь должен переходить на дифференцирован-

ное, а затем на гарантированное обслуживание (хотя, со временем это мо-

жет произойти). Ему вполне может подойти дифференцированное обслу-

живание или даже гарантированная доставка – всё зависит от требований,

выдвигаемых приложениями пользователя.

2. Насколько быстро пользователь может модернизировать свою инфра-

структуру. Обычно модернизация осуществляется в направлении к техно-

логии, необходимой для обеспечения дифференцированного, а затем и га-

рантированного обслуживания, которое требует расширения набора

средств, необходимых для дифференцированного обслуживания.

3. Стоимость реализации и распространения гарантированного обслужива-

ния, будет выше стоимости внедрения дифференцированного обслужива-

ния.

Приоритет определяется тремя старшими битами поля признаков в за-

головке IP пакета, что позволяет разделить трафик на шесть классов (осталь-

ные два значения зарезервированы для внутрисетевого использования). Тех-

нологии формирования сетевых очередей могут использовать этот сигнал для

оптимизации скорости обработки.

9.2. Средства управления переполнением

Одним из способов, с помощью которого элементы сети справляются с

переполнением входных данных, является использование алгоритма очеред-

ности для сортировки трафика и выбор одного из методов определения прио-

ритетов выходных данных. Программное обеспечение Cisco IOS предусмат-

ривает следующие средства организации очереди:

− Очередность FIFO.

− Приоритетная очередность.

− Настраиваемая очередность.

− Потоковая взвешенная справедливая очередность

− Классовая взвешенная справедливая очередность

Каждый алгоритм очередности предназначен для решения определен-

ной задачи сетевого обмена и по-своему влияет на производительность сети.

160

Алгоритмы очередности работают в случае переполнения. По определению,

если канал не перегружен, то нет необходимости помещать пакеты в очередь.

В отсутствие переполнения все пакеты поступают непосредственно на выход-

ной порт.

Очередь FIFO предназначена для сохранения пакетов, если сеть пере-

гружена, и последующей их передаче в порядке поступления, когда сеть

больше не перегружена. Однако очередь FIFO не решает вопросы приоритет-

ности пакета; полоса пропускания, скорость и выделение места в буфере

определяются порядком поступления пакетов, она также не обеспечивает за-

щиту от некорректно работающих приложений (источников). Источники, ге-

нерирующие всплески трафика, могут вызывать большие задержки при до-

ставке срочных пакетов и, возможно, управляющих и сигнальных сообщений.

Кроме того, заполнение очереди приводит к отбрасыванию всех поступаю-

щих пакетов, а это нежелательно, потому что отброшенный пакет может

иметь очень высокий приоритет. Вследствие указанных недостатков очередь

FIFO используется крайне редко.

Приоритетная очерёдность обеспечивает первоочередную обработку

важных пакетов в каждой точке, где она используется, она может гибко изме-

няться в соответствии с сетевым протоколом, входящим интерфейсом, разме-

ром пакета, адресом источника или приемника и т.п. При реализации приори-

161

Высокий

Средний

Нормальный

Низкий

Классовые очереди

Классифи-

катор

Входные

пакеты

Очередь

передачи

Расписание по

абсолютному

приоритету

Классификация по:

- протоколу

- входному порту

Управление ресурсами буфера

Выделение полосы пропускания

по приоритету источника

Рис. 9.5. Алгоритм приоритетной очерёдности