Experiment : Sprachübertragung im Internet - VoIP

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1 Experiment : Sprachübertragung im Internet - VoIP Ziel Es wird das Ziel verfolgt, die grundlegenden Vorgehensweisen - zum Aufbau einer Sprachverbindung zwischen 2 Kommunikations-Teilnehmern und - zur Übertragung von Sprache in einem Rechnernetzwerk unter Verwendung des Internet Protokolls zu verdeutlichen. Für diese Art der Sprachkommunikation wird der Begriff VoIP (Voice over Internet Protocol) verwendet. Im folgenden werden zunächst einige allgemeine Protokolle zur Datenübertragung in Rechnernetzwerken sowie einige speziell für die Sprachkommunikation entwickelte Protokolle erläutert. Des weiteren wird das Software Werkzeug Ethereal kurz vorgestellt, mit dem versendete und empfangene Datenpakete eines Rechnersystems erfasst und analysiert werden können. Anschließend werden einige Experimente vorgestellt, mit denen die Vorgehensweisen zum Aufbau einer Verbindung sowie zur eigentlichen Sprachkommunikation verdeutlicht werden sollen. Paketbasierte Sprachübertragung Im Bereich der klassischen Telefonie (ISDN) wird zur Kommunikation zwischen 2 Teilnehmern eine definierte Leitung belegt, die für die Zeit eines Telefongesprächs permanent zur Verfügung steht. Darüber können im Fall von ISDN digitale Daten bei einer Datenrate von Bit/s übertragen werden. Im Fall der Sprachübertragung wird die Codierung nach G.711 (wird auch mit dem Kürzel ALAW bezeichnet) eingesetzt. Dabei werden die Abtastwerte des Sprachsignals, das mit 8000 Hz abgetastet wird, nichtlinear quantisiert. Im Gegensatz dazu wird bei der Datenübertragung im Internet keine definierte Leitung zwischen zwei Kommunikations-Teilnehmern verwendet. Der Datenstrom wird in Pakete unterteilt, die auf unterschiedlichen Wegen vom Sender zum Empfänger gelangen können, wie es in Bild 1 veranschaulicht wird. Dies ist auf den Einsatz von Vermittlungsrechnern, den sogenannten Routern zurückzuführen, die z.b. je nach Auslastung einer Verbindung aufeinanderfolgende Pakete auf unterschiedlichen Wegen weiterleiten. Daher können die Datenpakete beim Empfänger in der falschen Reihenfolge eintreffen. Zudem können Pakete auch verloren gehen. Dies bedeutet im Fall einer Sprachübertragung, dass die Pakete, die die codierte Sprache aufeinanderfolgender H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 1 (17)

2 Signalabschnitte beinhalten, bezüglich ihrer zeitlichen Reihenfolge korrekt sortiert werden müssen. Die Zeitabschnitte verloren gegangener Pakete müssen in irgendeiner Form überbrückt werden. Bild 1: Prinzipielle Vorgehensweise zur Sprachübertragung im Internet Dies hat zur Folge, dass die beim Empfänger eintreffenden Pakete zunächst zwischengespeichert werden müssen, um die korrekte Sortierung oder eine Überbrückung vornehmen zu können. Daraus resultiert jedoch eine Verzögerung der Kommunikation, die sich ab einer bestimmten Größe der Verzögerungszeit (> mehrere 100 ms) unangenehm bezüglich der Gesprächsführung der beiden Teilnehmer bemerkbar macht. Es stellt sich das Gefühl ein, nicht das gewohnte Dialogverhalten benutzen zu können, sondern immer wieder unnatürliche Pausen einlegen zu müssen, um dem anderen nicht ins Wort zu fallen. Als Konsequenz muss man bei der Wahl der Zwischenspeichergröße und der daraus resultierenden Verzögerungszeit einen Kompromiss eingehen, um einerseits nicht zu viele Pakete unberücksichtigt zu lassen, andererseits die Verzögerung nicht zu groß werden zu lassen. Protokolle Zum Verständnis der Übertragung von Sprache im Internet werden die grundlegenden Protokolle zur Datenübertragung im Internet vorgestellt. Es werden in einer schichtförmigen, hierarchisch gegliederten Anordnung unterschiedliche Protokolle eingesetzt. In der praktischen Umsetzung werden die Protokolle in einer bestimmten Reihenfolge angewendet. H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 2 (17)

3 In der sogenannten Netzwerkschicht werden die im Internet versendeten Datenpakete mittels des Internet Protokolls (IP) übertragen. Praktisch wird IP so realisiert, dass die informationstragenden Daten eines Pakets, die übertragen werden sollen, um einen sogenannten Header ( = Kopf) erweitert werden. Dieser Header besteht in der Regel aus 20 Bytes, wobei zwei wesentliche Elemente die Internetadresse des Senders (= 4 Bytes) und die Internetadresse des Empfängers (= 4 Bytes) sind. Die Adresse des Empfängers wird beispielsweise zum Weiterleiten eines Pakets bei einem Router benötigt. Den informationstragenden Teil eines Pakets bezeichnet man auch als payload (= Nutzlast oder Ladung). Der Payload eines IP Pakets beinhaltet wiederum einen gemäß dem Transfer-Control-Protokoll (TCP) oder gemäß dem User-Datagram-Protokoll (UDP) aufbereiteten, informationstragenden Payload Anteil sowie einen TCP oder UDP Header. Die Anwendung von TCP oder UDP erfolgt in der sogenannten Transportschicht. Bei TCP erfolgt auf der Empfängerseite eine Kontrolle von Prüfsummen. Wird dabei ein Fehler festgestellt, der vermutlich bei der Übertragung aufgetreten ist, so wird das Paket nochmals beim Sender angefordert. Diese Vorgehensweise kann im Fall einer Sprachübertragung nicht angewendet werden, da durch das Anfordern und das nochmalige Übertragen von Paketen unzulässig hohe Verzögerungen auftreten. Daher verwendet man in diesem Fall alternativ das UDP Protokoll. Der UDP Header hat in der Regel eine Länge von 8 Bytes und beinhaltet unter anderem die Port nummern bei Sender und Empfänger. An Hand der Portnummer kann ein Paket beim Empfänger der entsprechenden Anwendung (z.b. einem Soft-Phone = softwaremäßige Realisierung eines Telefons) zugeordnet werden. Bei UDP erfolgt keine erneute Anforderung von fehlerhaft empfangenen oder verloren gegangenen Paketen. Im Fall der Übertragung von Sprachdaten besteht der Payload eines IP/UDP Pakets aus einem RTP Paket, das zum einen die codierten Sprachdaten sowie den Header des sogenannten Real-Time Transport Protokolls (RTP) beinhaltet. Ein RTP Header besteht in der Regel aus 12 Bytes. Wichtige Elemente des Headers sind dabei eine fortlaufende Paketnummer, mit der die ankommenden Pakete in der richtigen Reihenfolge sortiert werden können, sowie ein Zeitstempel, durch den z.b. im Fall verloren gegangener Pakete die exakte Information vorhanden ist, welcher Zeitraum überbrückt werden muss. Ein Überblick über die Verschachtelung der gemäß der unterschiedlichen Protokolle aufbereiteten Pakete wird in Bild 2 gegeben. H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 3 (17)

4 IP Paket Header UDP Paket Header RTP Paket Payload Payload Header Payload Codierte Sprachdaten (= Bits des Sprachcodecs) Bild 2: Verschachtelung der verschiedenen Pakete bzw. Protokolle Die zuvor beschriebenen Protokolle wurden mit Bezug auf die Übertragung von Sprachdaten im Internet dargestellt. IP, TCP und UDP werden generell für alle möglichen Anwendungen im Internet eingesetzt. RTP wird beispielsweise auch zur Übertragung von Videodaten in Echtzeit benutzt. Verbindungsaufbau mit dem SIP Protokoll Bevor es zur eigentlichen Sprachübertragung kommen kann, muss zuvor wie bei der klassischen Telephonie ein Verbindungsaufbau mit Wählen der Nummer, Klingeln und Abnehmen des Hörers erfolgen. Dazu wurde das sogenannte Session Initiation Protokoll (SIP) eingeführt. SIP beinhaltet Nachrichten, die zwischen dem Gesprächsteilnehmer, der die Verbindung aufbauen möchte, und dem gewünschten Gesprächsteilnehmer in beiden Richtungen gesendet werden. Dies sind Meldungen wie z.b. eine invitation ( = Einladung) zu einem Gespräch, die vom Anrufer an den Angerufenen geschickt werden, oder ein ok, mit dem der Angerufene dem Anrufer das Abnehmen des Hörers, also seine Gesprächsbereitschaft, mitteilt. Der Telefonnummer entspricht im Bereich der Internettelephonie die Internetadresse des Rechners in Kombination mit einem Benutzernamen. Damit bekommt die Telefonnummer das Aussehen einer Adresse, z.b. hirsch@ Die Verwendung und die Kombination der unterschiedlichen Protokolle wird nochmals in Bild 3 visualisiert. SIP kann in Kombination mit TCP/IP oder mit UDP/IP eingesetzt werden. H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 4 (17)

5 Bild 3: Schichtförmige Anordnung der verschiedenen Protokolle Analyse von IP Paketen mit Ethereal Im Labor Digitale Nachrichtentechnik ist ein lokales Rechnernetzwerk vorhanden, wobei nahezu alle Rechner unter dem Betriebssystem Linux arbeiten. Der grundlegende Aufbau des Netzwerks wird in Bild 4 veranschaulicht, wobei sich die Darstellung auf den zur Durchführung dieses Experiments benötigten Teil beschränkt. Die lokalen Internetadressen, bestehend aus 4 Bytes, liegen im Bereich xxx, wobei xxx Werte zwischen 0 und 255 annehmen kann. Als Schnittstelle ins öffentliche Internet fungiert ein firewall Rechner. Es sind eine Vielzahl von Arbeitsplatzrechnern vorhanden (= workstations), an deren Audioschnittstelle ein Headset mit Mikrofon und Kopfhörer angeschlossen ist. Jede der Workstations besitzt eine feste Internetadresse. Die Internetadresse Ihres Rechners können Sie ermitteln, in dem Sie in einer Linux Konsole das Kommando /sbin/ifconfig eingeben. Nach Aufruf dieses Programms werden Informationen über die bei dem Rechnersystem vorhandenen Netzwerkschnittstellen in der Konsole angezeigt. Die Ethernet Schnittstelle, über die die Internetkommunikation abgewickelt wird, trägt in der Regel die Bezeichnung eth0. In den dazu angezeigten Informationen findet sich unter anderem die Internetadresse ( inet Adresse). Wie lautet die IP Adresse Ihres Rechners:... Der Rechner sun1 mit der Internetadresse fungiert als VoIP server, wobei dies auf der Anwendung der Software des Asterisk Projekts basiert ( ). Prinzipiell benötigt man für eine Sprachkommunikation eigentlich keinen server. Kennt man die Internetadresse seines H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 5 (17)

6 Gesprächspartners, so kann man diesen unmittelbar anwählen. Die Registrierung bei einem Server hat jedoch den Vorteil, dass man sich von einem beliebigen Rechner aus beim Server anmelden kann und damit immer unter der gleichen Adresse erreichbar ist. Zudem ermöglicht ein Server viele der aus der klassischen Telephonie bekannten Dienste, z.b. eine Voic box für jeden Teilnehmer u.s.w.. Außerdem wird damit der Übergang zum ISDN ermöglicht, da sich in dem Rechner sun1 eine ISDN Schnittstellenkarte befindet, die von der Asterisk Software unterstützt wird. Der Rechner ist darüber mit einer Nebenstellenanlage verbunden, die wiederum die Kommunikation ins öffentliche ISDN ermöglicht. Somit kann man von einem Rechner auch jeden Telefonanschluss des öffentlichen Telefonnetzes erreichen. Ethernet Web-Server Workstation Workstation Netzwerk-Emulator work1 work Firewall & Sprachdienste VoIP server (Asterisk) ISDN sun öffentliche Internet ISDN Neben- stellenanlage ISDN VoIP Telefon (DECT) Bild 4: Rechnernetz im Labor Digitale Nachrichtentechnik Des weiteren ist in dem Rechnernetz ein Rechner als Verbindungsrechner (Router) in ein kleines, zweites Teilnetz konfiguriert worden. Dazu besitzt dieser Rechner (wie auch der Firewall Rechner) eine zweite Netzwerkkarte. In dem Netz mit den Internet Adressen xxx ist dieser Rechner unter der Adresse x erreichbar. In dem Netz mit den Internet Adressen xxx H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 6 (17)

7 wurde dieser Rechner mit der Adresse x konfiguriert. Auf dem Verbindungsrechner läuft eine Software mit dem nistnet, mit der bestimmte Effekte bei einer internetbasierten Übertragung emuliert werden können, z.b. der Verlust von Paketen oder die Verzögerung von Paketen. Damit sollen später die genannten Effekte untersucht werden. In dem zweiten Teilnetz ist ein VoIP Telefon vorhanden, das schnurlos nach dem DECT Standard arbeitet. Dieses Telefon ist unter der Internetadresse erreichbar. Eine Besonderheit dieses Telefons ist die Möglichkeit, es neben dem LAN Anschluss auch über einen analogen Telefonanschluss zu betreiben. Dabei kann man bei jedem Gespräch entscheiden, über welches Netz man das Gespräch führen möchte. Um Datenpakete, die von einem Rechner per Internet gesendet oder empfangen werden, erfassen und analysieren zu können, gibt es Software-Werkzeuge, die parallel zur eigentlichen Anwendung (z.b. dem Soft-Phone) gestartet werden und auf die Pakete zugreifen, diese speichern und die in den Paketen enthaltenen Informationen darstellen. Im folgenden wird das Software-Werkzeug, das die Bezeichnung Ethereal trägt und als freie Software für die Betriebssysteme Linux und Windows zur Verfügung steht, eingesetzt. Da der Zugriff von Ethereal auf die Ethernet Netzwerkschnittstelle Administratorrechte benötigt, wurde das Werkzeug schon im vorhinein gestartet. Sie sollten es somit in der Auflistung gestarteter Anwendungen finden. Wenn Sie mit der Maus darauf klicken, sollten Sie das folgende Bild auf Ihrem Bildschirm sehen: H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 7 (17)

8 Das Einfangen von Paketen kann gestartet werden, in dem Sie unter dem Menüpunkt Capture den Unterpunkt start auswählen. Um sich mit Ethereal und dem Einfangen von Paketen vertraut zu machen, sollen Sie zunächst die bei einer http Session mit einem Web-Browser auftretenden Pakete erfassen. Starten Sie dazu den Firefox oder einen anderen Web-Browser. Geben Sie im Browser schon einmal ein, ohne den Auftrag jedoch zu aktivieren. Aktivieren Sie nun bei Ethereal das Einfangen: Capture Start ok. Aktivieren Sie nun im Web-Browser den Aufbau der Internetseite der Hochschule. Nach dem Aufbau der Seite stoppen Sie das Einfangen der Pakete in Ethereal. Danach erscheinen in dem oberen Anzeigefenster von Ethereal die eingefangenen Pakete mit einer 1. einer fortlaufenden Nummer 2. einer Zeitangabe 3. der Internetadresse des aussendenden Rechners 4. der Internetadresse des empfangenden Rechners 5. einer Protokollangabe in Kurzform sowie 6. einigen Informationen zu dem empfangenen Paket Um die Ansicht auf bestimmte Pakete (z.b. die Pakete eines bestimmten Protokolls) zu beschränken, kann man in Ethereal unterhalb der graphischen Menüleiste eine Textangabe zum Herausfiltern machen. Tragen Sie dort dns ein. Damit werden nur die Pakete des domain Name server Protokolls angezeigt. An welche Internetadresse werden diese Pakete (von Ihrem Rechner) geschickt:... Dies sollte die Adresse des Domain Name servers der Hochschule sein. Ein Domain Name Server wird benötigt, um die Textangabe in eine Internetadresse umzusetzen. Bei dem letzten DNS Paket sollten bei den Informationsangaben zu dem Paket die Internetadresse des eigentlichen Web Servers der Hochschule auftreten. Wie lautet diese Internetadresse:... Filtern Sie nun mit dem Text http. Damit werden Ihnen nur die eigentlichen http Pakete angezeigt, die die Informationen zum Aufbau der Web-Seite auf ihrem Browser beinhalten. Schauen Sie sich eines der vom Hochschul-Webserver an Ihren Rechner gesendeten Pakete (in dem unter Info Continuation steht) genauer an, in dem Sie die entsprechende Zeile in der Auflistung der Pakete anklicken. (?????????????? continuation ) In dem darunter liegenden Fenster werden Ihnen nun detaillierte Informationen zu diesem Paket angezeigt. In dem Sie dort wiederum auf das kleine Dreieck am Anfang einer Zeile klicken, werden H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 8 (17)

9 Ihnen detaillierte Informationen zu einem bestimmten Protokoll angezeigt. Schauen Sie sich die Informationen zum Internet Protokoll an. Wie viele Bytes beinhaltet der Header des IP Pakets: Wie viele Bytes beinhaltet das IP Paket insgesamt: Wie viele Bytes beinhaltet somit der Payload des IP Pakets: Außerdem werden im untersten Anzeigefenster von Ethereal die zugehörigen Bytes sowohl als Hexadezimal als auch als ASCii Werte dunkel hervorgehoben, so dass man bis auf Bitebene herunter die Informationen entnehmen kann. Klicken Sie nun auf das kleine Dreieck der Zeile des Transmission Control Protokolls. Wie viele Bytes beinhaltet der Header des TCP Pakets: Wie viele Bytes beinhaltet somit der Payload des TCP Pakets: Klicken Sie nun auf das Dreieck des Hypertext Transfer Protokolls. Nun können Sie im untersten Fenster in der ASCii Darstellung den Teil eines HTML files finden. Die Darstellung der eingefangenen Pakete in Ethereal kann gelöscht werden, in dem Sie in der graphischen Menüleiste das Symbol mit dem Kreuz ( Close this capture file ) anklicken. Kommunikation mit einem VoIP Telefon Starten sie nun ein Softphone auf Ihrem Rechner, in dem Sie in der Linux Konsole linphone & eingeben. Es erscheint das nachstehende Fenster auf Ihrem Bildschirm, wobei die Menüangaben auf einigen Rechner in Deutsch, auf anderen in Englisch erscheinen. Das Softphone wurde bereits im vorhinein konfiguriert. Unter dem Menüpunkt start Voreinstellungen (bzw. go preferences ) kann man wiederum unter dem Menüpunkt SIP den voreingestellten Benutzernamen Ihres SIP Telefons finden. Wie lautet der Name: H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 9 (17)

10 Unter dem Menüpunkt Codecs können Sie sehen, welche Sprachcodierverfahren dieses VoIP Softphone unterstützt. Es können einzelne Verfahren freigegeben oder gesperrt werden als auch bezüglich der Reihenfolge Ihrer Anwendung nach oben oder unten verschoben werden, wobei die Anordnung weiter oben eine bevorzugte Verwendung bedeutet. Geben Sie nur zunächst nur das PCMA Verfahren frei und sperren alle anderen Verfahren. PCMA entspricht der Codierung im ISDN nach der ITU Empfehlung G.711. Klicken Sie abschließend auf Anwenden bzw. Apply. Um sicher zu gehen, dass die modifizierten Einstellungen tatsächlich übernommen werden, sollten Sie das Softphone noch einmal schließen und neu von der Konsole starten. Aktivieren Sie nun bei Ethereal ein Einfangen ( Capture Start ok ). Rufen Sie das im Labor vorhandene VoIP Telefon unter siemensphone@ an. Testen Sie die Sprachverbindung, in dem einer das Headset am Rechner benutzt und der andere das Gespräch am VoIP Telefon annimmt. Beenden Sie das Gespräch, in dem Sie beim Softphone auflegen. Stoppen Sie das Einfangen der Pakete. Filtern Sie die Pakete mit dem Text sip, so dass nur die Pakete des SIP Protokolls angezeigt werden. Skizzieren und kennzeichnen Sie in der nachstehenden Darstellung die Nachrichten des SIP Protokolls, die zum Aufbau bzw. zum Abbau der Verbindung gesendet werden, als gerichtete Pfeile zwischen Ihrer Internetadresse und der des VoIP Telefons oder umgekehrt. Verbindungsaufbau Internetadresse Ihres Rechners:... VoIP Telefon: H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 10 (17)

11 Verbindungsabbau Internetadresse Ihres Rechners:... VoIP Telefon: Schauen Sie sich die Invite Nachricht etwas genauer an. Wenn Sie sich das User Datagram Protokoll anzeigen lassen, können Sie diesem die Portnummer entnehmen, unter der das SIP Protokoll üblicherweise abgewickelt wird. Portnummer: Wenn Sie sich das SIP Protokoll selbst anschauen, finden Sie dort als message body wiederum das Session Description Protokoll (SDP), mit dem einige Details dieser Verbindung festgelegt werden. Unter anderem finden Sie unter media description wiederum das media format, das die unterstützten Sprachcodierverfahren definiert. Wie lautet das verwendete Media Format: Mit welcher Datenrate wird bei diesem Verfahren das Sprachsignal codiert: Bit/s Analysieren Sie im folgenden eines der Datenpakete, das die codierten Sprachdaten beinhaltet. Filtern Sie dazu die Pakete mit dem Text rtp, so dass Ihnen nur die Pakete, die gemäß dem Real- Time Transport Protokoll erzeugt wurden, angezeigt werden. Schauen Sie sich eines der Pakete an, bei dem unter Infos das oben bestimmte Media Format als payload type angegeben wird. Betrachten Sie die Detailangaben zum RTP Protokoll. Wie viele Bytes beinhaltet der Payload Teil des RTP Pakets: Wie lang ist der Sprachabschnitt, der durch den Payload eines Pakets beschrieben wird: ms Kommunikation zweier Softphones Im folgenden soll eine Sprachkommunikation zu einer Nachbargruppe an einem anderen Rechner hergestellt werden, wobei die Kommunikation über den VoIP Server, auf dem die Asterisk Software läuft, stattfinden soll. Die Sprachübertragung soll in diesem Fall mit Hilfe der Codierung gemäß des GSM Full-rate Codecs erfolgen. Ändern Sie dazu die Einstellung Ihres Softphones. H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 11 (17)

12 Unter dem Menüpunkt start Voreinstellungen (bzw. go preferences ) kann man unter dem Menüpunkt Codecs das Sprachcodierverfahren auswählen. Geben Sie nur das GSM Verfahren frei und sperren alle anderen Verfahren. Klicken Sie abschließend auf Anwenden bzw. Apply. Um sicher zu gehen, dass die modifizierten Einstellungen tatsächlich übernommen werden, sollten Sie das Softphone noch einmal schließen und neu von der Konsole starten. Das Softphone sollte so konfiguriert sein, dass beim Start des Programms unmittelbar eine Registrierung beim Asterisk Server erfolgt. Sprechen Sie sich mit der Nachbargruppe ab, wer wen anrufen möchte. Starten Sie auf jedem der beiden beteiligten Rechner das Einfangen von Paketen mit Ethereal. Die anrufende Gruppe initiiert durch Eingabe von <benutzername der anderen Gruppe>@ beim Softphone den Aufbau der Verbindung. Testen Sie, ob eine Sprachkommunikation möglich ist. Beenden Sie das Gespräch von der Anruferseite aus. Stoppen Sie nach Beendigung des Gesprächs das Einfangen. Filtern Sie die Pakete mit dem Text sip, so dass nur die Pakete des SIP Protokolls angezeigt werden. Skizzieren Sie in der nachstehenden Darstellung die Nachrichten des SIP Protokolls, die zum Aufbau bzw. zum Abbau der Verbindung gesendet werden, als gerichtete Pfeile zwischen Ihrer Internetadresse und der des Asterisk Servers oder umgekehrt. Verbindungsaufbau Internetadresse Ihres Rechners:... Asterisk Server: H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 12 (17)

13 Verbindungsabbau Internetadresse Ihres Rechners:... Asterisk Server: Schauen Sie sich die Invite Nachricht wieder genauer an. Im SIP Protokoll finden Sie als message body das Session Description Protokoll (SDP), mit dem einige Details dieser Verbindung festgelegt werden. Unter anderem finden Sie unter media description das media format, das die unterstützten Sprachcodierverfahren definiert. Wie lautet das verwendete Media Format: Mit welcher Datenrate wird bei diesem Verfahren das Sprachsignal codiert: Bit/s Wie viele Bits werden zur Codierung eines 20 ms langen Sprachsignalabschnitts benötigt: Bits Analysieren Sie im folgenden eines der Datenpakete, das die codierten Sprachdaten beinhaltet. Filtern Sie dazu die Pakete mit dem Text rtp, so dass Ihnen nur die Pakete, die gemäß dem Real- Time Transport Protokoll erzeugt wurden, angezeigt werden. Schauen Sie sich eines der Pakete an, bei dem unter Infos das oben bestimmte Media Format als payload type angegeben wird. Betrachten Sie die Detailangaben zum RTP Protokoll. Wie viele Bytes beinhaltet der Payload Teil des RTP Pakets: Wie lang ist der Sprachabschnitt, der durch den Payload eines Pakets beschrieben wird: ms Aus wie vielen Bytes besteht der IP-Header: Aus wie vielen Bytes besteht der UDP-Header: Aus wie vielen Bytes besteht der RTP-Header: Wie viele Bytes beinhalten somit alle Header zusammen: Welche Datenrate ergibt sich somit insgesamt unter Berücksichtigung der zuvor aufgeführten Header zur Übertragung des Sprachsignals: bits/s Untersuchung der Störeinflüsse bei einer internetbasierten Kommunikation Im folgenden sollen einige der bei einer internetbasierten Übertragung möglichen Störeinflüsse untersucht werden. Dazu kann auf dem Rechner, der die Teilnetze mit den IP-Adressen H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 13 (17)

14 xxx und xxx verbindet, jede Internet Verbindung zwischen den beiden Teilnetzen mit Hilfe der nistnet Software beeinflusst werden. Die Software besitzt eine graphische Benutzer-Schnittstelle, die im nachstehenden Bild dargestellt wird. Darin können zeilenweise die Parameter der Verbindung zwischen einer Quellen-IP-Adresse (source) und einer Ziel-IP-Adresse (destination) festgelegt werden. Die eingegeben Parameterwerte gelten nur für eine Kommunikationsrichtung (Quelle Ziel). Für die umgekehrte Kommunikationsrichtung (Ziel Quelle) können die Parameter in einer separaten Zeile unabhängig definiert werden. In der folgenden Abbildung ist der Einfluss von zwei Verbindungsparametern, der Verzögerung ( delay ) von Datenpaketen in <ms> und der Paketverlustrate in <%>, auf die Sprachqualität einer VoIP-Verbindung mit einer grob klassifizierenden Unterteilung zu sehen. Danach führt eine Paketverlustrate (Packetloss/Drop) von mehr als 5 % oder eine Verzögerung (Delay) der Sprache von mehr als 400ms zu einer unakzeptablen Sprachqualität. H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 14 (17)

15 Bild: Grob klassifizierende Beschreibung der Sprachqualität in Abhängigkeit der Verzögerung in <ms> sowie der Paketverlustrate in <%> (gemäß einer Empfehlung der International Telecommunication Union) Sie können die Auswirkungen dieser Parameter selbst untersuchen, in dem Sie entsprechende Werte in der graphischen Benutzeroberfläche der NistNet-Software definieren. Die Kommunikation kann dabei zwischen Ihrem Rechner und entweder dem VoIP-Telefon oder dem Rechner sun7 stattfinden. Dazu müssen Sie zwei Zeilen in der Oberfläche definieren, wobei die IP-Adresse Ihres Arbeitsplatzes sowie entweder die IP-Adresse des VoIP-Telefons oder die Adresse des Rechners sun7, der sich im zweiten Teilnetz befindet, eingetragen werden müssen. Stellen Sie mit Linphone eine Verbindung entweder zu oder zu her und führen Sie ein Gespräch. Während des Gesprächs können Sie die Parameter der Netzwerk Emulation verändern. Untersuchen Sie zunächst den Einfluss der Verzögerung, in dem Sie nacheinander Werte von 200 ms, 400 ms und 800 ms in beiden Kommunikationsrichtungen einstellen. Setzen Sie die Verzögerung wieder auf 0 ms und tragen Sie für beide Kommunikationsrichtungen nacheinander Paketverlustraten von 5%, 10% und 20% in der Spalte mit der Bezeichnung Drop ein. Ein weiteres Problem kann in der unterschiedlichen Laufzeit verschiedener Datenpakete bestehen. Man bezeichnet diesen Effekt als Jitter. Zur Kompensation werden so genannte Jitterbuffer eingesetzt, mit denen die unterschiedlichen Laufzeiten kompensiert werden sollen. Dies führt jedoch ebenfalls zu einer Verzögerung. Daher wird die Größe der Buffer beschränkt. Allerdings gehen dadurch zu spät eintreffende Pakete verloren. H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 15 (17)

16 Den Einfluss des Jitter können Sie untersuchen, indem Sie neben der Eingabe eines Werts für die Verzögerung zusätzlich einen Wert in der Spalte mit der Bezeichnung Delsigma in [ms]. Dann werden die Pakete zufällig mit der eingestellten Verzögerung plus/minus dem Deltawert verzögert. Geben Sie für die Verzögerung einen Wert von 200 ms und für Delsigma ebenfalls einen Wert von 200 ms ein. Dann werden die Pakete zufällige Laufzeiten zwischen 0 und 400 ms besitzen. Untersuchen Sie die Sprachqualität, wenn Sie für die Verzögerung und für Delsigma jeweils einen Wert von 400 ms eingeben. Kommunikation mit der ISDN Welt Durch den Einsatz einer ISDN Karte im Asterisk Server sowie einer entsprechenden Software- Unterstützung durch Asterisk ist auch eine Kommunikation zur im Labor vorhandenen ISDN Nebenstellenanlage möglich. Dabei dient die Ziffer 9 als erste Ziffer einer IP Telefonnummer der Kennzeichnung eines Gesprächs, das über ISDN abgewickelt werden soll. Rufen Sie beispielsweise 924@ an, so sollten Sie mit dem Stauauskunftssystem, das auf dem Firewall-Rechner aktiv ist, verbunden werden. Dort können Sie per Spracheingabe aktuelle Staumeldungen auf den Autobahnen in NRW abrufen, wobei die eingegebene Sprache mit Hilfe eines Spracherkennungssystems ausgewertet wird. Video-Telephonie Wie schon zuvor erwähnt wurde, wird das Real-Time Protokoll (RTP) auch zur Übertragung von Videodaten in Echtzeit verwendet. Die Anwendung von VoIP in Verbindung mit einer Videokommunikation ist im DNT-Labor zwischen den Arbeitsplätzen sun4 (lab_4@ ) und sun7 (lab_7@ ) möglich. Starten Sie hierzu auf beiden Rechnern in einer Konsole die Software Ekiga ( mit dem Befehl ekiga &. Ekiga ist Soft-Videotelefon, bei dem neben der Sprache auch die mit einer Web-Kamera erfasste Bildfolge übertragen wird. Welcher Codec wird für die Sprachübertragung verwendet: Welcher Codec wird für die Übertragung der Videodaten verwendet: H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 16 (17)

17 Stellen Sie eine Verbindung durch die Eingabe der Sip-Adresse und das Betätigen des nebenstehenden Buttons her. Zur Codierung der Videodaten wird hier ein Codec nach dem Standard eingesetzt. In diesem Standard ist eine maximale Verzögerungszeit für die Kompression und Dekompression von zusammen 150 ms festgelegt. Sie können die Störeinflüsse einer internetbasierten Übertragung wiederum untersuchen, in dem Sie wie zuvor in der graphischen Oberfläche der nistnet Emulation die entsprechenden Parameter modifizieren. H. Günter Hirsch Version: pa2 Seite 17 (17)