VOIP VOICE OVER IP. Vortrag von Michael Mayer an der Rudolf-Diesel-Fachschule VOIP - Michael Mayer - Rudolf-Diesel-Fachschule

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1 VOIP VOICE OVER IP Vortrag von Michael Mayer an der Rudolf-Diesel-Fachschule 1

2 VOIP VOIP steht für Voice-over-IP und hat sich als Standard für eine neuem Art des Telefonierens abgezeichnet. Viele Internetprovider bieten mittlerweile zusätzlich den Telefonie service. Sie erschließen sich hierdurch neue Absatzmärkte. Durch den nicht mehr ortsgebundenen Telefonanschluss bietet Voip eine nie da gewesene Flexibilität In meinem Referat gebe ich einen Überblick über die Technik, welche verwendet wird, um das Telefonieren über paketorientierte Netzwerkt strukturen zu ermöglichen. Behandelt wird dabei der Weg der Sprache über das Mikrofon, sowie die Authentifizierung der Endgeräte. 2

3 Gliederung Geschichte und Entwicklung Einfache VOIP Installation Prinzip VOIP Vor- und Nachteile Übersicht und Unterteilung eines VOIP Paketes Übertragung von Sprache Fourier Einschränkung des Frequenzbereiches durch Bandpassfilter Quantisierung Das RTP - Protokoll Das SIP Protokoll Beschreibung Verbindungsaufbau Schwachstellen in SIP Quellenangaben 3

4 Geschichte und Entwicklung 1973 Erste Übertragungen digitaler Sprache im ARPANETan der University of Southern California mittels Network Voice Protocol. (3.490 bit/s) 1977 Beschreibung des Network Voice Protocol in RFC Beschreibung des Internet Protocol (IP) in RFC 791 sowie erste Empfehlungen der ITU-T* (damals noch CCITT) für ISDN Die Einführung des ISDN ermöglicht Telefonieren mit digitaler Sprachqualität. Die Datenübertragungsrate beträgt 64 kbit/s Einführung des GSM Mobilfunks in Deutschland. Datenrate: 13 kbit/s, über Funk wegen der Redundanz bis zu 22,8 kbit/s 1995 Vocaltec ermöglicht Internettelefonie im Halbduplexbetrieb. Die Sprachqualität ist schlecht Beschreibung des Real-Time Transport Protocol in RFC ITU = International Telecommunication Union (früher: CCITT) 4

5 Geschichte und Entwicklung 1998 Erstmalige Verabschiedung des ITU-T-Rahmenstandards H Beschreibung des Session Initiation Protocol (SIP) in RFC SIP-Erweiterung in RFC Verabschiedung von ITU Q zur Interoperabilität zwischen SIP und ISDN User Part Die Software Skype erscheint und erfreut sich großer Beliebtheit bei Anwendern. Skype nutzt bis heute ein nicht offen gelegtes Protokoll 5

6 Einfache VOIP Installation 6

7 Prinzip VOIP Sprache A/D- Wandler Kompression Paketierung Codec Mit Hilfe von A/D Wandlern wird Sprache in digitale Form gebracht. Anschließend komprimiert und in Pakete gepackt. Dann folgt die Versendung von einzelnen IP-Paketen an andere Teilnehmer. Die IP basierende Datenübertragung bietet eine hohe Zuverlässigkeit, da der Verlust einzelner Pakete keine Unterbrechung des Informationsflusses zur Folge hat. 7

8 Vor- und Nachteile Vorteile Kosten können eingespart werden, durch die Nutzung und Verlegung von lediglich einer Leitungsart für Netzwerk und Telefonie. (Cat5 8 STP/UTP) Firmeninterne Telefonie kann über VOIP vereinfacht werden. vorhanden Leitungen für Technologien wie Ethernet können genutzt werden um eine Telefonie-Infrastruktur auszubauen. Die Flexibilität von VOIP lässt es zu, dass Tagsüber beispielsweise das Call Center in Düsseldorf die Kundenbetreuung übernimmt und ab 20:00 Uhr wird die Nummer ins Call Center nach Karlsruhe geschaltet. Auch intelligente Lastverteilung und Routing ist möglich. Nachteile Absetzen von Notrufen (110/112) nur bedingt möglich, da VOIP nicht geographisch gebunden. Faxen nur bedingt möglich Anschaffung neuer Hardware Software auf PC mit Headset 8

9 Unterteilung eines VOIP-Paketes VOIP ist nicht der Name für ein Protokoll, sondern für die Beschreibung einer Transportmethode für Sprache über ein Netzwerk. VOIP kann unterschiedliche Authetifizierungs- und Steuerprotokolle nutzen Auch Audio und Video kann mit Hilfe von unterschiedlichen Codecs übertragen werden. 9

10 Übertragung von Sprache [1] [2] [3] [4] [5] [6] Bandpass Abtastung / Pufferung PAM/PC M P / S Anpassun g Übertragungsmedium 1 Wandlung der Sprache durch ein Mikrofon in ein Analogsignal 2 Mittels eines Bandpasses wird das Signal von 300Hz 3400Hz begrenzt. 3 Abtastung des Signals mit mind. doppelter Signalfrequenz und Speicherung des PAM Signals in digitaler Form. 4 Zuordnung und Unterteilung der digitalen Codewörter 5 Parallel / Seriell Wandlung der digitalen Codewörter um Sie auf einer 2 Drahtleitung zu übertragen 6 Verstärkung und Anpassung des Signals 10

11 Fourier - Reihe Für f = Frequenz der Schwingung des zu übertragenden Signals. Für a und b = Amplitude der n-ten Oberwelle Jede Periodische Funktion ist zerlegbar in eine unendliche Anzahl an Sinus Schwingungen. Mit n steigt auch die resultierende Frequenz einer Schwingung => Würde ein Signal ungefiltert übertragen, wäre eine unendlich große Anzahl von Amplitudenintervallen nötig, um ein identisches Signal am Ausgang zu erhalten. Dies ist in der Praxis nicht umsetzbar => Die Signale müssen vor einer Digitalisierung gefiltert werden 11

12 Bandpassfilter Um überflüssige Oberwellen einer analogen Schwingung zu vermeiden und den Frequenzbereich einzuschränken wird die Signalfrequenz vor der Abtastung durch einen Bandpassfilter begrenzt. Quelle: Das Telefonnetz nach ITU nutzt für Sprachübertragungen eine Frequenz von Hz Innerhalb des Frequenzbandes tritt bei den beiden Parallelschwingkreisen Resonanz auf. Sie werden hochohmig. Der Serienschwingkreis allerdings wird niederohmig. Quelle: Das Signal kann dann passieren. 12

13 Abtastung analoger Signale U T Abtastung eines Analogen Signals um ein zeitdiskretes PAM Signal zu erhalten Laut dem Nyquist-Shannonsche Abtasttheorem (1948 von Claude Elwood Shannon formuliert) muss ein Signal mit einer Frequenz von fmin und fmax mit 2 * fmax abgetastet werden, um es ohne Informationsverluste übertragen zu können. 13

14 lineare Quantisierung Abtastfrequenz beträgt 1/T T entspricht einem Abtastintervall f * 3Bit = Benötigte Bandbreite Die Quantisierung der linken Kurve erfolgt hier linear. In der Praxis sind allerdings oft nichtlineare Quantisierungskennlinien zu finden. Quantisierung einer Beispielschwingung mit 3Bit Hier wird ein Analogsignal in eine vorgegeben Anzahl (2³) an gleichgroßen Amplitudenintervallen* unterteilt. *(Quantisierungsstufen oder auch Samples) 14

15 Rückwandlung Bei der Rückwandlung des Signals benutzt der Empfänger einen Wert, der im Mittel des Quantisierungsintervalles liegt. Q/2 Q/2 Quantisierungintervall Q Quantisierungsintervalle 15

16 lineare Quantisierung Der Empfänger der Nachricht, weiß durch die Quantisierung nicht den exakten Amplitudenwert zu jedem Zeitpunkt des Signals. Hierdurch entsteht ein Fehler, welcher ein Rauschen auf der Empfängerseite verursacht. Kleine Amplituden (leise Sprechende Teilnehmer) können so nahezu im Rauschen verschwinden. Hier wird die Notwendigkeit deutlich, kleine Signale hervorzuheben 16

17 nichtlineare Quantisierung Linear x Nicht linear Durch eine höhere Quantisierung von kleinen Amplituden, was zugleich weniger Rauschen bedeutet, wird erreicht, dass der Signal / Rauchabstand konstant bleibt. Kleine Amplituden verursachen dann auch weniger Rauschen, wodurch sie wiederum verständlich bleiben. Quelle: 17

18 G.711 Codec Beim ITU G.711 Codec handelt es sich um ein Kodierverfahren zur digitalisierung von Audiosignalen, welches bereits bei ISDN Anwendung fand. Frequenzbereich der Digitalisierung 300 bis 3400 Hz unterteilt in 256 Intervalle. 8 Bit Codewort länge Sampling frequency 8 khz (Abtastfrequenz) 64 kbit/s benötigte Bandbreite => 8*10³ khz [Sampling freq.] * 8bit/Hz [Sample] = 64kbit (bei VOIP mit Header bis zu 80kb/s) 8 khz => 125µs (Abtastintervall/ Delay) MOS wert : 4.45 für G.711 G.711 Anhang A: Erweiterung um PLC (Packet Loss Concealment) Algorithmus um Aussetzer in der Verbindung zu Überbrücken G.711 Anhang A: Erweiterung um DTX (Discontinuous Transmission) In Sprechpausen wird der Datentransfer gestoppt G.711 verwendet für die Quantisierung ein nicht lineares Verfahren. 18

19 G nichtlineare Quantisierung Der zu übertragende Frequenzbereich wird auf 256 Quantisierungsintervalle abgebildet. Hierdurch ergeben sich 8 Segmente mit je 16 Bit zur Beschreibung eines Signalabschnittes. Durch die logarithmisch angelehnte Aufteilung der Segment sind für die Beschreibung niedriger Amplitudenwerte mehr Bits verfügbar, was zur Minderung des Quantisierungsrauschens führt Die ITU G.711 empfiehlt 2 Algorithmen für die Kodierung von Signalen. A-law Algorithmus µ-law Algorithmus Beide sind ähnlich, a-law wird in Europa genutzt. Quelle: 19

20 G.711 Nichtlineare Quantisierung Der a-law algorithmus ist definiert durch die Funktion: Es ergibt sich die linke Funktionskurve, für den positiven Abschnitt. 20

21 G.711 Kodierung X x x x x x x x Ein Codewort besteht aus 8 BIT und ist folgendermaßen aufgeteilt. 1 Bit zur unterscheidung +/- (signifikant BIT) 3 Bit zur Auswahl des Segments (1-7) 4 Bit für den Intervall (1-16) Zur Verdeutlichung soll nun als Beispiel das Codewort einer positiven Amplitudenprobe im Quantisierungsintervall Nr.16 und im Segment Nr.4 bestimmt werden Quelle: 21

22 Übersich VIOP Codecs Quelle: Providerliste mit unterstützen Codecs: 22

23 RTP - Protokoll Das RTP Protokoll (Real-Time Transport Protocol) ist ein Protokoll zur stetigen Übertragen von Musik oder Audiodatein über paket basierte Netze Version (V), 2 bit Padding (P), 1 bit (Füllbit) Extension (X), 1 bit (Erweiterungsheader) CRSC Count (CC), 4 bit Marker (M), 1 bit (RES) Payload Type (PT), 7 bit 1996 im RFC 1889 standardisiert überarbeiteter RFC veröffentlicht. RFC 3550 RTP findet bei VOIP Anwendung in der Übertragung der Nutzdaten (z.b. G.711) 23

24 RTP - Protokoll Auszug aus einem RTP - Stream Merkmale: aufeinanderfolgende Sequenznummern Verwendete Kodierung: ITU-T G.711 PCMU Zeitstempel konstante SSRC, um die Synchronisationsquelle zuordnen zu können. (zufällig erzeugte Nummer) 24

25 SIP - Protokoll Das Session Initiation Protocol (SIP) ist ein Netzprotokoll zum Aufbau einer Kommunikationssitzung zwischen zwei und mehr Teilnehmern. Das Protokoll wird im RFC 3261 (früher RFC 2543) spezifiziert. In der IP-Telefonie ist das SIP ein häufig angewandtes Protokoll. Sip wurde im Gegensatz zu H.323, das von der ITU stammt, von der IETF (Internet Engineering Task Force) entwickelt Sip dient, wie der Name sagt, allein der Authentifizierung und dem Aufbau einer Sitzung zwischen mehreren Teilnehmern Sip ist nicht an VOIP gebunden. SIP ist offener Standard Es zeichnet sich ein Trend für die Nutzung von SIP als VOIP Authentifizierungsprotkoll ab. 25

26 SIP - Protokoll Da SIP Text basierend ist, befindet es sich in der Anwendungsschicht und benötigt die unteren Schichten des ISO / OSI Modells um die Übertragung sicher zu stellen SIP selbst kümmert sich nicht um den Netzwerkverkehr und kann somit auf jedes Netz aufgesetzt werden. 26

27 RFC 3261 (SIP) uses six types (methods) of requests: SIP - requests INVITE Indicates a client is being invited to participate in a call session. ACK Confirms that the client has received a final response to an INVITE request. BYE Terminates a call and can be sent by either the caller or the callee. CANCEL Cancels any pending searches but does not terminate a call that has already been accepted. OPTIONS Queries the capabilities of servers. REGISTER Registers the address listed in the To header field with a SIP server. RFC 3262 Reliability of Provisional Responses in SIP PRACK-Provisional acknowledgement. RFC 3265 extends the basic requests, to support notification: SUBSCRIBE Subscribes for an Event of Notification from the Notifier. NOTIFY Notify the subscriber of a new Event. RFC 3903 extends the basic requests, to publish event changes to the server: PUBLISH - publishes an event to the Server. Other requests introduced in SIP are: INFO - Sends mid-session information that does not modify the session state. (RFC 2976) REFER - Ask recipient to issue SIP request (call transfer.) (RFC 3515) MESSAGE - The MESSAGE is used to transport instant messages using SIP. (RFC 3428) UPDATE - The UPDATE method is used to modify the state of a session without changing the state of the dialog. (RFC 3311) 27

28 SIP - Verbindungsaufbau Fehlgeschlagener SIP - Verbindungsaufbau: Erfolgreicher Verbindungsaufbau 28

29 SIP - Protokoll Wireshark auszug. Header einer SIP REGISTER Anfrage vom Client an den Server. 29

30 Ablauf einer Anmeldung 30

31 SIP ist unsicher 31

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33 SIP hijacking 33

34 QUELLEN

35 BYE (siehe RFC 3261) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Bei Fragen: einfach Anrufen :) 35