Modul 12: 12.1 Paket-u. Leitungsvermittlung 12.2 NGN, Voice over IP

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1 Modul 12: 12.1 Paket-u. Leitungsvermittlung 12.2 NGN, Voice over IP Folie 1

2 12.1 Paket-und Leitungsvermittlung Folie 2

3 Welche Merkmale haben Rechnernetze? Wie kann eine Übertragung von Daten auf der Basis von IP Datenpaketen charakterisiert werden? Folie 3

4 Übertragung von Daten mit 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) Folie 4

5 Das Prinzip der Paketvermittlung = Router Aufteilung der Nachrichten in Pakete Quelle: G. Siegmund, Technik der Netze Folie 5

6 Besonderheiten von einer Sprachübertragung 1. Sprechperiode 2. Sprechperiode Sendedaten Quelle: Die Sprachdaten treten normalerweise mit einer konstanten Datenrate auf => für die Übertragung wird eine feste Bandbreite benötigt! Folie 6

7 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? => Die Bandbreite für die Übertragung ist reserviert d.h. eine gibt eine garantierte Dienstqualität Folie 7

8 Das Prinzip der Leitungsvermittlung Quelle: G. Siegmund, Technik der Netze Folie 8

9 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? Folie 9

10 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 könnengleichzeitig benutzt werden bzw. stehen gleichzeitig zur Verfügung werden. Folie 10

11 Frequenzmultiplex Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 Übertragungskanal belegt einen Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum f t Folie 11

12 Zeitmultiplex Ein Kanal belegt den gesamten Frequenzraum/ die gesamte Bandbreite der Leitung für einen gewissen Zeitabschnitt. Die verschiedenen Datenströme werden nacheinander übertragen K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 f t Folie 12

13 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 Wird in der Regel bei Leitungsvermittlung verwendet Folie 13

14 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 Signalisierung Kanal 15 Kanal 16 (64 kbit/s-) (64 kbit/s-) (D-Kanal) Bit-Nummer 125 µs Kanal 30 (64 kbit/s-) t Zeitmultiplex auf Byte-Ebene Brutto-Datenübertragungsrate: 32 x 64 kbit/s = 2,048 Mbit/s Netto-Datenübertragungsrate: 1,92 Mbit/s Folie 14

15 Leitungsvermittlung (3) Es gibt 3 Phasen: den Aufbaueiner Verbindung (d.h. Schalten der Leitung), die Datenübertragung, den Abbauder 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 Folie 15

16 12.2 Next Generation Networks (NGN), Voice over IP Folie 16

17 Next Generation Networks (NGN) Next Generation Networks (NGN) ist eine Bezeichnung für die zukünftigen Kommunikationsnetze, mit denen die Realisierung aller Dienste wie z.b. Sprach-, Daten-, Videoübertragungen und TV möglich sein soll. 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. Folie 17

18 Kennzeichnung/ Priorisierung bestimmter Daten und Optimierung der Routen aller Dienste Operator/ Traffic Management (Traffic Engineering) R R R R R R R Router E Endpunkt S Steuerungspunkt Netz mit Multiplane-Architektur Folie 18

19 Worin liegen die Herausforderungen? Was sind die Besonderheiten einer Sprach-bzw. einer Videokommunikation? Skype als Beispiel einer Videokommunikation über das Internet: Ist Skype für eine Videokonferenz in einem kommerziellen Umfeld geeignet? Und wenn nicht, warum nicht? Folie 19

20 Übertragung von Sprachdaten über paketvermittelnde Netze, Voice over IP (VoIP) Quelle: Folie 20

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 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. Folie 21

22 Analog-Digital Wandlung von Sprachdaten: Beispiel für ein analoges Signal Quelle: Wie kann dieses Signal digitalisiert werden? Folie 22

23 Analog-Digital Wandlung von Sprachdaten, zeitliche Quantisierung: Abtasten und Halten des Sprachsignal Quelle: Folie 23

24 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. Folie 24

25 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 Folie 25

26 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 Allerdings ist die erneute Übertragung von verlorengegangenen Paketen (bei TCP) auch nicht sinnvoll! Was ist für die Übertragung von Sprachdaten wichtig? Folie 26

27 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 einen Buffer ausgeglichen Folie 27

28 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) Folie 28

29 Aufbau eines RTP Pakets Version IHL TOS Gesamtlänge Priorität D T R C - Kennung Flags -DFMF 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 Folie 29

30 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 Folie 30

31 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 Folie 31

32 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 Folie 32

33 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 Welche Parameter müssen beim Verbindungsaufbau ausgetauscht werden??? Folie 33

34 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) wirdeinweiteresprotokollbenötigt. Hierwirdoft 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.) Folie 34

35 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 einen Verbindungsaufbau starten. EsgibtaucheinenRedirect Server, der den Proxy Server insbesonderebeider Adressauflösungentlastet. Folie 35

36 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. Folie 36

37 Direkte Kommunikation zwischen VoIP Endgeräten Quelle: Folie 37

38 SIP: Verbindungsauf-und -abbau bei einer direkten Kommunikation zwischen UAC und UAS, (sofern der UAC die IP Adresse des UAS kennt) Datenaustausch Quelle: Folie 38

39 SIP: Verbindungsaufbau über einen Proxy Server, wobei die aktuelle IP Adresse über den Location Server bereitgestellt wird Proxy Server 3. Location Server / Datenaustausch Quelle: Folie 39

40 SIP: Verbindungsaufbau über einen Proxy Server Quelle: Folie 40