Voice over IP Eine Einführung

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1 Voice over IP Eine Einführung Marcus Fey Technische Universität Chemnitz 1. Februar 2006 Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

2 Inhalt 1 Einführung 2 Codecs 3 Transportprotokoll 4 Signalisierungsprotokoll und Auskunftsdienst 5 Das RTP-NAT-Problem 6 Nicht behandelte Punkte 7 Diskussion Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

3 Inhalt 1 Einführung Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

4 Zutaten für Voice-over-IP Physische Zutaten kompatible Endgeräte (IP-Telefon, PC) geeignete Netzwerkverbindung Logische Zutaten Möglichkeit, Sprache zu kodieren/komprimieren Codec Möglichkeit, kodierte Daten zu übertragen Transportprotokoll Möglichkeit, das Ziel-Gerät zu finden und zu erreichen Signalisierungsprotokoll/Auskunftsdienst Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

5 Inhalt 2 Codecs Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

6 Codecs: Sprachkodierung und -kompression Abtastwert-orientierte Kodierung: Pulse Code Modulation (PCM) dumme Sprachkodierung relativ hohe Bitraten nötig hohe maximal erreichbare Qualität segmentorientierte Kodierung: Linear Prediction Coding (LPC) Eingangssignal wird in Segmente geteilt betrachtet berücksichtigt Sprachentstehung (Effekte von Kehlkopf, Mundhöhle) bei gleicher Qualität geringere Bitraterate nötig Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

7 Vergleich Audiocodecs Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

8 Inhalt 3 Transportprotokoll RTP im Detail RTCP im Detail Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

9 Transportprotokoll Anforderungen einfacher (schneller) Transport und Verarbeitung der Datenpakete Isochronität: zeitlich korrekte Verarbeitung Nutzlast muss spezifizierbar sein (Medientyp und Codec) Übertragungsrate entsprechend der Netzwerkbedingungen anpassen Unnötig Quittierung von Paketen, erneute Übertragung wäre zu langwierig Lösung Real-Time Transport [Control] Protocol (RT[C]P) Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

10 Konzepte von RTP/RTCP Definition RFC 3550 (aktuell) Bestandteile RTP zum Transport der Daten selbst Daten werden in virtuellem Media Channel übertragen RTCP zur Kontrolle und Steuerung der Datenübertragung festlegen der Datenrate Informationen zur Übertragungsqualität Daten werden in virtuellem Media Control Channel übertragen Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

11 RTP im Detail Sub -Transportprotokoll: UDP kein Quittungsbetrieb keine automatische Flusskontrolle keine Garantie der Unversehrheit der Daten (CRC o.ä.) nur Empfänger bemerkt gestörten Datenstrom (Paketverlust, Verzögerungen, etc.) Verbindung findet in sog. Sessions statt (Client-Server Prinzip) Serverport wird zufällig bestimmt, d.h. Sender muss über Nummer informiert werden Problem für Firewalls/NAT verschiedene Datenströme können zusammengeführt (gemixt) oder übersetzt werden Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

12 Header von RTP-Paketen Payload Type Codec Sequence Number & Timestamp Isochronität und Empfangspuffergröße Synchronization Source Identifier (SSRC) Sender- Gerät optional: Contributing Source Identifier (CSRC) (bei Mixereinsatz) Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

13 Einsatz von Mixern bei RTP Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

14 RTCP im Detail Empfänger und Sender tauschen sich mit z.b. Sender bzw. Receiver Reports aus immer mehrere RTCP-Pakete in einem UDP-Paket Auswahl möglicher Pakettypen: Sender Report (SR) (s.u.) Receiver Report (RR) (s.u.) Application Defined Packets (APP) BYE Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

15 Receiver und Sender Reports Receiver Report: Übertragungsdaten aus Sicht des Empfängers Sender Report: Übertragungsdaten aus Sicht des Senders/Mixers Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

16 Inhalt 4 Signalisierungsprotokoll und Auskunftsdienst SIP H.323 Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

17 Signalisierungsprotokoll und Auskunftsdienst Anforderungen Sender (Anrufer) muss Empfänger finden können, weiß nur nichttechnische Daten (also Name/ mobile Adresse) muss Port für RTP-Übertragung übermitteln Audio-/Video-Codecs müssen ausgehandelt werden Zwei mögliche Lösung Session Initiation Protocol SIP H.323-Framework Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

18 Allgemeines zu SIP von IETF spezifiziert Ursprung: IP-Netzwerke und -Protokolle Protokoll zur Übertragung von Daten zum Aufbau einer RTP-Session an HTTP/SMTP angelehnt textbasiert, zeilenorientiert normalerweise Transport über UDP, Server auf Port 5060 empfiehlt Session Description Protocol (SDP) zur Beschreibung der RTP-Session ( Nachrichteninhalt) SIP-Namen ähnlich -Adressen Domain-basiert Einsatz von z.b. DNS oder LDAP Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

19 Einfache Signalisierung eines Anrufs mit SIP 1 Anrufer (A) kennt Rechner von Empfänger (B) 2 A schickt SIP-Request (INVITE) an B 3 ist B erreichbar, wird RINGING zu A geschickt 4 nimmt B Anruf entgegen, wird OK gesendet, A bestätigt (ACK) Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

20 Weiterer Verlauf des Anrufs 5 zunächst RTP-Verbindungsaufbau 6 während des Anrufs: eventuell SIP re-invite-request 7 Anrufende: SIP-Request zur Signalisierung des Anrufendes RTCP-Nachricht zum Abbau der Verbindung Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

21 Bestandteile einer SIP-Architektur Endgeräte: SIP-Telefon oder Computer Proxy-Server: Kontaktieren des Anrufziels durch Durchschleifen der Anfrage (s.u.) Redirect-Server: Finden des Anrufziels durch Rückgabe von Zusatzinformationen (s.u.) Location-Server/Registrar ordnet einer SIP-Adresse den Namen des aktuell benutzen Rechners zu oft Modul des Proxy-/Redirect-Servers implizit: Domain Name Server Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

22 Signalisierung mit Proxy-Server 1 Anrufer sendet SIP-Request (INVITE) an SIP-Server 2 Proxy befragt Location Server nach Rechner zu SIP-Adresse 3 eingegangenen SIP-Request bearbeiten: eigene Adresse als Zwischenstation (Via) eintragen, dann an Zielrechner senden 4 SIP-Response (und alle weitern SIP-Nachrichten) durchleiten Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

23 Signalisierung mit Redirect-Server 1 Anrufer sendet SIP-Request (INVITE) an SIP-Server 2 Redirect-Server befragt LS nach Rechner zu SIP-Adresse 3 SIP-Response an Sender des INVITE: Standort des Ziels 4 Sender bestätigt mit ACK an Redirect-Server 5 Sender schickt neuen SIP-Request direkt an Rechner des Anrufziels Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

24 Beispiel: Header eines SIP-Requests Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

25 Request Methods und Response Codes einige Request Methods INVITE: Anrufinitialisierung BYE: Verbindungsabbau beginnen ACK: Bestätigung REGISTER: Registrierung eines Endgeräts beim Registrar Response Code-Klassen: sehr ähnlich zu HTTP 1xx: Informational (z.b. Trying, Ringing ) 2xx: Success (Request empfangen und akzeptiert) 3xx: Redirection (z.b. Moved Permanently, Moved Temporarily ) 4xx: Client Error (Fehler bei Anfrage des Clients) 5xx: Server Error (Server kann Request nicht ausführen) Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

26 Session Description Protocol SDP v-zeile: Angabe der SDP-Version (z.b. v=0) o-zeile (owner): Angabe zu Initiator s-zeile (subject): Name der Session m-zeile (media): Beschreibung der Übertragungsdaten a-zeile (attribute): Spezifizierung einer vorherigen Zeile Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

27 Voice over IP nach H.323-Standard ITU-T-Standard Wurzel: Telekommunikation klassisches Protokoll H.323 bildet Framework für VoIP-Standards und legt deren Zusammenarbeit fest (H.225/245, TCP/IP, RTP) Gatekeeper kontrolliert Endgeräte (müssen sich registrieren, Bandbreite anfordern, etc.) Signalisierung über H.225 bzw. H.245 binäres Protokoll stark an klassisches Telefonsystem angelehnt (z.b. Verwendung des ISDN-Protokolls) VoIP-Gateway zur Verbindung mit Telefonnetz möglich Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

28 H.323-Systemkomponenten Endgeräte (Telefon, PC) Gatekeeper (GK) kontrolliert Endgeräte einer H.323-Zone Abbildung von generischen Adressen auf IPs prüft Nutzungsberechtigung für Bandbreite IP-Domains werden über Border Elements (BE) verbunden TRIP bzw. H.225 Annex G zum Austausch der Anrufziele (ähnlich BGP-4) Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

29 Verbindungsverlauf Voraussetzung: Terminals per RAS registriert Anrufverlauf Gatekeeper muss Anruf genehmigen kann Bandbreite reservieren (RSVP) H.225 überträgt Daten zur H.245-Kanal- Einrichtung H.245 überträgt Daten zur RT(C)P-Kanal- Einrichtung Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

30 Inhalt 5 Das RTP-NAT-Problem Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

31 Das RTP-NAT-Problem In vielen privaten Netzwerken NAT im Einsatz Router verändert IP-Paket bei Verlassen des privaten Netzes (ersetzt Absende-IP und -Port) Problem für SIP/RTP: in SIP-Nachricht (Anwendungsschicht) steht private Absender-IP und RTP-Port Antwort auf SIP-Nachricht an private IP des Senders nicht im öffentlichen Netz geroutet Lösungsvariante: STUN (Simple Traversal of User Datagram Protocol Through Network Address Translators) 1 SIP-Endgerät erfragt öffentliche IP von STUN-Server im Internet 2 in SDP wird öffentliche IP und Port eingetragen Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

32 STUN am Beispiel Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

33 Inhalt 6 Nicht behandelte Punkte Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

34 Nicht behandelte Punkte Gateways: MGCP, Megaco Vernetzung mit Telefonnetz / TK-Anlagen: TRIP, ENUM Sicherheitsaspekte SRTP/SRCTP bei der Signalisierung QoS-Aspekte: Queueing, Subnetzbildung Firewall-Kompatibilität Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

35 Inhalt 7 Diskussion Details und Beschränkungen von STUN Einsatz von Asterisk Abrechenbarkeit von VoIP-Gesprächen Codecwechseln Implementierung von RTP/RTCP Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

36 Dem Vortrag folgende Diskussion Nach dem Vortrag wurden folgende Fragen diskutiert: Details und Beschränkungen von STUN Einsatz von Asterisk Abrechenbarkeit ( Billing ) von VoIP-Gesprächen automatischer Codecwechseln bzw. Reaktionen des Gatekeepers auf Netzwerkauslastung Umfang der Implementierung und Nutzung der Fähigkeiten von RTP/RTCP Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

37 Details und Beschränkungen von STUN Funktionsweise von STUN 1 SIP-Endgerät im privaten Netz schickt STUN-Nachricht an STUN-Server im öffentlichen Netz 2 STUN-Server meldet SIP-Endgerät dessen öffentliche IP-Adresse und den (aktuell genutzten) öffentlichen Port 3 SIP-Endgerät trägt diese Adresse-/Port-Kombination in SDP-Teil des SIP-INVITE ein (die im privaten Netz eigentlich falsch wären) Beschränkungen von STUN: Nicht alle NAT-Typen kompatibel Zitat aus RFC 3489 (STUN): In particular, STUN does not enable incoming UDP packets through symmetric NATs (defined below), which are common in large enterprises. Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

38 Einsatz von Asterisk Telefonanlagensoftware, die in H.323- und SIP-Netze sowie herkömmliche Telefonanlagen integriert werden und dazwischen vermitteln kann Überbrückung von NAT mit Asterisk 1 Anrufer sendet SIP-INVITE an Anrufziel 2 Asterisk-Server (am Ausgang des privaten Netzes) fängt INVITE ab und sendet eigenes SIP-INVITE an Anrufziel 3 Anrufziel meldet vorhandene Codecs an Asterisk-Server 4 wenn Codecs kompatibel, sendet Asterisk-Server RE-INVITE an Anrufer und Anrufziel (mit zu verwendendem Codec) 5 beide RTP-Übertragungen (Anrufziel Anrufer und Anrufer Anrufziel) gehen beim Asterisk-Server ein, dieser leitet RTP-Pakete an eigentliche Ziele weiter Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

39 Abrechenbarkeit von VoIP-Gesprächen wahrscheinliche Entwicklung: traditioneller Telefonanschluss wird durch VoIP ersetzt werden Verlust von Einnahmequellen für Telefonanbieter möglicherweise Versuch der Erhebung von Gebühren auf VoIP-Übertragung durch Internet-Provider (oftmals gleichzeitig Telefonanbieter) Gegenargument: Internet-Provider mit VoIP-Gebühren im hart umkämpften Markt nicht konkurrenzfähig Option: Internet-Provider sperrt klassische VoIP-Ports (allerdings existieren auch Maßnahmen dagegen) mögliche endgültige Situation: Flatrate für Sprachtelefonie Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

40 Automatische/erzwungene Codecwechsel kleine Änderungen der Sprachkodierung sind ohne Signalisierung auf RTP-Ebene möglich (z.b. Umschalten zwischen µ-law und A-Law bei G.711 durch ändern des Payload-Types) bei H.323 nutzen Gatekeepers den Zwang zur Anmeldung einer Übertragung zur Reservierung von Bandbreite und damit zur Garantie einer Quality of Service für bestehende Verbindungen es konnte nicht geklärt werden, ob in der Praxis bestehenden Verbindungen zum Wechseln zu Codecs mit einer geringeren Datenrate gezwungen werden Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

41 Implementierung von RTP/RTCP viele SIP-Telefone bzw. VoIP-Programme nutzen RTCP nur zur Signalisierung des Verbindungsabbaus (BYE) Felder des RTP-Header werden oft ignoriert manche Programme gehen von einer festen Größe von 12 Byte des RTP-Headers aus, damit würden CSRC-Felder fälschlicherweise als Nachrichteninhalt interpretiert Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42

42 Bibliographie I Badach, Anatol (2005). Voice over IP: Die Technik. 2. überarbeitete und erweiterte Auflage. München/Wien: Carl Hanser Verlag. Khasnabish, Bhumip (2003). Implementing Voice over IP. Lexington: Wiley. Nölle, Jochen (2003). Voice over IP: Grundlagen, Protokolle, Migration. Berlin/Offenbach: VDE Verlag. Perkins, Colin (2003). RTP: Audio and Video for the Internet. Upper Saddle River: Addison-Wesley Professional. Marcus Fey (TU-Chemnitz) Voice over IP Eine Einführung 1. Februar / 42