نگاهی گذرا به فناوری VoIP و استانداردهای آن

VoIP چیست؟

شبکه‌های مخابراتی به عنوان جزء جدایی ناپذیر زندگی امروزبیش‌ترین سهم را در تبادل اطلاعات و اخبار به عهده دارند. این فناوری که قدمتی بیشاز صد سال دارد، صورت پیشرفته‌تری به خود گرفته است و خود را با نیازهای جدید تطبیقداده است تا به صورت امروزی درآمده است.
امروزه انتقال تماس، کنفرانس های تلفنی، نمایش‌گر شماره تلفنی و ... همه و همه سرویس هایی هستند که از سوی مراکز مخابراتی و بر پایه شبکه‌هایمخابراتی ارایه می‌شوند. با وجود این، هنوز مشکلات حل نشده بسیاری در شبکه‌هایمخابراتی موجود است که نیاز به بررسی بیش‌تر دارد. مواردی نظیر هزینه بالاینگه‌داری این شبکه‌ها، ارایه‌ی دشوار سرویس های جدید،‌ هزینه‌ی بالای نصب و راهاندازی و گسترش شبکه‌های مخابراتی و ناتوانی در ارایه‌ی خدمات خاص از این مشکلاتهستند.
با مطرح شدن شبکه‌های کامپیوتری (به خصوص اینترنت) و امکانبرقراری ارتباط به صورت سوییچ بین بسته‌های داده (Packet Switching) ارسال داده برروی این شبکه‌ها به صورت جدی مطرح شد و در تمامی موارد موفقیت آمیز نمود. اگر زمانیدستگاه های فکس و تلکس بر روی شبکه‌های مخابراتی سنتی متن و تصویر را از جایی بهجای دیگر منتقل می‌کردند، امروزه پست الکترونیکی و پیام‌های بین کامپیوتری اینجایگاه را به دست آورده‌اند، به نحوی که صورت قدیمی ارسال اطلاعات را تحت شعاع خودقرار داده‌اند.
در جایی که اطلاعات منتقل شده بر روی شبکه‌های کامپیوتری شکل صوتیبه خود بگیرند (Voice Over IP) VoIP مطرح می‌شود. البته شایان گفتن است که برایداشتن یک ارتباط از نوع VoIP باید شبکه‌ای بر پایه پروتکل IP داشته باشیم. حال باتوجه به این که بزرگ‌ترین شبکه بر پایه VoIP شبکه اینترنت است، به طور معمول از اینفناوری به عنوان منتقل کننده صدا بر روی شبکه اینترنت یاد می‌شود.

انواع مکالمات با استفاده از VoIP

با تفکیک کاربران نهایی گفت‌وگوهای صوتی به دو شکل دستگاه متصل بهشبکه IP و دستگاه متصل به شبکه مخابراتی سنتی، سه نوع مکالمه را می‌توان متصورشد:
1. ابزار VoIP با ابزار VoIP : طی اینمکالمه دو وسیله که به شبکه مبتنی بر IP متصل هستند با یکدیگر ارتباط بر قرارمی‌کنند.
2. ابزار VoIP با تلفن سنتی : در ایننوع مکالمه وسیله متصل به پروتکل IP با دستگاه تلفنی که به شبکه مخابراتی سنتی متصلاست ارتباط بر قرار می‌کند. در این صورت یک دستگاه متصل به IP نقش واسط را در تبدیلاطلاعات از شبکه IP به شبکه مخابراتی سنتی به عهده دارد.
3. تلفن سنتی با تلفن سنتی : این نوعمکالمه به طور معمول به دلیل مسافت بالای بین دو فرد بر قرار کننده مکالمه و بهمنظور صرفه‌جویی در هزینه گفت‌وگو شکل می‌گیرد. در این نوع ارتباط هر یک از دو تلفنتوسط شبکه مخابراتی سنتی به یک دستگاه متصل به شبکه IP مرتبط می‌شوند و ارتباط VoIP بین این دو دستگاه کمکی شکل می‌گیرد. ارتباط تلفنی با استفاده از کارت‌های تلفنرایج در بازار از این نوع است.
با اندکی توجه به سه مورد بالا متوجه می‌شویم که موارد 2 و 3مطرح شده در بالا با استفاده ترکیبی از شبکه مخابراتی سنتی و شبکه IP برقراریارتباط صوتی را ممکن می‌سازند. انواع دیگر مکالمات VoIP نیز وجود دارد که بررسیآن‌ها نیاز به مقدماتی دارد که در حوصله‌ی این مقاله نمی‌گنجد:
- ( Virtual Station) ایستگاه مجازی به ایستگاه مجازی
- ایستگاه مجازی به شبکه کامپیوتری
- شبکه کامپیوتری به شبکه کامپیوتری

تجارت بزرگ در زمینه VoIP

امروزه VoIP و انتقال صوت بر پایه این فناوری به صورت یک تجارتبزرگ در آمده است که هم‌چنان روند رو به رشد بالایی دارد. مزیت اصلی این نوعمکالمات برای کاربران، هزینه پایین آن است که موجب ترجیح آن به شبکه های مخابراتیسنتی می‌شود.
این تجارت از سه دیدگاه قابل بررسی است:
1. فروش تجهیزات ساختاری : به منظوررسیدن به کارایی بالاتر و کیفیت بهتر صدا در مکالمات VoIP، نیاز به استفاده ازتجهیزات ویژه ای در شبکه های مبتنی بر IP است. انواع مسیردهنده (Router)های VOIP،سوییچ‌های شبکه خاص این کاربرد و دروازه (Gateway) های ویژه و ... از این تجهیزاتهستند. شرکت سیسکو در سال‌های 1996 تا 1999 تعداد یک میلیون عدد از این تجهیزات رافروخت، در حالی که در سال 2000 به تنهایی یک میلیون عدد دیگر از این تجهیزات توسطاین شرکت به فروش رسید. این آمار خود بیان‌گر سرعت رشد این فناوری است.
2. فروش گوشی های تلفنی جدید : برایپشتیبانی بهتر فناوری VoIP گوشی‌های تلفنی خاصی ساخته شده‌اند که خود به طور مستقیمبه شبکه مبتنی بر پایه IP (برای مثال اینترنت) متصل می‌شوند و می‌توانند اطلاعات رادر قالب بسته‌های داده بر روی این شبکه منتقل نمایند. تا سال 2001 درآمد ناشی ازفروش این گونه گوشی‌ها برای سازنده‌های آن‌ها حدود یک میلیارد دلار بود که پیش بینیشده است تا سال 2006 این رقم به پنج میلیارد دلار افزایش یابد.
3. ارایه خدمات در قالب مراکز تلفنی نسل بعد : با وجود عدم وابستگی تکنولوژی VoIP به مراکز مخابراتی،‌ به منظور ایجادسهولت در برقراری ارتباط (برای مثال توزیع شماره تلفن به کاربران) و ارایهسرویس‌های مختلف مراکز تلفنی VoIP بر روی شبکه اینترنت شکل گرفته‌اند که پیش‌بینیمی‌شود این مراکز در آینده دارای درآمد بالایی باشند.

تهدیدهای VoIP برای تجارت‌های کنونی

همواره با پدید آمدن یک فناوری جدید در عرصه‌های گوناگون،‌فناوری‌های قبل در معرض انحطاط قرار می‌گیرند. فناوری اطلاعات و ارتباطات نه تنهااز این قاعده مستثنا نیست، بلکه چنین وضعیتی در آن بیش از سایر حوزه‌ها احساسمی‌شود. با شکل گیری تکنولوژی VoIP حوزه های متنوعی از جمله مکالمات تلفنی معمولی،ارتباط از طریق نمابر و حتا استفاده از پست الکترونیکی دچار تهدید شده‌اند. درکشورهای مختلف دنیا به منظور جلوگیری از این ضررهای مالی و یا به منظور تطبیق باشرایط جدید تدابیر مختلفی اندیشیده شده است. برای مثال در کشورهایی مانند سوئد و یابرخی از ایالات آمریکا به طور کامل به این تکنولوژی روی آورده شده است و VoIP بهعنوان جای‌گزینی برای تلفن های سنتی در نظر گرفته شده است،‌ در حالی که در برخی ازکشورها از جمله پرتغال و یا امارات متحده عربی، به طور کامل این تکنولوژی ممنوع شدهاست.

شبکه‌های تلفنی آینده

مراکز VoIP نیز همانند مراکز مخابراتی سنتی می‌توانند شماره تلفنیرا به صورت اختصاصی به یک کاربر اختصاص دهند. این شماره‌های تلفنی از طریق مراکزاینترنتیVoIP در اختیار کاربران قرار می گیرد، مانند یک آدرس پست الکترونیکی بههمراه یک کلمه عبور محافظت می‌شود. از طریق این شماره کاربران می توانند به مرکزاینترنتی مزبور متصل شوند و IP دستگاه VoIP خود را به این مرکز اعلام کنند. درنتیجه کاربران دیگر توسط شماره تلفن خود به مرکز VoIP متصل می‌شوند و شماره‌ای کهقصد تماس با آن دارند را در اختیار مرکز قرار داده و IP مقصد را دریافت می‌کنند واز طریق پروتکلIP یک تماس تلفنی را آغاز می‌کنند. از چنین شبکه‌هایی با عنوانشبکه‌های مخابراتی آینده یاد می‌شود و پیش‌بینی می‌شود که به سرعت جای‌گزینشبکه‌های مخابراتی کنونی شوند. دلایل اصلی این جای‌گزینی برتری‌هایی است کهشبکه‌های مخابراتی آینده به شبکه‌های مخابراتی کنونی دارند و در زیر به برخی ازآن‌ها شاره می‌کنیم:
1. هزینه‌ی بسیار پایین نگه‌داری شبکه‌های مخابراتی آینده نسبت بهشبکه‌های مخابراتی کنونی و به دنبال آن،‌ قیمت پایین خرید یک شماره (حتا مجانی) ومکالمه‌ی تلفنی.
2. پشتیبانی کلیه امکانات مخابراتی کنونی و حتی ارایه خدمات جدید،با هزینه‌ی بسیار پایین و سهولت اجرایی بالا.
3. جابه‌جایی آسان شماره‌های تلفنی به این معنا که یک شماره تلفنیمانند یک آدرس پست الکترونیکی از هر نقطه‌ای از دنیا قابل دسترسی خواهد بود ومی‌توان از طریق آن تماس گرفت و یا با آن ارتباط بر قرار کرد.
4. قابلیت برنامه‌نویسی بر روی گوشی‌های تلفنی همانند یک گوشیموبایل و یا حتا پیشرفته‌تر از آن.
در ادامه دو نوع شبکه‌ی مخابراتی سنتی و آینده را از زوایای دیدگوناگون مورد مقایسه قرار می‌دهیم :
1. استاندارد برقرار کننده ارتباط در شبکه‌های تلفنی VoIP پروتکل‌ها و بسته‌های داده هستند (مانند شبکه‌های IP) در حالی که در شبکه‌هایمخابراتی سنتی واسط‌های ارتباطی استاندارد (سوییچ مدارهای درون شبکه) تعریفشده‌اند.
2. با در نظر گرفتن ماهیت فناوری VoIP و خصوصیات شبکه IP، متوجهخواهیم شد که این شبکه‌ها از حالات داخلی بسیار کم‌تری نسبت به یک شبکه مخابراتیسنتی برخوردار هستند. همین امر سبب می‌شود که نگه‌داری این گونه شبکه‌ها بسیارآسان‌تر و کم هزینه‌تر باشد.
3. در شبکه‌های مخابراتی سرویس‌های مخابراتی درون شبکه مخابراتی (تجهیزات داخلی) مستقر می‌شوند،‌ یعنی برای داشتن یک سرویس خاص باید مرکز مخابراتیپشتیبانی کننده آن سرویس باشد. به عبارت دیگر تجهیزات کاربر در این نوع سرویس‌هاتنها از خدمات بهره می‌برند و چنانچه آماده‌ی دریافت خدمات خاصی باشند، تا زمانی کهآن سرویس از طرف مرکز مخابرات ارایه نشود، امکان استفاده از آن وجود ندارد. بر عکس،در شبکه‌های مخابراتی بر پایه‌ی پروتکل IP، سیستم‌های نهایی در صورتی که یک سرویسجدید را پشتیبانی کنند، می‌توانند با یکدیگر (بدون نیاز به تغییر در شبکه‌یمخابراتی) و با استفاده از آن سرویس ارتباط بر قرار کنند.
4. هنگام استفاده از شبکه‌های مخابراتی کنونی، تمامی کنترل‌هایتماس و برقراری ارتباط از طریق مرکز مخابرات (مستقر در شبکه ارتباطی) اعمال می‌شود،در صورتی که در شبکه‌های مخابراتی آینده که بر پایه پروتکلIP خواهند بود، تمامی اینکنترل‌ها توسط سیستم‌های نهایی انجام خواهند گرفت. به عبارت دیگر وابستگی به مرکزمخابراتی حذف خواهد شد.
5. سیستم‌های مخابراتی جدید که بر پایه IP شکل گرفته‌اند نیز هماندرجه اطمینان را که سیستم‌های مخابراتی کنونی از نظر سالم بودن شبکه تضمین می‌کنند،پشتیبانی می‌کنند. نتایج آماری حاصل از بررسی خرابی‌های شبکه و مقایسه آن‌ها اینامر را تایید می‌کند.
6. دیگر ویژگی سیستم‌های مخابراتی جدید پویایی و تحول سریعآن‌هاست. این سیستم‌ها به عنوان زیر مجموعه‌ای از علم کامپیوتر و فناوری دیجیتالمشمول قانون مور می‌شوند. به بیان دیگر باید حدود هر 18 ماه منتظر پیشرفتی در ابعاددو برابر سابق در این گونه سیستم‌ها باشیم، در حالی که شبکه‌های مخابراتی قدیمی مدتزیادی است که همان شکل سابق را حفظ کرده‌اند و به ندرت دست‌خوش تغییرات می‌شوند. نگاهی گذرا بر تاریخ تحولات شبکه‌های مخابراتی نشان می‌دهد که پس از حدود هر 30 سالشاهد تحولاتی محسوس در آن‌ها هستیم که در مقایسه با تحولات شبکه‌های مخابراتی آیندهدر عمل ناچیز است.
7. در سیستم‌های مخابراتیVoIP سرعت برقراری ارتباط به شدت وابستهبه قدرت سیستم‌های نهایی در برقراری ارتباط است در حالی که در سیستم‌های مخابراتیکنونی این زمان بسیار طولانی است. اما بر روی هم رفته سرعت بر قراری ارتباط VoIP کهبه وسیله سوییچ بسته‌های داده کار می‌کنند به مراتب سریع‌تر از برقراری ارتباط درشبکه‌های سوییچ کننده مدار (شبکه های مخابراتی کنونی) است.
8. در سیستم‌های مخابراتی آینده (VoIP) ارایه کنندگان خدماتمخابراتی در عمل نقش واضح و تعریف شده‌ای ندارند؛ زیرا ارکان اصلی برقراری ارتباطدو طرف مکالمه کننده هستند. پیش‌بینی می‌شود که مراکز مخابراتی آینده از طریق ارایهراهکارهای متنوع به منظور بهبود برقراری ارتباط امرار معاش کنند. حال این خدماتممکن است بین دو مرکز مخابراتی، به طور کامل متفاوت باشد.

دروازه‌‌های (VOIP (VOIP Gateways :

دروازه VoIP در واقع یک واسط بین تلفن‌های معمولی و شبکه‌هایIP هستند. کار دروازه‌هایVoIP را تا حدی می‌توان با Modemها مقایسه کرد، با این تفاوتکه این دستگاه‌ها به صورت خودکار با دریافت شماره تلفن، نام کاربری و کلمه عبورمی‌توانند به یکISP متصل شوند. افزون بر این دروازه‌های VoIP به منظور ارسالبسته‌هایVoIP بهینه شده‌اند و قادر هستند تا از طریق برقراری ارتباط با مرکزمخابراتیVoIP کارهای برقراری تماس تلفنی و ثبت شماره تلفن بر روی شبکه اینترنت رانیز انجام دهند. این تجهیزات از طریق پروتکل لایه Application خاص مانند SIP بامرکز مخابراتی ارتباط بر قرار می‌کنند. درباره این پروتکل‌ها در ادامه همین مقالهمطالبی را بیان خواهیم کرد.

بسته‌های VoIP

برای برقراری یک ارتباط VoIP در سخت‌افزارهای کاربری کارنمونه‌برداری از صدا صورت می‌گیرد. به طور معمول صدایی به طول تقریبی 10 تا 20 میلیثانیه در بسته (Packet) اطلاعاتی جهت ارسال قرار می‌گیرد. البته انواع Codec (رمزگذاری و رمزگشایی) تعریف شده‌اند که هرکدام استاندارد خاص خود را به منظورنمونه‌برداری و ارسال صدا تعریف می‌کنند. هر بسته VoIP طولی کم‌تر از 100 بایت داردکه پروتکل لایه ارسال (Transfer Protocol (UDP را جهت مسافرت بر روی شبکه IP انتخابمی‌کند. 20 تا 40 بایت اول بسته VOIP حاوی IP مقصد است. 8 بایتی که به دنبال آنمی‌آید حاوی صدایی است که در بازه زمانی 10 تا 20 میلی ثانیه نمونه‌برداری شده است. سپس 12 بایت که اطلاعاتی از نوع پروتکل RTP را داراست در ادامه آن می آید. در ادامههمین مقاله توضیحاتی را در مورد این پروتکل بیان خواهیم کرد. بالاخره در 33 بایتانتهایی این بسته اطلاعاتی در مورد نحوه کدگذاری و کدگشایی این بسته (Codec Info) قرار می‌گیرد.
وابسته به Codec در نظر گرفته شده در انتقال صدا، بسته‌های VoIP مدتی را در سمت دیگر (دریافت کننده صدا) منتظر می مانند تاکار بافر شدن آنها به حدتعیین شده برسد. با رسیدن حجم بسته‌ها در بافر سمت دریافت کننده به اندازه تعیینشده، صدا در سمت دیگر پخش خواهد شد.

تاخیر صدا :

همان گونه که در بالا گفتیم، بسته‌های VoIP یکی پس از دیگری ازسمتی ارسال و در سمت دیگر بافر می‌شوند و پس از رسیدن بافر به اندازه‌ای مشخص (و یاگذشتن زمانی از پیش تعیین شده) صدا پخش می‌شود. این کار در حالت ایده‌آل به نحویانجام می‌گیرد که شنونده صدا متوجه هیچ تاخیری در شنیدن صدا نشود.
تاخیر صدا به عنوان یکی از مهم‌ترین عامل‌های کیفیت صدا نقش مهمیدر شکل‌گیری یک ارتباط صوتی مطلوب دارد. چنانچه این تاخیر از حدی بیش‌تر شود، ادامهمکالمه میسر نخواهد بود. این همان تاخیری است که شاید در هنگام یک مکالمه تلفنی راهدور که با استفاده از کارت تلفنی انجام می‌گیرد، متوجه آن شده باشید. چنانچه تاخیرصدا بیش‌تر از 200 میلی ثانیه شود، مکالمه تلفنی را از حالت مطلوب خارج می‌کند وکاربران را دچار مشکل می‌سازد. هر اندازه این تاخیر کاهش یابد به یک مکالمه ایده آلتلفنی نزدی‌ تر می‌شویم.
عامل تاخیر صدا به عنوان بزرگ‌ترین چالش در فناوری VoIP مطرح بودهو هست. تاخیر صدا به علت تکنولوژی انتخاب شده در شبکه‌های مخابراتی سنتی در عملناچیز و قابل چشم‌پوشی است اما در VoIP همه چیز به طور کامل متفاوت است. راهکارهایمختلف که به منظور کاهش تاخیر اعمال شده‌اند و همچنین پیشرفت فناوری ارتباطات واینترنت موجب شده است که تاخیر یک ارتباط VoIP که در گذشته‌ای نه چندان دور به بیشاز 600 میلی ثانیه می‌رسید و در عمل ادامه مکالمه را ناممکن می‌ساخت به حد مطلوب 100 میلی ثانیه برسد.
در زیر یک نمودار گویا در مورد تاخیر صدا و قابلیت ادامه تماستلفنی را مشاهده می‌کنید:
به منظور مقابله با تاخیر صدای احتمالی که به هر دلیل و از جملهترافیک بالای شبکه ارتباطی ایجاد می‌شود، تدابیر واکنشی متعددی اندیشیده شده است. در ارتباطاتی که به صورت متقابل (interactive) هستند، بسته‌های صدایی که خرابمی‌شوند دوباره ارسال نمی‌شوند. این کار باعث افت کیفیت صدا می‌شود در حالی کهتاخیر را نامحسوس می‌سازد. بنابراین در این گونه ارتباطات به طور معمول از پروتکل UDP در لایه ارسال استفاده می‌شود. در حالی که ارسال صدا به صورت offline انجامگیرد، این بسته‌ها دوباره ارسال می‌شوند تا بهترین کیفیت ممکن حاصل شود. در اینموارد پروتکل TCP در لایه ارسال بهترین انتخاب است.
اصلاح خطا به صورت (FEC (Forward Error Correction یکی دیگر ازتدابیری است که در هنگام خرابی بسته‌ها و برای جلوگیری از تاخیر صدا و افت کیفیت آناندیشیده می‌شود. به این ترتیب، وسیله دریافت کننده صدا دارای این قابلیت است که درصورت خرابی بسته‌ها، آ‌ن‌ها را اصلاح و بازسازی کند. این کار که هزینه سخت‌افزاریبالاتری می‌طلبد و نیاز به اطلاعات جانبی و مکملی دارد که کار شناسایی و اصلاح خطارا میسر می‌سازد. این اطلاعات در همان بستهVoIP جای می‌گیرند و البته حجم بسته وترافیک شبکه را افزایش می دهند!
شناسایی صد ا(Voice Activity Detection که از صورت مخفف آن به نام VAD استفاده می شود) و به دنبال آن، شلوغی آرامش بخش (‍Comfort Noise) از دیگرتدابیر هوشمندانه در زمینه کاهش ترافیک شبکه هستند.
در سیستم های معمولی تلفنی و از جمله VoIP همواره از هر یک از دودستگاه برقرار کننده ارتباط کار نمونه‌برداری صدا و ارسال انجام می‌شود. حال چه کسیدر حال صحبت کردن باشد و یا نباشد. در نظر داشته باشید که در یک مکالمه معمولیتلفنی در هر زمان تنها یکی از طرفین در حال صحبت هستند و فرد دیگر در حال شنیدناست. به علاوه زمان نهایی نیز وجود دارد که هیچ یک از طرفین صحبت نمی‌کنند و برایمثال به موضوع خاصی فکر می‌کنند. حال اگر بتوانیم کاری کنیم که هر یک از دو دستگاهارسال کننده صدا تنها زمانی اقدام به این کار کنند که صدایی با ارزش در محیط وجودداشته باشد،‌ به مقدار زیادی ترافیک شبکه را کاهش داده‌ایم. همین ایده‌ی ساده دربسیاری از گوشی‌هایVoIP موجب اضافه شدن وسیله‌ای به نام (VAD (Voice Activity Detector شده است. کار این وسیله تشخیص صدا در محیط و تعیین فرستادن یا نفرستادن آناست.
با به کار گیری VAD در گوشی‌های VoIP این مشکل پیش آمد که هموارهفرد مقابل که در زمانی هیچ گونه صدایی را نمی‌شنید احساس کند که مکالمه قطع شدهاست. به منظور رفع چنین مشکلاتی یک تدبیر هوشمندانه دیگر اندیشیده شد که به شلوغیآرامش بخش معروف است. با استفاده از این تکنیک، همواره در صورت ارسال نشدن صدا ازفرستنده، صدایی شبیه به برفک (به صورت آن چه معمولا در هنگام مکالمه تلفنی شنیدهمی‌شود) در گوشی دریافت کننده شنیده می‌شود که او از ادامه برقراری ارتباط مطلع میسازد.