IP telefonie se během posledních pěti let vyvinula z prvních prototypů v technologii, která překonává v mnoha ohledech klasický přenos hlasu a má funkce, které běžná telefonní ústředna ani nedokáže nabídnout. Cílem tohoto textu je popis základních technických parametrů paketového přenosu hlasu a shrnutí důvodů, proč IP telefonie nabízí lepší funkčnost a spolehlivost než klasický přenos hlasu. Nejdříve se podíváme obecně na principy této technologie a potom na podmínky, které je nutno pro ni na datové síti připravit. Ve druhé části se pokusím popsat její implementaci v podání firmy Cisco Systems. Na příkladech si ukážeme typická nasazení v praxi a jejich funkční i finanční přínosy.

Základy IP telefonie
TCP/IP není jediným transportním protokolem, který lze využít pro multimediální přenosy. Podobnou službu poskytne Frame Relay nebo ATM. Na rozdíl od TCP/IP ale pracují na druhé (linkové vrstvě) OSI modelu, takže přenos multimédií vyžaduje jednotnou síť založenou pouze na Frame Relay nebo ATM. Běžné datové sítě jsou ale heterogenní, založené na různých linkových technologiích tak, aby byl optimalizován jejich výkon a pořizovací a provozní náklady. Proto se např. nikdy nerozšířily technologie přímého připojení stanic na ATM a používají se levnější technologie Ethernet. IP pracuje na třetí (síťové vrstvě), je proto nezávislý na linkovém protokolu a nabízí pro multimédia větší pružnost. Největší překážkou pro jeho multimediální využití byla kvalita služeb IP sítí, obecně podpora přenosů v reálném čase.

Standardiaze přenosu hlasu přes IP dospěla v současné době do stavu, kdy je k dispozici transportní protokol (RTP), řada kompresních algoritmů (např. G.729, G.723) a několik signalizačních protokolů (H.323, SIP, MGCP). SIPu je přisuzována asi největší budoucnost, protože má řadu vlastností, které H.323 chybí. Cílem H.323 je podobně jako v telefonním světě navázání spojení mezi dvěma telefonními čísly bez ohledu na to, kdo u daných stanic zrovna je. SIP se snaží o navázání komunikace mezi dvěma účastníky bez ohledu na to, u kterého telefonního terminálu zrovna jsou. U H.323 je tedy hlavním identifikátorem číslo, u SIP ekvivalent e-mailové adresy (ve které ale může být číslo zakomponováno). MGCP (nebo nově vyvíjený Megaco) se od obou předchozích liší v tom, že je ideální pro centrální řízení hjednoduchých koncových přístojů, kdy řídící servery mezi sebou dále komunikují prostřednictvím H.323 nebo SIP. Pro doplňování řídících serverů o nové funkce šité na míru zákazníka jsou nutná otevřená aplikační rozhraní jako je JTAPI nebo TAPI.

Aby byl tedy obrázek IP telefonie úplný je třeba na něm vidět jednak samotnou síťovou inrastrukturu s podporou kvality služeb, telefonní terminály a řídící servery s maximální podporou otevřených standardů a rozšiřující aplikace, které jsou díky integraci datové a hlasové sítě schopny přinést větší funkčnost při vynaložení menšího úsilí a investičních nebo provozních nákladů.

Požadavky na síť - kvalita služeb
Tradiční telefonní sítě využívají pro sdílení pásma časového multiplexu (TDM - time division multiplex) - každému přenosu je tak přidělena pevná šířka pásma a záleží na aplikaci, jak ji dokáže využít. Pásmo je garantováno pouze pro daný přenos, více lze získat pouze novou alokací pásma (tj. vytvořením dalšího přenosového kanálu). Pokud ale aplikace pásmo nevyužije, nemůže ho dočasně "půjčit" jiné aplikaci. Tento způsob práce s pásmem se hodí pro aplikace s konstantními nároky na pásmo a garanci zpoždění přenosu. Takovou aplikací je částečně hlas - požaduje nulové nebo alespoň maximální garantované zpoždění (pro běžnou telefonii se doporučuje maximálně 150 ms) a lze u něj určit maximální požadovanou šířku pásma, která je dána způsobem jeho digitalizace (např. běžně používaná PCM má vzorkování na 8 bitů frekvencí 8 kHz, takže celkové pásmo pro jeden hovor je 64 kb/s). Naproti tomu datové aplikace mají velice proměnlivé nároky na pásmo - např. www prohlížeč se po kliknutí na odkaz snaží co nejrychleji natáhnout stránku a pak nevyvíjí žádnou aktivitu, dokud si uživatel stránku nepřečte a neklikne na další odkaz. Datům proto lépe vyhovuje pružné sdílení pásma, jaké nabízí paketový přenos. Ten pracuje na principu statistického multiplexu - přenosovou jednotkou je paket s proměnnou nebo pevnou délkou a pakety jednotlivých přenosů jsou za sebou posílány přes společnou linku. Efektivnější je využití proměnné délky paketů, protože u paketů s pevnou délkou (jaké využívá ATM) se plýtvá pásmem na doplňování na odpovídající délku v případě, že je přenášený datový blok menší (běžně se tak ztrácí až 30% pásma). U paketů s pevnou délkou lze ale lépe garantovat zpoždění, protože nehrozí, že delší paket zpozdí průchod krátého paketu s vysokou prioritou. Zajištění kvality služby proto spočívá v dosažení kompromisu mezi efektivitou přenosu (tj. pružné využití pásma s minimální plýtváním na doplňující informace) a garancí požadovaných parametrů (minimální šířka pásma, minimální a maximální zpoždění, ztráty paketů).

Datové sítě byly původně navrženy pro tzv. "best effort" službu - mají nejlepší snahu přenést data nejkratší cestou od zdroje k cíli v nejkratší době a využít pro přenos maximum dostupného pásma. Protože ale nelze předvídat nároky ostatních aplikací, může docházet dlouhodobě i krátkodobě k přetížení sdílených linek. Na síťových prvcích typu směrovač je k dispozici klasifikace paketů a jejich prioritizace ve výstupních frontách. V případě TCP/IP lze pakety rozlišovat podle protokolu, zdrojové a cílové adresy, zdrojového a cílového portu a DSCP (dříve IP precedence). Lze tak dosáhnout velice podrobného rozlišení. Pro zpracování výstupních front byly vyvinuty technologie jako CBWFQ (Class-based Weighted Fair Queuing) nebo LLQ (Low Latency Queuing), které dávají možnost garantovat dané třídě provozu minimální pásmo nebo zpoždění při průchodu směrovačem. Pro snížení proměnného zpoždění vlivem různé délky paketů je k dispozici fragmentace a zpětné složení paketů na úrovni linkové vrstvy - na Frame Relay podle specifikace FRF.12, na sériových linkách MLPPP (Multilink PPP). Obě přinášejí podobný efekt jako ATM, protože zkracují maximální délku přenosové jednotky (rámce), takže dlouhé pakety nebrzdí krátké s vyšší prioritou (jsou rozděleny na menší díly a pakety s vyšší prioritou jsou prokládány mezi ně), ale na rozdíl od ATM mají minimální režii, protože rámce mohou mít proměnnou délku, takže odpadá doplňování na konstantní délku.

Pro LAN přepínače byly vyvinuty technologie pro označování a prioritizaci rámců, 802.1p. Celkově lze tedy dnes zajistit i na heterogenních sítích s kombinací různých rychlostí i linkových protokolů jak minimální šířku pásma, tak maximální zpoždění. Stále je přitom zachována větší efektivita a výkon paketových sítí. Moderní síťové prvky tedy poskytují podstatný základ pro realizaci multimediálních sítí.

Rozšiřující aplikace
Klasické nebo IP telefonní systémy se starají především o správu očíslovacího plánu, ovládání a konfigurace klientských terminálů a další funkce, které souvisí se základním provozem, tj. navázáním a ukončením hovoru, případně jeho přesměrováním nebo obsluhou konference. Pro ostatní funkce nabízejí více či méně otevřená rozhraní, přes která lze doplnit např. hlasovou poštu nebo ovládání telefonního terminálu z počítače. Na klasických ústřednách jsou tyto funkce realizovány pomocí rozšiřujících serverů, které jsou připojeny telefonním rozhraním. V případě IP telefonie je situace jednodušší, protože serveru stačí jeho běžné síťové rozhraní a dostupnost jeho služby je dána rozlohou celé sítě ne jen přípojkou na jednu ústřednu. Jaké rozšiřující služby lze tedy nabídnout?

• integraci datové a hlasové pošty, tzv. unified messaging. Jedná se o to, že server hlasové pošty funguje jako brána mezi telefonním systémem a datovou poštou. Uživatel tak má jednu schránku, do které dostává textové i hlasové zprávy. K nim má přístup jak z počítače, tak přes telefon. Tyto systémy běžně zvládají i hlasovou syntézu, takže mu jsou schopny do telefonu přečíst i jeho textové zprávy (např. když nemá přístup k počítači). Naopak na multimediálních počítačích lze přehrát hlasové zprávy. V případě, že uživatel multimediální počítač nemá, lze použít jako přehrávací zařízení telefon a současně mít komfort ovládání e-mailové aplikace.

• současnou komunikaci přes více médií. Sdílení aplikací nebo webových stránek a současnou hlasovou komunikaci. Lze tak realizovat např. interaktivní výuku nebo spolupráci na projektech na dálku.

• interaktivní hlasové systémy (tzv. IVR - Interactive Voice Reponse). Systémy, které zajišťují generování automatických odpovědí volajícímu. Obvykle se používají v kontaktních centrech pro identifikaci volajícího a předběžné zjištění problému, který chce řešit. S rozvojem hlasové analýzy a syntézy a standarů jako je Voice XML (VXML) se lze ale dostat od tradičních předem nahraných zpráv s relativně malým rozsahem k plně interaktivním systémům ovládaných nejen z klávesnice telefonu, ale i lidským hlasem.

IP telefonie firmy Cisco Systems
Cisco se především pokusilo specifikovat celkový obrázek, kam patří nejen IP telefonie, ale i ostatní multimediální přenosy, jako jsou videokonference nebo distribuce videsignálu. Dále pak infrastruktura i rozšiřující aplikace. Celkově je koncept nazýván AVVID (Architecture for Voice Video and Integrated Data). Cisco se snaží ho svými řešeními (ať už se jedná o produkty nebo celkový návrh jejich konfigurace) vyplnit jako celek a jako důkaz otevřenosti a rozšiřitelnosti pracuje i na vytvoření ekosystému partnerů, kteří nabízejí různé hardwarové a hlavně softwarové doplňky nebo spolupráci na celkovém řešení.

Infrastuktura
Široká škála LAN přepínačů podporuje kvalitu služby podle IEEE 802.1p, k dispozici jsou i praktická rozšíření jako je in-line napájení telefonních terminálů pře Ethernet přípojku nebo automatická konfigurace VLAN na přípojce telefonního terminálu, takže je možné z důvodu bezpečnosti umístit telefonní i datovou síť nad společnou infrastrukturou do dvou virtuálních sítí s regulovanou vzájemnou komunikací. Podpora kvality služby ve směrovačích je především softwarovou záležitostí. Cisco IOS dnes nabízí úplnou škálu nástrojů pro klasifikaci a prioritizaci, fragmentaci na úrovni linkového protokolu (FRF.12 nebo MLPPP) a optimální práci s různými typy linkových protokolů.

Signalizační server
Základem Cisco IP telefonie je CallManager, aplikace běžící na PC serveru s Windows 2000. Jeden server dokáže obsloužit až 2500 IP telefonů, které můžou být umístěny v libovolném místě sítě. Celá síť je tak jednou virtuální telefonní ústřednou. CallManager funguje pouze jako signalizační server, samotný hovor je po síti spojen vždy nejkratší cestou přímo mezi koncovými systémy (dvěma telefony nebo telefonem a hlasovou branou). Lze tak centrálně řídit i mnoho malých lokalit propojených WAN sítí s malou kapacitou. Servery lze sdružit do clusteru, který pak slouží pro rozložení záteže a zálohování výpadku (telefony se automaticky přeregistrují na záložní server). Jeden cluster dokáže obsloužit až 10000 IP telefonů. CallManger je ovládán přes WWW rozhraní a stará se především o následující funkce:

• konfigurace a správa IP telefonů - IP telefony jsou jednoduchá bezúdržbová zařízení, která veškeré konfigurační parametry získávají z CallManageru. Telefon lze z CallManageru ovládat až na úroveň výměny firmware nebo resetu přístroje.

• správa očíslovacího plánu - pro tzv. least-cost routing je nutné mít systém pravidel, podle kterých je automaticky vybrána nejvhodnější brána do veřejné telefonní sítě případně odpovídající operátor. Kromě správy směrovacích pravidel jsou k dispozici i pravidla překladová, která umožňují manipulaci s číslem volajícího i volaného.

• správa uživatelů - CallManager lze integrovat s LDAP adresářovými službami, takže není nutné vést dvě databáze uživatelů (jednu na telefonní ústředně a druhou na datové síti). Správa uživatelů pak spočívá především v definici oprávnění pro daný přístroj nebo přístroje a přidělení profilu pro extension mobility (login k telefonnímu terminálu).

• účtování hovorů - konfigurační parametry i účtování je vedeno v SQL databázi, takže ho lze propojit s externími účtovacími systémy.

Integrace se stávající telefonní sítí a připojení na veřejnou telefonní síť
Pro nasazení IP telefonie je důležitá postupná migrace ze stávajícího telefonního systému, protože málokdy se nasazuje v novém prostředí bez telefonní ústředny. Podobným problémem je připojení na veřejnou telefonní síť. Pro obě funkce slouží hlasové brány, které jsou k dispozici buď ve formě samostatných zařízení nebo modulů do směrovačů. Stávající síťové prvky Cisco tak lze použít i pro hlasové služby. V síti s centrálním CallManagerem lze umístit více bran po různých lokalitách a každou využít pro volání do příslušné oblasti pro všechny telefonní účastníky v síti. Rozhraní jsou jak analogová (brány lze použít i např. pro připojení faxů), tak digitální(BRI i PRI). Podporovány jsou běžné signalizační protokoly (EuroISDN, R2 CAS, Q.sig).

IP telefony
Jedná se vlastně o jednoúčelové počítače se vzhledem telefonu. Součásti je integrovaný Ethernet přepínač, takže lze telefon zapojt do stávající sítě mezi počítač a LAN přepínač. Podporuje VLAN podle 802.1q, takže počítačová a telefonní síť mohou být od sebe z bezpečnostních důvodů částečně odděleny. Uživatel tak má jedinou přípojku a není nutné zvyšovat kapacitu LAN. Telefon lze přes Ethernet napájet centrálně např. ze záložního zdroje. Telefony s grafickým displayem mají v sobě XML prohlížeč. Ten lze využít pro zobrazování krátkých dokumentů nebo jednoduché grafiky, hlavně ale pro doplňující funkce, které tradiční telefony nenabízejí. Jedná se např. o:

• extension mobility - možnost přihlášení se k přístroji a získání odpovídající linky, oprávnění k volání a dalších parametrů. Linka tak může cestovat po síti s uživatelem do jakékoli lokality bez nutnosti centrální změny parametrů přístroje.

• telefonní seznam - nejen interní seznam firmy, ale i externí seznamy, které jsou k dispozici na Internetu. V ČR tak mohou mít uživatelé k dispozici kompletní telefonní seznam osob a organizací, který nabízí Český Telecom prostřednictvím stránek IOL.

• integrace s intranet aplikacemi - pokud jsou založeny na www službách, IP telefon je pouze speciálním typem www prohlížeče.

Rozšiřující aplikace
Aplikační doplňky jsou součástí, která dává Cisco IP telefonii řadu unikátních funkcí. Jedná se o:

• Unity - unified messaging systém integrovatelný s MS Exchange nebo Lotus Notes.

• CRA (Customer Response Applications) - IVR systém podporující kromě hlasové komunikace i XML, WWW a e-mail. Kromě IVR služeb se tak hodí i do situací, kdy je nutné prezentovat informace s centrální aplikace různými kanály ale pokud možno jednotným způsobem.

• Personal Assistant - systém umožňující uživatelům definovat si vlastní pravidla pro zpracování příchozích hovorů. Rozhodujícími kritérii jsou čas, identifikace volajícího a aktuální stav kalendáře volaného (v MS Outlooku). Výsledkem pak může být přesměrování na jiné číslo nebo do hlasové schránky.

• Conference Connection - systém umožňující přes WWW rozhraní plánovat konferenční hovory. Uživatel pak volá kvůli konferenci vždy pouze na jedno číslo, navíc potřebuje její identifikátor. K dispozici je integrace s XML rozhraním na telefonu, takže se uživatel např. může podívat, kdy má které konference plánovány a stisknutím jednoho tlačítka se do vybrané přihlásit.

• IPCC - sada aplikací pro vytváření kontaktních center.

Architektura a redundancee
Zastánci tradiční telefonie vyčítají často IP telefonii nižší robustnost a spolehlivost, podíváme se proto blíže, jak ji lze zajistit na úrovni odpovídající nebo i překonávající tradiční telefonní ústředny. Síťové prvky jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz, stejně je na tom kvalitní PC hardware. Spolehlivost proto spočívá především v architektuře řešení. CallManager lze zapojit do clusteru až o pěti serverech, které jsou schopny se vzájemně zálohovat. V případě výpadku kteréhokoli z nich přecházejí telefony, které obluhoval automaticky na další server v clusteru, existující hovory nejsou přerušeny, protože jsou vedeny přímo mezi IP telefony. Odpovídá to konfiguraci ústředny s pěti procesorovými moduly. Samotnou síť lze vybudovat se zdvojenými (nebo zvícenásobenými) prvky, což se vyplatí zejména u LAN. Technologie dnešních sítí zajišťují přechod na záložní infrastrukturu v jednotkách sekund, takže se to na existujících hovorech projeví jen málo znatelným výpadkem. Podobně jsou na tom WAN sítě, ačkoli tam se obvykle nevyplatí budovat záložní infrastrukturu. Rozhodně je ale ekonomičtější vybudovat jednu zálohovanou síť sdílenou pro data i telefony než stavět dvě oddělené sítě. CallManager je pro telefony signalizačním serverem, ztráta spojení s ním proto znamená, že nelze navázat nový hovor. Pro řešení s centrálním CallManagerem je proto jako doplněk do IOSu směrovačů vlastnost SRST (Survivable Remote Site Telephony). V případě výpadku WAN přebírá směrovač funkci CallManageru a jestliže funguje i jako hlasová brána, uživatelé mohou telefonovat bez toho, že by si všimli, že došlo k výpadku.

Závěr
IP telefonie je dnes prověřenou technologií, která nabízí srovnatelnou a často i lepší funkčnost a spolehlivost než tradiční telefonní systémy. Cisco AVVID nabízí otevřenou architekturu, která řeší problematiku přenosu hlasu od infrastruktury po aplikace a díky otevřeným rozhraním a protokolům dává možnost integrace s aplikacemi dalších výrobců nebo úpravy funkcí podle potřeb zákazníků.