Messung der Sprachqualität von VoIP-Verbindungen

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1 Beuth Hochschule für Technik Berlin - Fachbereich Informatik und Medien - Messung der Sprachqualität von VoIP-Verbindungen Abschlussarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science vorgelegt von Sebastian Oelke Betreuer: Gutachter: Prof. Dr. Sebastian von Klinski Heinz Junkes Bearbeitungszeitraum: Bearbeitet bei

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Kommunikation mittels Voice over IP Hintergrund von VoIP Gegenüberstellung: Klassische Telefonie und VoIP Marktentwicklung von VoIP Komponenten in einem VoIP-Netzwerk Anwendungsbereiche der VoIP-Technologie Transport von Sprachdaten in einem IP-Netzwerk Real-time Transport Protocol (RTP) RTP Control Protocol (RTCP) Signalisierung mit VoIP H Session Initiation Protocol (SIP) Sprachqualität von VoIP-Verbindungen Begriffe der Qualität Überblick über Qualitätselemente Relevante Qualitätselemente und -merkmale Ende-zu-Ende-Verzögerungszeit (Delay) Verzögerungszeitschwankungen (Jitter) Paketverluste (Packet Loss) Methoden zur Messung der Sprachqualität von VoIP-Verbindungen Wahrnehmungsmethoden Instrumentelle Methoden Protokollerweiterungen für das Sammeln und Versenden von Qualitätsdaten Erweiterung von RTCP Erweiterung von SIP Anwendungsentwicklung Aufgabenbeschreibung Entwicklungsumgebung Funktionalität der Anwendung I

4 Inhaltsverzeichnis 4.4 Möglichkeiten und Entscheidungen der Umsetzung Programmiersprache Konkrete Umsetzungsmöglichkeiten Vorstellung verwendeter Techniken Internationalisierung Logging Object-Relational Mapping und Persistenz Architekturentscheidungen Test und Simulation Komponententests Simulation von IP-Telefonen Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Anhang 75 Literaturverzeichnis 91 Glossar 93 Akronyme 95 Abbildungsverzeichnis 100 Tabellenverzeichnis 101 Listings 103 II

5 Kapitel 1 Einleitung Die vorliegende Bachelorarbeit wurde im Unternehmen Aastra DeTeWe angefertigt. Aastra DeTeWe ist Anbieter von auf dem Internet Protocol (IP) basierenden Kommunikationslösungen. Auf Grund von standardisierten Protokollen für die Übertragung von Multimediadaten wie Audio und Video gleichen sich auf dem Markt befindliche Produkte verschiedener Unternehmen des Kommunikationssektors. Daher ist das Absetzen der eigenen Produkte von denen der Mitbewerber für ein Unternehmen wie Aastra DeTeWe von großer Bedeutung. Die Nutzung offener Standards macht die Erweiterung des Funktionsumfangs von Telefonen der Aastra DeTeWe möglich. Ein für das Unternehmen interessanter Punkt ist dabei die Sicherung der Qualität von Gesprächsverbindungen. Deshalb wünschte Aastra DeTeWe die Entwicklung einer Anwendung, die Qualitätsdaten von Kommunikationsverbindungen sammelt und dem Benutzer die Möglichkeit gibt eine subjektive Aussage über eine getätigte Verbindung zu machen. Voraussetzungen, Rahmenbedingungen und Ergebnisse dieser Entwicklung werden in vorliegender Arbeit behandelt. 1

6 Kapitel 1. Einleitung 2

7 Kapitel 2 Kommunikation mittels Voice over IP Dieses Kapitel soll die grundlegende Basis für das Verständnis von Voice over IP (VoIP) legen. Dazu wird die Technologie VoIP kurz erläutert. Darüber hinaus wird die Marktentwicklung von VoIP dargestellt. Ferner werden Einsatzszenarien von VoIP dargelegt. Im weiteren Verlauf des Kapitels werden die technischen Grundlagen für die Kommunikation mit VoIP erläutert. 2.1 Hintergrund von VoIP Unter VoIP versteht man das Übertragen von Audiodaten über ein Computernetzwerk. Das IP wird für die Adressierung der Datenpakete genutzt. Die Sprachdaten werden basierend auf dem User Datagram Protocol (UDP) transportiert. Im Gegensatz zum verbindungsorientierten Transmission Control Protocol (TCP) ist UDP ein verbindungsloses Protokoll. UDP unterstützt die erneute Übertragung von verloren gegangenen oder beschädigten Daten nicht. Ebenso ist die Flusskontrolle und die Fehlerkontrolle nicht vorgesehen. Das ermöglicht eine schnellere Datenübertragung verglichen mit TCP (vgl. [Tan03, S. 573f.]). Auf Grund der Menge der übertragenen Daten wird für die Nutzung von VoIP außerhalb eines lokalen Netzwerks ein Breitbandinternetzugang benötigt. Im Folgenden wird die Definition von VoIP von Nölle herangezogen. Dieser versteht unter VoIP "[... ] lediglich das technische Verfahren der Sprachübertragung, nicht jedoch dessen Anwendungsbereich." (vgl. [Nöl05, S. 11]). Weiterhin gibt er zwei Beispiele für Anwendungsgebiete von VoIP. Zum einen wird die Internettelefonie und zum anderen die Intranettelefonie dargestellt. Der Begriff Internettelefonie enthält keinen Verweis auf die genutzte Technologie. Die verwendete Technologie ist durch die Funktion des Internet auf IP festgelegt. Der Begriff Intranettelefonie kennzeichnet demgegenüber die Sprachtelefonie innerhalb eines geschlossenen Unternehmensnetzes. Durch den Einsatz unterschiedlicher Netzwerktechnologien in Firmennetzwerken enthält der Begriff Intranettelefonie keine eindeutige Referenz auf die verwende- 3

8 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP te Netzwerktechnik. Im Weiteren wird der Begriff VoIP allgemein für die Anwendungsgebiete Internet- bzw. Intranettelefonie genutzt Gegenüberstellung: Klassische Telefonie (Leitungsvermittlung) und VoIP (Paketvermittlung) In der Telekommunikation gibt es zwei grundsätzliche Typen der Vermittlungstechnik: Leitungsvermittlung (Circuit Switching) und Paketvermittlung (Packet Switching). Dieser Abschnitt geht auf die Unterschiede der beiden Vermittlungsarten ein. Leitungsvermittlung Wie in Mager [Mag04, S. 23ff.] und Tanenbaum [Tan03, S. 171ff.] beschrieben, sind herkömmliche analoge und digitale Telefonsysteme als elektrisches, leitungsvermitteltes Netz realisiert. Zu diesen Telefonsystemen gehört das öffentliche Telefonnetz oder Public Switched Telephone Network (PSTN). Im öffentlichen Telefonnetz wird ein Kommunikationsweg als exklusive Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen Sender und Empfänger bereitgestellt. Dabei wird eine physikalische Leitung über eine oder mehrere Vermittlungsstellen geschaltet. In Abbildung 2.1 ist das leitungsvermittelte Verfahren schematisch dargestellt. Jedes Rechteck repräsentiert eine Vermittlungsstelle mit jeweils drei eingehenden und drei ausgehenden Leitungen. Wenn eine Verbindung eine Vermittlungsstelle durchläuft, wird eine physikalische Verbindung zwischen der eingehenden Leitung und einer ausgehenden Leitung hergestellt. Die gestrichelten Linien stellen den Verlauf der Verbindung dar. Physikalische (Kupfer-) Verbindung wird bei Gesprächsaufbau eingerichtet Telefon Telefon Vermittlungsstelle Abbildung 2.1: Leitungsvermittlung ([Tan03, S. 172]) Für die Dauer der Verbindung kann kein anderer außer den beteiligten Nutzern den Kommunikationsweg verwenden. Außerdem steht die Bandbreite unabhängig von der tatsächlichen Nutzung konstant zur Verfügung. Nicht benötigte Bandbreite bleibt ungenutzt. Vor dem Nachrichtenaustausch muss die Verbindung aufgebaut, danach abgebaut werden. Dazu tauschen 4

9 2.1. Hintergrund von VoIP Endstellen und Vermittlungsstellen bzw. Vermittlungsstellen untereinander Steuerungsinformationen aus. Dieser Vorgang wird als Signalisierung bezeichnet und benötigt Zeit. Während dieser Zeit sucht das Telefonsystem nach einem möglichen Verbindungspfad. Durch die garantierte Verfügbarkeit der Bandbreite nach Verbindungsaufbau können keine Störungen auf Grund von Überlastung des Netzes während des Nachrichtenaustauschs auftreten. Die Leitungsvermittlung bietet eine konstante Signalverzögerungszeit bei der Nachrichtenübertragung vom Sender zum Empfänger. Während des Verbindungsaufbaus erhalten Vermittlungsstellen die benötigten Informationen für die Realisierung der Nachrichtenübermittlung. Deswegen enthalten übertragene Nachrichten bei einer aufgebauten Verbindung keine zusätzlichen Zielinformationen. Nachrichten müssen auf den Zwischenstationen nicht zwischengespeichert werden. Durch die konstante Signalverzögerungszeit und die geringe Verzögerungszeit während der Nachrichtenübertragung treten kaum Schwankungen in der resultierenden Verzögerung auf (ähnlich wie in [Nöl05, S. 35]). Paketvermittlung Paketvermittlung ist eine spezielle Art der Nachrichtenvermittlung (Message Switching). Bei Verwendung der Nachrichtenvermittlung ist kein Verbindungsaufbau nötig. Das Prinzip der Nachrichtenvermittlung ist es eine Nachricht an einen Netzknoten (Router) zu senden. Der Router speichert die Nachricht zwischen. Wenn die Nachricht vollständig erhalten wurde, sendet der Router sie an Hand einer Zieladresse zum nächsten Netzknoten (vgl. [Mag04, S. 26]). Nachrichtenvermittelte Systeme erfordern eine große Menge an Speicher. Sie sind bezüglich der Größe der zu versendenden Nachrichten unbegrenzt. Dadurch kann ein Router bei der Übertragung großer Nachrichten lange blockiert sein (vgl. [Tan03, S. 174]). Die Paketvermittlung unterscheidet sich von der Nachrichtenvermittlung, da eine Obergrenze für die Größe der zu übertragenden Nachrichten existiert. Ist eine Nachricht zu groß, muss sie vor der Übertragung vom Sender in kleinere Pakete unterteilt werden. Damit wird verhindert, dass ein Router durch zu große Nachrichten lange blockiert werden kann. Außerdem benötigt ein Router weniger Speicher, da er nur kleinere Datenpakete verarbeitet (vgl. [Mag04, S. 27] und [Tan03, S. 174]). Bei der Paketvermittlung besteht keine direkte Verbindung zwischen zwei Endpunkten. Der Weg, den ein Paket vom Sender zum Empfänger durch das Netz nimmt, kann nicht vorausgesagt werden. Pakete können in einer anderen Reihenfolge beim Empfänger ankommen als sie vom Sender verschickt worden sind (vgl. [Nöl05, S. 36f.]). Das paketvermittelte Verfahren ist in Abbildung 2.2 schematisch dargestellt. Jedes der sechs Rechtecke stellt eine Vermittlungsstelle dar. Jedes Quadrat stellt ein Paket des Datenstromes dar. Diese Abbildung verdeutlicht, dass Pakete vom Sender zum Empfänger über verschiedene Wege transportiert werden können. 5

10 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP Bei der Paketvermittlung können Pakete mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten beim Empfänger ankommen. Neben der Signalverzögerung entsteht durch die Zwischenspeicherung und Bearbeitung der übertragenen Pakete auf den Netzknoten eine zusätzliche Verzögerung (vgl. [Mag04, S. 27]). Pakete, die für die Übertragung in der Warteschlange stehen Computer Computer Vermittlungsstelle Abbildung 2.2: Paketvermittlung ([Tan03, S. 172]) Vergleich von Leitungs- und Paketvermittlung Durch einen Vergleich von Leitungs- und Paketvermittlung ergeben sich folgende Unterschiede der beiden Vermittlungsarten. Die Verbindung wird bei der Leitungsvermittlung exklusiv zwischen den beteiligten Partnern hergestellt. Der Verbindungsaufbau gewährleistet, dass die übertragenen Daten immer auf demselben Weg transportiert werden. Dadurch kommen Daten in der Reihenfolge an, in der sie abgeschickt worden sind. Die Bandbreite wird für die Verbindung reserviert. Nicht benötigte Bandbreite bleibt ungenutzt. Bei der Paketvermittlung hängt die genutzte Bandbreite von den Anforderungen der Anwendung und den verfügbaren Ressourcen ab. Die Verbindung steht nicht exklusiv zur Verfügung. Durch die dynamische Nutzung der verfügbaren Bandbreite können freie Kapazitäten genutzt werden. Zudem ist ein Verbindungsaufbau nicht nötig. Jedes Datenpaket kann beliebig durch das Netz geleitet werden - je nach Zustand des Netzes zum Zeitpunkt der Übertragung. Für das Routing enthält ein Datenpaket zusätzliche Informationen über sein Ziel. Die Zielinformationen werden auf jedem Netzknoten ausgewertet. Bei der Paketvermittlung können Überlastungssituationen durch Verkehrsspitzen bei jedem übertragenen Datenpaket auftreten. Auf Grund der Bandbreitenreservierung während des Verbindungsaufbaus tritt eine Überlastungssituation bei der Leitungsvermittlung nicht auf. Bei der Leitungsvermittlung hängt die Verzögerung zwischen den Endpunkten von der Laufzeit der elektrischen Signale ab. Bei der Paketvermittlung erhöht sich die Verzögerung durch die Bearbeitungszeit der Datenpakete auf den Netzknoten. Paketvermittlung ist fehlertoleranter als Leitungsvermittlung. Wird Leitungsvermittlung ge- 6

11 2.1. Hintergrund von VoIP nutzt und eine Vermittlungsstelle fällt auf dem Verbindungsweg aus, können keine Daten mehr über diese Vermittlungsstelle übertragen werden. Verbindungen, die diese Vermittlungsstelle nutzen, werden beendet. Bei der Paketvermittlung werden im Fehlerfall alternative Wege genutzt (ähnlich wie in [Tan03, S. 175]). Aus den genannten Gründen kommt die Paketvermittlung in immer mehr Anwendungsgebieten zum Einsatz. Eine Übersicht über die Unterschiede der beiden Vermittlungsarten bietet Tabelle 2.1. Eigenschaft Leitungsvermittlung Paketvermittlung Verbindungsaufbau Notwendig Nicht notwendig Dedizierter physikalischer Pfad Ja Nein Alle Daten verlaufen auf derselben Ja Nein Route Pakete kommen in der Reihenfolge Ja Nein an, in der sie versendet wurden Ausfall einer Vermittlungsstelle Ja Nein ist fatal Verfügbare Bandbreite Fest Dynamisch mögliche Überlastung Beim Verbindungsaufbau Bei jedem Paket potentielle Verschwendung von Ja Nein Bandbreite Übertragung mit Zwischenspeicherung Nein Ja Ende-zu-Ende-Verzögerung Bestimmt durch Signalverzögerung Bestimmt durch Signalverzögerung und Bearbeitungszeit auf Zwischensystemen Tabelle 2.1: Vergleich von Leitungs- und Paketvermittlung ([Tan03, S. 176], Ergänzungen) Marktentwicklung von VoIP Wie einem Vortrag des TelekomForum Jahreskongress von Wichers [Wic09, S. 8] zu entnehmen ist, nahm die Verbreitung von Breitbandinternetzugängen in Deutschland während der letzten sieben Jahre kontinuierlich zu. Breitbandige Netzzugänge ermöglichen die Nutzung von folgenden Diensten: Kartendienste, wie Google Maps 1 Multimediadienste, wie Napster 2 und YouTube 3 1 Online verfügbar unter: 2 Online verfügbar unter: 3 Online verfügbar unter: 7

12 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP Spieledienste, wie World of Warcraft 4 und Xbox Live 5 Kartendienste ermöglichen das Abrufen von benutzerdefinierten Karten der ganzen Welt über einen Webbrowser. Weiterhin geben sie zusätzliche Informationen zu Geschäften, Unternehmen und Dienstleistern. Multimediadienste fassen Audio- und Videoangebote zusammen. Heutige Audiodienste wie Napster bieten Musik zum herunterladen oder als Stream ähnlich einem Internetradio an. Weiterhin können Podcasts abonniert werden. Demgegenüber ist es Nutzern von YouTube möglich Multimediainhalte zu konsumieren sowie eigene Inhalte zu erstellen und hochzuladen. Mittels Spielediensten wie World of Warcraft können Nutzer mitund gegeneinander über das Internet spielen. Durch Funktionen wie Voice Chat von World of Warcraft und Xbox Live der Spielekonsole Xbox wird das Kommunizieren per Sprach- und Videochat während des Spielens ermöglicht. Laut Mager [Mag04, S. 11] lässt sich auch der Bereich der Sprachkommunikation mittels VoIP als Dienst über das Internet realisieren. Erstmalig wurde ab Mitte der 90er Jahre der Internetanschluss als Basis für die Sprachkommunikation über das Internet verwendet. Dabei handelte es sich um Softwarelösungen, die von PC zu PC genutzt werden konnten. Mangels technischer Standards konnte nur mit der Applikation eines Anbieters telefoniert werden (vgl. [ED07, S. 2]). Wegen der mangelnden Verbreitung von Breitbandinternetzugängen blieb diese Art der Telefonie eine Nieschenlösung. Mittlerweile sind in Deutschland etwa 98 Prozent aller Haushalte mit Always-on Internetzugängen mittels verschiedener Technologien versorgt (vgl. [Ape08, S. 36]). Die Verbreitung von Breitbandinternetzugängen sowie die Möglichkeit gewohnte Telefone mittels Wandler bzw. IP-Telefone anstatt eines Computers zu nutzen, schafften die Voraussetzungen für die Massentauglichkeit von VoIP. 2.2 Komponenten in einem VoIP-Netzwerk Dieser Abschnitt soll einen Überblick über Komponenten in einem VoIP-Netzwerk geben. Abschließend zeigt Abbildung 2.3 eine beispielhafte Konfiguration eines VoIP-Systems. Wie Nölle [Nöl05, S. 13] aufzeigt, können die Komponentenbezeichnungen je nach eingesetztem Kommunikationsstandard unterschiedlich sein. Die Bezeichnungen werden im Folgenden in einem gemeinsamen Zusammenhang erläutert und beziehen sich nicht auf einen konkreten Standard. Endgeräte Endgeräte, wie stationäre und mobile Telefone, sowie Softwareanwendungen, die auf einem Computer ausgeführt werden, ermöglichen das Führen von Telefongesprächen. Softwareanwendungen für VoIP werden Endgerätesoftware, Softclient oder Softphone genannt. 4 Online verfügbar unter: 5 Online verfügbar unter: 8

13 2.2. Komponenten in einem VoIP-Netzwerk Terminal Adapter Terminal Adapter stellen Schnittstellen zwischen konventionellen Endgeräten und VoIP-Systemen her. Herkömmliche Endgeräte sind beispielsweise Analog- und ISDN-Telefone sowie analoge Faxgeräte. Ein Terminal Adapter kann auch bei der Umstellung eines herkömmlichen Telefonsystems auf ein VoIP-System verwendet werden. Die Nutzung vorhandener Geräte ist damit weiterhin möglich. Gatekeeper, Proxy Server Die zentrale Einheit einer VoIP-Umgebung ist der Gatekeeper beziehungsweise Proxy Server (nachfolgend Gatekeeper genannt). Der Gatekeeper übernimmt vermittelnde Funktionen ähnlich einer herkömmlichen Telefonanlage. Dazu gehört die Signalisierung innerhalb eines VoIP-Netzwerks. Softswitch Ein Softswitch ist eine VoIP-Vermittlungsstelle, die mehrere verschiedene Signalisierungsverfahren gleichzeitig unterstützt. Es realisiert Signalisierungstechniken als Softwaremodule. Dadurch ist ein Softswitch durch neue Funktionen und Protokolle erweiterbar und aktualisierbar. Der Aufgabenbereich eines Softswitches ist dem eines Gatekeepers ähnlich. Anders als ein Gatekeeper wird ein Softswitch in komplexen Netzwerken mit verteilter Gatewaystruktur eingesetzt (vgl. Media Gateway, Signalling Gateway). Multipoint Control Unit, Conference Server Eine Multipoint Control Unit (MCU), auch Conference Server genannt, bildet den logischen Mittelpunkt eines VoIP-Konferenzszenarios. Die MCU übernimmt die Konferenzsteuerung in einem VoIP-System für eine Konferenz mit drei oder mehr Teilnehmern. Gateway Gateways realisieren den Übergang von einem VoIP-Netz in ein leitungsvermitteltes Netz wie dem klassischen Telefonnetz. Für kleinere Netze wird das konzentrierte Gateway eingesetzt. Es setzt sowohl Signalisierungsinformationen als auch die Sprachdaten zwischen VoIP-Netzen und leitungsvermittelten Netzen um. Für große Netze werden Media Gateways beziehungsweise Signalling Gateways eingesetzt (vgl. Media Gateway, Signalling Gateway). Media Gateway, Signalling Gateway Größere VoIP-Lösungen mit einigen zehntausend Teilnehmeranschlüssen bilden verteilte Gatewaystrukturen ab. Media Gateways leiten nach erfolgter Umsetzung die Sprachdaten weiter. Falls erforderlich wandelt ein Media Gateway die für die Sprachverbindung genutzte Kodierung um. Signalling Gateways übersetzen bei Bedarf Signalisierungsinformationen in andere Standards und transportieren die Informationen in andere Netzwerke. 9

14 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP PBX, IP-PBX, LAN-PBX Laut Mager [Mag04, S. 53] ist eine Private Branch Exchange (PBX) Anlage, beziehungsweise Telefonanlage, eine private Vermittlungseinrichtung. An diese können mehrere Endgeräte wie Faxgeräte und Telefone angeschlossen werden. Sie wird dann mit dem öffentlichen Telefonnetz verbunden. Eine IP-PBX oder LAN-PBX Anlage nutzt ein lokales Datennetz zum Anschluss der Endgeräte. Wie herkömmliche PBX-Anlagen implementieren IP-PBX-Anlagen die Signalisierung sowie die Weiterleitung der Sprachkanäle in externe Netze. IP-Netz Gateway ISDN- Telefonnetz IP-Telefon Softclient MCU Gatekeeper/ Proxy Server Analog- Telefonnetz Gateway Terminal Adapter ISDN- Telefon Analog- Telefon Fax Abbildung 2.3: Beispielkonfiguration eines VoIP-Systems ([Nöl05, S. 15]) 2.3 Anwendungsbereiche der VoIP-Technologie Wie Nölle [Nöl05, S. 15f.] darlegt, wurde VoIP anfänglich eingesetzt um bei internationalen Telefongesprächen Kosten zu sparen. Für Unternehmen wurde die Technologie wegen Kostenreduktion oder der Realisierung von Mehrwertdiensten im Zusammenhang mit Telefonieanwendungen interessant. Beispielsweise ermöglichen Callcenter-Anwendungen durch die Computer Telephony Integration (CTI) Unified Messaging Anwendungen. Durch diese Art der 10

15 2.3. Anwendungsbereiche der VoIP-Technologie Anwendung verschmilzt die Sprachtelefonie mit , Fax, SMS, Web- und weiteren Diensten. Andere Anwendungsbereiche der VoIP-Technologie sind die Anbindung von Heimarbeitsplätzen an Firmennetzwerke, die Anruferbedienung durch vollautomatisch sprachgesteuerte Systeme (Voice Controlled Assistent) und den Sprachverbindungsaufbau über eine Webseite (click to dial). Im Folgenden soll ein tieferer Einblick in schon genannte und weitere Anwendungsbereiche der VoIP-Technologie geliefert werden. Softwareapplikationen für VoIP Die erste Softwareapplikation für VoIP der Firma VocalTec ermöglichte 1995 die Sprachübertragung zwischen zwei Computern (vgl. [ED07, S. 2]). Mittlerweile sind Gespräche in das Telefonnetz von einem Computer aus absetzbar. Neben der mangelnden Interoperabilität zwischen Softwareapplikationen verschiedener Anbieter muss für diese Art der Anwendung ein Computer eingeschaltet und mit dem Internet verbunden sein (vgl. [Mag04, S. 51]). Wie in Abschnitt 2.2, Endgeräte erwähnt, wird diese Art der Softwareapplikation Softphone genannt. Internationale Telefongespräche Um Gesprächskosten für Ferngespräche und internationale Telefongespräche zu senken, werden Sprachdaten nicht vollständig über das Telefonnetz übertragen. Stattdessen werden die Sprachdaten auf Teilen des Übertragungsweges über IP-Netzwerke wie dem Internet transportiert. Dazu müssen die Sprachdaten zwischen Telefonnetz und Internet mit einem Gateway umgesetzt werden (vgl. [Mag04, S. 52]). IP-PBX Wie in Abschnitt 2.2, PBX, IP-PBX, LAN-PBX erwähnt, nutzt eine IP-PBX Anlage ein lokales Datennetz zum Anschluss der Endgeräte. Intern kann ein konvergentes Netzwerk für Sprachund Datendienste verwendet werden. Dadurch können die Kosten für den Aufbau der Netzinfrastruktur gesenkt werden. Außerdem werden Betriebskosten durch die Verwaltung nur noch eines Netzwerkes gesenkt. Weiterhin ergibt sich ein Einsparpotential durch die mögliche Umgehung von Telefongebühren durch die Vernetzung mehrerer Unternehmensstandorte (vgl. Abschnitt Internationale Telefongespräche). IP-Callcenter Die Aufgabe von Callcentern ist die telefonische Beantwortung von Kundenanfragen. IP- Callcenter können durch den Einsatz der VoIP-Technologie eine engere Integration von Daten und Sprache in CTI-Systemen erzielen. Außerdem können externe Arbeitsplätze durch Breitbandinternetzugänge kostengünstig angebunden werden (vgl. [Mag04, S. 55]). IP-Centrex "Der Ansatz [Central Office Exchange (Centrex)] stellt die Funktion einer Telefonieanlage für Privatpersonen oder Firmen mithilfe von Elementen eines öffentlichen Telekommunikations- 11

16 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP netzes [... ] bereit." (vgl. [ED07, S. 16]). Beim Centrex-Ansatz betreibt ein externer Anbieter das Telefonsystem eines Kunden. IP-Centrex stellt eine Weiterentwicklung dieses Ansatzes hin zur VoIP-Technologie dar. IP-Centrex-Systeme unterstützen verteilte Standorte und fungieren als virtuelle PBX-Anlagen (vgl. Abschnitt IP-PBX). Zudem ermöglicht IP-Centrex das Auslagern der Telefonsysteme an einen externen Betreiber (vgl. [Mag04, S. 54]). Dazu werden Endgeräte an ein lokales Datennetz angeschlossen. Die Sprachdaten werden vom lokalen Datennetz über das Internet an das IP-Centrex-System des Betreibers gesendet. Rufnummern werden vom Betreiber zur Verfügung gestellt. Für interne Telefonate stellt der Betreiber einen besonderen Tarif bereit (vgl. [ED07, S. 16]). IP-Centrex bietet eine hohe Flexibilität, weil die Hinzunahme neuer Standorte durch den Betreiber schnell abgewickelt werden kann (vgl. [ED07, S. 16]). Außerdem müssen vom Anwender keine eigenen Systeme angeschafft und unterhalten werden. Der Betreiber übernimmt Wartung, Reparatur, Ersatz, Montage und meist auch die Anschaffung von Endgeräten. Dadurch ergeben sich geringe Investitionskosten. 2.4 Transport von Sprachdaten in einem IP-Netzwerk Für den Transport von Sprachdaten über ein IP-Netzwerk hat sich laut Nölle [Nöl05, S. 96] das Real-Time Transport Protocol (RTP) als Standard durchgesetzt. Neben RTP wird zur Kontrolle des Sprachdatenflusses das RTP Control Protocol (RTCP) eingesetzt. Sowohl RTP als auch RTCP wurden in RFC spezifiziert und sollen in diesem Abschnitt erläutert werden Real-time Transport Protocol (RTP) RTP ist ein Protokoll für die Übertragung von Echtzeitdaten wie zum Beispiel Audio und Video. RTP ist unabhängig von den darunterliegenden Protokollschichten. Üblicherweise wird RTP in Verbindung mit UDP eingesetzt. Wie in Abschnitt 2.1 erwähnt, ist UDP im Vergleich zu TCP ein leichtgewichtiges Protokoll. Daraus ergibt sich eine schnellere Datenübertragung verglichen mit TCP. Damit bietet sich UDP für die Übertragung von Sprachdaten bei VoIP an. Ebenso wie UDP ist RTP ein verbindungsloses, ungesichertes Protokoll. RTP unterstützt keine Flusskontrolle, keine Fehlerkontrolle oder das wiederholte Senden von beschädigten oder verloren gegangenen Daten. Daraus resultiert eine Übertragung ohne Verzögerungen durch zum Beispiel Paketwiederholungen (vgl. [TW04, S. 86]). Fehlt ein Paket beim Empfänger, wird keine Neusendung beauftragt. Ein erneut gesendetes Paket wäre zu spät, um für eine Echtzeitübertragung nützlich zu sein. Der Empfänger kann jedoch ein fehlendes Paket mit Hilfe korrekt empfangener Daten rekonstruieren (vgl. [Tan03, S. 578]). 6 Online verfügbar unter: abgerufen am

17 2.4. Transport von Sprachdaten in einem IP-Netzwerk RTP ergänzt UDP, indem es eine fortlaufende Nummer an jedes Paket vergibt. Damit wird sichergestellt, dass Pakete auf Empfängerseite nach Reihenfolge sortiert werden können. Weiterhin erhalten die Pakete Zeitstempel. Diese werden für die Berechnung der Zeitabstände zwischen der Ankunft einzelner Pakete genutzt (vgl. [Nöl05, S. 98]). Zeitabstände können bei der Nutzung der Paketvermittlung auftreten (vgl. Abschnitt 2.1.1, Paketvermittlung). RTP unterstützt Unicast-Datenströme zwischen einem Sender und einem Empfänger. Außerdem sind Multicast-Datenströme zwischen einem Sender und einer Gruppe von Empfängern möglich. Konferenzen mit drei oder mehr Teilnehmern nutzen häufig Multicasts. Mit einem Multicast muss ein Sender den Datenstrom nur einmal übertragen. Die Netzwerkkomponenten übernehmen die Verteilung auf die Empfänger (vgl. [Nöl05, S. 97]). Für jede Datenquelle öffnet RTP eine neue Sitzung, auch Session genannt. Sendet ein Gerät Audio- und Videodaten gleichzeitig, werden auch zwei RTP-Sessions eingerichtet. Dieses Szenario kommt bei Videokonferenzen vor. Jede RTP-Session wird vom Sender mit der Synchronization Source (SSRC) gekennzeichnet. Die SSRC ist ein generierter Zufallswert, der den Sender von RTP-Daten identifiziert. Abbildung 2.4 verdeutlicht die Einrichtung einer RTP- Session. RTP-Sitzungen RTP-Sitzung Audiostream A SSRC_1234 RTP-Sitzungen RTP-Sitzung Audiostream B SSRC_5678 RTP-Sitzung Videostream A SSRC_1234 RTP-Sitzung Videostream B SSRC_5678 Abbildung 2.4: Sessioneinrichtung bei einer Multimediaübertragung mit RTP ([Nöl05, S. 97]) Bei der Verwendung von UDP wird außerdem eine dynamisch gewählte, gradzahlige Portnummer für die RTP-Session festgelegt. Dadurch können verschiedene Datenströme vom selben Sender unterschiedlich behandelt werden. Reicht die verfügbare Bandbreite für eine kombinierte Audio- und Videoübertragung nicht aus, kann der Empfang auf den Audiodatenstrom beschränkt werden ([Nöl05; TW04]). Für weitergehende Informationen bezüglich des Protokollaufbaus von RTP sei die Lektüre von Nölle [Nöl05] bzw. Trick und Weber [TW04] empfohlen RTP Control Protocol (RTCP) RTCP ist ein RTP ergänzendes Protokoll. RTCP "[... ] dient als Unterstützungsprotokoll für die RTP-basierte Echtzeit-Nutzdatenübertragung." (vgl. [TW04, S. 92]). Neben der Überwachung 13

18 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP der Verbindungsqualität dient RTCP auch der periodischen Übertragung von zusätzlichen Informationen über die Teilnehmer einer RTP-Session. Laut Trick und Weber [TW04, S. 92] wird für jede unidirektionale RTP-Session eine bidirektionale RTCP-Session geöffnet. Die RTCP-Session erhält die nächsthöhere ungerade Portnummer verglichen zur zugehörigen RTP-Session. Während einer RTCP-Session tauschen Sender und Empfänger gegenseitig Informationen bezüglich der Qualität der Verbindung aus. Der Sender verschickt den Sender Report um einem oder mehreren Empfängern Informationen zu übermitteln. Der Empfänger sendet den Receiver Report an den Sender. Sind Endgeräte Sender und Empfänger zugleich, wird nur der Sender Report verwendet. Weiterhin ist zu beachten, dass ein Sender als Endgerät definiert ist, das seit dem letzten versendeten Report selbst RTP Daten verschickt hat (vgl. [Nöl05, S. 99]). Ist ein Endgerät ein reiner Sender, übermittelt es mit dem Sender Report die Anzahl von RTP Paketen, die insgesamt während der Verbindung verschickt worden sind. Der Empfänger kann die Information mit dem letzten erhaltenen Report vergleichen. Mit dem Wissen über die Anzahl der seit dem letzten Report empfangenen Pakete kann ermittelt werden ob alle versendeten Pakete beim Empfänger angekommen sind. Ein Sender Report beziehungsweise Receiver Report enthält für jede Quelle, von der RTP- Daten erhalten wurden, eine Sektion Report Block. Ein Report Block enthält neben anderen das Datenfeld Fraction Lost, das das Verhältnis zwischen verloren gegangenen und erwarteten Paketen angibt. Weiterhin beinhaltet ein Report Block das Datenfeld Cumulative Number of Packets Lost, welches die Anzahl der verlorenen Pakete seit Beginn der RTP-Session anzeigt. Darüber hinaus ist das Datenfeld Interarrival Jitter angegeben, das eine Aussage über die Schwankung der zeitlichen Differenz zwischen zwei nacheinander empfangenen und den zugehörigen gesendeten RTP-Paketen macht (vgl. [TW04, S 92ff.]). Der Zeitabstand zwischen dem Senden zweier Reports wird an Hand von Kriterien wie der verwendeten Bandbreite, der Teilnehmeranzahl der RTP-Session und der Rolle als Sender bzw. Empfänger ermittelt (vgl. [Nöl05, S. 99]). In Abbildung 2.5 ist beispielhaft ein Ablauf der Protokolle RTP und RTCP dargestellt. Deutlich wird, dass User B während eines Report-Intervalls ein RTP Paket verschickt und deshalb selbst zum Sender wird. Aus diesem Grund ist der letzte von User B versendete Report ein Sender Report. Die Teilnehmer einer RTP-Session nehmen die Reports nur zur Kenntnis. Die Reaktion auf eine schlechte Verbindung wird nicht von RTCP übernommen. Eine Anpassung des Datenvolumens bei zu hoher Paketverlustrate oder der Abbruch der Verbindung bleiben der genutzten Anwendung überlassen. Neben den Reportfunktionen hat RTCP zwei Funktionen zur Steuerung der Sitzung. Die erste Funktion ist die Bekanntgabe der Teilnahme neuer Sitzungsmitglieder über Sender bzw. Receiver Reports. Die zweite Funktion ist das Senden eines speziellen RTCP-BYE-Pakets an alle 14

19 2.5. Signalisierung mit VoIP User A RTP-Paket User B RTP-Paket RTCP-Paket (Receiver Report) RTP-Paket RTP-Paket RTCP-Paket (Sender Report) RTP-Paket Report- Intervall RTP-Paket RTCP-Paket (Sender Report) RTCP-Paket (Sender Report) Abbildung 2.5: Protokollablauf von RTP und RTCP ([Nöl05, S. 98]) Teilnehmer, das die Abmeldung aus einer Sitzung bekannt gibt. Tiefergehende Informationen bezüglich RTCP sind beispielsweise in Nölle [Nöl05] sowie Trick und Weber [TW04] zu finden. 2.5 Signalisierung mit VoIP Unter Signalisierung versteht man die Steuerung der Kommunikation in einem Kommunikationsnetz. Den Aufgabenbereich der Signalisierung bilden Funktionen wie die Verbindungssteuerung für den Auf- und Abbau einer Gesprächsverbindung, die Lokalisierung des Gesprächspartners in einem Netzwerk und der Austausch der für den Nutzdatentransport benötigten Parameter (vgl. [Mag04, S. 32]). Für die Erfüllung von Signalisierungsfunktionen in einem VoIP-Netzwerk gibt es zwei verschie- 15

20 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP dene Ansätze. Der erste Ansatz ist der Standard H.323 der ITU Telecommunication (ITU-T). Die ITU-T ist das Standardisierungsgremium der Organisation International Telecommunication Union (ITU) 7 für alle Bereiche der Telekommunikation. Der zweite Ansatz ist das Session Initiation Protocol (SIP) der Internet Engineering Task Force (IETF) 8. Die IETF ist eine offene Gemeinschaft von Experten, die sich mit der Weiterentwicklung der Architektur des Internets beschäftigen. Wie aus Abbildung 2.6 hervor geht, können sowohl H.323 als auch SIP mit einem gesicherten Transportprotokoll wie TCP oder einem ungesicherten Transportprotokoll wie UDP verwendet werden. Der Transport von Audio- und Videodaten erfolgt stets über eine ungesicherte Verbindung mit RTP und UDP. Signalisierung Qualität Medientransport H.323 SIP RTCP RTP TCP UDP IP Abbildung 2.6: Protokollstack basierend auf IP ([Nöl05, S. 87], Änderungen) In diesem Abschnitt sollen die Ansätze H.323 und SIP erläutert werden. Während der Beschäftigung mit der vorliegenden Arbeit wurde ausschließlich SIP genutzt. Aus diesem Grund wird nur auf die grundlegenden Funktionen des Standards H.323 eingegangen H.323 Der Standard H.323 Packet-based multimedia communications systems 9 definiert eine Architektur zur Unterstützung von paketbasierter Multimediakommunikation. H.323 legt kein spezielles Protokoll fest, sondern verweist selbst auf andere Protokolle, die verantwortlich sind für die Kodierung von Sprache, den Gesprächsaufbau, die Signalübertragung, die Datenübertragung und andere Bereiche (vgl. [Tan03, S. 742f]). H.323 ist weiteren Standards übergeordnet und wird deshalb als Dachstandard bezeichnet. Zwei wichtige Unterstandards 7 Online verfügbar unter: 8 Online verfügbar unter: 9 Online verfügbar unter: abgerufen am

21 2.5. Signalisierung mit VoIP sind H Call signalling protocols and media stream packetization for packet-based multimedia communication systems 10 und H.245 Control protocol for multimedia communication 11, deren Zuständigkeitsbereich innerhalb von H.323 kurz erläutert werden soll. Wie Nölle [Nöl05, S. 66f.] darstellt, definiert H die Verwendung von Audio, Video, Daten und Steuerungsdaten. Darüber hinaus beschreibt H die Nutzung von Gateways als Schnittstelle zu anderen Telefoniesystemen (vgl. Abschnitt 2.2, Gateway). H vereinbart die für diese Zwecke einzusetzenden Protokolle und Datenformate. Für den Transport von Nutzdaten wird RTP eingesetzt (vgl. Abschnitt 2.4, Real-time Transport Protocol (RTP)). Der H.245-Standard gibt Nachrichten und Verfahren für die Abstimmung von Endgeräten während des Verbindungsaufbaus oder bei der Verbindung vor. Die Nachrichten bestehen unter anderem aus Signalisierungsinformationen, Informationen über die Fähigkeiten zum Senden und Empfangen von Multimediadaten sowie Kontroll- und Informationsdaten (vgl. [Nöl05, S. 67]). Für weitere Erläuterungen bezüglich H.323 sei auf Nölle [Nöl05] sowie Trick und Weber [TW04] verwiesen Session Initiation Protocol (SIP) SIP ist ein Signalisierungsprotokoll, das unter anderem für Multimediadienste wie Audio-, Video- und Datenübertragung geeignet ist. Ferner dient SIP der Übermittlung von Signalisierungs- und Vermittlungselementen für Kommunikationsverbindungen (Sessions). Zu den gängigsten Anwendungen gehören die Audio- und Videokommunikation, die Kommunikation mit Text (Chat), die Dateiübertragung, das Senden von Kurzmitteilungen (Instant Messaging) sowie die Ermittlung des Online-Status eines Benutzers (vgl. [TW04, S. 119]). SIP verfügt über eine überschaubare Architektur. Die Verwendung von anderen Standards oder Protokollen ist nicht vorgeschrieben. Dennoch ist die Erweiterung des Anwendungsbereichs und der Funktionalität möglich (vgl. [Nöl05, S. 71]). Dieser Abschnitt behandelt die Funktionsweise und den Aufbau von SIP. Basierend auf Abschnitt 2.2 soll auf die Komponenten eines VoIP-Netzwerks im Kontext von SIP näher eingegangen werden. Grundlagen Wie RFC 3261 [Ros+02] zu entnehmen ist, ist SIP ein textbasiertes Protokoll und nutzt den UTF-8 12 Zeichensatz. Die Darstellung von SIP als Text erleichtert die Analyse von Protokollabläufen ohne vorherige Dekodierung. 10 Online verfügbar unter: abgerufen am Online verfügbar unter: abgerufen am Online verfügbar unter: abgerufen am

22 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP SIP ist nicht auf ein unterliegendes Transportprotokoll festgelegt. Sowohl TCP als auch UDP können verwendet werden. SIP stellt Maßnahmen zur Kommunikationssicherung bereit und arbeitet verbindungsorientiert. Aus diesem Grund besteht keine Notwendigkeit, dass Maßnahmen zur Sicherung der Kommunikation auf Transportebene ergriffen werden. Daher wird üblicherweise UDP in Verbindung mit SIP eingesetzt (vgl. [TW04, S. 120]). Jedes Endgerät in einem VoIP-Netzwerk erhält eine Kontaktadresse, deren Aufgabe vergleichbar einer herkömmlichen Telefonnummer ist. Eine Kontaktadresse in einem VoIP-Netzwerk wird als SIP-Adresse oder SIP-URI bezeichnet. Eine SIP-URI ähnelt dem Aufbau einer - Adresse: Der Teil user einer SIP-URI stellt einen beliebigen Benutzernamen dar. Der Teil host ist die IP-Adresse bzw. der Domainname des Endgerätes. Nach der Anmeldung eines Benutzers in einem VoIP-Netzwerk wird für das genutzte Endgerät eine umgebungsabhängige SIP-URI generiert. Das Element host einer umgebungsabhängigen SIP-URI entspricht der aktuellen IP-Adresse des genutzten Endgerätes. Die IP-Adresse des Endgerätes ist abhängig vom Netzwerk, in dem sich das Endgerät befindet. Daher ändert sich die IP-Adresse, wenn der Benutzer das Endgerät oder das Netzwerk wechselt. Ein Beispiel einer umgebungsabhängigen SIP-URI ist im Folgenden gegeben: SIP ermöglicht es einem Benutzer eine ständige SIP-URI zuzuordnen. Um einem Benutzer eine ständige SIP-URI zuzuordnen, muss er sich nach der Anmeldung in einem VoIP-Netzwerk bei einem speziellen Server (Registrar Server) registrieren. Der Registrar Server stellt den Zusammenhang zwischen der umgebungsabhängigen SIP-URI des aktuell angemeldeten Endgerätes und der ständigen SIP-URI des Benutzers her. Anschließend ist ein Beispiel einer ständigen SIP-URI gegeben: Weiterhin kann ein Benutzer mehrere Endgeräte mit verschiedenen umgebungsabhängigen SIP-URIs unter einer ständigen SIP-URI bei einem Registrar Server registrieren. So ist ein großes Maß an ortsunabhängiger Erreichbarkeit gegeben (vgl. [TW04, S. 122]). Die grundlegende SIP-Kommunikation erfolgt auf Basis zweier Kommunikationselemente. Das erste Kommunikationselement ist die Nachricht bzw. Anforderung (Request). Das zweite Kommunikationselement ist die Statusinformation bzw. Antwort (Response). Der Aufbau von Nachrichten und Statusinformationen ist an die Definition des Hypertext Transfer Protocol (HTTP) 13 angelehnt (vgl. [Ros+02, S. 26]). Auf die Kommunikationselemente Nachricht und Statusinformation wird im Verlauf dieses Abschnitts näher eingegangen. Ein SIP-Endgerät, das eine Nachricht versendet, agiert in diesem Moment als Client. Ein Endgerät, das die Nachricht eines Clients durch das Senden einer Statusinformation beantwortet, arbeitet als Server. 13 Online verfügbar unter: abgerufen am

23 2.5. Signalisierung mit VoIP Die Interaktion zwischen Client und Server erfolgt durch den Austausch unabhängiger Nachrichten und Statusinformationen. Das Senden einer Nachricht durch einen Client und die endgültige Beantwortung der Anforderung durch einen Server wird als SIP-Transaktion bezeichnet. Eine SIP-Transaktion besteht aus einer einzelnen Nachricht und jeglicher Antwort darauf, die keine, eine oder mehrere vorläufige Statusinformationen sowie eine oder mehrere endgültige Statusinformationen enthält (vgl. [Ros+02, S. 121]). Als Beispiel einer SIP-Transaktion wird der Verbindungsaufbau einer SIP-Session herangezogen. Für einen Verbindungsaufbau sendet ein Client eine Nachricht an einen Server. Die Information über das Klingeln des Endgerätes auf Serverseite ist eine vorläufige Statusinformation bezüglich des angeforderten Verbindungsaufbaus. Eine endgültige Statusinformation stellt die Information über das Abnehmen des Hörers des Endgerätes auf Serverseite dar. Der Verbindungsaufbau und die Transaktion wurden abgeschlossen. Auf den konkreten Ablauf eines Verbindungsaufbaus wird am Ende dieses Abschnitts näher eingegangen. SIP Netzkomponenten Dieser Abschnitt erläutert mögliche Komponenten eines VoIP-Netzwerks, in dem SIP als Signalisierungsprotokoll eingesetzt wird. Die Funktionalität der Netzkomponenten kann mit denen aus Abschnitt 2.2 übereinstimmen. Die jeweilige Bezeichnung der Komponenten kann im Kontext von SIP abweichend sein. User Agent (UA) Ein Endgerät für die SIP-basierte Kommunikation wird als User Agent (UA) bezeichnet. Ein UA kann zwei verschiedene Rollen annehmen. Die erste Rolle wird User Agent Client (UAC) genannt. Die zweite Rolle ist der User Agent Server (UAS). Ein UAC sendet eine Nachricht an einen UAS. Ein UAS nimmt die Nachricht eines UAC entgegen. Anschließend kann der UAS die Nachricht beantworten und akzeptieren, sie ablehnen oder an einen anderen UAS weiterleiten. Die jeweilige Rolle eines UA ist für die aktuelle Transaktion festgelegt. Der UAC der aktuellen Transaktion kann in einer später gestarteten Transaktion ebenso der UAS sein. Weiterhin kann ein UA zugleich Client und Server sein (vgl. [Nöl05, S. 73]). Der UA eines Benutzers kann auf zwei möglichen Wegen erreicht werden. Zum einen kann ein UA über seine aktuelle IP-Adresse kontaktiert werden. Das Kontaktieren eines UA über seine IP-Adresse ist unpraktikabel, da sie für den Benutzer nicht gut merkbar ist. Außerdem ändert sich die IP-Adresse je nach Netzwerk, in dem sich der UA befindet. Zum anderen kann ein UA über eine ständige SIP-URI erreicht werden (vgl. Grundlagen). 19

24 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP Registrar Server Ein Registrar Server bildet die Grundlage für das Erreichen eines Benutzers über eine ständige SIP-Adresse. Ein UA kann sich mit einer speziellen Nachricht (REGISTER-Nachricht) bei einem Registrar Server anmelden. Der Registrar Server stellt dann den Zusammenhang zwischen der aktuellen IP-Adresse des UA und der ständigen SIP-Adresse des Benutzers her. Die Informationen legt der Registrar Server entweder in einer internen Datenbank ab oder übergibt sie an einen dafür geeigneten Server (siehe Location Server). Die von einem Registrar Server bereitgestellten Informationen werden gegebenenfalls von SIP-Netzkomponenten mit beispielsweise Routing-Funktionen (siehe Proxy Server) abgerufen. Location Server Laut Trick und Weber [TW04, S. 213f.] ist ein Location Server kein explizites SIP-Netzelement. Ein Location Server basiert weder bezüglich seiner Aufgabe noch bezüglich seiner Kommunikationsart auf SIP. Die Funktion eines Location Server ist die Speicherung der Aufenthaltsorte von Benutzern in Form von SIP-Adressen. SIP-Adressen erhält der Location Server durch einen Registrar Server. Proxy Server und Registrar Server greifen bei Bedarf auf die gespeicherten Informationen zu. Proxy Server Die Aufgabe eines Proxy Server ist die Weiterleitung von SIP-Kommunikationselementen mittels Routing. Die Informationen für das Routing werden von einem verbundenen Registrar Server bezogen. Ein alleinstehender Proxy Server erhält die Routing-Informationen von einem Location Server (vgl. [TW04, S. 210]). Ein Proxy Server hat die Rollen Server und Client zugleich. Nachrichten eines UAC werden vom Proxy Server an einen UAS weitergeleitet. Die Statusinformation des UAS wird an den UAC zurückgeleitet. Während der Weiterleitung kann eine Nachricht mehrere Proxy Server passieren (vgl. [Nöl05, S. 73]). Nach Trick und Weber [TW04, S. 210] unterscheidet man zwei grundsätzliche Arten von Proxy Servern. Die erste Art sind stateless Proxy Server. Die zweite Art wird als statefull Proxy Server bezeichnet. Ein stateless Proxy Server kann selbst keine Statusinformationen erzeugen und speichert keine Informationen über die weitergeleiteten SIP-Kommunikationselemente. Er leitet eine empfangene Nachricht nach der Entscheidung bezüglich des Routing auf Basis der Nachricht direkt an ein SIP-Netzelement weiter. Die Statusinformation eines UAS wird ohne jede weitere Routing-Entscheidung an den UAC geleitet. Ein statefull Proxy Server speichert den Status der Transaktion jeder eingegangenen, bearbeiteten und weitergeleiteten Nachricht. So kann ein statefull Proxy Server im Verlauf der Transaktion auf die Informationen bezüglich des Status der Transaktion Bezug nehmen. Im Gegensatz zu einem stateless Proxy Server ist ein statefull Proxy Server in der Lage Statusinformationen zu erzeugen und an Ziele zu versenden. 20

25 2.5. Signalisierung mit VoIP Weiterhin kann ein statefull Proxy Server als sogenannter Forking Server agieren. Ein Forking Server leitet eine Nachricht an mehrere registrierte UAs eines Benutzers weiter. Die Voraussetzung hierfür ist die Registrierung mehrerer UAs unter einer SIP-URI. Redirect Server Ein Redirect Server ist ein UAS. Er speichert Informationen über den aktuell aktiven UA eines Benutzers. Falls der geforderte Benutzer den UA gewechselt hat und unter der angegebenen Adresse nicht erreichbar ist, beantwortet ein Redirect Server die Nachricht des UAC. Der Redirect Server generiert eine mit einer Alternativadresse angereicherte Statusinformation. Die generierte Statusinformation wird an den UAC gesendet. Anschließend sendet der UAC die Nachricht erneut an die in der Statusinformation enthaltenen Alternativadresse (vgl. [Nöl05, S. 74]). In dem geschilderten Szenario wird der Redirect Server nicht wie der statefull Proxy Server selbst aktiv um den Benutzer ausfindig zu machen. Der Redirect Server liefert nur Informationen zu einer Quelle, die den Benutzer finden kann (vgl. [TW04, S. 213]). Nachrichten (Requests) SIP-Nachrichten leiten eine Transaktion für die Multimediakommunikation ein. Transaktionen werden beispielsweise für den Verbindungsaufbau und -abbau sowie die Informationsabfrage über Endgeräte oder laufende Sessions genutzt. Nachrichten werden durch ihre Methode voneinander unterschieden. Die Methode gibt die grundlegende Funktion einer Nachricht an (vgl. [TW04, S. 123]). Trick und Weber [TW04] unterscheiden zwei Typen von Nachrichten. Der erste Typ sind grundlegende Nachrichten, mit denen die wesentliche Funktionalität von SIP abgedeckt werden kann. Sie werden im Weiteren Grundnachrichten genannt. Der zweite Typ sind erweiterte Nachrichten, die die Einleitung und Bearbeitung zusätzlicher Leistungsmerkmale erlauben. Die Grundnachrichten und ausgewählte erweiterte Nachrichten sollen im Folgenden erläutert werden. Grundnachrichten INVITE: Diese Nachricht lädt Verbindungspartner zu einer SIP-Session ein und dient damit dem Aufbau einer SIP-Session. Genauer initiiert die INVITE-Nachricht einen Vorgang, "[... ] der den Austausch verschiedener Nachrichten und Statusinformationen zwischen Initiator und Zielteilnehmer beinhaltet und dessen Ziel es ist, eine uni- oder bidirektionale Session zu etablieren." (vgl. [TW04, S. 123]). Eine SIP-Session kann auch von einem UA initiiert werden, der nicht am Nutzdatenaustausch teilnimmt. BYE: Diese Nachricht wird zum Abbau einer SIP-Session genutzt. 21

26 Kapitel 2. Kommunikation mittels Voice over IP OPTIONS: Die OPTIONS-Nachricht wird verwendet um die Fähigkeiten eines UA zu erfragen ohne eine SIP-Session aufzubauen. CANCEL: Die CANCEL-Nachricht bricht laufende SIP-Prozesse, wie das Einleiten einer SIP-Session, ab. ACK: ACK wird allgemein als positive Bestätigungsnachricht verwendet. REGISTER: Mit Hilfe dieser Nachricht werden Kontaktinformationen übermittelt. Die REGISTER-Nachricht findet Anwendung bei der Registrierung eines UA bei einem Registrar Server. Erweiterte Nachrichten SUBSCRIBE: Mittels der SUBSRCIBE-Nachricht kann ein UA asynchrone Benachrichtigungen über das Eintreten eines bestimmten Ereignisses anfordern. Als Beispiel eines konkreten Ereignisses sei das Aktualisieren der Statusinformation eines Benutzers bei einer Chatanwendung genannt (vgl. [Roa02]). NOTIFY: Generell wird die NOTIFY-Nachricht zur Meldung eines eingetretenen Ereignisses an einen angemeldeten UA verwendet. Üblicherweise wird die NOTIFY-Nachricht nach dem Einleiten einer Benachrichtigungstransaktion mittels der SUBSCRIBE-Nachricht genutzt (vgl. [Roa02]). PUBLISH: Eine PUBLISH-Nachricht wird zum Veröffentlichen des Ereignisstatus eines UA genutzt. Der Ereignisstatus des UA wird an eine Einrichtung gesendet, die für die Zusammenfassung, die Verarbeitung und die Verteilung der Information an Interessierte verantwortlich ist (vgl. [Nie04]). Statusinformationen (Responses) SIP-Statusnachrichten quittieren und beantworten die Nachricht eines UA durch den Empfänger. Die Bedeutung einer Statusinformation wird durch eine dreistellige dezimale Ganzzahl (Status-Code) festgelegt. Status-Codes sind in Klassen unterteilt. Jede Klasse wird durch die erste Ziffer eines Status-Codes angegeben. Des Weiteren ist einem Status-Code eine textuelle Beschreibung (Reason-Phrase) zugeordnet (vgl. [Ros+02, S. 27f.]). Die Protokollversion 2.0 von SIP erlaubt sechs Klassen von Status-Codes, die nun kurz erläutert werden sollen. 1xx - Provisional Response: Eine Statusinformation dieser Klasse sagt aus, dass eine Nachricht erhalten worden ist und mit der Bearbeitung der Anfrage fortgefahren wird. 2xx - Success: Die Statusinformation dieser Klasse bedeutet, dass eine Nachricht erfolgreich erhalten, verstanden und akzeptiert wurde. 3xx - Redirection: Diese Klasse von Statusinformationen gibt an, dass weitere Hand- 22