VOICE OVER INTERNET PROTOCOL. Andreas Palmetzhofer Philipp Sima 2008

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1 VOICE OVER INTERNET PROTOCOL Andreas Palmetzhofer Philipp Sima 2008

2 INHALT Probleme bei VoIP Signalisierungsprotokolle (SIP2, IAX2, H.323) Mediaprotokolle (RTP) und Codecs Praktische Beispiele Fragen! Asterisk Enum

3 PROBLEME BEI VOIP Echtzeitproblem Netzwerk-technische Probleme zb NAT bei SIP Konvergenzprobleme PSTN, ISDN, GSM, UMTS, IP Abzustimmen sind: Signalisierung, Codierung Erreichbarkeit Politische Probleme (Regulierungsbehörde, ENUM)

4 DAS PROBLEM MIT DER ZEIT Bezogen auf die Übertragung Tln. A Was passiert? Digitalisieren Codieren Paketieren Übertragen Jitterbuffer Dekodieren Tln. B Bis 150ms sehr gut 150 bis 400ms akzeptabel

5 DIGITALISIEREN, CODIEREN VoIP, Badach, 2004 Hanser S.132

6 SIP.. SESSION INITIATION PROTOCOL Signalisierung von Anrufen Unabhängig vom zu transportierenden Medium d.h. Sprache, Video, Musik, Daten, Basiert auf UDP und TCP Idee & Design von Dept. Of Computer Science, ( USA ) Columbia SIP von führenden IT Firmen wie SUN oder Microsoft aktiv in Produkten und Strategien eingebunden RFCs: st draft to IETF, ( release 1999 RFC 2543 (official 2001 RFC 3261, 3262, 3263, 3264, 3265

7 SIP WO UND WIE? SIP findet in folgenden Bereichen Anwendung: Local and long distance telephony IP PBX Messaging PTT (Push to Talk) Conferencing SIP löst folgende Anforderungen der Kommunikation: Teilnehmer Standort Bestimmung (Register, Erreichbarkeit) Verbindungsauf- und ab-bau Teilnehmer Management (Authentifizierung, )

8 SIP MESSAGE Ähnlich zu HTTP Struktur eines SIP Request: Method Request-URI SIP-Version Header-Feld1 Header-Feld2 [Message Body] Method: Request Typ (Invite, BYE, ACK, ) Request-URI: Ziel SIP Adresse

9 SIP REQUEST TYPEN INVITE BYE ACK OPTIONS Abfrage von Fähigkeiten, zb. Art von Medien CANCEL REGISTER INFO, PRACK, UPDATE, MESSAGE, REFER, SUBSCRIBE, NOTIFY

10 SIP RESPONSE-KLASSEN Informational (100 Trying, 180 Ringing) Success (200 OK) Redirection (301 Moved Perm. 302 Moved Temp.) Client-Error (400 Bad Request, 401 Unauthorized, ) Server-Error (500,501,502,505) Global-Failure (600 Busy, 606 Not Acceptable)

11 SIP ADRESSE SIP-URL DNS zur Namensauflösung Form ähnlich Adresse

12 SIP EINFACHER VERLAUF

13 SIP - KOMPONENTEN Client SIP USER AGENT (=end-user device) soft-phone, cell phone, SmartPhone, IP-phone, etc. (also called UAC) Server SIP Proxy Server Nimmt Anfragen der UACs entgegen und leitet diese entsprechend weiter SIP Redirect Server Informiert UACs wie sie zum Ziel kommen, ohne weiterzuleiten (Umleitung) SIP Registrar Server hier registrieren sich UACs Information in Location Server gespeichert (oft ident) SIP Gateway, Voic , IVR Server Spezialformen

14 SIP PROXY MODE S1, S2, hier Abgekürzt für den normalen SIP Verlauf (Invite, Trying, Ringing, OK, Ack, Bye, ) Proxy-Mode: Der Proxy Server nimmt alle anfragen entgegen und leitet sie weiter. Dabei trägt er sich im Via Header ein. Die Antworten kommen wieder über ihn zurück.

15 SIP REDIRECT MODE S1, S2, hier Abgekürzt für den normalen SIP Verlauf (Invite, Trying, Ringing, OK, Ack, Bye, ) Redirect-Mode: Der Redirect Server antwortet auf Anfragen mit der tatsächlichen Adresse des gewünschten Teilnehmers. Teilnehmer A verbindet anschließend direkt mit Teilnehmer B.

16 SIP FORKING Anrufverzweigung mit SIP Bei Konferenzen Benutzer mit mehreren Clients (Home, Office, Mobile, ) Forking Proxy stellt eine funktionelle Komponente dar, die PS oder RS implementiert wird.

17 SIP - REGISTRATION Registrierung der Lokation von Teilnehmern (IP, Port) verwendete Komponenten: Registrar mit Location Server UAC Teilnehmer können sich mittels SIP-Request <REGISTER> anmelden immer notwendig, um erreichbar zu sein, wenn Adresse nicht statisch beim Server hinterlegt Expires gibt Gültigkeitsdauer an Third Party Registration möglich Security???

18 SIP - SECURITY Thema SIP-Security: SIP Systeme sind beliebte Angriffsziele mit folgenden Attacken: Spoofing (faking SIP identity) Eavesdropping of SIP calls ('Lauschangriff' z.b. Cain and Abel) Traffic analysis (who is communicating and what is type of session etc.) DoS (Denial on Service) Methoden um sich dagegen zu schützen: -> Client/Server authentication (UA-US) -> SIP Request authorization -> Use of Encryption (avoiding plain text SIP Messages) *) -> MIC (message integrity check) -> Reply protection *) f.e. Hop-by-Hop Encryption mit IPSec

19 SIP SECURITY (2) Was sind Hauptmotive um SIP Security Anstrengungen umzusetzen: 1. Ensure privacy Anonyme SIP calls, Personalisierte Services 2. Billing and accounting Sicherstellen, dass entsprechend der genutzten Bandbreite bezahlt wird. ( Prevention ( Fraud 3. Regulatory requirements ( blockieren Call-ID blocking (unerwünschte Anrufe an Hand einer black list ( attention Call tracing (criminal Emergency call services Multi-Level Prioritization and preemption

20 IAX2 Inter Asterisk exchange Protocol Version 2.0 Besonders geringer Overhead VoIP Telefonie über 56kb/s Modem möglich In Kombination mit Schmalbandcodec (zb. G.723, G.729) Signalisierung und Datenübertragung in einem Kanal NAT wird vollständig unterstützt Entstehung nicht durch Standardisierung sondern aus Praxis (Mark Spencer)

21 IAX2 IN IP IAX2 basiert auf UDP Port Maximale Paketlänge B

22 IAX2 HEADER MODES Full Header (12 Byte) Für Übermittlung von Steuersignalen Mini Header (4 Byte) Für Übermittlung von Nutzlast

23 RTP REAL TIME PROTOCOL Echtzeitkommunikation: Fehlerkontrolle mit Quittungen nicht möglich -> RTCP RTP Control Protocol Empfänger sendet periodisch Berichte an Sender IETF RFC 3550 seit Juli 2003 (vormals RFC 1889) RTP in Form von Session muss auf- und abgebaut werden

24 RTP WAS KANN ES NICHT Reines Transportprotokoll für Sprachübermittlung (bei VoIP) Hat keine Mechanismen zum Auf- und Abbau U.a. gemeinsames Prinzip der Codierung muss Sig.Prot aushandeln (SDP bei SIP als Body, H.245 in H.323 enthalten, daher komplex)

25 DIE RTP SESSION besteht aus 2 Kanälen (MC, MCC) Port 5004 (Ziel) wird kaum verwendet, dynamisch RTCP-Port meist RTP-Port + 1

26 RTP/RTCP IN IP

27 KONZEPT UND FUNKTION VON RTP Übermittlung von Echtzeitmedien in Paketen Garantie der Reihenfolge durch Nummerierung Garantie der Isochronität mittels Zeitstempel Transport unterschiedlicher Formate Welche durch Profiles genau bezeichnet sind Translator und Mixer Einsatz Übersetzen von Medienformaten (Translator) Mehrere Bitströme zu einem Mischbitstrom (Mixer)

28 DAS RTP PAKET V.. Version P.. Padding M.. Marker PT.. Payload Type (eingesetzter Codec) Änderung während Stream möglich!!! CSRC.. Wird bei Mixer Einsatz verwendet SSRC.. Dient zur Identifizierung der Quelle Timestamp.. Zum Ausgleich von Schwankungen der Übertragungszeit (Jitter)

29 RTCP - AUFGABEN Überwachung der Übertragungsqualität Identifikation der Quelle durch CNAME SSRC bei RTP kann zb. Von Mixer geändert werden Unterstützung der Mehrpunkt-Kommunikation zb. bei Konferenzen können Namen der Teilnehmer angezeigt werden, auch ohne vorherige An- oder Abmeldung

30 RTCP PAKET - TYPEN SR RR Sender Report Beschreibt Qualität aus Sicht des Senders Receiver Report Wichtigste Qualitätsüberwachungseinrichtung Daten: zb. Geschätzte Paketverlust-, Jitter-Werte aus Sicht des Empfängers SDES Source Description BYE Abmeldung APP Applikationsspezifisches Paket Letzten 3 bei VoIP keine Verwendung

31 RTCP IN IP Reihenfolge prinzipiell nicht definiert.

32 SRTP Größte Gefahren bei RTP Abhörbar DoS -> SRTP IETF RFC 3711 Verschlüsselung, Signation, Integrität, Anti-Replay Key Management Protokoll vorausgesetzt Master Key Verschlüsselung basiert auf AES RTCP auf gleiche Weise gesichert

33 KMP IKE wie bei IPSec kommt den Echtzeitbedingungen nicht nach -> MIKEY (Multimedia Internet KEYing) Kryptografischer Kontexte in 2 Nachrichten ausgehandelt (Diffie Hellman, RSA, ) genaue Erläuterung bedarf einer weiteren Vorlesung

34 CODECS Für Sprache: Abtastwert-orientiert (sample-based) Abtastung (Sprache etwa 8.000*1/s) jedes Sample wird kodiert -> PCM bzw. ADPCM (>16kb/s) Segment-orientiert (frame-based) Abtastung 80 bzw 160 Samples (10 bzw 20ms) werden analysiert (Anwendung von Filtern, die menschliche Sprache nachbilden) und codiert -> LPC bzw. CELP (<16kb/s)

35 CODECS ITU-Standards: G.711a PCM 64kb/s Sample G.711u PCM 64kb/s Sample G.726 ADPCM 32kb/s Sample G.729 CS-ACELP 8kb/s Frame G.723 MP-MLQ 6,3kb/s Frame

36 LET S VOIP - VOIP PHONES Verschiedene SIP devices (PDA, Phone, Softphone, WiFi Handheld): Zoiper, Softphone Thomson 2030, IP Phone Zyxel P2002, ATA Pirelli, WLAN GSM

37 by Philipp Sima

38 WAS IST ASTERISK? Asterisk ist eine freie Software. Entwickelt für Linux, BSD, Mac aber auch Windows. Die Funktionen decken die einer Telefonanlage ab. Asterisk unterstützt sehr viele Protokolle, Codecs und Schnittstellen Asterisk übernimmt Sprachdienste -> Asterisk ist extrem flexibel und daher sehr vielseitig einsetzbar Gateway, LCS (least cost routing) IVR (interactive voice response), Conferencing Billing Cluster

39 ASTERISK!= ASTERIX Asterisk klingt verwechselnd ähnlich zu Asterix. Asterix hat mit Asterisk (oder umgekehrt) nichts zu tun. Dennoch gibt es ein Softphone namens Idefisk (heute Zoiper genannt) Asterisk ist die Bezeichnung des * (Wildcart-Symbols), welches sowohl unter Linux als auch am Telefon häufig verwendet wird. * ist ein Ausdruck für Flexibilität

40 WISSENSWERTES ÜBER DIE ENTWICKLUNG Mark Spencer (Markster, ) founder, chairman and CTO of Digium Digium Inc. ursprünglich als Linux Support Unternehmen Da kein Geld für eine Telefonanlage -> beginn von Asterisk Digium verkauft Schnittstellen (Hardware) für Asterisk Anlagen, sowie eine Business Lizenz (mehr Tests) Hauptsponsor von Asterisk IAXy

41 WEITERE HERSTELLER Beronet Vertrieb von Digium in Deutschland Hersteller von eigenen Karten (ISDN, GSM) beronet.com Junghanns Vertrieb von eigener Hardware für ISDN junghanns.net

42 WAS UM HIMMELS WILLEN IST EINE PBX? PBX.. Private Branch exchange kleine Telefonanlage im Besitz von Unternehmen Alcatel 4200 für 40 Apparate Siemens Hicom für 1200 Apparate

43 SOFT PBX Server mit Linux und Asterisk für mehr als1000 Apparate

44 ARCHITEKTUR VON ASTERISK abstrakt, modular Monolithischer Kern umgeben von 4 Schnittstellen Channel API Application API Codec Translation API File Format API Kern implementiert wesentliche Funktionalität in 4 Komponenten Vermittlungsmodul Application Launcher Transcoder Scheduler mit I/O Manager Protokoll, Codec, unabhängig (abstrahiert)

45 ARCHITEKTUR VON ASTERISK Artikel Open Source S.3-4

46 INSTALLATION VON ASTERISK Download der Sourcen von asterisk.org make config make menuconfig make make install make samples

47 VERZEICHNISSTRUKTUR VON ASTERISK /etc/asterisk Konfigurationsdateien /usr/lib/asterisk/modules Applications, Formats, Codecs, Channels /var/lib/asterisk astdb (like windows registry) Subverzeichnisse: agi-bin, firmware, keys, sounds, moh /var/log/asterisk /var/spool/asterisk Subverzeichnisse: outgoing, tmp, voic

48 CHANNEL CONFIG FILE: SIP.CONF [philipp] type=friend callerid= Philipp Sima" <280> username=philipp host=dynamic secret=******** dtmfmode=rfc2833 nat=yes qualify=yes context=sima

49 AEL: ASTERISK EXTENSION LANGUAGE [meine-telefone] exten => 23,1,Wait(1) exten => 23,2,Answer() exten => 23,3,Playback(hello-world) exten => 23,4,Wait(1) exten => 23,5,Hangup() context meine-telefone { 23 => { Wait(1); Answer(); Playback(hello-world); Wait(1); Hangup(); }; };

50 ENUM E.164 NUmber Mapping Österreich Vorreiterrolle (seit Dezember 2004) enum.at (gehört zu nic.at) verwaltet 3.4.e164.arpa öffentliches Telefonbuch zum Nachschlagen von VoIP Adressen verknüpft globale Standard Telefonnummer mit VoIP

51 MÖGLICHKEITEN DANK ENUM kostenlose VoIP Telefonie weltweit möglich Konvergenz zur klassischen Nummerierung

52 FUNKTION VON ENUM (Anschreiben der vollständigen Telefonnummer) (Entfernen aller Zeichen mit Ausnahme von Ziffern) (Umkehren der Reihenfolge der Ziffern) (Einfügen von Punkten zwischen den Ziffern) e164.arpa (Anfügen der globalen ENUM-Domain e164.arpa)

53 FUNKTION VON ENUM spezieller DNS Eintrag NAPTR-Records Eintrag von IN NAPTR U LIVE ansehen!

54 LITERATUR Asterisk Documentation Project Asterisk TFOT The Future Of Telephony v2.0 (Aug 08) Das Asterisk Buch

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