VoIP bei einem Netzwerkbetreiber November 2005

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1 VoIP bei einem Netzwerkbetreiber November 2005 Übersicht VoIP Einführung Verbindungsaufbau Gesprächsübertragung Übertragung von nicht Sprachdaten über VoIP Faxe Modem (Alarm, und Meldeleitungen) Kopplung VoIP mit klassischer Telefonie VoIP im Internet versus im VPN Sicherheitsrelevante Aspekte von VoIP 2

2 Verbindungsaufbau -Adressierung- Für den Gesprächsaufbau wir eine eindeutige Adressierung des Gesprächsteilnehmer benötig Dynamische IP-Adresse Firewall mit NAT-Funktionen und PAT-Funktionen Es ist nicht bekannt unter welcher IP- Adresse und welchem Port der Gesprächsteilnehmer zu erreichen ist. Zeitlich befristetet Anmeldung über Signalisierungsprotokolle (u.a. SIP) an einem Server. 3 Verbindungsaufbau -Signalisierung- Der Auf- und Abbau von Gesprächen erfolgt über spezielle Signalisierungsprotokolle H Packet-based multimedia communications system, ITU-T SIP - Session Initiation Protocol, IETF RFC 3261 MGCP - Media Gateway Control Protocol H.248 ISDN over IP - ISDN/CAPI basiertes Protokoll Skinny Client Control Protokoll - von Cisco Skype propritäres Protocol der Fa. Skype 4

3 Verbindungsaufbau -Rufnummern- Für die Erreichbarkeit von Teilnehmern wir ein eindeutiger Rufnummernplan benötigt ENUM - RFC2916 Eine auf DNS basierte eindeutige Adressierung. Die vorhandene klassische Telefonnummer wir weltweit eindeutig in ein DNS-Name überführt. Hierzu wurde die Domain e164.arpa geschaffen e164.arpa Ortsrufnummer Kurzfristige Lösung von Netzbetreibern um VoIP-Kunden für das öffentliche Netz (PSTN) erreichbar zumachen. Teilweise werden auch 0180 Nummern genutzt. Die Nummer ist ans Ortsnetz gebunden. Die Erreichbarkeit aus dem Internet stellt der Netzbetreiber sicher. Internet-Rufnummer Dieses ist eine persönliche Rufnummer und kann nomadisch genutzt werden, es gibt keine geografische Begrenzung. Erreichbarkeit aus dem Internet stellt der Netzbetreiber sicher. 5 Gesprächsübertragung -Transport der Daten- Das Gespräch wir analog der herkömmlichen Telefonie digitalisiert und dann anstelle einer exklusiven Leitung in kleinen Datenpaketen parallel zu anderen Daten im Netzwerk übertragen. Der Transport der Daten wir durch das Real-Time Transport Protocol (RTP) realisiert, die Steuerung wir durch das Real-Time Transport Control Protocol (RTCP) war genommen. Computernetzwerk EWSD Paketvermittlung Leitungsvermittlung 6

4 Gesprächsübertragung -VoIP Übertragungsweg- PCM = Puls Code Modulation RTP = Real-time Transport Protocol UDP = User Datagram Protocol 7 Gesprächsübertragung -Übertragungsqualität- Die Übertragungsqualität hängt im wesentlichen von den Parametern Laufzeit (Latenz, Delay) 150 ms akzeptabel (Mund-zu-Ohr) Laufzeitschwankung (Jitter) schlägt sich auf die Laufzeit nieder Paketverlust (packet lost) < 1% akzeptabel (Codec abhängig) ab. Damit die subjektive Wahrnehmung der Sprachqualität vom Mund zum Ohr, objektiv bewertet werden kann wurde der MOS-Wert eingeführt (MOS - Mean Opinion Score) Die Sprachqualität auch von konkreter Implementierung abhängig ist, sind u. a. diese Funktionen wichtig sind: Comfort noise Nahes Echo generieren und Fern-Echo-Unterdrückung Automatic Gain Control (AGC, automatische Lautstärkeregelung) Voice Activity Detection 8

5 Gesprächsübertragung -Delaybudget- Router Router VoIP-Device VoIP-Device Dsl-Modem Dsl-Modem LAN VoIP-Device Netzwerk VoIP-Device Paketierung Codierung LAN WAN LAN Empfangspuffer Decodierung Gesamte Delayzeit 105 ms 9 Gesprächsübertragung -Bandbreitenmanagement- Stabiles QoS durch spezielle Protokolle zur Datenpriorisierung IntServ (Integrated Service) Arbeitet mit RSVP (Resource ReserVation Protocol). Vor der Datenübertragung werden die Ressourcen entlang des Übertragungsweges reserviert. Jeder Router muss die Information währen der kompletten Session behalten. DiffServ (Differentiated Service) Jedes einzelne IP-Paket wird durch das Endgerät markiert, die Router im Netz nutzen diese Info zur Priorisierung. IEEE 802.1p/Q Paketpriorisierung auf Layer 2, ähnlich DiffServ aber auf IP-LANs beschränkt. WFQ (Weighted fair Quueing) Der Router nutzt Paket-Header-Informationen wie Protokoll, Adressen Ports, ToS, um den Datenverkehr einzuteilen und diese auf der Ausgangsschnittstelle dyn. gewichtet Bandbreiten zuzuordnen. Windows Size-Manipulation Die Übertragungsgeschwindigkeit von TCP-IP-Sessions kann bei Bedarf durch Manipulation der Windows size beeinflusst werden. Traffic Shaping, Partitionierung, usw. 10

6 Gesprächsübertragung - Die MOS-Skala - ISDN PSTN GSM 4,2 = Toll Quality 11 Gesprächsübertragung - Codecs - Für die Kodierung und Komprimierung der Sprache können verschiedene Codecs eingesetzt: Codec- Name Codec-Bitrate (kbit/s) MOS- Qualität Algorithmus Sample-Rate (khz) Codec- Delay (ms) Paketierungs- Delay (ms) G ,3-4,4 (4,7) PCM 8 0,125 1 G G /32 16 G ,3 3,5 ACELP 8 37,5 68 G ,4 3,65-4,0 (3,8) MP-MLQ 8 37,5 68 G ,96 ADPCM 8 G ADPCM 8 G ,0-4,2 ADPCM G ADPCM 8 G ,6-4,2 LD-CELP G.729 (A) 8 3,9-4,2 (4,3) CS-ACELP ilbc 13,33 4 LPC 8 GSM ,5-3,9 8 12

7 Ablauf einer VoIP Session anhand von SIP 13 Übertragung von nicht Sprachdaten -Fax, Modem- Fax-over-IP Entweder über einen ATA (Analoger Terminal Adapter), der den G.711- Codec nutzt, da so die Fax- Töne weitestgehend unverfälscht übertragen werden ist aber problematisch (= störanfällig) bei Delay und Paket Loss (insb. bei Delay-Buffer-Erhöhung -> kurzer Slip = Verzögerung beim Empfang der Sprachdatenpaketen beim Decoder) Oder gemäß ITU T.38 über Fax-Relays arbeiten: Die Fax-Verbindung terminiert lokal auf dem Gateway Stark Szenarien-abhängig, braucht gewisse QoS Modem-over-IP: Es ist keine komprimierte Übertragung von Modemdaten über VoIP möglich Modemverbindungen sollen immer auf dem Gateway terminieren 14

8 Kopplung von VoIP mit der klassischen Telefonie (PSTN) QSC gehört zu den wenigen Carriern mit eigenem POI-Vollausbau : über 475 Point Of Interconnects mit der DT AG werden TDM-Sprachverbindungen in das eigene Sprachnetz überführt. Dieses Sprachnetz wird durch die marktführende Voice- Switch-Technik der EWSDs von Siemens gesteuert. 15 Kopplung von VoIP mit der klassischen Telefonie (VoIP-VPN) Zusätzlich hat QSC eine hoch-moderne, IP-basierte Voice Over IP-Infrastruktur aufgebaut. Zentrale Elemente sind die hoch-performanten und redundanten Softswitche X3000 und Universal Media-Gateways UMG8900 von Huawei. 16

9 Kopplung von VoIP mit der klassischen Telefonie (Internet-Kopplung) Die VoIP-Infrastruktur der QSC enthält u. a. drei weitere, wichtige Komponenten: SIP-Server: dem Softswitch ist ein SIP-Express-Router (SER) vorgeschaltet. Hochleistungs Session Border Controller (SBC) liegen im Übertragungsweg aller VoIP-Verbindungen. Die SBCs kümmern sich sehr zuverlässig um alle NAT-Probleme. Im VoIP-SIP-Client ist daher keinerlei Intelligenz erforderlich. Auch sicherheitstechnisch überzeugt das SBC-Konzept: in der Kunden- Firewall ist nur ausgehend der Port zu den IP-Adressen der SBC zu öffnen. Da die SBCs als Back-to-Back-User Agents betrieben werden, leiten sie nur RFC3261-konforme Pakete weiter. Ein marktführendes, Probe-basiertes QoS-Management und -Monitoing Tool ermöglicht es QSC u. a.die MOS-Werte der VoIP-Verbindungen zu überwachen 17 Kopplung von VoIP mit der klassischen Telefonie (VPN-Kopplung) Sind die Kunden-Lokationen über ein MPLS-basiertes IP-VPN der QSC angebunden, kann QSC weitere, VoIPrelevante Dienste liefern: Eine auf DSCP-Mapping (der Kunde kann Layer 3 DiffServ-Marking oder Layer p/Q Paket-Priority im LAN verwenden) basierende, Ende-zu-Ende IP-Priorisierung Über eine im QSC-IP-Netz plazierte SIP-Proxy- und Firewall-Komponente werden die VoIP-Daten sicher und schnell vom Kunden-VPN zur QSC-VoIP-Infrastruktur überführt. 18

10 Kopplung von VoIP mit der klassischen Telefonie (LAN über Internet gekoppelt) Sind die Kunden-Lokationen über einen fremden Internet-Uplink angebunden und soll dieser auch für den VoIP-Traffic mit benutzt werden, ist das hier abgebildete Szenario sinnvoll: In der Firewall müssen keine VoIP-relevanten Ports geöffnet werden (wenn keine SIP User Agents im LAN eingesetzt werden). Die QSC-IAD nimmt über eine integrierte IP-QoS-Router-Funktion eine IP-Priorisierung vor, indem sie TCP/IP-Sessions nur so viel Bandbreite gewährt, wie gerade nicht für die VoIP-Kommunikation benötigt wird. 19 VoIP im Internet versus im VPN MPLS-Netz- Das physikalische Netz basiert auf MPLS (Multi Protocol Label Switching) Auf diesem Netz sind verschieden VPNs abgebildet, die mit unterschiedlicher QoS- Parametern eingerichtet sind. Kunden VPNs haben verhandelte und vertraglich zugesicherte QoS-Parameter Kunden- VPN1 Kunden-VPN2 Kunden-VPNn VoIP-VPN PSTN Internet Internet anderer Provider MPLS-Netz 20

11 VoIP im Internet versus im VPN -Internet-Internet- -Internet-PSTN- Bei IP wird die Bandbreite von allen Session gleichberechtigt genutzt. PSTN Im Internet und auf der Accessltg. wird keine Priorisierung vorgenommen. Einem Download (ftp) wird die max. angebotenen Bandbreite nutzen. VoIP VPN INTERNET 21 VoIP im Internet versus im VPN VPN-Internet- Download im Internet VoIP-Gespräch Niederlassung Internet ( =145 ms) VoIP-Gespräch Außendienst (IPsec-Tunnel) - Internet ( =135 ms) 10 ms 10 ms 30 ms INTERNET 30 ms 10 ms 10 ms ms ms 30 ms 25 ms Kunden VPN 30 ms 10 ms 25 ms 22

12 VoIP im Internet versus im VPN -VPN-PSTN- Download im Internet VoIP-Gespräch Niederlassung Internet FW am Kundenstandort ( =177 ms) VoIP-Gespräch Niederlassung Internet ProviderLösung ( =137 ms) 10ms INTERNET 30 ms 25 ms 25ms Kunden 30ms VPN 30 ms VoIP 30 30ms VPN 12 PSTN 12ms ms ms 10 ms 10ms 23 Sicherheitsrelevante Aspekte von VoIP Angriff durch Voice Spam (Spit = Spam over Internet Telephony): massenhafte Beschickung von IP-basierten Telefonanschlüssen mit Werbebotschaften, sinnlosen Nachrichten und unerwünschten Inhalten. (Ein SIP-Paket (Ringall)kann alle Telefone eines Unternehmens über Broadcast-ähnliche Klingelrundrufe außer Funktion setzen) Registrations- und Highjacking bei SIP-Telefonen öffentlicher VoIP- Provider alle über das VoIP-Netz eingehenden Anrufe erreichen den Nutzer nicht Caller ID Spoofing: Vortäuschung einer falschen Anrufer-Identität H.323 nutzt 7 bis 11 Ports je Anruf, nur 2 davon sind statisch fixiert Problem, wenn Firewall VoIP- bzw. SIP/H.323-Pakete tiefer inspizieren soll: Hohe Last für Firewall -> höheres Delay Lösungsansatz: Voice-Proxies einsetzen, die der Firewall signalisieren, welche Ports zu öffnen sind und wie z. B. NAT zu handhaben ist IETF erarbeitet Vorschlag (Arbeitsgruppe MIDCOM) zur Integration der Proxies in Firewalls 24

13 Sicherheitsrelevante Aspekte von VoIP -NAT- Zu VoIP-Endgeräten hinter einer FW mit NAT kann normalerweise kein Gespräch aufgebaut werden. Welche Adresse und welchen Port teilen VoIP-Endgeräte dem Registrierungsserver mit? 25 NAT INTERNET Signalisierung Gesprächsdaten VoIP VPN PSTN SBC (B2BUA) Sicherheitsrelevante Aspekte von VoIP SBC (B2BUA)- SIP- Server Session durch die Anmeldung wird logisch vom SBC offen gehalten. Ein externer VoIP-Client nimmt Verbindung zum SIP-Server auf, die aber direkt vom SBC übernommen wird. Der RTP Datenstrom der Cleints wird jeweils auf dem SBC terminiert Weitere Vorteile: SPIT kann nicht direkt den Client erreichen Manipulierte Datenpaket werden vom SBC erkannt 26

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