VoIP vs. PSTN. Was ist anders? Markus Geller Copyright 2015 ComConsult Research GmbH, Aachen

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1 VoIP vs. PSTN Was ist anders? Markus Geller Copyright 2015 ComConsult Research GmbH, Aachen

2 Telekommunikationsansätze im Vergleich Klassische Telefonie ( Leitungs- oder Kanal-Vermittlung ) zuerst wird eine Verbindung aufgebaut, (ein Weg zur Informationsübertragung festgelegt) alle Informationen eines Gesprächs nehmen dann im Normalfall diesen Weg Zugriff zur Infrastruktur: Zeitschlitzgesteuert (STD oder ATD) und Unicast basiert Informationsflüsse werden eindeutig zwischen zwei Partnern ausgetauscht keine Sendung parallel an alle oder gleichzeitig an alle Teilnehmer einer Gruppe als Basis-Service Eigenständige Infrastruktur speziell für Telefonie Telefonie-Netz Telefonie-Dienste

3 Kernstück ist ein Multiplexer, der den Teilnehmern feste Kanäle (Zeitschlitze) zur Verfügung stellt Digitales Endgerät FAX Analoges Endgerät Jedes Endgerät besitzt eine eigene Leitung zu seinem Anschlussmodul Anschlußmodul Ein Server meist integriert steuert Kommunikation und Leistungsmerkmale ( Kommunikationsserver ) TK-Anlage Öffentliches Telefonnetz Weitere Server meist extern für spezielle Anwendungen zentrales Adressbuch oder ähnliche Computerunterstützung (CTI) Call Center, etc. Kommunikationsserver Applikationsserver

4 Voice over IP Verbindungslos ( Paketvermittlung ) Informationen werden über eine Abfolge einzelner Pakete transportiert jedes Paket kann durchaus einen anderen Weg nehmen Zugriff auf die Infrastruktur: Paketweise, es gibt verschiedene Adressatenkreise für ein einzelnes Paket Unicast (ein Sender, ein Empfänger) Broadcast (ein Sender, alle Teilnehmer in Reichweite als Empfänger) Multicast (ein Sender, alle an speziellem Datenstrom Interessierte als Empfänger) Nutzung der Infrastruktur für die Datenkommunikation LAN/WAN IP-Netzwerke, z.t. offen, wie das Internet typische IP-basierte Dienste

5 Transport der Sprache ausschließlich über IP Kommunikations- und Applikationsserver sind Windows- oder Linux-Server Das Standard-Endgerät hat eine Ethernet- Schnittstelle IP-Telefon Telefonie-Software auf PC Nicht IP-Endgeräte werden über Gateways angeschlossen. z.b. Fax-Geräte, Gegensprechanlagen Gateways zum öffentlichen Telefonnetz sind u. a. Router mit speziellen Schnittstellen

6 Dies führt zu neuen Aufgabenstellungen und Fragen Wie sehen bei VoIP die Kommunikationsbeziehungen aus? Wie vermeide ich die Überlastung eines VoIP Verbindung? Wie werden Freizeichen und Co. generiert? Woher erhalte ich meinen Gebührenimpuls / AoC? Wer gibt mir eine Zeitinformation? Was bedeutet es für ein Sprachpaket wenn parallele Wege genutzt werden? Warum brauchen Datennetzen QoS und was ist das eigentlich?

7 Die Kommunikationsbeziehungen am Beispiel von SIP:

8 Überlastung: PSTN vs. VoIP ISDN kennt zwei Anschlussvarianten Primärmultiplex, PRI (PMX) 30 B Kanäle à 64 kbit/s 1 D Kanal à 64 kbit/s Basisanschluss, BRI 2 B Kanäle à 64 kbit/s 1 D Kanal à 16 kbit/s Bei Überlastung erfolgt ein Besetzzeichen VoIP nutzt eine Datenverbindung mit festgelegter Bandbreite Asymmetrisch (ADSL, Kabel) 2-10 Mbit/s Upstream / Mbit/s Downstream Symmetrisch (SDSL, Ethernet) Mbit/s oder mehr (LAN) Frage: Wieviel Gespräche passen auf eine solche Datenverbindung? Antwort: Beliebig viele

9 Eine Datenleitung erkennt keine Auslastung VoIP Situationen: 1x 82,5 kbit/s bei 100 Mbit/s LAN Anschluss -> kein Problem 60x 82,5 kbit/s ( 5 Mbit/s) auf einem 2 Mbit/s SDSL Link zum Provider: Alarm!! Folge: Datenpakete werden z. B. in Richtung Provider Link gesendet sobald mehr Daten anliegen als abtransportiert werden können wird gepuffert -> Verzögerung beim Transport -> Gesprächsqualität nimmt ab ist der Puffer voll werden ankommende Pakete wahllos weggeworfen -> Pakete gehen verloren -> es kommt zu Aussetzern oder Abbrüchen

10 CAC Call Admission Control Anzahl der möglichen Verbindungen werden vorher festgelegt Bandbreit des VoIP Trunks benötigte Bandbreite für ein Gespräch Vertragsgegenstand des VoIP Trunks (Provider) Gateway / Router / SBC beobachtet die Anzahl der parallelen Verbindungen auf dieser Datenleitung Beim erreichen der max. Anzahl erfolgt eine Benachrichtigung TK Anlage Re-Routing zu einem anderen Gateway des initiierenden Telefons mittels SIP Response Code

11 Freizeichen und Co. Die Antwort von SIP Anfragen erfolgt über SIP Respones Codes Provisional (1xx): Anfrage erhalten, in Bearbeitung Success (2xx): Anfrage erfolgreich erhalten, verstanden und akzeptiert Redirection (3xx): Weitere Aktionen notwendig um die Anfrage zu bearbeiten Client Error (4xx): Anfrage enthält eine falsche Syntax oder kann vom Server nicht erfüllt werden Server Error (5xx): Server kann eine korrekte Anfrage nicht beantworten Global Failure (6xx): Anfrage kann von keinem Server beantwortet werden Diese werden gewöhnlich im Display des Endgerätes angezeigt und vom normalen Benutzer nicht verstanden

12 Der normale Benutzer benötigt ein akustisches Signal das er kennt: Beim Abheben Dauerton -> Leitung frei Kurze Tonabfolge -> Leitung belegt Beim Rufaufbau Lange Tonabfolge -> es klingelt Kurze Tonabfolge -> besetzt Diese Signale müssen von der TK-Anlage, einem Gateway oder dem Endgerät bereitgestellt werden

13 Gebührenimpuls / Advice of Charge Mit der Umstellung auf VoIP verändert sich auch das Gebührenmodell der Provider in Richtung Flatrate (fast) immer Festnetz National Optional Mobilfunk National Festnetz Europa Mobilfunk Europa Festnetz International

14 AoC und SIP sind kein Wiederspruch SIP kennt folgende AoC Funktionen AOC-D - Charge Information during call via SIP INFO Messages AOC-E - Charge Information at the end of the call via BYE or 200 OK Message AOC-S - Charge Information before call Allerdings kaum ein Provider hat diese Lösungen implementiert können aber diese Daten im nachhinein über eine SW Schnittstelle (XML) zur Verfügung stellen

15 Zeitinformation Ohne TDM Infrastruktur, keine zentrale Zeitvorgabe durch den TK Server SIP Endgeräte benötigen jedoch eine genau Zeitinformation RTP Zeitstempel für jedes Paket RTCP zur Auswertung der Verbindungsqualität Bereitstellung der Zeitinformation erfolgt unabhängig von der TK Lösung NTP Network Time Protocol NTP Server im Intranet oder Internet Zugänglich für alle Endgeräte Quelle: Meinberg

16 Netzwerk Multipath Im Gegensatz zur klassischen Telefonie, kennen moderne Datennetze nicht nur einen Weg von der Quelle zum Ziel Sowohl Layer 2 (Ethernet) als auch Layer 3 (IP) unterstützen dies TRILL (L2) SPB (L2) OSPF (L3) EIGRP (L3) 11 Bridge 2 Bridge Bridge 1 Bridge 4 Bridge 6 Bridge 5 Die Gefahr: Pakete können sich überholen geraten dabei durcheinander Folge: keine geordnete Wiedergabe bei TCP (SIP) Übertragungen kein Problem - > Sequenznummer Bei UDP (RTP/RTCP) trotz Zeitstempel eine Gefahr -> Cisco Telefone 4

17 Was ist Quality of Service? Die Bereitstellung von Güteklassen für die Ressource Netzwerk in Abhängigkeit von den Ansprüchen der Anwendungen Filetransfer kann keine Paketverluste verkraften, wird langsam durch viele (verlustbedingte) TCP-Timeouts kann sich an Delay-Situation anpassen Online-Anwendungen (z.b. Dialogfenster) Paketverluste: siehe Filetransfer Verzögerungen bedingt verkraftbar Quelle: voip.info.org Telefonie: kann mit Paketverluste umgehen, sofern diese nicht gehäuft auftreten ist gegen Verzögerung empfindlich

18 Wie funktioniert Quality of Service? Beeinflussbares Element der Datenübertragung sind die Netzwerk-Router Die Ausgangslage sollte daher sein Routing-Komponente nicht ausgelastet FIFO für alle Pakete und alle Datenströme in Ordnung Erst bei Engpässen wird es interessant Wie lange verweilt ein Paket nach dem Einlesen im Router? Welche Paketflüsse sind betroffen, wenn Pakete verworfen werden müssen (Puffer voll)?

19 Es geht also um Ressourcen im IP-Router Dabei ist zu berücksichtigen: VoIP produziert keine großen Datenmengen Vollständigkeit ist kein Muss Wichtig ist nur eine Mindestmenge an VoIP-Paketen pro Zeiteinheit, die durchkommt

20 Woher kommt das Signal zur QoS-Behandlung? Signal im IP-Paket Diffserv-Bits nutzen, dies macht der Sender des Pakets Zusatzinformation im Paket ( Label ), durch Router hinzugefügt, z.b. MPLS jeder Router der ein solches Signal sieht und einen entsprechenden Mechanismus unterstützt behandelt ein solches Paket gezielt bevorzugt. Konfiguration auf den Routern Es werden verschiedene Formen der Behandlung definiert. ( Classes of Service, zugehörige Warteschlangen) Definition von Filtern (IP-Adressen, evtl. well known ports), die Pakete in die gewollten Warteschlangen eingruppieren

21 Assured forwarding, also Verwerfen verboten, für SIP-Paket

22 Expedited forwarding, d.h. höchste Stufe der bevorzugten Behandlung

23 Grenzen von QoS, insbesondere für VoIP QoS entschärft punktuelle Engpass-Situationen für einige Datenströme wenn zu viele Datenströme best quality beanspruchen versagt QoS QoS heilt keine grundlegende Ressourcen-Not QoS-Mechanismen beschäftigen die Router zusätzlich verlängerte Verweildauer der Pakete im Puffer verzögerte Ankunft beim Zielsystem