Modul 12: 12.1 Vertiefung Paket- u. Leitungsvermittlung 12.2 Voice over IP, Next Generation Networks

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1 Modul 12: 12.1 Vertiefung Paket- u. Leitungsvermittlung 12.2 Voice over IP, Next Generation Networks :57:15 Folie 1

2 12.1 Vertiefung Paketund Leitungsvermittlung :57:16 Folie 2

3 Wiederholung Übertragung von IP Datenpaketen Daten werden auf Pakete aufgeteilt In jedem Paket ist eine eindeutige Adresseninformation enthalten Pakete werden in jedem Netzknoten zwischengespeichert und dann weitergeleitet Der Weg durch das Netz ist nicht festgelegt Netzressourcen werden nur belegt, wenn Datenpakete übertragen werden => Paketvermittlung (packet switching) :57:16 Folie 3

4 Wiederholung Das Prinzip der Paketvermittlung Aufteilung der Nachrichten in Pakete Quelle: G. Siegmund, Technik der Netze :57:16 Folie 4

5 Wiederholung Leitungsvermittlung (circuit switching) Eine physikalische Leitung bzw. ein Teil einer Leitung (Kanal) steht den Teilnehmern für die Dauer der Verbindung zur Verfügung Der Weg durch das Netz ist festgelegt. Alle Daten nehmen den gleichen Weg! Die Leitung/ der Kanal ist reserviert, solange die Verbindung besteht (auch wenn keine Daten übertragen werden) Was bedeutet diese Reservierung für die Dienstqualität? :57:16 Folie 5

6 Leitungsvermittlung (2) 1. Frage: Was ist unter einem Teil einer Leitung d.h. unter einem Kanal zu verstehen? 2. Frage: Wie können die Daten verschiedener Kanäle unterschieden werden? 3. Frage: Wie kann die Reservierung der Leitung/ des Kanals realisiert werden? :57:16 Folie 6

7 Multiplexen Prinzip des Multiplexen: mehrere, unabhängige Datenströme werden über dasselbe physikalische Medium übertragen Je Datenstrom wird ein Kanal benötigt Bei WLAN oder bei Kabelfernsehen entspricht ein Kanal einem Frequenzbereich, der zur Übertragung verwendet wird. Verschiedene Kanäle können gleichzeitig benutzt werden bzw. stehen gleichzeitig zur Verfügung werden. Bei einem Ethernet mit Hub-Verkabelung werden die Daten zeitlich nacheinander über die gleiche Leitung übertragen :57:16 Folie 7

8 Frequenzmultiplex Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt c K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 Übertragungskanal belegt einen Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum f t :57:16 Folie 8

9 Zeitmultiplex Ein Kanal belegt den gesamten Frequenzraum/ die gesamte Bandbreite der Leitung für einen gewissen Zeitabschnitt. Die verschiedenen Datenströme werden nacheinander übertragen c K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 f t :57:16 Folie 9

10 Zeitmultiplex Verschiedene Datenströme zu verschiedenen Zeiten Übertragungsrahmen mit festen Positionen/ Zeitschlitzen (= Zeitspannen) Fester Zeitschlitz für jeden Datenstrom/ Benutzer => Kanal Z.B. Übertragungsrahmen mit fester Anzahl von Zeitschlitzen (= Übertragungskanälen) Identifizierung über Position innerhalb des Übertragungsrahmen :57:16 Folie 10

11 Beispiel für Zeitmultiplex: ISDN-Primärmultiplexsignal mit 2,048 Mbit/s Kanal 1 Kanal 2 (64 kbit/s-) (64 kbit/s-) 3,9 µs Nummerierung der Zeitschlitze Rahmenkennung Signali- Kanal 15 Kanal 16 Sierung (64 kbit/s-) (64 kbit/s-) (D-Kanal) Bit-Nummer 125 µs Kanal 30 (64 kbit/s-) Zeitmultiplex auf Byte-Ebene Brutto-Datenübertragungsrate: 32 x 64 kbit/s = 2,048 Mbit/s Netto-Datenübertragungsrate: 1,92 Mbit/s :57:16 Folie 11

12 Leitungsvermittlung (3) Es gibt 3 Phasen: den Aufbau einer Verbindung (d.h. Schalten der Leitung), die Datenübertragung, den Abbau der Verbindung ( = Freigeben der Netzressourcen) Eindeutige Adressinformationen sind beim Aufbau der Verbindung notwendig Die für den Aufbau (und auch den Abbau) einer Leitung notwendigen Information sind Signalisierungsinformationen und werden in der Regel in einem zusätzlichen Kanal (bei ISDN: D-Kanal) für Signalisierung übertragen Der Signalisierungskanal ist immer vorhanden, der Kanal für die Daten wird bei Bedarf reserviert :57:16 Folie 12

13 Signalisierungs-Protokollbereiche im ISDN D-Kanal-Protokoll SS7-Protokoll D-Kanal-Protokoll B-Kanal Endgerät Orts- VSt. Fern- VSt. Orts- VSt. Endgerät D-Kanal ZK : Zentral- Signalisierungs- Kanal D-Kanal Benutzer-Benutzer-Signalisierung Benutzer-Benutzer-Informationen :57:16 Folie 13

14 Wiederholung Das Prinzip der Leitungsvermittlung Quelle: G. Siegmund, Technik der Netze :57:16 Folie 14

15 12.2 Voice over IP, Next Generation Networks :57:16 Folie 15

16 Übertragung von Sprachdaten über paketvermittelnde Netze d.h. Voice over IP (VoIP) Quelle: :57:16

17 Was ist notwendig um Sprachdaten über ein IP Netz zu übertragen? 1. Generell für Sprache: Analog-Digital-Wandlung 2. Übertragung der Daten: Sprachdaten in IP Paketen zusammenfassen, Sicherung der Reihenfolge der Pakete, Was tun bei Paketverlust? Ist eine erneute Sendung notwendig? 3. Adressauflösung: Zuordnung eines Teilnehmers/ einer Telefonnummer zu einer IP Adresse 4. Aufbau einer Verbindung: Ist der Teilnehmer online? Signal-/Klingelton beim angerufenen Teilnehmer etc :57:16 Folie 17

18 Analog-Digital Wandlung von Sprachdaten: Beispiel für ein analoges Signal Quelle: Wie kann dieses Signal digitalisiert werden? :57:16

19 Analog-Digital Wandlung von Sprachdaten, zeitliche Quantisierung: Abtasten und Halten des Sprachsignal Quelle: :57:17

20 Hochschule Analog-Digital Wandlung von Sprachdaten Quantisierung der Amplitude Quelle: In diesem Beispiel mit 8 Amplitudenwerten werden pro Zeitwert 3 Bit übertragen, das führt zu der Bitfolge: Es entsteht ein kontinuierlicher Bitstrom mit einer festen Bitrate! Die Art der Quantisierung wird im Codec festlegt :57:17

21 Was ist notwendig um Sprachdaten über ein IP Netz zu übertragen? 1. Generell für Sprache: Analog-Digital-Wandlung 2. Übertragung der Daten: Sprachdaten in IP Paketen zusammenfassen Ist eine Sicherung der Reihenfolge der Pakete nötig? Was tun bei Paketverlust? Ist eine erneute Sendung notwendig? 3. Adressauflösung: Zuordnung eines Teilnehmers/ einer Telefonnummer zu einer IP Adresse 4. Aufbau einer Verbindung: Ist der Teilnehmer online? Signal-/Klingelton beim angerufenen Teilnehmer :57:17 Folie 21

22 Welches Transport Protokoll ist geeignet? TCP oder UDP??? Mit TCP kann die richtige Paketreihenfolge wiederhergestellt werden und verloren gegangene Pakete werden erneut gesendet. Mit UDP werden diese Möglichkeiten nicht unterstützt Was ist für die Übertragung von Sprachdaten wichtig??? :57:17

23 Einfluss von Delay und Jitter bei Voice over IP 1. Sprechperiode 2. Sprechperiode Quelle: Gesendete Daten Jitter bei der Übertragung Empfangene Daten Delay der Übertragung Abgespielte Daten Verzögerung durch den Playout Buffer zum Ausgleich von Jitter Wegen (zu) später Ankunft verworfenes Datenpaket Die Paketreihenfolge ist wichtig und Paketverlust muss bekannt sein! Verzögerungsschwankungen werden durch einem Buffer ausgeglichen :57:17

24 Das Real-Time Transport Protokoll (RFC3550) RTP ist ein Protokoll, das für die Übertragung z.b. von Sprache wird. Es dient dazu, die richtige Reihenfolge von Paketen beim Empfänger (wieder) herzustellen und Paketverluste feststellbar zu machen. Es setzt auf UDP auf und enthält u.a. Informationen über Die Datenquelle Das Format der Nutzdaten Eine Sequenznummer, die in jedem Paket hochgezählt wird, zur Wiederherstellung der Paketreihenfolge Den Zeitpunkt des 1. Byte in der RTP Payload (Zeitstempel) :57:17

25 Aufbau eines RTP Pakets Version IHL TOS Gesamtlänge Priorität D T R C - Kennung Flags - DF MF Fragment Offset IP TTL Protokoll Kopfprüfsumme Absender IP-Adresse Empfänger IP-Adresse UDP Quellport Länge Zielport Prüfsumme Versionsnr. + Flags Payloadtype Sequenznummer RTP Zeitstempel Synchronisierungssource ID :57:17 Folie 25

26 Kapselung der Sprachdaten bei Voice over IP Quelle: wiki/ip-telefonie Die Sprachdaten werden mit dem Real-Time Transport Protokoll (RTP) auf der Basis von UDP übertragen :57:17

27 Was ist notwendig um Sprachdaten über ein IP Netz zu übertragen? 1. Generell für Sprache: Analog-Digital-Wandlung 2. Übertragung der Daten: Sprachdaten in IP Paketen zusammenfassen, Sicherung der Reihenfolge der Pakete, Was tun bei Paketverlust? Ist eine erneute Sendung notwendig? 3. Adressauflösung: Zuordnung eines Teilnehmers/ einer Telefonnummer zu einer IP Adresse 4. Aufbau einer Verbindung: Ist der Teilnehmer online? Signal-/Klingelton beim angerufenen Teilnehmer :57:17 Folie 27

28 Abbildung einer Telefonnummer/ eines Teilnehmers auf eine IP Adresse Zum Absenden eines IP Datenpakets muss die IP Adresse des Empfängers bekannt sein. Mögliche Lösungsansätze: Zuordnung von (bisherigen) Telefonnummer zu IP Adressen und Erweiterung der Telefonbücher um die IP Adresseinträge Zuordnung von Teilnehmern zu einer festen IP Adresse, wobei die Daten auf Servern ähnlich dem DNS System hinterlegt sein müssen Zuordnung von Teilnehmern zu einer sich möglicherweise ändernden IP Adresse. Dann müssen sich Teilnehmer z.b. mit einem Nutzernamen bei einem Server anmelden, wenn sie erreichbar/ online sind. Falls mehrere Server beteiligt sind, müssen die Server in der Lage sein, untereinander Daten auszutauschen :57:17

29 Was ist notwendig um Sprachdaten über ein IP Netz zu übertragen? 1. Generell für Sprache: Analog-Digital-Wandlung 2. Übertragung der Daten: Sprachdaten in IP Paketen zusammenfassen, Sicherung der Reihenfolge der Pakete, Was tun bei Paketverlust? Ist eine erneute Sendung notwendig? 3. Adressauflösung: Zuordnung eines Teilnehmers/ einer Telefonnummer zu einer IP Adresse :57:17 4. Aufbau einer Verbindung: Ist der Teilnehmer online? Signal-/Klingelton beim angerufenen Teilnehmer Welche Parameter müssen beim Verbindungsaufbau ausgetauscht werden??? Folie 29

30 Signalisierung zum Aufbau einer Verbindung Signalisierungsprotokolle H.323 Packet-based multimedia communications systems, ITU-T- Standard SIP Session Initiation Protocol, (IETF RFC 3261), wird inzwischen sehr häufig eingesetzt Zur Aushandlung der Details bei der Sprach- bzw. Videoübertragung (also z.b. der Codecs) wird ein weiteres Protokoll benötigt. Hier wird oft das SDP Session Description Protocol (IETF, RFC 4566) verwendet. SDP Pakete werden dann im SIP Datenfeld übertragen. Um zusätzlich die Funktionalität einer Telefonanlage zu realisieren, kann z.b. die frei verfügbare Software Asterisk benutzt werden (also um festzulegen, wohin ein Anruf weitergeleitet wird, was passiert, wenn niemand abnimmt oder ein Anschluss besetzt ist oder welche Mailbox informiert werden soll etc.) :57:17

31 Session Initiation Protocol (SIP) SIP basiert auf einer Client-/ Server Architektur. Komponenten einer SIP Architektur sind: User Agents (UA) entsprechen den Endgeräten. Es gibt den User Agent Client (UAC), den Anrufenden und den Angerufenen, das ist der User Agent Server (UAS). Der Registrar Server enthält den Location Service. Das ist eine Datenbank mit den Teilnehmern und ihren IP Adressen. Der Proxy Server, zur Unterstützung bei der Adressauflösung, kann die Anfrage eines UAC weiterleiten/ nach der Adressauflösung starten. Der Redirect Server entlastet den Proxy Server insbesondere bei der Adressauflösung :57:17

32 Session Initiation Protocol (2) SIP basiert auf dem Austausch von Requests/ Responses. Wichtige SIP Nachrichten sind: Invite (Request: initiert den Aufbau einer Verbindung) Trying (Response: zeigt an, dass der Verbindungswunsch weitergeleitet wird) Ringing (Response: zeigt an, dass es beim Angerufenen klingelt) OK (Response: bestätigt das letzte Request, zeigt z.b. an, dass der Angerufene abgenommen hat oder die Verbindung beendet wurde) ACK (Request: positive Bestätigung z.b. beim Verbindungsaufbau, 3-Way-Handshake!) Bye (Request: Beendigung der Verbindung durch einen Teilnehmer) Entsprechend der Nachricht müssen u.u. zusätzliche Parameter übertragen werden. Dabei können als Payload auch SDP Pakete enthalten sein z.b. zur Aushandlung der unterstützten/ verwendeten Codecs :57:17

33 Direkte Kommunikation zwischen VoIP Endgeräten Quelle: :57:17

34 SIP: Verbindungsaufbau bei einer direkten Kommunikation zwischen UAC und UAS, (sofern der UAC die IP Adresse des UAS kennt) Quelle: :57:17

35 SIP: Verbindungsaufbau über einen Proxy Server, wobei die aktuelle IP Adresse über den Location Server bereitgestellt wird Proxy Server 3. Location Server / Quelle: :57:18

36 SIP: Verbindungsaufbau über einen Proxy Server Quelle: :57:18

37 SIP: Verbindungsaufbau über einen Redirect Server, hier wird die aktuelle IP dem Anrufenden direkt mitgeteilt Redirect Server Location Server Quelle: :57:18

38 SIP: Verbindungsaufbau über einen Redirect Server Quelle: :57:18

39 Verbindung zwischen VoIP Endgeräten und dem Telefon-/ Mobilfunknetz über einen Gateway-Service Quelle: Was lässt sich über die Dienstgüte bzw. den Quality of Service (QoS) in paketvermittelnden Netzen sagen? :57:18

40 Next Generation Networks (NGN) In Next Generation Networks (NGN) sollen die leitungsvermittelnden Kommunikationsnetze durch eine einheitliche paketvermittelnde Netzinfrastruktur und -architektur auf der Basis von IP ersetzt werden. Die ITU-T definiert in ihrer Empfehlung Y.2001 ein NGN wie folgt: Ein Netz der nächsten Generation (NGN) ist ein paketvermittelndes Telekommunikationsnetz, das Telekommunikationsdienste bereitstellt, viele breitbandige, dienstgüteklassenfähige Transporttechnologien nutzt und bei dem dienstbezogene Funktionen unabhängig von der genutzten Transporttechnologien sind. Es bietet den Nutzern uneingeschränkten Zugang zu Netzen, zu konkurrierenden Dienstanbietern und/oder Diensten ihrer Wahl. Es unterstützt die allgemeine Mobilität, die eine beständige und allgegenwärtige Bereitstellung von Diensten für die Nutzer ermöglicht :57:18