نگاهی گذرا به فناوریVOIP و استانداردهای آن

نگاهی گذرا به فناوریVOIP و استانداردهای آن

●VOIP چیست؟ شبكه‌های مخابراتی به عنوان جزء جدایی ناپذیر زندگی امروز بیش‌ترین سهم را در تبادل اطلاعات و اخبار به عهده دارند. این فناوری كه قدمتی بیش از صد سال دارد، صورت پیشرفته‌تری به خود گرفته است و خود را با نیازهای جدید تطبیق داده است تا به صورت امروزی درآمده است. امروزه انتقال تماس، كنفرانس های تلفنی، نمایش‌گر شماره تلفنی و ... همه و همه سرویس هایی هستند كه از سوی مراكز مخابراتی و بر پایه شبكه‌های مخابراتی ارایه می‌شوند. با وجود این، هنوز مشكلات حل نشده بسیاری در شبكه‌های مخابراتی موجود است كه نیاز به بررسی بیش‌تر دارد. مواردی نظیر هزینه بالای نگه‌داری این شبكه‌ها، ارایه‌ی دشوار سرویس های جدید،‌ هزینه‌ی بالای نصب و راه اندازی و گسترش شبكه‌های مخابراتی و ناتوانی در ارایه‌ی خدمات خاص از این مشكلات هستند. با مطرح شدن شبكه‌های كامپیوتری (به خصوص اینترنت) و امكان برقراری ارتباط به صورت سوییچ بین بسته‌های داده (Packet Switching) ارسال داده بر روی این شبكه‌ها به صورت جدی مطرح شد و در تمامی موارد موفقیت آمیز نمود. اگر زمانی دستگاه های فكس و تلكس بر روی شبكه‌های مخابراتی سنتی متن و تصویر را از جایی به جای دیگر منتقل می‌كردند، امروزه پست الكترونیكی و پیام‌های بین كامپیوتری این جای‌گاه را به دست آورده‌اند، به نحوی كه صورت قدیمی ارسال اطلاعات را تحت شعاع خود قرار داده‌اند. در جایی كه اطلاعات منتقل شده بر روی شبكه‌های كامپیوتری شكل صوتی به خود بگیرند VOIP (Voice Over IP) مطرح می‌شود. البته شایان گفتن است كه برای داشتن یك ارتباط از نوع VOIP باید شبكه‌ای بر پایه پروتكل IP داشته باشیم. حال با توجه به این كه بزرگ‌ترین شبكه بر پایه VOIP شبكه اینترنت است، به طور معمول از این فناوری به عنوان منتقل كننده صدا بر روی شبكه اینترنت یاد می‌شود. ●انواع مكالمات با استفاده از VOIP با تفكیك كاربران نهایی گفت‌وگوهای صوتی به دو شكل دستگاه متصل به شبكه IP و دستگاه متصل به شبكه مخابراتی سنتی، سه نوع مكالمه را می‌توان متصور شد: ابزار VOIP با ابزار VOIP: طی این مكالمه دو وسیله كه به شبكه مبتنی بر IP متصل هستند با یكدیگر ارتباط بر قرار می‌كنند. ابزار VOIP با تلفن سنتی: در این نوع مكالمه وسیله متصل به پروتكل IP با دستگاه تلفنی كه به شبكه مخابراتی سنتی متصل است ارتباط بر قرار می‌كند. در این صورت یك دستگاه متصل به IP نقش واسط را در تبدیل اطلاعات از شبكه IP به شبكه مخابراتی سنتی به عهده دارد. تلفن سنتی با تلفن سنتی: این نوع مكالمه به طور معمول به دلیل مسافت بالای بین دو فرد بر قرار كننده مكالمه و به منظور صرفه‌جویی در هزینه گفت‌وگو شكل می‌گیرد. در این نوع ارتباط هر یك از دو تلفن توسط شبكه مخابراتی سنتی به یك دستگاه متصل به شبكه IP مرتبط می‌شوند و ارتباط VOIP بین این دو دستگاه كمكی شكل می‌گیرد. ارتباط تلفنی با استفاده از كارت‌های تلفن رایج در بازار از این نوع است. با اندكی توجه به سه مورد بالا متوجه می‌شویم كه موارد ۲ و ۳ مطرح شده در بالا با استفاده تركیبی از شبكه مخابراتی سنتی و شبكه IP برقراری ارتباط صوتی را ممكن می‌سازند. انواع دیگر مكالمات VOIP نیز وجود دارد كه بررسی آن‌ها نیاز به مقدماتی دارد كه در حوصله‌ی این مقاله نمی‌گنجد: ▪( Virtual Station) ایستگاه مجازی به ایستگاه مجازی ▪ایستگاه مجازی به شبكه كامپیوتری ▪شبكه كامپیوتری به شبكه كامپیوتری ●تجارت بزرگ در زمینه VOIP امروزه VOIP و انتقال صوت بر پایه این فناوری به صورت یك تجارت بزرگ در آمده است كه هم‌چنان روند رو به رشد بالایی دارد. مزیت اصلی این نوع مكالمات برای كاربران، هزینه پایین آن است كه موجب ترجیه آن به شبكه های مخابراتی سنتی می‌شود. این تجارت از سه دیدگاه قابل بررسی است: ●فروش تجهیزات ساختاری: به منظور رسیدن به كارایی بالاتر و كیفیت بهتر صدا در مكالمات VOIP، نیاز به استفاده از تجهیزات ویژه ای در شبكه های مبتنی بر IP است. انواع مسیردهنده (Router)های VOIP، سوییچ‌های شبكه خاص این كاربرد و دروازه(Gateway) های ویژه و ... از این تجهیزات هستند. شركت سیسكو در سال‌های ۱۹۹۶ تا ۱۹۹۹ تعداد یك میلیون عدد از این تجهیزات را فروخت، در حالی كه در سال ۲۰۰۰ به تنهایی یك میلیون عدد دیگر از این تجهیزات توسط این شركت به فروش رسید. این آمار خود بیان‌گر سرعت رشد این فناوری است. فروش گوشی های تلفنی جدید: برای پشتیبانی بهتر فناوری VOIP گوشی‌های تلفنی خاصی ساخته شده‌اند كه خود به طور مستقیم به شبكه مبتنی بر پایه IP (برای مثال اینترنت) متصل می‌شوند و می‌توانند اطلاعات را در قالب بسته‌های داده بر روی این شبكه منتقل نمایند. تا سال ۲۰۰۱ در آمد ناشی از فروش این گونه گوشی‌ها برای سازنده‌های آن‌ها حدود یك میلیارد دلار بود كه پیش بینی شده است تا سال ۲۰۰۶ این رقم به پنج میلیارد دلار افزایش یابد. ارایه خدمات در قالب مراكز تلفنی نسل بعد: با وجود عدم وابستگی تكنولوژی VOIP به مراكز مخابراتی،‌ به منظور ایجاد سهولت در برقراری ارتباط (برای مثال توزیع شماره تلفن به كاربران) و ارایه سرویس‌های مختلف مراكز تلفنی VOIP بر روی شبكه اینترنت شكل گرفته‌اند كه پیش‌بینی می‌شود این مراكز در آینده دارای درآمد بالایی باشند. ●تهدیدهای VOIP برای تجارت‌های كنونی همواره با پدید آمدن یك فناوری جدید در عرصه‌های گوناگون،‌ فناوری‌های قبل در معرض انحطاط قرار می‌گیرند. فناوری اطلاعات و ارتباطات نه تنها از این قاعده مستثنا نیست، بلكه چنین وضعیتی در آن بیش از سایر حوزه‌ها احساس می‌شود. با شكل گیری تكنولوژی VOIP حوزه های متنوعی از جمله مكالمات تلفنی معمولی، ارتباط از طریق نمابر و حتا استفاده از پست الكترونیكی دچار تهدید شده‌اند. در كشورهای مختلف دنیا به منظور جلوگیری از این ضررهای مالی و یا به منظور تطبیق با شرایط جدید تدابیر مختلفی اندیشیده شده است. برای مثال در كشورهایی مانند سوئد و یا برخی از ایالات آمریكا به طور كامل به این تكنولوژی روی آورده شده است و VOIP به عنوان جای‌گزینی برای تلفن های سنتی در نظر گرفته شده است،‌ در حالی كه در برخی از كشورها از جمله پرتغال و یا امارات متحده عربی، به طور كامل این تكنولوژی ممنوع شده است.●شبكه‌های تلفنی آینده مراكز VOIP نیز همانند مراكز مخابراتی سنتی می‌توانند شماره تلفنی را به صورت اختصاصی به یك كاربر اختصاص دهند. این شماره‌های تلفنی از طریق مراكز اینترنتیVOIP در اختیار كاربران قرار می گیرد، مانند یك آدرس پست الكترونیكی به همراه یك كلمه عبور محافظت می‌شود. از طریق این شماره كاربران می توانند به مركز اینترنتی مزبور متصل شوند و IP دستگاه VOIP خود را به این مركز اعلام كنند. در نتیجه كاربران دیگر توسط شماره تلفن خود به مركز VOIP متصل می‌شوند و شماره‌ای كه قصد تماس با آن دارند را در اختیار مركز قرار داده و IP مقصد را دریافت می‌كنند و از طریق پروتكلIP یك تماس تلفنی را آغاز می‌كنند. از چنین شبكه‌هایی با عنوان شبكه‌های مخابراتی آینده یاد می‌شود و پیش‌بینی می‌شود كه به سرعت جای‌گزین شبكه‌های مخابراتی كنونی شوند. دلایل اصلی این جای‌گزینی برتری‌هایی است كه شبكه‌های مخابراتی آینده به شبكه‌های مخابراتی كنونی دارند و در زیر به برخی از آن‌ها شاره می‌كنیم: هزینه‌ی بسیار پایین نگه‌داری شبكه‌های مخابراتی آینده نسبت به شبكه‌های مخابراتی كنونی و به دنبال آن،‌ قیمت پایین خرید یك شماره (حتا مجانی) و مكالمه‌ی تلفنی. پشتیبانی كلیه امكانات مخابراتی كنونی و حتی ارایه خدمات جدید، با هزینه‌ی بسیار پایین و سهولت اجرایی بالا. جابه‌جایی آسان شماره‌های تلفنی به این معنا كه یك شماره تلفنی مانند یك آدرس پست الكترونیكی از هر نقطه‌ای از دنیا قابل دسترسی خواهد بود و می‌توان از طریق آن تماس گرفت و یا با آن ارتباط بر قرار كرد. قابلیت برنامه‌نویسی بر روی گوشی‌های تلفنی همانند یك گوشی موبایل و یا حتا پیشرفته‌تر از آن. در ادامه دو نوع شبكه‌ی مخابراتی سنتی و آینده را از زوایای دید گوناگون مورد مقایسه قرار می‌دهیم: ۱.استاندارد برقرار كننده ارتباط در شبكه‌های تلفنی VOIP پروتكل‌ها و بسته‌های داده هستند (مانند شبكه‌های IP) در حالی كه در شبكه‌های مخابراتی سنتی واسط‌های ارتباطی استاندارد (سوییچ مدارهای درون شبكه) تعریف شده‌اند. ۲.با در نظر گرفتن ماهیت فناوری VOIP و خصوصیات شبكه IP، متوجه خواهیم شد كه این شبكه‌ها از حالات داخلی بسیار كم‌تری نسبت به یك شبكه مخابراتی سنتی برخوردار هستند. همین امر سبب می‌شود كه نگه‌داری این گونه شبكه‌ها بسیار آسان‌تر و كم هزینه‌تر باشد. در شبكه‌های مخابراتی سرویس‌های مخابراتی درون شبكه مخابراتی (تجهیزات داخلی) مستقر می‌شوند،‌ یعنی برای داشتن یك سرویس خاص باید مركز مخابراتی پشتیبانی كننده آن سرویس باشد. به عبارت دیگر تجهیزات كاربر در این نوع سرویس‌ها تنها از خدمات بهره می‌برند و چنانچه آماده‌ی دریافت خدمات خاصی باشند، تا زمانی كه آن سرویس از طرف مركز مخابرات ارایه نشود، امكان استفاده از آن وجود ندارد. بر عكس، در شبكه‌های مخابراتی بر پایه‌ی پروتكل IP، سیستم‌های نهایی در صورتی كه یك سرویس جدید را پشتیبانی كنند، می‌توانند با یكدیگر (بدون نیاز به تغییر در شبكه‌ی مخابراتی) و با استفاده از آن سرویس ارتباط بر قرار كنند. ۳.هنگام استفاده از شبكه‌های مخابراتی كنونی، تمامی كنترل‌های تماس و بر قراری ارتباط از طریق مركز مخابرات (مستقر در شبكه ارتباطی) اعمال می‌شود، در صورتی كه در شبكه‌های مخابراتی آینده كه بر پایه پروتكلIP خواهند بود، تمامی این كنترل‌ها توسط سیستم‌های نهایی انجام خواهند گرفت. به عبارت دیگر وابستگی به مركز مخابراتی حذف خواهد شد. ۴.سیستم‌های مخابراتی جدید كه بر پایه IP شكل گرفته‌اند نیز همان درجه اطمینان را كه سیستم‌های مخابراتی كنونی از نظر سالم بودن شبكه تضمین می‌كنند، پشتیبانی می‌كنند. نتایج آماری حاصل از بررسی خرابی‌های شبكه و مقایسه آن‌ها این امر را تایید می‌كند. دیگر ویژگی سیستم‌های مخابراتی جدید پویایی و تحول سریع آن‌هاست. این سیستم‌ها به عنوان زیر مجموعه‌ای از علم كامپیوتر و فناوری دیجیتال مشمول قانون مور می‌شوند. به بیان دیگر باید حدود هر ۱۸ ماه منتظر پیشرفتی در ابعاد دو برابر سابق در این گونه سیستم‌ها باشیم، در حالی كه شبكه‌های مخابراتی قدیمی مدت زیادی است كه همان شكل سابق را حفظ كرده‌اند و به ندرت دست‌خوش تغییرات می‌شوند. نگاهی گذرا بر تاریخ تحولات شبكه‌های مخابراتی نشان می‌دهد كه پس از حدود هر ۳۰ سال شاهد تحولاتی محسوس در آن‌ها هستیم كه در مقایسه با تحولات شبكه‌های مخابراتی آینده در عمل ناچیز است. در سیستم‌های مخابراتیVOIP سرعت برقراری ارتباط به شدت وابسته به قدرت سیستم‌های نهایی در برقراری ارتباط است در حالی كه در سیستم‌های مخابراتی كنونی این زمان بسیار طولانی است. اما بر روی هم رفته سرعت بر قراری ارتباط VOIP كه به وسیله سوییچ بسته‌های داده كار می‌كنند به مراتب سریع‌تر از برقراری ارتباط در شبكه‌های سوییچ كننده مدار (شبكه های مخابراتی كنونی) است. در سیستم‌های مخابراتی آینده (VOIP) ارایه كنندگان خدمات مخابراتی در عمل نقش واضح و تعریف شده‌ای ندارند؛ زیرا اركان اصلی برقراری ارتباط دو طرف مكالمه كننده هستند. پیش‌بینی می‌شود كه مراكز مخابراتی آینده از طریق ارایه راهكارهای متنوع به منظور بهبود برقراری ارتباط امرار معاش كنند. حال این خدمات ممكن است بین دو مركز مخابراتی، به طور كامل متفاوت باشد. ●دروازه‌‌هایVOIP (VOIP Gateways) دروازه VOIP در واقع یك واسط بین تلفن‌های معمولی و شبكه‌هایIP هستند. كار دروازه‌هایVOIP را تا حدی می‌توان با Modemها مقایسه كرد، با این تفاوت كه این دستگاه‌ها به صورت خودكار با دریافت شماره تلفن، نام كاربری و كلمه عبور می‌توانند به یكISP متصل شوند. افزون بر این دروازه‌های VOIP به منظور ارسال بسته‌هایVOIP بهینه شده‌اند و قادر هستند تا از طریق برقراری ارتباط با مركز مخابراتیVOIP كارهای برقراری تماس تلفنی و ثبت شماره تلفن بر روی شبكه اینترنت را نیز انجام دهند. این تجهیزات از طریق پروتكل لایه Application خاص مانند SIP با مركز مخابراتی ارتباط بر قرار می‌كنند. درباره این پروتكل‌ها در ادامه همین مقاله مطالبی را بیان خواهیم كرد. ●بسته‌های VOIP برای برقراری یك ارتباط VOIP در سخت‌افزارهای كاربری كار نمونه‌برداری از صدا صورت می‌گیرد. به طور معمول صدایی به طول تقریبی ۱۰ تا ۲۰ میلی ثانیه در بسته (Packet) اطلاعاتی جهت ارسال قرار می‌گیرد. البته انواع Codec (رمز گذاری و رمزگشایی) تعریف شده‌اند كه هركدام استاندارد خاص خود را به منظور نمونه‌برداری و ارسال صدا تعریف می‌كنند. هر بسته VOIP طولی كم‌تر از ۱۰۰ بایت دارد كه پروتكل لایه ارسال(Transfer Protocol) UDP را جهت مسافرت بر روی شبكه IP انتخاب می‌كند. ۲۰ تا ۴۰ بایت اول بسته VOIP حاوی IP مقصد است. ۸ بایتی كه به دنبال آن می‌آید حاوی صدایی است كه در بازه زمانی ۱۰ تا ۲۰ میلی ثانیه نمونه‌برداری شده است. سپس ۱۲ بایت كه اطلاعاتی از نوع پروتكل RTP را داراست در ادامه آن می آید. در ادامه همین مقاله توضیحاتی را در مورد این پروتكل بیان خواهیم كرد. بالاخره در ۳۳ بایت انتهایی این بسته اطلاعاتی در مورد نحوه كدگذاری و كدگشایی این بسته (Codec Info) قرار می‌گیرد. وابسته به Codec در نظر گرفته شده در انتقال صدا، بسته‌های VOIP مدتی را در سمت دیگر (دریافت كننده صدا) منتظر می مانند تا كار بافر شدن آنها به حد تعیین شده برسد. با رسیدن حجم بسته‌ها در بافر سمت دریافت كننده به اندازه تعیین شده، صدا در سمت دیگر پخش خواهد شد. ●تاخیر صدا همان گونه كه در بالا گفتیم، بسته‌های VOIP یكی پس از دیگری از سمتی ارسال و در سمت دیگر بافر می‌شوند و پس از رسیدن بافر به اندازه‌ای مشخص (و یا گذشتن زمانی از پیش تعیین شده) صدا پخش می‌شود. این كار در حالت ایده‌آل به نحوی انجام می‌گیرد كه شنونده صدا متوجه هیچ تاخیری در شنیدن صدا نشود. تاخیر صدا به عنوان یكی از مهم‌ترین عامل‌های كیفیت صدا نقش مهمی در شكل‌گیری یك ارتباط صوتی مطلوب دارد. چنانچه این تاخیر از حدی بیش‌تر شود، ادامه مكالمه میسر نخواهد بود. این همان تاخیری است كه شاید در هنگام یك مكالمه تلفنی راه دور كه با استفاده از كارت تلفنی انجام می‌گیرد، متوجه آن شده باشید. چنانچه تاخیر صدا بیش‌تر از ۲۰۰ میلی ثانیه شود، مكالمه تلفنی را از حالت مطلوب خارج می‌كند و كاربران را دچار مشكل می‌سازد. هر اندازه این تاخیر كاهش یابد به یك مكالمه ایده آل تلفنی نزدی‌ تر می‌شویم. عامل تاخیر صدا به عنوان بزرگ‌ترین چالش در فناوری VOIP مطرح بوده و هست. تاخیر صدا به علت تكنولوژی انتخاب شده در شبكه‌های مخابراتی سنتی در عمل ناچیز و قابل چشم‌پوشی است اما در VOIP همه چیز به طور كامل متفاوت است. راهكارهای مختلف كه به منظور كاهش تاخیر اعمال شده‌اند و همچنین پیشرفت فناوری ارتباطات و اینترنت موجب شده است كه تاخیر یك ارتباط VOIP كه در گذشته‌ای نه چندان دور به بیش از ۶۰۰ میلی ثانیه می‌رسید و در عمل ادامه مكالمه را ناممكن می‌ساخت به حد مطلوب ۱۰۰ میلی ثانیه برسد. در زیر یك نمودار گویا در مورد تاخیر صدا و قابلیت ادامه تماس تلفنی را مشاهده می‌كنید: به منظور مقابله با تاخیر صدای احتمالی كه به هر دلیل و از جمله ترافیك بالای شبكه ارتباطی ایجاد می‌شود، تدابیر واكنشی متعددی اندیشیده شده است. در ارتباطاتی كه به صورت متقابل (interactive) هستند، بسته‌های صدایی كه خراب می‌شوند دوباره ارسال نمی‌شوند. این كار باعث افت كیفیت صدا می‌شود در حالی كه تاخیر را نامحسوس می‌سازد. بنابراین در این گونه ارتباطات به طور معمول از پروتكل UDP در لایه ارسال استفاده می‌شود. در حالی ارسال صدا به صورت offline انجام گیرد، این بسته‌ها دوباره ارسال می‌شوند تا بهترین كیفیت ممكن حاصل شود. در این موارد پروتكل TCP در لایه ارسال بهترین انتخاب است. اصلاح خطا به صورت FEC (Forward Error Correction) یكی دیگر از تدابیری است كه در هنگام خرابی بسته‌ها و برای جلوگیری از تاخیر صدا و افت كیفیت آن اندیشیده می‌شود. به این ترتیب، وسیله دریافت كننده صدا دارای این قابلیت است كه در صورت خرابی بسته‌ها، آ‌ن‌ها را اصلاح و بازسازی كند. این كار كه هزینه سخت‌افزاری بالاتری می‌طلبد و نیاز به اطلاعات جانبی و مكملی دارد كه كار شناسایی و اصلاح خطا را میسر می‌سازد. این اطلاعات در همان بسته VOIP جای می‌گیرند و البته حجم بسته و ترافیك شبكه را افزایش می دهند! شناسایی صدا(Voice Activity Detection كه از صورت مخفف آن به نام VAD استفاده می شود) و به دنبال آن، شلوغی آرامش بخش (‍Comfort Noise) از دیگر تدابیر هوشمندانه در زمینه كاهش ترافیك شبكه هستند. در سیستم های معمولی تلفنی و از جمله VOIP همواره از هر یك از دو دستگاه برقرار كننده ارتباط كار نمونه‌برداری صدا و ارسال انجام می‌شود. حال چه كسی در حال صحبت كردن باشد و یا نباشد. در نظر داشته باشید كه در یك مكالمه معمولی تلفنی در هر زمان تنها یكی از طرفین در حال صحبت هستند و فرد دیگر در حال شنیدن است. به علاوه زمان نهایی نیز وجود دارد كه هیچ یك از طرفین صحبت نمی‌كنند و برای مثال به موضوع خاصی فكر می‌كنند. حال اگر بتوانیم كاری كنیم كه هر یك از دو دستگاه ارسال كننده صدا تنها زمانی اقدام به این كار كنند كه صدایی با ارزش در محیط وجود داشته باشد،‌ به مقدار زیادی ترافیك شبكه را كاهش داده‌ایم. همین ایده‌ی ساده در بسیاری از گوشی‌هایVOIP موجب اضافه شدن وسیله‌ای به نام VAD (Voice Activity Detector) شده است. كار این وسیله تشخیص صدا در محیط و تعیین فرستادن یا نفرستادن آن است. با به كار گیری VAD در گوشی‌های VOIP این مشكل پیش آمد كه همواره فرد مقابل كه در زمانی هیچ گونه صدایی را نمی‌شنید احساس كند كه مكالمه قطع شده است. به منظور رفع چنین مشكلاتی یك تدبیر هوشمندانه دیگر اندیشیده شد كه به شلوغی آرامش بخش معروف است. با استفاده از این تكنیك، همواره در صورت ارسال نشدن صدا از فرستنده، صدایی شبیه به برفك (به صورت آن چه معمولا در هنگام مكالمه تلفنی شنیده می‌شود) در گوشی دریافت كننده شنیده می‌شود كه او از ادامه برقراری ارتباط مطلع می سازد