Принципы передачи голоса через интернет

Как работает IP-телефония — этот вопрос возникает у каждого, кто впервые слышит о возможности звонить через интернет вместо обычной телефонной линии. Ответ кроется в принципиально ином способе передачи информации. Традиционная телефонная сеть создает непрерывный электрический путь между двумя абонентами на всё время разговора. Этот путь называется каналом, и он зарезервирован только для одного разговора, даже когда люди молчат. IP-телефония работает иначе: она не держит линию постоянно, а разбивает звук на маленькие фрагменты, упаковывает их в конверты и отправляет по сети вместе с миллионами других конвертов.

Превращение голоса в пакеты
Первый шаг — это оцифровка звука. Микрофон преобразует звуковые волны в непрерывный электрический сигнал. Специальное устройство или программа измеряет уровень этого сигнала тысячи раз в секунду и записывает полученные числа. Получается цифровой поток, который точно описывает оригинальный звук. Но передавать этот поток в чистом виде неэффективно, потому что он занимает слишком много места. Поэтому следующий шаг — сжатие. Специальный алгоритм, который называется кодеком, удаляет из звука те детали, которые человеческое ухо все равно не различает. Например, очень тихие звуки на фоне громких или слишком высокие частоты. После сжатия размер цифрового потока уменьшается в несколько раз.

Упаковка и маршрутизация
Сжатый цифровой поток нарезается на небольшие кусочки длительностью обычно от 10 до 50 миллисекунд. Каждый такой кусочек помещается в отдельный пакет. К пакету добавляется служебная информация: адрес отправителя, адрес получателя, порядковый номер и временная метка. Порядковый номер нужен, чтобы на принимающей стороне собрать пакеты в правильной последовательности. Временная метка показывает, в какой момент был записан этот фрагмент звука. После этого пакет отправляется в сеть. Дальше он путешествует самостоятельно, переходя от одного сетевого устройства к другому. Разные пакеты одного разговора могут идти разными маршрутами, потому что сеть постоянно ищет самый быстрый путь для каждого пакета в отдельности.

Сборка и воспроизведение
На принимающей стороне происходит обратный процесс. Устройство получает пакеты, проверяет их порядковые номера и временные метки. Если какой-то пакет потерялся или задержался, система пытается восстановить звук по соседним пакетам или просто пропускает этот крошечный фрагмент. Человеческий мозг обычно не замечает потери нескольких миллисекунд звука. Затем пакеты распаковываются, и цифровой поток преобразуется обратно в аналоговый сигнал, который подается на динамик или трубку. Весь этот процесс от момента, когда вы сказали слово, до момента, когда собеседник его услышал, занимает десятки или сотни миллисекунд.

Установление соединения
Но как одно устройство узнает адрес другого? Для этого существует сигнальный протокол. Когда вы набираете номер, ваше устройство отправляет запрос специальному серверу. Сервер ищет в своей базе, за каким сетевым адресом закреплен набранный номер. Найдя адрес, сервер посылает сигнал устройству собеседника: вам звонок. Если устройство отвечает, начинается прямой обмен голосовыми пакетами или снова через сервер. Сервер также следит за занятостью абонента, переадресацией и другими функциями. Этот механизм позволяет звонить с компьютера на компьютер, с компьютера на обычный телефон и даже между обычными телефонами, если на пути стоит специальный шлюз, преобразующий пакеты в обычный телефонный сигнал.