Применение DSP для оптимизации защиты информации в сетях VoIPoW

Иванова Н.Ю., Лысенков С.А. (lansi @rambler.ru), Солодов А.Г.

Поволжская государственная академия телекоммуникации и информатики Введение

Передача информации с использованием транспортных протоколов TCP/IP приобретает сегодня всё большую популярность. Следует заметить, что каналы Интернет, по своей сути, не гарантируют постоянства параметров IP-соединения. Кроме того, такие каналы часто вообще не обладают сколько-нибудь приемлемыми параметрами для передачи речевого трафика в реальном времени.

Под IP-телефонией понимается технология использования IP-сети (Internet или любой другой) в качестве средства организации и ведения телефонных разговоров, передачи факсов в режиме реального времени [1]. В общих чертах передача голоса в IP-сети происходит следующим образом:

•входящий звонок и сигнальная информация из телефонной сети передаются на пограничное сетевое устройство, называемое телефонным шлюзом, и обрабатываются специальной картой устройства голосового обслуживания.

•шлюз, используя управляющие протоколы семейства H.323, перенаправляет сигнальную информацию другому шлюзу, находящемуся на приемной стороне IP-сети.

•приемный шлюз обеспечивает передачу сигнальной информации на приемное телефонное оборудование согласно плану номеров, гарантируя сквозное соединение. После установления соединения голос на входном сетевом устройстве оцифровывается (если он не был цифровым), кодируется в соответствии со стандартными алгоритмами ITU, такими как G.711 или G.729, сжимается, инкапсулируется в пакеты и отправляется по назначению на удаленное устройство с использованием стека протоколов TCP/IP.

Таким образом, используя IP-сеть, можно обмениваться цифровой информацией для пересылки голосовых или факсимильных сообщений между двумя компьютерами в режиме реального времени. Применение Internet позволяет реализовать данную службу в глобальном масштабе.

IP в WLL

Основная цель разработки концепции беспроводной IP-телефонии (VoIPoW) [2] - это перенос речевых услуг на новую транспортную платформу, основанную на коммутации пакетов, с сохранением качества связи, характерного для современных сетей с коммутацией каналов (например, GSM). Для достижения этой цели необходимо решить несколько проблем, связанных с обеспечением качества услуг как в магистральной сети, так и в сети радиодоступа. Речевые услуги должны стать интегральной частью разговорных мультимедийных услуг, и долгосрочное решение в этой области подразумевает их базирование на беспроводной IP-технологии.

Следует заметить, что условия, необходимые для передачи речевого потока, являются более жесткими по сравнению с условиями передачи других потоков мультимедийного сеанса связи; это касается, в частности, требований к частоте появления ошибок (BER) и временной задержке. Использование радиоинтерфейса для доступа к Интернет и услугам IP-телефонии осложняется еще и тем обстоятельством, что емкость радиоканала — это очень ограниченный ресурс, который надо использовать максимально рационально.

Следовательно, важным требованием к сети радиодоступа является обеспечение высокой эффективности использования спектра [3].

Для повышения этой эффективности можно классифицировать различные потоки пакетов по их требованиям к полосе пропускания и задержкам. Подобная классификация будет полезна и при реализации алгоритмов управления доступом. Также можно применять механизмы сжатия заголовков RTP/UDP/IP и сообщений сигнализации. Существенно уменьшая объем служебной информации, они позволяют использовать спектр почти столь же эффективно, как и при беспроводной передаче речи по сети с коммутацией каналов.

Сжатие заголовков

Большие заголовки пакетов, переносящих речь через IP-сети, — одна из основных проблем, стоящих перед разработчиками систем беспроводной IP-телефонии. Пакет IP с речевой информацией имеет в своем составе заголовки IP (20 байт), UDP (8 байт) и RTP (12 байт) — итого 40 байт служебной информации (в случае IPv6 эта цифра увеличивается до 60), тогда как размер собственно речевого кадра в зависимости от используемого кодека составляет всего 15—30 байт. Приведенные цифры являются сильным аргументом в пользу решения о терминировании IP-трафика перед радиоинтерфейсом: заголовки IP/UDP/RTP занимают слишком большую часть полосы пропускания и делают неэффективным использование ценного радиоспектра. Тем не менее данную проблему можно обойти с помощью алгоритмов сжатия заголовков.

В заголовках соседних пакетов, принадлежащих одному и тому же потоку, очень много избыточной информации; этот факт и используется алгоритмами сжатия заголовков. Подобные алгоритмы сохраняют на обоих концах канала так называемый контекст — по сути, это полная (несжатая) версия последнего переданного заголовка. Сжатые заголовки несут в себе только информацию об изменениях контекста: неизменные поля не передаются, а поля с небольшими изменениями обновляются путем передачи всего нескольких битов. Однако в случае потери или повреждения пакетов в процессе передачи контекст на принимающей стороне не будет обновлен корректно, и развертывание последующих сжатых заголовков даст неправильные результаты. Поэтому алгоритмы сжатия заголовков должны иметь механизмы для обнаружения устаревших контекстов и восстановления контекста принимающей стороны в случае ошибок.

Предложенный Инженерной проблемной группой Интернет (IETF) алгоритм сжатия заголовков CRTP (compressed RTP) при передаче речи по IP способен сжимать 40-байтовые заголовки IPv4/UDP/RTP до 2 байт. Для восстановления контекста CRTP использует обратный канал, по которому декомпрессор посылает запросы на обновление заголовков. Очевидно, что все пакеты, получаемые в то время, пока контекст остается некорректным, будут потеряны, поскольку в этом случае восстановить их заголовки невозможно. Следовательно, эффективность механизма восстановления контекста будет в первую очередь зависеть от времени прохождения сигнала по каналу туда и обратно. Моделирование показывает, что при использовании CRTP частота потери пакетов примерно в четыре раза выше той, что допускается оптимальной схемой реализации IP-телефонии в системах на основе технологии WCDMA. Значит, для систем беспроводной IP-телефонии нужна другая, более надежная схема сжатия заголовков.

Такую схему разработали специалисты компании Эрикссон [4]. Это ROCCO (robust checksum-based header-compression) — схема, основанная на использовании контрольной суммы. Она обеспечивает высокую степень сжатия и достаточную надежность для приложений сотовой связи. Вычисляемая для исходного (несжатого) заголовка контрольная сумма включается в сжатый заголовок и позволяет определить, во-первых, корректность контекста, а во-вторых, правильность его локального восстановления.

Более того, для достижения действительно высокой степени сжатия и хорошей надежности без потери общности метода специалисты Эрикссон разработали также концепцию профилей компрессии. Чтобы достичь оптимальной производительности, при

обработке различных RTP-потоков на различных каналах используются разные профили. Разрабатываются профили для речевых и видеопотоков; могут быть созданы и универсальные профили.

Помимо контрольной суммы, алгоритм ROCCO включает в сжатый заголовок специальный код с информацией об изменениях полей заголовка. Для профиля IP-телефонии данный код содержит достаточно информации о заголовках предыдущих пакетов для локального восстановления контекста даже после потери до 26 последовательных пакетов на пути между компрессором и декомпрессором. При использовании профиля с максимальным коэффициентом сжатия минимальный размер сжатого заголовка составит 1 байт. Возможность локального восстановления заголовков практически устраняет негативное влияние большого времени круговой задержки на работу алгоритма сжатия заголовков.

Речевые кодеки

Одним из важных факторов эффективного использования пропускной способности IP-канала, является выбор оптимального алгоритма кодирования/декодирования речевой информации - кодека. Все существующие сегодня типы речевых кодеков по принципу действия можно разделить на три группы:

1.Кодеки с Импульсно Кодовой Модуляцией (ИКМ) и Адаптивной Дифференциальной Импульсно Кодовой Модуляцией (АДИКМ), появившиеся в конце 50 -х годов и использующиеся сегодня в системах традиционной телефонии. В большинстве случаев, представляют собой сочетание АЦП/ЦАП

2.Кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радиотракта. Эта группа кодеков использует гармонический синтез сигнала на основании информации о его вокальных составляющих - фонемах. В большинстве случаев, такие кодеки реализованы как аналоговые устройства.

3.Комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных DSP. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер.

Одной из самых распространенных разновидностей методов кодирования является метод LD-CELP - Low-Delay Code-Excited Linear Prediction (метод линейного предсказания с кодовым возбуждением и низкой задержкой). Он позволяет достичь удовлетворительного качества воспроизведения при пропускной способности 16 кбит/с. Этот метод был стандартизован ITU в 1992 г. как алгоритм кодирования речи G.728. Алгоритм применяется к цифровой последовательности, получаемой в результате аналого-цифрового преобразования речевого сигнала с 16-разрядным разрешением. В марте 1995 г. ITU принял новый стандарт -G.723. Основой G.723 являются методы сжатия речи MP-MLQ (Multipulse Maximum Likelihood Quantization) и ACELP. Они позволяет добиться весьма существенного сжатия речи при сохранении достаточно высокого качества воспроизведения. Характеристики некоторых основных алгоритмов кодирования речи приведены в табл. 1 [5,6].