Einführung in Voice over IP (VoIP) für IT-Techniker

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1 Einführung in Voice over IP (VoIP) für IT-Techniker VoIP ändert drastisch die Arbeitsumgebung der Netzwerktechniker, erfordert neues Wissen und Tools zur Installation und Diagnose von IP-Telefonen. Dieser Anwendungsbericht weist Sie in die technischen Grundlagen und die Funktionsweise von VoIP ein. Inhalt Was ist VoIP? Standards für VoIP VoIP-Netzwerke Funktionsweise von VoIP Schlussfolgerung

2 Einführung in VoIP für IT-Techniker Technischer Anwendungsbericht Überblick Steht schon ein IP-Telefon auf einem Schreibtisch in Ihrer Nähe? Wenn nicht, dürfte es nicht mehr lange auf sich warten lassen. Das IP-Telefon ist kein PC, verfügt aber zum Teil über die gleichen Hardware- und Software-Elemente wie PCs. VoIP ändert drastisch die Arbeitsumgebung der Netzwerktechniker, erfordert neues Wissen und Tools zur Installation und Diagnose von IP-Telefonen. Geräte zur LAN-Diagnose müssen neben der Ethernet-Analyse heute auch VoIP-Signalisierungsprotokolle und Sprachübertragung unterstützen. Ohne Kenntnisse der VoIP-Technologie werden Netzwerktechniker also gar nicht mehr auskommen. Dieser Anwendungsbericht weist Sie in die technischen Grundlagen und die Funktionsweise von VoIP ein. Was ist VoIP? VoIP (Voice over Internet Protocol), auch als IP-Telefonie bezeichnet, ist heute in aller Munde. Die Technologie ist auf dem Vormarsch in Unternehmen, Bildungseinrichtungen und Regierungsbehörden. VoIP ersetzt die bisherigen TDM-Technologien und -Netzwerke durch ein IP-basiertes Datennetz. Digitalisierte Sprache wird in Form von IP-Datenpaketen über ein LAN und/oder WAN übertragen. Für die Installation und Prüfung eines VoIP-Netzwerks aus IP-Telefonen, s und Servern sind spezielle Tools und neue Kenntnisse erforderlich. Im Folgenden erläutern wir die Funktionsweise und Prüfung von VoIP. Unsere bisherigen Telefonnetze haben viele Jahre lang eine zuverlässige Sprachkommunikation hoher Qualität ermöglicht. Zur Übertragung der gesprochenen Sprache dient ein standardisierter Kanal von 64 kbit/s. Diese 64 kbit/s Bandbreite sind jedem Gespräch garantiert. Die Sprache wird auf dem Sprachpfad als fortlaufender digitaler Strom, NICHT in Paketen, übertragen. Zum Verbindungsaufbau und der Gesprächsverwaltung dienen in Unternehmen und Privatwohnungen Steuerinformationen (Signalisierung) nach dem Mehrfrequenzwahlverfahren (MFV), auf dem TI-Kanal und dem ISDN-D-Kanal. Bei ISDN werden die Steuerinformationen in Paketen auf einem eigenen Signalisierungskanal über den Basisanschluss (BA oder BRI) und Primärmultiplexanschluss (PMXA oder PRI) zum Betreiber übertragen. Beim Betreiber werden alle Formen von Steuerinformationen in ein internes Signalisierungsprotokoll namens Signaling System 7 übersetzt. Signalisierungsprotokolle sind vorwiegend am Anfang und Ende eines Anrufs von Bedeutung. In VoIP-Netzwerken gibt es ein Signalisierungs- und ein Sprachübertragungsprotokoll. Bei beiden Protokollen müssen alle Informationen als IP-Pakete übertragen werden. Es gibt verschiedene standardisierte Signalisierungsprotokolle, darunter H.323, SIP, MGCP und H.248 (MEGACO). Darüber hinaus haben die meisten Hersteller von IP-Telefonanlagen (IP PBX) proprietäre Signalisierungsprotokolle entwickelt; das verbreitetste davon ist SCCP (Skinny Client Control Protocol oder kurz Skinny ) von Cisco. Das standardisierte Sprachübertragungsprotokoll für VoIP ist RTP. Die Sprache wird digitalisiert, in Pakete abgepackt und über das IP- Netzwerk versandt. Ein einziges gesprochenes Wort wird in mehreren Paketen übertragen. Zur Digitalisierung der Sprache dient einer der G.7xx-Standards. Alle diese Standards werden später im Einzelnen erläutert. Warum nun stellen Unternehmen von TDM-gestützter Telefonie auf VoIP um? Obwohl sich die beiden Technologien grundlegend unterscheiden, werden wir nach wie vor auf die gleiche Weise telefonieren. Folgende Faktoren können für die Umstellung ausschlaggebend sein: Geringere Kosten für Ferngespräche, insbesondere Auslandsgespräche Geringerer Personalaufwand durch gemeinsame Verwaltung des Sprach- und Datennetzwerks und Abbau unnötiger Aufgaben Möglichkeit zusätzlicher Applikationen, die TDM-basierte Systeme nicht unterstützen Integration unterschiedlicher Kommunikationsformen in einem einzigen Netzwerk Da Hersteller im TDM-Bereich keine neuen Systeme mehr anbieten, werden Kunden letztlich zur Umstellung gezwungen Fluke Networks 2

3 Server Anrufserver DHCP IP-Adresse abrufen Telefon Fax Modem Access/Media IP LAN/WAN VoIP-Gerät registrieren Trunk Analog T1/E1 PMXA IP-Telefon Softphone Abbildung 1 Typische VoIP-Konfiguration Es gibt zwei Arten von VoIP-Anrufen: Mit Microsoft NetMeeting kann man eine Gesprächsverbindung direkt von PC zu PC ohne Anrufserver aufbauen. In den Frühzeiten von VoIP war dies das gängige Verfahren. Heute aber arbeiten Unternehmen vorrangig mit einer VoIP-Lösung, die einen Anrufserver als Teil der Netzwerkkonfiguration erfordert (in der Sprache der Standards einen Gatekeeper ). Von der Bezeichnung Server sollte man sich nicht irreführen lassen, denn der Gatekeeper funktioniert nicht wie ein herkömmlicher Server. Beispielsweise stehen bei -Vorgängen der -Server und der PC in ständigem Kontakt. Nicht so bei VoIP: Der Anrufserver (siehe Abbildung 1) steuert zwar alle verfügbaren Dienste und den Anruf selbst, unterstützt die Telefonfunktionen, authentifiziert und autorisiert den Anrufer und sorgt für Sicherheit. Er dient aber NICHT als Vermittlungsstelle für das Gespräch. Hat der Server erst einmal die Verbindung (Peer to Peer) aufgebaut, bleibt er während des Gesprächs untätig, sofern ihm nicht die Telefone eine Statusänderung signalisieren oder er selbst die Anrufkonfiguration ändert (z. B. um auf ein wartendes Gespräch hinzuweisen). Der Server verarbeitet also die Signalisierung, vermittelt aber nicht das Gespräch selbst. Die Sprachpakete werden direkt zwischen den beteiligten Telefonen ausgetauscht. Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von IP-Telefonen: das Hardphone und das Softphone. Das Hardphone umfasst die gesamte Hard- und Software zur Implementierung von VoIP. Es ist kein PC, sondern bewusst als Telefon konzipiert. Seine Funktionen können relativ einfach sein, es kann aber auch ein berührungsempfindliches Farbdisplay besitzen und sogar Zugang zum Internet bieten. Es gibt nicht das eine typische Hardphone. Die zweite Kategorie, das Softphone, arbeitet mit einer Sprechgarnitur, die an den PC angeschlossen wird. Alle Telefonfunktionen sind in der Soundkarte und spezieller PC-Software implementiert. Noch eine weitere Hardware-Komponente ist in der Regel Teil des VoIP-Netzwerks: das. Die meisten Firmen verfügen noch über herkömmliche Telefone, Faxmaschinen, Modems, Verbindungen zum öffentlichen Telefonnetz (PSTN) und andere Vorrichtungen, die ursprünglich mit der Vermittlungsstelle des Unternehmens, der so genannten Nebenstellenanlage, verbunden waren. Nach der Umstellung auf VoIP ist ein System erforderlich, das zwischen diesen Geräten und Schnittstellen einerseits und dem IP-Netzwerk andererseits vermitteln kann. Die herkömmlichen Geräte werden mit einem Access/Media verbunden, die Schnittstelle des öffentlichen Telefonnetzes mit einem Trunk. Fluke Networks 3

4 Standards für VoIP Das Schöne an Standards? Es gibt so viele zur Auswahl! Dieser häufig zu hörende Kommentar trifft auf VoIP hervorragend zu. Es gibt eine ganze Reihe von Signalisierungsstandards. H.323, ein 1995 veröffentlichter Standard der ITU (International Telecommunication Union), stand am Beginn der Entwicklung von VoIP-Produkten und -Diensten. Es gibt vier verschiedene Versionen: V.1 ist mittlerweile veraltet und praktisch nirgendwo mehr anzutreffen. Die Versionen 2, 3 und 4 dagegen werden in modernen Produkten verwendet. Diese drei Versionen sind ähnlich konzipiert und jeweils nach oben kompatibel. H.323 ist das am häufigsten implementierte Signalisierungsprotokoll für Hard- wie Softphones. Das Session Initiation Protocol (SIP) wurde von der IETF (Internet Engineering Task Force) als IP-Standard entwickelt. SIP findet zwar große Beachtung, wird aber in den nächsten Jahren nicht zum dominanten Protokoll werden. Die Vorteile von SIP sind eine bessere Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern, eine einfachere Anwendungsentwicklung, funktionale Ähnlichkeiten mit etablierten IP-Protokollen und eine leichtere Verwendung über eine Firewall. In der Regel wird es für Hard- und Softphones verwendet, ist aber auch für s geeignet. Die Konzeption von SIP unterscheidet sich grundlegend von H.323. MGCP ist primär ein Protokoll für s, wird aber auch vom einen oder anderen Hardphone unterstützt. MEGACO/H.248, ein weiteres Standardprotokoll, wurde gemeinsam von der ITU und IETF entwickelt. Es ist für s und die Kommunikation zwischen Servern geeignet. Bei Hard- oder Softphones ist es nicht anzutreffen. Zusätzlich zu den Standardprotokollen hat fast jeder Hersteller von IP-Telefonanlagen (IP PBX) ein proprietäres Signalisierungsprotokoll entwickelt. Das verbreitetste davon ist SCCP (Skinny Client Control Protocol oder kurz Skinny ) von Cisco. Diese proprietären Protokolle sind entweder Variationen der Standards oder Neuentwicklungen. Ebenso wie die Standardprotokolle sind sie für die Anrufsteuerung verantwortlich. In der Regel unterstützt ein IP-PBX-Hersteller neben seinem proprietären mindestens ein standardisiertes Protokoll. Alle Signalisierungsprotokolle steuern die Anrufe auf die in Abbildung 2 gezeigte Weise. H.323 und die meisten herstellerspezifischen Protokolle werden über TCP übertragen, SIP dagegen über UDP. Anrufserver Telefon Fax Modem Access/Media IP LAN/WAN Trunk Analog T1/E1 PMXA P S T N IP-Telefon Softphone Abbildung 2 H.323, SIP und proprietäre Signalisierung Fluke Networks 4

5 Gesprochene Sprache wird in Paketen nach dem Real-time Transport Protocol (RTP) übertragen. Jedes RTP-Paket enthält einen Teil eines digitalisierten Wortes. Das IP-Telefon am anderen Ende der Verbindung fügt dann die Daten mehrerer RTP-Pakete wieder zu einem gesprochenen Wort zusammen. Die Hersteller von IP-Telefonanlagen implementieren in der Regel RTP. Proprietäre Protokolle mit der gleichen Funktion sind äußerst selten. Wie in Abbildung 2 gezeigt, wird die Sprache direkt zwischen den Telefonen und s übermittelt. Der Server und die Signalisierungsprotokolle haben mit der Sprachübertragung nichts zu tun. Für die Digitalisierung von Sprache gibt es mehrere Standards und auch einige proprietäre Verfahren. Die meisten Hersteller aber unterstützen mindestens einen der folgenden ITU-Standards und sind eigenen Lösungen eher abgeneigt: Der etablierte Standard für alle Hersteller ist G.711, der auch im leitungsvermittelten Telefonnetz (PSTN) verwendet wird. Er digitalisiert Sprache ohne Komprimierung zur Übertragung mit 64 kbit/s. Auch G.729 wird von vielen Herstellern unterstützt. Hier wird die digitalisierte Sprache komprimiert und mit 8 kbit/s übertragen. Die Qualität liegt knapp unter G.711. Es handelt sich um den zweithäufigsten Standard. G.723.1, früher als Komprimierungsstandard empfohlen, überträgt mit 6,3 und 5,3 kbit/s. Dieser Standard erfordert zwar weniger Bandbreite, doch die Sprachqualität ist deutlich geringer als bei G.729. In VoIP-Netzen ist er daher nicht sehr verbreitet. G.722 erzielt bei 64 kbit/s eine hohe Wiedergabetreue. Die drei zuvor genannten Standards ermöglichen einen analogen Tonbereich von 3,4 khz, G.722 dagegen 7 khz. Dieser Digitalisierungsstandard wird in Zukunft sicher eine große Bedeutung erlangen. Bei allen Standards sammeln die IP-Telefone und s Sprache während etwa 10 bis 30 ms, digitalisieren diese und erstellen daraus versandfertige RTP-Pakete. Anrufserver Telefon Fax Modem Access/Media IP LAN/WAN Trunk Analog T1/E1 PMXA P S T N IP-Telefon Softphone Abbildung 3 Wege der Sprachübertragung mit RTP VoIP-Netzwerke Sowohl LANs als auch WANs können VoIP unterstützen. Allerdings gibt es bei der Leistung dieser beiden Netzwerktypen große Unterschiede, die sich auf die Geschwindigkeit der Signalisierung und die Sprachqualität auswirken. LANs arbeiten mit dem Übertragungsprotokoll Ethernet, und VoIP-Geräte folgen den IEEE Standards. Von den Ethernet-Protokollen und der zugehörigen Architektur Fluke Networks 5

6 gibt es keine herstellerspezifischen Variationen. Das Ethernet-LAN funktioniert bei 10 und 100 Mbit/s mit sehr geringer Verzögerung und wenigen Fehlern, ohne Jitter (Varianz der Latenz) und Paketverlust. VoIP-Verkehr und herkömmliche Daten könnten zwar in LANs gemeinsam übertragen werden. Aus Gründen der Leistung und Sicherheit empfiehlt es sich jedoch, Sprache und Daten an den LAN- Switches auf zwei getrennte VLANs zu verlegen (IEEE 802.1q). Die Sprachqualität und Geschwindigkeit der Signalisierung sind genauso hoch wie bei herkömmlichen TDM-Nebenstellenanlagen. Bei WANs dagegen gibt es einige Leistungsprobleme: Die Bandbreite ist eingeschränkt, die Verzögerung zwischen zwei Endpunkten ist wesentlich größer, es kommt zu Jitter und Paketverlusten. Allerdings ist das Aufkommen von Übertragungsfehlern so niedrig, dass Neuübertragungen nur selten nötig sind, und die Sprachqualität wird durch die Fehler nicht beeinträchtigt. Die angestrebte Gesamtverzögerung zwischen zwei IP-Telefonen beträgt 150 ms. Das empfangende IP-Telefon muss Jitter ausgleichen, indem es auf alle Pakete eines Wortes wartet, bevor es diese wieder in analoge Sprache umwandelt. Bei Paketverlusten muss es fehlende Daten durch simulierte Pakete ersetzen, um ein ganzes Wort zu erhalten. Die Korrektur von Jitter und Paketverlusten erhöht die Verzögerung zwischen den IP-Telefonen. Diese Probleme lassen sich durch zusätzliche Bandbreite und QoS-Verfahren (Quality of Service) lösen. Telefongespräche erfordern Bandbreite: ca. 80 kbit/s, wenn die Sprachdaten unkomprimiert sind (G.711), und ca. 25 kbit/s mit Komprimierung (G.729). Der genaue Bandbreitenverbrauch hängt von der Art der Komprimierung und der Paketgröße ab. In LANs ist die Bandbreite in der Regel kein Problem, da die meisten Netzwerke mit geringer Auslastung arbeiten, wohl weniger als 10 bis 20 %. In WANs dagegen werden Anwender im VoIP- und Datenbereich Leistungsprobleme feststellen, wenn die Bandbreite nicht erhöht wird. QoS ist an LAN-Switches mit dem Standard IEEE 802.1p möglich. Auch IP-Telefone und s müssen diesen Standard unterstützen. An Routern lässt sich QoS durch DiffServ implementieren. Dieses Verfahren muss an den IP-Telefonen und s unterstützt werden und erfordert MPLS an den Routern. RSVP war ein frühes Verfahren für QoS in VoIP-Netzwerken, wird aber heute seltener verwendet. Funktionsweise von VoIP Eine VoIP-Telefonanlage startet (bootet) auf die gleiche Weise wie andere Server. Nach Abschluss der Startsequenz können sich IP- Telefone und s beim Anrufserver registrieren (siehe Abbildung 1). Zunächst aber müssen Telefon und/oder über DHCP eine IP-Adresse abrufen. Der DHCP-Server kann zum Datennetzwerk gehören, eigenständig arbeiten oder in den Anrufserver integriert sein. Nach Erhalt der IP-Adresse sendet das IP-Gerät eine Registrierungsanforderung an den Anrufserver. Auf dem Server ist entweder ein gemeinsamer Satz von Rechten und Einschränkungen für IP-Geräte definiert, oder der Administrator weist die Funktionen selbst zu. Außerdem fügt der Anrufserver oder ein anderer verantwortlicher Server das Gerät und seine Telefonnummer(n) dem DNS hinzu, um Verzeichnisdienste zu ermöglichen. Bei Verwendung von H.323 wird über TCP eine dauerhafte Verbindung zwischen dem VoIP-Gerät und dem Anrufserver eingerichtet. Gleiches gilt auch für die meisten proprietären Signalisierungsprotokolle, während bei SIP die Signalisierung über UPD übertragen wird. Der Wählton beim Abnehmen des Hörers kann entweder vom Telefon selbst oder vom Anrufserver generiert werden. Das IP-Gerät übermittelt nun ein oder mehrere Pakete, um eine Verbindung und gegebenenfalls bestimmte Funktionen (etwa ein Konferenzgespräch) anzufordern. Der Anrufserver prüft, ob das andere Gerät verfügbar ist. Wenn ja, kontaktiert er dieses Gerät und fordert beide Geräte auf, über UDP eine Peer-to-Peer-Verbindung zur Übertragung der RTP-Sprachdaten aufzubauen. Am Gespräch selbst ist der Server nicht beteiligt. Er wird erst wieder aktiv, wenn eines der Geräte den Anruf beendet. Daraufhin beendet der Server die Peer-to-Peer- Verbindung und hält den Anruf in seinem Call Detail Record (CDR) fest. Für jeden, der VoIP implementiert, ist Sicherheit ein wichtiges Anliegen. Die meisten Firewalls unterstützen VoIP nur über VPN- Verbindungen. In der Standardeinstellung werden Daten-Firewalls wahrscheinlich VoIP-Gespräche von der ungesicherten zur gesicherten Seite verhindern. Verschiedene Hersteller bieten heute eine Verschlüsselung für die Signalisierung und Sprachübertragung hinter der Firewall an. Dadurch lassen sich Sicherheitsprobleme durch Anwender auf der gesicherten Seite vermeiden. Die Verschlüsselungsfunktionen müssen in den IP-Telefonen, s und Anrufservern implementiert werden. Fluke Networks 6

7 Schlussfolgerung VoIP erweitert den Verantwortungsbereich des Netzwerktechnikers. Zu den vertrauten Aufgaben, wie der Einrichtung und Diagnose des LANs und seiner physikalischen Infrastruktur, kommen neue Pflichten. Die VoIP-Protokolle sind zu implementieren, die Kommunikation mit dem Anrufserver ist sicherzustellen, die Netzwerkleistung ist zu messen und IP-Telefone sind zu konfigurieren. Verkompliziert wird die Sache durch Hersteller, die mehrere unterschiedliche VoIP-Standards und auch proprietäre Lösungen implementieren. Netzwerktechniker werden sich in Zukunft auf diese neuen Herausforderungen einstellen müssen. Über den Autor Gary Audin verfügt über rund 40 Jahre Erfahrung in den Bereichen EDV, Datenübertragung und Sicherheit. Mit VoIP beschäftigt er sich bereits seit Herr Audins Artikel wurden in zahlreichen Publikationen veröffentlicht, und viele seiner Arbeiten über VoIP sind unter abrufbar. Er hat mehr als 200 Vorträge auf Fachmessen und Anwenderkonferenzen gehalten. Darüber hinaus ist Herr Audin alleiniger Dozent der VoIP-Seminarreihe bei der Fachzeitschrift Business Communications Review und damit Leiter von 180 VoIP-Seminaren. NETWORKSUPERVISION Fluke Networks P.O. Box 777, Everett, WA, USA Fluke Networks verfügt über Niederlassungen in mehr als 50 Ländern auf der ganzen Welt. Kontaktinformationen für eine Niederlassung in Ihrer Nähe erhalten Sie unter /contact. Fluke Networks Fluke Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Printed in U.S.A. 5/ F-GRM-N Rev. A

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