Voice over Frame Relay

Voice over Frame Relay (VoFR) — это технология передачи голосового трафика в виде цифровых пакетов через сети с коммутацией кадров, использующие протокол Frame Relay. VoFR позволяет объединить телефонную связь и передачу данных в единой инфраструктуре, что снижает затраты на эксплуатацию отдельных сетей для голоса и данных.

История

Развитие технологии VoFR связано с эволюцией корпоративных сетей связи в 1990-х годах. Frame Relay, как протокол канального уровня, был широко распространён в корпоративных сетях благодаря своей эффективности и низкой стоимости по сравнению с выделенными линиями. Однако изначально Frame Relay был ориентирован исключительно на передачу данных.

В середине 1990-х годов, с ростом потребности в интеграции голоса и данных, начались разработки стандартов для передачи голоса через Frame Relay. В 1997 году Форум Frame Relay (организация, занимавшаяся развитием технологии) опубликовал спецификацию FRF.11, которая определила основные принципы VoFR. Эта спецификация описывала методы кодирования голоса, формат кадров и процедуры управления соединениями.

Внедрение VoFR происходило параллельно с развитием Voice over IP (VoIP). Однако, в отличие от VoIP, который использует IP-сети, VoFR был привязан к инфраструктуре Frame Relay. С распространением более дешёвых и гибких IP-сетей в начале 2000-х годов, VoFR постепенно уступил место VoIP, хотя продолжал использоваться в некоторых устаревших корпоративных сетях.

Принцип работы

Кодирование и сжатие голоса

Аналоговый голосовой сигнал преобразуется в цифровой поток с помощью кодека. Для VoFR используются различные кодеки, обеспечивающие разную степень сжатия:

• G.711 — стандартный кодек с импульсно-кодовой модуляцией (PCM), обеспечивающий скорость 64 кбит/с.
• G.726 — кодек с адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (ADPCM), работающий на скоростях 16, 24, 32 или 40 кбит/с.
• G.729 — кодек с линейным предсказанием с возбуждением от алгебраического кода (CS-ACELP), обеспечивающий скорость 8 кбит/с.
• G.723.1 — кодек с мульти-импульсным линейным предсказанием (MP-MLQ), работающий на скоростях 5,3 или 6,3 кбит/с.

Выбор кодека зависит от требуемого качества речи и доступной пропускной способности канала.

Формирование кадров

Цифровой голосовой поток разбивается на пакеты (кадры) определённого размера. Каждый кадр содержит заголовок, содержащий информацию о типе кадра, длине, номере последовательности, а также поле данных с голосовыми сэмплами. Спецификация FRF.11 определяет формат кадра для VoFR, который включает:

• Флаг — маркер начала и конца кадра.
• Адрес — идентификатор виртуального канала (DLCI).
• Управляющее поле — информация о типе кадра (например, информационный или управляющий).
• Поле данных — содержит голосовые сэмплы, сжатые в соответствии с выбранным кодеком.
• Контрольная сумма (FCS) — для обнаружения ошибок.

Передача через виртуальные каналы

Frame Relay использует виртуальные каналы (PVC — постоянные или SVC — коммутируемые). Для передачи голоса может быть выделен отдельный виртуальный канал с гарантированной пропускной способностью (CIR — Committed Information Rate). Это позволяет избежать задержек и потерь пакетов, критичных для голосового трафика.

Управление приоритетами

Для обеспечения качества обслуживания (QoS) в VoFR применяются механизмы приоритезации трафика. Голосовые кадры могут иметь более высокий приоритет, чем кадры данных, что обеспечивает их передачу с минимальной задержкой. Это достигается за счёт использования поля DE (Discard Eligibility) и настройки параметров очередей на коммутаторах Frame Relay.

Архитектура сети

Типичная сеть VoFR состоит из следующих компонентов:

• Голосовые шлюзы (Voice Gateways) — устройства, которые преобразуют аналоговые или цифровые телефонные сигналы в пакеты VoFR и обратно. Шлюзы подключаются к телефонным станциям (PBX) или к обычным телефонным линиям.
• Коммутаторы Frame Relay — устройства, которые маршрутизируют кадры VoFR по сети. Они обеспечивают коммутацию виртуальных каналов и управление приоритетами.
• Терминальное оборудование — телефонные аппараты, факсы, модемы, подключенные к голосовым шлюзам.

Сеть может быть организована по топологии «точка-точка» или «звезда». В первом случае два шлюза соединяются напрямую через виртуальный канал. Во втором — несколько удалённых офисов подключаются к центральному узлу через один или несколько виртуальных каналов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Экономия средств — объединение голоса и данных в одной сети снижает затраты на аренду каналов связи и оборудование.
• Эффективное использование полосы пропускания — сжатие голоса позволяет передавать несколько разговоров по одному каналу, который ранее использовался для одного.
• Интеграция с существующей инфраструктурой — VoFR может быть внедрён в уже работающие сети Frame Relay без значительных изменений.
• Гарантированное качество обслуживания — за счёт выделения CIR и приоритезации трафика.

Недостатки

• Зависимость от качества канала — Frame Relay не гарантирует доставку кадров, поэтому при перегрузках сети возможны потери пакетов и ухудшение качества речи.
• Задержки — из-за буферизации и обработки кадров возникают задержки, которые могут быть заметны при разговоре.
• Ограниченная масштабируемость — с ростом числа голосовых потоков требуется тщательное планирование пропускной способности.
• Устаревание технологии — с развитием VoIP и IP-телефонии VoFR потерял актуальность.

Применение

VoFR в основном использовался в корпоративных сетях для организации междугородной и международной телефонной связи между филиалами компании. Это позволяло существенно снизить расходы на телефонные переговоры, особенно при большом объёме трафика. Также VoFR применялся для подключения удалённых офисов к центральной телефонной станции (PBX), обеспечивая единую нумерацию и внутреннюю связь.

В некоторых случаях VoFR использовался для передачи факсимильных сообщений, что требовало дополнительной обработки из-за особенностей факсимильного протокола.

Сравнение с другими технологиями

VoIP, в отличие от VoFR, использует более гибкую и дешёвую инфраструктуру IP-сетей, что сделало его доминирующей технологией передачи голоса. VoATM (Voice over ATM) обеспечивал более высокое качество, но требовал дорогого оборудования и сложной настройки.

Современное состояние

В настоящее время VoFR считается устаревшей технологией. Большинство корпоративных сетей перешли на VoIP, использующий протоколы SIP (Session Initiation Protocol) или H.323. Оборудование для VoFR больше не производится, а поддержка существующих сетей постепенно прекращается. Тем не менее, в некоторых legacy-системах, где замена инфраструктуры нецелесообразна, VoFR может продолжать использоваться.

Источники

• Спецификация FRF.11 Форума Frame Relay (1997).
• «Voice over Frame Relay: A Technical Overview» — Cisco Systems, 1998.
• «Frame Relay: Principles and Applications» — William Stallings, 1999.
• «Voice over IP: A Practical Guide» — Jonathan Davidson, 2000.
• Материалы конференций IEEE по телекоммуникациям, 1996–2002.