Telekommunikationssysteme

Transkript

1 WS 1999 / 2000 Prof. Dr. Claudia Linnhoff-Popien M Institut für Informatik Ludwig-Maximilians-Universität, München N TE AM M Prof. Dr. Otto Spaniol Lehrstuhl für Informatik 4 RWTH Aachen Unter Mitarbeit von: (in München) Markus Garschhammer Rainer Hauck Bernhard Kempter Annette Kostelezky Unter Mitarbeit von: (in Aachen) Frank Imhoff Axel Küpper Jens Meggers Michael Wallbaum

2 Netzkonvergenz (Network convergence) Sprach-Daten-Integration über IP-basierte Netze

3 Herkömmliche Kommunikation Separate Netze für verschiedene Dienste Standort in Aachen Standort in München Jeder Standort verfügt über eigene Telefonanlagen (Private Branch Exchange, PBX) Telefonanlagen sind über Festverbindungen gekoppelt (Leitungsvermittlung, Sprachkommunikation, Fax LANs der verschiedenen Standorte sind gekoppelt (Paketvermittlung) Ggf. bestehen noch spezielle Verbindungen z.b. für Multimedia-Anwendungen (Videokonferenz etc.) PBX PBX PBX Niederlassung in Singapur Probleme: schlechte Auslastung teurer Leitungen keine Kapazitätsreserven (zu hohe Kosten) fehlende Ausfallsicherheit

4 Konvergente Netze Integration verschiedener Dienste und Kommunikationswege über ein Netz Nutzung des z.zt. vielfach kostenlosen und auf Dauer kostengünstigeren Internets zur Übertragung über weite Strecken weltweite Verfügbarkeit ständiger Ausbau IP Netzwerke hohe Ausfallsicherheit durch Paketvermittlung bereits hoher Nutzungsgrad durch Datenkommunikation LAN Aber: Paketvermittlung ohne QoS-Garantie ist für echtzeitrelevante Daten (Sprache, Video etc.) sehr kritisch! Sicherheitsaspekte bleiben nahezu unberücksichtigt

5 Realtime-Übertragung Existierende Internet-Protokolle (TCP, XTP etc.) sind ohne Echtzeit-Garantien Videokonferenzen machen Echtzeit-Garantien und geringe Laufzeitunterschiede erforderlich TCP bietet nur bei genügend großem Datendurchsatz nahezu Echtzeit-Datentransfer Sichere Transportprotokolle sind für Echtzeitübertragungen nicht geeignet: Empfänger muss bei verlorenem Paket entweder auf den Empfang einer Übertragungswiederholung warten oder das Paket verwerfen Standard-TCP-Applikationen zwingen den Empfänger, auf das Paket zu warten Þ Verzögerung bei jedem Paketverlust Der Congestion Control Mechanismus von TCP würde bei Feststellen von Paketverlusten die Übertragung verlangsamen, um weitere Verluste zu vermeiden keine Multicastunterstützung durch TCP IP-Netz

6 Voice Over IP - Protokolle OSI-Layer Presentation Session Transport Network Link häufige VoIP-Protokolle G.729 / G.723(.1) / G.711 / H.261 H.323 / H.323-Gateway / SIP / SDP RTP / RSVP / UDP IP / Weighted Fair Queuing / IPv6 Frame Relay / ATM-AAL1 Leistungsfähige Audio- und Videokomprimierungsverfahren Protokolle zum Verbindungsaufund -abbau, Signalisierung etc. Realtime-Protokolle wie Real- Time-Transport Protocol (RTP) oder Ressource Reservation Protocol (RSVP) sowie das nicht-fehlerkorrigierende User Datagram Protocol (UDP) Paketvermittelnde Protokolle, ggf. mit Prioritätenregelung Physical SDP:Session Description Protocol SIP: Session Invitation Protocol Switched Ethernet, FDDI, DWDM Falls verfügbar: LANs mit QoS- Garantien bzw. ohne Fehlerbehandlung

7 Beispiel: Audiokodierung G k Sprachkodierung nach PCM µ-law Verfügbare Bandbreite 8k-10k komprimierte Sprache Verfügbare Bandbreite Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Predictionist(CS-ACELP) ist ein 8kbit/s Sprachkomprimierungsstandard mit der gleichen Qualität, wie der G.724 Standard mit 32 kbit/s produziert alle 10ms einen 10 Byte Rahmen G.729 Rahmen verbrauchen 8-10kbit/s G.729 behandelt die Töne des Mehrfrequenzwahlverfahrens (MFV) praktisch fehlerfrei (wichtig für herkömmliche analoge Telefone) Sprechpausen 56% Notwendige Komponenten 22% Redundanzen 22% Durchschnittswerte für bidirektionale Sprachkommunikation

8 Qualität der Sprachübertragung unbrauchbar perfekt Bandbreite (kbit/s) Qualität ACELP: Algebraic Code Excited Linear Prediction LDCELP: Low Delay Code Excited Linear Prediction LPC: Linear Predictive Coding PCM: Pulse Code Modulation ADPCM: Adaptive Delta/Differential Pulse Code Modulation MPMLQ: Multipulse Maximum Likelihood Quantization

9 Prioritätssteuerung Wahl des Prioritätssteuerungsverfahren abhängig von Netzwerkverkehr und WAN- Medium für Sprachübertragung Kombination aus prioritätsgesteuertem Queuing (PQ) für Datenübertragung Weighted Fair Queuing (WFQ) oder Class-Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ ) Kennzeichnung einer speziellen Verkehrsart (z.b. Sprache) kann Prioritätssteuerung erleichtern Übertragung mit geringer Verzögerung und Jitter Router VoIP (high) 1 1 Data (low) 2 2 PQ V V WAN Data (low) WFQ Data (medium)

10 Real-time Transport Protocol Voice Prioritization Method komprimiertes RTP für sehr schmalbandige Verbindungen komprimiert einen 40 Byte großen IP + RTP-Header auf ca. 2bis4Bytes weitere Verbesserung durch Anwendung von Voice Activity Detection (VAD) - Eliminierung von Sprechpausen Fragmentierung High Priority by Precedence Weighted Fair Queuing (WFQ) für vergleichsweise langsame Verbindungen (< 768 kbit/s) müssen Verfahren zur Fragmentierung und Schachtelung verwendet werden (Verzögerung, Jitter) Interleaving

11 Traffic-Shaping-Verfahren für Frame Relay und ATM Traffic Shaping (Regulierung der Übertragungsrate) ist bei für Mehrfachzugriff ausgelegten Non-Broadcast-Medien wie ATM und Frame-Relay erforderlich, falls physische Datenraten zwischen zwei Endpunkten verschieden sind ermöglicht Handhabung der unterschiedlichen Zugriffszeiten reduziert Laufzeitschwankungen und Jitter 256 kbps 128 kbps 512 kbps 768 kbps Frame Relay oder ATM-Netz T1 Central Site

12 Verzögerungen bei Telekommunikationsdiensten Derzeit keine sinnvolle Verwendung von Internet-Telephonie auf Grund zu großer Endezu-Ende-Verzögerungen Akzeptabel sind kaum mehr als 200ms, ansonsten: erheblicher Qualitätsverlust bei Sprechverbindungen Echokompensation erforderlich 1 = ^ für alle Dienste geeignet derzeitige Verwendungsfähigkeit Notwendig geringere Ende-zu-Ende-Verzögerung Jitter-Reduktion verbesserter QoS im Netz Bandbreite Ziel Satellit CB-Funk Fax-Versand heutige Internet-Telefonie Ende-zu-Ende-Laufzeiten (ms) Zwischenzeitlich ist Internet-Telephonie nur in Intranets (hohe Bandbreite, QoS- Garantien, spezielle Router, Switches etc.) oder z.b. für Faxdienste sinnvoll einsetzbar!!

13 ITU-T Standards International Telecommunication Union ITU-T H.323 Standard zur Übertragung von Multimedia- und Videokonferenzen über paketvermittelnde Netze, über LANs und firmeneigene Intranets, über das Internet. Basis für Internet- Telephonie (Voice over IP, VoIP) AUDIOVISUAL AND MULTIMEDIA SYSTEMS Characteristics of transmission channels used for other than telephone purposes Use of telephone-type circuits for voice-frequency telegraphy Telephone circuits or cables used for various types of telegraph transmission or simultaneous transmission Telephone-type circuits used for facsimile telegraphy Characteristics of data signals CHARACTERISTICS OF VISUAL TELEPHONE SYSTEMS INFRASTRUCTURE OF AUDIOVISUAL SERVICES General Transmission multiplexing and synchronization Systems aspects Communication procedures Coding of moving video Related systems aspects Systems and terminal equipment for audiovisual services ITU-T H.323 Standard: Umbrella-Standard von 1995 (seit 1998: Version 2) H.10 H.19 H.20 H.29 H.30 H.39 enthält weitere Standards zur Komprimierung (H.261, H.263), Signalisierung und zu einzelnen Komponenten H.40 H.49 H.50 H.99 H.100 H.199 H.200 H.219 H.220 H.229 H.230 H.239 H.240 H.259 H.260 H.279 H.280 H.299 H.300 H.399

14 H.323 Videokameras, Dokumentenkamera etc. Video I/O Ausrüstung Video Codex H.261/63 H.323 Receive Sprache, Tondokumente Shared Whiteboards, Application Sharing, Fernsteuerung Audio I/O Ausrüstung Nutzdaten T.120 Audio Codex G.711/22/23/ 28/29 System Control H.245 Control Call Control RAS Control Path Delay H Schicht System Kontrollschnittstelle LAN- Schnittstelle zum Austausch von Signalisierungsinformationen Verbindungskontrolle, Verbindungsauf- und abbau, Austausch von Steuerungsinformationen Einrichtung z.b. zum Ausgleich von Laufzeitunterschieden, Jitter etc. Paketierung und Depaketierung

15 Anwendungen und Beispiele Sprach- und Videokommunikation Internet-Kommunikation von PC zu PC Vom PC zu analogen Endgeräten Point-to-Multipoint-Konferenzen Nutzung des Internets als Backbone für Telefonnetze IP Netzwerk H.323 Terminals Problem: Unterschiedliche Signalisierung Wie können Übergänge aus dem leitungsvermittelten Telefonnetz geschaffen werden?

16 H.323 Komponenten H.323 definiert: Terminals Gateways Gatekeeper Multipoint Control Units (MCU) Endgeräte im LAN; müssen Real-time Transport Protocol (RTP), Realtime Transport Control Protocol (RTCP), H.261 usw. unterstützen für den Zugang zum normalen Telefonnetz, ISDN etc. Adressumsetzung, Bandbreitenkontrolle und Zugangskontrolle zwischen verschiedenen Netzen Notwendig bei Konferenzen mit mehr als zwei Teilnehmern; eingehende Audio- und Video- und Datenpakete werden zusammengemischt und allen Teilnehmern zugestellt H.323 Terminals H.323 Gateway Gatekeeper IP Netzwerk H.323 Gateway Gatekeeper

17 H.323 Architektur H.323 H.323 Terminal IP Netzwerk H.323 MCU H.323 Gatekeeper H.323 Gateway H.323 Terminal H.323 Terminal LAN mit QoS-Garantien ISDN B-ISDN V.70 Terminal H.324 Terminal Speech Terminal H.322 Terminal Speech Terminal H.320 Terminal H.321 Terminal H.321 Terminal analoge Audio- / Videoübertragung Übertragung von Audio- und VideodateninNetzenmitQoS-Garantien Terminal zur Übertragung von schmalbandigen Audio- und Videodaten digitale Videotelefonie

18 H.323 Terminals Zwei mögliche Qualitätsstufen: 1) für Corporate Networks (Intranets, auf LANs beschränkt, hohe Bandbreite) H.323 Terminal - Audiokodierung nach G Videokodierung nach H.261 Wallbaumsches Raxlet-Audiotool 2) Für die Nutzung des Internets (niedrigere Bandbreite 28.8/33.6 kbit/s) - Audiokodierung nach G.723 (gute Sprachqualität bei 1/10 der Datenrate von G.711) - Videokodierung nach H.263 (abwärtskompatibel, verbesserte Bildqualität / Komprimierung der Videodaten) Fähigkeit zum Multipoint-Betrieb für Ad Hoc Konferenzen Multicast- bzw. multi-unicast-fähig (erlaubt bis zu 3 Benutzern die Teilnahme an einer Konferenz, ohne zentrales Mischen oder Switching zu nutzen)

19 Mehrpunkt-Betrieb Multipoint Control Unit (MCU) - ermöglicht die Konferenz von drei und mehr Terminals oder Gateways - besteht aus einem Multipoint Controller (MC) und ggf. zusätzlich aus einem Multipoint Processor (MP) Multipoint Controller - kontrolliert und passt die verschiedenen Konferenzteilnehmer einander an - jedoch keine Ad-hoc-Teilnehmer Multipoint Processor - ist für das Mischen und Switchen von Audioströmen zuständig Unicast: Sendet Daten zu einem Terminal Multicast: Sendet zu allen Empfängern Hybrid: sowohl Uni- als auch Multicast

20 H.323 Gateway Ermöglicht weltweite Interoperabilität zwischen LANs, H.320- und H.324-Terminals sowie herkömmlichen POTS-Telefonen Ermöglichen ein Mapping der Anruf-Sinalisierung von Q.931 (herkömmliche ) zu H (Teil des H.323-Standards) Anpassung an die von anderen Terminals verwendete Signalisierung (z.b. von H.242/H.243 in ISDN-Netzen zu H.245) Anpassung der zugrundeliegenden physikalischen Netze (FEC, Kanal-Multiplex, Datenrate etc.) jedoch keine Rufnummernübersetzung, keine Funktionen zum Verbindungsauf- und abbau bei daher: Einführung einer weiteren Komponente Gatekeeper H.323 Terminals H.323 Gateway IP Netzwerk

21 H.323 Gatekeeper Address Translation - Umwandlung zwischen H.323 Alias und IP-Adressen (basierend auf Terminal registration ) - -ähnliche Namen für Teilnehmer außerhalb des IP-Netzes und - Telefonnummern für Teilnehmer innerhalb des IP-Netzes möglich. Zugangskontrolle - Erlauben bzw. Sperren von Anrufen - Limitierung der Bandbreite für eine Konferenz - Methoden zur Fluss- und Verkehrskontrolle Management des Gateways H.323 Terminals - Anpassung an gewünschte Kodierung (H.320, H.324, etc.) H.323 Gateway Gatekeeper IP Netzwerk

22 PictureTel PictureTel Beispiel: Verbindungsaufbau (I) Szenario: Punkt-zu-Punkt-Anruf zwischen IP- und -Teilnehmer Einladung eines dritten Terminals (Ad-hoc-Multipoint) 1) Angerufen wird: Gatekeeper 2a) Auflösung der Adresse in eine IP-Adresse mittels H.323-Registration oder externem Name Service (z.b. DNS, ULS etc..) 2b) Admission Policy akzeptiert 3) Anruf-Signalisierung zum Teilnehmer A:

23 PictureTel PictureTel Verbindungsaufbau (II) Gatekeeper 6) Anweisung zum Verbindungsaufbau über Gateway ) Anruf ist entgegengenommen Gateway Audiodaten 7) Verbindungsaufbau 4) Teilnehmer hebt Hörer ab Teilnehmer A:

24 PictureTel PictureTel Verbindungsaufbau (III) Punkt-zu-Punkt-Anruf zwischen IP- und -Teilnehmer Einladung eines dritten Terminals (Ad-hoc-Multipoint) 4) Erlaubnis? 5) Ja! PictureTel 1) Anruf des Teilnehmers Gatekeeper 2) Auflösung der IP-Adresse von 3) Einladen Teilnehmer C: 6) Einladung akzeptieren Gateway Teilnehmer A: Teilnehmer B:

25 PictureTel PictureTel Verbindungsaufbau (IV) Punkt-zu-Punkt-Anruf zwischen IP- und -Teilnehmer Einladung eines dritten Terminals (Ad-hoc-Multipoint) 7a) Initierung einer Ad-hoc- Multipoint-Konferenz 7b) Übergabe der Kontrolle an Multipoint Control Unit Video- und Audiodaten 8) A und C sind multicastfähig, daher direkte Datenverbindung Audiodaten Multipoint Control Unit PictureTel Teilnehmer C: garschha@nm.infor... Teilnehmer A: imhoff@informatik.rwth-aachen.de Gateway Teilnehmer B:

26 Signalisierungsfunktionen des Gatekeepers Anruf-Management / Reporting / Logging - automatisches Trennen bei belegtem Teilnehmer - Ablehnen von Anrufen bei Überlastung Austausch und Auswertung von Signalisierungsinformation - Anrufe können u.u. unterschiedlich geroutet werden (z.b. je nach Uhrzeit, Auslastung etc.) - verschiedene Dienstmerkmale können ermöglicht werden (Übertragen von Gebührenimpulsen, Anklopfen, Rufnummernanzeige) aber: fehlende Interoperabilität mit bestehenden IN-basierten Netzen! SCP SDP Einrichtungen des IN-Netzes Service Control Point (SCP) Service Data Point (SDP) H.323 Gateway Gatekeeper IP Netzwerk

27 Beispiel eines IN-Dienstes Beispiel: IN-Dienst mit zeitabhängigem Rufnummernmapping Dienstlogik 6. Gebühren SCP 5. Instruktionen zu den Switchen 3. Anfrage nach dem Ziel 7. Gebühren SDP 4. Antwort zur Anfrage nach dem Ziel 9.00 a.m a.m.: 4711 Teilnehmer A, a.m p.m.: 4711 Teilnehmer B, if busy: 4711 Teilnehmer C Datenbank 1. Anrufer wählt TollFree SSP stellt einen TollFree-Service fest, leitet weiter zum SCP SSP Switch SSP Switch Leitungsvermitteltes Tk-Netz Switch Teilnehmer A Teilnehmer B SSP: Service Switching Point SCP: Service Control Point SDP: Service Data Point SS7-Netz Teilnehmer C

28 Interworking mit IN-Netzen Interoperabilität zwischen IP-basierten und IN-basierten Netzen - schrittweises Zusammenwachsen von IP-basierten Telekommunikationsnetzen und INbasierten Netzen erfordert u.a. Zugangspunkte zwischen den Netzen - zentrale Dienststeuerlogik im Netzzugangspunkt sollte von beiden Seiten aus nutzbar sein - spezielle IN-Dienste erfordern die Kooperation zwischen verschiedenen IN-Einrichtungen Entwicklung von SS7-Gateways SCP SDP Kooperation Network Access Point SDP SCP SDP gemeinsame Nutzung Network Access Point SCP SS7 Gateway H.323 Gateway IP-Netzwerk SS7 Gateway H.323 Gateway Gatekeeper Gatekeeper

29 Entwicklung von SS7-Gateways Wichtige Frage: SS7 IP-basiertes IN IN- Einrichtungen ORB GIOP MTP Auf welcher Schicht des SS7-Stacks ist die Übersetzung von Signalisierungsinformationen am zweckmäßigsten? SS7 IP-basiertes IN IN- Einrichtungen ORB GIOP SCCP MTP SS7 IP-basiertes IN IN- Einrichtungen ORB GIOP TCAP SCCP MTP OSI 7 OSI 4 OSI 1-3 schwierig, da MTP verbindungslos arbeitet eingeschränkter Adressraum Länge der Pakete ist auf 272 Oktets beschränkt Verbindungsorientiert, da der SCCP integriert ist Länge der Nutzdatenpakete: 2K Oktets ORB GIOP TCAP SCCP MTP schwierig, da hier eine Übersetzung zwischen ASN.1 und CDR erfolgen muß Object Request Broker General Inter-ORB Protocol Transaction Capabilities Application Part Signaling Connection Control Part Message Transfer Part

30 Aufbau eines integrierten Sprach- Datennetzes Virtual Private Network (VPN) Voice over IP (VoIP) Computer-Telephony-Integration (CTI) Software-based Telephony

31 Struktur eines unternehmensweiten Netzwerks Zukünftiges Szenario: komplette Daten-, Sprach- und Multimediaübertragung wird über IP abgewickelt IP-WAN primäre Verbindung, dient als Sekundärverbindung geringere Kosten, bessere Auslastung vorhandener Ressourcen Call- Manager H.323-fähiger Router Call- Manager IP z.b. Standard- Ethernet- Switch IP IP WAN Call- Manager IP IP Call- Manager IP Steuerungsein heit für IP- Telefonie IP IP IP IP IP H.323-Terminals (IP-Telefone) IP

32 IP-Telefonie am Desktop Call Manager (Soft-PBX): ermöglicht schnelle Implementierung neuer Call- Manager Dienste durch Software geringe Kosten für Hardware durch Verwendung von Standardhardware schnelle Austauschbarkeit, geringer IP IP Wartungsaufwand hohe Skalierbarkeit IP-Telefon Endgeräte: mit Ethernet- H.323-Terminals Anschluß über entsprechende Gateways angeschlossen H.323-Gateway und Router IP WAN Switch (z.b. Ethernet): Standardkomponenten Wartungsfreundlich gut gestaltete Queuing-, Multicast- und Pufferverfahren sowie geeignete Verkehrsklassen sind notwendig

33 Implementierung neuartiger Dienste für Tk-Anlagen Bisher: Einführung neuer, leistungsfähigerer Endgeräte sowie die Nachfrage nach neuartigen Diensten machte i.d.r. den Einsatz neuer Hardware-Module in der Tk-Anlage erforderlich (Beispiel: In Vermittlungsstellen wird jährlich bis zu 50% der Hardware ausgetauscht, um auf dem Stand der Technik zu bleiben) Zukünftig: Einführung neuer Protokolle, Endgeräte etc. macht lediglich eine Änderung der Software erforderlich Komplexe, individuell abgestimmte Dienste können als reine Softwarelösung implementiert werden: - Computer Telephony Integration (CTI) - Datenbankanbindungen, Information Retrieval - Web-based User-Environment Configuration (Benutzer konfigurieren selbst) - Zeiterfassung, Sicherheitskontrollen, ereignisbasierte Steuerung - Unified Massaging (Voic , -to-fax, digitale Sprachbox)

34 Unified Messaging Vereinfachte Implementierung neuer Dienste: Benutzer verwenden: s Voic s Pager Mobiltelefone... Unified Messaging erlaubt die Abfrage, Bearbeitung etc. verschiedener Nachrichtenformate mit diversen Endgeräten Beispiel: Weiterleitung von s an Faxgeräte oder Umwandlung zu Voice- Mails Messages Voice Messages Fax Messages Unified Messaging In and Out Box Integration bestehender Dienste wird durch gemeinsam nutzbare Softwaretechnologie bzw. offene Schnittstellen erleichtert

35 Ethernet-Switching vs. dedizierte Telefonanlagen Weiterer Vorteile: Kostenentwicklung US-Dollar verläuft zugunsten von Switch- Ports (Massenproduktion) 1000 Kleinere Komponenten, daher leichtere Austauschbarkeit und 850 größere Konkurrenz der Anbieter 700 Schneller voranschreitende Technologie 550 keine proprietären Lösungen, die den Anschluss von 400 Konkurrenzprodukten verbieten 250 verbesserte Sprachqualität 100 durch neue Kodierungsverfahren (G Hifi-Qualität) PBX 10/100 Mbit/s Switch Preis pro Port / Nebenstelle

36 Kombinierte Architektur für Daten, Sprache & Video Alte Welt Neue Welt Video PBX Voice Mail Call Center Sprache Daten-Netzwerk Converged IP-Network Daten Büro Videokonferenz Unified Data Sprache Heimarbeiter Separate Inseltechnologien keine vereinheitlichte Sicht des Benutzers Integration von Sprache und Daten Single User Model Ortsunabhängigkeit Þ jeder Dienst an jedem Ort

37 Ausfallsichere Netztopologie Aufbau von redundanten Wegen wird erheblich erleichtert WAN Redundante Netzanbindungen WAN Vermaschung Clustering Call- Manager Call- Manager Call- Manager Call- Manager Call- Manager Call- Manager Call-Manager Cluster Call- Manager Call- Manager Call-Manager Cluster Spiegelung IP IP IP IP IP IP IP IP IP

38 Ausblick: Konvergente Netze Verdienstmöglichkeiten reiner Transportnetzbetreiber (Carrier) sinken weiter WANs, Core- und Backbonenetze werden IP-basiert sein Die Nutzung des Internets wird weitere Einsparungen bei Core-Netzen bringen Jeder Dienst an jedem Ort ist nur mit IP-basierten Netzen bezahlbar LAN IP Networks Mobil- funk- Netz zukünftige Endgeräte und Dienste Multimedia- Applikationen Alle Tk-Endgeräte (Palmtops, Telefone, PCs, Mobilfunkstationen) werden über einen einheitlichen Anschluss ebenso wie alle Dienste weltweit nutzbar sein