Dienste in herkömmlichen Telefonnetzen, VoIP und NGN

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1 Hauptseminar Dienste in herkömmlichen Telefonnetzen, VoIP und NGN Bearbeiter: Christopher Schirmer Betreuer: Dipl.-Ing. Yevgeniy Yeriomin Verantwortlicher Professor: Prof. Dr. Jochen Seitz 1

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 3 2 Dienste Definition Herkömmliche Telefonnetze POTS - Plain Old Telephone Service ISDN - Integrated Services Digital Network Neue Technologien VoIP - Voice over IP NGN - Next Generation Networks Entwicklung von Diensten Plattformen Herkömmliche Netze(ISDN) VoIP/NGN Parlay/OSA JAIN Trends neuer Dienste 14 5 Anhang 15 2

3 1 Einleitung In der letzten Zeit haben sich in der Telekommunikationsbranche neue Technologien entwickelt, die in Zukunft das alte Telefonnetz ablösen sollen. Zu diesen zählen Voice over IP (VoIP) und das Next Generation Network (NGN), die bereits in zahlreichen wissenschaftlichen Schriften bekannt gemacht wurden und langsam immer mehr an Einfluss gewinnen. Um eine Aussage über die Leistungsfähigkeit dieser Entwicklungen treffen zukönnen, sollen sie anhand ihrer angebotenen Dienste verglichen werden. 2 Dienste 2.1 Definition Unter einem Dienst versteht man in der Telekommunikation die Fähigkeit eines Netzes, Informationen einer bestimmten Art zu übertragen. So existierten früher verschiedene Netze die je einen Dienst bereitstellten. Man verfolgte damals die Philosophie ein Dienst - ein Netz und wollte so erreichen, dass jedes Netz auf den jeweiligen Dienst optimiert ist. Es gab z.b.: Sprachdienst - Telefonnetz Textdienst - Telex/Teletex Datendienst - Datex-P, X.25 Telegrammdienst - Telegraphienetz Mit den neuen Entwicklungen entfernt man sich von der alten Einstellung und will in ein einheitliches Netz schaffen, dass es ermöglicht alle anzubietenden Dienste zu integrieren und um dadurch eine Verringerung von Kosten und Verwaltungsaufwand zu erzielen. Des Weiteren werden Dienste unterteilt in: Basisdienste Zusatzdienste Mehrwertdienste Unter Basisdiensten versteht man primäre Dienste, die die Kommunikationsfähigkeit eines Netzes bereitstellen, wie z.b. die oben Genannten. 3

4 Zusatzdienste (engl. supplementary services) erweitern Basisdienste um zusätzliche Fähigkeiten wie beispielsweise Rufnummernübermittlung, Halten, Makeln, Rufumleitung usw. Mehrwertdienste (engl. value added services) gehen in ihren Leistungen über das standardmäßige Dienstangebot der Basisdienste hinaus aber nutzen diese zur Bereitstellung. Im Allgemeinen entstehen durch die Nutzung von Mehrwertdiensten zusätzliche Kosten. Weit verbreitet sind Dienste, die über eigene Servicerufnummern in Anspruch genommen werden können. Dazu zählen u.a. Telefonauskunft, MABEZ (Masserverkehr zu bestimmten Zielen), Dialer, usw. 2.2 Herkömmliche Telefonnetze POTS - Plain Old Telephone Service Abbildung 1: Fernsprechamt um 1920 [12] Bedeutet soviel wie: der gute alte Telefondienst und bezeichnet das ehemalige vollständig leitungsbasierte Telefonnetz. Hierbei wird Sprache im Frequenzbereich von 300Hz bis 3400Hz übertragen, was einer Bandbreite von 3,1kHz entspricht. Die Teilnehmeranwahl erfolgt dabei duch eine zentrale Vermittlungsstelle Fräulein vom Amt oder eine Selbstwähleinrichtung. Ein Teilnehmer baut hierbei eine exklusive Verbindung zu einem Anderen auf, es erfolgt eine elektrische Verschaltung in der Vermittlungsstelle. Da die Verbindungen einzig für die Verwendung als Sprachdienst vorgesehen sind, ist eine Nutzung für andere Dienste nur eingeschränkt möglich. Abbildung 1 zeigt ein historisches Fernsprechamt. Der Anrufende teilte dem Vermittlungangestellten seinen Verbindungswunsch mit, so dass dieser dann manuell eine Steckverbindung zwischen den Gesprächspartnern herstellten konnte. Je nach Anzahl der Teilnehmeranschlüsse saßen mehrere Mitarbeiter 4

5 an riesigen Schaltbänken, die später durch elektromechanische Hebdrehwähler ersetzt wurden Basisdienste Als Basisdienst ist beim POTS der Telefondienst/ Fernsprechdienst verfügbar. Andere Dienste werden zur Zeit des POTS (bis etwa 1970) über eigene Netze realisiert Zusatzdienste Außerhalb der Sprachüertragung können zwischen zwei Teilnehmern weitere Geräte benutzt werden, die auf den Betrieb innerhalb des Telefonnetzfrequenzbandes ausgerichtet sind. So zum Beispiel Akustikkoppler, die indirekt über den Hörer an das Telefonnetz zum Datenaustausch angeschlossen werden, später auch Modems oder Faxgeräte. Aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Bandbreite können nur geringe Datenraten erzielt werden. In CCITT Norm G3 für analoges Fax stehen 14,4kBit/s zur Verfügung ISDN - Integrated Services Digital Network Um der Existenz der vielen verschiedenen Kommunikationsnetze entgegen zu wirken, begann man um 1970 mit der Einführung des diensteintegrierenden digitalen Netzwerks (ISDN) wurde hierfür ein internationaler Standard geschaffen. Abbildung 2: Struktur des Festnetz[13] 5

6 Abbildung 2 zeigt die prinzipielle Struktur des Festnetzes. In pastellgrün erscheinen die Vermittlungseinheiten für das Ortsnetz (VE:O), für Fernverkehr (VE:F) und für Verbindungen ins Ausland (VE:A). Die seit mitte der 90er Jahre digitalen Vermittlungseinheiten stellen die Verbindungen zwischen den Teilnehmern her. Der Signalling Transfer Point (STP; rosa) ist ein zentraler Knoten für den Signalisierungsverkehr und verbindet die VEs mit den Service Control Points (SCP; rosa). Der SCP, zu deutsch Dienstkontrollpunkt, realisiert die Zusatz- und Mehrwertdienste des Telefonnetzes, die nicht oder nur unter großem Aufwand in die Vermittlungsknoten implementiert werden können. Intelligente Netze (IN) sind zentrale Systeme, die auf den SCPs aufsetzen und über die Dienste bereitgestellt werden. Es können IN-Trigger eingerichtet werden, die bei einem bestimmten Ereignis des Telefonats, z.b.: Abheben des Hörers oder wählen einer Rufnummer, auf den SCP zugreifen, der dann den weiteren Gesprächsverlauf dienstbezogen fortführt. Tabelle 1 listet die laut ITU-I.230 und ITU-I.240 für ISDN vorgesehenen Basisdienste auf, während Tabelle 2 die für ISDN durch die Telefonanlage oder DIVO (Digitale Vermittlungsstelle Ortsnetz) bereitgestellten Zusatzdienste/Dienstmerkmale gegenüberstellt. Recommendation Basisdienst Beschreibung I.230 Datenübertragung paketvermittelt über X.25-Netz leitungsvermittelt über Telefonnetz I Telefonie Echtzeit Zweiwegesprachkommunikation I Teletex Textübermittlung über Teletexcodeschema I Telefax 4 Text-/Bildübermittlung über Telefaksimilecodeschema I Mixed mode Mischung aus Teletex und Telefax I Videotex(Btx) Bildschirmtext incl. Abruf- und Mailboxfunktion I Telex Interaktive Textkommunikation Tabelle 1: ISDN Basisdienste[6,7,10] 6

7 Dienstmerkmal Rufnummernübermittlung Rufnummernunterdrückung Rufnummernanzeige des Angerufenen Rufnummernunterdrückung des Angerufenen Rückruf bei Besetzt Rückruf bei Nichtmelden Anklopfen Halten, Rückfrage, Makeln Dreierkonferenz Umleitung(immer) Umleitung bei Bestzt Umleitung bei Nichtmelden Umlegen Identifizieren Fangschaltung Priorität Katastrophenberechtigung Abweisen unbekannter Anrufer Tarifinformationen während der Verbindung Tarifinformationen am Ende der Verbindung Int. Bez CLIP CLIR CLOP CLOR CCBS CCNR CW HOLD 3PTY CFU CFB CFNR CT MCID Priority ACR AOC-D AOC-E Tabelle 2: ISDN Zusatzdienste[8] Wie bereits oben erwähnt, werden die Mehrwertdienste des ISDN mit Hilfen von IN über die SCPs realisiert, es werden angeboten: MABEZ-Dienste Auskunft VPN-Dienste Shared Cost Dienste Persönliche Rufnummer Freephone Premium Rate R-Gespräche MABEZ-Dienste bezeichnen eine Variante, den hard to reach (schwer zu erreichen)-telefonverkehr abzuwickeln. Während dieser Dienst in der Vergangenheit meist für Televoting eingesetzt wurde, wird er heute verstärkt für 7

8 Gewinnspiele in Massenmedien genutzt. Für MABEZ ist die Rufnummerngasse reserviert. Je nach nachfolgender Ziffer sind die pro Minuteoder pro Anrufkosten von 0,14 bis zu 0,50 gestaffelt. VPN (Virtuelles Privates Netzwerk) dient dazu, innerhalb von öffentlichen Netzen geschlossene Teilnetze zu bilden, z.b. für Sprachkommunikation, ATM oder ISDN. Ein bekannter Vertreter des VPN ist das IP-VPN, bei denen die Teilnehmer ein IP-Tunnel verbindet. Shared Cost-Dienste bezeichnen solche, die zumindest rein formal Kosten zwischen Dienstgeber und Dienstnehmer aufteilen, wie z.b. Hotlinerufnummern. Persönliche Rufnummern können an Privat- oder juristische Personen bei der BNetzA gegen Gebühr beantragt werden. Diese Rufnummer kann an beliebige Anschlüsse weitergeleitet werden und ist so vom Ort unabhängig Rufnummern können beliebig bepreist werden und stellen dadurch ein Missbrauchspotential dar. Beim R-Gespräch oder auch reverse-call bezahlt der Angerufene nach Akzeptanz des Gespräches, in der Regel entstehen hier für den Angerufenen mehr Kosten als bei einem normalen Gespräch. 2.3 Neue Technologien VoIP - Voice over IP Bei VoIP oder auch IP-Telefonie besteht der Grundgedanke darin, nicht mehr wie bei herkömmlichen Telfonnetzen die Gespräche leitungsgebunden zu übertragen, sondern wird hier die Sprache über IP-Pakete vermittelt. Dies bringt den grundlegenden Vorteil, dass z.b. während bei einer Gesprächspause in Leitungsvermittelten Diensten die Verbindung nicht ausgelastet wird, ein Leerlauf entsteht, während in IP-vermittelten Gesprächen dann keine Daten übertragen werden. Mit der Abwicklung der Telefonate über IP entsteht ein Potential zur Einsparung von Kosten, da in Zukunft alle herkömmlichen Kommunikationsdienste paketvermittelt aufgebaut werden sollen und so ein Netz für alle Dienste genügt. In VoIP verwendet man hautpsächlich folgende Protokolle: SIP - Session Initiation Protocol (IETF) H Packet-based multimedia communications systems (ITU) IAX - Inter-Asterisk exchange Protocol Diese Protokolle sind für die Signalisierung zuständig sie dienen u.a. dem Gesprächsauf- und Abbau, das eigentliche Gespräch wird über das Realtime 8

9 Transfer Protocol (RTP) übertragen. Um telefonieren zu können, benötigt man ein Benutzerkonto bei einem VoIP-Provider. An das Konto kann man sich von jedem internetfähigen Rechner mittels Softphone oder IP-Telefon anmelden. Dadurch erreicht man eine Mobilität, wie sie bei festen Telefonanschlüssen nicht möglich ist, man bezeichnet dies auch als nomadische Nutzung. Abbildung 3: VoIP-Endgeräte[14] Abbildung 3 zeigt die Endgerätetypen, die bei VoIP zum Einsatz kommen können. Softphones sind Softwarelösungen, mit denen man über einen PC telefoniert. SIP-Telefone benötigen keinen PC und werden direkt an das LAN angeschlossen. Herkömmliche Telefone können auch zur IP-Telefonie genutzt werden, hierzu wird zusätzlich ein Gateway zwischen Telefon und LAN geschaltet. Als Basisdienst ist bei VoIP die Telefonie vorgesehen. Bei den Zusatzdiensten/Dienstmerkmalen können folgende genannt werden: Music on hold Weiterleitung bei besetzt Halten Konferenz Spracherkennung 9

10 SMS Anklopfen ENUM ENUM (Telephone Number Mapping) beschreibt einen Dienst zur Übersetzung von Telefonnummern in SIP-Adressen, es wird in RFC 3761 definiert. Bei der Umsetzung einer Telefonnummer in eine ENUM-Domain wird die Nummer invertiert, zwischen jede Ziffer ein Punkt eingefügt und am Ende der ENUM-Domain-Suffix.e164.arpa angehängt. Es können nur Nummern übersetzt werden, die im ENUM-Register eingetragen sind. Will man eine andere Nummer erreichen, muss man dies über kostenpflichtige Festnetzgateways tun. Zu den Zusatzdiensten ist zu sagen, dass grundsätzlich die auch im ISDN verfügbaren Dienste angeboten werden können. Es existiert aber kein bindendes Reglement bezüglich SIP und Dienstmerkmalen. Das Angebot von Mehrwertdiensten variiert von Anbieter zu Anbieter stark. U.A. angeboten werden: MABEZ Premium Rate Dienste Auskunft NGN - Next Generation Networks Next Generation Network bezeichnet eine Netzarchitektur, die bestrebt ist, herkömmliche leitungsvermittelnde Netze wie das Telefonnetz, Kabelfernsehnetz, Mobilfunknetz und Internet durch ein einheitliches paketvermittelndes Netz abzulösen aber trotzdem noch kompatibel zu älteren Netzen zu bleiben. Diese gemeinsame Lösung bezeichnet man als Konvergenz, das Zusammenführen der Dienste. Im Vergleich zum ebenfalls schon paketbasierten VoIP wird zusätzlich eine Quality of Service (QoS) garantiert, die eine Grundvorraussetzung für Echtzeitdienste wie z.b. IPTV oder Telefonie darstellt. NGN führt eine strikte Trennung von Verbindungs- und Dienststeuerung ein, um die Einführung neuer Dienste zu erleichtern[1,2,3,11]. Die ETSI (European Telecommunications Standards Institute) unterscheided beim Aufbau des NGN in drei Gruppen: die Transportschicht(Transport Stratum), die Serviceschicht(Service Stratum) und die Anwendungsschicht (Application Stratum). Die Transportschicht bindet das NGN an die zu bedienenden Netze an. Die Serviceschicht beinhaltet die zentrale Komponente 10

11 Abbildung 4: ETSI-TISPAN-NGN[14] IMS (IP Multimedia Subsystem), welches einen SIP-Switch zur Kontrolle aller Multimediadienste realisiert. Außerdem enthält das IMS das PSTN/IDSN Emulation Subsystem (PES), welches ermöglicht ISDN-Dienste zu emulieren und somit herkömmliche Geräte anzuschließen; des Weiteren das IPTV Subsystem zur Integration von IPTV-ähnlichen Diensten, Common Components und Application Server Functions (ASF). Die Anwendungsschicht beinhaltet die Service Delivery Platform (SDP) mit den Application Servern (AS), die der Bereitstellung von Mehrwertdiensten dienen. Die Anwendungsschicht wird auch mit zur Serviceschicht gezählt[9]. Als Basisdienste werden u.a. angeboten: Telefonie, Push to talk IPTV Punkt zu Punkt Multimedia PSTN/ISDN Basisdienste (Emulation) Broadcast/Multicast Datenkommunikation VPN E-Commerce 11

12 Als Zusatzdienste können z.b. die auch im ISDN realisierten Dienste genannt werden, obwohl nur grundlegende und nicht alle Dienstmerkmale des ISDN unterstützt werden müssen[3]. Als Mehrwertdienste sind denkbar: bei Anruf in Abwesenheit Terminplaner mit telefonischer Benachrichtigung Televoting Location-based Services, z.b.: Restaurants in der Umgebung Steuerungen im Haushalt 3 Entwicklung von Diensten 3.1 Plattformen Herkömmliche Netze(ISDN) Um in ISDN neue Dienste, vordergründig Mehrwertdienste, zu implementieren, greift auf man Intelligenten Netze zu, welche für die Bereitstellung und Verwaltung von Diesnten verantwortlich sind. Das IN gliedert sich in: Service Switching Point (SSP) Service Control Point (SCP) Service Management Point (SMP) Specialized Resource Point (SRP) Der SSP ist Teil der Vermittlungsstelle und leitet IN-Anfragen an den SCP weiter. Der SCP repräsentiert die IN-Dienststeuerung. Der SMP ist verantwortlich für die Administration und die Verwaltung der im SCP installierten Dienste, für welche der SRP die Ressourcen bereitstellt. Für die Entwicklung und Einbringung neuer Dienste wird ein Service Creation Environment genutzt. Durch die zahlreichen Komponenten der IN-Diensteverwaltung gestaltet sich Einbringung neuer Dienste im Vergleich zu den Möglichkeiten beim NGN als komplex und unflexibel. 12

13 3.1.2 VoIP/NGN Bei VoIP und NGN erfolgt die Diensteimplementierung über SIP-Application Server (SIP-AS). NGN lagert die Dienstintelligenz vollständig aus und will eine möglichst geringe Abhängigkeit zwischen Netz und Diensten erreichen um neue Entwicklungen schneller implementieren zu können. Der SIP-AS kann sich mehrer Media Server (MS) oder anderer AS bedienen und stellt APIs (Application Programming Interface) bereit mit denen die Implementierung neuer Dienste wesentlich vereinfacht wird. 3.2 Parlay/OSA Parlay/OSA (Open Systems Architecture) bezeichnet eine High-Level-API, die auf Middleware aufsetzt und zwischen Netz und Anwendungen liegt. Ziel dieser API ist es, die Steuerung von Telefonnetzen zu vereinheitlichen, zu vereinfachen und um unabhängig von der zugrunde liegenden Hardware zu sein. Parlay/OSA wurde für die Entwicklung von IN-Diensten vorgesehen, es eignet sich für die Dienstentwicklung durch Drittanbieter, da es eine High- Level-API ist, die nicht wie z.b. die Low-Level-API JAIN (Java API for Integrated Networks) direkten Protokollzugriff hat[4,5]. Parlay/OSA beschreibt Schnittstellen zwischen den folgenden drei Teilbereichen: Service Capability Features (SCF) stellen die Schnittpunkte zur Netzfunktionalität her. Das Framework, welches ermöglicht die Anwendungen der SCFs zu nutzen. Die Applications implementieren die Logik von Mehrwertdiensten 3.3 JAIN Mit JAIN soll ein Framework für hochportable und konvergente Dienste bereitgestellt werden. Es beinhaltet APIs wie JAIN-SIP und JAIN-MGCP (Media Gateway Control Protocol). JAIN besteht aus drei Schichten: der Netzwerkschicht mit Schnittstellen zu Festnetz und IP-basierten Netzen; der Signalisierungsschicht, die die Vermittlungsungslogik (Call Control) bietet; und der Anwendungsschicht, welche die Dienstelogik und die Ausführungsumgebung JSLEE (JAIN Service Logic Execution Environment) und außerdem optional das SCE (Service Creation Environment) repräsentiert. JSLEE spezifiziert eine universelle Ablaufumgebung für Telekommunikationdienste 13

14 und ermöglicht eine asynchrone Ereignisverarbeitung. JSLEE gliedert sich wiederum in drei Bereiche: Management zur Verwaltung der Ablaufkontrolle Framework mit Ereignisrouter, steuert den Aufruf der SBBs (Service Building Blocks) Component Model welches die Verwendung der SBBs regelt, in denen die Dienste realisiert sind Besonderheiten von JAIN sind die Flexibilität, die Plattformunabhängigkeit und die relativ hohe Leistungsfähigkeit[4,5]. 4 Trends neuer Dienste Aufgrund der durch neue Technologien wie NGN verhältnismäßig einfach und kostengünstig zu implementierenden Dienste wird es in Zukunft eine große Vielfalt an Diensten geben. Es können neue Dienste entstehen, die mit ISDN gar nicht möglich wären, eigene Dienste für spezielle Nutzer oder Nutzergruppen können entwickelt werden, eine Verknüpfung von Sprach- Bild- Videound Textkommunikation mit belibigen Daten wird ermöglicht. Neue Aspekte wie Mobilität, Dienstgüte (QoS) und Sicherheit bieten eine Grundlage für den Ansatz neuer Dienstideen. 14

15 5 Anhang Quellen- & Literaturverzeichnis [1] Trick, U.; Weber, F.: SIP, TCP/IP und Telekommunikationsnetze [2] ITU-T Recommendation Y.2001: General Overview over NGN [3] Focus Group on Next Generation Networks: [4] Lehmann, A.; Trick, U.; Oehler, S.: NGN und Mehrwertdienste - Herausforderung und Chance [5] Lehmann, A.; Trick, U.; Oehler, S.: NGN und Mehrwertdienste - Technische Lösungen [6] ITU-T Recommendation I.230: Definition of Bearer Service Categories [7] ITU-T Recommendation I.240: Definition of Teleservice [8] ITU-T Recommendation I.250: Definition of Supplementary Services [9] ETSI TISPAN Website: [10] Horn, W.: Vorlesungsskript Öffentliche Netze [11] ITU-T Recommendation Y.2201: NGN release 1 requirements [12] [13] Struktur.jpg [14] [15] 15

16 Abkürzungsverzeichnis API AS ASF ATM BNetzA Btx CCITT DIVO ENUM IAX IETF IMS IN IP IPTV ISDN ITU JAIN JSLEE LAN MABEZ MGCP MS NGN OSA PES POTS QoS RTP SBB SCE SCF SCP SDP SIP SMP SMS SRP SSP Application Programming Interface Application Server Application Server Function Asynchronous Transfer Mode Bundesnetzagentur Bildschirmtext Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique Digitale Vermittlungsstelle Ortsnetz telephone NUmber Mapping Inter Asterisk Exchange Protocol Internet Engineering Taskforce IP Multimedia Subsystem Intelligentes Netz Internet Protocol Internet Protocol Television Integrated Services Digital Network International Telecommunication Union Java APIs for Integrated Networks JAIN Service Logic Execution Environment Local Area Network Massenverkehr zu bestimmten Zielen Media Gateway Control Protocol Media Server Next Generation Networks Open Systems Architecture PSTN/ISDN Emulation Sybsystem Plain Old Telephone Service Quality of Service Remote Transfer Protocol Service Building Block Service Creation Environment Service Capability Features Service Control Point Service Delivery Platform Session Initiation Protocol Service Management Point Short Message Service Specialized Resource Point Service Switching Point 16

17 STP TCP VAS VE:A VE:F VE:O VoIP VPN Signalling Transfer Ponit Transmission Control Protocol Value Added Services Vermittlungseinheit Ausland Vermittlungseinheit Fernverkehr Vermittlungseinheit Ortsnetz Voice over IP Virtual Private Network 17

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